智能饮水杯控制系统设计

摘要传统的社会产业管理主要依赖人工操作，主观性较强，存在生产成本高、生产效率低、数据不准确等问题。随着信息技术和自动化水平的不断提升，时代的发展带来了旺盛的需求，也促使各行各业逐渐向智能化方向发展。以机器代替人工作业的方式已经逐渐成为主流。其中，智能家居领域吸引了众多科研学者的关注，为自动化控制领域的研究提供了新的思路，成为当前最炙手可热的科研方向之一。在这样的背景下，本文对水杯的控制手段进行了提档升级，基于单片机技术，提出了一种低功耗、低成本的智能水杯设计方案。该系统以硬件控制为主体，通过C语言编程实现，以STM32开发板为核心控制器，结合多传感器融合技术，能够感知水杯内的水温、水位和水质。在此基础上，系统实现了水杯的自动加热功能，并设计了定时提醒喝水的功能。同时，通过WIFI无线通信技术，系统与App建立连接，实现了水杯的远程监控功能。该智能水杯系统能够有效提升饮水健康管理水平，满足不同人群的饮水需求，对智能家居领域的研究具有重要的推动作用。关键词：智能水杯；STM32单片机；C语言；WIFI无线通信

AbstractTraditionalsocialindustrymanagementprimarilyreliesonmanualoperations,whicharehighlysubjectiveandplaguedwithsignificantdrawbacks,suchashighproductioncosts,lowefficiency,andinaccuratedata.Withthecontinuousadvancementofinformationtechnologyandautomation,thegrowingdemandsoftheerahavepropelledvariousindustriestowardsintelligentdevelopment.Thereplacementofmanuallaborwithmachineshasgraduallybecomethemainstream.Amongthesedevelopments,thefieldofsmarthometechnologyhasgarneredtheattentionofnumerousresearchers,providingnewideasforthestudyofautomatedcontrolandbecomingoneofthehottestresearchdirectionstoday.Againstthisbackdrop,thispaperupgradesthecontrolmethodsofwaterbottles.Basedonmicrocontrollertechnology,alow-power,low-costsmartwaterbottledesignisproposed.Thesystem,withhardwarecontrolasthemainbody,isimplementedthroughClanguageprogramming.ItusestheSTM32developmentboardasthecorecontrollerandintegratesmulti-sensorfusiontechnologytoperceivethewatertemperature,waterlevel,andwaterqualityinsidethebottle.Onthisbasis,thesystemachievesautomaticheatingofthewaterbottleanddesignsafunctiontoreminduserstodrinkwateratregularintervals.Additionally,throughWIFIwirelesscommunicationtechnology,thesystemconnectswithanapptoenableremotemonitoringofthewaterbottle.Thissmartwaterbottlesystemcaneffectivelyenhancethemanagementlevelofdrinkingwaterhealth,meetthedrinkingneedsofdifferentgroups,andplayanimportantroleinpromotingresearchinthefieldofsmarthomes.Keywords:SmartWaterBottle;STM32Microcontroller;CLanguage;WIFIWirelessCommunication

