黃嘉成，艾蘇高，黃典昆，朱俊宇

（桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林541004）

基于STM32的藍(lán)牙智能飲水機(jī)設(shè)計

黃嘉成，艾蘇高，黃典昆，朱俊宇

（桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林541004）

水是一切生命之源，人們常說，“每天八杯水”，換算成數(shù)字大約是每天2000mL的需水量，合理科學(xué)地飲水成了人們?nèi)粘Ｉ畹碾y題。項目通過改造基礎(chǔ)飲水機(jī)機(jī)型，利用STM32系列單片機(jī)達(dá)到智能控制飲水機(jī)實(shí)現(xiàn)定時定量定溫加熱，實(shí)時測量水溫，提醒飲水的功能。飲水機(jī)內(nèi)還加入藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)用手機(jī)操作也能智能飲水的功能。此次改造成本低，具有一定的市場價值，適合大量推廣。

飲水機(jī)；STM32；智能；藍(lán)牙

普通的家用飲水機(jī)一旦打開了身后的開關(guān)，常常忘記準(zhǔn)時地關(guān)閉，忘記及時飲水，不僅容易飲用反復(fù)加熱的水，而且浪費(fèi)電能。因此，在家居智能化的今天，飲水機(jī)智能化是十分重要的一環(huán)。市面上已經(jīng)有很多藍(lán)牙飲水機(jī)，然而基本都重新設(shè)計，標(biāo)價高，普及率低。本項目在傳統(tǒng)飲水機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)智能控制功能，成本低，并且加入了與手機(jī)APP相連的功能，符合家居智能化的理念。整個改造針對如今最簡單的飲水機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品的升級，更適合新時代的需求。

1 系統(tǒng)設(shè)計

改造系統(tǒng)以STM32系列單片機(jī)為核心，采用藍(lán)牙模塊，溫度測量模塊，控制水溫的MOS管、可控硅模塊，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫，通過手機(jī)APP通訊，把最基本的飲水機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芩{(lán)牙飲水機(jī)。新的藍(lán)牙智能飲水機(jī)可以實(shí)現(xiàn)以下功能：（1）改造傳統(tǒng)的機(jī)械式開關(guān)，變?yōu)榭梢钥刂频能涢_關(guān)，實(shí)現(xiàn)了飲水可以定時定溫定量的功能，摒棄了傳統(tǒng)飲水機(jī)持續(xù)沸水、降低水質(zhì)、不可控溫、浪費(fèi)電能的缺點(diǎn)。（2）采用了一塊觸摸屏，增加了飲水機(jī)的可視化操作，通過簡單的圖片和文字描述，使得老人、少年都能熟練地上手操作，可推廣性強(qiáng)。（3）增加了藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)了與手機(jī)APP的連接，可以讓人們遠(yuǎn)程操控飲水機(jī)，即使在床上，也能在想需要的時候喝到最合適的溫度的水和最合適的量，符合智能家居的理念。

2 硬件搭建

本項目使用的基礎(chǔ)飲水機(jī)機(jī)型為Y1262LKD-C安吉爾立式電子冷熱飲水機(jī)，只有提供冷水和熱水的基本功能。如圖1所示，在飲水機(jī)內(nèi)部，主要有一個電子冷膽和一個加熱箱分散在機(jī)體兩側(cè)，用于制冷和制熱，機(jī)體邊緣還有一塊12 V的開關(guān)電源電路板和制冷制熱的開關(guān)裝置。12 V開關(guān)電源給制冷片和風(fēng)扇供電，加熱管則是由220 V交流直接供電。電子冷膽實(shí)際上是由一個半導(dǎo)體制冷片和一個散熱風(fēng)扇組成。半導(dǎo)體制冷片的工作原理是在一端吸收熱量達(dá)到制冷的目的，而在另一端釋放熱量。散熱風(fēng)扇組裝在制熱一側(cè)，以便于持續(xù)散熱和提高制冷效率。

圖1 改造前機(jī)體內(nèi)基本結(jié)構(gòu)

