基于單片機(jī)的太陽(yáng)能儲(chǔ)能智能恒溫外賣柜設(shè)計(jì)

吳牧原 翟娟 彭伊辰 葉木森 顧磊

摘? 要：近來國(guó)內(nèi)各地疫情頻出，人們的飲食方式也隨之改變，外賣愈發(fā)成為更多人的選擇，針對(duì)外賣的保溫問題，設(shè)計(jì)了一種基于STC89C52RC為控制核心的智能恒溫外賣柜。該裝置利用太陽(yáng)能儲(chǔ)能元件驅(qū)動(dòng)單片機(jī)，通過溫度傳感器檢測(cè)箱內(nèi)溫度并進(jìn)行控制，并且利用鍵盤、LCD1602液晶顯示器、NRF24L01無線傳輸模塊等實(shí)行智能操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于此單片機(jī)的恒溫外賣柜，減少了人力成本，實(shí)現(xiàn)了智能控制。

關(guān)鍵詞：STC89C52RC；太陽(yáng)能鉛酸蓄電池；恒溫控制系統(tǒng)；LCD1602液晶顯示器；NRF24L01

中圖分類號(hào)：TP368.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：2096-4706（2023）08-0175-04

Abstract： Recently， epidemics have occurred frequently in various parts of the country， and people's diet has also changed. Takeaway has become more and more people's choice. To keep the temperature of takeaway， an intelligent thermostatic takeaway cabinet based on STC89C52RC which is the control core has been designed. This device uses solar energy storage element to drive Single-Chip Microcomputer， and temperature inside the box is detected and controlled by a temperature sensor， and it uses keyboard， LCD1602 display and NRF24L01 wireless transmission module and other modules to implement intelligent operation. The experiment results show that thermostatic takeaway cabinet based on this Single-Chip Microcomputer reduces costs and realizes intelligent control.

Keywords： STC89C52RC; solar lead-acid battery; thermostatic control system; LCD1602 display; NRF24L01

0? 引? 言

隨著疫情的反復(fù)爆發(fā)以及國(guó)家的相關(guān)政策發(fā)布，國(guó)內(nèi)的餐飲行業(yè)遭遇寒冬，這導(dǎo)致外賣行業(yè)迅速發(fā)展壯大，外賣的用戶規(guī)模正逐漸增大。外賣給人們的日常飲食帶來了便捷，但商家、騎手和顧客之間發(fā)生爭(zhēng)執(zhí)的現(xiàn)象屢見不鮮，往往是因?yàn)槿〔偷臅r(shí)間和地點(diǎn)產(chǎn)生爭(zhēng)吵，也有一些上班族不能及時(shí)取餐。經(jīng)過市場(chǎng)調(diào)查，市面上的恒溫外賣柜大都造價(jià)昂貴、耗電量大。針對(duì)此類現(xiàn)象，設(shè)計(jì)一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、智能化的恒溫[1]外賣柜。

本設(shè)計(jì)以STC89C52RC單片機(jī)為微處理器控制核心，采用太陽(yáng)能鉛酸蓄電池作為供電模塊，包括DS18B20溫度傳感器、LCD1602液晶顯示模塊、NRF24L01無線傳輸模塊、矩陣鍵盤模塊、繼電器模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)了設(shè)置溫度、檢測(cè)溫度、液晶顯示、無線傳輸?shù)裙δ堋?/p>

1? 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的控制核心是STC89C52RC單片機(jī)，主要由太陽(yáng)能鉛酸蓄電池供電、矩陣鍵盤設(shè)定溫度值、LCD1206液晶顯示界面、溫度傳感器檢查實(shí)時(shí)溫度、NRF24L01無線模塊傳輸數(shù)據(jù)、LED亮滅警示過限、繼電器驅(qū)動(dòng)加熱電路等模塊組成。其總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)的工作流程是：首先，用戶可通過矩陣鍵盤設(shè)定恒溫外賣柜中的期望溫度值，DS18B20溫度傳感器會(huì)不斷實(shí)時(shí)檢測(cè)溫度值并送入A/D轉(zhuǎn)換器；然后，當(dāng)實(shí)時(shí)溫度大于（或小于）期望溫度值時(shí)，繼電器吸合并驅(qū)動(dòng)加熱電路工作（釋放停止加熱）。

