基于51單片機(jī)的飲水機(jī)水溫控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

張銘源++馬萬國++馬甲甲

摘要：本系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)飲水機(jī)飲用水制冷，主要包括DS18B20溫度采集、按鍵操作、單片機(jī)控制、繼電器驅(qū)動、制冷片、數(shù)碼管數(shù)字顯示等部分。本系統(tǒng)通過信息的交互而實(shí)現(xiàn)溫度設(shè)定、控制和顯示。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體制冷片；單片機(jī)；Ds18B20

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）26-0231-02

Realization of the Water Cooler Water Temperature Control System Based on 51 Single Chip Microcomputer

ZHANG Ming-yuan1，MA Wan-guo2，MA Jia-jia2

（1.Nanjing 29 Middle School， Nanjing 210000， China； 2.Hohai university Wen Tian College， Maanshan 243000， China） Abstract： STC89C52 single-chip microcomputer as the core， Implement water dispenser water cooling ，this system mainly includes the DS18B20 temperature acquisition， button operation， single-chip microcomputer control， relay drivers， refrigeration， such as digital tube digital display part. This system through information interaction of temperature setting， control and display.

Key words： Semiconductor refrigeration piece； MCU； Ds18B20

1 硬件電路設(shè)計(jì)

1.1 控制系統(tǒng)方框圖

本系統(tǒng)中溫度的恒溫控制采用STC89C52單片機(jī)為核心控制器件，實(shí)現(xiàn)對水溫在的自動控制。由精密的數(shù)字溫度傳感器Ds18B20構(gòu)成前置信號采集和調(diào)理電路，由制冷片TEC1_12706和繼電器實(shí)現(xiàn)溫度的控制，由LED數(shù)碼管構(gòu)成4位動態(tài)顯示用于顯示實(shí)時(shí)溫度值。控制系統(tǒng)方框圖如圖1所示。

1.2 控制系統(tǒng)原理圖

Ds18B20作為溫度傳感器測得水溫，傳送給單片機(jī)芯片STC89C52，4位LED數(shù)碼管與單片機(jī)芯片相連，通過手動設(shè)置溫度（上電默認(rèn)18℃），將所測溫度與手動設(shè)置溫度相比較，若所測溫度在手動設(shè)置溫度±1?C范圍內(nèi)，則繼電器不發(fā)生動作，制冷片狀態(tài)不變，繼續(xù)工作。當(dāng)所測溫度≥18℃時(shí)，繼電器動作，制冷片變?yōu)橹评錉顟B(tài)，當(dāng)溫度降到17℃時(shí)，繼電器停止動作，制冷片處于不工作狀態(tài)，當(dāng)溫度升到19℃時(shí)，制冷片繼續(xù)工作?？刂葡到y(tǒng)原理圖如圖2所示。

2 硬件電路元件

2.1 主控單元

本系統(tǒng)主控單元采用我國宏晶公司生產(chǎn)的低功耗、高性能八位微控制器，具有 8K字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器。它使用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，并且做了很多性能的改進(jìn)，提高了傳統(tǒng)C51芯片的功能功能。比如擁有八位CPU 和在線系統(tǒng)可編程芯片，許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)通過STC89C52可獲得靈活和有效的解決方案。STC89C52RC內(nèi)置4 KB的 EEPROM，MAX810復(fù)位電路，內(nèi)部包含 8 k字節(jié)Flash，512字節(jié)的內(nèi)存，32個(gè)I / O端口線，三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，8向量4級中斷結(jié)構(gòu)（5向量2級中斷結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)51兼容）， 看門狗定時(shí)器，全雙工串行端口。STC89C52支持兩種類型的軟件可以選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作允許內(nèi)存，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，串行端口繼 續(xù)工作。掉電保護(hù)時(shí)，RAM的內(nèi)容保存，振蕩 器是被凍結(jié)的，單片機(jī)停止所有工作，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位。

