基于单片机的智能饮用水杯设计与制作

周昊++陈虹安++阮太元

摘要：本文基于STC12LE5612AD单片机设计了一种智能饮用水杯，上电后水杯能够自动检测杯中的水质，并通过水杯底部的指示灯提示使用者杯中水质情况，同时通过蓝牙将本次检测的水质数据发送到手机APP中，从而减少人们饮用不合格水质的几率。本文详细介绍了系统的硬件结构和软件设计，经测试，水杯能够精确检测水质情况，误差较小。

关键词：单片机；水质；检测；健康

中图分类号：TP212.11 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2017）03-0169-02

1 引言

随着社会的快速发展，大部分人们饮用的直接水源来自于桶装水、直饮水、自来水。但是面对低劣的桶装水、不合格的直饮水、水质很差的自来水，这些都严重威胁人们的身体健康，因此饮放心水是人们追求的目标。当前常见的家庭检测水质的手段，主要是通过检测水源的TDS（Total dissolved solids）值来实现的。TDS又称溶解性总固体是溶解在水里的无机盐和有机物的总称。

本作品以水杯的形式开发，既能够作为普通水杯使用，又能够及时检测每次饮用水的TDS值，及时提醒飲用的水质是否达标，保证使用者饮水放心。每次检测的水质数据也能够通过蓝牙发送到手机上，方便统计管理饮水记录。

2 系统结构和硬件设计

2.1 系统结构

见图1。

本系统主要由CPU处理器，电源模块，蓝牙4.0模块，脉冲模块、电极、手持终端等部分组成。

2.2 硬件电路设计

见图2，图3。

单片机及其外围电路主要包括了宏晶STC12LE5612AD芯片，脉冲信号芯片采用7555定时器，蓝牙模块采用BLE-004，电源模块采用MH-TP4056-Protect模块。由于STC12LE5612AD与蓝牙4.0模块均为低功耗模块，7555定时器适用于3V-18V的电压，所以最终决定使用MH-TP4056-Protect模块稳压到3.3V给单片机与蓝牙供电。

3 程序设计

3.1 程序功能描述与设计思路

（1）实现TDS数据采集功能；

（2）实现手机APP收集TDS数据功能。

3.2 程序设计思路

首先初始化定时器和串口，再通过外部中断1将7555定时器所产生的频率进行计数，而定时器0作定时功能，每隔1秒就将外部中断1关闭，并输出当时的计数值（即是当前频率），然后通过Excel的数据拟合功能，计算频率、电导率与TDS的线性关系，计算得出线性方程，为了减少误差，所以用条件判断将每100Hz作为TDS检测的数据段。同时将3盏LED灯分别表示饮用水的标准。

3.3 程序流程图

见图4。

4 测试方案与测试结果

4.1 测试方案

4.1.1 硬件测试

（1）检测电路是否正常。断电情况下，用万用表测试电路，无异常情况。上电后，各模块无异常情况。

（2）检测7555定时器模块是否输出方波。使用示波器，将表笔分别夹在GND和7555的输出端（即单片机P3^3），并调节波形，使得稳定输出方波波形。若波形存在过多杂波，可加入适当的电容过滤杂波。

（3）检测蓝牙模块是否连接成功。打开手机APP，点击Scan BLE Device（搜索蓝牙），搜索到SPP-78，再点击，若匹配成功，则模块中的蓝色LED灯会常亮。

经测试，我们的电源模块、7555定时器模块、单片机控制模块以及蓝牙模块均工作正常。

4.1.2 软件测试

（1）单片机采集频率。将程序下载到单片机，打开串口调试助手，调节好相应的波特率并打开串口，观察接收缓冲区是否有数据返回。若串口的接收缓冲区不断显示000，则说明定时器记录到有频率存在，反之，串口没有接收到任何数据。

（2）蓝牙与手机通信程序测试。当蓝牙与手机APP连接成功，则TDS数据会自动发送到APP的接收缓冲区，即不断显示000，反之，APP没有接收到任何数据。

4.1.3 硬件软件联调

打开电源并连接上蓝牙，将饮用水倒入杯中且浸没探针，若数据从000跳变到其他数值（例如015，017，030等等），大概经过5，6 s左右，数据稳定下来，则说明测试正常；若出现乱码，首先检查电路是否工作正常，其次检查软件波特率的设置和晶振的选型，最后重新上电并下载程序，观察数据是否正常发送到手机APP的接收区。

4.2 测试结果及分析

见表1。

以上是该TDS检测模块的实验测试结果，测试时，向水杯加入适量被测溶液，当探头与相关溶液接触，根据软件算法，得出所求的TDS值，发送到手机App来读取数据。测量时，可用交流电源或内含的充电电池。由此得出以下结论：

（1）所得的TDS值准确度高，而且较稳定。

（2）通过蓝牙模块，单片机同步发送数据回手机APP。

（3）工作电压稳定，系统中使用交流电以减少极化现象对测量的影响。

5 结语

本作品不仅可以作为常用的水杯使用，而且能够检测饮用水中的TDS值，直接将水质的好坏通过水杯上的红/绿/黄LED灯反映出来。红灯表示水质很差、黄灯表示水质一般、绿灯表示水质良好，这样使用者可以在饮用水之前掌握到水质的好坏，充分做到饮干净水、用健康水。区别于传统的水质检测需要复杂的仪器设备，本作品使用的场合是家庭、办公室等地，面对当前劣质桶装水充斥市场的情况，我们需要把握饮用的水的质量情况，才能真正做到让自己安心，让家人放心。

参考文献

[1]王静霞.单片机应用技术.C语言版.北京：电子工业出版社，2012.5.

[2]杨旭方.Protel DXP 2004 SP2 实训教程.北京：电子工业出版社，2011.3.