基于單片機(jī)的暖手寶的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馮志彬，雷艷敏

(1.空軍航空大學(xué) 基礎(chǔ)部， 長(zhǎng)春130021; 2.長(zhǎng)春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 長(zhǎng)春130022)

基于單片機(jī)的暖手寶的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

馮志彬1，雷艷敏2

(1.空軍航空大學(xué) 基礎(chǔ)部， 長(zhǎng)春130021; 2.長(zhǎng)春大學(xué) 電子信息工程學(xué)院， 長(zhǎng)春130022)

采用STC89C52單片機(jī)作為主控制器，設(shè)計(jì)了一種多功能暖手寶控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、溫度檢測(cè)模塊、溫度顯示模塊、聲光報(bào)警模塊、繼電器加熱模塊、按鍵模塊等，能夠?qū)崿F(xiàn)暖手寶的加熱功能、溫度設(shè)置功能、防空燒功能等。通過(guò)硬件電路板的焊接與軟件編程調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了該系統(tǒng)的功能，提高了暖手寶的智能性、安全性和節(jié)能環(huán)保性。

暖手寶;單片機(jī);模塊化

0 引言

目前，電暖手寶主要有電熱餅和電熱水袋兩大類。從電熱水袋的發(fā)熱原理看，有電極式和電熱元件式兩大類。電極式暖手寶加熱效果好，價(jià)格便宜，但是存在著安全隱患；電熱元件式暖手寶，價(jià)格較貴，加熱效果也沒(méi)有電極式的好，但是卻安全可靠。

隨著人類社會(huì)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，各個(gè)行業(yè)都將自己的產(chǎn)品向智能化、數(shù)字化發(fā)展[1]。老式的電暖手寶由于不能徹底切斷電路，加熱時(shí)人不能遠(yuǎn)離，漏電風(fēng)險(xiǎn)大,并且加熱后溫度會(huì)比較高，容易造成燙傷，存在著一定的危險(xiǎn)性。每年使用暖手寶造成的爆炸事故也屢有所聞[2]，使消費(fèi)者對(duì)暖手寶懷有一定的懼怕感，所以普通暖手寶漸漸淡出市場(chǎng)。如何讓暖手寶更安全、更節(jié)能、更智能、功能又多是我們應(yīng)該思考的問(wèn)題，因此研究多功能暖手寶具有重要的意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

為了提高暖手寶的智能性、安全性和環(huán)保性，首先要對(duì)控制核心進(jìn)行選擇。一般有兩種控制核心可供選擇，一種是CPLD，另一種是單片機(jī)。CPLD作為主控制器的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)?fù)雜化的數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，而且具有體積小、資源豐富，還能進(jìn)行功能擴(kuò)展。此外，CPLD的輸入和輸出都采用了并行的方式，這樣的方式能夠極大的提升系統(tǒng)的運(yùn)行和處理速度，所以，此控制器主要運(yùn)用于需要控制規(guī)模比較大的控制系統(tǒng)中，特別是它的價(jià)格比較貴，因此限制了CPLD在小控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。

由于本設(shè)計(jì)中的運(yùn)算比較簡(jiǎn)單，對(duì)數(shù)據(jù)處理的速度要求也不高，所以本文選擇單片機(jī)作為主控制器。單片機(jī)的種類也很多，其中STC89C52是一種帶8k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓、高性能的單片機(jī)，它具有單片機(jī)的各種操作指令和強(qiáng)大的控制功能，能夠達(dá)到本設(shè)計(jì)所需要的各種功能，而且STC89C52單片機(jī)價(jià)格十分便宜，因此選擇STC89C52型單片機(jī)為控制核心。

該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想[3-4]，主要包括單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、溫度檢測(cè)模塊、溫度顯示模塊、聲光報(bào)警模塊、繼電器加熱模塊和按鍵模塊等,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 單元電路的設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)的最小系統(tǒng)主要包括復(fù)位電路和晶振電路兩個(gè)部分，分別如圖2和圖3所示。復(fù)位電路分為手動(dòng)復(fù)位和上電復(fù)位兩種方式：手動(dòng)復(fù)位電路是由圖2中的電源VCC、電阻R4、按鍵S1、電阻R5和地構(gòu)成的，當(dāng)按下S1時(shí)，單片機(jī)的復(fù)位端RST為高電平，使單片機(jī)實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能；自動(dòng)復(fù)位電路是由電源VCC、極性電容C7、電阻R5和地構(gòu)成的，在單片機(jī)剛一供電的時(shí)候，使RST為高電平，這主要是利用電容兩端電壓不能突變的特性來(lái)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的復(fù)位功能。晶振電路是為單片機(jī)提供時(shí)鐘的，單片機(jī)工作的最小時(shí)間計(jì)量單位就是由這個(gè)晶振決定的，常用的晶振是6MHZ和12MHZ，本次設(shè)計(jì)中選擇12MHZ的晶振。圖3中的XTAL1和XTAL2為單片機(jī)的時(shí)鐘晶振引腳，而C8和C14為晶振的負(fù)載電容，OS1為晶振，工作在并聯(lián)諧振狀態(tài)。

