基于Arduino 单片机多功能水杯的设计

周佐培，杨洁，潘文术，黄发玲

（黔南民族师范学院 物理与电子科学学院，贵州都匀，558000）

0 引言

水杯作为日常生活中的必需品，在市场上的选择众多。然而，当前市面上的水杯大多只具备基本的盛水和保温功能，仅有少数水杯具备加热的功能。然而，随着消费者需求的多元化和对功能多样性的追求，一款具备更多功能的水杯成为人们的期望。为了满足消费者的多样化需求，我们设计了一款创新的多功能水杯。除了基本的装水和保温功能外，这款水杯还增加了语音控制的加热、制冷、保温、搅拌以及音乐播放功能。同时，我们引入了太阳能模块，使得水杯能够通过环保的方式进行充电。这样的设计不仅提供了更多的便利性和功能选择，还注重了环境友好和节能减排的特点。

1 系统结构

该系统主要由Arduino MEGA 单片机、LD3320A 语言识别模块、太阳能充电模块、加热模块、制冷模块、搅拌模块、功放模块、显示模块，照明模块构成。Arduino 控制语音识别模块识别相关指令传入至控制板进行处理对其他模块达到控制作用，达到人机交互功能。Arduino MEGA 单片机作为控制中心，接收LD3320A 语音识别模块识别到的语音指令，并进行处理，以实现对其他模块的控制。LD3320A 语音识别模块通过识别用户添加的语音命令，并将识别到的命令传递给单片机进行处理；太阳能充电模块由CN3065 太阳能充电板以及太阳能板组成，将外界的太阳能转化为稳定的电能储存到蓄电池；加热模块是马达驱动器一个接口正转以及内置的发热丝来组成，通过控制正转接口与发热丝形成回路达到加热功能；冷模块是马达驱动器的一接口反转以及半导体制冷片组成，通过控制反转接口与半导体制冷片形成回路达到制冷功能；搅拌模块是通过马达驱动器的第二接口与马达构成，接收到Arduino MEGA 单片机的命令进行工作，实现搅拌的功能；功放模块是在执行命令前后对外播放执行命令的内容和结果；显示模块由DS18B20 传感器将数据温度传入Arduino MEGA 单片机处理，并在LCD1602 液晶显示屏显示信息。照明模块是发出照明指令时，Arduino MEGA 单片机控制LED 提供光源。系统设计框架图如图1 所示。

图1 系统设计框图

■1.1 系统硬件设计

1.1.1 Arduino mega 单片机

Arduion 是一款具有免费的、开源的IDE 单片机。Arduion MEGA 2560 控 制 器 拥 有54 路数字输入／输出口，和16 路模拟输入，使其具有较强的拓展性，有利于与各种传感器进行连接[1]。本设计充分利用了Arduino MEGA2560 作为控制中心，来处理语音识别器所识别的内容并将其转化为逻辑语言。此外，我们还利用Arduino MEGA 将温度传感器的数据转换为数字形式，并在显示器上进行显示。

1.1.2 语音识别模块

LD3320 片集成了语音识别处理器和AD、DA 转换器、麦克风接口、声音输出接口[2]，在设计本电路时，可以将LD3320A 语音识别处理器与Arduion MEGA2560 单片机直接连接，进行语音指令编程，通过LD3320 片采集语音信号，将其传入单片机进行处理从而实现语音识别功能。如图2 所示。

图2 单片机控制LD3320A 语音识别模块

1.1.3 太阳能充电模块

太阳能充电模块采用CN3791MPPT 太阳能充电管理芯片与太阳能板结合。CN3791 是具有光伏 MPPT 功能的PWM 降压型单节锂电池充电管理芯片，具有涓流、恒流、恒压充电模式，采用定电压跟踪法( CVT) 跟踪光伏电池的最大功率点[3]。利用输出特性，能够高效率地给锂电池进行充电。

1.1.4 加热，制冷，搅拌模块

加热制冷搅拌模块的控制采用马达驱动器。该马达驱动器具有两个输出端口，通过调整电流方向实现马达的正转和反转。基于这一原理，我们将加热回路和制冷回路分别连接到马达驱动器的同一个端口的正负极，并引入二极管以确保电流流向与指令设定的方向一致。马达则连接到马达驱动器的另一个端口，接收相关指令，并完成搅拌功能的正向转动。加热，制冷和搅拌连接图如图3 所示。

