基于單片機(jī)的智能溫度調(diào)節(jié)杯

何興陽 高巧楠 李維平 王碧霞 周慧

摘要：水溫自動(dòng)控制技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)、生活中發(fā)揮著重要的作用。本文利用STC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種可控溫水杯，可在多種氣溫環(huán)境下，根據(jù)用戶的需求設(shè)定杯內(nèi)溫度，調(diào)節(jié)溫度實(shí)現(xiàn)控溫?？煽販厮軡M足長途旅游、出差工作中熱水、涼水的輕松切換，并對水溫實(shí)時(shí)監(jiān)測?；趩纹瑱C(jī)的智能水溫杯具有可靠性高、價(jià)格低、簡單易操作于一體的特點(diǎn)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：溫度調(diào)節(jié);單片機(jī);水杯

中圖分類號：TP30? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）16-0179-04

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

Controllable Temperature Regulator Cup Based On Single-Chip Microcomputer

HE Xing-yang， GAO Qiao-nan， LI Wei-ping， WANG Bi-xia， ZHOU Hui

（College of Information Science and Technology， Gansu Agricultural University， Lanzhou 730070， China）

Abstract： Water temperature automatic control technology plays an important role in industry production and life. This paper uses STC89C52 single chip computer to design a controllable temperature Water Cup， which can set the temperature in the cup according to the user's demand and adjust the temperature to realize temperature control under various temperature environments. Controllable Temperature Water Cup can meet the long-distance travel， business trip， easily switch between hot water and cold water ， and can get a real-time water temperature. The intelligent water temperature cup based on single chip microcomputer has the characteristics of high reliability， low price， simple and easy operation， and has certain practical value.

Key words： Temperature Regulation; Single Chip Computer; Water Cup

信息采集控制是現(xiàn)代信息技術(shù)最主要的技術(shù)之一，而溫度控制器技術(shù)屬于現(xiàn)代信息技術(shù)中發(fā)展較為先進(jìn)的代表。溫度控制器可根據(jù)設(shè)定溫度和所需溫度之差來控制，從而實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)控制，近些年來由于科技的發(fā)展已廣泛應(yīng)用到科研、生活、農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域。

本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)為核心控制電路， 設(shè)計(jì)了一款滿足現(xiàn)代日常生活及用戶需求的智能溫度調(diào)節(jié)杯，它可在不同的氣溫環(huán)境下，依據(jù)用戶的需求設(shè)定需求的水溫溫度及杯內(nèi)水溫溫度差來控制加熱制冷管工作，從而調(diào)節(jié)溫度達(dá)到需要。

1 設(shè)計(jì)思路及步驟

1.1 總設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中以STC89C52單片機(jī)為控制核心來實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)，采用液晶顯示器顯示溫度測量值。檢測的溫度范圍：極限溫度域-40℃-100℃;正常使用值大約為25℃—90℃。如果溫度超過預(yù)設(shè)值時(shí)能警告蜂鳴器發(fā)出聲音。溫度的設(shè)定可以通過外設(shè)輸入，溫度的控制采用單片機(jī)自動(dòng)控制溫度，控溫精度±3℃。

基于單片機(jī)的智能溫度調(diào)節(jié)杯以水溫為被控對象，單片機(jī)STC89C52為主要元件。這個(gè)控制按功能分液晶顯示器、控溫系統(tǒng)、外設(shè)調(diào)節(jié)按鍵、警告LED及蜂鳴器。溫度傳感器利用電子溫度計(jì)對溫度進(jìn)行監(jiān)測，并將A/D返回給CPU然后在屏幕上顯示。調(diào)節(jié)水溫可利用外設(shè)按鍵來預(yù)定溫度，CPU根據(jù)實(shí)時(shí)水溫和用戶預(yù)定的溫度計(jì)算差值，通過控制兩端可加熱銅絲的開關(guān)調(diào)節(jié)水溫。如果溫度超出預(yù)設(shè)范圍，警告器件就會發(fā)出警告。本系統(tǒng)以Altium designer開發(fā)工具[1]，Microsoft vc6.0，C++作為編程語言，寫入程序?qū)Ω鱾€(gè)模塊進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，最后進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，利用Altium designer設(shè)計(jì)框架如圖1。