改造時通過不改動飲水機(jī)機(jī)體的方式，在硬件系統(tǒng)上通過增加了一塊控制板和屏幕。主控板采用STM32F103ZET6單片機(jī)輔以最小系統(tǒng)，摒棄了傳統(tǒng)的開關(guān)控制，單片機(jī)與飲水機(jī)之間的控溫采用MOS管控制制冷片，可控硅控制電熱管，DS18B20實(shí)時采集溫度，實(shí)現(xiàn)對水的精確控溫。與單片機(jī)相連的還有HC-06藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)與手機(jī)的通信，遠(yuǎn)距離操控飲水機(jī)；使用TFT LCD 9341電阻式觸摸顯示屏，實(shí)時顯示飲水機(jī)工作狀態(tài)，手動控制飲水機(jī)。改造后機(jī)體內(nèi)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改造后機(jī)體內(nèi)基本結(jié)構(gòu)

2.1 溫度控制

MOS管在這里充當(dāng)了一個“電氣開關(guān)”的作用，當(dāng)MOS管的柵極接收到了來自單片機(jī)的高低電平信號，就可以對半導(dǎo)體制冷片有效地控制。MOS管較于三極管控制的優(yōu)勢在于它是電壓型控制器件，功耗低，并且開關(guān)速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于三極管，增大了調(diào)節(jié)溫度的精度和穩(wěn)定性。為了使MOS能夠正常進(jìn)行工作，必須加上驅(qū)動電路。電路采用最常見的圖騰柱式驅(qū)動電路，如圖3所示，利用兩個互補(bǔ)的小功率三極管組成推挽結(jié)構(gòu)，提供充足的充電電流使MOS管柵極電壓迅速上升到所需值，保證開關(guān)管能快速開通且抑制上升沿的高頻震蕩[1]。為防止兩個三極管直通導(dǎo)致電流過大，在MOS管柵極處接10 Ω電阻用于限流，再在電阻上并聯(lián)一個快速恢復(fù)二極管加速M(fèi)OS管的關(guān)斷時間，降低MOS管的關(guān)斷損耗。

圖3 MOS管驅(qū)動電路

加熱則是采用了可控硅控制，可控硅可以用很小的功率控制較大的功率，本身的壓降損耗僅1 V左右。電路采用MOC3063光電耦合器驅(qū)動可控硅，根據(jù)官方的Datasheet的典型參考電路，如圖4所示：光耦的1腳接電路供電電壓，2腳接控制信號，3、5腳為空腳，兩個360 Ω電阻防止誤觸發(fā)可控硅，并聯(lián)一個RC吸收電路吸收尖峰電壓，負(fù)載接在4腳和零線之間。

圖4 可控硅驅(qū)動電路

2.2 溫度采集

在冷膽內(nèi)部和電熱管外部還安裝了兩個DS18B20傳感器進(jìn)行溫度測量，實(shí)時測量冷熱水溫。作為與單片機(jī)聯(lián)系最緊密的一款溫度傳感器，DS18B20測試溫度范圍-55℃～125℃，對應(yīng)的最長轉(zhuǎn)換時間分別為 93.75 ms、187.5 ms、375 ms、750 ms.出廠默認(rèn)配置為12位數(shù)據(jù)，刻度值為0.062 5℃，最長轉(zhuǎn)換時間為750 ms.從以上數(shù)據(jù)可以看出，DS18B20數(shù)據(jù)位越低、轉(zhuǎn)換時間越短、反應(yīng)越快、精度越低。為了增強(qiáng)傳感器與單片機(jī)的通訊能力，需要在DS18B20的單總線通訊線上增加一個阻值為4.7 KΩ的上拉電阻，如圖5所示。

圖5 DS18B20連接電路

2.3 藍(lán)牙通訊

為了適應(yīng)智能化的需求，無線控制飲水機(jī)體現(xiàn)了產(chǎn)品進(jìn)一步發(fā)展的趨勢。本項目采用HC-06藍(lán)牙模塊與手機(jī)進(jìn)行通訊。模塊如圖6所示。藍(lán)牙模塊與單片機(jī)有兩根通訊線連接用來接收和發(fā)出信號，其他是一根電源線和一根地線。