圖2 單片機(jī)的復(fù)位電路

圖3 單片機(jī)晶振電路

2.2 溫度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

圖4 溫度檢測(cè)電路圖

為了進(jìn)行溫度的測(cè)量，首先要選擇溫度傳感器。根據(jù)溫度傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行分類，可以分為兩大類：一類是模擬信號(hào)；另一類是數(shù)字信號(hào)。模擬信號(hào)輸出的溫度傳感器主要有熱敏電阻傳感器、熱電阻傳感器和熱電偶傳感器，其中較為常用的為熱電偶傳感器。這類溫度傳感器在應(yīng)用的時(shí)候，首先要將溫度傳感器獲得的模擬信號(hào)進(jìn)行放大，然后再進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后送入單片機(jī)進(jìn)行處理。數(shù)字信號(hào)輸出的溫度傳感器常用的有DS18B20溫度傳感器來(lái)檢測(cè)溫度[5]，該器件具有體積小、功耗低、性能高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其輸出為數(shù)字量，可以直接送入單片機(jī)，不需要放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，可以節(jié)約成本。所以本文綜合考慮，選擇數(shù)字量輸出的DS18B20作為溫度傳感器，溫度檢測(cè)電路如圖4所示，P24為單片機(jī)的IO口，單片機(jī)通過(guò)這個(gè)引腳檢測(cè)溫度。

2.3 溫度顯示電路的設(shè)計(jì)

常用的顯示方式主要有兩種：LED數(shù)碼管顯示和LCD液晶顯示屏兩種。前者簡(jiǎn)單，而且價(jià)格低廉，但是后者的顯示信息量大。本系統(tǒng)中只需要顯示溫度值，所以綜合考慮，本系統(tǒng)采用LED數(shù)碼管顯示方式。采用四位數(shù)碼管來(lái)顯示溫度，所以需要對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行段選信號(hào)和位選信號(hào)的控制。位選信號(hào)是為了控制具體哪位數(shù)碼管點(diǎn)亮，段選信號(hào)是為了顯示具體的數(shù)字。本文中采用動(dòng)態(tài)掃描的方式。

數(shù)碼管的溫度顯示電路如圖5所示，單片機(jī)的P33-P36為位選控制信號(hào)，P10-P17為段選控制信號(hào)。數(shù)碼管分為共陽(yáng)極和共陰極數(shù)碼管，本文中采用共陽(yáng)極的數(shù)碼管，所以當(dāng)P10-P17為低電平信號(hào)時(shí)，該段數(shù)碼管被點(diǎn)亮。采用PNP型三極管8550對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行位驅(qū)動(dòng)，當(dāng)P33-P36為低電平時(shí)，Q1-Q4將分別導(dǎo)通，相連接的數(shù)碼管位被選通。

圖5 數(shù)碼管的溫度顯示電路圖

2.4 繼電器加熱電路的設(shè)計(jì)

當(dāng)暖手寶的溫度低于設(shè)定值時(shí)，要對(duì)暖手寶進(jìn)行加熱，這是暖手寶的基本功能。本文中采用繼電器[6]控制加熱的方式，加熱電路圖如圖6所示。當(dāng)DS18B20檢測(cè)到溫度低于所設(shè)置的最低溫度時(shí)，單片機(jī)引腳P37為低電平，PNP三極管Q5導(dǎo)通，繼電器線圈得電，吸合K1使加熱電路閉合，暖手寶開始加熱。當(dāng)DS18B20檢測(cè)到溫度高于所設(shè)置的最高溫度時(shí)，單片機(jī)引腳P37為高電平，三極管Q5截止，繼電器線圈失電，加熱電路斷開，暖手寶停止加熱。圖6中的D1為發(fā)光二極管，單片機(jī)引腳P37為低電平時(shí)，三極管Q5導(dǎo)通，D1發(fā)光，起到加熱指示燈的作用。在本圖中，考慮到繼電器線圈斷電時(shí)，所產(chǎn)生的反向電動(dòng)勢(shì)較小，所以在該圖中沒(méi)有加起保護(hù)元器件作用的反向續(xù)流二極管。

圖6 繼電器加熱電路

圖7 聲光報(bào)警電路

2.5 聲光報(bào)警電路的設(shè)計(jì)

當(dāng)暖手寶的溫度達(dá)到上限值時(shí)，需要發(fā)出警示，所以設(shè)計(jì)中增加了聲光報(bào)警功能，電路如圖7所示。當(dāng)溫度達(dá)到上限值，單片機(jī)P13輸出低電平，PNP型的三極管V1導(dǎo)通，蜂鳴器報(bào)警；同時(shí)由VCC、R13、D8和P13構(gòu)成的發(fā)光回路導(dǎo)通，使發(fā)光二極管D8發(fā)光，發(fā)出視覺(jué)上的警示。