目录1引言 图3-1所示。图3-SEQ图3-\*ARABIC1单片机模块电路温度传感器电路设计其中，负责温度采集的传感器设备为DS18B20，内置了NTC测温元件，原理是通过温敏元件感应水中的实际温度，获取产生的电压信号，再将电压信号进行数模转换处理，其电路设计如图3-2所示，比较简单，引脚2接地，引脚3接入电源5V，引脚1与单片机模块的PA6接口连接实现数据通信。图3-SEQ图3-\*ARABIC2DS18B20电路图水质传感器电路设计在本设计中，负责水的浑浊度信号采集的传感器设备为TDS水质传感器。TDS传感器的核心是其内部的电极系统。当水流经传感器时，两个电极之间会形成电场。由于水中溶解的离子具有导电性，它们会在电场中传递电流，使得通过水的电流强度与水中溶解固体的浓度成正比关系。传感器通过精密的电路设计，将电流变化转换为可读的TDS值。简言之，TDS值越高，表明水中溶解的固体物质越多，水质相对较差；反之，TDS值越低，则说明水质较为纯净。在硬件连接方面，TDS传感器的引脚3接地，引脚4接入5V电源，引脚1连接到单片机的PA0接口，用于实现水的浑浊度信号的传输与通信。其电路设计如图3-3所示。图3-SEQ图3-\*ARABIC3水质传感器电路图水位传感器电路设计在本设计中，水位采集采用电容式水位传感器，其工作原理基于电容的变化来感知水位高低。电容是描述两个导体之间储存电荷能力的物理量，其大小与导体间的距离、面积以及介电常数密切相关。在电容式水位传感器中，通常包含一个固定电极和一个随水位升降而移动的电极（或探头）。当水位上升时，移动电极浸入水中，水的介电常数大于空气，导致电极间的电容值增大；反之，当水位下降时，电极浸入水中的部分减少，电容值随之减小。传感器通过精确测量电容值的变化，能够实时推算出水位的高度变化。在硬件连接方面，该水位传感器的引脚3接地，引脚4接入5V电源，引脚1连接到单片机的PA4接口，用于实现水位信号的传输与通信。这种设计不仅能够实现高精度的水位监测，还具备良好的稳定性和抗干扰能力。其电路设计如图3.4所示，为系统的水位监测提供了可靠的硬件支持。图3-SEQ图3-\*ARABIC5水位传感器电路图显示模块电路设计本系统选用0.96英寸OLED显示屏作为输出设备，其电路设计如图3.7所示。电源电路通过接入VCC为显示屏供电，确保其正常运行。OLED显示屏采用TFT驱动器来控制像素点发光，实现清晰的显示效果。SCL引脚作为时钟信号线，连接至单片机的PA12接口，用于控制显示数据的时序。SDA引脚作为数据信号线，连接至单片机的PA11接口，用于传输显示数据。通过这两条信号线，OLED显示屏能够将程序的输出内容实时显示出来。图3-SEQ图3-\*ARABIC6显示模块电路图按键控制电路设计本设计中的按键模块采用4位矩阵按键，每个按键对应不同的指示功能，通过按键状态的变化来控制程序电路的状态。具体来说，按键模块的工作原理如下：当没有按键被按下时，按键内部的触点与程序电路之间没有接触，因此按键电路处于断开状态，程序电路保持初始状态，不会触发任何操作。相反，当按键被按下时，按键内部的触点与程序电路接触，电路状态从断开变为闭合，从而触发对应的指令操作，并将信号传递给微控制器。微控制器接收到信号后，会进行处理并做出相应的响应。在硬件连接方面，按键模块通过单片机的PB12、PB13、PB14、PB15接口与主控电路相连，分别对应按键1、按键2、按键3和按键4，实现信号的传输与交互。这种连接方式确保了按键模块与单片机之间的稳定通信，能够准确地将按键操作转化为程序控制指令。其电路设计如图3.6所示，清晰展示了按键模块的连接关系和功能实现。图3-SEQ图3-\*ARABIC7按键控制电路图

