基于AT8 9C 5 1單片機(jī)的智能水杯溫度控制設(shè)計(jì)

胡紹強(qiáng) 高磊 潘黎 黃勁草

一、引言

隨著社會(huì)的高速發(fā)展，外出旅行被越來越多的人推崇，隨之而來的旅行問題也受到關(guān)注，例如：旅行過程中沒有熱水、電子設(shè)備的電量不足等問題。而且在人們對(duì)物質(zhì)生活要求越來越高的今天，如何提供更加適合旅行所用的產(chǎn)品就顯得十分重要。同時(shí)，在另一方面，隨著生活水平的提高，人們?cè)絹碓阶⒅乇＝?，養(yǎng)生成為一大熱點(diǎn)話題，而每天補(bǔ)充水分、保持水分以維持人體正常的生理功能是一項(xiàng)最基本的保健養(yǎng)生常識(shí)。然而，在競(jìng)爭(zhēng)激烈的今天，很多人忙于工作，忽視杯中的飲用水溫度的下降而喝下溫度不適宜的水，這無疑對(duì)自己身體是不負(fù)責(zé)任的！

伴隨電子技術(shù)日新月異的發(fā)展，越來越多的科技產(chǎn)品已步入用戶的家庭和辦公場(chǎng)所。隨著人們對(duì)現(xiàn)代家庭和辦公環(huán)境舒適、便利、安全以及多元化信息服務(wù)的廣泛需要，智能化電器在人們?nèi)粘Ｉ钪兴急戎卦絹碓酱蟆Ｔ谀壳暗氖袌?chǎng)中，還沒有一款同時(shí)具備測(cè)溫、保溫、可移動(dòng)等多重功能的水杯。為滿足用戶需求并實(shí)現(xiàn)多功能的智能水杯，本設(shè)計(jì)采用STC89C51單片機(jī)為核心控制電路，成功制作出了測(cè)溫、保溫、可移動(dòng)等具有多重智能特征的溫控水杯，同時(shí)也滿足了用戶對(duì)快節(jié)奏的現(xiàn)代生活需求。

二、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

（一）主要芯片介紹

1.STC89C51

STC89C51芯片是一款低功耗、高性能CMOS八位的單片機(jī)【1，2】，內(nèi)含8K byte的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，它采用高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容了標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及引腳（或管腳）。該芯片集合了Flash程序存儲(chǔ)器【3】，既能在線進(jìn)行編程（ISP）也能采用傳統(tǒng)的方法實(shí)現(xiàn)編程；同時(shí)該芯片中內(nèi)置有通用的8位微處理器，功能十分強(qiáng)大，在諸多自動(dòng)控制領(lǐng)域內(nèi)被廣泛使用。單片機(jī)又稱為單片微計(jì)算機(jī)，它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是將微型計(jì)算機(jī)的基本功能部件（如中央處理器（CPU）、儲(chǔ)存器、輸入接口、輸出接口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器及終端系統(tǒng)等）全部集成在一個(gè)半導(dǎo)體芯片上【4】。

2.單總線數(shù)字溫度傳感器DSI8B20

DS18B20是美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的新一代數(shù)字式溫度傳感器，其內(nèi)部自帶AD轉(zhuǎn)換器，通過內(nèi)部的溫度采集，AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換一系列過程，最后將溫度值以規(guī)定的格式轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，并輸出，用戶可以通過一些簡(jiǎn)單的算法，將數(shù)據(jù)還原為溫度值。這使單片機(jī)接口更加簡(jiǎn)單，可以克服模擬信號(hào)和A/D之間轉(zhuǎn)換，降低外圍電路和軟件設(shè)計(jì)的難度。同時(shí)降低成本，提高了安全性能。

其主要性能指標(biāo)：（1）獨(dú)特的單線接口，只需1個(gè)接口引腳即可通信；（2）測(cè)量范同從一55℃至+125℃，增量值為0.5℃，等效的華氏溫度范圍是一67F至257F，增量值為0.9F?？删幊痰姆直媛蕿?412位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫；（3）用戶可定義的非易失性的溫度告警設(shè)置，可以設(shè)定閥值；（4）以9位數(shù)字值方式讀出溫度。

3.LM7805

LM7805是常用的三端穩(wěn)壓器件，顧名思義05就是輸出電壓為5v，還可以微調(diào)，7805輸出波紋很小。使用方便，用很簡(jiǎn)單的電路即可以輸入一個(gè)直流穩(wěn)壓電源。它的輸出電壓恰好為5v，剛好是51系列單片機(jī)運(yùn)行所需的電壓

（二）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制流程如圖所示。有一個(gè)總開關(guān)控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行和停止。在開始時(shí)即總開關(guān)為閉合狀態(tài)下，系統(tǒng)正常運(yùn)行。

單片機(jī)運(yùn)行過程為：通電，默認(rèn)設(shè)置的保溫溫度為初始值（默認(rèn)20℃，可調(diào)整），系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，用戶手動(dòng)通過按鍵設(shè)置所需保溫溫度，按下確認(rèn)鍵以輸入到單片機(jī)。單片機(jī)識(shí)別設(shè)置的保溫溫度后，將之與所采集到的水溫作比較，若采集溫度大于設(shè)置的保溫溫度，則進(jìn)行加熱；若采集溫度小于等于設(shè)置的保溫溫度，則停止加熱。

