自动恒温水杯装置的设计

向波

（唐山学院，河北 唐山063000）

1 研究背景

目前市场上还没有一款真正意义上的自动温控水杯，曾经在网上各大卖场走红的55℃杯，其宣称“无论是热水、还是冷水，只要倒入这个小杯子中，摇一摇，就可以变成适合人们饮用的55℃温水。”经各方调查，其本质就是普通的铝合金，夹层中充填了大量盐水。热水遇到导热性能优异的合金壁，杯壁将热量传导给夹层中温度较低的常温盐水，再经过用户摇一摇后，杯壁内的饮用水和杯子夹层中的盐水的温度实现了平衡，通过不断计算和实验，只要将水杯容积设定合适就可以使最后的温度保持在大约55℃左右，杯里的水升温原理也一样，夹层里的盐水温度在55℃左右，通过杯壁传导给温度低的饮用水，随后饮用水温度上升大约升至30℃左右。由此可见该水杯降温和升温必须满足特定条件，其设定的温度值55℃也不是最适合大多数人饮用水的温度值（40℃-45℃）。且由于不同人群、同一人群的不同个体以及同一个体不同时间对饮水水温的要求变化都很大，因此其使用范围十分有限。本次设计目标就是设计出一种能够克服以上诸多缺点的自动恒温水杯装置，其主要是用温度控制系统来对水杯进行温度控制，设计的关键是如何在一个如此小的装置上实现制冷降温。半导体制冷技术又称为热电制冷技术，目前热电制冷采用的材料基本上都是半导体，人们习惯称之为半导体制冷，因半导体片的制作成本低、占用空间体积小、易于控制和响应速度快，所以与传统的制冷设备相比半导体制冷在微制冷领域有广泛的应用。

2 系统设计

整个恒温水杯装置主要控制部分以STC89C52 单片机为核心器件，与电阻电容晶振等构成单片机最小系统。其它各模块围绕着最小系统展开。其中，传感器采用DS18B20，负责采集温度数据并转换成数字信号发送给单片机，显示设备采用4 位共阴极数码管。按键模块，主要是用户根据自己需要进行出水温度值范围的设定，报警模块通过开关来控制蜂鸣器与电路的连接。实现报警功能和电路检测、保护功能，水泵采用手动开关控制，每位用户都可以根据自身不同的需求来控制每次的抽水量。

3 电路控制系统设计

温度传感器检测当前温度，在DS18B20 内部进行A/D 转换，将数值显示在数码管上并传输给单片机，单片机将其与用户设定的温度上、下限值进行比较、判断，若温度高于设定温度上限值则启动降温系统，即降温继电器闭合，启动半导体制冷片和小风扇进行制冷降温，直到温度值低于设定的上限值；若温度低于设定温度下限则启动升温系统，即升温继电器闭合，启动加热片进行加热升温，直到温度高于设定的温度下限值。LED 指示灯指示系统当前工作状态，红灯亮表示水温高，降温装置工作，绿灯亮表示水温低，加热装置工作，蜂鸣器根据用户选择可以处于连接状态和断开状态，处于连接状态时则可以对整个控制电路进行检测，并对电路工作状态进行声响提示，用户可以根据需要，通过按键设置出水温度的上、下限值。

图1 系统框图

4 水杯装置整体硬件设计

4.1 水杯装置结构设计

传统的水杯均采用一体式结构，水杯制做便捷、成本低。本设计则不能再采用一体式结构，主要是加热或降温装置的功率有限，若一次性将水杯中的水全都加热或降温处理则需要的时间较长，功能即便实现也失去了意义。因为多数人要饮水时不会一次饮用很多的水，多数人一般单次饮水量在100ml～200ml。基于此本设计构想只需对用户单次饮用的水进行加热或降温处理即可，这样可以避免对杯中的水重复的加热和降温，既有利于节约电源模块中储存的电量，也有利于用户的身体健康，因为水被重复加热则易形成“亚硝酸盐”等对人体有害的物质。

本设计水杯结构整体上分为三大部分：下部大水杯主要用来储存可能需要饮用的水，为了方便用户使用，设计时使其有较大的储存空间。上部小水杯主要用来储存当前时间用户需要饮用的水，加热和制冷装置主要是针对该水杯里的水，此部分空间较小，主要是考虑在满足大多数人群的一次性饮水需求的同时尽量减小单次所需加热或降温的水的体积，以利于最大限度的减少加热升温和制冷降温过程需要的时间以及节约电源模块的能量。中间部分放置加热片、制冷片、散热器等。此部位在结构上主要起连接功能，将上下部分水杯连接在一起，成为一体，因此要用快干胶仔细认真连接并确保连接牢固。上、下部分水杯均由杯身和杯盖组成，主要是为了方便接水、倒水以及水杯的清洗等。电路板和电源放置在水杯两侧，使整个水杯装置尽量保持平衡。