2.2 制冷單元

制冷部分選用的是TEC1_12706半導(dǎo)體制冷片，半導(dǎo)體制冷片通電時(shí)一面制冷，另一面制熱。但是半導(dǎo)體自身存在電阻當(dāng)電流經(jīng)過半導(dǎo)體時(shí)就會產(chǎn)生熱量，而且兩個(gè)極板之間的熱量也會通過空氣和半導(dǎo)體材料自身進(jìn)行逆向熱傳遞，所以半導(dǎo)體制冷片的制熱效率要高于制冷效率，當(dāng)冷熱兩端達(dá)到一定的溫差，這兩種熱傳遞就會達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)。此時(shí)冷熱端的溫度就不會繼續(xù)發(fā)生變化。為了達(dá)到更低的溫度，可以采取散熱的方式，使熱端的溫度降低從而使得冷端達(dá)到更低的溫度，本系統(tǒng)使用風(fēng)冷散熱器給制冷片散熱。

半導(dǎo)體制冷片不需要使用制冷劑，可長時(shí)間工作，不會產(chǎn)生對環(huán)境有害的物質(zhì)，是一種固體片器件，工作時(shí)不會產(chǎn)生噪音，使用壽命長，安裝簡單，通過對輸入電流的精確控制，可實(shí)現(xiàn)高精度的溫度控制，便于組成控溫系統(tǒng)。

2.3 顯示單元

本設(shè)計(jì)的顯示屏選擇的是LED數(shù)碼管，也叫七段數(shù)碼管，它是在一個(gè)長方形的外觀內(nèi)封裝了八個(gè)固定形狀的發(fā)光二極管，并將引線在內(nèi)部連接，組成共陰級或共陽極的器件，在使用時(shí)點(diǎn)亮相應(yīng)的段就可以顯示需要的字符，其可以顯示0-9和A-F的十六個(gè)字符，適用于對顯示內(nèi)容要求不高的場合，系統(tǒng)中只需要顯示煎蛋的溫度，故采用4位數(shù)碼管作為顯示器件。

在使用時(shí)，LED數(shù)碼管段選信號選擇與51單片機(jī)的P0口（即P0.0-P0.7）相連，由于P0口的輸出電路為漏極開路輸出，所以用P0口作為I/O通用輸出口使用時(shí)，需要在八個(gè)引腳接10K左右的上拉電阻。單片機(jī)P2口的P2.0～P2.3作為數(shù)碼管的輸入口與LED數(shù)碼管的位選信號對應(yīng)相連，控制對應(yīng)數(shù)碼管的顯示。

2.4 溫度檢測單元

本系統(tǒng)溫度檢測單元采用的是Ds18B20芯片通過達(dá)拉斯公司的單總線協(xié)議依靠一個(gè)單線端口通訊，當(dāng)全部器件經(jīng)由一個(gè)三態(tài)端口或者漏極開路端口與總線連接時(shí)，控制線需要連接一個(gè)弱上拉電阻。在多只Ds18B20連接時(shí)，每個(gè)Ds18B20都擁有一個(gè)全球唯一的64位序列號，在這個(gè)總線系統(tǒng)中，微處理器依靠每個(gè)器件獨(dú)有的64位片序列號辨認(rèn)總線上的器件和記錄總線上的器件地址，從而允許多只Ds18B20同時(shí)連接在一條單線總線上，因此，可以很輕松地利用一個(gè)微處理器去控制很多分布在不同區(qū)域的Ds18B20。

在由Ds18B20芯片構(gòu)建的溫度檢測系統(tǒng)中，采用達(dá)拉斯公司獨(dú)特的單總線數(shù)據(jù)通訊方式，允許在一條總線上掛載多個(gè)Ds18B20，那么，在對Ds18B20的操作和控制中，由總線控制器發(fā)出的時(shí)隙信號就顯得尤為重要。在系統(tǒng)編程時(shí)，一定要嚴(yán)格參照時(shí)隙圖中的時(shí)間數(shù)據(jù)，做到精確的把握總線電平隨時(shí)間（微秒級）的變化，才能夠順利地控制和操作Ds18B20。另外，需要注意到不同單片機(jī)的機(jī)器周期是不盡相同的，所以，程序中的延時(shí)函數(shù)并不是完全一樣，要根據(jù)單片機(jī)不同的機(jī)器周期有所改動。在平常的Ds18B20程序調(diào)試中，若發(fā)現(xiàn)諸如溫度顯示錯(cuò)誤等故障，基本上都是由于時(shí)隙的誤差較大甚至?xí)r隙錯(cuò)誤導(dǎo)致的，在對Ds18B20編程時(shí)需要格外注意。

