单片机小制作，感温彩虹杯垫

有一位波兰爱好者制作了一款感温LED杯垫，如图8.1所示。这款杯垫可以感知杯中的饮料温度，并根据温度驱动板上的LED，发出暖色或冷色的光芒。这个设计创意得到了很多电子爱好者的关注。但是笔者个人认为，原版的设计存在一些可以改进的地方。比如，由于温度测定不需要精确，温度传感器不必使用独立芯片，片内二极管测温即可。另外，原设计中的LED采用并联结构，不能够独立控制颜色，尚有改进余地，于是我设计了这一款改进型的感温彩虹杯垫。

图8.1 波兰爱好者制作的感温杯垫

元件选择

为尽可能减少元件数量，我使用一片ATTINY24单片机，同时完成温度测量以及LED灯的控制。为了减少LED驱动所需元件以及简化布线，LED采用了ST505042。这款LED内置有ST313控制器，可以用串行双极性信号直接驱动，并可直接串联，减小了PCB绘制的难度。此外，由于这款控制器是采用恒流驱动方式，所以不会有闪烁的问题，同时也可以在3～5V下的任一电压处工作良好，不会出现因为电阻限流发生电压改变时出现的偏色问题。因此，无论是干电池、锂电池，还是5V或3.3V电源，都可以使电路良好工作。

设计原理

这个制作的电路结构比较简单，电路原理图如图8.2所示，PCB图如图8.3所示。设计时，为避免电源反接导致电路烧毁，在电源路径上串联了1个肖特基二极管。之后，使用去耦电容来滤除电源上的干扰。

图8.2 彩虹杯垫电路原理图

图8.3 彩虹杯垫PCB图

电路使用单片机内部的PN结测温，通过软件即可读到温度值。单片机使用一个I/O口连接到两个阻值相同的分压电阻，这样当I/O口输出电平时，两个电阻的中点电平为高/低电平，而当I/O口转为高阻状态时，电阻中点电平即可输出1/2VCC，由此可以生成驱动LED所需的双极性信号。

LED内置的ST313控制器使用1.2MHz以下的信号来传输信息，用1/2VCC后接低电平表示逻辑0，用1/2VCC后接高电平表示逻辑1，以此来表达每个LED所需的18bit颜色信号。当数据线闲置60µs以上时，ST313将移位寄存器中的数据锁存至LED的电流控制器中，以改变LED的颜色。由于我们的连线距离很短，所以不用考虑电磁干扰对于数据正确性的影响。但当长距离传输时，由于有1/2VCC的存在，可能会导致LED颜色出现混乱，需要采取措施减少干扰的影响。将LED串行连接，在第1个LED上接入单片机信号，就可以根据单片机输出的电平信号单独控制任何一个LED的RGB颜色了。

编程调试

为了对单片机进行编程，一般使用ISP(在线编程)功能进行程序下载。可是这一功能通常需要6条线，至少也需要除电源线外的4条线。这对于自行制作的单面电路板布线是有一定难度的，而且会部分破坏电路的美观。一种解决方式是使用单片机烧写座进行编程，这种方法的缺点是烧写座价格不菲，而且芯片焊接后较难再次编程。

我采用的解决方案是使用AVR的单线调试功能(debugWIRE)实现程序修改。DebugWIRE是使用单线双向接口的片上调试系统，除电源线外，仅需要1条线就可以实现程序的修改和调试。但是为开启debugWIRE功能，仍然需要焊接飞线来修改芯片的熔丝位。设置熔丝位完成后，即可撤除飞线，仅使用复位线这1条线来控制芯片的程序。这种方式唯一的要求是需要一个原厂的调试工具，如AVR Dragon或MKII。之后就可以在AVR Studio中直接仿真程序，并按需要插入断点，实时查看各变量的值，以调试程序的正确性。

需要注意的是，每次断点的使用都将减少Flash的寿命，所以最好不要用同一块芯片调试过多的程序，但调试完直接使用是没有什么问题的。正常结束调试后，芯片不会在上电时执行程序，在调试运行时拔掉调试线，即可让程序正常运行。使用debugWIRE时，复位线上不要有其他元件。不过，debugWIRE会略微增加休眠功耗，故对功耗要求高的应用最后要将其关闭。

温度标定

使用单片机测定温度时，需要考虑传感器的误差。由于单片机测温是使用片上二极管测温，所以误差比较大。在不经标定的情况下，可能只有±10℃的精度，所以需要使用标定方法来提高精度。对于电子测量来说，我们是用电信号来表达另一个物理量，也就是用电压来表示温度，并用ADC来转换为数字量。因此，我们需要电压与温度的函数关系，才能够用电压值来反推温度值。显然，我们需要知道单片机测量到的真实温度。我们可以用一个较高精度的温度计来获得温度值，市售的玻璃水银温度计、指针温度计或远程温度计均可，也可使用万用表附赠的热电偶，或者是经过激光标定的传感器，比如18B20。如果Geek精神够足，使用冰水混合物等非主流方法亦可。

