一種可自動(dòng)調(diào)節(jié)溫度的智能溫控水杯設(shè)計(jì)*

成晉軍，張曉娟

(山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院，山西 太原 030006)

溫度不論對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì)生產(chǎn)還是日常的家居使用來說都是特別重要的控制參數(shù)，那么溫度控制自然就成了研究的熱點(diǎn)問題，溫度控制的精度以及靈活性是其中的重難點(diǎn)。當(dāng)前的溫度控制系統(tǒng)多采用熱電偶、熱敏電阻等一些硬件通過相應(yīng)的信號(hào)處理電路[1]，將溫度信號(hào)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換送到核心的處理器中，完成對(duì)整個(gè)溫度變化的實(shí)時(shí)監(jiān)控。但是這種方案的信號(hào)處理電路實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜并且容易受到外界干擾，穩(wěn)定性不強(qiáng)難以達(dá)到工業(yè)要求。本設(shè)計(jì)采用DS18B20溫度傳感器作為溫度信號(hào)的采集器，以數(shù)字傳感器和單片機(jī)為主體完成對(duì)整個(gè)溫度的監(jiān)控，再配以相應(yīng)的繼電電路完成對(duì)整個(gè)溫度系統(tǒng)的控制。這種方案實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便，精度高，穩(wěn)定性好，可以達(dá)到工業(yè)要求標(biāo)準(zhǔn)。隨著科技走進(jìn)生活，熱水器、電烤箱、微波爐等電器對(duì)智能化要求越來越高，使用單片機(jī)為核心完成對(duì)溫度的檢測(cè)與控制有著性價(jià)比高、穩(wěn)定性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)輔以外圍電路為控制核心，以DS18B20溫度傳感器為溫度感應(yīng)裝置，繼電器和金屬加熱棒構(gòu)成了溫度調(diào)控裝置，電源提供電能，按鍵部分方便用戶隨時(shí)設(shè)定想要達(dá)到的溫度，LED數(shù)碼管提供顯示功能。DS18B20溫度傳感器把感受到的溫度數(shù)字信息傳到以單片機(jī)為核心的微處理器中，同時(shí)單片機(jī)發(fā)出指令到數(shù)碼管控制數(shù)碼管輸出。數(shù)碼管顯示出杯內(nèi)的實(shí)時(shí)水溫。當(dāng)杯內(nèi)的水溫小于用戶設(shè)置的目標(biāo)溫度時(shí)，單片機(jī)就會(huì)發(fā)出指令到繼電器控制電路。繼電器控制電路對(duì)杯內(nèi)水進(jìn)行加熱，一直加熱到目標(biāo)設(shè)置的溫度為止。同理，當(dāng)水溫高于目標(biāo)溫度時(shí)，單片機(jī)發(fā)出指令到繼電控制電路進(jìn)行降溫，一直降溫到目標(biāo)溫度時(shí)停止降溫。如此周而復(fù)始，達(dá)到了智能溫控水杯的溫度的控制。用戶可以通過按鍵對(duì)水杯內(nèi)的水溫進(jìn)行設(shè)置[2]。LED數(shù)碼管上的最小顯示精度達(dá)到0.1度。系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控制電路

本設(shè)計(jì)所用的單片機(jī)電源用三節(jié)1.5 V干電池即可提供。連接方式為單片機(jī)中的VCC管腳接5 V的正電壓[3]，而VS管腳S接電源地端。本設(shè)計(jì)主要有溫度檢測(cè)電路，驅(qū)動(dòng)電路，顯示電路，繼電器加熱以及降溫電路。主控制系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2 主控制系統(tǒng)電路

2.2 顯示模塊電路

智能溫控水杯采用的是四位數(shù)碼管顯示，當(dāng)數(shù)碼管顯示溫度時(shí)，用相應(yīng)的段碼打開顯示溫度信息，溫度變換則相應(yīng)的段碼關(guān)閉，其他段碼打開，不同的段碼之間切換不超過20 ms，按照人類的視覺特點(diǎn)，在觀察者眼中會(huì)呈現(xiàn)所有數(shù)碼管都打開的視覺畫面。顯示電路如圖3所示。