图3 单片机控制加热制冷搅拌连接图

发热模块采用了发热丝与2A 升压转换器DC-DC 电路的组合构成。该2A 升压转换器能够将输入电压范围从2V～24V 转换为最高28V 的输出电压。通过充分利用该升压转换器的特性，将马达驱动器的输入电压有效转换为发热丝所需的工作电压，从而实现了理想的升温效果。

制冷模块主要采用半导体制冷片来实现其制冷功能，半导体制冷也被称为热制冷。该技术利用半导体材料通过电流作用的帕尔贴效应[4]，实现了一端吸热、另一端释热的效果，从而达到制冷或制热的目的。为了提高制冷效率，我们在半导体制冷片的释热端串联了一台小型风扇，以促使制热端的热量散发更为迅速有效。这样的设计方案旨在充分发挥半导体制冷片的性能，以达到优化的制冷效果。

1.1.5 显示模块

显示模块采用LCD1602[5]液晶显示屏，该显示屏是一种专门显示字符的液晶显示器，所显示的内容为杯内DS18B20 传感器所采集数据经Arduion MEGA2560 单片机所处理数据。DS18B20 传感器具有自我保护能力以及极强的抗干扰能力，通过单线接口。工作原理图如图4 所示。

图4 温度显示原理图

■1.2 系统软件设计

1.2.1 Linkboy 平台

本产品的设计主要是在Linkbboy 图形化编程软件进行。Linkboy 适用于对Arduion 和电子设计满怀热情但是对单片机以及编程语言不熟悉的爱好者。Linkboy 具有图形化设计，中文编程的两大特点，让设计者能在短时间内高效地完成编程任务。在Linkboy 上设计的多功能水杯电路图如图5 所示，该电路图主要是由Arduion MEGA2560 单片机，LD3320A 语音识别处理器，马达驱动器，LCD1602 液晶显示屏，DS18B20 传感器，马达驱动器，以及马达和马达所在电路代替的加热与制冷模块。多功能水杯设计电路图如图5 所示。

图5 多功能水杯设计在Linkboy 上设计图

图6 程序设计框图

1.2.2 程序设计

在Linkboy 上连接好各主要部分以后，对整体进行文字化编程，语音指令编程首先按将Arduion MEGA2560 单片机进行初始化，LD3320A 语音识别处理器所识别的工作指令拼音转化为对应编码为（例如：开始搅拌工作指令为kai shi jiao ban，编码ID 为1），所有指令编码完成以后，语音识别模块开始工作。温度显示编程执行反复执行指令，首先将信息显示器第二排清空，将DS18B20 温度传感器的整数部分，小数点，小数部分，以及温度单位“℃”依次在信息显示器的第二行的5、6、7、8 列显示，通过延时器进行延时0.5 秒。

2 调试与测试数据

按照Linkboy 上的仿真电路将实际电路依次连接，连接好电路以后将Linkboy 系统程序选择Arduion MEGA2560 所在端口COM4 进行下载。程序以及电路完成后选择一个安静的环境进行测试，通过语音输入来检测各项由语音控制的功能是否能完成指令。在调试语音控制功能实现的同时调试温度传感器以及显示器显示液体温度是否相同。多功能水杯设计实物模型图如图7 所示，其功能实现视频可通过图8 二维码进行观看。

图7 多功能水杯实物图

图8 功能观看二维码

系统完成基本功能调试以后，将该设计置于室温为23℃，取矿泉水100ml，利用设计好的温度显示器分别记录好该设计对水的加热以及制冷数据。所得数据如图9～图10 所示。

图9 多功能水杯设计制冷温度变化图

图10 多功能水杯设计加热温度变化图

从加热以及制冷温度变化图可得，该装置能够在一段时间达成一定的加热和制冷效果。能够满足大多数人群对杯内温度的不同需求。

3 总结

该设计的主要目标是利用Arduino MEGA 单片机和LD3320A 语音识别模块、DS18B20 传感器、LCD1602 液晶显示屏等模块，实现多种功能。且设计具备太阳能充电功能，实现低碳环保的特性。通过语音控制和功能使用播报，方便用户进行操作，尤其适合老年人和儿童使用。设计不仅具备加热和保温功能，还能实现制冷，满足不同温度需求。此外，它还可作为便携式充电宝，减轻出差人士的行李负担。独特的语音控制灯光可以照亮回家的路，而独特的搅拌和音乐播放功能则可让婴儿在外出时享受搅拌均匀的奶粉，并在轻松的音乐中愉快地进食。