基于單片機控制的水溫炫彩智能杯墊電路設(shè)計

一、簡述

一杯水?dāng)[在面前，如何來判別它溫度，一般我們都是用手去觸摸感知，根據(jù)季節(jié)不同太熱或太冷接觸起來都不是太舒適，采用單片機能夠?qū)λ疁剡M(jìn)行測量、控制，同時為我們的生活增添幾分樂趣。本設(shè)計能夠達(dá)到從視覺上判知水杯溫度的效果，冷熱程度由RGB-LED調(diào)色顯示出來，不僅能夠讓人“看到”水溫，而且還增添了幾分幻彩，為大家提供健康、舒適、時尚的生活。

二、設(shè)計原理闡述

炫彩智能杯墊主要由電源電路、溫度測量電路、RGB-LED色彩控制電路等構(gòu)成。STC系列單片機作為控制芯片，電源的通斷由三個開關(guān)S1、S2、S3共同控制，水杯重量達(dá)到一定程度時，開關(guān)閉合電源接通，通過溫度傳感器DS18B20采集水杯溫度信號，并輸出與之對應(yīng)的電信號，送入STC15L104單片機控制芯片，經(jīng)過信號的處理與運算，以PWM方式調(diào)節(jié)電壓占空比，占空比越大，平均電壓越大，燈也就越亮，占空比越小，平均電壓越小，燈也就越暗，不同亮度的彩色LED經(jīng)過混色，從而調(diào)制出彩色光，控制它變色。系統(tǒng)設(shè)計框如圖1所示：

三、硬件電路設(shè)計

（一）電路芯片選型

STC15L104單片機是宏晶科技生產(chǎn)的一款功能比較全面的單片機，內(nèi)部集成高精度R/C時鐘和高可靠復(fù)位。根據(jù)本設(shè)計的實際情況和要求，選用STC15L104作為系統(tǒng)的控制芯片，與傳統(tǒng)單片機相比，可省去傳統(tǒng)的復(fù)位電路及外部晶振電路，且封裝采用貼片式，占用電路板的面積非常小，適合集成在電路板上。

（二）電源電路

任何系統(tǒng)想要正常的工作，就必須要有一個穩(wěn)定的電源。本設(shè)計采用3V直流電源，為減少輸入電源引入的低頻干擾，在電源兩端并聯(lián)電容濾波電路。

（三）溫度測量電路

溫度測量電路由溫度傳感器DS18B20采集杯中水溫的實時溫度，提供給單片機的某個端口（P3.3口）作為數(shù)據(jù)輸入。溫度傳感器有很多種，如熱敏電阻，熱電偶，半導(dǎo)體溫度傳感器等。本文選用的集成半導(dǎo)體溫度傳感器DS18B20，它提供9~12位（二進(jìn)制）溫度讀數(shù)，無需A/D轉(zhuǎn)換，其數(shù)據(jù)傳輸方式采用單總線，即數(shù)據(jù)的輸入或輸出均由同一條線來完成，支持3至5.5V的電壓范圍，與單片機的連接有兩種方法，一種是外部電源供電的三線接法，另一種寄生電源供電的兩線接法，無論是哪一種方式，單總線上都要連接上拉電阻。本設(shè)計采用外部電源供電，將DS18B20的引腳DQ端（單數(shù)據(jù)總線）連接到單片機的一個I/O口上，即可讀取被測控對象的溫度，由于DS18B20的單總線是開漏的，因此在電路設(shè)計中，需外接一個上拉電阻。

（四）RGB-LED混色電路

混色電路由藍(lán)、綠、紅三種顏色的LED燈構(gòu)成，它們的導(dǎo)通電壓不同，藍(lán)色為3.2~3.3V，綠色為3.2~3.3V，紅色為1.9~2.0V，當(dāng)三色LED同時導(dǎo)通時，藍(lán)、綠兩色不亮，因此需對這兩種顏色的LED供電電源添加倍壓電路。

（五）LED選型

本設(shè)計采用的是5050RGB貼片LED燈珠，低電壓驅(qū)動，耗電量低，亮度高，散色角度大，一致性好，產(chǎn)生的熱量低，使用壽命長，抗靜電能力強，體積小，安裝方便。產(chǎn)品采用高檔環(huán)氧樹脂封裝，環(huán)保節(jié)能。

四、軟件設(shè)計

系統(tǒng)主程序的功能：

（1）初始化系統(tǒng)參數(shù)，啟動定時器，利用定時器產(chǎn)生周期固定的PWM波；

（2）檢測撥碼開關(guān)SW1的狀態(tài)，設(shè)定彩色LED輸出控制方式；

（3）進(jìn)行溫度檢測，按照運算結(jié)果，在RGB三個通道輸出不同占空比的信號，驅(qū)動全彩LED混色，產(chǎn)生不同的顏色效果；

（4）監(jiān)視水杯溫度，如果低于30℃，熄滅LED，降低功耗；

（5）若發(fā)現(xiàn)溫度超過限制范圍時，發(fā)出報警信號。

五、電路板設(shè)計

電路板的制作為了提高藝術(shù)性，設(shè)計成直徑為8cm的圓形，采用雙層設(shè)計，頂層為主控制電路、溫度測量電路、RGB-LED混色電路，底層為電源電路，系統(tǒng)采用3V鈕扣電池供電，杯墊底部設(shè)計有開關(guān)裝置，沒有杯子放上時不工作，節(jié)省電力，杯墊正面三個按鈕開關(guān)呈120°排列，保證了杯墊使用時的穩(wěn)定性，溫度傳感器位于杯墊正中心，能保證溫度采集的準(zhǔn)確性，板上設(shè)計的倍壓電路，可單獨給RGB全彩LED供電，以滿足LED工作電壓的需要，使LED工作時充分照亮杯體。

六、總結(jié)

本文的設(shè)計是以生活中常用物品為載體進(jìn)行的創(chuàng)新型設(shè)計，杯墊兼顧了實用性和創(chuàng)新性，裝置內(nèi)部有全彩發(fā)光LED和溫度傳感器，在電源管理上無杯子放置時或杯子水溫低于30℃時，自動關(guān)斷電源，節(jié)省電力適合移動使用。

該設(shè)計結(jié)構(gòu)合理，在單片機的控制下，可根據(jù)水溫不同發(fā)出不同顏色的光，運行效果較好，特別是視覺沖擊力較強，流光溢彩的燈光效果反映水溫的同時兼具觀賞性和趣味性，在暗環(huán)境下使用者可以體驗猶如“夜光杯”那樣夢幻般的視覺感受，張揚個性又不失典雅，在聚會、派對、慶典等場合有烘托氣氛的作用，適合多種場合使用。