基于單片機的溫控水杯設計研究

潘 婷，隆凡英，李洪波

（興義民族師范學院，貴州 興義 562400）

二十一世紀是科技高速發展的信息時代，電子技術、微型單片機技術的應用更是空前廣泛。隨著科學技術和生產的不斷發展以及人們生活水平的不斷提高，人們對日常所用的水杯也提出了越來越高的要求。針對人們不能直觀地感知水溫的問題，結合當前先進的電子和信息技術，提出一種具有自動提醒和加熱功能的智能水杯設計。

1 溫控水杯的設計思路

本文的研究重點在于基于單片機和傳感器設計1個溫度測量感知和加熱系統，并將其應用到智能水杯中，通過軟件和硬件的設計、仿真，最后進行實踐驗證。考慮使用溫度傳感器，結合單片機電路設計，采用DS18B20 溫度傳感器采集溫度，在LCD1602 顯示溫度值。本系統電路設計方框圖如圖1 所示，其組成有：STC89C52 最小系統、LCD1602 顯示模塊、DS18B20 溫度檢測模塊、繼電器控制模塊、水位檢測模塊和蜂鳴器提醒模塊等。

圖1 系統電路設計方框圖

2 系統硬件設計

系統的硬件設計部分有：單片機最小系統、顯示電路設計、溫度采集電路設計、水位自動提醒電路設計、溫度制熱設計、水位檢測電路設計及按鍵電路設計等。

2.1 單片機最小系統設計

STC89C52 為低功耗、高性能CMOS 8 位微控制器，加上外圍晶振時鐘電路和復位電路構成單片機最小系統。另外，STC89C52 可降至0 Hz 靜態邏輯操作，支持2 種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口和中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM 內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。在本設計采用微控制器STC89C52 負責實時檢測傳感器輸出的信號是否有變化，其原理圖如圖2 所示。

圖2 主控電路

2.2 顯示電路設計

考慮到要顯示的是溫度和水位這2 個數據，所以只需要能夠顯示1～2 行的顯示器即可。選擇的主要元器件為LCD1602，實現溫度顯示功能。LCD1602 液晶顯示在執行程序指令之前要進行模塊標志位的忙信號，只有當它的忙標志位為低電平時才表示可以執行指令。具體電路設計：其D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6 和D7 管 腳 分 別 與 單 片 機P0.0、P0.1、P0.2、P0.3、P0.4、P0.5、P0.6 和P0.7 引腳連接，進行數據傳輸；RS 與P2.5連接，高電平時選擇數據寄存器，低電平選擇指令寄存器；RW 與P2.6 連接，高電平進行讀操作，低電平進行寫操作；E 與P2.7 連接，當E 端由高電平變成低電平時，液晶模塊執行命令；通過排阻組成的上拉電阻驅動液晶模塊，其電路圖如圖3 所示。

圖3 顯示電路

2.3 溫度采集電路設計

DS18B20 的溫度檢測與檢測溫度數字量全集成于一個芯片上，實現溫度采集功能。18B20 共有2 種形態的存儲器資源，分別是：①ROM 只讀存儲器：用于存放DS18B20 的ID 編碼；②RAM 數據暫存器：用于內部計算和數據存取。DS18B20 的DQ 端與單片機的引腳P1.7 連接，實現溫度數據的傳輸。單片機對DS18B20的操作流程：①復位；②存在脈沖；③發送ROM 指令；④發送存儲器操作指令；⑤執行或數據讀寫。其電路原理圖如圖4 所示。

圖4 溫度采集電路

2.4 水位自動提醒電路設計

本文采用3 個不同顏色的LED 燈作為提醒的標志，實現水位提醒功能。紅色LED 燈（D1）表示水位較低，需要計時裝水；黃色LED 燈（D2）表示水位一般；綠色LED 燈（D3）表示水量較多。D1、D2 和D3 分別與單片機的P1.4、P1.5 和P1.6 引腳連接。其電路圖如圖5所示。

圖5 LED 指示電路

2.5 溫度制熱設計

加熱半導體熱電偶由N 型半導體和P 型半導體組成，實現加熱功能。為繼電器控制模塊部分，單片機P3.7 腳連接三極管，驅動繼電器，使其進行通斷操作，進而控制加熱半導體熱電偶的加熱功能。其電路圖如圖6 所示。

圖6 溫度制熱電路

2.6 水位檢測設計

水位傳感器是由液位檢測專用集成芯片水位傳感器和探針組成，實現液位信號到電壓信號的轉換。水位傳感器使用熱阻探針技術來測量非可燃性液體的液面高度，其能提供一正比于液位高度的輸出，可進行單次或重復測量。其水位檢測得到的電壓模擬信號通過模數轉換模塊ADC0832 轉換為8 位數字量，傳輸給單片機的P3.5 引腳進行處理，實現水位監測功能。其電路圖如圖7 所示。

圖7 水位檢測電路

ADC0832 芯片的主要特點見表1。

表1 ADC0832 芯片的主要特點

2.7 按鍵電路設計

單片機的按鍵控制電路是由4 個微動開關并聯組成的電路按鍵，開關的檢測其原理就是按下輸出低電平，松開高電平，實現按鍵控制功能。設置按鍵、加按鍵、減按鍵和計時/暫停按鍵分別與單片機的引腳P1.0、P1.1、P1.2 和P1.3 連接，按鍵按下執行相應功能。其電路圖如圖8 所示。

圖8 按鍵電路

3 軟件設計

本裝置的軟件包括主程序、顯示程序、溫度判斷程序、制熱程序以及DS18B20 溫度采集程序等。主要實現以下功能：①可實現測量水杯內的溫度；②可實現按鍵控制加熱功能；③可實現水溫控制功能。

主程序的主要參數是負責溫度的實時顯示，讀出處理DS18B20 的測量的當前溫度值，其程序流程圖如圖9 所示。

圖9 主程序流程圖

4 實物測試

硬件電路設計完成后，利用Keil 軟件編程生成可執行文件，然后進行仿真檢測，仿真成功后購買元器件進行實物制作，完成實物測試。測試前首先要準備需要的材料，如用礦泉水瓶模擬水杯；然后檢查電路連接，打開電源開關，觀察效果。測試開始后，LCD1602 顯示水溫為20 ℃，水溫低于設定值，繼電器模塊的綠燈亮起，說明與繼電器連接的加熱模塊正在工作；LED 紅燈亮表示水位低于下限，在向水杯加入一些水的過程中，LED 黃燈先亮，之后LED 綠燈亮，表示水位在上升，LCD1602 顯示屏上顯示水位為72%，各功能單位工作正常，測試結果達到了本次設計的目標。實物測試圖如圖10 所示。

圖10 實物測試圖

5 結束語

本設計實現了基于單片機的智能水杯的所有功能。采用DS18B20 溫度傳感器實現溫度的實時采集；利用ADC0832 模數轉換模塊實現了水杯水量的檢測；利用繼電器控制水杯加熱，實現溫度控制；利用LCD1602 模塊實現了水量、水溫等信息的顯示；最后通過實際測試，驗證了所設計的水杯是一種性能良好的智能水杯，具有一定的實際應用價值。通過本次設計，掌握了液晶顯示的基本理論知識以及更深入地掌握對單片機的開發應用和編程控制。