2? 硬件模塊電路設(shè)計(jì)

硬件模塊的電路原理圖如圖2所示，包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、溫度傳感器、LCD1602顯示模塊、矩陣鍵盤模塊和繼電器模塊。其中，單片機(jī)選用STC89C52RC微處理器，溫度傳感器選用DS18B20，矩陣鍵盤選用行列式鍵盤。

2.1? 微處理器STC89C52RC

本設(shè)計(jì)的微處理器選擇STC89C52RC單片機(jī)，它是由STC公司生產(chǎn)的一種CMOS8位微控制器，具有8 K字節(jié)可編程Flash存儲(chǔ)器、512字節(jié)RAM、32位I/O口線、4 KB的EEPROM、3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、4個(gè)外部中斷、1個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)、全雙工串行口。

2.2? 太陽(yáng)能蓄電池供電模塊

本設(shè)計(jì)的供電模塊使用太陽(yáng)能電池板和鉛酸蓄電池兩個(gè)元件。太陽(yáng)能電池板光伏發(fā)電之后，向鉛酸蓄電池充電，鉛酸蓄電池再向單片機(jī)供電。儲(chǔ)能裝置使用鉛酸蓄電池，相比于鋰電池，鉛酸蓄電池價(jià)格便宜，且耐高溫的性能比較好、安全性能高。太陽(yáng)能電池板3D圖如圖3所示。

鉛酸蓄電池[2]的充電原理：正極板中的硫酸鉛、負(fù)極板中的硫酸鉛與電解液中的水反應(yīng)，生成二氧化鉛和鉛。

鉛酸蓄電池的放電原理：正極板中的二氧化鉛、負(fù)極板中的鉛與電解液中的硫酸反應(yīng)，生成硫酸鉛和水。

2.3? A/D轉(zhuǎn)換器0809

ADC0809是一種CMOS型8位A/D轉(zhuǎn)換器，采樣頻率為8位，采用逐次逼近原理，其內(nèi)部有一個(gè)8路模擬量開關(guān)，可以根據(jù)地址鎖存譯碼后只選通一路模擬輸入信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

ADC0809的IN0～I(xiàn)N7引腳為8路模擬量輸入端；START為轉(zhuǎn)換開始信號(hào)，高電平有效；EOC為轉(zhuǎn)換完成信號(hào)，開始轉(zhuǎn)換時(shí)該引腳為低電平，轉(zhuǎn)換完成后該引腳輸出高電平；OE為輸出使能信號(hào)，若從該引腳引入高電平，三態(tài)輸出鎖存器中的數(shù)據(jù)從D0～D7送出；ADDA、ADDB、ADDC為3為地址輸入線，用來選擇8路模擬通道中的一個(gè)；CLK為時(shí)鐘脈沖輸入端；VR（+）、VR（-）為基準(zhǔn)電壓輸入端；VCC接+5 V電源、GND接地。

2.4? LED指示燈模塊

LED指示燈是一對(duì)共陽(yáng)極發(fā)光二極管，共陽(yáng)極發(fā)光二極管的陽(yáng)極接到+5 V上，陰極通過限流保護(hù)電阻接到單片機(jī)的I/O口。

2.5? 繼電器模塊

繼電器的電路原理圖如圖2所示，三極管的發(fā)射極接+5 V，集電極接GND。當(dāng)基極接收到單片機(jī)輸出的低電平信號(hào)時(shí)繼電器吸合，當(dāng)基極接收到單片機(jī)輸出的高電平信號(hào)時(shí)繼電器斷開。繼電器的吸合或斷開狀態(tài)通過左邊的D4指示燈顯示。

2.6? NRF24L01無線模塊

NRF24L01[3]是一款單片射頻收發(fā)一體器件，工作于2.4 GHz ISM頻段，內(nèi)置頻率發(fā)生器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等模塊，集成Enhanced Short Burst協(xié)議，采用SPI通信。

