基于AT8 9C 5 1单片机的智能水杯温度控制设计

　　一、引言

　　随着社会的高速发展，外出旅行被越来越多的人推崇，随之而来的旅行问题也受到关注，例如：旅行过程中没有热水、电子设备的电量不足等问题。而且在人们对物质生活要求越来越高的今天，如何提供更加适合旅行所用的产品就显得十分重要。同时，在另一方面，随着生活水平的提高，人们越来越注重保健，养生成为一大热点话题，而每天补充水分、保持水分以维持人体正常的生理功能是一项最基本的保健养生常识。然而，在竞争激烈的今天，很多人忙于工作，忽视杯中的饮用水温度的下降而喝下温度不适宜的水，这无疑对自己身体是不负责任的！

　　伴随电子技术日新月异的发展，越来越多的科技产品已步入用户的家庭和办公场所。随着人们对现代家庭和办公环境舒适、便利、安全以及多元化信息服务的广泛需要，智能化电器在人们日常生活中所占比重越来越大。在目前的市场中，还没有一款同时具备测温、保温、可移动等多重功能的水杯。为满足用户需求并实现多功能的智能水杯，本设计采用STC89C51单片机为核心控制电路，成功制作出了测温、保温、可移动等具有多重智能特征的温控水杯，同时也满足了用户对快节奏的现代生活需求。

　　二、系统总体设计方案

　　（一）主要芯片介绍

　　1.STC89C51

　　STC89C51芯片是一款低功耗、高性能CMOS八位的单片机【1，2】，内含8K byte的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，它采用高密度、非易失性存储技术生产，兼容了标准8051指令系统及引脚（或管脚）。该芯片集合了Flash程序存储器【3】，既能在线进行编程（ISP）也能采用传统的方法实现编程；同时该芯片中内置有通用的8位微处理器，功能十分强大，在诸多自动控制领域内被广泛使用。单片机又称为单片微计算机，它的结构特点是将微型计算机的基本功能部件（如中央处理器（CPU）、储存器、输入接口、输出接口、定时/计数器及终端系统等）全部集成在一个半导体芯片上【4】。

　　2.单总线数字温度传感器DSI8B20

　　DS18B20是美国Dallas半导体公司生产的新一代数字式温度传感器，其内部自带AD转换器，通过内部的温度采集，AD数据转换一系列过程，最后将温度值以规定的格式转换为数据，并输出，用户可以通过一些简单的算法，将数据还原为温度值。这使单片机接口更加简单，可以克服模拟信号和A/D之间转换，降低外围电路和软件设计的难度。同时降低成本，提高了安全性能。

　　其主要性能指标：（1）独特的单线接口，只需1个接口引脚即可通信；（2）测量范同从一55℃至+125℃，增量值为0.5℃，等效的华氏温度范围是一67F至257F，增量值为0.9F。可编程的分辨率为9412位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温；（3）用户可定义的非易失性的温度告警设置，可以设定阀值；（4）以9位数字值方式读出温度。

　　3.LM7805

　　LM7805是常用的三端稳压器件，顾名思义05就是输出电压为5v，还可以微调，7805输出波纹很小。使用方便，用很简单的电路即可以输入一个直流稳压电源。它的输出电压恰好为5v，刚好是51系列单片机运行所需的电压

　　（二）系统软件设计

　　控制流程如图所示。有一个总开关控制整个系统的运行和停止。在开始时即总开关为闭合状态下，系统正常运行。

　　单片机运行過程为：通电，默认设置的保温温度为初始值（默认20℃，可调整），系统正常运行时，用户手动通过按键设置所需保温温度，按下确认键以输入到单片机。单片机识别设置的保温温度后，将之与所采集到的水温作比较，若采集温度大于设置的保温温度，则进行加热；若采集温度小于等于设置的保温温度，则停止加热。

　　在保温过程进行时，由芯片DS18B20随时自动采样当前水温并将采样的水温信号发送给单片机，然后由单片机接受信号并将当前水温与保温温度相比较。若保温温度大于当前采样水温，则加热装置启动，同时指示灯亮；若保温温度小于或等于当前采样水温，则加热装置不启动，同时指示灯熄灭。若在保温过程中按下温度调整按键，则加热过程立即停止，并等待下一步命令。如果在温度调整完成后，按下确认键则进入保温状态。如果按下取消键则保温温度返回上一次设定的保温温度或返回默认的保温温度。

