基于单片机的智能学生水杯的设计与实现
摘要:为了更好的实现对水杯的智能化设计，给人们一个健康、安全的日常饮水环境提供保障，设计并开发了本次基于单片机的智能学生水杯。可以实时地获得温度的实时数据，可以在上位机中对系统阈值进行设定，还可以对系统检测到的温度进行实时显示。可以对学习计划进行设置，并进行提示等功能，从而达到了智能学生水杯设计的目标，实现了对智能学生水杯信息的高效整合和利用，提升了信息资源的使用效率，促进了智能学生水杯的信息化管理，因此，它具有一定的研究意义。
关键词:单片机;传感器;后台管理;实时显示;
中图分类号  TP 391        文献标识码  B
0引言
近年来智能硬件异军突起，智能硬件产品呈爆炸式发展，并深刻影响着人们的生活。随着智能硬件的发展，智能水杯概念逐渐进入大众视野。本设计力求设计一款适合学生的智能水杯，具有根据自动检测温度数据的功能，同时加入学习计时、学习数据汇总功能，水杯多功能的设计
实现了智能学生水杯信息的有效整合和利用，提高了信息资源的利用效率，推进了智能学生水杯的信息化管理。
以美国、欧洲等发达国家为例，其对水杯环境监控检测的研究是比较成熟的，在国外的智能学生水杯研究中，都是根据不同需求来设计出不同的智能学生水杯。智能学生水杯有很多种，大多以传感器模块实现自动采集和数据监控，以单片机系统来实现对整个功能模块的控制，从而实现水杯环境监控检测的良好效果[1]。
1系统总方案设计
本系统所用到的技术分为下位机技术和App技术。其中下位机技术包括STM32单片机技术、传感器技术、显示技术、WiFi无线通信技术。App端技术包含SSM框架技术、VUE技术以及JAVA等技术。
智能学生水杯采用STM32主控制器为核心芯片，外围电路由温度传感器、蜂鸣器模块、舵机模块等模块组成。系统总体结构图如下图1 所示。
图1  智能水杯系统结构图
2硬件电路设计
系统使用了RISC内核，工作频率是72 MHz，内部有高速存储器，内含高品质的通讯介面，可提供多种节能方式，确保低能耗的应用需求[2]。复位电路负责对整个系统进行硬件复位，当程序运行结果和预期的不一致，程序发生异常时，可以按下复位按钮，强制将程序复位到初始状态[3]。晶振电路是微控制器中不可或缺的一环，其主要功能就是生成时钟[4]。使用DS18B20温度传感器来采集环境温度数值，电压适用范围宽（3~5 V)，温度分辨率可以进行调整，还可以通过编程实现9~12位的温度读数[5]。无线传输模块是用ESP8266WIFI无线模块来实现。蜂鸣器报警模块是由一个有源蜂鸣器连接PNP三极管，后串联阻值1K的电阻器与
单片机的Alarm端口相接，VCC引脚连接3.3V电源，GND接地，从而实现蜂鸣器报警功能[6]。显示模块使用OLED12864；采用舵机来实现对杯子盖子开合的控制。转向器是位置（角度）伺服驱动器。
3 软件设计
3.1软件系统
智能学生水杯主要分为两个部分，分别为数据采集系统和远程监控系统。首先要把传感器与STM32单片机相连，接着传感器就会对整个周期内的实时数据进行采集，并发送给单片机，单片机接收后就会立刻对其进行分析ssm框架实现登录功能[7]。在启动了无线通信程序之后，对其有无正常的连接进行检测。
3.2上位机设计
    成功登录进入WEB，可直接进入智能学生水杯系统首页，在此页面可实时获取到的水杯中数据和对系统的控制[8]。点击水杯温度数据这个模块可实时查看到水杯中的温度数据。点击设置温度阈值这个模块可进行水杯中温度阈值进行设计。点击查看学习明细这个模块，可实
时查看到学习分钟数以及进行添加的时间等操作。点击统计数据这个模块，可实时查看今日喝水次数、今日总学习时间等的数据。
4 系统调试
硬件与软件连接完成之后，检测显示模块、温湿度传感器、舵机模块、WIFI模块等是否正常与app连接，正常显示数据，各个模块是否能正常工作并且满足系统要求，保证其能正常使用。
第一步先打开电源，等待初始复位完成，如果可以显示出正常的温度，就说明温度传感器可以工作正常。如图4-2所示，环境温度显示在30.10度，温度传感器工作正常。
使硬件与app进行连接后，按下按钮舵机模块启动，APP显示当前数据，实现用户喝水情况的实时记录。数据显示正常。
使硬件与app通过WIFI模块进行连接后，APP设定学习时间，显示模块显示数据，APP显示学习记录。
用Keil5软件打开要测试的内容，将各模块程序内容存入指定的文件包，然后选择main（）调用主程序即可使用。
系统的整体功能测试包括单片机是否能够正确处理数据，传感器是否能够正确采集数据并成功在App进行显示等。
5.结束语
智能学生水杯系统在设计完成之后完美地实现了预期的目标，当系统检测到长时间未进行喝水，系统通过驱动蜂鸣器进行报警提示；当温度到达设定阈值，通过舵机控制水杯盖子的开合；同时在OLED上实时显示数据；可以通过WiFi模块在App端，使界面可以实时来获取温度实时数据，能够在上位机进行系统阈值的设置以及提供系统检测温度的实时显示，可设置学习计划进行提示等的功能，从而实现智能学生水杯设计的目的，从而来完成一款智能学生水杯设计，由于能力和精力的限制，所设计的产品还有诸多的不足和可以改进的空间。希望在未来，能够随着时代的进步，技术的进步，进一步完善智能学生水杯的各部分功能，创造更好的用户体验。
参考文献
[1]Li Xiuhong,Hao Xuejie,Yin Lizeyan,Ma Yushuang,Sun Meiying,Yang Rongjin. Development and application of an environment monitoring system based on IPv6[J]. Scientific Reports,2022,12(1).
[2]Zhao Xiaoyan,Li Jianwei,Chen Ruiguang,Li Chunlei,Chen Yan,Zhang Tianyao,Zhang Zhaohui. Design and Implementation of Environmental Monitoring System Based on Multi-Protocol Fusion Internet of Things[J].jaciii,2022,26(5).
[3]孙静. 基于用户体验的智能水杯产品设计研究[D].东北石油大学,2022.DOI:10.26995/dki.gdqsc.2022.000326.
[4]刘红云.基于区块链技术下的企业财务管理研究[J].经济研究导刊,2022(04):94-96.
[5]房坤,杜豪杰.基于stm32与lora模块物联网环境监测系统的设计[J].信息技术与信息化,2020(06):34-36.
[6]基于STM32单片机的温湿联合调控智能水杯[J].孙维益;王晓娜;李嘉豪;杨泽霈;王英贺.实验室科学,2022(04).
[7]基于STM32的物联网智能家居控制系统[J].吴超;曹峰源;安乐;陈志文;徐默然;徐谢军.科技创新与应用,2020(27).
[8]基于stm32的智能家居控制系统设计[J].许胜.电子世界,2020(01).
 

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