在保溫過程進(jìn)行時(shí)，由芯片DS18B20隨時(shí)自動(dòng)采樣當(dāng)前水溫并將采樣的水溫信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)，然后由單片機(jī)接受信號(hào)并將當(dāng)前水溫與保溫溫度相比較。若保溫溫度大于當(dāng)前采樣水溫，則加熱裝置啟動(dòng)，同時(shí)指示燈亮；若保溫溫度小于或等于當(dāng)前采樣水溫，則加熱裝置不啟動(dòng)，同時(shí)指示燈熄滅。若在保溫過程中按下溫度調(diào)整按鍵，則加熱過程立即停止，并等待下一步命令。如果在溫度調(diào)整完成后，按下確認(rèn)鍵則進(jìn)入保溫狀態(tài)。如果按下取消鍵則保溫溫度返回上一次設(shè)定的保溫溫度或返回默認(rèn)的保溫溫度。

（三）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用STC89C51單片機(jī)作為邏輯控制芯片，以12V鋰電池作為總的能量來源。由于單片機(jī)需要5V電源，使用LM7805作為電壓轉(zhuǎn)換芯片，將12V電池電源轉(zhuǎn)換成5V電壓以給單片機(jī)供電。在水溫采樣上采用DS18B20芯片來進(jìn)行整個(gè)保溫過程中的水溫采樣。

單片機(jī)硬件部分由單片機(jī)最小系統(tǒng)配以輸入按鍵、顯示數(shù)碼管構(gòu)成。限于單片機(jī)型號(hào)采用12 MHz晶振和兩個(gè)30uF陶瓷平衡電容組成振蕩電路。為使硬件具有更強(qiáng)的通用性與適應(yīng)性，獨(dú)立式按鍵通過P1口掃描查詢，分別執(zhí)行加大設(shè)定溫度、減小設(shè)定溫度、確定、取消等功能。系統(tǒng)還可通過一個(gè)總開關(guān)對(duì)智能水杯進(jìn)行控制，以提高整個(gè)水杯加熱系統(tǒng)的安全性。

本設(shè)計(jì)在STC89C51型號(hào)的單片機(jī)優(yōu)良特性上進(jìn)行設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)中智能溫控系統(tǒng)部分的核心就是該控制芯片，通過確定方案、編寫適當(dāng)程序，實(shí)現(xiàn)鍵盤輸入、顯示輸出、溫度比較、單片機(jī)控制等功能。

采用12V一路繼電器接受單片機(jī)輸出信號(hào)，并隨之?dāng)嚅_或者接通加熱電路，繼電器采用高電平觸發(fā)方式，接入常開觸點(diǎn)。由于單片機(jī)輸出只能作為信號(hào)使用，不能使繼電器觸發(fā)，所以需設(shè)置一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路以驅(qū)動(dòng)繼電器。

使用三極管設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路，三極管發(fā)射機(jī)串聯(lián)大電阻接地，集電極連接5V電源，將大電阻上的電壓作為驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出給繼電器。以上為總體的設(shè)計(jì)思路及硬件選取。

在實(shí)際使用中，當(dāng)設(shè)置溫度高于當(dāng)前水溫，單片機(jī)比較后將高電平輸出給驅(qū)動(dòng)電路，三極管基極收到來自單片機(jī)高電平信號(hào)，三極管導(dǎo)通，進(jìn)而繼電器收到驅(qū)動(dòng)電路的高電平信號(hào)，繼電器動(dòng)作，使常開觸點(diǎn)閉合，加熱電路導(dǎo)通，加熱片加熱。

若當(dāng)前水溫達(dá)到設(shè)定溫度值，單片機(jī)輸出低電平，驅(qū)動(dòng)電路的三極管立刻截止，繼電器常開觸點(diǎn)復(fù)位，加熱停止。由此可保持水溫恒定為設(shè)定值。

溫度反饋部分由溫度檢測(cè)元件DS18B20檢測(cè)水溫、實(shí)時(shí)采樣并將采樣信號(hào)反饋給單片機(jī)，由單片機(jī)進(jìn)行溫度比較和溫度顯示。

系統(tǒng)工作時(shí)，首先自動(dòng)檢測(cè)當(dāng)前溫度，并顯示在數(shù)碼管上，默認(rèn)設(shè)置溫度為20℃，顯示在另一個(gè)數(shù)碼管上。隨后即可手動(dòng)按動(dòng)溫度控制按鍵，以設(shè)置所需保溫溫度。為確保安全性和可靠性，在按下“確認(rèn)”鍵后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)比較設(shè)置溫度與當(dāng)前溫度，然后比較判斷是否進(jìn)行加熱。并且在用戶按下任意溫度加減鍵后，加熱過程將立即停止。

三、結(jié)論

能量的轉(zhuǎn)換主要是電能和熱能兩者之間的轉(zhuǎn)換，其中能量的損失主要發(fā)生在能量的轉(zhuǎn)換過程中，通過能量轉(zhuǎn)換過程中的損失功率計(jì)算出相應(yīng)的能量轉(zhuǎn)換效率，就可分析出該產(chǎn)品在實(shí)際應(yīng)用過程中能量的轉(zhuǎn)換情況。

在實(shí)際使用中，保溫杯中水的能量損失主要以熱傳導(dǎo)形式流失，目前主流保溫杯也是利用減少熱傳導(dǎo)能量流失來達(dá)到保溫效果。我們的設(shè)計(jì)則更加強(qiáng)勁，利用能耗保溫。在利用保溫材料較少能量損耗的同時(shí)，利用電池供能，將電能轉(zhuǎn)換成熱能，補(bǔ)償不可避免的能量損失。由于在保溫材料的作用下，能量散失已經(jīng)大為減少，故只需提供少量所需電能即可達(dá)到理想保溫效果。這就保證了能耗保溫的可行性和持續(xù)性，從而達(dá)到對(duì)杯中水長(zhǎng)時(shí)間保溫的理想效果。

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（作者單位：四川輕化工大學(xué)）