1.2 設(shè)計(jì)預(yù)期

這種調(diào)節(jié)溫度域極限大約為-40℃-100℃，而在正常使用下閾值大約在25℃到90℃，可用模擬溫度傳感器來將測得溫度轉(zhuǎn)換成模擬信號傳輸給單片機(jī)系統(tǒng)，然后通過A/D轉(zhuǎn)換器來轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，從而控制驅(qū)動(dòng)器工作，進(jìn)而達(dá)到目的，在移動(dòng)設(shè)備如（水杯）加入高效率鋰離子電池來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電源，在杯壁左側(cè)加入加熱銅絲，而在另一方加入半導(dǎo)體制冷材料，在底部設(shè)置顯示設(shè)備及自定義控制設(shè)備，進(jìn)而通過不同的檔位選擇不同的溫度，在杯底加入溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)溫度可控，達(dá)到預(yù)期溫度時(shí)來將信號反饋給單片機(jī)。設(shè)計(jì)中的智能水溫調(diào)節(jié)器程序可實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)器自動(dòng)工作，且達(dá)到上限時(shí)可做到警告及自動(dòng)切斷電源，將這種設(shè)備用于水杯中可以隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)水溫可控，最低溫度能適用于不同季節(jié)，如需飲用冰涼一點(diǎn)的水，最低可將溫度調(diào)節(jié)至20℃，冬季想飲用熱水，最高90℃是不同海拔最低水溫，這種溫度調(diào)節(jié)的水杯應(yīng)該是非常實(shí)用的且大眾需要的，有利于使用者攜帶，體積小，無毒無害，可回收利用。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 時(shí)鐘電路

STC89C52單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于震蕩反相放大器，引腳分別是放大器的輸入端和輸出端，LC振蕩器或互感諧振器與其他兩個(gè)相匹配的電容設(shè)計(jì)成一個(gè)自激振蕩電路，為單片機(jī)提供時(shí)間提示，如圖2所示[2]。

2.2 復(fù)位電路

CPU中的復(fù)位電路是用來讓電路恢復(fù)到初始狀態(tài)的電路，其操作原理與計(jì)算器歸零相似，啟動(dòng)原理和控制方式簡單易上手。它就是利用電路恢復(fù)到最開始的狀態(tài)。功能類似計(jì)算器的清零按鈕，可以回到原始狀態(tài)然后重新計(jì)算。這個(gè)系統(tǒng)利用外部按鍵恢復(fù)復(fù)位，如圖3所示。

2.3 鍵盤輸入電路設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)所需按鍵數(shù)目不多，為使得系統(tǒng)簡單鍵盤輸入電路采用了獨(dú)立鍵盤。如圖4所示，鍵盤設(shè)置了4個(gè)功能鍵。當(dāng)?shù)谝淮伟存I時(shí)，此時(shí)可設(shè)置恒定溫度;實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)加1;如果按住4鍵時(shí)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)減1;如果按住2時(shí)，等待調(diào)整值右移，進(jìn)入下一個(gè)數(shù)的調(diào)整;當(dāng)?shù)诙伟聪?，系統(tǒng)退出恢復(fù)復(fù)位狀態(tài)。依據(jù)用戶的需求設(shè)定需求的水溫溫度及杯內(nèi)水溫溫度差來控制加熱管及制冷管工作[3]。

2.4 電子液晶電路設(shè)計(jì)

利用LED屏幕顯示來收集的溫度數(shù)值和預(yù)定的溫度數(shù)值。如圖5所示，單片機(jī)P0控制，經(jīng)過阻值為10k?的電阻連接。由單片機(jī)控制讀寫信號線，由單片機(jī)P2.6口控制，在杯壁左側(cè)加入加熱銅絲，而在另一方加入半導(dǎo)體制冷材料，在底部設(shè)置顯示設(shè)備及自定義控制設(shè)備，進(jìn)而通過不同的檔位選擇不同的溫度，依據(jù)用戶的需求設(shè)定需求的水溫溫度及杯內(nèi)水溫溫度差來控制加熱制冷管工作。

在杯底加入溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)溫度可控，達(dá)到預(yù)期溫度時(shí)來將信號反饋給單片機(jī)。設(shè)計(jì)中的智能水溫調(diào)節(jié)器程序可實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)器自動(dòng)工作，且達(dá)到上限時(shí)可做到警告及自動(dòng)切斷電源。實(shí)現(xiàn)操作流程如圖所示，當(dāng)p0跟vcc正常接入正電源時(shí)，系統(tǒng)操縱p04和p07將A/D信號用數(shù)字顯示在屏幕上[4]。

2.5 采集水溫電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用內(nèi)部供電，VCC接3.5v電源，GND接地。溫度采集電路中選用了DS18B20數(shù)字溫度傳感器，其體積小，精度高，抗干擾能力強(qiáng)。VCC直接與單片機(jī)端口P3.7相連。

2.6 警告電路設(shè)計(jì)

如果設(shè)置的溫度與實(shí)時(shí)溫度不符合時(shí)，先將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后傳給CPU，CPU利用存儲器ROM。此時(shí)報(bào)警系統(tǒng)的led燈跟蜂鳴器通電就可以工作。LED和蜂鳴器通電進(jìn)行提示工作[5]。

2.7操控溫度電路設(shè)計(jì)

在溫度控制電路的設(shè)計(jì)中，選擇了可控加熱銅絲，MOC3031m這個(gè)操作溫度電路可將電容跟電阻實(shí)時(shí)電壓。傳給CPU，利用外設(shè)鍵可調(diào)節(jié)電爐的溫度來實(shí)現(xiàn)加熱目的。這時(shí)候需要考慮半導(dǎo)體材料的耐熱線此時(shí)的電壓相同。半導(dǎo)體材料可以正常工作。來反饋給液晶顯示屏，可以實(shí)時(shí)觀測到電爐的溫度，然后利用按鍵來提高和降低電路的溫度來控制水溫 。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1主程序設(shè)計(jì)

