基于单片机控制的水温炫彩智能杯垫电路设计

一、简述

一杯水摆在面前，如何来判别它温度，一般我们都是用手去触摸感知，根据季节不同太热或太冷接触起来都不是太舒适，采用单片机能够对水温进行测量、控制，同时为我们的生活增添几分乐趣。本设计能够达到从视觉上判知水杯温度的效果，冷热程度由RGB-LED调色显示出来，不仅能够让人“看到”水温，而且还增添了几分幻彩，为大家提供健康、舒适、时尚的生活。

二、设计原理阐述

炫彩智能杯垫主要由电源电路、温度测量电路、RGB-LED色彩控制电路等构成。STC系列单片机作为控制芯片，电源的通断由三个开关S1、S2、S3共同控制，水杯重量达到一定程度时，开关闭合电源接通，通过温度传感器DS18B20采集水杯温度信号，并输出与之对应的电信号，送入STC15L104单片机控制芯片，经过信号的处理与运算，以PWM方式调节电压占空比，占空比越大，平均电压越大，灯也就越亮，占空比越小，平均电压越小，灯也就越暗，不同亮度的彩色LED经过混色，从而调制出彩色光，控制它变色。系统设计框如图1所示：

三、硬件电路设计

（一）电路芯片选型

STC15L104单片机是宏晶科技生产的一款功能比较全面的单片机，内部集成高精度R/C时钟和高可靠复位。根据本设计的实际情况和要求，选用STC15L104作为系统的控制芯片，与传统单片机相比，可省去传统的复位电路及外部晶振电路，且封装采用贴片式，占用电路板的面积非常小，适合集成在电路板上。

（二）电源电路

任何系统想要正常的工作，就必须要有一个稳定的电源。本设计采用3V直流电源，为减少输入电源引入的低频干扰，在电源两端并联电容滤波电路。

（三）温度测量电路

温度测量电路由温度传感器DS18B20采集杯中水温的实时温度，提供给单片机的某个端口（P3.3口）作为数据输入。温度传感器有很多种，如热敏电阻，热电偶，半导体温度传感器等。本文选用的集成半导体温度传感器DS18B20，它提供9~12位（二进制）温度读数，无需A/D转换，其数据传输方式采用单总线，即数据的输入或输出均由同一条线来完成，支持3至5.5V的电压范围，与单片机的连接有两种方法，一种是外部电源供电的三线接法，另一种寄生电源供电的两线接法，无论是哪一种方式，单总线上都要连接上拉电阻。本设计采用外部电源供电，将DS18B20的引脚DQ端（单数据总线）连接到单片机的一个I/O口上，即可读取被测控对象的温度，由于DS18B20的单总线是开漏的，因此在电路设计中，需外接一个上拉电阻。

（四）RGB-LED混色电路

混色电路由蓝、绿、红三种颜色的LED灯构成，它们的导通电压不同，蓝色为3.2~3.3V，绿色为3.2~3.3V，红色为1.9~2.0V，当三色LED同时导通时，蓝、绿两色不亮，因此需对这两种颜色的LED供电电源添加倍压电路。

（五）LED选型

本设计采用的是5050RGB贴片LED灯珠，低电压驱动，耗电量低，亮度高，散色角度大，一致性好，产生的热量低，使用寿命长，抗静电能力强，体积小，安装方便。产品采用高档环氧树脂封装，环保节能。

四、软件设计

系统主程序的功能：

（1）初始化系统参数，启动定时器，利用定时器产生周期固定的PWM波；

（2）检测拨码开关SW1的状态，设定彩色LED输出控制方式；

（3）进行温度检测，按照运算结果，在RGB三个通道输出不同占空比的信号，驱动全彩LED混色，产生不同的颜色效果；

（4）监视水杯温度，如果低于30℃，熄灭LED，降低功耗；

（5）若发现温度超过限制范围时，发出报警信号。

五、电路板设计

电路板的制作为了提高艺术性，设计成直径为8cm的圆形，采用双层设计，顶层为主控制电路、温度测量电路、RGB-LED混色电路，底层为电源电路，系统采用3V钮扣电池供电，杯垫底部设计有开关装置，没有杯子放上时不工作，节省电力，杯垫正面三个按钮开关呈120°排列，保证了杯垫使用时的稳定性，温度传感器位于杯垫正中心，能保证温度采集的准确性，板上设计的倍压电路，可单独给RGB全彩LED供电，以满足LED工作电压的需要，使LED工作时充分照亮杯体。

六、总结

本文的设计是以生活中常用物品为载体进行的创新型设计，杯垫兼顾了实用性和创新性，装置内部有全彩发光LED和温度传感器，在电源管理上无杯子放置时或杯子水温低于30℃时，自动关断电源，节省电力适合移动使用。

该设计结构合理，在单片机的控制下，可根据水温不同发出不同颜色的光，运行效果较好，特别是视觉冲击力较强，流光溢彩的灯光效果反映水温的同时兼具观赏性和趣味性，在暗环境下使用者可以体验犹如“夜光杯”那样梦幻般的视觉感受，张扬个性又不失典雅，在聚会、派对、庆典等场合有烘托气氛的作用，适合多种场合使用。