2.5 繼電器驅(qū)動單元

ULN2003內(nèi)部是達(dá)林頓管結(jié)構(gòu)，進(jìn)行電流放大。最高電壓50V，最大電流500mA，一般用來驅(qū)動繼電器、步進(jìn)電機(jī)。內(nèi)部是三極管，在輸入低電平時(shí)，輸出就是高電平，相當(dāng)于非門。ULN2003是7個(gè)通道的。單片機(jī)引腳輸出的電流很小，不足以驅(qū)動繼電器，所以采用ULN2003對電流進(jìn)行放大，是大功率高速集成電路。繼電器關(guān)斷瞬間會產(chǎn)生反電勢，ULN2003內(nèi)部集成了二極管，因此可用來驅(qū)動繼電器。ULN2003的9號引腳應(yīng)該接負(fù)載電源，這樣才能形成續(xù)流回路，ULN2003內(nèi)部的二極管才能達(dá)到保護(hù)的作用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖3為本系統(tǒng)的部分軟件程序流程圖。它是按照系統(tǒng)運(yùn)行思路所畫的。首先系統(tǒng)初始化，然后Ds18B20檢測溫度，將溫度傳給單片機(jī)，單片機(jī)再通過程序?qū)囟人腿霐?shù)碼管顯示出來，同時(shí)溫度數(shù)碼管所測的溫度與程序所設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，若所測溫度大于設(shè)定溫度，繼電器發(fā)生動作，制冷片制冷；若所測溫度在低于設(shè)定值，繼電器不發(fā)

生動作，制冷片維持原狀態(tài)。

4 總結(jié)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了飲水機(jī)水溫控制，通過手動設(shè)置溫度（上電默認(rèn)18℃），當(dāng)Ds18B20所測水溫≥18℃時(shí)，繼電器動作，制冷片進(jìn)入制冷狀態(tài)，當(dāng)水溫降到17℃時(shí)，繼電器動作，制冷片停止制冷，且水溫從17℃升到19℃期間，制冷片維持原有狀態(tài)，當(dāng)飲水機(jī)水溫高于19℃時(shí)，制冷片繼續(xù)制冷。

通過本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作，使我對一些芯片有了一定的了解和鞏固，對它們的功能有了一定的熟悉和掌握，提高了程序編寫的能力同時(shí)鍛煉了自己的動手能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 葉湘濱. 傳感器與測試技術(shù)[M]. 國防工業(yè)出版社，2012.

[2] 李朝青. 單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M]. 北京航天航空大學(xué)出版社，2014.

[3] 張毅剛.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M]. 人民郵電出版社，2013.

[4] 譚浩強(qiáng). C語言程序設(shè)計(jì)[M]. 清華大學(xué)出版社，2014.

[5] 邱關(guān)源. 電路[M]. 高等教育出版社，2013.

[6] 邵安，蔡純杰，武濤. 半導(dǎo)體制冷溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)，2009（11）：29-33.

[7] 謝玲，湯廣發(fā).半導(dǎo)體制冷技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].潔凈與空調(diào)技術(shù)CC&AC，2008：68-71.

[8] 李慶武.半導(dǎo)體制冷器件及其在飲水機(jī)中的應(yīng)用[J].廚房器具，1999（6）：13.

[9] 曾麗麗，李瑞盈，朱齊媛.基于51單片機(jī)的自動恒溫控制電路的設(shè)計(jì)[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015（211）：36-37.