系统软件设计本课题的软件设计采用模块化思路，将系统功能分解为多个独立模块，每个模块负责特定任务，确保系统运行高效且结构清晰。在系统运行时，主程序或服务程序会调用相应子程序，完成浊度信号检测、信号处理和数据展示等功能。软件基于C语言开发，并使用KeiluVision5作为开发环境，为单片机提供了高效灵活的编程支持。系统程序主要由以下几个核心子程序组成：主程序、A/D转换、液晶显示以及串口通信（发送和接收）。每个子程序专注于其特定功能，协同实现系统的整体运行。主程序设计本智能水杯的软件部分通过本地操作界面进行交互和显示。系统启动时，首先初始化各功能模块。按键模块用于设置水温阈值或定时时间，设置完成后，系统启动各传感器设备，开始采集水的浑浊度、水量和温度信号。采集到的信号经过数模转换后，以数字形式显示在OLED显示屏上。用户可以通过按键选择系统的功能模式。在自动模式下，如果检测到数据异常，单片机模块会发送控制指令，启动指示模块或执行器进行相应操作。在定时模式下，用户通过按键启动或暂停定时功能。当按键启动后，红外传感器开始采集人体信号，检测到人体信号后，表示喝水完成，系统将重新开始计时，循环该喝水定时周期。整个软件设计流程如图4-1所示，系统通过模块化设计，实现了功能的灵活切换和高效运行，同时简化了用户操作流程，提升了用户体验。图4-SEQ图4-\*ARABIC1主系统程序流程图液晶显示子程序设计本系统选用OLED显示屏作为显示模块，其发光原理基于半导体材料的特性。具体工作流程如下：当系统通电后，电流从显示屏的阳极和阴极注入到内部的有机半导体材料中。这些电流激发材料中的电子，形成激子。激子在移动过程中会释放能量，以光子的形式发出光线，从而实现显示功能。这一过程如图4-2所示，展示了OLED显示屏的发光机制。图4-SEQ图4-\*ARABIC2液晶显示模块程序流程图传感器模块程序设计传感器模块包括水的浑浊度、水位、温度和人体信号采集等功能，并将采集到的信号依次经过放大、滤波和模数转换，最终转换为数字信号传输给微控制器（MCU）。具体流程如下：首先，MCU控制各传感器启动并进入工作状态。各传感器根据自身功能独立运行：应变电阻片感应环境变化并输出对应的电压信号，随后在传感器内部完成模数转换，将模拟信号转换为数字信号，并通过引脚传输给MCU进行计算和处理。传感器模块的软件流程设计如图4-3所示。图4-SEQ图4-\*ARABIC3传感器程序流程图按键模块程序设计按键模块作为人机交互的核心接口，用于向系统输入指令。当用户按下按键时，按键内部的触点与电路接触，形成闭合回路，从而触发对应的指令信号并发送给微控制器（MCU）。MCU接收到信号后，执行相应的操作并输出结果。在本系统中，按键模块主要用于实现功能切换、阈值设置和定时设置等操作。按键模块的软件流程设计如图4-4所示。图4-SEQ图4-\*ARABIC4按键模块程序流程图指示模块程序设计本程序设计了三种不同范围的水量区间：0~30、30~50和50以上，并通过LED灯的亮起状态直观显示当前水杯内的水量。具体规则为：当传感器检测到水位低于30时，LED3亮起；当水位在30~50之间时，LED2亮起；当水位超过50时，LED1亮起。不同LED灯的亮起状态分别对应不同的水量区间，方便用户快速了解水杯内的水量情况。此外，在定时模式下，当到达设定的喝水时间时，三个LED灯（LED1、LED2和LED3）会同时亮起，提醒用户喝水，其指示模块的程序设计如图4-5所示。图4-SEQ图4-\*ARABIC5指示模块程序流程图小结本部分重点阐述软件设计在系统开发中的关键作用。C语言以其简洁高效、灵活通用的特点，以及丰富的运算符和数据类型，成为广泛适用的编程语言。它不仅能生成高效的机器代码，还具备强大的可移植性，适用于从底层系统开发到高级应用编程的广泛场景。这些特性使C语言成为实现本系统软件设计的理想选择。系统程序由多个核心模块组成，包括主程序、A/D转换子程序、OLED显示子程序以及串口通信（发送和接收）子程序。各模块的子程序及其工作流程在本部分进行了详细说明。流程图作为一种图形化工具，用于直观展示解决问题的方法和算法逻辑。其规范的符号、清晰的结构和严谨的逻辑，使得复杂的设计思路易于理解和描述。在本次软件设计中，通过模块化架构、效率优化和代码可读性的提升，结合流程图的有效应用，成功构建了一个功能完备、运行稳定的系统。然而，在回顾整个开发过程时，我们也发现了一些潜在的改进空间，例如代码细节的优化和用户交互界面的进一步完善。展望未来，我们将致力于提升系统性能，优化用户体验，并持续探索新技术，以推动系统的持续改进和发展。