　　（三）系统硬件设计

　　本设计采用STC89C51单片机作为逻辑控制芯片，以12V锂电池作为总的能量来源。由于单片机需要5V电源，使用LM7805作为电压转换芯片，将12V电池电源转换成5V电压以给单片机供电。在水温采样上采用DS18B20芯片来进行整个保温过程中的水温采样。

　　单片机硬件部分由单片机最小系统配以输入按键、显示数码管构成。限于单片机型号采用12 MHz晶振和两个30uF陶瓷平衡电容组成振荡电路。为使硬件具有更强的通用性与适应性，独立式按键通过P1口扫描查询，分别执行加大设定温度、减小设定温度、确定、取消等功能。系统还可通过一个总开关对智能水杯进行控制，以提高整个水杯加热系统的安全性。

　　本设计在STC89C51型号的单片机优良特性上进行设计，本设计中智能温控系统部分的核心就是该控制芯片，通过确定方案、编写适当程序，实现键盘输入、显示输出、温度比较、单片机控制等功能。

　　采用12V一路继电器接受单片机输出信号，并随之断开或者接通加热电路，继电器采用高电平触发方式，接入常开触点。由于单片机输出只能作为信号使用，不能使继电器触发，所以需设置一个驱动电路以驱动继电器。

　　使用三极管设计驱动电路，三极管发射机串联大电阻接地，集电极连接5V电源，将大电阻上的电压作为驱动信号输出给继电器。以上为总体的设计思路及硬件选取。

　　在实际使用中，当设置温度高于当前水温，单片机比较后将高电平输出给驱动电路，三极管基极收到来自单片机高电平信号，三极管导通，进而继电器收到驱动电路的高电平信号，继电器动作，使常开触点闭合，加热电路导通，加热片加热。

　　若当前水温达到设定温度值，单片机输出低电平，驱动电路的三极管立刻截止，继电器常开触点复位，加热停止。由此可保持水温恒定为设定值。

　　温度反馈部分由温度检测元件DS18B20检测水温、实时采样并将采样信号反馈给单片机，由单片机进行温度比较和温度显示。

　　系统工作时，首先自动检测当前温度，并显示在数码管上，默认设置温度为20℃，显示在另一个数码管上。随后即可手动按动温度控制按键，以设置所需保温温度。为确保安全性和可靠性，在按下“确认”键后，系统会自动比较设置温度与当前温度，然后比较判断是否进行加热。并且在用户按下任意温度加减键后，加热过程将立即停止。

　　三、结论

　　能量的转换主要是电能和热能两者之间的转换，其中能量的损失主要发生在能量的转换过程中，通过能量转换过程中的损失功率计算出相应的能量转换效率，就可分析出该产品在实际应用过程中能量的转换情况。

　　在实际使用中，保温杯中水的能量损失主要以热传导形式流失，目前主流保温杯也是利用减少热传导能量流失来达到保温效果。我们的设计则更加强劲，利用能耗保温。在利用保温材料较少能量损耗的同时，利用电池供能，将电能转换成热能，补偿不可避免的能量损失。由于在保温材料的作用下，能量散失已经大为减少，故只需提供少量所需电能即可达到理想保温效果。这就保证了能耗保温的可行性和持续性，从而达到对杯中水长时间保温的理想效果。

　　参考文献

　　[1] 张振荣.MCS-51单片机原理与实用技术[M].北京：人民邮电出版社，2000.

　　[2] 沈红卫.基于单片机的智能系统设计与实现[M].北京：电子工业出版社，2005.

　　[3] 苗风娟，王吉占，陶佰睿，等.基于微生物培养的高精度低成本温控仪研制[J].实验室研究与探索，2014，33（5）：49-52.

　　[4] 谢维成，杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计（第三版）[M].清华大学出版社，2014

　　（作者单位：四川轻化工大学）

　　胡绍强 高磊 潘黎 黄劲草