圖3 顯示電路

2.3 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路的作用是在于對(duì)控制電路中的一些信號(hào)實(shí)現(xiàn)放大，即為放大控制電路中的信號(hào)，讓它們能夠驅(qū)動(dòng)功率晶體管的中間電路，保障系統(tǒng)能夠正常工作。

2.4 溫度采集電路

溫度采集指的是感受與測(cè)量熱電偶、熱電阻和溫度變送器輸出的各種信號(hào)，再將這些采集到的溫度數(shù)據(jù)傳送到單片機(jī)來進(jìn)行進(jìn)一步的分析與處理。

2.5 繼電器加熱控制電路

溫度控制電路是以PNP型三極管驅(qū)動(dòng)的，這里以加熱電路為例，闡述一下它的工作原理，當(dāng)單片機(jī)的第二個(gè)端口輸出低電平時(shí)，繼電器線圈閉合導(dǎo)通，電路即接通，金屬加熱棒開始工作并對(duì)水溫進(jìn)行加熱，控制電路中的發(fā)光二極管接通，紅燈亮起則表示水杯正在處于加熱的狀態(tài)。反之，當(dāng)?shù)诙€(gè)端口輸出低電平時(shí)，電路即斷電，金屬加熱棒停止工作停止對(duì)水溫進(jìn)行加熱，發(fā)光二極管斷電，紅燈熄滅。繼電器加熱控制電路圖如圖4所示。

圖4 繼電器加熱控制電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

本設(shè)計(jì)的主程序主要包括了三個(gè)子程序，分別是：按鍵輸入子程序、溫度顯示子程序和溫度調(diào)控子程序。按鍵輸入程序的作用主要是用戶通過鍵盤輸入設(shè)定用戶理想中溫度的最高值以及最低值，溫度顯示程序的作用主要是單片機(jī)控制數(shù)碼管顯示出實(shí)時(shí)水溫，溫度調(diào)控程序的作用主要是單片機(jī)控制繼電器電路進(jìn)行加熱或降溫工作來控制杯內(nèi)的水溫[4]。

3.2 系統(tǒng)程序流程

主程序的作用就是對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，對(duì)系統(tǒng)程序整體框架的建立，主要包含有單片機(jī)初始化及檢測(cè)水溫電路的初始化。主程序是處理DS18B20傳來的溫度信息并控制數(shù)碼管使這些信息實(shí)時(shí)顯示出來，溫度測(cè)量間隔為1 s，這樣數(shù)碼管上的溫度信息每隔1 s就會(huì)自動(dòng)地更新一次。其程序流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)的主題是智能溫控水杯的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，采用AT89C51單片機(jī)作為控制核心完成對(duì)水杯內(nèi)溫度的監(jiān)控與控制，DS18B20溫度傳感器作為采集杯內(nèi)的水溫信息的裝置，繼電器電路作為直接調(diào)控水杯內(nèi)水溫的裝置，最后用串行LED數(shù)碼管把杯內(nèi)的水溫信息表示出來。用戶通過按鍵設(shè)定一個(gè)期望的初始溫度，溫度傳感器采集到杯內(nèi)的水溫信息傳送至單片機(jī)，單片機(jī)通過控制繼電器電路對(duì)杯內(nèi)水溫進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，當(dāng)水溫低于設(shè)定的溫度時(shí)，加熱三極管導(dǎo)通，熱得快開始工作對(duì)杯內(nèi)的水進(jìn)行加熱。DS18B20再把檢測(cè)到的水溫信息傳到單片機(jī)，當(dāng)達(dá)到用戶設(shè)定的溫度時(shí)，單片機(jī)控制金屬加熱棒停止加熱工作，以此來達(dá)到恒溫控制的目的。本設(shè)計(jì)功能十分實(shí)用，結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單方便，調(diào)試容易，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)的調(diào)試，結(jié)果相當(dāng)成功。