2.6 按鍵電路的設(shè)計(jì)

圖8 按鍵電路的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)多功能暖手寶的溫度設(shè)置、溫度重置和防空燒的功能，設(shè)計(jì)的獨(dú)立式鍵盤按鍵電路如圖8所示，其中K1為溫度重置按鍵，默認(rèn)溫度值為30℃，K2為加鍵，K3為減鍵，K4為防空燒按鍵。有按鍵按下的時(shí)候，P00—P04為低電平，否則為高電平。加鍵K2和減鍵K3，每按下一次，增加或減少的溫度為1℃。

本設(shè)計(jì)中的一個(gè)非常重要的功能就是防空燒功能。設(shè)置防空燒按鍵的目的是防止暖手寶在加熱時(shí)因?yàn)闊o(wú)人看管或被遺忘而沒(méi)有給暖手寶取下電源的情況下，暖手寶會(huì)因?yàn)檠h(huán)加熱，造成電能的浪費(fèi)，同時(shí)也會(huì)存在安全隱患。所以，本設(shè)計(jì)中一旦暖手寶達(dá)到設(shè)定的溫度值時(shí)，暖手寶就會(huì)停止加熱，直到按鍵K4被按下為止，否則暖手寶就會(huì)一直不被加熱。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件是整個(gè)系統(tǒng)的靈魂，它是算法和功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。為了實(shí)現(xiàn)硬件電路的功能，進(jìn)行了軟件設(shè)計(jì)，系統(tǒng)流程圖主要包括主程序、溫度采集子程序、溫度加熱子程序、按鍵子程序等，本文由于篇幅限制，只給出了主程序流程圖，如圖9所示。

圖9 主程序流程圖

圖10 實(shí)物圖

4 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證上面所設(shè)計(jì)的多功能暖手器的可行性和有效性，對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了硬件電路板的焊接，焊接的電路板實(shí)物圖，如圖10所示。51單片機(jī)對(duì)軟件進(jìn)行編程是需要一款編程軟件的，Keil C51就是兼容51系列單片機(jī)的一款C語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng)，和匯編語(yǔ)言類似，但是卻有著自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，而且更加容易學(xué)習(xí)和運(yùn)用[7]。Keil C51軟件自帶庫(kù)函數(shù)和集成開發(fā)調(diào)試工具，使用起來(lái)非常方便快捷。

通過(guò)焊接電路板和采用Keil C51軟件開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行編程調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)中的各個(gè)功能，圖中顯示的溫度為25.3℃。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了基于STC89C52單片機(jī)的暖手寶控制系統(tǒng)，分別進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了實(shí)際電路板的焊接和軟件編程調(diào)試。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本文所設(shè)計(jì)的多功能暖手寶，可以實(shí)現(xiàn)加熱功能、溫度設(shè)置功能、防空燒功能等，能夠很好的提高暖手寶的實(shí)用性、安全性和節(jié)能環(huán)保性能。下一步將對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)一步研究，可以賦予暖手寶更多的功能，比如充電寶功能等。

[1] Emma.暖手充電寶[J].設(shè)計(jì)，2016(4)：25.

[2] 警惕潛伏在你身邊的八大爆炸源[J].中國(guó)消防，2015(22)：46-48.

[3] 趙麗，張春林.基于單片機(jī)的智能澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].長(zhǎng)春大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，22(6)：650-651.

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[6] 廉忠平. 探析繼電器在電氣工程及其自動(dòng)化低壓電器中的應(yīng)用[J].黑龍江科技信息，2014(4)：89.

[7] 金炯泰. 如何使用KEIL 8051 C編譯器[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社, 2002.

責(zé)任編輯：程艷艷

Design and Implementation of a Hand-warming Device Based on Single Chip Microcomputer

FENG Zhibin1， LEI Yanmin2

(1.Foundational Department， Aviation University of Air Force， Changchun 130021， China；2. College of Electronic Information Engineering, Changchun University, Changchun 130022， China)

Taking STC89C52 single chip microcomputer(MCU) as the main controller, this paper designs a multi-function control system for hand-warming device. The system uses the modular design idea, including MCU minimum system module, temperature detection module, temperature display module, sound and light alarm module, relay heating module and keys module, etc., which can achieve the functions of heating, temperature setting and prevetion from overcharging. Through the welding of hardware circuit board and software programming, it realizes the functions of the system and improves the characteristics of intelligence, safety and energy saving.

hand- warming device; MCU; modularization

2016-10-16

馮志彬(1978-)，男，吉林遼源人，講師，碩士，主要從事電工電子及自動(dòng)化控制方面研究；雷艷敏(1976-)，女(滿族)，黑龍江五常人，副教授，博士，主要從事機(jī)器人智能控制及自動(dòng)化控制方面研究。

TP273

A

1009-3907(2016)12-0025-04