新型多功能水杯的研究

德州学院机电工程学院 李博文 王志坤 孙如军

21世纪人们都提倡节能环保，新型多功能水杯有效的利用了杯中热水的能量，利用温差发电模块将热能转化成电能，正是低碳高效生活方式的一种体现形式。另外，新型多功能水杯安装有温度显示和USB充电模块功能，实用性更强。

1.新型多功能水杯详细介绍

新型多功能水杯的创新点主要是利用温差发电装置，将水杯中热水的热能转化为电能储存到蓄电池中，以便供音乐播放装置，外接液晶显示屏以及USB手机应急充电[1]的电能消耗。温差发电装置[2]产生的电能来自于杯底的温差发电片，杯中热水和外界大气的温差是发电片工作的基本原理。以便USB接口手机充电、音乐播放以及液晶显示屏温度显示的电能消耗。水温显示功能，体现了人性化的设计，可让人们实时掌握杯中水温，适时饮水，避免烫伤，物物相连，以更好的服务社会；手机充电，解决了手机临时断电问题，体现该水杯的应急性，改善了人们的生活理念，提高生活质量，更好地造福社会大众，音乐播放，可以为工作、学习而疲劳的人们以音乐的享受，释放压力，愉悦身心。

图1 功能展示效果图

2.技术原理说明

新型多功能水杯是基于STC 89C52单片机构建最小系统[3]，并设计外围电路：单片机控制的DS18B20温度传感器外围电路、16029液晶显示电路以及USB接口手机充电电路。通过杯内热水与外界大气的温度差，将水中热能转化为电能储存到可充电的锂电池中，作为电源使用，以实现能源的有效利用。

2.1 DS18B20实时温度传感模块[4]

技术性能描述：①DS18B20有独特的单线接口方式，其在与微处理器连接时仅仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯功能。②测温范围－55℃～+125℃，固有测温误差是0.5℃。③支持多点组网功能，就是可以用多个DS18B20并联在唯一的三线上，(最多只能并联8个)，以实现多点测温。④工作电源：3-5V/DC。⑤DS18B20在使用中不需要任何外围元件。⑥测量结果以9-12位数字量方式串行传送。⑦适用于DN15-25，DN40-DN250各种介质管道和狭小空间设备测温。⑧PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线，这样便于与其它电器设备连接。

2.2 1602液晶显示模块[5]

(1)简介：1602液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在各类仪表和低功耗系统中得到广泛的应用。

(2)主要管脚介绍：

V0：液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度[6]。

RS：寄存器选择，高电平时选择数据寄存器；低电平时选择指令寄存器。

R/W：读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址；当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。

E：使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。

(3)1602液晶显示模块使这款多功能新型水杯的整体特性得到提高。首先，对于杯内水温的显示功能可以让使用者很灵敏的了解到水的温度，也就是实现了在健康温度下喝水的功能。其次，水杯搭载的这款液晶显示器还可以拓展出其他的功能，比如电能的储存量和使用量等等。

3.新型多功能水杯在不同温差下测量的电压、电流输出情况总结

在高温情况下水杯的温差发电装置(20-100度内外温差可输出0.85-4.3V电压)利用杯中内外温差产生电压，并通过5V升压模块(可将0.8-4.8V电压升高至5V)可输出5V左右的电压，以供USB接口手机充电以及液晶显示屏温度显示的电能消耗。也就是说明这个温差发电模块有效利用了高温热水的热能，并将其转化成了我们可以二次利用的电能。整体环节体现了我们对节能减排的研究初衷。可想而知，如果我们的日常生活中可以这样充分利用这些将要浪费的掉的能量，那么在不知不觉中就会节约很多能源。

4.新型多功能水杯的优越性

(1)人性化的结构设计合理，使用方便，智能化高。我们的作品有温度显示和USB设备充电功能，可以让使用者清楚的了解水温，可以为使用者提供一个应急电源设备。

(2)杯体大小适中，携带方便。

(3)节能环保，充分利用了杯中热水的能量，降低了对能源的浪费。该水杯的成本低，功能强大，且易于大规模生产。

5.总结

新型多功能水杯充分体现了流行元素与现代科技的完美结合，水温显示功能，体现了人性化的设计，可让人们实时掌握杯中水温，方便以最佳温度饮水饮水，避免烫伤；手机充电功能，解决了在办公的时候手机临时断电问题，体现该水杯的应急性，改善了人们的生活理念；音乐播放功能，该水杯搭载一款高品质音乐播放器，可以给工作、学习疲劳的人以音乐的享受，释放压力，愉悦身心。总之，新型多功能水杯完全符合现代人生活的需求，是一款节能，新颖，并且有广阔市场的产品。

[1]崔英.为手机应急充电,魔幻充电宝走俏[J].现代营销,2007(7):19-20.

[2]周子鹏.半导体温差发电装置的研制[J].2008(8):5-6.

[3]张佳瑞,吕其兵.基于单片机的数据采集和无线数据传输系统设计[J].2013:59-10.

[4]王文,王直.基于ARM和DS18B20的温度监测系统[J].电工电气,2012(3):5-6.

[5]赵亮.跟我学51单片机(七)--LCD1602液晶显示模块[J].电子制作,2011.7:25-26.