NRF24L01芯片的引腳中，CE用于選擇TX或RX工作模式；CSN是SPI的片選信號(hào)；MOSI和MISO分別為數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出；ANT1和ANT2是天線接口1和天線接口2；SCK是SPI的時(shí)鐘信號(hào)；IRQ是可屏蔽的中斷引腳。

2.7? DS18B20溫度傳感器模塊

DS18B20的硬件連接圖如圖2所示，1號(hào)引腳接地；3號(hào)引腳接+5 V；2號(hào)引腳為數(shù)據(jù)輸入/輸出端，接到單片機(jī)的I/O口，同時(shí)外加上拉電阻。

DS18B20主要由64位ROM、高速暫存器和存儲(chǔ)器組成。64位ROM具有獨(dú)立的序列號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)一根總線上接多個(gè)DS18B20；高速暫存器包含溫度傳感器、一個(gè)字節(jié)的溫度上限和溫度下限報(bào)警觸發(fā)器和配置寄存器；存儲(chǔ)器由一個(gè)高速RAM和一個(gè)可擦除EEPROM組成。

DS18B20采用16位補(bǔ)碼的形式存儲(chǔ)溫度數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換所得的數(shù)據(jù)以二字節(jié)補(bǔ)碼存放，高字節(jié)的5個(gè)為符號(hào)位，S=1時(shí)為正值，S=0時(shí)為負(fù)值。其轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存放格式如表1所示。

2.8? LCD1602液晶顯示模塊

LCD1602液晶顯示器是一種字符型液晶顯示模塊，其體積小、重量輕、穩(wěn)定性好，并且和單片機(jī)的I/O口連接起來較為簡(jiǎn)單，因此選用LCD1602液晶顯示屏作為本設(shè)計(jì)的顯示模塊。

LCD1602的電路原理圖如圖2所示，1號(hào)引腳接地；2號(hào)引腳接電源；3號(hào)引腳經(jīng)可變電阻接地，用于調(diào)節(jié)對(duì)比度；4號(hào)引腳接P1^0；5號(hào)引腳接地，僅執(zhí)行寫操作；6號(hào)引腳接單片機(jī)P1^2口；7～14號(hào)引腳連接單片機(jī)的P0口作為數(shù)據(jù)的輸入/輸出口；15號(hào)引腳為背光燈電源正極，連接至VCC；16號(hào)引腳為背光燈電源負(fù)極，連接至地。

2.9? 矩陣鍵盤模塊

本設(shè)計(jì)采用行列式矩陣鍵盤作為數(shù)據(jù)鍵入模塊。與獨(dú)立鍵盤不同，矩陣鍵盤的兩個(gè)引腳都連接到單片機(jī)的I/O口，分別作為行信號(hào)和列信號(hào)。行列式鍵盤通過行信號(hào)和列信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，大大減少了I/O口的使用。其電路原理圖如圖2所示。

3? 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1? 系統(tǒng)整體程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)軟件編程使用C語言在KeiluVision 5進(jìn)行編寫，各個(gè)模塊均在PROTUES軟件中進(jìn)行仿真調(diào)試，操作系統(tǒng)為Windows 10_64位，程序包括矩陣鍵盤的掃描、A/D轉(zhuǎn)換、LED指示燈、繼電器的吸合與關(guān)斷和LCD1602液晶顯示屏的顯示等。其整體流程如圖4所示。

3.2? 矩陣鍵盤的掃描

行列式矩陣鍵盤的掃描方法為逐行掃描，并且逐列讀取列信號(hào)，即先讓第一行為低電平，其他行均為高電平，對(duì)列進(jìn)行掃描，若有列信號(hào)為低電平，則可確定此按鍵處于被按下的狀態(tài)，否則處于未被按壓狀態(tài)。同時(shí)每次掃描后需要設(shè)置一定的延時(shí)程序來達(dá)到消抖的目的。

3.3? 液晶顯示屏的程序設(shè)計(jì)

要使用LCD1602[4]，首先需要進(jìn)行初始化設(shè)置，即通過一些特定的指令對(duì)LCD1602初始化，然后設(shè)置想要顯示的數(shù)據(jù)和位置。

