智能温控水杯系统

设计作品名称

摘要

本项目主要完成对水壶改造，实现水壶壶盖室外饮水。并在此基础上设计了智能水温检测，通过温度传感器对水杯温度进行实时监控。利用微处理器对水温数据进行分段处理，实现不同人员对水温的不同需求。并通过按键实现不同需求（不同模式)的选择，当水温达到对应需求时可进行短信提示饮水。除此之外，手机App也可查询对应的数据。

关键词：温度传感器；App; 短信提示

目录

摘要 ........................................................................................................................................ I 第一章绪论. (1)

1.1设计背景 (1)

1.2所涉技术发展现状 (2)

1.2.1国内外技术发展 (2)

1.2.2存在的技术问题 (3)

1.3创新点 (4)

1.3.1主要解决的问题 (4)

1.3.2设计内容简介 (4)

第二章方案设计 (6)

2.1水杯外形结构设计 (6)

2.2 智能水杯软件设计7

2.2.1 方案叙述8

2.2.2 模块介绍8

2.3 技术应用前景12

2.3.1消费者需求12

2.3.2技术优势13

参考文献 (15)

致谢 (16)

第一章绪论

1.1设计背景

随着中国经济越来越发达，人们的生活的水平越来越高，对于生活的质量的要求越来越高。现代人越来越注重健康的生活方式，健康是每个人的追求，在日常生活中，我们总是在寻找各种各样的方式来保养，因为我们已经明白，保养和预防比治疗更重要。而水的重要性就不言而喻了。众所周知的是水的分类，比如说矿泉水、纯净水、苏打水等等。

会喝水才健康水作为人类生存的三大要素之一，没有人能够离开它，而且随着人们生活水平的提高和人们健康意识的逐渐增强，人们越来越关心自己的饮水健康。但水这个看似最熟悉、最常用的“生命素”，对于人类来说，其实也是最陌生的！因为，由于不健康、不科学饮水所导致的健康危机正在成为人类最大的威胁之一。

会喝水才健康世界卫生组织WHO调查发现：人类疾病80%与水有关。现代营养学家认为：饮水质量是我们生活质量的重要组成部分。你今天的饮水习惯也将决定着你10年后的健康状况。

很少人知道水的温度也是影响我们健康的重要原因，

其一，饮水过热易得消化道癌经常饮用温度过高的水，会使口腔、食道或胃黏膜发生炎症，长期发炎下去，可引起黏膜的质变，发生癌症。尤其是老人，比起壮年人他们需要的温度更加温和

其二，会喝水才健康，白开水具有生物活性科学研究表明，白开水放凉到25℃时，具有特异的生物活性。观察证实，习惯喝白开水的人，体内脱氢醇的活大大提高，肌肉中的乳酸积累减少，人也不易感到疲惫。这个温度的水，适合于大部分的人群饮用。所以针对可能存在的健康隐患，我们团队利用所学的知识设计了智能温控水杯，其核心就是使用温度传感器感知水杯中的水温的变化计算其变凉做需要的时间，绘制温度变化曲线，并及时提醒用户水温已到达指定温度。

1.2所涉技术发展现状

国内外是目前市场上的智能水杯主要有两种不同类型的产品，一种是智能反馈提醒型，另外一种是智能温控型。适时提醒用户喝水，或者是水温低了杯壁会自动加热，

温度高了会降温。

1.2.1国内外技术发展

其主要的代表产品为Cuptime智能水杯。Cuptime智能水杯或许是目前为止炒作得最为成功的一只智能水杯，Cuptime智能水杯内置温度感应器，杯身上的LED指示灯会根据液体温度呈现出不同的颜色，比如高于75摄氏度的水温会显示为红色，提醒使用者小心饮用。当然，Cuptime智能水杯最为强大的功能是，它会记录你喝掉的每一滴水，让你精确掌握每天的饮水量。同时，Cuptime APP还会根据你的年龄、身高、体重计算出针对于个人的每日饮水量，让你时刻知晓每日至少还需要喝下多少水用以维持身体健康。通过与手机同步，你会在不经意间收到手机推送来的提醒你喝水的信息。同时，Cuptime智能水杯也会通过自身来达到提醒的目的。每隔一段时间，智能水杯就会发出清脆的“滴滴”声，而这就是Cuptime智能水杯提醒你喝水的小动作。

安美驰这款车载智能加热水杯在京东商城的售价为298元，目前在京东商城的好评是100%，对于开车一族而言，是个非常棒的选择。你可以直接在汽车上就烧开水喝。它的杯体上设有一块显示屏来显示温度，并有开关键、设定键和温度调节键。杯体采用工程级ABS塑料，内胆采用雷军“一块钢板的艺术之旅”的304不锈钢材质。

