毕业论文（设计）题目

无线充电智能保温杯设计

选题类型

应用型

课题来源

自选项目

学  院

机电学院

专  业

农业电气化

导  师

职  称

教授

姓  名

年  级

2016级

学  号

1 立题依据

1.1 研究背景和意义

水乃生命之源，随着我国经济的发展，人们对生活质量的重视程度也原来越高。而水杯则是一种用来饮水的最基本的生活用品。自1892年保温瓶被发明出来以后对人们的生活起到了很大的帮助。近代，随着科技的迅捷发展，保温杯也在各个方面有了很大的发展。保温杯有内壁和外壁；两壁之间呈真空状。真空中无法进行热传导和对流，而镀上的金属反射层可以反射热辐射。所以凡是倒入保温杯里的液体都能在相当长的一段时间内，保持它原有的温度。但是，保温杯的保温时间并不是很长，对于长时间工作、外出或者学习的人来说，保温杯的作用就显得比较鸡肋了，而智能保温杯就能起到很重要的作用。

当前的温度控制系统多采用热电偶、热敏电阻等一些硬件通过相应的信号处理电路，将温度信号通过数模转换送到核心的处理器中，完成对整个温度变化的实时监控。但是这种方案的信号处理电路实现较为复杂并且容易受到外界干扰，稳定性不强难以达到工业要求。本设计采用 DS18B20 温度传感器作为温度信号的采集器，以数字传感器和单片机为主体完成对整个温度的监控，再配以相应的继电电路完成对整个温度系统的控制。

本设计采用 AT89C51[1-5] 单片机辅以外围电路作为控制核心完成对水温的监控与控制。杯子外壳部分装有太阳能板充电装置，可对其内部电池充电（一般的USB插口也可对其充电）；水杯内部通过DS18B20温度传感器[6-7]来测量水温，杯子外壳设有LED显示屏，显示杯内水温以及设定的温度值，实时显示温度值；人们使用时可以通过温度设定按钮自行设定自己需要的温度，当杯子里面的水温降到我们所设定的温度下限值时，电池给加热器供电使其工作，当水温达到温度设定上限值时，加热器断电，这样就可以将水温控制在一个使用温度范围内。为考虑方便节能，充电模块主要研究无线充电和太阳能充电设计。

1.2 国内外研究进展

国外的智能保温杯技术比国内起步稍早，但由于国外的自动控制及技术领先国内，所以，国外的智能保温杯技术要稍比国内发达。但是国外的能源技术方面还有很大的不足，这方面国内具有很大的优势，特别是在太阳能这种最基本能源的利用上，国内远超国外。而无线充电则可以使智能保温杯更加符合现代绿色理念。

1.3 发展趋势

随着科技的迅速发展以及人民对生活质量的高要求，目前的保温杯行业正在逐渐朝着智能化、便捷化、低能耗的方向发展，通过单片机的控制将能够智能保温杯温度控制在一个用户想要的温度范围内，从而使人们的生活更加的方便以及提高人们的生活质量。在这种智能化的发展趋势下将会有越来越多的智能保温杯得到人们的认可而走进人们的生活中，传统的保温杯将会被时代淘汰。

2研究的主要内容及预期目标

2.1研究的主要内容

2.1.1 外观设计

杯身的材料采用具有较强的隔热性能，且对人体没有伤害的食品级 304 不锈钢。杯体部分工艺上可按需要制作高矮胖瘦，杯体底部也可设计需要加开底托磨具，中栓为固定。杯子外壳部分装有太阳能板充电装置，可对其内部电池充电（一般的USB插口也可对其充电）；保温杯内部通过温度传感器来测量水温，杯子外壳设有LED显示屏[8]，显示杯内水温以及设定的温度值以及实时显示的温度值。

2.1.2 充电模块

（1）太阳能充电部分[9-12]：主要由4块16V太阳能板组成，使阳光对太阳能板的照射通过内部转换电路自动为内部电池充电。

①首先需要自己通过温度设置，设置一个最低温度和最高温度，当水温小于最低温度，加热模块开始加热，超过最大温度停止加热。无线充电模块主要是通过一个发射模块和一个接收模块来进行对保温杯内部电池充电，太阳能充电部分主要由4块16V太阳能板组成，使阳光对太阳能板的照射通过内部转换电路自动为内部电池充电。

