摘要随着健康管理理念的普及以及生活节奏的加快科学饮水逐渐成为人们关注的焦点水温不适、水质不良、饮水不规律等问题也困扰着人们的日常饮水体验。水温过高易造成烫伤过低会刺激肠胃水质超标会带来健康隐患忙碌的生活也容易让人忽略定时补水。因此研发出一种可以实现水温调节、水质检测、定时提醒、操作方便的智能饮水设备是十分必要的。本设计提出了一种基于STM32F103C8T6单片机的智能杯垫。系统主要功能有通过DS18B20传感器检测水温水温超过预设阈值时通过继电器启动加热或者制冷通过TDS传感器监测水质可溶性电解质含量超标时CN-TTS语音模块发出更换提醒通过按键设置饮水定时时间到后语音提醒并驱动SG90舵机自动开盖支持按键设置参数、手动控制设备、触发语音播报水温水质每一步操作都有语音反馈OLED显示屏同步显示测量值和设置值同时通过蓝牙模块实现手机端数据接收和远程控制。该智能杯垫的作用就是给用户一种安全、智能的饮水管理工具。采取自动调节、异常报警、定时提醒、远程互动等方法保证饮水安全并且养成规律饮水习惯从而改善生活质量和健康管理能力。关键词智能杯垫水温调控水质监测蓝牙远程控制Design of a Smart Coaster Based on Speech Recognition.Abstract:With the spread of health management concepts and the change in peoples lives, more and more attention has been paid to scientific drinking water in recent years. There are problems with the temperature of the water, its quality and regularity of supply; it is not pleasant to drink. Too high a water temperature can cause burns, and if it is too low, it may irritate the intestines and stomach; bad water quality can hide health problems, and people are too busy in their daily lives to drink enough water regularly. Therefore, it is very necessary to develop an intelligent drinking water device that can achieve water temperature control, water quality monitoring, time reminder, etc., and be convenient to use.The Design of an Intelligent Water Cup Based on the STM32F103C8T6 Single-Chip Microcomputer is presented here. The first four functions of this system are as follows: A DS18B20 is used to get the temperature of the water, and according to how high this temperature is compared with the preset upper limit, the relay will be turned on or off to switch the heater or cooler. At the same time, the TDS sensor is employed to determine the purity of the water; if the amount of dissolved salts exceeds the upper limit, a warning will be issued