系统调试焊接调试在组装单片机电路板时，我们严格按照预先设计好的原理图来操作。首先，把插接件稳稳地安装到电路板上，这是基础，位置一定要准确。接着，把OLED显示屏的引脚和电路板上的焊点连接起来，同时确定好它在电路板上的位置。显示屏安装好后，就开始焊接其他部件，比如温度传感器、pH传感器、浊度传感器和蓝牙模块。焊接的时候要特别小心，检查每个焊点，确保没有虚焊或者短路的情况。所有部件焊接完成后，把编译好的程序烧录到STM32F103C8T6单片机里，然后把单片机插到电路板上。接下来就是测试环节。给电路板接上5V直流电源，闭合开关后，先看看OLED显示屏能不能正常工作。如果显示屏能正常显示，那就说明第一步成功了，接下来就可以测试其他传感器，看看整个电路系统是不是能正常运行。如果显示屏没问题，那就说明电路板和程序都没问题，一切顺利。要是有问题，那就要仔细检查，看看是哪个环节出了岔子，是硬件没接好，还是程序有问题，然后针对性地解决。功能调试在单片机测试没问题后，就开始调试各个功能，主要是验证软件的准确性。重启单片机后，OLED屏幕和蓝牙模块先初始化，接着逐个测试传感器。OLED屏幕被分成三行，分别显示温度、水位和水质（TDS值）。把传感器浸入水中，大概几秒钟后，屏幕上就会显示出对应的温度、水位和水质数值。通过按键操作，可以在自动模式、定时模式和阈值设置模式之间切换。在定时模式下，可以用按键选择开关，打开或关闭开关，还能设置倒计时时间。时间到了，所有灯光会亮起提醒喝水，OLED屏幕上也会显示提示信息。如果有人碰一下水杯，提醒就会暂停，等手移开后又重新开始倒计时。在阈值设置模式下，可以用按键调整水温、水位和水质的阈值。比如，当水温低于设定的阈值时，加热片会自动打开，模拟加热；当水温高于阈值时，加热就会停止。水位显示也很直观：水量低于30时，LED3亮；水量在30到50之间时，LED2亮；水量超过50时，LED1亮，这样就能很方便地知道水杯里的水量情况。系统硬件模块调试本智能水杯的调试包括了硬件部分中单片机各模块的调试。硬件部分的调试主要是对其代码进行编译运行，首先查看代码是否存在问题或者错误，并针对提出的问题作出修改，直至没有Bug为止，代码调试成功后，根据代码执行硬件设备，验证是否能够成功实现水的TDS浑浊度、水位、温度信号以及人体信号的采集。其调试结果如下表5-1所示。表5-1系统硬件调试结果调试用例预期结果实际结果单片机模块能够成功发送、接收程序指令，并控制各连接外设，以及可以成功计算处理程序数据能够成功发送、接收程序指令，并控制各连接外设，以及可以成功计算处理程序数据传感器模块各传感器能够成功检测到环境信号，并完成数模转换传输至单片机模块各传感器能够成功检测到环境信号，并完成数模转换传输至单片机模块按键模块按下按键时，程序能够作出正确的输出结果按下按键时，程序能够作出正确的输出结果显示模块启动程序后，OLED显示屏会显示正确的字符串，包括各项检测数据启动程序后，OLED显示屏会显示正确的字符串，包括各项检测数据指示模块当检测到不同的水位时，对应的LED灯会亮起；当程序处于定时模式的时候，到达喝水时间后，LED灯会同时亮起进行提醒当检测到不同的水位时，对应的LED灯会亮起；当程序处于定时模式的时候，到达喝水时间后，LED灯会同时亮起进行提醒执行模块当检测到水温低于阈值的时候，加热片会驱动进行水杯加热，继电器的指示灯会亮起当检测到水温低于阈值的时候，加热片会驱动进行水杯加热，继电器的指示灯会亮起定时模块在定时模式下，第二个按键切换开关，第三个按键控制开关的开和关。第四个按键用来设置时间（时、分、秒），还可以加时间。按下开始/暂停键后，倒计时开始，时间到了就亮灯提醒喝水，OLED屏显示提示。如果有人碰一下水杯，红外感应会停止提醒，然后重新倒计时。在定时模式下，第二个按键切换开关，第三个按键控制开关的开和关。第四个按键用来设置时间（时、分、秒），还可以加时间。按下开始/暂停键后，倒计时开始，时间到了就亮灯提醒喝水，OLED屏显示提示。如果有人碰一下水杯，红外感应会停止提醒，然后重新倒计时。

