DIY制作嵌入單片機芯片的貼心小杯墊

一、設計原理

炫彩智能杯墊主要由電源電路、溫度測量電路、RGB-LED色彩控制電路等構成。STC系列單片機作為控制芯片，電源的通斷由三個開關S1、S2、S3共同控制，水杯重量達到一定程度時，開關閉合電源接通，通過溫度傳感器DS18B20采集水杯溫度信號，并輸出與之對應的電信號，送入STC15L104單片機控制芯片，經過信號的處理與運算，以PWM方式調節電壓占空比，占空比越大，平均電壓越大，燈也就越亮，占空比越小，平均電壓越小，燈也就越暗，不同亮度的彩色LED經過混色，從而調制出彩色光，控制它變色。系統設計框如圖1所示：

二、硬件電路設計

(一)電路芯片選型

STC15L104單片機是宏晶科技生產的一款功能比較全面的單片機，內部集成高精度R/C時鐘和高可靠復位。根據本設計的實際情況和要求，選用STC15L104作為系統的控制芯片，與傳統單片機相比，可省去傳統的復位電路及外部晶振電路，且封裝采用貼片式，占用電路板的面積非常小，適合集成在電路板上。

(二)電源電路

任何系統想要正常的工作，就必須要有一個穩定的電源。本設計采用3V直流電源，為減少輸入電源引入的低頻干擾，在電源兩端并聯電容濾波電路。

(三)溫度測量電路

溫度測量電路由溫度傳感器DS18B20采集杯中水溫的實時溫度，提供給單片機的某個端口(P3.3口)作為數據輸入。溫度傳感器有很多種，如熱敏電阻，熱電偶，半導體溫度傳感器等。本文選用的集成半導體溫度傳感器DS18B20,它提供9~12位(二進制)溫度讀數，無需A/D轉換，其數據傳輸方式采用單總線，即數據的輸入或輸出均由同一條線來完成，支持3至5.5V的電壓范圍，與單片機的連接有兩種方法，一種是外部電源供電的三線接法，另一種寄生電源供電的兩線接法，無論是哪一種方式，單總線上都要連接上拉電阻。本設計采用外部電源供電，將DS18B20的引腳DQ端(單數據總線)連接到單片機的一個I/O口上，即可讀取被測控對象的溫度，由于DS18B20的單總線是開漏的，因此在電路設計中，需外接一個上拉電阻。

(四)RGB-LED混色電路

混色電路由藍、綠、紅三種顏色的LED燈構成，它們的導通電壓不同，藍色為3.2~3.3V,綠色為3.2~3.3V,紅色為1.9~2.0V,當三色LED同時導通時，藍、綠兩色不亮，因此需對這兩種顏色的LED供電電源添加倍壓電路。

(五)LED選型

本設計采用的是5050RGB貼片LED燈珠，低電壓驅動，耗電量低，亮度高，散色角度大，一致性好，產生的熱量低，使用壽命長，抗靜電能力強，體積小，安裝方便。產品采用高檔環氧樹脂封裝，環保節能。

三、軟件設計

系統主程序的功能：

(1)初始化系統參數，啟動定時器，利用定時器產生周期固定的PWM波;

(2)檢測撥碼開關SW1的狀態，設定彩色LED輸出控制方式;

(3)進行溫度檢測，按照運算結果，在RGB三個通道輸出不同占空比的信號，驅動全彩LED混色，產生不同的顏色效果;

(4)監視水杯溫度，如果低于30℃，熄滅LED,降低功耗;

(5)若發現溫度超過限制范圍時，發出報警信號。

四、電路板設計

電路板的制作為了提高藝術性，設計成直徑為8cm的圓形，采用雙層設計，頂層為主控制電路、溫度測量電路、RGB-LED混色電路，底層為電源電路，系統采用3V鈕扣電池供電，杯墊底部設計有開關裝置，沒有杯子放上時不工作，節省電力，杯墊正面三個按鈕開關呈120°排列，保證了杯墊使用時的穩定性，溫度傳感器位于杯墊正中心，能保證溫度采集的準確性，板上設計的倍壓電路，可單獨給RGB全彩LED供電，以滿足LED工作電壓的需要，使LED工作時充分照亮杯體。

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