by the CN-TTS voice module. A button can be pressed to set a drinking reminder, and when this time is up, a voice alarm will be triggered; at this time, the SG90 servo will move to open the lid. It can be set up for button-based parameter modification, manual equipment operation and voice broadcasting of water temperature and quality data, and a voice feedback will be given after each operation; at the same time, the OLED screen will display the measured and set values in real time, and the Bluetooth module is used to obtain and control data from and control the system remotely via a mobile phone.The function of this smart water cup is to offer people a safer and more convenient way to use drinking water. Through automatic regulation, early warning of abnormalities, timely reminders and remote operation, etc., this can ensure the safety of drinking water and foster a good habit of regular consumption to improve peoples lives and health management efficiency.Keywords:Intelligent Water Cup; Water Temperature Regulation; Water Quality Monitoring; Bluetooth Remote Control目 录1绪论1.1 研究背景及意义1.2 国内外研究现状1.3 主要内容2系统总体方案设计2.1系统总体设计2.2主要模块方案选择3系统硬件设计3.1总体硬件框架3.2主控模块电路设计3.3环境感知模块电路设计3.4执行模块电路设计3.5交互模块电路设计3.6通信模块电路设计3.7电源模块电路设计4系统程序设计4.1编程软件介绍4.2系统主流程设计4.3 温度检测模块子流程设计4.4 水质检测模块子流程设计4.5 舵机子流程设计4.6 独立按键子流程设计4.7 语音播报模块子流程设计4.8 OLED显示屏子流程设计5实物制作与功能测试5.1 实物制作5.2 环境感知与显示功能测试5.3 温度调控功能测试5.4 定时提醒与自动开盖功能测试5.5 语音交互功能测试5.6 蓝牙通信功能测试5.7 水质异常提醒功能测试6总结与展望6.1 总结6.2 展望参 考 文 献致 谢附 录 A 原理图附 录 B PCB附 录 C 主程序1 绪论1.1 研究背景及意义随着社会的发展健康管理理念深入人心生活节奏不断加快科学饮水已经成为全民健康生活的重要组成部分。但是日常饮水场景中仍然存在很多痛点水温控制依靠经验容易造成烫伤或者饮用过凉水体刺激肠胃水质好坏没有直观的判断方式可能会误饮含杂质或者电解质超标的劣质水忙碌的工作和生活常常导致饮水不规律长期缺水会影响新陈代谢和身体机能。这些小问题虽然小但是会对饮水体验造成很大的影响并且会对人类健康造成危害[1]。目前市场上饮水设备存在明显的功能不足。