圖6 藍(lán)牙模塊

3 軟件控制

3.1 控制溫度的PID調(diào)節(jié)

系統(tǒng)采用增量式PID調(diào)節(jié)，基本公式如下[2]

A、B、C都是與采樣周期、比例系數(shù)、積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù)有關(guān)的系數(shù)，e（k），e（k-1），e（k-2）分別為當(dāng)前誤差，前一次誤差，前兩次誤差。通過調(diào)節(jié)A、B、C三個參數(shù)，系統(tǒng)在10℃ ～30℃控溫時精度達(dá)到了±0.3℃，30℃ ～60℃精度達(dá)到了±0.5℃，60℃～100℃精度達(dá)到了±0.8℃.溫度控制參數(shù)表如表1所示。

表1 溫度控制參數(shù)記錄

3.2 藍(lán)牙APP設(shè)計

APP軟件基于Android Studio平臺開發(fā)，用Java語言編寫。運(yùn)行于API19及以上的Android操作系統(tǒng)中。Android平臺的藍(lán)牙系統(tǒng)是基于BlueZ實(shí)現(xiàn)的，但從 Android 4.2版本開始，Android藍(lán)牙協(xié)議棧從BlueZ換成BlueDroid，并從4.3版本開始，提供了對藍(lán)牙4.0 BLE的支持[3]。

軟件包含了藍(lán)牙通訊、掃碼識別、圖像識別、語音識別、手勢識別和數(shù)據(jù)存儲的功能。軟件界面如圖7所示。

圖7 APP界面

APP中加入了一鍵熱水功能，方便快速，避免打開新的用戶界面，提高了軟件的實(shí)用性。

溫度設(shè)置提供了攝氏度和華氏度，轉(zhuǎn)換關(guān)系F=9×C+32，溫度范圍從10～100℃，既可以制冷又可以制熱，提升用戶體驗和生活品質(zhì)。定時設(shè)置提供了預(yù)定時間和倒計時間，方便用戶選擇，短時間內(nèi)可以選擇倒計時間，長時間范圍選擇預(yù)定時間。節(jié)能設(shè)置會打開低功耗藍(lán)牙，并對整個系統(tǒng)的功耗進(jìn)行控制并降低。

4 結(jié)束語

本項目通過改造基礎(chǔ)飲水機(jī)機(jī)型，提高人們的飲水質(zhì)量，促進(jìn)飲水機(jī)產(chǎn)品向新時代發(fā)展，具有一定的市場價值。智能家居的理念已經(jīng)慢慢在人心里扎根，研發(fā)越來越多的智能化家用產(chǎn)品將會是時代的潮流。

[1]孫彥卿，白古山，石廣元，MOS集成器件電子學(xué)[M].北京：電子工業(yè)出版社，1989：139-143.

[2]陶永華，新型PID控制及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002：5-7.

[3]李忠良.Android源碼分析實(shí)錄[M].北京：清華大學(xué)出版社，2015.

Smart Dispenser Client Based on STM32

HUANG Jia-cheng，AI Su-gao，HUANG Dian-kun，ZHU Jun-yu
（Guilin University of Electronic Technology，Guilin Guangxi 541004，China）

Water is the source of all life，people often say，“eight glasses of water a day”，converted to digital is about 2000 ml of water every day.Drinking water scientifically has become the problem of people’s daily life.Through reforming basic water dispenser model，project uses the STM32 series SCM to intelligently control water dispensers to achieve timing quantitative fixed temperature heating，temperature shall be measured in real time，to remind the function of drinking water.Water dispenser also adds the Bluetooth module to realize that using a mobile phone can also drink water intelligently.The transformation of low cost?has certain market value，and it will be suitable for a large number of promotions.

water dispenser；STM32；intelligent；bluetooth

TM925

A

1672-545X（2017）09-0121-04

2017-06-16

2016年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（編號：201610595002）資助

黃嘉成（1996-），男，江蘇人，本科，研究方向：智能家居的研發(fā)。