一種奶瓶溫控系統(tǒng)的設計

何穎

（西安思源學院 電子信息工程學院，陜西西安，710038）

0 引言

在孩童年幼的時候，主要的食物來源都是奶粉，奶粉的質(zhì)量以及奶粉沖泡的熱水溫度，對兒童的健康都有著至關重要的影響。為了保證奶粉的溫度適合兒童飲用，本文研究了一種奶瓶溫控系統(tǒng)，使奶粉的溫度始終保持在穩(wěn)定的范圍內(nèi)，這樣兒童能夠在需要飲用的時候就可以直接使用，非常方便，幫助兒童健康成長[1]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構

奶瓶溫控系統(tǒng)框架圖是以微控制器為處理核心，可以采集溫度檢測模塊的實時溫度數(shù)據(jù)，且將實時溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成微控制器可以能夠識別的數(shù)據(jù)。微控制器針對溫度檢測模塊的實時溫度數(shù)據(jù)，可以進行輸入顯示和輸入繼電器控制，也同時可以通過實體按鍵設置溫度的閾值，即奶瓶溫控系統(tǒng)的奶水溫度上限值和下限值，并將設置的溫度上限值和下限值同步更新在顯示屏幕上，屏幕上可觀察到奶水的當前實時溫度以及系統(tǒng)設置的限定溫度，當溫度傳感器檢測的奶水實時溫度值超過了上限值或者是下限值則會觸發(fā)蜂鳴器報警，進而控制繼電器加熱或者是降溫模塊，對奶瓶中奶水進行加熱或者是降溫的處理，在上限值和下限值之間保證奶瓶中奶水能夠自動維持恒定溫度，保證簡單方便快捷。系統(tǒng)框架圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 系統(tǒng)總體設計

奶瓶溫控硬件系統(tǒng)是在主控芯片51 單片機的實時處理基礎上，實現(xiàn)的功能描述如下：通過單片機核心芯片控制DS18B20溫度傳感器模塊檢測奶瓶中奶水的當前實時溫度，根據(jù)設定好的溫度值的閾值來判斷是否需要通過繼電器模塊來控制加熱或降溫。

2.2 主控制器電路設計

單片機最小系統(tǒng)包括單片機芯片、復位電路以及時鐘電路。復位電路是保證單片機在運行的時候出現(xiàn)一些特殊情況，需要將系統(tǒng)復位程序重新執(zhí)行，保證系統(tǒng)不會損壞，重新恢復原樣正常執(zhí)行；時鐘電路是單片機最小系統(tǒng)的靈魂，沒有時鐘，單片機的時序就會出現(xiàn)問題，系統(tǒng)內(nèi)部延時函數(shù)等都會出現(xiàn)誤差[2]，單片機最小系統(tǒng)除了這三個部分電路之外，就是與其他電路的接口部分，首先通過網(wǎng)絡標號的方式，將與其他模塊連接的端口標出，圖中的P0 端口，主要是與LCD 屏幕進行連接，系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)電路圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)單片機最小系統(tǒng)電路圖

2.3 LCD 顯示電路設計

顯示電路圖介紹了LCD1602 的電源接口以及數(shù)據(jù)傳輸接口的連接方式。圖中1 號2 號管腳連接的是VCC 和GND，就是LCD1602 的電源管腳，3 號管腳連接的是一個可調(diào)電阻，可以調(diào)節(jié)LCD 液晶屏屏幕顯示的清晰度[3]。4、5、6 這3 個引腳主要是控制LCD 液晶屏的指令寫入、讀取，數(shù)據(jù)寫入、讀取以及使能引腳?？刂骑@示的相關指令，主要是和單片機的 P2.5，P2.6，P2.7 這3 個引腳連接，接下來的8 個引腳為并行數(shù)據(jù)傳輸引腳，是和單片機的P0 端口連接，數(shù)據(jù)的寫入或讀取，都是通過這8 個引腳進行的，15和16 引腳是屏幕的背光供電引腳，如果這兩個端口接上了VCC 和GND，屏幕可以背光顯示，即屏幕的亮度較大，系統(tǒng)顯示電路圖如圖3 所示。

圖3 系統(tǒng)顯示電路圖

圖4 系統(tǒng)溫度傳感器電路圖

2.4 溫度傳感器電路的設計

溫度傳感器電路中DS18B20 有三個引腳，1 號引腳和3 號引腳分別是傳感器的供電引腳，分別連接VCC 和GND，即電源的正極端和負極端，2 號引腳為傳感器的數(shù)字數(shù)據(jù)輸出端，由于該傳感器是依靠單總線傳輸數(shù)據(jù)的模塊，所以需要連接一個上拉電阻，才能夠保證其數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性[4]，系統(tǒng)溫度傳感器電路圖如圖4 所示。

2.5 蜂鳴器報警模塊設計

系統(tǒng)可以通過左下角三個按鍵來設定溫度的閾值，當奶瓶溫控系統(tǒng)中的溫度傳感器采集奶瓶中奶水的溫度信息與系統(tǒng)設定的上限值和下限值不相符時，即奶水溫度超標時，可觸發(fā)報警系統(tǒng)，蜂鳴器發(fā)出警報，及時提醒家長。蜂鳴器報警模塊設計圖如圖5 所示。

圖5 蜂鳴器報警模塊設計圖

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 編程語言及軟件的選擇

本設計選用KEIL 軟件進行編程，該軟件具有在線編譯下載程序以及debug 調(diào)試功能，對于程序的書寫編譯以及調(diào)試都可以實現(xiàn)，設計選擇C 語言，使用KEIL 軟件實現(xiàn)編程的功能。

