基于AT8 9C 5 1單片機的智能水杯溫度控制設計

胡紹強 高磊 潘黎 黃勁草

一、引言

隨著社會的高速發展，外出旅行被越來越多的人推崇，隨之而來的旅行問題也受到關注，例如：旅行過程中沒有熱水、電子設備的電量不足等問題。而且在人們對物質生活要求越來越高的今天，如何提供更加適合旅行所用的產品就顯得十分重要。同時，在另一方面，隨著生活水平的提高，人們越來越注重保健，養生成為一大熱點話題，而每天補充水分、保持水分以維持人體正常的生理功能是一項最基本的保健養生常識。然而，在競爭激烈的今天，很多人忙于工作，忽視杯中的飲用水溫度的下降而喝下溫度不適宜的水，這無疑對自己身體是不負責任的！

伴隨電子技術日新月異的發展，越來越多的科技產品已步入用戶的家庭和辦公場所。隨著人們對現代家庭和辦公環境舒適、便利、安全以及多元化信息服務的廣泛需要，智能化電器在人們日常生活中所占比重越來越大。在目前的市場中，還沒有一款同時具備測溫、保溫、可移動等多重功能的水杯。為滿足用戶需求并實現多功能的智能水杯，本設計采用STC89C51單片機為核心控制電路，成功制作出了測溫、保溫、可移動等具有多重智能特征的溫控水杯，同時也滿足了用戶對快節奏的現代生活需求。

二、系統總體設計方案

（一）主要芯片介紹

1.STC89C51

STC89C51芯片是一款低功耗、高性能CMOS八位的單片機【1，2】，內含8K byte的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，它采用高密度、非易失性存儲技術生產，兼容了標準8051指令系統及引腳（或管腳）。該芯片集合了Flash程序存儲器【3】，既能在線進行編程（ISP）也能采用傳統的方法實現編程；同時該芯片中內置有通用的8位微處理器，功能十分強大，在諸多自動控制領域內被廣泛使用。單片機又稱為單片微計算機，它的結構特點是將微型計算機的基本功能部件（如中央處理器（CPU）、儲存器、輸入接口、輸出接口、定時/計數器及終端系統等）全部集成在一個半導體芯片上【4】。

2.單總線數字溫度傳感器DSI8B20

DS18B20是美國Dallas半導體公司生產的新一代數字式溫度傳感器，其內部自帶AD轉換器，通過內部的溫度采集，AD數據轉換一系列過程，最后將溫度值以規定的格式轉換為數據，并輸出，用戶可以通過一些簡單的算法，將數據還原為溫度值。這使單片機接口更加簡單，可以克服模擬信號和A/D之間轉換，降低外圍電路和軟件設計的難度。同時降低成本，提高了安全性能。

其主要性能指標：（1）獨特的單線接口，只需1個接口引腳即可通信；（2）測量范同從一55℃至+125℃，增量值為0.5℃，等效的華氏溫度范圍是一67F至257F，增量值為0.9F?？删幊痰姆直媛蕿?412位，對應的可分辨溫度分別為0.5、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可實現高精度測溫；（3）用戶可定義的非易失性的溫度告警設置，可以設定閥值；（4）以9位數字值方式讀出溫度。

3.LM7805

LM7805是常用的三端穩壓器件，顧名思義05就是輸出電壓為5v，還可以微調，7805輸出波紋很小。使用方便，用很簡單的電路即可以輸入一個直流穩壓電源。它的輸出電壓恰好為5v，剛好是51系列單片機運行所需的電壓

（二）系統軟件設計

控制流程如圖所示。有一個總開關控制整個系統的運行和停止。在開始時即總開關為閉合狀態下，系統正常運行。

單片機運行過程為：通電，默認設置的保溫溫度為初始值（默認20℃，可調整），系統正常運行時，用戶手動通過按鍵設置所需保溫溫度，按下確認鍵以輸入到單片機。單片機識別設置的保溫溫度后，將之與所采集到的水溫作比較，若采集溫度大于設置的保溫溫度，則進行加熱；若采集溫度小于等于設置的保溫溫度，則停止加熱。

