基于STM32的蓝牙智能饮水机设计

黄嘉成，艾苏高，黄典昆，朱俊宇

（桂林电子科技大学机电工程学院，广西 桂林541004）

基于STM32的蓝牙智能饮水机设计

黄嘉成，艾苏高，黄典昆，朱俊宇

（桂林电子科技大学机电工程学院，广西 桂林541004）

水是一切生命之源，人们常说，“每天八杯水”，换算成数字大约是每天2000mL的需水量，合理科学地饮水成了人们日常生活的难题。项目通过改造基础饮水机机型，利用STM32系列单片机达到智能控制饮水机实现定时定量定温加热，实时测量水温，提醒饮水的功能。饮水机内还加入蓝牙模块，实现用手机操作也能智能饮水的功能。此次改造成本低，具有一定的市场价值，适合大量推广。

饮水机；STM32；智能；蓝牙

普通的家用饮水机一旦打开了身后的开关，常常忘记准时地关闭，忘记及时饮水，不仅容易饮用反复加热的水，而且浪费电能。因此，在家居智能化的今天，饮水机智能化是十分重要的一环。市面上已经有很多蓝牙饮水机，然而基本都重新设计，标价高，普及率低。本项目在传统饮水机的基础上进行改造，实现智能控制功能，成本低，并且加入了与手机APP相连的功能，符合家居智能化的理念。整个改造针对如今最简单的饮水机进行产品的升级，更适合新时代的需求。

1 系统设计

改造系统以STM32系列单片机为核心，采用蓝牙模块，温度测量模块，控制水温的MOS管、可控硅模块，实现精准控温，通过手机APP通讯，把最基本的饮水机转变为智能蓝牙饮水机。新的蓝牙智能饮水机可以实现以下功能：（1）改造传统的机械式开关，变为可以控制的软开关，实现了饮水可以定时定温定量的功能，摒弃了传统饮水机持续沸水、降低水质、不可控温、浪费电能的缺点。（2）采用了一块触摸屏，增加了饮水机的可视化操作，通过简单的图片和文字描述，使得老人、少年都能熟练地上手操作，可推广性强。（3）增加了蓝牙模块，实现了与手机APP的连接，可以让人们远程操控饮水机，即使在床上，也能在想需要的时候喝到最合适的温度的水和最合适的量，符合智能家居的理念。

2 硬件搭建

本项目使用的基础饮水机机型为Y1262LKD-C安吉尔立式电子冷热饮水机，只有提供冷水和热水的基本功能。如图1所示，在饮水机内部，主要有一个电子冷胆和一个加热箱分散在机体两侧，用于制冷和制热，机体边缘还有一块12 V的开关电源电路板和制冷制热的开关装置。12 V开关电源给制冷片和风扇供电，加热管则是由220 V交流直接供电。电子冷胆实际上是由一个半导体制冷片和一个散热风扇组成。半导体制冷片的工作原理是在一端吸收热量达到制冷的目的，而在另一端释放热量。散热风扇组装在制热一侧，以便于持续散热和提高制冷效率。

图1 改造前机体内基本结构

改造时通过不改动饮水机机体的方式，在硬件系统上通过增加了一块控制板和屏幕。主控板采用STM32F103ZET6单片机辅以最小系统，摒弃了传统的开关控制，单片机与饮水机之间的控温采用MOS管控制制冷片，可控硅控制电热管，DS18B20实时采集温度，实现对水的精确控温。与单片机相连的还有HC-06蓝牙模块，实现与手机的通信，远距离操控饮水机；使用TFT LCD 9341电阻式触摸显示屏，实时显示饮水机工作状态，手动控制饮水机。改造后机体内基本结构如图2所示。

图2 改造后机体内基本结构

2.1 温度控制

MOS管在这里充当了一个“电气开关”的作用，当MOS管的栅极接收到了来自单片机的高低电平信号，就可以对半导体制冷片有效地控制。MOS管较于三极管控制的优势在于它是电压型控制器件，功耗低，并且开关速率远远大于三极管，增大了调节温度的精度和稳定性。为了使MOS能够正常进行工作，必须加上驱动电路。电路采用最常见的图腾柱式驱动电路，如图3所示，利用两个互补的小功率三极管组成推挽结构，提供充足的充电电流使MOS管栅极电压迅速上升到所需值，保证开关管能快速开通且抑制上升沿的高频震荡[1]。为防止两个三极管直通导致电流过大，在MOS管栅极处接10 Ω电阻用于限流，再在电阻上并联一个快速恢复二极管加速MOS管的关断时间，降低MOS管的关断损耗。