得知温度后，接下来就是建立电压与温度的函数关系。由于我们最终要由ADC转换为数字量，所以数字量输出和温度的函数关系也是等价的。理想的情况下，我们要取到尽可能多的温度点，使任何一个输出值都被覆盖到，使用查找表即可用输出值反推温度值。但是，这么多温度点的覆盖往往是不现实的，我们只能采集有限个数据点，并拟合出函数曲线。一般来说，函数的次数要低于采样的数据点数，可以使用最小二乘法来拟合曲线。如果只需要结果，excel就能做到这一点。另外，如果想知道穿过所有点曲线的形状，可以尝试使用拉格朗日插值法来获得函数。一般工程上，采用等距离采集多个数据点，然后分段直线拟合就能得到比较不错的效果。

这个制作由于对精度要求不高，而且追求简单，我们假设数字量输出和温度的函数关系是线性的，而且每1℃的变化对应数字输出量变化1。我们只需要1个点就能确定函数的位置。当然，这一点处于待测区间之中会使精度高一些。在这种情况下，只要把待测点的输出值和标定点的输出值求差，并把这个差加到标定点的真实温度值上，就可以求到待测点的真实温度值。虽然精度仍然不高，但对于这个制作绰绰有余。

另外，传感器测定出的温度值可能会有少许的抖动，这会导致系统在临界温度上在两种模式间来回切换。所以，在温度的判定上，我采用了滞回算法，即在温度上升到40℃时切换到高温模式，而下降到35℃才能切换回普通模式。低温也应用类似算法。这样，系统不会被传感器的抖动所干扰，工作较为稳定。

制作方法

为组装整个杯垫，需要将PCB裁为六边形，并裁取一块与之形状一致的有机玻璃板，可以在确定切割线后用钢尺辅助，以钩刀划开。之后，在有机玻璃板中央钻孔，但要注意钻头速度不能太快，进刀量不要太大，以避免温度过高，导致孔边缘熔化。在有机玻璃板中央钻孔。如果有机玻璃板上出现了划伤，可以用热风枪加热损伤部分，有机玻璃的小划痕会在高温下消失。之后在PCB上打上热熔胶，将有机玻璃板粘接在PCB上。最后将导热胶从有机玻璃板开孔处注入，将开口的上表面和单片机连接成一体。这样单片机就可以测量到杯垫表面的温度了。制作出来的实物如图8.4所示。至此，将杯垫连接上电源，整个杯垫就会点亮，发出彩色的光芒，如图8.5所示，并可以根据杯垫上饮料的温度，变换出不同的颜色了。

图8.4 制作出的杯垫实物

图8.5 发光效果

单片机小制作，七彩“魔法瓶”

一看题图，你可能会想，不就是一个普通的玻璃瓶吗?但是这个瓶子的功能却不简单，瓶子会感知周围光线的强度而改变内部的LED流动花式。当你的手背着光源的位置向前靠近时，口里再喃喃几句“魔法咒语”，神奇的现象出现了，本来的花式突然改变了，时而变蓝，时而变红。当你的手继续靠近时，然后可以关灯，这时瓶子闪烁得更加耀眼，更加激烈了，哇，太神奇了，竟然可以“隔空控制”!如果将此作品放在家里客厅或宿舍，一定会吸引很多客人或同学的眼球，而且可以活跃气氛。

“七彩魔法瓶”的奥秘是运用光敏电阻探测出周围光线的强弱，再根据光度由强到弱分成8个区间，每个区间都有一种不同的LED流动花式，第一个区间(也即是光照最强时)“魔瓶”不断显示红、绿、蓝的颜色;第二到第四个区间分别是显示由红色、绿色和蓝色的3种不同颜色的不同显示主题，不同的颜色能改变人的心情，因此随着主题的改变，心情也改变了;第五个区间(光照较暗时)瓶子会逐渐变化出类似彩虹的七彩颜色，因为红、绿、蓝三原色进行不同的组合就会得到不同的颜色;第六个区间是我们熟悉的流水灯，先由前排逐个流动，然后后排逐个流动;第七个区间是我最喜欢的，先逐渐显示单数和双数排的LED灯，同时，在瓶子内部的黄色和绿色草帽高亮LED灯交替亮起，发射出的光线经过洞洞板和玻璃瓶透射出来，显得特别好看;最后一个区间是光照最暗的时候，内部的高亮LED都亮起，同时左右排的LED灯交替亮，之后全部闪烁，达到最激烈的程度。相信在场观众的心情此时会达到高潮，很有创意吧，下面让我们一起来制作!

