基于單片機的智能奶瓶溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

寧德技師學(xué)院　謝理訓(xùn)

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基于單片機的智能奶瓶溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

寧德技師學(xué)院謝理訓(xùn)

針對傳統(tǒng)奶瓶無法實時精確監(jiān)控奶水溫度的問題，設(shè)計了一種基于單片機的智能奶瓶溫度監(jiān)控系統(tǒng)，它由單片機微處理器、溫度檢測模塊、語音播報模塊、顯示模塊、按鍵模塊等組成。通過溫度傳感器DS18B20實時檢測奶瓶內(nèi)奶水的溫度并送單片機處理，由數(shù)碼管顯示和語音播報溫度，當奶水溫度低于設(shè)定閾值時，系統(tǒng)控制加熱棒對奶水加熱并保持在設(shè)定溫度閥值，而奶水的溫度閥值通過按鍵設(shè)置。實驗表明，該系統(tǒng)能夠較好地實現(xiàn)奶瓶內(nèi)奶水溫度的監(jiān)控功能。

奶瓶；單片機；溫度監(jiān)控；語音播報

1　引言

隨著社會的發(fā)展和人們生活水平的提高，家長對嬰幼兒的食品和相關(guān)的用具非常重視，例如：讓嬰幼兒喝進口奶粉，用多功能、環(huán)保和質(zhì)量安全的奶瓶等［1］。嬰幼兒都需要用奶瓶來喝牛奶和清水，而在給小孩喝之前必須確保奶瓶內(nèi)奶水的溫度適中，避免溫度過高燙傷小孩的嘴巴，或者奶水溫度過低使得小孩拉肚子等［2］。但是目前市場上銷售的奶瓶大多都沒有溫度監(jiān)測和輔助加熱功能，有些家長通過人體皮膚測試或者試喝來判斷奶水的溫度，這種方法難以準確掌握奶瓶內(nèi)奶水的溫度。另一方面，可以用溫度計來測量奶瓶內(nèi)的奶水溫度，但這種方法不衛(wèi)生，因為溫度計可能污染奶水，而且溫度計需要放入奶水一定的時間才能測出奶水的溫度。此外，當奶瓶內(nèi)奶水的溫度過低時也不能加熱。

為了解決普通奶瓶的這些問題，本文設(shè)計了一種帶溫度監(jiān)控系統(tǒng)的智能奶瓶，它能夠?qū)崟r監(jiān)測，并由數(shù)碼管顯示和語音播報奶瓶內(nèi)奶水的溫度，此外，當奶水溫度低于設(shè)定閾值時，系統(tǒng)能夠控制加熱棒對奶水進行加熱并保持在設(shè)定溫度值，而奶水的溫度閥值通過按鍵設(shè)置。下文分別從硬件和軟件上詳細闡述該智能奶瓶溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。

2　智能奶瓶溫度監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

根據(jù)奶瓶的實際使用需求，智能奶瓶的溫度監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該具備以下功能：

（1）能夠?qū)崟r檢測和顯示奶瓶內(nèi)奶水的溫度，當溫度到達設(shè)定閥值時語音播報提示；

（2）當奶水溫度低于設(shè)定閥值時，則控制加熱棒對奶水加熱，并使奶水的溫度保持在設(shè)定閥值，同時語音播報提示；

（3）奶水的溫度閾值能夠通過按鍵任意設(shè)置。

因此，該系統(tǒng)應(yīng)該包括微控制器、溫度檢測模塊、顯示模塊、語音播報模塊、加熱控制模塊、按鍵模塊、電源模塊等，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　智能奶瓶溫度監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

考慮到系統(tǒng)的功能要求和成本等因素，微控制器選用STC89C51RC單片機，它能夠滿足該系統(tǒng)的控制要求。

2.1溫度檢測模塊

本文采用溫度傳感器DS18B20來檢測奶瓶內(nèi)奶水的溫度。相比傳統(tǒng)的電阻式溫度傳感器，它體積小、功耗低、精度高、測溫范圍寬（-55℃～+125℃），接口電路簡單，只需一條線就可以實現(xiàn)和單片機的通信。此外，其工作電壓范圍為3V-5.5V，無需備用電源，使用方便。它與單片機IO口的接口電路如圖2所示，DS18B20的數(shù)據(jù)端口DQ和單片機的IO端口P2.2連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。

