行空板初体验&创客奶爸造物记 | 温水调制助手

创客奶爸造物记系列：

01 宝宝喝奶记录器

02 电动摇奶机

03温水调制助手

↑演示视频↑

【创作背景】

图1

在冲泡奶粉时，适度的水温是保证营养成分最大程度保留的关键。通常奶粉罐上会有冲泡指南，其中会有关于水温的建议（如图1）。大多数婴幼儿奶粉品牌建议水温在40℃~50℃范围，那怎么得到合适温度的温水呢？人们一般会使用温奶（水）器保温、自然冷却、热水兑冷水的方式。

图2

有时为了赶时间，我会采用热开水兑冷开水的方式，但是感觉调出的温度高低不定，所以就冒出一个问题：如何能更精准地调制出合适温度的温水（该使用多少热水和冷水混合）呢？我琢磨了一段时间，发现这其实是一个很普通的物理问题，已经有现成的热量公式（见图2）可用，只要借助创客器材和技术实现智能测温和自动计算就可以解决。

当然，有些朋友可能会认为热水兑冷水的方式不可取，那我们暂且抛开泡奶粉这件事吧，来解决如何调制温水的问题好了。

项目制作伊始，主控板采用了Arduino Uno，使用了一块LCD12864显示屏，由于要显示的信息较多，显示效果不太理想。这时正好收到了一块DFRobot新出品的行空板，各方面的性能比Arduino Uno更优越，配备的那块2.8寸的彩屏更是让我欣喜。于是，将原来的硬件配置方案做了调整，改为使用行空板作为主控板，对原来的信息显示方式也做了重新设计。

【认识行空板】

图3

行空板（见图3）是一款专为Python学习和使用设计的新一代国产开源硬件，采用单板计算机架构，集成LCD彩屏、WiFi蓝牙、多种常用传感器和丰富的拓展接口。从硬件配置及参数上看，它是一块性能非常出色的主控板，可供创作功能更加强大的创客作品。更可喜的是，它支持多种编程软件和连接方式，可以供使用者更方便地学习Python语言，还提供了入门级的图形化编程环境，即使是小学生也能快速上手。

对于习惯了使用Mind+软件的朋友，需要注意一下：适用于行空板的Mind+版本暂时还未正式发布，大家可到https://wiki.unihiker.com/去下载测试版。

【功能描述】

图4

本作品配有两个DS18B20防水温度传感器，能够同时检测两路水的温度；面板上有两个旋钮，用来设置需要调制的温水的量（体积）和温度（见图4）。

图5

当热水的温度高于需要调制的温度时，才会启动计算水量程序，得出需要混合的热水量和冷水量（见图5）。上面提到的三个体积值、三个温度值都会实时显示在屏幕上，并辅以条形图进行直观呈现。

【制作过程】

一、材料准备

图6

本项目使用了以下硬件材料（图6）：

1.行空板  1块

2.DS18B20温度传感器（防水）  2个

3.旋钮电位器  2个

4.USB线 1根

5.3P连接线 4根

二、硬件搭建

图7

行空板集成了4个3Pin I/O接口，引脚分别为P21、P22、P23、P24，本项目使用的4个传感器连接的对应引脚如下（实物图见图7）：

旋钮电位器（蓝）——P21

旋钮电位器（黄）——P22

DS18B20温度传感器 ——P23

DS18B20温度传感器 ——P24

三、程序设计

图8

本项目程序采用了Mind+软件编写，软件版本为V1.7.2 RC3.0。为行空板编写程序时，需要切换到“Python模式”，在“扩展”中找到并加载“行空板”库；本项目使用了DS18B20温度传感器，还需要加载“DS18B20温度传感器”库。

利用Mind+对行空板进行编程时，可以使用图形化积木模块编程，也可以使用代码编程。以下为本项目的代码示例，分为六个部分展示。
（一）加载所需库文件

温度调制助手.py by怀若谷
#加载需要的库
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（二）定义函数“numberMap”（映射）#定义函数：映射

def numberMap(x, in_min, in_max, out_min, out_max):
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（三）定义函数“calculation”（计算）