电路原理

所需器件列表：

◆ 20脚的STC12C2052AD单片机1个(或者选用同类有AD功能的单片机)

◆红、绿、蓝贴片LED各4个

◆绿色和黄色的高亮草帽LED各1个

◆ 470Ω贴片电阻6个

◆ 1kΩ贴片电阻2个

◆ 10kΩ贴片电阻1个

◆光敏电阻1个

◆ 7.5cm×7cm的玻纤洞洞板1块(玻纤板透光效果好)

◆排针若干

◆瓶口大小合适的空玻璃瓶子1个

01 用裁刀把7.5cm×7cm的玻纤洞洞板裁成3块的2.5cm×7cm大小的形状，玻纤板有一种半透明感，能把内部的光更好地透射出来，显示的效果更加美观。当然，如果材料有限也可以用其他的洞洞板，只不过效果没那么酷罢了。

02 然后在其中的一块洞洞板背面分别焊接上贴片LED和470Ω的贴片电阻，此作品要求越小越好，因此元器件都选用了贴片封装以减小体积，LED从左往右的排列为红、绿、蓝、红、绿、蓝(对应单片机的P3.0～P3.5引脚)。为了显示出七彩的效果，一定要按照红、绿、蓝的排列顺序，这三原色能组合出多种不同的颜色。注意要在中间间隔两个焊盘的位置，因为这块板子是放在左边的位置，也就是单片机P3组引脚的一边，为了更好地方便后面的对应焊接，中间跳过晶体振荡器引脚部分而焊接，焊接完成后如图所示。

03 在另一块板子，如图所示，连续焊接上贴片LED和470Ω的贴片电阻，此处6个LED灯对应P1.2～P1.7引脚，LED灯按照电路图所示的蓝、绿、红、蓝、绿、红的顺序排列。注意上面两块板子要对应好单片机的引脚位置。

04 分别剪出10针和7针的排针，并且用钳子把其弯曲成120°，如图所示，然后分别焊接在上面两块板子上，10针的对应电路图的左边，7针的对应电路图的右边。注意，要对应好LED灯位置，多出来的排针用于电源之间的连接。

05 在剩下的一块板子上焊接20脚的IC插座，然后把黄、绿两个高亮草帽LED灯的顶部弯曲成90°，如图所示，分别摆放在两端位置，黄、绿两个LED灯的顺序根据个人喜好摆放。

06 在背面焊接上光敏电阻的10kΩ贴片上拉电阻和两个高亮LED的1kΩ限流电阻，焊接完成后如图所示。

07 把左边部分的板子引出的排针对应好单片机的左边引脚位置，一一对应，注意板子背面朝外，大约弯曲成60°，然后用焊锡焊接固定好。

08 再把另一边的板子也按照上一步骤焊接上，也要注意排针对应好单片机的引脚位置，并且把光敏电阻从左边板子穿插进电路板内部，把光敏电阻的两端分别连接在单片机P1.0口和电源负极，这部分完成后如图所示。于是，一个由洞洞板组成的小型“金字塔”就制作完成了。

09 用一条大约1m长的两排排线把电源正、负极引出来，如图所示。你也可以多加两条排线把单片机的两个数据口引出来，方便程序的更新，由于我之前已经调试好了程序，因此在这里没有把数据线引出来。

10 接上电源，用手电筒在较暗的地方不断靠近光敏电阻，看看LED灯的花式显示结果是否如自己编写的程序一致，如图所示。

11 调试好程序后，就可以把它放进一个空玻璃瓶子里了，在底面板子的两端边上粘贴上双面胶，然后用镊子轻轻放进瓶子内部，在适合的位置上粘上去固定好，作品就可以宣布完成了，如图所示。电子爱好者也要加强环保意识，尽量利用废弃的物品来完成我们的电子制作，减少垃圾量，做到以废变新，这是一个不错的主意吧!而且LED灯发出的光在玻璃瓶的内壁折射又反射，显示出来的效果会比想象中要好多了!

12 插上电源，把“魔法瓶”放进较暗的地方，立即会显示出更加灿烂的炫彩闪耀效果，你一定会喜欢的。

程序部分说明

本作品最主要的部分是利用STC单片机内部的A/D转换功能，读取光敏电阻的阻值变化，进而控制LED灯的流动花式。STC12C2052AD内部置有8位AD转换功能，读取到的数为0～255的数值，然后把读到的数值分为几个范围区间，每个区间分别显示不同的LED流动花式。这里要注意的是，编写不同范围程序时，不能直接写成如“if(4040)&&(m<=60))”。

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