②发射模块由555电路构成其驱动器。当电源电压Vcc供电于发射模块电路时，由发射模块电路仿真电路可知，此时电路中的电容C1达到三分之一驱动电压开始充电，在电容C1充电时，驱动电路输出端输出高电平；当电容C1两端电达三分之二驱动电压时，电容C1进行放电，此时驱动电路的输出端输出低电平，当电容C1的电压低于三分之一的驱动电压时，电容C1又开始进行充电。如此循环下去，使其输出的为振荡信号。为了能使其在小功率下也可以输出足够大的高频功率，在输出级选用了IRF460场效应管。由电容C6、C7组成了滤波电路，电路中的 R5 起限流作用，R4、R6是功率电阻，由C3和R3组成了耦合电路，其作用是通高频信号， 阻断低频信号。

L1和L2分别是初级和次级耦合线圈。主要是利用电磁 感应原理，使能量从L1无线传输到L2，交流信号通过整流二极管整流，又经滤波、稳压后形成5V直流恒定电压。在阳光下，太阳能的充电原理是通过光能转化为电能并通过控制电路储存到内置蓄电池。

（2）以USB为主来进行充电：本产品还是以USB充电为主。

2.1.3 温度系统

可预设温度，使用者可自己设定需要的温度，当加热到预定温度时，停止加热，且可在显示屏上观测到目前温度，便于实时监控，此环节在单片机的基础上完成，具体流程如图 1 所示：

图 1 温度系统结构图

2.2研究的预期目标

本设计的目标是设计出一个能够较好的控制杯内温度的智能保温杯，保温杯的容量为500ml，杯身的太阳能板充电装置则可以达到合理的、高效率的利用太阳能对其内部电池充电，从而达到节约能源的目的。无线充电模式则可以使用户能够更加方便地对保温杯内部电池充电。杯盖的LED显示屏则可以显示用户输入的最高、最低温度以及杯内的实时温度的值。

3 研究方案

3.1 系统硬件设计方案

本设计采用 AT89C51 单片机系统辅以外围电路为控制核心，以 DS18B20 温度传感器为温度感应装置，继电器和金属加热棒构成了温度调控装置，电源提供电能，按键部分方便用户随时设定想要达到的温度，LED 数码管提供显示功能。DS18B20 温度传感器把感受到的温度数字信息传到以单片机为核心的微处理器中，同时单片机发出指令到数码管控 制数码管输出。数码管显示出杯内的实时水温。当 杯内的水温小于用户设置的目标温度时，单片机就 会发出指令到继电器控制电路。继电器控制电路对 杯内水进行加热，一直加热到目标设置的温度为止。同理，当水温高于目标温度时，单片机发出指令到继 电控制电路进行降温，一直降温到目标温度时停止 降温。如此周而复始，达到了智能保温杯的温度 的控制。用户可以通过按键对保温杯内的水温进行设置。LED 数码管上的最小显示精度达到 0． 1 度。系统总体框图如图 2 所示

图 2 系统总体框图

（1）主控制电路

主控制电路为以 AT89C51 单片机为核心来完成对水温的控制及监控。如图 3 所示

图 3 主控制系统电路

（2）显示电路

本设计的显示电路采用的是四位数码管显示，显示电路如图 4 所示

图 4 显示电路

（3）继电器加热控制电路

温度控制电路[13- 15]是以PNP型三极管驱动的，电路如图 5 所示

图 5 继电器加热控制电路

3.2 软件设计方案

本设计主程序的作用就是对系统进行初始化设置，对系统程序整体框架的建立，主要包含有单片机初始化及检测水温电路的初始化。主程序是处理DS18B20 传来的温度信息并控制数码管使这些信息实时显示出来，温度测量间隔为 1  s，这样数码管上的温度信息每隔 1 s 就会自动地更新一次。其程序流程如图 6 所示。

图 6 系统程序流程图

3.3可行性分析

在之前的学习中，我们学习了单片机、电路设计与仿真和传感器技术，对51单片机及DS18B20温度传感有了一定的认识，可以帮助我们很好的连接硬件电路。而电路设计与仿真则可以让我们熟练的使用一些仿真软件对电路进行仿真实验来查找及更正错误。

4 设计进度安排

表1 毕业论文设计进度安排

参考文献

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[2]  沈红卫． 基于单片机的智能系统设计与实现［M］． 北京: 电子工业出版社，2005．

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导师意见

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