基于STC12C5A60S2单片机的智能水杯设计

广州铁路职业技术学院 张仁朝 王先彪

本文设计了一种基于STC12C5A60S2单片机控制的智能水杯，以满足人们对健康饮水生活的需要。该智能水杯不仅具有喝水语音提示，提醒由于工作忙碌而忘记喝水的人；还可以加热水、制冷水，提供适和人体正常饮用的温水；同时手动模式可以自行设定饮水时间、水的温度，以满足个人性化人群的需要。

引言：医学研究表明：正常的成年人一天饮水量应该在2000cc左右，以维持由于尿液、流汗或皮肤蒸发等流失的水分，从而保证人体的健康。很多人由于工作繁忙或生活习惯的问题往往无法达到这一要求，结果是在口渴的时候才去喝水。其实当人体感到口渴想要喝水的时候，体内的失水已经达到20%，口渴本身其实是体内已经严重缺水的表现，这是造成“亚健康”状态的致命习惯之一。

因此我们需要一款智能水杯。它可以记录饮水数据并提醒饮水，这样人们就可以根据个人平时的需要设置喝水时间，时间到了它就会发出语音提醒；同时在杯子屏幕上显示日期、时间、水量、水温等。真正的养成“一杯在手，健康享受”的饮水习惯。

1.硬件电路设计

1.1 系统结构

该系统主要由半导体制冷片、MCU模块、显示模块、温度传感模块、按键模块、语音模块、时钟模块及组成。如图1所示。

图1 系统结构图

图2 半导体制冷片原理

1.2 硬件模块介绍

1.2.1 半导体制冷片

半导体制冷片，也叫热电制冷片，是一种热泵。它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。它的工作原理是利用半导体材料的珀耳帖效应，具体如图2所示。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时，在这个电路中接通直流电流后，就能产生能量的转移，电流由N型元件流向P型元件的接头吸收热量，成为冷端，由P型元件流向N型元件的接头释放热量，成为热端。吸热和放热的大小是通过电流的大小以及半导体材料N、P的元件对数来决定。

1.2.2 MCU模块

MCU采用STC12C5A60S2的单片机作为控制的核心。它是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，单时钟/机器周期(1T)工作，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。如图3所示。

图3 单片机模块

1.2.3 显示模块

由于智能水杯要求显示时间以及温度的实时数据监测，实现良好的人机交换信息因此才用0.96英寸的OLED 显示器，此显示器具有功耗低体积小、分辨率高（128*64个像素点）等特点，可采用SPI通信，占用I/O较小综合考虑采用中景园0.96寸OLED显示屏12864作为智能水杯的显示模块。如图4所示。

图4 显示模块

1.2.4 语音模块

为了更好的实现更好的人机信息的交换以及提醒用户按时喝水，因此我们加入了语音控制模块，实现温度提示，电源低压报警提示用户及时给智能温控杯充电，以至于更好延长锂电池的寿命，其中P3.0、P3.1接单片机，J3接扬声器，如图5所示。

图5 语音模块

1.2.5 电源电路

智能温控杯采用内部的聚合物锂电池供电为主，实现便携式，因此我们将锂电池的12V电压分两路供电。一路经过三端稳压器7805稳压后，提供给主控电路以及各模块电路所需的电源。另一路是直接送到驱动电路。如图6所示。

图6 电源电路

1.2.6 驱动电路

由于要控制半导体电流的方向来实现制热和制冷，因此我们设计了H桥驱动电路（如图7所示）当P2.1为高电平、P2.0为低电平时Q2与Q3导通形则电流从制冷片的左端流入右边流出，水杯处于制冷状态。当P2.1为低电平、P2.0为高电平时Q1与Q4导通，电流从制冷片的右边流入，左边流出，这时水杯处于制热状态。当P2.1和P2.0为低电平时水杯此时处于保温状态。

图7 驱动电路

2.软件设计

开机后，系统初始化，首先进行电量的检测；然后会提示当前水温，用户可以设置水的温度、喝水时间以及自动模式，也可以通过按键设置，具体流程如图8所示。

图8 系统流程图

3.结束语

本文设计的智能水杯，有效利用了单片机在电子产品的控制领域中的性能优势，能够实现设定水的温度、显示时间、提醒喝水、同时具有电量检测等功能，符合人们对健康饮水的需求。