具有饮水量监测恒温水杯垫策划.docVIP

具有饮水量监测的恒温水杯垫设计 　　摘 要：随着经济的快速发展，人们忙于工作和学习而经常忘记喝水或喝不到温度适宜的水，文章设计的智能杯垫将解决这一问题，本设计采用Atmega328作为核心控制芯片，通过陶瓷加热片对杯底进行加热，通过LM35温度传感器采集水杯温度，内置重量采集模块，通过一块彩屏显示时间、温度和饮水量，还能通过PID算法进行智能控温。目前在市场上杯垫并没有出现加热和水量测量相结合的智能杯垫 关键词：Atmega328；杯垫；PID 引言 水是生命必须的元素之一，人体每天需要补充2升左右的水，每天补充足够的水分是维持生命体新陈代谢的重要一环。喝水的温度也直接影响了胃肠的健康，晨起喝水，水温与室温相同对肠胃最佳，天冷时喝温开水，可以减少对胃肠的刺激。但是目前很多上班族或白领，每天的饮水量不足，喝水时的水温也不适宜肠胃，长此以往，对身体健康影响很大，造成一些身体疾病 在目前市场上，普遍的智能杯垫监控饮水量的功能，只能监测用户的饮水量，但无法保证饮水时的水温。本设计在智能杯垫的基础上增加了加热功能，很好地解决了饮水时水温不适宜的问题，同时也让用户养成将水杯放回杯垫的习惯，以监测用户饮水量 1 硬件电路设计 1.1 系统硬件总体结构 本设计的硬件部分按功能可以分为单片机主控模块、按键输入、时钟模块、显示模块、报警模块、温度采集、温度控制、称重模块等几个部分。硬件总体结构框图如图1所示，智能杯垫以单片机为控制核心，并辅助以各种功能模块，其中，温度由LM35温度传感器采集，采集到的温度会通过液晶屏显示出来。用户饮水量监测由两个全桥称重传感器进行检测，该传感器将重量信号转成微弱的电压信号，再通过24位的A/D转换器HX711转换成数字信号，控制器会对该数字信号进行滤波，并计算出水的体积，最终将饮水量情况通过控制面板上的液晶显示器显示出来。整个系统还包括DS3231时钟芯片、按键和报警电路，用于监控每段时间的饮水量情况进而提醒用户 1.2 温度传感器 温度传感器的种类比较繁杂，目前，常见高精度温度传感器有LM35和DS18B20。LM35系列是精密集成电路温度传感器，其输出的电压线性地与摄氏温度成正比。灵敏度为10.0mV/℃，精度在0.4℃至0.8℃（-55℃至+150℃温度范围内），重复性好，低输出阻抗，线性输出和内部精密校准使其与读出或控制电路接口简单和方便，可单电源和正负电源工作。而DS18B20具有微型化，低功耗，高性能，抗干扰能力强，易配微处理器等优点，可直接将温度转化成数字信号处理器处理。测量的温度范围是-55～125℃，测温误差0.5℃。考虑到DS18B20温度转换时间过长，影响对陶瓷加热片升温调整，最终我们采用LM35作为温度传感器 1.3 称重模块 本设计考虑到称重的精确度，采用了HX711数模转换芯片，这是一款专为高精度24位A/D转换器芯片，与同类型其它芯片相比，该芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等其它同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。HX711配合压电片和形变传感器实现了水杯重量的采集。硬件电路连接如图2所示 1.4 时钟模块 本设计采用了DS3231作为时钟芯片，DS3231是低成本、高精度I2C实时时钟（RTC）。该器件连接了一颗纽扣电池，即使杯垫断开主电源，仍可保持长时间的精确计时。DS3231中集成的晶振能提供高精度的脉冲，保障时间的精确性 时钟芯片能保存秒、分、时、星期、日期、月和年信息。少于31天的月份，将自动调整月末的日期，包括了对闰年的修正。时钟的工作格式可以由用户选择24小时或带AM/PM指示的12小时格式，芯片通过I2C与单片机通信 2 软件功能设计 2.1 主程序模块 杯垫上电后首先会对系统进行初始化，然后循环运行彩屏显示、按键扫描、时钟读取、重量采集、计算用户饮水量、饮水提醒和重置看门狗定时器等功能。本系统拥有一个简单的用户界面，便于用户对产品进行操作。该界面功能包括时钟显示、菜单选择和操作、加热温度设置、饮水情况查看、设置提醒等等 2.2 PID温度控制 由于陶瓷加热的稳定性较差，温度曲线不够平滑，在整个加热过程中，受到外界各种不确定干扰的因素较多，因此必须对水温的变化趋势作出预测，并且根据需要及时反方向抑制，以防止出现较大的超调量的波动 在PID控制中，积分环节（I）具有很强的滞后效应，而微分环节（D）具有预见性，所以该方案最终采用PD算法，能够很好的控制超调，并且稳态误差也很小。本套系统将LM35温度传感器采集铝板的温度作为当前输入，与设定值比较进而得到偏差值，然后运用PID运算公式编写出软件算法后，得到fout的值决定是否加热，加热