一種基于單片機的炫彩智能杯墊設計

　　一、簡述

　　一杯水擺在面前，如何來判別它溫度，一般我們都是用手去觸摸感知，根據季節不同太熱或太冷接觸起來都不是太舒適，采用單片機能夠對水溫進行測量、控制，同時為我們的生活增添幾分樂趣。本設計能夠達到從視覺上判知水杯溫度的效果，冷熱程度由RGB-LED調色顯示出來，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、時尚的生活。

　　二、設計原理闡述

　　炫彩智能杯墊主要由電源電路、溫度測量電路、RGB-LED色彩控制電路等構成。STC系列單片機作為控制芯片，電源的通斷由三個開關S1、S2、S3共同控制，水杯重量達到一定程度時，開關閉合電源接通，通過溫度傳感器DS18B20采集水杯溫度信號，并輸出與之對應的電信號，送入STC15L104單片機控制芯片，經過信號的處理與運算，以PWM方式調節電壓占空比，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經過混色，從而調制出彩色光，控制它變色。系統設計框如圖1所示：

　　三、硬件電路設計

　　（一）電路芯片選型

　　STC15L104單片機是宏晶科技生產的一款功能比較全面的單片機，內部集成高精度R/C時鐘和高可靠復位。根據本設計的實際情況和要求，選用STC15L104作為系統的控制芯片，與傳統單片機相比，可省去傳統的復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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　　任何系統想要正常的工作，就必須要有一個穩定的電源。本設計采用3V直流電源，為減少輸入電源引入的低頻干擾，在電源兩端并聯電容濾波電路。

　　（三）溫度測量電路

　　溫度測量電路由溫度傳感器DS18B20采集杯中水溫的實時溫度，提供給單片機的某個端口（P3.3口）作為數據輸入。溫度傳感器有很多種，如熱敏電阻，熱電偶，半導體溫度傳感器等。本文選用的集成半導體溫度傳感器DS18B20,它提供9~12位（二進制）溫度讀數，無需A/D轉換，其數據傳輸方式采用單總線，即數據的輸入或輸出均由同一條線來完成，支持3至5.5V的電壓范圍，與單片機的連接有兩種方法，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，無論是哪一種方式，單總線上都要連接上拉電阻。本設計采用外部電源供電，將DS18B20的引腳DQ端（單數據總線）連接到單片機的一個I/O口上，即可讀取被測控對象的溫度，由于DS18B20的單總線是開漏的，因此在電路設計中，需外接一個上拉電阻。

　?。ㄋ模㏑GB-LED混色電路

　　混色電路由藍、綠、紅三種顏色的LED燈構成，它們的導通電壓不同，藍色為3.2~3.3V,綠色為3.2~3.3V,紅色為1.9~2.0V,當三色LED同時導通時，藍、綠兩色不亮，因此需對這兩種顏色的LED供電電源添加倍壓電路。

　　（五）LED選型

　　本設計采用的是5050RGB貼片LED燈珠，低電壓驅動，耗電量低，亮度高，散色角度大，一致性好，產生的熱量低，使用壽命長，抗靜電能力強，體積小，安裝方便。產品采用高檔環氧樹脂封裝，環保節能。

　　四、軟件設計

　　系統主程序的功能：

　　（1）初始化系統參數，啟動定時器，利用定時器產生周期固定的PWM波；

　　（2）檢測撥碼開關SW1的狀態，設定彩色LED輸出控制方式；

　?。?）進行溫度檢測，按照運算結果，在RGB三個通道輸出不同占空比的信號，驅動全彩LED混色，產生不同的顏色效果；

　?。?）監視水杯溫度，如果低于30℃，熄滅LED,降低功耗；

　　（5）若發現溫度超過限制范圍時，發出報警信號。

　　五、電路板設計

　　電路板的制作為了提高藝術性，設計成直徑為8cm的圓形，采用雙層設計，頂層為主控制電路、溫度測量電路、RGB-LED混色電路，底層為電源電路，系統采用3V鈕扣電池供電，杯墊底部設計有開關裝置，沒有杯子放上時不工作，節省電力，杯墊正面三個按鈕開關呈120°排列，保證了杯墊使用時的穩定性，溫度傳感器位于杯墊正中心，能保證溫度采集的準確性，板上設計的倍壓電路，可單獨給RGB全彩LED供電，以滿足LED工作電壓的需要，使LED工作時充分照亮杯體。

　　六、總結

　　本文的設計是以生活中常用物品為載體進行的創新型設計，杯墊兼顧了實用性和創新性，裝置內部有全彩發光LED和溫度傳感器，在電源管理上無杯子放置時或杯子水溫低于30℃時，自動關斷電源，節省電力適合移動使用。

　　該設計結構合理，在單片機的控制下，可根據水溫不同發出不同顏色的光，運行效果較好，特別是視覺沖擊力較強，流光溢彩的燈光效果反映水溫的同時兼具觀賞性和趣味性，在暗環境下使用者可以體驗猶如“夜光杯”那樣夢幻般的視覺感受，張揚個性又不失典雅，在聚會、派對、慶典等場合有烘托氣氛的作用，適合多種場合使用