沈 阳，邓增辉，曹洪奎

（1.辽宁工业大学 理学院，辽宁 锦州121001；2.辽宁工业大学 电子与信息工程学院，辽宁 锦州121001）

1 引言

本文对智能健康水杯电子系统的软件、硬件进行了设计。系统主要由单片机模块、温度测量模块、饮水量测量模块、OLED 显示模块以及实时时钟等模块组成。系统以STC89C52 低功耗单片机为主控制器，负责分析处理数据。温度采集模块的设计选用DS18B20 温度传感器，其对水温进行检测。饮水量检测模块选用电阻应变式传感器对水杯的质量进行采集，A/D 转换后再经过单片机处理，提供饮水量数据。选用高精度实时时钟芯片PCF8563 实现饮水定时提醒。将OLED 显示屏作为显示模块的核心，将水温、水量、饮水量以及时间用数字和汉字组合的形式显示出来。系统软件对各个模块进行数据处理与控制，实现水温和饮水量的检测、显示和定时提醒等功能。

2 智能健康水杯电子系统总体设计

系统设计需要实现饮水量的检测与统计、水温显示以及饮水定时提醒等功能。所以，该电子系统需要有控制系统，在这里选用STC89C52 单片机作为控制模块核心；需要有用于饮水量测量以及统计的饮水量检测模块，在这里选用称重方式来测量；需要测量温度并且将数据传给单片机的温度模块，在这里选用DS18B20 作为温度模块核心传感器芯片；还需要用于控制健康饮水时间的定时模块，这里选用精确度很高的PCF8563 实时时钟芯片；需要用来显示温度检测的数值与饮水量统计的结果以及定时的时间显示模块，这里选用OLED 显示屏作为显示模块的核心；需要键盘电路对定时时间调控和对报警条件的控制；需要蜂鸣器作为警报提醒。

智能健康水杯电子系统采用模块化设计思想，整体设计主要分为中央控制部分、温度采集部分、饮水量检测部分、实时时钟部分、蜂鸣器报警部分、键盘电路部分和显示电路部分。

智能健康水杯电子系统框图如图1 所示。

图1 智能健康水杯电子系统框图

3 系统的硬件设计

3.1 主控制器电路设计

本系统需要单片机来处理经过A/D 转换的信号，而且还需要单片机来控制调节体现饮水量统计系统中饮水量的变量；需要调节显示模块接收其他模块处理过的信息，进而显示出饮水量的统计值以及温度测量值等，实时时钟通过蜂鸣器表达定时时间也需要单片机来控制完成。所以，作为控制各个模块具体功能的单片机最小系统是智能水杯中最为核心的部分。

智能健康水杯电子系统的水杯体积是有限的，所以，单片机芯片在满足性能要求以及价格要求的同时，单片机的质量和体积也应该尽可能小。同时考虑低功耗，本设计选用STC89C52 作为主控制器。STC89C52 的最小系统电路包括单片机、时钟电路、复位电路等。

3.2 饮水量统计测量模块设计

饮水量统计测量模块的重要组成部分是电阻应变式称重传感器和以HX711A/D 转换芯片为核心的转换电路。在饮品与水杯重力的影响下，电阻应变式称重传感器的敏感梁产生了弹性变形，从而使得粘贴在电阻应变式称重传感器的敏感梁表面的电阻应变片也产生了变形。电阻应变片发生变形后，它的阻值也会发生一定的变化，经过HX711 芯片对产生对应变化的电压进行数据整理，再交给STC89C52 单片机进行数据的编辑处理以及显示后续水量、饮水量。具体电路原理如图2 所示。

图2 饮水量测量模块原理图

在本系统的设计中，因为饮水量统计系统对水量量程的要求是不小于3 L，所以称重传感器量程要求大于3 kg，电压变化值为±3 mV，小于A 通道的±20 mV，所以选用128编程增益。芯片内提供的稳压电源可以直接向外部传感器和芯片内的A/D 转换器提供电源，系统板上无需额外的模拟电源。芯片内的时钟振荡器不需要任何外接器件。上电自动复位功能简化了开机的初始化过程。

3.3 温度传感器模块设计

温度测量模块用于检测水杯的水温，选用的DS18B20数字温度传感器接线方便，封装后可应用于多种场合，根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20 可用于各种非极限温度场合，该传感器体积小巧，单总线连接，占用系统资源较少。

3.4 实时时钟模块设计

实时时钟为系统提供时间信息，采用实时时钟芯片PCF8563。PCF8563 与单片机之间的数据接口为I2C 接口，简单方便，占用资源少。PCF8563 用I2C 总线传递数据前，接收的设备应先标明地址，在I2C 总线起动后，这个地址与第一个传送字节同时被传送。

将PCF8563 的CLKOUT 实时时钟输出引脚连接到单片机的P01 引脚上，SCL 串行时钟输入引脚连接到单片机的P02 引脚上。将SDA 串行数据I/O 引脚连接到单片机的P03引脚上，将INT 中断输出引脚接到单片机的P00 引脚上，将OSCO 振荡器输出引脚接到单片机的P04 引脚上。

3.5 OLED 显示模块设计

智能健康水杯的显示模块用来显示日期、剩余水量、累计饮水量和水温等信息，方便用户实时了解水杯和个人的饮水数据信息。考虑系统的低功耗设计，选用的显示模块是0.95 寸的OLED 显示屏，分辨率为128×64。

3.6 键盘电路的设计

因为系统中涉及到很多需要人为调节的变量与参数，所以，需要设计键盘电路来对各个模块进行控制。例如，饮水量统计模块中需要对电压和输出称重信号之间增益的选择进行控制，方便调节决定称重的精确度，避免出现失准现调程序；要有称重复位键，以方便控制去皮时间；要有去皮的按键；实时时钟中的时间选择要有时间加减键和定时调节键。按键键盘上至少应有3 个按键。

4 软件设计

系统软件主程序的核心任务是使STC89C52 单片机通过I2C 总线采集HX711 芯片A/D 转换后的数据及DS18B20温度传感器的数据，对这些数据进行分析处理，用OLED 屏幕显示出来。用单片机控制实时时钟芯片，控制蜂鸣器，再由键盘输出控制单片机的某些可调参数，从而实现水杯的智能化调节和控制。

5 总结

本文完成了模块电路和软件的设计以及系统的测试。智能健康水杯电子系统主要由单片机模块、温度测量模块、饮水量测量模块、OLED 显示模块以及实时时钟等模块组成。系统以STC89C52 低功耗单片机为主控制器，负责分析处理数据；温度采集模块的设计选用DS18B20 温度传感器，对水温进行检测。因为使用称重的方式测量水量的方法最为方便、实用，所以饮水量检测模块用电阻应变式传感器对水杯的重量进行采集，再经过A/D 转换，之后通过单片机处理，显示出饮水量的具体数据；用高精度实时时钟芯片PCF8563实现饮水定时提醒，确保时间准确无误；采用厚度薄、视角广、反应速度快的OLED 显示屏，将水温、水量、饮水量以及时间用数字和汉字组合的形式显示出来。软件设计方面，通过对各个模块进行数据处理与控制，实现水温和饮水量的检测、显示和定时提醒等功能。测试结果表明，本设计实现的智能健康水杯电子系统能够较好地达到设计要求，实现了饮水温度检测、日饮水量统计和饮水的按时提醒等功能，具有一定的实用价值。