一種單片機(jī)控制的溫度可調(diào)溫奶器設(shè)計(jì)

魏甜甜

摘 要：嬰幼兒溫奶器是當(dāng)前新型的實(shí)用小家電，具有廣闊的市場和發(fā)展空間。文章引入單片機(jī)作為嬰幼兒溫奶器的控制模塊，設(shè)計(jì)可設(shè)定溫度范圍的模式，并加入顯示模塊和音樂提醒。操作方便、簡潔，集多種功能于一體，經(jīng)驗(yàn)證可行性和市場推廣性較高。

關(guān)鍵詞：AT89C5131；溫度傳感器；溫奶器

引言

隨著人們的生活節(jié)奏加快，對嬰幼兒的喂養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)和需要也越來越高。當(dāng)前市場上廣泛推廣的是一種集保溫、加熱于一體的自動(dòng)溫奶器。一種是采用機(jī)械式溫控器直接串聯(lián)在加熱電路里，通過雙金屬片作為感溫元件控制加熱溫度；另外一種則利用震蕩電路的延時(shí)，控制電路保持設(shè)定好的溫度，采用電阻率隨著溫度變化而變化的熱敏電阻作為感溫元件對電路實(shí)行溫度控制，保證原溫度的恒定。

這樣的溫奶器方便快捷，操作方便，保證可以隔水加熱的流質(zhì)保持在一定合適的溫度，大大方便了嬰幼兒的喂養(yǎng)工作。然而傳統(tǒng)的嬰幼兒喂養(yǎng)方式已經(jīng)被現(xiàn)在的科學(xué)研究所詬病。正確沖調(diào)配方奶粉的方法是：先在奶瓶中加開水，然后放入適量的奶粉，接著放在冷水下沖奶瓶，迅速使奶粉降溫，待到合適溫度的時(shí)候再喂養(yǎng)嬰幼兒。這樣奶制品中的乳蛋白、核苷酸、脂肪等營養(yǎng)物質(zhì)才不會(huì)被破壞。而由于這樣的沖調(diào)方式溫度很難把握，很多家長甚至?xí)驗(yàn)槊τ谄渌虑槎鴮⒛谭艣觯枰偌訜?。奶制品不可重?fù)加熱，熱處理會(huì)降低乳的穩(wěn)定性，導(dǎo)致這種穩(wěn)定性降低的最重要原因是乳蛋白之間產(chǎn)生了復(fù)雜的相互作用[1]。變性的乳蛋白對嬰幼兒的身體有很大傷害，因此需要一個(gè)聲光提醒的保溫、快速降溫至合適溫度且可設(shè)定溫度和切換加熱模式的設(shè)備。

1 溫度調(diào)節(jié)溫奶器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

文章在傳統(tǒng)溫奶器加熱原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行改良，采用單片機(jī)作為控制器，加入溫度顯示模塊、溫度調(diào)節(jié)模塊、聲光音樂模塊、加熱/快速降溫模塊。這里加熱保溫使用低溫瓷片式加熱片增大受熱面積使其加熱均勻，在保溫底座加裝一個(gè)直流風(fēng)扇，通過加速空氣流動(dòng)起到快速降溫的目的。具體功能框圖如圖1所示。

圖1 溫度調(diào)節(jié)溫奶器功能框圖

這里選用ATMEL公司的AT89C5131作為控制器。AT89C5131是一個(gè)基于52內(nèi)核的單片機(jī)[2]。外部選用DS18B20作為感溫元件的數(shù)字溫度傳感器，該芯片采用單總線的接口方式與微處理器連接，實(shí)現(xiàn)雙向通訊，加裝一個(gè)LCD顯示設(shè)定的溫度和功能模式，其中I/O口P1.5連接溫度傳感器；P2.2連接音樂模塊待溫度到設(shè)定數(shù)值時(shí)播放兒歌；P3.5～3.7連接LED指示燈用于溫度報(bào)警，開機(jī)正常運(yùn)行等；P2.5連接加熱芯片，P2.6連接快速降溫風(fēng)扇；P0.0～0.7連接LCD顯示器。AT89C5131擁有一個(gè)允許與8*N矩陣鍵盤連接的鍵盤接口，其輸入均具有高或低電平可編程中斷能力[3]，P1.1～1.3及P3.3、P3.4連接按鍵。此外，AT89C5131還外接了一些諸如電源，驅(qū)動(dòng)電路等外設(shè)。

2 溫度調(diào)節(jié)溫奶器軟件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

軟件在硬件電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，針對其特點(diǎn)采用功能模塊的形式，主要采用中斷與子程序調(diào)用相結(jié)合的總程序結(jié)構(gòu)編寫下位機(jī)軟件。文章采用C語言開發(fā)，開發(fā)環(huán)境是LEIL軟件公司的KEIL？滋Vision4。軟件總體上呈現(xiàn)出良好的條理，清晰的結(jié)構(gòu)和可擴(kuò)展性等特點(diǎn)。