主程序包括溫度采集顯示，鍵盤掃描，控制和報(bào)警?？梢岳脝纹瑱C(jī)的仿真軟件keil來對單片機(jī)的可操作性跟可靠性進(jìn)行實(shí)時(shí)的模擬[6]。然后利用C語言匯編語言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。寫出相應(yīng)的代碼，在電腦上運(yùn)行。若無錯(cuò)誤。則可寫入CPU。依據(jù)用戶的需求設(shè)定需求的水溫溫度及杯內(nèi)水溫溫度差來控制加熱制冷管工作。

3.2顯示模塊程序設(shè)計(jì)

程序流程圖如圖11所示，在系統(tǒng)開始前，我們先用復(fù)位電路先將整個(gè)系統(tǒng)初始化，然后利用時(shí)鐘電路讀取實(shí)施溫度。將溫度模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號傳給CPU，CPU將利用液晶顯示器用數(shù)字的形式顯示在屏幕上，用戶可利用外部按鍵。調(diào)節(jié)水溫高低。 本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)為核心控制電路， 設(shè)計(jì)了一款滿足現(xiàn)代日常生活節(jié)奏及用戶需求的智能溫度調(diào)節(jié)杯，它可在不同的氣溫環(huán)境下，依據(jù)用戶的需求設(shè)定需求的水溫溫度及杯內(nèi)水溫溫度差來控制加熱制冷管工作，從而調(diào)節(jié)溫度達(dá)到需要。

3.3鍵盤掃描模塊程序設(shè)計(jì)

使用按鍵按下，然后即可釋放，在閉合和分開的時(shí)間需要超過20ms。前沿振動(dòng)消失后檢查按鍵是否閉合;當(dāng)接到按鍵松開信號后，振動(dòng)消失后再檢測下一次按鍵的閉合。鍵入程序流程圖如圖12。

3.4警告模塊程序設(shè)計(jì)

警告模塊程序設(shè)計(jì)中首先是對溫度進(jìn)行判斷，超出上限溫度或下限溫度時(shí)，再進(jìn)入警告程序。

3.5 PID溫度控制程序

4 項(xiàng)目意義與實(shí)現(xiàn)功能

信息采集控制是現(xiàn)代信息技術(shù)最主要的技術(shù)之一，而溫度控制器技術(shù)屬于現(xiàn)代信息技術(shù)中發(fā)展較為先進(jìn)的代表。溫度控制器可根據(jù)設(shè)定溫度和所需溫度之差來控制溫度，從而實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)控制，近些年來由于科技的發(fā)展已廣泛應(yīng)用到科研、生活、農(nóng)業(yè)等眾多領(lǐng)域。

本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)為核心控制電路， 設(shè)計(jì)了一款滿足現(xiàn)代日常生活節(jié)奏及用戶需求的智能溫度調(diào)節(jié)杯，它可在不同的氣溫環(huán)境下，依據(jù)用戶的需求設(shè)定需求的水溫溫度及杯內(nèi)水溫溫度差來控制加熱制冷管工作，從而調(diào)節(jié)溫度達(dá)到需要。此系統(tǒng)可用于各種水溫控制項(xiàng)目，隨時(shí)隨地調(diào)節(jié)水溫，供用戶使用，在這個(gè)設(shè)計(jì)中，最難突破的是在于制冷環(huán)節(jié)，我們可將時(shí)鐘電路和復(fù)位電路連接在一起，然后連到制冷管上控制其正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

5 總結(jié)

利用STC89C52單片機(jī)及PID算法控制溫度，實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)器能夠自動(dòng)工作，且達(dá)到上限時(shí)可做到警告及自動(dòng)切斷電源，控制驅(qū)動(dòng)器工作。設(shè)計(jì)中利用高效率鋰離子電池來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電源加熱銅絲，加入半導(dǎo)體制冷材料，設(shè)置顯示設(shè)備及自定義控制設(shè)備，進(jìn)而通過不同的檔位選擇不同的溫度，在杯底加入溫度傳感器來實(shí)現(xiàn)溫度可控，達(dá)到預(yù)期溫度時(shí)來通過數(shù)字信號來反饋給單片機(jī)。這種設(shè)備用于水杯中可以隨時(shí)隨地實(shí)現(xiàn)水溫可控，方便人們使用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王迎旭.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].2版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2] 郭天祥.新概念51單片機(jī)C語言教程：入門、提高、開發(fā)、拓展全攻略[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3] 戴永.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].湘潭：湘潭大學(xué)出版社，2009.

[4] 賈宗璞，許合利.C語言程序設(shè)計(jì)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007.

[5] 康華光，鄒壽彬.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2000.

[6] 三恒星科技.MCS-51單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

【通聯(lián)編輯：梁書】