图3 MOS管驱动电路

加热则是采用了可控硅控制，可控硅可以用很小的功率控制较大的功率，本身的压降损耗仅1 V左右。电路采用MOC3063光电耦合器驱动可控硅，根据官方的Datasheet的典型参考电路，如图4所示：光耦的1脚接电路供电电压，2脚接控制信号，3、5脚为空脚，两个360 Ω电阻防止误触发可控硅，并联一个RC吸收电路吸收尖峰电压，负载接在4脚和零线之间。

图4 可控硅驱动电路

2.2 温度采集

在冷胆内部和电热管外部还安装了两个DS18B20传感器进行温度测量，实时测量冷热水温。作为与单片机联系最紧密的一款温度传感器，DS18B20测试温度范围-55℃～125℃，对应的最长转换时间分别为 93.75 ms、187.5 ms、375 ms、750 ms.出厂默认配置为12位数据，刻度值为0.062 5℃，最长转换时间为750 ms.从以上数据可以看出，DS18B20数据位越低、转换时间越短、反应越快、精度越低。为了增强传感器与单片机的通讯能力，需要在DS18B20的单总线通讯线上增加一个阻值为4.7 KΩ的上拉电阻，如图5所示。

图5 DS18B20连接电路

2.3 蓝牙通讯

为了适应智能化的需求，无线控制饮水机体现了产品进一步发展的趋势。本项目采用HC-06蓝牙模块与手机进行通讯。模块如图6所示。蓝牙模块与单片机有两根通讯线连接用来接收和发出信号，其他是一根电源线和一根地线。

图6 蓝牙模块

3 软件控制

3.1 控制温度的PID调节

系统采用增量式PID调节，基本公式如下[2]

A、B、C都是与采样周期、比例系数、积分时间常数、微分时间常数有关的系数，e（k），e（k-1），e（k-2）分别为当前误差，前一次误差，前两次误差。通过调节A、B、C三个参数，系统在10℃ ～30℃控温时精度达到了±0.3℃，30℃ ～60℃精度达到了±0.5℃，60℃～100℃精度达到了±0.8℃.温度控制参数表如表1所示。

表1 温度控制参数记录

3.2 蓝牙APP设计

APP软件基于Android Studio平台开发，用Java语言编写。运行于API19及以上的Android操作系统中。Android平台的蓝牙系统是基于BlueZ实现的，但从 Android 4.2版本开始，Android蓝牙协议栈从BlueZ换成BlueDroid，并从4.3版本开始，提供了对蓝牙4.0 BLE的支持[3]。

软件包含了蓝牙通讯、扫码识别、图像识别、语音识别、手势识别和数据存储的功能。软件界面如图7所示。

图7 APP界面

APP中加入了一键热水功能，方便快速，避免打开新的用户界面，提高了软件的实用性。

温度设置提供了摄氏度和华氏度，转换关系F=9×C+32，温度范围从10～100℃，既可以制冷又可以制热，提升用户体验和生活品质。定时设置提供了预定时间和倒计时间，方便用户选择，短时间内可以选择倒计时间，长时间范围选择预定时间。节能设置会打开低功耗蓝牙，并对整个系统的功耗进行控制并降低。

4 结束语

本项目通过改造基础饮水机机型，提高人们的饮水质量，促进饮水机产品向新时代发展，具有一定的市场价值。智能家居的理念已经慢慢在人心里扎根，研发越来越多的智能化家用产品将会是时代的潮流。

[1]孙彦卿，白古山，石广元，MOS集成器件电子学[M].北京：电子工业出版社，1989：139-143.

[2]陶永华，新型PID控制及其应用[M].北京：机械工业出版社，2002：5-7.

[3]李忠良.Android源码分析实录[M].北京：清华大学出版社，2015.

Smart Dispenser Client Based on STM32

HUANG Jia-cheng，AI Su-gao，HUANG Dian-kun，ZHU Jun-yu
（Guilin University of Electronic Technology，Guilin Guangxi 541004，China）

Water is the source of all life，people often say，“eight glasses of water a day”，converted to digital is about 2000 ml of water every day.Drinking water scientifically has become the problem of people’s daily life.Through reforming basic water dispenser model，project uses the STM32 series SCM to intelligently control water dispensers to achieve timing quantitative fixed temperature heating，temperature shall be measured in real time，to remind the function of drinking water.Water dispenser also adds the Bluetooth module to realize that using a mobile phone can also drink water intelligently.The transformation of low cost?has certain market value，and it will be suitable for a large number of promotions.

water dispenser；STM32；intelligent；bluetooth

TM925

A

1672-545X（2017）09-0121-04

2017-06-16

2016年国家级大学生创新创业训练计划项目（编号：201610595002）资助

黄嘉成（1996-），男，江苏人，本科，研究方向：智能家居的研发。