基于STC12C5A60S2的水浴鍋智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張秋艷，高平安，翟 森

（1.榆林學(xué)院 能源工程學(xué)院，榆林719000；2.榆林市氣象局，榆林719000）

水浴鍋是一種使用非常廣泛的實(shí)驗(yàn)工具，常應(yīng)用于醫(yī)療單位，質(zhì)檢部門，以及大學(xué)院校等一些需要進(jìn)行水浴的實(shí)驗(yàn)中[1]。在使用水浴鍋的過程中實(shí)驗(yàn)人員必須保證水浴鍋中的水位淹沒過加熱絲，如果水位低于加熱絲時(shí)，加熱絲若仍然處于工作狀態(tài)，則很有可能導(dǎo)致加熱絲斷裂，從而容易造成一些實(shí)驗(yàn)事故，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)人員受傷。傳統(tǒng)的水浴鍋實(shí)驗(yàn)操作中，實(shí)驗(yàn)人員一邊實(shí)驗(yàn)，一邊關(guān)注水位情況，不僅耗精力，也容易造成偶然的干燒現(xiàn)象[2]。而與人工手動(dòng)補(bǔ)水相比，智能補(bǔ)水控制器在避免干燒，節(jié)省精力等方面都具有很大的優(yōu)勢(shì)。故本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的水浴鍋智能控制系統(tǒng)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)主要包含水位檢測(cè)模塊、水溫檢測(cè)模塊和水質(zhì)檢測(cè)模塊等主要參數(shù)的采集，經(jīng)主控制器STC12C5A60S2 對(duì)水位、水溫及水質(zhì)參數(shù)的分析與處理，自動(dòng)控制兩相電機(jī)的啟停，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)水功能，并實(shí)時(shí)顯示，同時(shí)通過藍(lán)牙傳輸技術(shù)，將信息上傳到手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)水浴鍋參數(shù)信息的便攜式監(jiān)測(cè)。為了通用性，設(shè)計(jì)了按鍵模塊，進(jìn)行水位參數(shù)限定值的修改，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System structure diagram

主控制器。為了降低系統(tǒng)功耗，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)成本問題，本設(shè)計(jì)以宏景科技生產(chǎn)的新一代的8051單片機(jī)STC12C5A60S2 為主控制器[3]，它比傳統(tǒng)的8051 單片機(jī)速度快8～12 倍，且指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，同時(shí)內(nèi)部集成了MAX810 專用復(fù)位電路[4]，避免外接復(fù)位電路，從而可進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗問題。

檢測(cè)模塊。水位檢測(cè)模塊是Water Sensor，該模塊是一款簡(jiǎn)單易用、性價(jià)比較高的水位、水滴識(shí)別檢測(cè)傳感器，此傳感器的工作原理是通過具有一系列的暴露的平行導(dǎo)線線跡測(cè)量其水滴水量的大小[5]；水溫檢測(cè)模塊采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，測(cè)量范圍從-55～+125 ℃，增量值為0.5 ℃，可在1 s 內(nèi)把溫度變換成數(shù)字[6]，故不僅操作簡(jiǎn)便，而且精度高，抗干擾效果好。

藍(lán)牙模塊。采用BT-06 藍(lán)牙模塊。該模塊主要用于短距離的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸，能夠和手機(jī)的藍(lán)牙設(shè)備相連直接替代串口線，使用非常方便[7]。

2 主要硬件電路設(shè)計(jì)