总结通过参与本次智能水杯控制系统的开发实践，我在嵌入式系统设计与应用方面获得了宝贵的经验，同时也深刻体会到了理论与实践相结合的重要性。在电路设计、程序编写、系统测试以及文档整理等各个环节中，我不断面对各种技术难题和挑战。这些问题促使我在综合运用所学理论知识的基础上，进一步锻炼了解决实际问题的能力。通过查阅大量资料、与同学和老师深入交流以及反复试验，我逐步攻克了这些难题，也更加深刻地理解了知识学习与运用之间的紧密联系。在项目启动阶段，我首先对智能水杯的市场需求和功能进行了详细的调研和分析。通过这些工作，我掌握了传感器与微控制器接口的基本原理，并初步确定了系统的整体架构和功能模块。随后，我选择了合适的传感器（如温度传感器、水位传感器和TDS传感器）和STM32F103C8T6作为核心控制器，搭建了硬件电路，并进行了初步的测试和调试。在这个过程中，我不断优化电路设计，确保系统的稳定性和可靠性。通过对实验数据的分析和总结，我逐步完善了硬件设计，并开始着手编写控制程序。在软件开发阶段，我遇到了许多技术难题，尤其是在传感器数据采集、定时提醒功能以及与OLED显示屏的交互方面。这些问题不仅考验了我的编程能力，还促使我深入学习了STM32F103C8T6的底层硬件特性以及相关外设的驱动原理。通过不断学习和实践，我逐步掌握了如何高效地利用有限的硬件资源来实现复杂的功能。同时，我也意识到，扎实的理论基础是解决这些问题的关键，但更重要的是将这些理论知识灵活地应用到实际开发中。在这个过程中，团队协作发挥了重要作用。通过与同学们的密切合作，我们不仅分享了各自的经验和见解，还共同攻克了许多技术难题。这种合作不仅提高了开发效率，也加深了我对团队精神的理解和体会。经过数周的努力，我们成功实现了一个基于STM32F103C8T6的智能水杯控制系统。该系统能够实时监测水温、水位和水质（TDS值），并通过OLED显示屏直观地展示给用户。此外，系统还具备定时提醒喝水功能，用户可以通过按键设置定时时间，并在时间到达时通过灯光和声音提醒用户喝水。通过红外感应模块，系统还能检测到用户是否触碰水杯，从而智能地暂停或重新启动提醒功能。这不仅提高了系统的智能化水平，也为用户提供了更加便捷的使用体验。总之，本次设计充分展现了STM32F103C8T6的强大功能和灵活性，同时也体现了模块化设计在嵌入式系统开发中的优势。通过本次实践，我不仅提升了自己在嵌入式系统开发方面的技术能力，还深刻体会到了团队协作和知识共享的重要性。我相信，随着技术的不断进步，基于STM32F103C8T6的智能控制系统将在更多领域得到广泛应用，为人们的生活带来更多便利。

参考文献徐华龙,衷卫声.基于FPGA的水质监测平台通讯协议设计[J].传感器与微系统,2019,38(05),84-86+89.丁雪莲.水产养殖中水质监测系统地研究[D].浙江省:浙江海洋大学,2020.陈栋.基于CC1101的水产养殖无线监测系统研制[D].浙江省:中国计量大学,2020.王师源.基于LabVIEW水质监测系统的设计与开发[D].海南省:海南大学,2019.张琴.基于LoRa的低功耗水产养殖水质监测系统设计与研究[D].上海市:上海海洋大学,2019.应晓燕.养殖水质在线监测系统的设计与实现[D].浙江省:浙江海洋大学,2021.兰海铭.基于STM32的多传感器水环境监测系统设计[D].青海省:青海师范大学,2022.SchofieldO,etal.OceanObservationtoriesandInformation:BuildingaGlobalOceanObservingNetwork[M].SpringerNewYork,2021:319-336.BonastreA,etal.In-linechemicalanalysisofwastewater:presentandfuturetrends[J].TrACTrendsinAnalyticalChemistry,2019,24(2):128-137.