3.2 系統(tǒng)總體設計流程圖

奶瓶溫控系統(tǒng)是在主控芯片單片機的實時處理的基礎上，通過核心芯片控制溫度傳感器模塊檢測奶水的當前實時溫度，根據(jù)設定好的溫度值的閾值來判斷是否需要通過繼電器模塊來控制加熱或降溫，系統(tǒng)總體設計流程圖如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)總體設計流程圖

3.2.1 溫度控制流程設計

程序開始時需要采集溫度數(shù)據(jù)，完成后會與系統(tǒng)中設置的溫度值進行對比，系統(tǒng)中已經(jīng)設定好了溫度的上限和下限值，采集到的溫度會和溫度的上限及下限進行比較，如果檢測到低于溫度下限則會觸發(fā)加熱器的工作，將奶瓶的溫度加熱到上限和下限之間，如果在加熱的時候溫度超過了上限，則停止加熱器工作，降溫器開始工作，將溫度降到上限以下下限以上[5]。整個過程循環(huán)往復，始終維持奶瓶的溫度，在上限和下限范圍之間程序結(jié)束，溫度控制系統(tǒng)的設計流程圖如圖7 所示。

圖7 溫度控制系統(tǒng)的設計流程圖

3.2.2 溫控系統(tǒng)工作流程圖設計

開始初始化完成后顯示溫度，包括設定的及測量顯示的溫度值，系統(tǒng)會判斷系統(tǒng)是否有按鍵，按鍵按向會進行相應的按鍵處理，其中按鍵可以對設定的溫度進行加和減，如果沒有按鍵按下，則不進行按鍵調(diào)整，系統(tǒng)初始化后會檢測系統(tǒng)溫度，并且將其顯示在顯示屏上，通過對檢測溫度的大小進行判定，如果溫度值大于設定值，則停止加熱，如果溫度值小于設定值啟動加熱，加熱完成后會循環(huán)檢測溫度，始終保持溫度在設定值的范圍內(nèi)，系統(tǒng)工作流程圖如圖8 所示。

圖8 奶瓶溫控系統(tǒng)工作流程圖

3.2.3 報警流程設計

奶瓶溫控系統(tǒng)報警流程設計中，奶瓶溫控系統(tǒng)可以通過三個按鍵來設定奶瓶中奶水溫度的閾值，當溫度傳感器采集奶瓶中奶水溫度實時信息與奶瓶溫控系統(tǒng)設定初始上限值和下限值不相符時，即當奶瓶中奶水實時溫度超標的時候，可以觸發(fā)報警系統(tǒng)，并且蜂鳴器發(fā)出警報聲音，用以及時的提醒家長。

3.2.4 屏幕顯示流程設計

大人可以從LCD 顯示屏幕中讀取到奶水的當前實時溫度，且能夠顯示溫度數(shù)據(jù)，可以通過按鍵調(diào)節(jié)設定溫度的上限值和下限值，左側(cè)為設定上下限值切換按鍵，中間為設定值上加按鍵，右側(cè)為設定值下減按鍵，顯示屏幕分為上下兩部分，其中上半部分顯示的為奶瓶中奶水的當前實時溫度，下半部分顯示為系統(tǒng)設定上限值，右側(cè)顯示為系統(tǒng)設定下限值。

4 系統(tǒng)的綜合調(diào)試

經(jīng)過奶瓶溫控系統(tǒng)實物的設計和制作，以及對電路的焊接和測試，電路板沒有出現(xiàn)焊接問題，系統(tǒng)通電后也沒有出現(xiàn)發(fā)熱短路的異常情況，能夠穩(wěn)定正常工作，通過燒錄單片機程序之后，系統(tǒng)可實現(xiàn)其預定的相應功能。其中使用溫度傳感器，將設備接入電源時，顯示屏幕亮起，將溫度傳感器探頭插入待測液體中，利用溫度傳感器采集液體溫度，將溫度反饋在顯示屏上，獲取溫度信息，將數(shù)據(jù)輸入到單片機中，系統(tǒng)溫度采集圖如圖9 所示。

圖9 系統(tǒng)溫度采集圖

奶瓶溫控系統(tǒng)繼電器加熱模塊工作如下：溫度傳感器電路實時監(jiān)控采集奶瓶中液體的當前溫度信息。當采集待測液體溫度小于系統(tǒng)設定下限值時，系統(tǒng)開始控制相應的繼電器進行加熱工作，加熱工作指示燈亮起，通過主控模塊、顯示模塊、報警模塊以及傳感器模塊等各個模塊之間互相協(xié)調(diào)，實現(xiàn)系統(tǒng)相對應的加熱功能，將奶瓶中液體加熱至適宜溫度。奶瓶溫控系統(tǒng)繼電器加熱工作圖如圖10 所示。

圖10 繼電器加熱工作圖

5 結(jié)語

設計針對傳統(tǒng)奶瓶無法實現(xiàn)快速降溫和保溫的問題，設計出基于單片機的奶瓶溫控系統(tǒng)。通過溫度傳感器實時檢測奶瓶內(nèi)奶水的溫度并送單片機處理，由顯示模塊顯示溫度，當奶水的溫度不在設定的取值范圍時，相應啟動制冷和加熱模塊以便寶寶能快速飲用到奶水?？稍O定嬰幼兒喝奶時間，防止大人在忙碌的時候忘記給小寶寶喂食奶水。溫控系統(tǒng)具有結(jié)構簡單、設計合理、方便快捷、實用性強、性價比高、造價低廉，普通家庭能夠接受，溫度上下限報警，自動加熱降溫，簡單實用。