一、系统整体设计方案
本系统以 STM32F103C8T6 单片机为控制核心，聚焦智能水杯的水温精准控制需求，适用于居家、办公等场景，为用户提供恒温饮水体验，具备自动加热、恒温保温、水温显示及超温保护等功能，兼顾安全性与实用性。系统遵循 “模块化集成、安全优先” 原则，划分为五大核心模块：水温采集模块、单片机控制模块、加热 / 保温驱动模块、人机交互模块及安全保护模块。
水温采集模块实时监测水杯内水温，将温度信号转换为数字信号传输至单片机；单片机控制模块作为 “核心大脑”，接收水温数据后与用户设定的目标温度对比，生成加热或保温指令；加热 / 保温驱动模块根据指令控制加热元件工作，实现水温调节；人机交互模块支持用户设定目标温度（如 45℃冲奶、85℃泡茶），并显示当前水温与工作状态；安全保护模块则在水温过高（如超过 95℃）或检测到干烧时，立即切断加热电路，避免安全隐患。
二、系统硬件设计
系统硬件围绕 STM32 单片机搭建，元器件选型以低功耗、高安全性为核心，确保温控精准且运行稳定。水温采集模块选用 NTC 热敏电阻，其电阻值随温度变化呈负相关特性，搭配分压电路将电阻变化转换为电压信号，再通过 STM32 内置的 12 位 ADC（模数转换）模块转换为数字信号，测量范围覆盖 0℃~100℃，精度可达 ±1℃，能精准捕捉水杯内水温变化，且成本低、体积小，适合嵌入水杯内部。
加热 / 保温驱动模块中，加热元件选用 12V 低压加热片，功率设为 15W，避免高压带来的安全风险；驱动单元采用继电器模块，单片机 IO 口输出控制信号触发继电器吸合 / 断开，实现加热片的通断电控制 —— 当水温低于目标温度时，继电器吸合，加热片工作；达到目标温度后，继电器断开，进入保温状态。同时，在加热片回路中串联自恢复保险丝，当电路电流过大（如干烧导致电阻异常）时，保险丝自动断开，实现过流保护，保障系统安全。
人机交互模块采用 0.96 英寸 OLED 显示屏与 3 个独立按键，OLED 屏通过 I2C 协议与单片机连接，可显示当前水温（如 “Current Temp: 50℃”）、目标温度（如 “Target Temp: 45℃”）及工作模式（如 “Heating”“Keeping Warm”），屏幕功耗低且显示清晰；按键分别对应 “温度加”“温度减”“确认 / 取消” 功能，方便用户快速设定目标温度。安全保护模块额外集成水位检测电路，通过两个电极探头检测水杯内水位，若检测到无水位（干烧），立即向单片机发送信号，触发加热电路断电，双重保护提升系统安全性。
三、系统软件设计
系统软件基于 Keil MDK 开发环境编写，采用模块化编程思想，主要包含主程序、水温采集子程序、加热控制子程序、人机交互子程序及安全保护子程序，各模块通过函数调用协同工作，兼顾控制精度与响应速度。
主程序负责系统初始化与流程调度，初始化阶段完成 STM32 单片机 IO 口、ADC 模块、I2C 接口、定时器的参数配置，设置定时器 1 定时 100ms 读取一次水温数据（平衡实时性与功耗），同时初始化默认目标温度（如 50℃）与安全保护阈值（如干烧检测阈值、超温保护阈值 95℃）。初始化完成后，主程序进入循环状态，依次调用水温采集子程序获取当前水温、安全保护子程序检测安全状态、加热控制子程序调节水温，同时响应人机交互子程序的按键指令，更新目标温度与 OLED 显示内容。
水温采集子程序通过 STM32 内置 ADC 读取 NTC 热敏电阻分压电路的电压信号，将模拟电压值转换为数字值后，结合 NTC 电阻 - 温度特性曲线，通过线性插值算法计算出实际水温，并进行数据滤波处理（采用滑动平均滤波法，去除偶然干扰导致的温度波动），确保水温数据准确。加热控制子程序将当前水温与目标温度对比：若当前水温低于目标温度且无安全隐患，输出高电平触发继电器吸合，加热片开始加热；当水温达到目标温度 ±1℃范围内时，切换为保温模式，通过定时器控制继电器间歇性吸合（如通电 5 秒、断电 10 秒），维持水温稳定在目标温度区间，避免温度大幅波动。
人机交互子程序实时扫描按键状态，若检测到 “温度加”“温度减” 按键按下，逐次调整目标温度（每次调整幅度为 5℃，范围 30℃~90℃），并实时更新 OLED 屏显示的目标温度；按下 “确认” 键后，保存当前设定的目标温度，触发加热控制子程序按新目标温度工作。安全保护子程序优先执行，若检测到干烧（水位检测无信号）或水温超过 95℃，立即调用加热控制子程序切断加热电路，同时在 OLED 屏显示报警信息（如 “Warning: Dry Burning!”“Warning: Over Temperature!”），直至故障排除后，用户按下 “取消” 键复位系统，确保安全隐患未排除时不恢复加热。
系统总结
本基于单片机的智能水杯自动温控系统，通过 NTC 热敏电阻精准采集水温，以 STM32 单片机为核心实现加热与保温智能控制，搭配 OLED 屏与人机交互按键提升使用便捷性，双重安全保护设计保障运行安全，形成完整的智能温控解决方案。系统硬件选型兼顾成本与性能，软件模块化设计便于后期维护与功能拓展，能精准维持水温在用户设定的目标区间，满足冲奶、泡茶、日常饮水等多样化需求。整体设计贴合用户实际使用场景，安全性与实用性突出，后续可拓展蓝牙连接功能，支持手机 APP 远程设定温度、查看水温，进一步提升系统智能化水平，具有较高的市场应用潜力。
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