康亚，龚丽萍.浊度测量原理探讨[J].电子测试,2020,(08):245-246+252.周孟然,等.基于PH值温度补偿法的煤矿突水检测技术研究[J].煤炭科学技术,2019,45(09):146-150+208.李文,等.一种高精度电导率水质检测传感器的设计[J].河南科技大学学（自然科学版,2019,40(05):19-24+5.罗潜,吉艺宽,李美娣.基于STM32和ZigBee的水产养殖水质监测系统设计[J].仪器仪表用户,2023,30(08):22-26.刘泽龙,孙志忠,傅奕萱,等.一种远程多参数水质监测系统的设计[J].计算机时代,2019(01):24-28.韦洪浪,陈基恒,韦宁燕.基于阿里云平台的多参数实时在线水质监测系统[J].大众科技,2022,24(04):7-10.王巍淞,马巧梅,申连雄.基于物联网的农村饮用水水质监测系统的设计[J].科学技术创新,2022(27):51-55.SpandanaK,R.SeshagiriRaoV.InternetofThings(Iot)BasedSmartWaterQualityMonitoringSystem[J].InternationalJournalofEngineering&Technology,2019.PP259-259.赵华峰.基于单片机的家居智能系统设计与实现[J].信息与电脑(理论版),2023,416(22):134-136.李名宇,李姿.基于单片机的智能健康水杯设计[J].湖北农机化,2023,223(10):62.陈忠平,高金定.基于ATmega16与DS18B20的智能温控系统的设计[J].现代电子技术,2012,34(04):175-177.潘婷,隆凡英,李洪波.基于单片机的温控水杯设计研究[J].科技创新与应用,2022,12(24):34-37.钟浩,陈江萍.基于单片机的智能水杯设计[J].无线互联科技,2022,18(22):62-63.李琼,王栋,高白川等.基于单片机的智能水杯设计[J].南方农机,2023,51(11):202+208.

附录A硬件电路原理图附录B实物焊接图

附录C相关程序#include"sys.h"#include"usart3.h"#include"MyRTC.h"SENSORSensorData;//传感器结构体定义THRESHOLDThreshold;//阈值结构体定义SYSTEMSystem;//系统标志位结构体定义TIMINGTiming;//定义定时时间结构体voidmqttPublic(void);voidThreshold_Init(THRESHOLD*Threshold);intmain(void){delay_init();//延时函数初始化TIM2_Init(499,7199);//定时器2初始化定时扫描按键定时将消息发布标志置位NVIC_Config();//中断优先级配置NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);Usart3_Init(9600);Adc_Init();//adc初始化，读取传感器值oled_Init();//oled初始化DS18B20_Init();Tsc_Init();Beep_Init();//蜂鸣器初始化LED_GPIO_Config();//LED灯初始化KEY_Init();//按键初始化Threshold_Init(&Threshold);//传感器阈值及执行器件开关变量初始化oled_Clear();/**************台灯初始化**********/RELAY_GPIO_Config();TIM1_Int_Init(6800-1,3600-1);/*******************************************/while(1){SensorData.Ds18b20Val=DS18B20_GetTemperture();//获取水温;SensorData.StageVal=Get_Adc_Average(4,5)/41;//获取水位SensorData.TDSVal=Get_Adc_Av