圖2　DS18B20及其接口電路

2.2語音播報模塊

本文采用語音芯片對奶瓶內(nèi)奶水的溫度狀態(tài)進行語音播報提醒，當奶瓶內(nèi)奶水的溫度高于設(shè)定上限值時，則播報“溫度過高，降溫中，請等待”；而當奶瓶內(nèi)奶水的溫度低于設(shè)定下限值時，則播報“溫度過低，加熱中，請等待”；而當奶瓶內(nèi)奶水的溫度處于設(shè)定閾值范圍時，則播報“溫度正常，可飲用”。

圖3　語音播報電路

語音播報電路如圖3所示，引腳4、5分別接5V直流電源的正極和負極。引腳1經(jīng)過電容濾波后直接接地；引腳2、3直接與喇叭連接，驅(qū)動喇叭發(fā)出不同的提示聲音；引腳6、7、8分別與單片機的數(shù)據(jù)IO口P1.7、P1.6、P1.5連接，實現(xiàn)單片機對語音芯片的控制。

2.3加熱控制模塊

當奶水溫度低于設(shè)定下限值時，系統(tǒng)要控制加熱棒對奶水加熱。因此，在奶瓶底部安裝了一個加熱棒，額定工作電壓為12V，通過繼電器控制加熱棒的工作狀態(tài)。而繼電器和單片機之間通過光耦隔離，并實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，加熱棒的驅(qū)動控制電路如圖4所示。

圖4　加熱棒驅(qū)動控制電路

當奶水溫度過低時，單片機引腳輸出低電平信號，光耦OP521導(dǎo)通，使得三極管T0導(dǎo)通，指示燈LY0亮，從而驅(qū)動繼電器閉合，接通加熱棒電源，對奶水進行加熱。而當加熱到設(shè)定溫度后，單片機輸出高電平，光耦關(guān)斷，三極管T0關(guān)斷，指示燈LY0滅，繼電器因失電而斷開，使得加熱棒斷電，停止加熱。

2.4電源模塊

本系統(tǒng)需要提供兩種電壓：單片機等IC的+5V電壓，加熱棒和繼電器的+12V電壓。其中+12V電壓由獨立的開關(guān)電源模塊提供，而+5V電壓則由+12V電壓通過LM7805等芯片轉(zhuǎn)換而來，12V轉(zhuǎn)5V的電路如圖5所示，其中包括濾波電容C01、C02、C03、C04、

C05，正負極接反保護的二極管D0和抑制雜波的共模扼流圈L01。

圖5　+12V轉(zhuǎn)+5V電路

2.5顯示模塊

由于本系統(tǒng)需要實時顯示溫度等數(shù)據(jù)，且溫度精確到0.1℃，故采用三位7段數(shù)碼管來實現(xiàn)。為了節(jié)省單片機的IO口等硬件資源，數(shù)碼管采用動態(tài)方式驅(qū)動顯示，通過一片74HC595存儲待顯示數(shù)據(jù)位的筆段碼，再通過3個三極管位選要顯示的數(shù)碼管，電路如圖6所示。

圖6　數(shù)碼管驅(qū)動電路

2.6按鍵模塊

由于本系統(tǒng)中需要設(shè)置奶瓶內(nèi)奶水溫度的上、下限等閾值，故需要設(shè)計按鍵電路，如圖7所示。根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的要求，設(shè)計4個按鍵，分別實現(xiàn)設(shè)置參數(shù)模式選擇、數(shù)值加和數(shù)值減、復(fù)位等功能。為了使按鍵值被單片機可靠讀取，按鍵均接有10K的上拉電阻，且均為低電平有效。

圖7　按鍵電路

3　總結(jié)

針對普通奶瓶沒有奶水溫度監(jiān)測、顯示和加熱等功能，本文以STC89C51單片機為核心控制器，采用DS18B20溫度傳感器實時監(jiān)測奶瓶內(nèi)奶水的溫度，并將溫度值顯示在數(shù)碼管上，同時根據(jù)監(jiān)測的溫度值控制加熱棒對奶水加熱并維持在設(shè)定值。該系統(tǒng)能夠較好地監(jiān)測、顯示和語音播報奶瓶內(nèi)奶水的溫度，同時可以對奶水加熱并保持在設(shè)定溫度值。在今后的研究中，可以結(jié)合手機APP和藍牙等技術(shù)，遠程監(jiān)控奶瓶內(nèi)奶水的溫度。

［1］馬瑛.情感感知母嬰用品購物助手研究與設(shè)計［M］.大連:大連海事大學(xué)，2013.

［2］張林文君.新型家庭的廚房優(yōu)化設(shè)計研究［M］.上海:東華大學(xué)，2016.