LCD1602的寫操作分為寫指令字和寫數(shù)據(jù)字，二者的區(qū)別僅僅在于RS的電平高低，RS低電平為寫指令字，RS高電平為寫數(shù)據(jù)字；下面以寫指令字為例介紹操作時(shí)序：RS設(shè)置為低電平，R/W為低電平，這是D0～D7上的數(shù)據(jù)進(jìn)入有效階段，之后E引腳會(huì)有一個(gè)正脈沖的跳變，需要維持一段時(shí)間的脈沖寬度，等到E引腳跳變負(fù)脈沖時(shí)，寫操作結(jié)束。

3.4? DS18B20溫度傳感器的程序設(shè)計(jì)

DS18B20的操作步驟分為初始化、ROM操作指令、DS18B20功能指令。本設(shè)計(jì)僅用到一個(gè)DS18B20，因此第二步可以直接跳過ROM指令，跳過ROM指令的字節(jié)為0xCC。

DS18B20功能指令需要知道讀寫時(shí)序[5]。讀操作時(shí)，主機(jī)拉低總線電平至少1 μs后釋放，讀取DS18B20發(fā)送過來的0或1，若讀0就拉低總線電平至讀周期結(jié)束，若讀1則釋放總線為高電平；寫操作時(shí)，總線控制器通過控制單總線高低電平持續(xù)時(shí)間把0或1寫入DS18B20中，每次只傳輸1位數(shù)據(jù)，若寫0時(shí)，需要保持60～120 μs的低電平持續(xù)時(shí)間，然后釋放總線，若寫1時(shí)，需要保持大于1 μs的低電平時(shí)間，然后在15 μs內(nèi)拉高總線。

4? 系統(tǒng)測(cè)試

本設(shè)計(jì)利用KeiluVison5進(jìn)行編程并且結(jié)合Protues軟件進(jìn)行仿真測(cè)試。經(jīng)測(cè)試后，系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，于是將需要的各個(gè)硬件模塊連接到開發(fā)板上，實(shí)物效果如圖5所示。開發(fā)板上包括LCD1602、DS18B20溫度傳感器、矩陣鍵盤等模塊。

系統(tǒng)測(cè)試主要對(duì)DS18B20溫度傳感器和LCD1602進(jìn)行測(cè)試。首先對(duì)DS18B20溫度傳感器進(jìn)行測(cè)試，編寫好相應(yīng)的程序之后，將溫度傳感器的溫度值在數(shù)碼管上顯示，并與用溫度計(jì)測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)測(cè)試后，DS18B20能正常使用；之后改寫程序，將DS18B20檢測(cè)的實(shí)時(shí)溫度值顯示在LCD1602液晶顯示器上，發(fā)現(xiàn)能夠準(zhǔn)確顯示并且不會(huì)出現(xiàn)亂碼的情形。測(cè)試情況如圖6所示。

5? 結(jié)? 論

本研究設(shè)計(jì)了一款基于STC89C52RC為控制核心的智能恒溫外賣柜系統(tǒng)，具有成本低廉、性能穩(wěn)定、功能性強(qiáng)的特點(diǎn)，加上優(yōu)化的程序之后，提高了其智能化水平。

本設(shè)計(jì)結(jié)合運(yùn)用了矩陣鍵盤、LED、繼電器、DS18B20溫度傳感器、LCD1602等模塊，利用編程通過LCD1602顯示出實(shí)時(shí)溫度并與預(yù)設(shè)溫度比較后進(jìn)行加熱或冷卻，達(dá)到了預(yù)期的目的和效果。

然而，系統(tǒng)仍然存在不足之處，比如在供電電源方面是否可以采取更加節(jié)能環(huán)保、更具創(chuàng)意的供電模式，在智能化方面仍具有很大的提升空間，可以增加藍(lán)牙模塊來繼續(xù)提高系統(tǒng)的智能性。

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作者簡(jiǎn)介：吳牧原（2002—），男，漢族，江蘇徐州人，本科在

讀，研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化；通訊作者：翟娟（1990—），女，漢族，江蘇揚(yáng)州人，講師，碩士，研究方向：控制理論與控制系統(tǒng)。