2.2 功能介紹

文章要實(shí)現(xiàn)的溫度可調(diào)溫奶器要實(shí)現(xiàn)的具體功能如下。

（1）通過按鍵可設(shè)定保溫的溫度范圍，而不是具體的某一溫度，這樣用模糊控制的算法避免了控制器的誤操作和誤報(bào)警；

（2）設(shè)定三種運(yùn)行模式：快速降溫模式、一次保溫模式、基礎(chǔ)保溫模式?？舍槍Σ煌氖称凡捎貌煌瑫r(shí)間，不同的低溫加熱模式。啟動(dòng)快速降溫模式的時(shí)候，底座的降溫風(fēng)扇運(yùn)行，使得食品快速降至設(shè)定溫度范圍，風(fēng)扇停止。一次保溫模式自動(dòng)運(yùn)行，加熱片運(yùn)行保持溫度恒定?？墒謩?dòng)也可自動(dòng)運(yùn)行；

（3）因嬰幼兒食品的特殊性，要盡量保證營養(yǎng)的最少流失。奶制品忌反復(fù)加熱，故程序設(shè)定奶類制品僅加熱一次，加熱時(shí)間控制在5分鐘；

（4）用LCD顯示設(shè)定的溫度范圍及所選的模式代碼，可以使用戶操作更方便；

（5）保溫、加熱時(shí)間到采用指示燈和兒童歌曲的提醒模式，更有童趣。

2.3 程序流程

文章主體的編程思想是利用模塊子程序調(diào)用和中斷系統(tǒng)。系統(tǒng)上電進(jìn)入初始化狀態(tài)，首先調(diào)用顯示子程序開機(jī)自檢，意在顯示保溫底座的溫度、加熱模式和設(shè)定的溫度范圍。如果此時(shí)需要加熱或者保溫的食品已經(jīng)放在保溫底座上面，程序掃描是否到設(shè)定的時(shí)間，時(shí)間到了之后，開始進(jìn)行鍵盤處理和溫控程序。

（1）模式選擇：按下鍵盤設(shè)定運(yùn)行模式，如果是快速降溫模式，系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集溫度，如果不在系統(tǒng)設(shè)定的溫度范圍啟動(dòng)散熱風(fēng)扇。風(fēng)扇的速度用頻率控制，用中斷定時(shí)編制出一定的頻率從IO端口輸出，實(shí)現(xiàn)四個(gè)階段的風(fēng)速，根據(jù)接近設(shè)定溫度的不同自動(dòng)調(diào)整風(fēng)速，以期能更快速精準(zhǔn)進(jìn)入適合的溫度范圍。

（2）溫度設(shè)定：鍵盤如果開始設(shè)定溫度范圍，鍵盤被按下，系統(tǒng)進(jìn)入到實(shí)時(shí)溫度采集階段，CPU計(jì)算處理顯示，同時(shí)將實(shí)時(shí)的溫度數(shù)據(jù)送到之前鍵盤設(shè)定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行比較，如果在此范圍內(nèi)，說明溫度已經(jīng)到合適范圍，則啟動(dòng)音樂聲光程序提醒使用者保溫完畢。

根據(jù)功能要求，根據(jù)鍵盤設(shè)定的加熱模式，程序跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)的子程序：一次加熱模式和重復(fù)加熱保溫模式。

3 產(chǎn)品生產(chǎn)可行性分析

文章介紹的溫度可調(diào)溫奶器還在設(shè)計(jì)試驗(yàn)階段，是否能夠進(jìn)入產(chǎn)品生產(chǎn)階段還需要進(jìn)行一系列的市場調(diào)查和產(chǎn)品測評。目前的試驗(yàn)階段可行性分析如下。

（1）功能性分析：試驗(yàn)階段基本功能均可實(shí)現(xiàn)，溫度誤差控制在 2℃以內(nèi)，加熱和快速降溫時(shí)間在3分鐘到5分鐘之間，根據(jù)所要保溫加熱食品的不同可在設(shè)計(jì)階段通過軟件設(shè)定；

（2）經(jīng)濟(jì)性分析：該設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)簡單，成本低，主控電路體積小，可適用于大規(guī)模生產(chǎn)；

（3）安全性分析：電路供電+5V，采用220V交流電源經(jīng)交流適配器轉(zhuǎn)換為直流低壓供電，機(jī)身無觸電危險(xiǎn)；加熱模塊為低溫加熱，無燙傷隱患，安全性能優(yōu)越。

4 結(jié)束語

該溫度調(diào)節(jié)溫奶器不同于傳統(tǒng)加熱，用單片機(jī)控制更穩(wěn)定高效且操作方便。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，該系統(tǒng)性能完全達(dá)到各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。由于采取了模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和編程，其具有較好的靈活性和擴(kuò)展性。

隨著嬰幼兒喂養(yǎng)要求的普遍提高，亟需簡單、高效、集多種功能一體的小家電，文章所選取的單片機(jī)具有較強(qiáng)的軟硬件開發(fā)能力，今后還可以在現(xiàn)有的溫度可調(diào)、加熱模式可選的基礎(chǔ)上擴(kuò)展出更多的實(shí)用功能。

參考文獻(xiàn)

[1]王鵬杰，張昊，郭慧媛，等.熱處理對乳蛋白相互作用的影響研究進(jìn)展[J].中國乳業(yè)，2012，7.

[2]廖濟(jì)林.USB2.0應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[3]美國ATMEL公司.AT89C5131單片機(jī)[Z].2006.

[4]基于USB的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2009，6：24-34.

[5]劉瑩，董春曦.基于AT89C5131的接口設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，

12：28-30.

[6]龔運(yùn)新.朱芙菁單片機(jī)技術(shù)與應(yīng)用[M].南京：南京大學(xué)出版社，2009：209-260.