传统水杯只能完成储水功能完全依靠人工判断水温、水质和水量不能满足智能化的要求普通保温水杯可以保持水温但是没有主动调节和监测的能力功能单一现有的智能杯垫产品中低端型号大多只具有水温显示的功能操作复杂没有异常预警高端产品虽然集成了一些智能功能但是价格昂贵多在几百元以上并且大多数没有蓝牙远程控制和语音交互的功能不能满足现代用户对便捷性和智能化的需求[2]。智能杯垫交互设计没有考虑用户的习惯也没有考虑用户的使用习惯。按键布局过密、反馈不清楚造成使用率低不能真正融入到日常健康管理当中[3]。随着健康中国战略的推进以及智能家居技术的普及用户的饮水设备需求也从以前单一的监测、控制、交互需求变为现在的安全监测、智能控制、便捷交互的复合型需求。基于高性价比单片机、集成水温调节、水质监测、定时提醒、语音交互、蓝牙远程控制的智能杯垫可以很好地解决目前产品存在的问题彻底改变科学饮水体验[4]。其研究与实现有重要的社会价值和现实意义具体表现在以下几个方面。保障饮水安全用DS18B20传感器实时监测水温并自动调节防止烫伤或者过凉饮水TDS水质检测模块及时发现劣质水并发出语音警示从源头上阻断健康隐患给用户饮水安全提供双重保障。养成良好习惯定时提醒功能可以按照用户设定的定时提醒时间发出语音提醒并打开杯子盖子使用户避免忘记喝水的烦恼养成规律喝水的好习惯适合久坐办公、高度集中注意力工作的人群也适合需要严格控制饮水量的特殊人群。提高使用便捷性按键和语音协同的操作方式配合每一步操作的语音反馈使阈值设置、设备控制等流程更容易上手蓝牙远程控制功能可以实现手机端数据查看和设备操控即使不在水杯旁也能掌握饮水状态、调整设备参数符合现代便捷化生活需求。推动智能设备普及选用性价比高的STM32F103C8T6单片机等核心元件保证产品的功能性又可以有效地控制成本使得产品具有规模化推广的可能性。能够使更多的普通家庭用得起、用得好智能饮水设备使健康管理类智能家居产品从高端消费走向全民普惠。1.2 国内外研究现状1.2.1 国内研究现状近些年来国内以单片机为基础的智能杯垫研究发展很快实用性强、成本低、本土化程度高。随着居民健康意识的提高以及智能家居市场的发展智能杯垫的市场需求量也越来越大智能杯垫的技术也越来越复杂[5]。STM32系列单片机由于高性能、低功耗、丰富的I/O接口和亲民的价格被广泛应用于中小规模智能杯垫的设计中STM32F103C8T6由于运算能力适中、丰富的I/O接口和亲民的价格成为中小规模智能杯垫设计的主流选择。国内研究大多集中在对本型号单片机硬件模块的整合以及软件逻辑的优化上采用提高传感器数据采集频率、滤波算法等方法来减小水温检测的误差在0.5℃内并对TDS检测进行改进在5ppm之内满足日常生活使用的精度标准[6]。在国内研究中大多数都是从用户使用场景出发重在对感知、调控、交互一体化的设计。大多数智能杯垫具有水温检测、OLED显示屏、基本按键控制等特性有些还有定时提醒、语音播放等功能。近几年来随着蓝牙技术的普及国内的研究也开始加入了蓝牙远程控制的功能使用HC-05蓝牙模块实现手机端的数据接收和参数设置从而提高产品的便捷性。国内研究以本土化适配性为主根据我国人们的饮水习惯改进了定时提醒算法设置了早中晚固定的提醒时间段使得功能更加实用[7]。产业应用层面小米、华为等企业采用“单片机物联网”的方式拓展产品边界推出带有APP健康数据统计的智能杯垫但是价格较高高校和中小企业以STM32F103C8T6为核心开发低成本智能杯垫通过电商平台推广市场接受度逐渐提高。总体上来说国内研究已经由原来的单纯的“水温监测”向现在的“监测-调控-管理”一体化方向发展技术成果与用户实际需求的匹配度越来越高[8]。1.2.2 国外研究现状国外对于智能杯垫的研究开始的比较早技术积累比较丰富更注重智能化、生态化、人性化的发展方向。由于欧美、日本这些国家有着十分先进的传感器技术以及交互设计理念所以产品精度高、用户体验好。国外对于单片机的选择更加多样化除了 STM32 系列外TI 公司的 MSP430 系列由于超低功耗的优势被广泛应用于便携式设备Microchip 公司的 PIC 系列以高可靠性著称。传感器大多是高精度的器件美国Dallas公司的DS18B20高精度温度传感器、Honeywell公司的TDS传感器以及自适应滤波算法能够准确地采集环境参数部分产品还获得了FDA认证具备医疗级监测精度[10]。国外的产品都是将各种环境场景和智能化交互深度结合在一起的产物。