4.2 散热装置设计

半导体制冷是利用连接在一起的N 型和P 型半导体之间的“珀尔帖效应”进行换热制冷。根据能量守恒定律，能量既不会凭空产生，也不会凭空消失。半导体片在一面制冷时另一面也会产热，根据传热学原理，只有热端充分的散热，冷端才能达到持续制冷的效果，所以当半导体片工作时，其热端需要散热装置进行散热。本设计采用散热器+风扇散热，加速热端热量的散发，降低制冷片两端温差，从而达到更好的制冷效果。为保证散热装置和半导体片同时工作，散热装置中的小风扇直接和半导体片并联连接。

4.3 水杯装置进出水和水管设计

下部大水杯中的水通过水泵（5V）被抽到上部小水杯。水泵开关采用手动控制，可以根据不同人群的单次饮水量的不同来控制开关的开通时间，从而使上部小水杯中进水量的多少可以由用户根据自身需要而决定，这样就使水杯装置只对用户当次需要饮用的水进行加热或降温处理。可以使水杯装置在满足用户个性化需求的同时也能够最大限度的充分利用电源模块存储的电量，使水杯装置整体上更加合理、环保。上部小水杯设有溢流管，溢流管下部和大水杯相连通，当上部小水杯中水位过高时，杯中的水会通过溢流管自动流回下部大水杯，防止溢出和浪费，水管和水杯的连接部分要进行防漏水处理。下部大水杯中的上水管其长度要稍微长一些，且必须是软管，以使下部大水杯内的水能完全被抽到上部小水杯中。

4.4 水杯电源模块设计

采用常见的移动电源（手机充电宝）供电：

1 端口：（5V 1A）用于对水杯供电。

2 端口：（5V 2A）用于对温度控制系统供电。

采用该移动电源优点为:a.可在闲暇和方便时间进行充电;b.可边充电边使用;c.可以粗略显示剩余电量;d.经济、简单、实用。

4.5 水杯控制电路的电路板设计

主要控制电路采用面包板和手工焊接，先将单片机机座及各个电子器件固定在电路板上，注意器件布局要尽量均匀、合理，然后按照电气原理图进行连接，在焊接时要注意各个引脚之间不要短路，也不要虚焊, 用导线将需要连接的引脚进行连接，连接时导线长度要合适，不能太长，导线太长则容易晃动且易被连接点的尖端刮坏，从而造成短路。连接完每一根导线后，需要用万用表欧姆档进行测试，若测试电阻为零则表明此导线与引脚连接可靠，这样做可以最大限度上保证焊接质量。电路板焊接完成后，先将其与电气原理图仔细对比，认真检查连线，待检查无误后，给电路板通电进行调试，观察各个模块运行状况。采用电路板手工焊制可以锻炼动手能力，但是其集成化低，体积大，控制系统运行的稳定性较差，在以后的工作中可以用集成电路来替代该电路板，从而解决以上问题。电路板要特别注意防水、防尘、防摔，以使电路板工作性能稳定。

5 程序流程图设计

本系统的软件流程：最开始先进行定时器的初始化，本设计利用定时器实现数码管的动态扫描。接着就进入一个死循环，死循环执行以下内容：a.读取当前的温度值；b.显示检测到的温度值；c.判断检测到的温度是否超出设置的上下限，是的话则启动加热升温或制冷降温装置；d.延时并进行按键扫描，若检测到按键按下，则进入温度上、下限值设置的状态。

6 硬件组装与调试

实物整体上分为六大模块：大水杯、小水杯、散热器、电源、电路板、水泵。大水杯主要用于储存水，所以有较大的空间，小水杯主要用于储存当前时刻需要饮用的少部分水，其空间小。大、小水杯之间由水泵及水管连通，用户需要饮水时，按下水泵电源开关，水泵把大水杯中的水抽到上部小水杯中，抽水量完全由用户控制水泵开关时间的长短决定，当水位过高达到溢流管的上部溢流口时，水会入溢流管，再流回下部大水杯，从而可以有效的防止小水杯中的水因为水位过高溢出。大水杯、小水杯与散热器的连接，此处连接就是为了使三部分之间紧密连接成一体。在电路板焊接完成之后，把温度传感器DS18B20 用导线引出，再将各个引脚用防水绝缘胶带密封好后放置在水杯侧壁靠近底部的位置上，并固定好。温度传感器这样放置有利于防止其各个引脚之间短路的发生，同时其温度测量误差也基本上可以满足要求，设计实物见图2。

图2 电路板实物图