Brugo智能控温水杯，解决日常饮茶或者饮水中过烫、过凉和易漏三大问题2、极速降温。控温杯采用双内胆设计，内层为长效保温区，外层为智能控温区，使用时将杯体倾斜，内胆中的高温饮品将会自动倾注25ml至外层，并在5-8S内迅速降至人体味蕾品尝的最佳温度65-76摄氏度。长效保温。内层中的滚烫的饮品可以长效保持高温。完美密封。能够适应各种环境，即使是遇到颠簸等情况，也不会出现撒漏的情况。完美密封、自然饮用、急速温控三种模式自求切换

1.2.2存在的技术问题

虽然其在一定的程度上解决的用户的需求，但是其仍有一些缺点,比如目前的智能水杯，多为检测水量。即使有温度调节的智能水杯，都是采用横温处理，使杯中水

的温度达到某一固定值。这样水杯只能适合某一类人使用。有的水杯的限制温度可以通过手机App进行控制。但这样我们自己设定值时。

第一操作复杂，不方便人们使用，第二，让人们自己设定使得主观性会主导温度的设定值。不同的人们会根据自己的理解，进行设定温度限值。

1.3创新点

1.3.1主要解决的问题

1、使得智能水杯变得智能，能够解决大部分人的喝水温度不同设定问题。

2、提供水温变化实时监控。

3、提供健康知识实时传递。

1.3.2设计内容简介

本项目设计的智能水杯是将普通暖水壶壶盖进行特殊设计成水杯，并通过在水杯内底部与内壁装备温度传感器，温度传感器采集来的数据经过微控制器进行处理，微控制器采用贴片式51单片机。微控制器将数据处理后通过蓝牙传到手机App上，当温度达到对应模式的预设值时，水杯会通过语音模块和短信模块进行报警提示饮水。本设计设定四个模式选择，通过四个按键实现对四种模式的选择。模式一设定为小孩（3岁以下）：设定之后表明使用者为小孩子，那么当水杯杯中温度到达小孩适宜的温度时会自动通过语音模块和短信模块告知人们可以饮水。模式二设定为老人（70岁以上）：设定之后表明使用者为老人，那么当水杯杯中温度到达老人适宜的温度时会通过语音模块和短信模块告知人们可以饮水。模式三设定为特殊人群，（具有特殊病症的用户，例如：需要喝药、喝奶）：其使用温度可以手动控制，智能水杯已经设定好的温度范围内选择合适自己的温度，那么当水杯杯中温度到达用户适宜的温度时会通过语音模块和短信模块告知人们可以饮水。模式四为普通大众按键：适宜绝大多数人群的饮用温度。那么当水杯杯中温度到达用户适宜的温度时会通过语音模块和短信模块告知人们可以饮水。

手机端使用APP会接收到智能水杯的提醒消息，并且可以在上面看到关于健康生

活饮用水知识。可以实时监测水杯中的温度变化，不用再担心被热水烫嘴的情况了。

第二章方案设计

2.1 水杯外形结构设计

水杯外形设计采用壶盖改装，实现一物多用，在普通的水壶壶盖上设计把手，以实现饮水不烫伤的功能，被设计已经审批获得专利，其专利结构图和专利证如下图2-1、2-2所示。因其美观性能比较差，我们又在其基础上设计了可隐藏的壶盖把手。当人们不使用是可将移动把手收回。当人们需要饮水时，通过按钮打开把手，具体结构设计如图2-3所示

图2-1专利结构设计图

图2-2 专利证书

图2-3 水杯外形结构改进设计图

2.2智能水杯软件设计

针对以上设计的水杯，虽然美观和实用性都得以实现，但功能太少。结合市场和人们需求，特设计了此款智能水杯。将智能控制加设到以上的水杯。

图2-4 智能水杯功能结构图

2.2.1 方案叙述

首先通过微控制器的按键设置工作模式，在设置好模式后，温度传感器对水杯内

的温度进行实时监控，并将数据实时发送到手机App上。当根据已经设好的工作模式，当温度达到该工作模式的温度限值则通过GSM模块和语音模块进行报警提示。

2.2.2 模块介绍

（1）温度传感器

DHT11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。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。连接电路见下图:

图2-5温度传感器连接电路图

温湿度传感器采集信号的流程如下图所示：

图2-6 温湿度传感器采集信号的流程图

（2）GSM模块

GSM模块主要是通过与微控制器进行串口通信，微控制器使用AT指令对GSM模块进行控制，进而实现短信的发送。其连接电路如下图所示：

图2-7 GSM电路连接图

(3）语音模块

模块具备9 个直接触发端口，是A1-A9 这9 根排针，可直接接喇叭，也可用耳机。具体结构如下图：

图2-8 语音模块结构图

本模块除了直接触发 9 首 MP3 的功能外还具备 63 首 MP3的点播功能。但这功能需要结合单片机才能完成操作。

在给模块上电之前，先把 A10 接地，如上图所示可以直接用短路帽把 A10 和GND 合上即可，这样在上电后就切换为编码模式。其中 A1-A5 为编码端口，为二进制编码方式，A1 为第一位。例如要点播第一首 MP3，举例如