例如部分基于STM32F103C8T6的系统集成人体红外传感器实现拿起水杯自动唤醒的功能降低待机功耗语音交互使用自然语言处理技术支持多句式指令识别根据用户使用习惯个性化调整播报语速和音量。除此之外远程健康管理功能也越来越完善用WiFi模块把饮水数据上传到健康云平台中根据用户的饮食、运动数据给出个性化的饮水建议从而达到饮水和健康闭环的效果。市场应用方面美国 Ember、英国 Chilly’s 等品牌占据高端智能杯垫市场其产品既有基础的感知、控制功能又有人体工学设计和环保材料握持舒适度和耐用性更好并且重视特殊需求的适配比如针对健身人群设计的饮水量计算功能通过蓝牙与运动手环联动精准匹配运动强度和饮水量。国外研究一般从技术的前瞻性、用户体验出发把智能杯垫由原来的娱乐性产品变成健康管理的终端设备[12]。1.3 主要内容本文以STM32F103C8T6单片机为控制核心设计并实现了一款多功能智能杯垫。硬件上集成环境感知模块DS18B20水温传感器、TDS水质传感器、执行模块加热/制冷继电器、SG90舵机、交互模块按键、CN-TTS语音模块、OLED显示屏和通信模块蓝牙模块构建完整的感知、控制、交互、通信体系软件上通过编程实现传感器数据采集、自动调控逻辑、定时提醒流程、语音交互和蓝牙通信功能旨在提供一款安全、便捷、智能化的饮水管理工具其具体功能如下表所示。1通过 DS18B20 传感器检测水杯水温当水温高于预设最大值或低于最小值时控制对应继电器启动加热或制冷2通过 TDS 传感器检测水中可溶性电解质含量超过预设最大值时CN-TTS 语音模块播报 “杯内水质过高请更换” 的提醒3通过按键设定定时饮水时间时间到达后语音模块发出饮水提醒同时驱动 SG90 舵机自动打开杯盖4支持通过按键手动设置水温、水质等参数阈值及手动控制杯盖开关、加热 / 制冷功能5OLED 显示屏同步显示水温、水质、定时时间等测量值与设置值清晰直观6每完成一步操作CN-TTS 语音模块均进行对应状态播报实现操作反馈7通过按键触发语音播报功能实时播报当前水温与水质信息8.利用蓝牙模块将监测数据传送到手机端接收手机端的指令完成阈值设置、杯盖开关、加热/制冷的远程控制。2 系统总体方案设计2.1 系统总体设计采用的是ST公司生产的STM32F103C8T6单片机来担任环境感知、智能调控、人机互动以及远程交流等各种功能的融合应用。系统整体由中控单元、输入单元、输出单元三部分组成三者之间是通过硬件接口以及软件逻辑来进行整个水处理过程的智能化控制。中控单元用STM32F103C8T6单片机来构成它是系统里的“控制中枢”它把输入单元的感知信号和操作指令收进来然后做逻辑判断和时序调度再把控制命令发给输出单元从而协调水温调节、水质监测、定时提醒、语音交互、蓝牙通信等各个功能的有序运转。输入部分由四个模块组成第一部分为环境感知模块包括DS18B20水温传感器、TDS水质传感器分别采集水温、水质信号第二部分为交互输入模块由按键组和蓝牙模块兼具输入功能组成按键用于设定参数、触发操作蓝牙模块接收手机端的远程控制指令第三部分为供电模块采用锂电池搭配充电管理电路给系统提供稳定的3.3V和5V电源第四部分为存储模块兼具输入功能采用EEPROM芯片存储用户设定的阈值参数和定时时间支持掉电数据保存。输出部分由四个模块组成第一部分为执行模块包括加热/制冷继电器和SG90舵机分别实现水温调节和杯盖自动开关第二部分为交互输出模块由CN-TTS语音模块和OLED显示屏组成语音模块负责操作反馈、异常提醒和状态播报显示屏同步显示测量值和设置值第三部分为通信模块兼有输出功能通过蓝牙模块将水温、水质等监测数据传输到手机端实现数据远程同步第四部分为状态指示模块集成在语音和显示模块中通过语音播报和屏幕显示双重反馈使用户准确掌握设备状态。系统的框图如图 2.1 所示。图 2.1 系统框图2.2 主要模块方案选择2.2.1 主控模块方案选择方案一STM32F103C8T6是基于ARM Cortex-M3内核的32位单片机主频可以达到72MHz运算处理能力强。它具有较多的外设资源即三个USART接口、两个I2C接口、一个SPI接口、十二位ADC模块和若干个通用GPIO口可以同时和多个传感器、按键、语音模块、执行器、蓝牙模块等进行连接从而达到对多参数同步感知、多任务协同控制的目的。