# 自定义函数：计算所需冷热水量
def calculation():
    ok = 0   #是否完成求解，默认值为0（否）
    m_hot = 0  #设热水量初始值为0mL(g),通过枚举法求解
    while not ((ok == 1)):  #重复执行下面的指令，直到找到答案
        m_hot = (m_hot + 1)   #每循环一次，热水量的值递增1mL
        m_cold = (m_total - m_hot)  #冷水量的值等于总水量减去热水量的值
        Q1 = (4.2 * (m_hot * (t_hot - t_end)))     #计算热水的放热量Q1
        Q2 = (4.2 * (m_cold * (t_end - t_cold)))   #计算冷水的吸热量Q2
        if ((abs((Q1 - Q2))) < 200):     #当Q1和Q2的数值很接近时（完全相等很难），说明求解成功
            ok = 1                 #是否完成求解标记，设为1（是）
    M1.config(text=(str(m_hot) + str("mL")))    #更新热水量的数值
    SQU20.config(h=(-0.7 * m_hot))              #更新热水量对应的矩形高度
    M2.config(text=(str(m_cold) + str("mL")))   #更新冷水量的数值
SQU30.config(h=(-0.7 * m_cold))              #更新冷水量对应的矩形高度
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（四）初始化设置

Board().begin()  #主控板初始化
u_gui=GUI()      #实例化GUI
p_p21_analog=Pin(Pin.P21, Pin.ANALOG)   #设置P21为模拟输入引脚，连接旋钮电位器1
p_p22_analog=Pin(Pin.P22, Pin.ANALOG)   #设置P22为模拟输入引脚，连接旋钮电位器2
ds1_hot = DS18B20(Pin((Pin.P23)))  #设置P23为对象为ds1_hot,连接DS18B20，用来检测热水温度
ds1_cold = DS18B20(Pin((Pin.P24))) #设置P24为对象为ds1_cold,连接DS18B20，用来检测冷水温度
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（五）设置用户界面

#设置用户界面
BG=u_gui.draw_image(image="bg.png",x=0,y=0) #设置背景图片
WORD0=u_gui.draw_text(text="温水调制助手",x=54,y=5,font_size=15, color="#000000")
WORD10=u_gui.draw_text(text="调制水量",x=5,y=235,font_size=12, color="#FFFF00")
WORD11=u_gui.draw_text(text="调制温度",x=5,y=275,font_size=12, color="#FFFF00")
BG10=u_gui.fill_rect(x=6,y=255,w=64,h=17,color="#FFFFFF")
M0=u_gui.draw_text(text="0mL",x=8,y=250,font_size=13, color="#000000")
BG11=u_gui.fill_rect(x=6,y=297,w=64,h=17,color="#FFFFFF")
T0=u_gui.draw_text(text="0℃",x=13,y=290,font_size=15, color="#000000")
SQU10=u_gui.fill_rect(x=13,y=230,w=25,h=-10,color="#00FF00")
SQU11=u_gui.fill_rect(x=39,y=230,w=25,h=-10,color="#FF6666")
WORD20=u_gui.draw_text(text="热水水量",x=85,y=235,font_size=12, color="#FFFF00")
WORD21=u_gui.draw_text(text="热水温度",x=85,y=275,font_size=12, color="#FFFF00")
BG20=u_gui.fill_rect(x=86,y=255,w=64,h=17,color="#FFFFFF")
M1=u_gui.draw_text(text="0mL",x=86,y=250,font_size=13, color="#000000")
BG21=u_gui.fill_rect(x=86,y=297,w=64,h=17,color="#FFFFFF")
T1=u_gui.draw_text(text="0℃",x=88,y=290,font_size=15, color="#000000")
SQU20=u_gui.fill_rect(x=93,y=230,w=25,h=-1,color="#00FF00")
SQU21=u_gui.fill_rect(x=119,y=230,w=25,h=-1,color="#FF0000")
WORD30=u_gui.draw_text(text="冷水水量",x=165,y=235,font_size=12, color="#FFFF00")
WORD31=u_gui.draw_text(text="冷水温度",x=165,y=275,font_size=12, color="#FFFF00")
BG30=u_gui.fill_rect(x=166,y=255,w=64,h=17,color="#FFFFFF")
M2=u_gui.draw_text(text="0mL",x=168,y=250,font_size=13, color="#000000")
BG31=u_gui.fill_rect(x=166,y=297,w=64,h=17,color="#FFFFFF")
T2=u_gui.draw_text(text="0℃",x=166,y=290,font_size=15, color="#000000")
SQU30=u_gui.fill_rect(x=173,y=230,w=25,h=-1,color="#00FF00")
SQU31=u_gui.fill_rect(x=199,y=230,w=25,h=-1,color="#FFCCCC")
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以上代码执行后可以呈现如图9所示样式的用户界面，在后面的程序运行中只要对某些对象的参数值进行更新操作即可。

图9

（六）循环执行部分

 #循环执行
while True:       
t_hot = ds1_hot.temp_c()     #读取ds1_hot对应的温度值，赋给变量t_hot
    t_cold = ds1_cold.temp_c()   #读取ds1_cold对应的温度值，赋给变量t_cold
    T1.config(text=(str(t_hot) + str("℃")))   #更新热水温度值
    T2.config(text=(str(t_cold) + str("℃")))  #更新冷水温度值
    SQU21.config(h=(-2 * t_hot))    #更新热水温度对应的矩形高度
    SQU31.config(h=(-2 * t_cold))   #更新冷水温度对应的矩形高度