主要硬件電路包括檢測(cè)模塊、顯示模塊、電機(jī)控制模塊、聲光報(bào)警模塊等，其硬件電路如圖2所示。

2.1 檢測(cè)模塊

檢測(cè)模塊主要是水位檢測(cè)、水溫檢測(cè)和水質(zhì)檢測(cè)電路，如圖2 中的檢測(cè)模塊。①水位檢測(cè)電路。高水位檢測(cè)與低水位檢測(cè)的引腳2 為電源端口，引腳3 為接地端口。低水位檢測(cè)模塊的引腳1 為SW1，連接于單片機(jī)的P1.2，當(dāng)?shù)退粋鞲衅鳈z測(cè)到水時(shí)，P1.2 輸入高電平，此時(shí)LCD1602 顯示屏顯示LSW，高水位檢測(cè)模塊的引腳1 為SW2，連接于單片機(jī)的P1.3。當(dāng)高水位傳感器檢測(cè)到水時(shí)，P1.3 輸入高電平，此時(shí)LCD1602 顯示屏顯示HSW，蜂鳴器電平與LED 燈電平置低，并進(jìn)行聲光報(bào)警，電機(jī)電平置高，電機(jī)停止運(yùn)行。②水溫檢測(cè)電路。引腳1 為接地端口，引腳2 為輸入輸出I/O 端口，連接于單片機(jī)的P2.0端口，實(shí)現(xiàn)水溫監(jiān)測(cè)模塊與單片機(jī)的信號(hào)傳遞功能，引腳3 為電源端口，為水溫檢測(cè)模塊提供工作所用的電源，使其能夠正常運(yùn)行。③水質(zhì)檢測(cè)電路。與E-201-C pH 復(fù)合電極傳感器通過BNC 接口進(jìn)行連接使用，引腳1 為電源端口，引腳4 為接地端口，引腳3 懸空，引腳2 與單片機(jī)P1.0 相連，作為AD 口將信號(hào)傳輸?shù)街骺刂破鳌?/p>

2.2 電機(jī)控制模塊

本設(shè)計(jì)采用實(shí)驗(yàn)用兩相電機(jī)為測(cè)試對(duì)象，由主控制對(duì)HK4100F 繼電器發(fā)送控制指令，完成電機(jī)的遠(yuǎn)程自動(dòng)啟停功能。如圖2 中的抽水電機(jī)控制模塊，其中J9為另一個(gè)外接電源接口DC3.5，給電機(jī)運(yùn)行供電，J7為電機(jī)接口。當(dāng)主控制器的P3.3 端口置0時(shí)，三極管Q2飽和導(dǎo)通，電機(jī)開始運(yùn)行。當(dāng)主控制器的P3.3 端口置1 時(shí)三極管截止，導(dǎo)致繼電器線圈兩端電位差消失，電機(jī)停止運(yùn)行。由于在三極管截止的瞬間會(huì)在繼電器線圈兩端產(chǎn)生較高電壓的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，容易擊穿三極管，為了避免三極管被擊穿，則需要在繼電器旁接入一個(gè)二極管D1。線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)則可以通過二極管D1釋放從而避免三極管被擊穿以及對(duì)其他電路的干擾。

2.3 聲光報(bào)警電路

為了保證實(shí)驗(yàn)人員安全以及能夠更方便的使用，本設(shè)計(jì)加入了警示系統(tǒng)。當(dāng)檢測(cè)的水位過高，超出水浴鍋的上限值，聲光報(bào)警系統(tǒng)會(huì)通過LED 燈閃爍和蜂鳴器的報(bào)警提示音來(lái)警示實(shí)驗(yàn)人員，使實(shí)驗(yàn)人員得到提示。如圖2 中的報(bào)警電路模塊，LED 指示燈D2連接于主控制器P3.6 端口，蜂鳴器模塊則通過主控制器P3.7 端口電平的變化來(lái)確定是否報(bào)警，當(dāng)高水位傳感器檢測(cè)到水后，P3.6 輸出低電平，LED 指示燈亮，P3.7 輸出低電平，蜂鳴器開始報(bào)警。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)對(duì)水位傳感器、溫度傳感器、水質(zhì)檢測(cè)傳感器及按鍵設(shè)置等輸入模塊采集到的參數(shù)信號(hào)進(jìn)行分析與處理后，發(fā)送相應(yīng)控制指令，控制執(zhí)行元件，實(shí)現(xiàn)水浴鍋的智能控制系統(tǒng)。圖3 為控制系統(tǒng)主流程圖。