在保溫過程進行時，由芯片DS18B20隨時自動采樣當前水溫并將采樣的水溫信號發送給單片機，然后由單片機接受信號并將當前水溫與保溫溫度相比較。若保溫溫度大于當前采樣水溫，則加熱裝置啟動，同時指示燈亮；若保溫溫度小于或等于當前采樣水溫，則加熱裝置不啟動，同時指示燈熄滅。若在保溫過程中按下溫度調整按鍵，則加熱過程立即停止，并等待下一步命令。如果在溫度調整完成后，按下確認鍵則進入保溫狀態。如果按下取消鍵則保溫溫度返回上一次設定的保溫溫度或返回默認的保溫溫度。

（三）系統硬件設計

本設計采用STC89C51單片機作為邏輯控制芯片，以12V鋰電池作為總的能量來源。由于單片機需要5V電源，使用LM7805作為電壓轉換芯片，將12V電池電源轉換成5V電壓以給單片機供電。在水溫采樣上采用DS18B20芯片來進行整個保溫過程中的水溫采樣。

單片機硬件部分由單片機最小系統配以輸入按鍵、顯示數碼管構成。限于單片機型號采用12 MHz晶振和兩個30uF陶瓷平衡電容組成振蕩電路。為使硬件具有更強的通用性與適應性，獨立式按鍵通過P1口掃描查詢，分別執行加大設定溫度、減小設定溫度、確定、取消等功能。系統還可通過一個總開關對智能水杯進行控制，以提高整個水杯加熱系統的安全性。

本設計在STC89C51型號的單片機優良特性上進行設計，本設計中智能溫控系統部分的核心就是該控制芯片，通過確定方案、編寫適當程序，實現鍵盤輸入、顯示輸出、溫度比較、單片機控制等功能。

采用12V一路繼電器接受單片機輸出信號，并隨之斷開或者接通加熱電路，繼電器采用高電平觸發方式，接入常開觸點。由于單片機輸出只能作為信號使用，不能使繼電器觸發，所以需設置一個驅動電路以驅動繼電器。

使用三極管設計驅動電路，三極管發射機串聯大電阻接地，集電極連接5V電源，將大電阻上的電壓作為驅動信號輸出給繼電器。以上為總體的設計思路及硬件選取。

在實際使用中，當設置溫度高于當前水溫，單片機比較后將高電平輸出給驅動電路，三極管基極收到來自單片機高電平信號，三極管導通，進而繼電器收到驅動電路的高電平信號，繼電器動作，使常開觸點閉合，加熱電路導通，加熱片加熱。

若當前水溫達到設定溫度值，單片機輸出低電平，驅動電路的三極管立刻截止，繼電器常開觸點復位，加熱停止。由此可保持水溫恒定為設定值。

溫度反饋部分由溫度檢測元件DS18B20檢測水溫、實時采樣并將采樣信號反饋給單片機，由單片機進行溫度比較和溫度顯示。

系統工作時，首先自動檢測當前溫度，并顯示在數碼管上，默認設置溫度為20℃，顯示在另一個數碼管上。隨后即可手動按動溫度控制按鍵，以設置所需保溫溫度。為確保安全性和可靠性，在按下“確認”鍵后，系統會自動比較設置溫度與當前溫度，然后比較判斷是否進行加熱。并且在用戶按下任意溫度加減鍵后，加熱過程將立即停止。

三、結論

能量的轉換主要是電能和熱能兩者之間的轉換，其中能量的損失主要發生在能量的轉換過程中，通過能量轉換過程中的損失功率計算出相應的能量轉換效率，就可分析出該產品在實際應用過程中能量的轉換情況。

在實際使用中，保溫杯中水的能量損失主要以熱傳導形式流失，目前主流保溫杯也是利用減少熱傳導能量流失來達到保溫效果。我們的設計則更加強勁，利用能耗保溫。在利用保溫材料較少能量損耗的同時，利用電池供能，將電能轉換成熱能，補償不可避免的能量損失。由于在保溫材料的作用下，能量散失已經大為減少，故只需提供少量所需電能即可達到理想保溫效果。這就保證了能耗保溫的可行性和持續性，從而達到對杯中水長時間保溫的理想效果。

參考文獻

[1] 張振榮.MCS-51單片機原理與實用技術[M].北京：人民郵電出版社，2000.

[2] 沈紅衛.基于單片機的智能系統設計與實現[M].北京：電子工業出版社，2005.

[3] 苗風娟，王吉占，陶佰睿，等.基于微生物培養的高精度低成本溫控儀研制[J].實驗室研究與探索，2014，33（5）：49-52.

[4] 謝維成，楊加國.單片機原理與應用及C51程序設計（第三版）[M].清華大學出版社，2014

（作者單位：四川輕化工大學）