便携式智能杯设计

史鑫鹏 陶凯

摘 要：针对传统制冷设备携带困难，功能单一的难题，设计了一款具有加热、制冷、保温、加湿等功能的便携式智能杯，并试验研究了智能杯的保温性能、加热性能和制冷性能。采用STC89C51为控制器，实现智能制热、制冷及保温；采用DS18B20采集温度数据，经单片机实现温度闭环控制；采用USB接口及内置电源供电，便于携带。经测试，加热温度能达到70℃以上，制冷温度能达到5℃以下。

关键词：单片机；智能；便携；半导体制冷

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.11.117

0 引言

科技的发展进步，使人们对生活及办公环境舒适、方便等方面的要求越来越高，传统的生活用品中绝大多数是需要改进的。水杯是日常生活的常用品，但生活中大多数水杯仍局限于单一的保温，少部分支持加热功能，仅仅如此无法满足人们的需要。因此，生活中一款智能杯，改变传统保温杯的单一功能。

目前，市场中有附加功能的水杯大多数还局限于单一的加热功能，只有极少数具有制冷功能，但制冷时间较长，保温效果较差。目前主要是采用半导体加热和制冷，而半导体加热温度不高，保温方面仍没有太大改进，大部分还是依靠水杯本身保温。针对上述问题，设计了一款同时具备加热、制冷、保温、加湿等多种功能的水杯。本设计采用STC89C51为控制核心，成功实现了加热、制冷、保温、加湿四种功能，极大的满足了用户在舒适、方便、实用等方面的要求。

1 总体设计

（1）总体结构。基于单片机最小系统设计了一种便携式智能杯。主要由杯盖、杯体、底座等组成。

杯盖由外盖和加湿内盖组成，如图1所示。

杯体由外壁和内壁组成。外壁上有LCD显示屏；内壁为铝制材料，装有加热片和制冷片。内壁与外壁之间保温材料和电路，如图2所示。

底座由防护网、散热片、散热风扇、锂电池、杯底组成。

（2）工作原理。制冷原理：半导体制冷采用的是Peltier效应，其原理为当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时，两端之间就会产生热量转移，热量就会从一端转移到另一端，从而产生温差形成冷热端。

加热原理：高温陶瓷加热片在通12V直流电时表面会开始升温，最高表面温度可达300℃。

加湿原理：采用超声波加湿，用高频震荡（震荡频率为1.7MHz，超过人的听觉范围），通过雾化片的高频谐振，将水抛离水面而产生自然飘逸的水雾。

保温原理：一方面是保温杯本身具有良好的保温效果，另一方面内置电池供电使加热或制冷系统间歇性工作实现保温。

2 关键模块设计

（1）制冷模块。制冷模块主要由半导体制冷片、散热片和散热风扇组成。制冷方式采用半导体制冷，其优点是结构简单，占用空间较少，无制冷剂污染，适合安装于水杯内部。在底座上长有散热模块，散热装置由散热片和散热风扇组成，散热片与半导体贴之间涂有导热硅脂可以更好地散热，散热装置与底座壁上的散热孔结合使底座的空气流动更好，提高散热效果。

（2）加热模块。加热模块采用的是高温陶瓷加热片加热，该高温陶瓷加热片加热时表面温度可达300℃。陶瓷片体积小，便于放置，同时加热效果优于大部分同类产品。杯子内壁上共嵌有四个加热片，开始加热后四个加热片同时对杯内液体进行加热，可以减少加热时间。

（3）加湿模块。加湿模块采用超声波加湿，超声波加湿装置十分小巧，直接安装在保温杯盖上，单独制作一个加湿内盖。同其它类型加湿设备相比，超声波加湿器加湿效率高，产生的雾粒小而均匀，节约水资源等优点，加湿效果较为优越。

（4）控制模块。控制模块是以STC89C51最小单片机为控制核心，将温度传感器所采集的水温值与所设定的温度相比较，做出相应的处理，并将采集的温度显示杯壁的LCD显示屏上。传感器采用DS18B20温度传感器，DS18B20数字温度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。可以采集杯内温度数据，将数据显示在LCD显示屏上。

（5）显示模块。显示模块由LCD1602构成，可实时显示杯内液体温度和杯外环境的湿度，以便于水温的调整及选择是否需要加湿。LCD显示屏上有相应的四个按键，可以分别实现“电源开关”、“升温”、“降温”、“定时”的功能。

（6）供电模块。采用最常见的就是USB接口供电，方便快捷。另一方面，杯子的底座内部加装锂电池组，在无外接电源时，内置锂电池可短时间供电，使杯子间歇性工作，增强保温效果。

3 性能试验

（1）材料与方法。根据前述原理建立了智能杯的样机，在室温为25℃的情况下分别进行温度传感器数据采集测试、温度调节测试以及保温测试。

1）温度调节测试。向杯中加入450ml饮用水，分别进行加热测试和制冷测试。设置加热温度为60℃，将杯中的水由室温加热至60℃，加热过程中记录显示器上的数据，进行加热测试。将杯内水冷却至室温，设置制冷温度为5℃，将杯中的水由室温制冷到5℃，制冷过程中记录显示器上的数据，进行制冷测试。水溫调节曲线如图4所示。

2）保温测试。将温度设置为60℃，水加热到60℃后切断外接电源，每3小时记录一次杯内温度数据，进行热水保温测试；将温度设为5℃，水制冷到5℃后切断外接电源，每3小时记录一次杯内温度数据，进行冷水保温测试。水温曲线图如图5所示。

4 结论

经实验测试，40分钟内水杯可将450ml水从常温制冷到5℃，或者从常温加热到60℃；保温方面，水杯可保证杯内温度6小时之内基本不变，改水杯可以满足人们的需求。相较于其他产品，本设计优点明显：①USB接口供电、内置电源供电，水杯更加便携。②有加热、制冷、保温、加湿等功能。③单片机控制，可以实现智能加热或制冷，智能保温。

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作者简介：史鑫鹏（1997-），男，山东青岛人，本科在读，研究方向：车辆工程。