一種基于單片機(jī)的炫彩智能杯墊設(shè)計(jì)

　　一、簡(jiǎn)述

　　一杯水?dāng)[在面前，如何來(lái)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(lái)都不是太舒適，采用單片機(jī)能夠?qū)λ疁剡M(jìn)行測(cè)量、控制，同時(shí)為我們的生活增添幾分樂(lè)趣。本設(shè)計(jì)能夠達(dá)到從視覺(jué)上判知水杯溫度的效果，冷熱程度由RGB-LED調(diào)色顯示出來(lái)，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(shí)尚的生活。

　　二、設(shè)計(jì)原理闡述

　　炫彩智能杯墊主要由電源電路、溫度測(cè)量電路、RGB-LED色彩控制電路等構(gòu)成。STC系列單片機(jī)作為控制芯片，電源的通斷由三個(gè)開(kāi)關(guān)S1、S2、S3共同控制，水杯重量達(dá)到一定程度時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合電源接通，通過(guò)溫度傳感器DS18B20采集水杯溫度信號(hào)，并輸出與之對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，送入STC15L104單片機(jī)控制芯片，經(jīng)過(guò)信號(hào)的處理與運(yùn)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(guò)混色，從而調(diào)制出彩色光，控制它變色。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框如圖1所示：

　　三、硬件電路設(shè)計(jì)

　?。ㄒ唬╇娐沸酒x型

　　STC15L104單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的一款功能比較全面的單片機(jī)，內(nèi)部集成高精度R/C時(shí)鐘和高可靠復(fù)位。根據(jù)本設(shè)計(jì)的實(shí)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(jī)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。

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　　任何系統(tǒng)想要正常的工作，就必須要有一個(gè)穩(wěn)定的電源。本設(shè)計(jì)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(cè)量電路

　　溫度測(cè)量電路由溫度傳感器DS18B20采集杯中水溫的實(shí)時(shí)溫度，提供給單片機(jī)的某個(gè)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(wú)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(lái)完成，支持3至5.5V的電壓范圍，與單片機(jī)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(wú)論是哪一種方式，單總線上都要連接上拉電阻。本設(shè)計(jì)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(jī)的一個(gè)I/O口上，即可讀取被測(cè)控對(duì)象的溫度，由于DS18B20的單總線是開(kāi)漏的，因此在電路設(shè)計(jì)中，需外接一個(gè)上拉電阻。

　?。ㄋ模㏑GB-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(shí)導(dǎo)通時(shí)，藍(lán)、綠兩色不亮，因此需對(duì)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(jì)采用的是5050RGB貼片LED燈珠，低電壓驅(qū)動(dòng)，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(zhǎng)，抗靜電能力強(qiáng)，體積小，安裝方便。產(chǎn)品采用高檔環(huán)氧樹(shù)脂封裝，環(huán)保節(jié)能。

　　四、軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)主程序的功能：

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

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

　?。?）進(jìn)行溫度檢測(cè)，按照運(yùn)算結(jié)果，在RGB三個(gè)通道輸出不同占空比的信號(hào)，驅(qū)動(dòng)全彩LED混色，產(chǎn)生不同的顏色效果；

　?。?）監(jiān)視水杯溫度，如果低于30℃，熄滅LED,降低功耗；

　?。?）若發(fā)現(xiàn)溫度超過(guò)限制范圍時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

　　五、電路板設(shè)計(jì)

　　電路板的制作為了提高藝術(shù)性，設(shè)計(jì)成直徑為8cm的圓形，采用雙層設(shè)計(jì)，頂層為主控制電路、溫度測(cè)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(jì)有開(kāi)關(guān)裝置，沒(méi)有杯子放上時(shí)不工作，節(jié)省電力，杯墊正面三個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)呈120°排列，保證了杯墊使用時(shí)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(jì)的倍壓電路，可單獨(dú)給RGB全彩LED供電，以滿足LED工作電壓的需要，使LED工作時(shí)充分照亮杯體。

　　六、總結(jié)

　　本文的設(shè)計(jì)是以生活中常用物品為載體進(jìn)行的創(chuàng)新型設(shè)計(jì)，杯墊兼顧了實(shí)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(wú)杯子放置時(shí)或杯子水溫低于30℃時(shí)，自動(dòng)關(guān)斷電源，節(jié)省電力適合移動(dòng)使用。

　　該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，在單片機(jī)的控制下，可根據(jù)水溫不同發(fā)出不同顏色的光，運(yùn)行效果較好，特別是視覺(jué)沖擊力較強(qiáng)，流光溢彩的燈光效果反映水溫的同時(shí)兼具觀賞性和趣味性，在暗環(huán)境下使用者可以體驗(yàn)猶如“夜光杯”那樣夢(mèng)幻般的視覺(jué)感受，張揚(yáng)個(gè)性又不失典雅，在聚會(huì)、派對(duì)、慶典等場(chǎng)合有烘托氣氛的作用，適合多種場(chǎng)合使用