序号 A5 A4 A3 A2 A1 动作

1 0 0 0 0 1 播放第一首 MP3

2 0 0 0 1 0 播放第二首 MP3

3 0 0 0 1 1 播放第三首 MP3

4 0 0 1 0 0 播放第四首 MP3

5 0 0 1 0 1 播放第五首 MP3

使 A10 接地.切换为编码模式以上表格举例说明前五首歌曲的点播方式，在单片机 IO口输出编码后，等待 500ms 或以上便马上恢复默认值（低电平）后就触发成功进行播放歌曲。其他歌曲的编码和上门表格类似，为二进制编码

（4）电源模块

由于微控制器属于低功耗处理器，供电时采用5V的小型锂电池，既节省空间又能达到整个水杯对电源的需求。

2.3技术应用前景

2.3.1消费者需求

在智能家居这个大环境下，智能水杯是必不可少的健康一环，特别是在空气、环境、水质不佳的这个时代，人们对于健康的投资是不计算成本的，在这种前提下来分析，智能水杯的市场是很大的，甚至能够与空气净化器相提并论了。对于健康的投资在每一个年代都是老生常谈的话题，从物质匮乏时期的“开小灶”到现在动辄成千上万的安利产品，足够看得出人们对于自己的身体是有多么在乎。

随着生活节奏的不断加快和社会压力的不断增大，现在的我们连一些基本的生活需求都不能保障。相信很多人会像笔者那样早上偶尔会不吃早饭，只因为太累起不来，还有很多生活陋习，例如干坐一下午连水都不喝一杯，每晚加班导致用餐习惯相当凌乱，兴许现在我们仍然不能看出这些习惯在现阶段会有怎样的影响，但未来我们肯定会受到任性带来的惩罚。因此，在有资本的情况下，为自己的健康进行投资，对于很多消费者来说也是相当乐意的。

2.3.2技术优势

（1）可旋转手柄

水杯用户在其使用时，经常会因为水杯杯壁太烫，导致烫伤隐患大大增加。而增加了手柄的水杯又不方便携带，所以基于这个基本情况，设计了可旋转式隐藏手柄水杯。水杯外形设计采用壶盖改装，实现一物多用，在普通的水壶壶盖上设计把手，以实现饮水不烫伤的功能，被设计已经审批获得专利，其专利结构图和专利证如下图2-1、2-2所示。因其美观性能比较差，我们又在其基础上设计了可隐藏的壶盖把手。

当人们不使用是可将移动把手收回。当人们需要饮水时，通过按钮打开把手即可。（2）实现水杯与手机的实时通信

首先通过微控制器的按键设置工作模式，在设置好模式后，温度传感器对水杯内的温度进行实时监控，并将数据实时发送到手机App上。当根据已经设好的工作模式，当温度达到该工作模式的温度限值则通过GSM模块和语音模块进行报警提示。

模块包括：

（1）温度传感器（2）GSM模块（3）语音模块（4）电源模块。

四个模块的协调使用使得产品及其使用会方便、实用很多。比起现有市面上的产品我们技术优势显然更加明显。智能控温水杯简化操作使用，从而更融洽地融入生活。使得很多人不仅是为了自己的健康着想的购买我们的水杯，也可以忙碌的工作中分担一份对家人的担心。

参考文献

[1]洪浩,李翔,邱力军.智能温控水杯系统的设计与实现[J].2013年.

[2]刘彬,李岩,张福元,曲帅帅.物联网技术[J]. 2014年 / 第11期.

[3]侯玉宝.基于PROTEUS的51系列单片机设计与仿真[M].电脑报电子音像出版社.2008-9-1.

[4][美]StuartR.BallP.E.嵌入式微处理器系统设计实例（第3版）[M]电子工业出版社.

[5]聂光辉.发明与创新 [D]. 全刊杂志欣赏.2008年·第9期.

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致谢

首先，必须要感谢本次大赛的主办方，教育部干等学校计算机类专业教学指导委员会和TEXASInstruments为我们提供了本次比赛平台。大型的比赛会给予大学生自我展示的机会，并且使得大学生能够多看看世界。所以在此再次感谢大赛举办方。

其次，我十分感谢我的母校，内蒙古工业大学。在本次比赛中我的母校为我们的研究，创新工作，给予了极大的支持。我们的两位指导老师也是不得不感谢的人，是他们在我们迷茫、不知所措的时候，站在我们身后为我们轻轻拨开眼前的浓雾。

最后，我们需要感谢的是所有帮助过我们的同学及前辈们，是他们的无私帮助，鼓舞我们继续走下去。