单片机可以进入低功耗模式适合锂电池供电的便携式设备开发环境比较成熟支持Keil、STM32CubeIDE等工具可以快速开发出自动调控逻辑、语音交互流程、蓝牙通信协议等功能也可以对已开发的功能进行优化[13]。方案二AT89C52是经典的8位单片机主频只有12MHz开发成本低。但是由于8位架构的限制数据处理速度较慢不能满足传感器数据高频采集和蓝牙通信的实时性要求外设接口数量少需要复杂的扩展电路才能连接多个功能模块增加了系统的复杂度而且老旧的开发环境会延长项目周期。综合考虑STM32F103C8T6具有高性能运算能力、丰富的外设资源、低功耗特性以及成熟的开发生态可以很好地满足智能杯垫多任务处理的要求可以高效地协调环境感知、自动控制、交互通信的时序逻辑因此选择STM32F103C8T6作为主控模块。2.2.2 环境感知模块方案选择2.2.2.1 水温检测模块方案选择方案一采用DS18B20数字温度传感器DS18B20数字温度传感器采用单总线通信协议只需要一个GPIO口就可以和单片机进行数据交互硬件连接简单。其测量范围为-55℃125℃测量精度为±0.5℃可以满足水杯水温监测的精度要求支持多点测温不需要额外校准稳定性好适合长期浸泡在水中的使用场景功耗低有利于延长设备的续航时间[14]。方案二采用LM35模拟温度传感器和ADC模块组合成水温检测模块该传感器线性度好、成本低。但是需要通过ADC接口将模拟信号转换成数字信号增加了软件编程的复杂度而且输出信号容易受到水质电磁干扰的影响测量误差较大±1℃需要设计滤波电路来降低误差硬件成本和开发难度都较高不能满足精准监测的要求。综合来看DS18B20传感器具有数字通信、高精度、高稳定性、易于集成等特点可以准确地完成水温检测功能完全符合智能杯垫的要求因此选择该方案作为水温检测模块。2.2.2.2 水质检测模块方案选择方案一使用TDS-1820水质检测模块该模块集成了TDS传感器和信号调理电路可以直接输出与可溶性电解质含量对应的模拟电压信号0-2.5V通过单片机ADC接口就可以采集数据。其测量范围为0-1000ppm分辨率为1ppm可以准确地识别水质的好坏模块体积小30×15×8mm可以直接嵌入水杯底部防水性能好适合长期水下工作[15]。方案二使用自制TDS检测电路用两个电极板和放大电路组成检测模块成本很低。但是电极板容易受到水垢的影响而使测量精度降低需要定期校准信号调理电路设计复杂容易受到水温的影响而产生误差稳定性差不能满足长期可靠监测的要求。综合考虑TDS-1820模块具有集成度高、测量准确、防水性好、易于集成等特点可以很好地实现水质检测功能为用户饮水安全提供可靠保障因此选择TDS-1820模块作为水质检测模块。2.2.3 执行模块方案选择2.2.3.1 温度调控模块方案选择方案一为12V直流加热片、半导体制冷片、继电器模块三者组合而成加热片功率5W制冷片功率8W分别由两个独立的继电器控制其是否接通。继电器模块采用高电平触发方式直接由 STM32F103C8T6 的 GPIO 口驱动控制逻辑简单继电器具有隔离功能可以有效地防止强电对单片机的干扰安全性高加热 / 制冷响应速度快可以在 5 分钟内将 200ml 水调节到目标温度[16]。方案二采用PTC加热器和可控硅调功模块组成温度控制模块PTC加热器具有恒温特性安全性好。但是可控硅调功模块需要通过PWM信号控制功率软件编程复杂只能实现加热功能不能制冷功能单一成本是继电器方案的2倍以上。综合以上所述加热片、制冷片、继电器组合方案可以实现水温双向调节控制简单、安全可靠、成本低与系统设计目标高度契合因此选择该方案作为温度调控模块。2.2.3.2 杯盖驱动模块方案选择方案一使用SG90舵机作为杯盖驱动部件舵机转角范围为0°到180°扭矩为1.8kg・cm可以驱动塑料材质的杯盖开合。舵机用PWM信号控制转角STM32F103C8T6定时器可以直接输出PWM波形驱动逻辑简单舵机响应速度快0.1s/60°定位精度高±1°可以实现杯盖的精准开合控制体积小22×11.5×27mm适合嵌入水杯顶部[17]。方案二采用直流电机加减速齿轮组的杯盖驱动模块直流电机转速高、成本低。