    #读取P21的模拟值，通过映射及乘10处理，转换为20-200的整十数，该数值为调制水量
    m_total = (10 * (round((numberMap(p_p21_analog.read_analog(), 4095, 0, 2, 20)))))
    #读取P22的模拟值，通过映射及乘2处理，转换为36-60的2倍数，该数值为调制温度
    t_end = (2 * (round((numberMap(p_p22_analog.read_analog(), 4095, 0, 18, 30)))))
    M0.config(text=(str(m_total) + str("mL")))  #更新调制水量的数值
    SQU10.config(h=(-0.7 * m_total))            #更新调制水量对应的矩形高度
    T0.config(text=(str(t_end) + str("℃")))    #更新调制温度的数值
SQU11.config(h=(-2 * t_end))                #更新调制温度对应的矩形高度

    if (t_hot > t_end):         #当热水温度高于调制温度时，调用函数calculation进行求解
        calculation()
    time.sleep(0.3)    #等待0.3秒
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四、结构设计及加工
（一）绘制图纸

图10

使用LaserMaker软件绘制结构和造型图纸（图10）。其中主机部分设计为类似手机外形，面板和底板采用亚克力材料，侧边为多个椴木板边框叠加而成；盛水部分为一个留有两个圆口的长方体盒子，用来放置两个量筒，还设计了一个配套的测温探头固定装置。

（二）切割加工

图11

使用激光切割机分别对椴木板和亚克力板材料进行切割加工（图11），使用的加工工艺有切割、浅雕和描线等。切割好的全部部件如图12、图13所示。

图12

图13

五、成品组装

图14

1.将DS18B20温度传感器主固定在底板上；在底板四角装上双通尼龙柱（图14）

图15

2.将7个侧边部件叠放整齐，钉入4个木楔使之成为一体（图15）

图16

3.使用热熔胶将侧边框与底板粘合起来（图16）

图17

4.在底板上，从下而上插上3根长螺丝，螺母不拧紧，稍留间隙（图17）

图18

5.放上行空板，将底板上的3根螺丝拧进行空板背面的安装螺丝孔（图18）

图19

6.将旋钮电位器安装在面板上（图19）

图20

7.合上面板，将4根螺丝插进螺丝孔，与双通尼龙柱连接紧固（图20）

图21

8.组装盛水部分的盒子（图21）

图22

9.放进两个小量筒（图22）

图23

10.将DS18B20的金属探头固定在8字形板件上（图23）

六、调试优化

图24

在量筒中分别倒入热水和冷水，测试设备是否工作正常（图24）。测试过程中，先看看测温功能是否正常；然后转动旋钮，观察调制水量和调制温度是否能及时随之变化；不断改变调制水量和调制温度，观察能否及时准确地计算出对应的热水量和冷水量；检查用户界面的显示效果。

及时记录下测试过程中发现的问题，进行分析并通过修改程序解决，以实现预定的全部功能。

【总结反思】

图25

经过多次测试后，感觉这个设备运行良好，是一件较完美的创客作品。但是，也存在一些需要改进的地方。

项目中用到的这种DS18B20温度传感器，最高显示温度为85℃，所以对于这个项目来说还是难以胜任的，开水的温度是100℃，即使是热水瓶里的水，很长一段时间内温度都在85℃以上。所以，真正要使用的话，还需要换用其他温度传感器。

使用了集成IO接口的主控板制作创客作品时，不用再加扩展板，外型能够做到更加精致小巧。如果使用3D打印技术结合激光切割来完成这个项目的造型和结构设计，我想会更加理想。当然，那得花费更多的时间。

图26

这是我第一次使用Python代码来制作项目，期间遇到了不少困难，最后通过找资料、看教程、对照图形化指令等途径顺利完成任务，算是一次难得的学习之旅！使用代码编程时，会让我们看到更深入的东西，比如图形化编程环境下的“映射”积木（图），拖拽并填入5个参数就完了；而在纯代码环境下，则需要掌握它的算法，为其编写函数，然后再调用。在Python学习风潮日益盛行的今天，作为一个创客教育者，需要与时俱进！

很完整的作品

不错 学习了

吓得宝宝把奶嘴含得更紧了

不错的想法！很棒！

行空板还能用来干这个！！！
可以可以
我都后悔没买

牛牛牛牛牛

棒棒哒～

酷啊，科技奶爸