圖3 系統(tǒng)主流程Fig.3 Main flow chart of the system

水位模式選擇模塊根據(jù)實(shí)驗(yàn)人員的設(shè)置情況，進(jìn)行相應(yīng)的手動(dòng)水位控制模式和自動(dòng)水位控制模式。如進(jìn)入手動(dòng)模式，則實(shí)驗(yàn)人員可人為手動(dòng)控制電機(jī)進(jìn)行注水操作；若進(jìn)入自動(dòng)模式，則系統(tǒng)檢測(cè)模塊會(huì)對(duì)水溫/水質(zhì)/水位參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，首先進(jìn)行水位下限的檢測(cè)，當(dāng)?shù)退粋鞲衅魑礄z測(cè)到水位信號(hào)，則說(shuō)明水浴鍋中水量過少，當(dāng)檢測(cè)到水溫達(dá)到工作溫度，說(shuō)明有即將干燒的可能，發(fā)送控制指令，電機(jī)開始注水；若檢測(cè)到水溫處于常溫狀態(tài)，說(shuō)明水浴鍋沒有工作，則暫不需要注水；當(dāng)?shù)退粋鞲衅鳈z測(cè)到水位信號(hào)，則進(jìn)一步分析高水位傳感器的水位檢測(cè)情況，當(dāng)高水位傳感器檢測(cè)到水位值，說(shuō)明水浴鍋中的水超出上限值，有溢出的危險(xiǎn)，主控制器發(fā)送控制指令，停止注水。系統(tǒng)將檢測(cè)到的水位、水溫、水質(zhì)pH 等參數(shù)由LCD1602 進(jìn)行實(shí)時(shí)在線顯示，便于實(shí)驗(yàn)人員掌握水浴鍋中的試驗(yàn)情況?？紤]到手機(jī)的便攜性，通過藍(lán)牙技術(shù)，與手機(jī)APP連接，方便實(shí)驗(yàn)人員的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到水浴鍋中的參數(shù)超出預(yù)設(shè)值時(shí)，觸發(fā)聲光報(bào)警模塊，對(duì)實(shí)驗(yàn)人員作出提示。

4 系統(tǒng)仿真測(cè)試

根據(jù)上述硬件電路和軟件程序的設(shè)計(jì)，搭建實(shí)驗(yàn)硬件測(cè)試平臺(tái)，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件測(cè)試平臺(tái)Fig.4 System hardware test platform

第一，接通電源，打開手機(jī)藍(lán)牙串口助手，選擇JDY-31-SPP 設(shè)備進(jìn)行連接，當(dāng)藍(lán)牙連接成功時(shí)手機(jī)界面顯示檢測(cè)到水位上限HSW、水位下限LSW，pH值和溫度T，系統(tǒng)調(diào)試正常。

第二，接通電源，系統(tǒng)默認(rèn)為手動(dòng)模式。將低水位傳感器置于水浴鍋5 cm 處，高水位傳感器置于水浴鍋15 cm 處，向水浴鍋中注入3 cm 溶液，低水位傳感器未檢測(cè)到水。在手動(dòng)模式下，當(dāng)按下一次按鍵S2時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)，開始向水浴鍋內(nèi)注水，再次按下按鍵S2，電機(jī)則停止注水。

第三，當(dāng)按下S1按鍵后，自動(dòng)加水系統(tǒng)切換為自動(dòng)模式。往水浴鍋中注入3 cm 溶液，低水位傳感器未檢測(cè)到水，電機(jī)啟動(dòng)，向水浴鍋中注入溶液。

第四，繼續(xù)往水浴鍋中注入5 cm 溶液，水浴鍋中溶液到達(dá)10 cm，低水位傳感器檢測(cè)到水，LCD1602與手機(jī)顯示檢測(cè)到低水位LSW。電機(jī)繼續(xù)向水浴鍋中注入溶液，當(dāng)溶液到達(dá)15 cm，低水位傳感器檢測(cè)到水，高水位傳感器也檢測(cè)到水，LCD1602 與手機(jī)顯示檢測(cè)到低水位LSW，檢測(cè)到高水位HSW。并且關(guān)閉電機(jī)，停止注入溶液然后進(jìn)行聲光報(bào)警提示。

測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果Tab.1 Test results

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)以STC12C5A60S2 控制器為設(shè)計(jì)核心，以電源電路、最小系統(tǒng)、傳感器、聲光報(bào)警電路、藍(lán)牙模塊、顯示電路以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)等構(gòu)成外圍電路。設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的主要硬件電路和主程序，開發(fā)了手機(jī)藍(lán)牙APP 監(jiān)控界面，實(shí)現(xiàn)了水浴鍋在試驗(yàn)過程的智能控制及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的可視化功能。經(jīng)硬件測(cè)試實(shí)踐證明，該控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，故障率低、人機(jī)交互界面友好，監(jiān)測(cè)方便、具有很好的實(shí)用價(jià)值，為實(shí)驗(yàn)室水浴鍋試驗(yàn)的安全運(yùn)行提供保障。