但是需要另外设计电机驱动电路L298N增加了硬件复杂度电机没有定位功能需要通过限位开关检测杯盖开合状态软件编程复杂运行噪音大影响用户体验。综合考虑SG90 舵机具有控制简单、响应快、定位准、体积小等特点可以很好地实现杯盖自动开合功能因此选择它作为杯盖驱动模块。2.2.4 交互模块方案选择2.2.4.1 语音交互模块方案选择方案一使用CN-TTS语音合成模块CN-TTS语音合成模块可以产生中文语音通过UART接口与STM32F103C8T6通信发送文本指令后产生语音不需要事先存放在语音文件中灵活性好。模块语音清晰、自然度高音量可调范围为20-80dB可以满足室内外不同场景的播报需求支持离线工作不需要网络就可以实现语音输出响应延迟小于100ms适合实时操作反馈和状态播报[18]。方案二使用的是ISD1820语音录放模块该模块要先录制好语音片段再通过GPIO口进行播放。但是录制的语音片段是固定的不能动态生成参数播报实时水温功能局限性大语音长度有限最长 20 秒不能满足多指令播报的需求音质差清晰度不够不利于用户获取信息。综合考虑CN-TTS模块具有文本转语音的灵活性、清晰的音质、快速的响应速度可以很好地实现操作反馈、状态查询、异常提醒等语音交互功能所以选择CN-TTS模块作为语音交互模块。2.2.4.2 显示模块方案选择方案一使用的是0.96英寸OLED显示屏分辨率为128×64支持I2C通信接口和STM32F103C8T6的连接只需要2根信号线电路比较简单。该显示屏具有高的对比度100001宽视角160°等特点在任何光线的条件下都可以清楚地显示出信息可以同时显示水温、水质、定时时间等各个方面参数信息容量大。另外它的功耗很低工作电流≤10mA有利于延长锂电池的续航时间[19]。方案二采用的是一种LCD1602字符型显示屏成本低、结构简单。但是该显示屏只能显示字符和数字不能通过图形化界面区分不同的参数类型信息展示不够直观对比度低在强光下容易反光使数据难以辨认而且需要占用8根I/O接口线增加了硬件连接的复杂度。综合以上分析可知OLED显示屏具有高清晰度、强光可视性、低功耗、丰富的信息展示能力可以很好地满足参数显示的要求因此选择OLED显示屏作为显示模块。2.2.4.3 按键模块方案选择方案一采用四个独立的按键分别对应界面切换/确认、参数增加、参数减少、语音播报触发等操作四个按键的一端分别接STM32F103C8T6的GPIO口PB7到PB10另一端接地按键和GPIO口之间串联一个10KΩ的上拉电阻。未按键时引脚为高电平按键按下后变为低电平单片机通过定时扫描引脚电平变化来识别按键操作配合10ms延时消抖程序可以有效地避免误触发。按键采用不同的形状凸起圆形、方形、三角形、椭圆形便于用户通过触摸来区分功能[20]。方案二使用触摸按键模块用电容感应原理来实现按键的功能无机械磨损寿命长。但是触摸按键容易受到水质、湿度的影响而产生误触发稳定性差不能通过触觉区分按键的功能操作辨识度低需要专用驱动芯片增加了系统成本和开发难度。综上所述独立按键方案电路简单、识别准确、触觉区分清楚可以满足参数设置和功能触发的交互需求且与 STM32F103C8T6 充足的 GPIO 资源相匹配因此选择该方案作为按键模块。2.2.5 通信模块方案选择方案一使用HC-05蓝牙模块HC-05蓝牙模块支持蓝牙2.0协议传输距离10米室内环境可以实现和手机端的无线通信。模块使用UART接口和STM32F103C8T6的USART接口相连接使用AT指令可以完成参数设置波特率、设备名称等开发方便可以进行双向数据传输可以将水温、水质监测数据上传到手机端也可以接收手机端下发的阈值调整、设备启停等指令响应时间小于100ms。方案二使用ESP8266WiFi模块ESP8266WiFi模块支持WiFi协议传输距离为50米可以直接和互联网连接进行数据的同步。但是模块功耗大工作电流约80mA会缩短锂电池的续航时间配置流程复杂需要进行网络参数设置和协议适配开发周期长成本是HC-05模块的3倍以上对于仅需要近距离手机交互的场景存在功能冗余。综合考虑HC-05蓝牙模块的通信稳定性、开发便捷性、功耗控制、成本适配性等各方面表现都很出色可以准确地实现手机端数据接收和远程控制功能因此选择HC-05蓝牙模块作为通信模块。以上为部分内容节选如您需要获取完整版欢迎随时联系我们
)
