基于單片機的飲水機溫控系統的設計

南昌航空大學測試與光電工程學院 林奇盛

南昌航空大學信息工程學院 熊 器

南昌航空大學測試與光電工程學院 彭偉強

基于單片機的飲水機溫控系統的設計

南昌航空大學測試與光電工程學院 林奇盛

南昌航空大學信息工程學院 熊 器

南昌航空大學測試與光電工程學院 彭偉強

介紹一種飲水機的溫度控制系統。該系統利用軟件編程實現飲水機的智能溫控，在保溫階段采用雙位調節進行溫度控制，控制精度為±2℃，采用該溫控系統可以使得飲水機在使用過程不產生“千滾水”。保溫溫度、保溫時間和預加熱時間可以自由設定，使得飲水機使用起來更加方便。

單片機；溫度控制；節能減排

1.引言

隨著我國經濟發展和國際能源緊張局勢的加劇，人們環保意識的提高，越來越多的人在購買家電產品時都把節能當做重要的衡量指標。飲水機作為一種常用的家用電器，給我們的日常生活帶來了極大方便。目前市場上大部分飲水機采用熱敏電阻進行溫控，飲水機將水從室溫加熱到沸騰，溫控開關斷開，停止加熱；之后溫度緩緩下降，當溫度下降到一定時，溫控開關閉合，然后又繼續加熱到沸騰，如此周而復始。如果用戶在喝完水之后忘記切斷電源，就會使水反復燒開，不僅浪費能源，而且容易形成含有重金屬、砷化物等有害物質的“千滾水”。本文主要討論如何應用單片機，為飲水機設計一個節能環保的溫控系統，彌補飲水機的這些缺點。實驗結果表明該溫控系統具有穩定性好、易于操作、性價比高的特點，將會有廣泛的發展前景。

2.硬件電路設計

系統主要實現時間顯示，溫度顯示，保溫階段防止水反復燒開，保溫溫度、保溫時間和預加熱時間可自由設定的功能。系統硬件框圖如圖1所示，以STC89C516RD單片機為核心，擴展外部存儲器構成系統的主控模塊[1]。STC89C516RD單片機具有超強抗干擾/高速/低功耗的特點，工作電壓為3.4V～5.5V，工作頻率0～40MHZ，其指令代碼完全兼容傳統8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可以任意選擇，內部自帶看門狗。

2.1 測溫電路

飲水機加熱膽中的水溫由DS18B20溫度傳感器檢測并轉換成數字量通過串行方式傳送給單片機。DS18B20采用單總線接口方式，僅需要一個引腳來發送或接受數據，單片機與DS18B20之間僅需要一條數據線。該溫度傳感器測溫范圍為-55℃～+125℃，固有測溫分辨率為0.5℃，工作電壓為3～5.5V/DC，在使用時不需要任何外圍元件，它能夠采集被測物的溫度并通過串行方式傳送給單片機。當單片機給DS18B20發送溫度轉換命令后，DS18B20開始進行溫度轉換，轉換時間與設定的分辨率有關，當設置為9位時，最大轉換時間為3.75ms；10位時轉換時間為187.5ms；11位時為375ms；12位時為750ms。當分辨率設置為9位時，溫度轉換時間短，但是測量精度不高，采用12位分辨率時轉換時間太長，綜合轉換時間和測量精度考慮，本系統在軟件編程時將其設置為11位。該器件具有體積小、質量輕、性能穩定等優點，其各方面都滿足系統的設計要求。在硬件電路上，DS18B20可以用3～5.5V的外部電源供電方式工作，也可以采用寄生電源供電方式工作。當采用外部電源供電時，DS18B20的VDD引腳接外部電源正極，GND引腳接電源負極，DQ引腳通過一個4.7KΩ的上拉電阻與單片機相連；當采用寄生電源供電時，DS18B20的VDD引腳必須接地，DS18B20從單總線上汲取能量，在信號線處于高電平期間把能量存儲在內部電容里，在信號線處于低電平期間由內部電容提供能量，直到高電平到來再給寄生電容充電。當溫度高于100℃時，DS18B20漏電流比較大，采用寄生電源供電可能導致其無法與單片機進行通訊。由于飲水機中的水在飲用之前都要燒開，為了確保系統的可靠性，本系統采用外部電源供電方式，電路原理圖如圖2所示，DS18B20的DQ腳與單片機的P1.3引腳相連，R1為上拉電阻。由于要對飲水機加熱膽中的水進行測溫，先將DS18B20放置在Φ6mm的不銹鋼保護管中，然后填充硅膠增強導熱性，再放入加熱膽中，這樣測量效果比較好。

圖1 系統結構框圖

圖2 DS18B20測溫電路

圖3 DS1302時鐘電路

圖4 EEPROM接口電路

圖5 鍵盤接口電路

圖6 繼電器模塊電路

圖8 漢字字模的提取原理

2.2 時鐘電路

為了增強系統的使用靈活性，使其具備定時加熱的功能，需要增加一個時鐘電路。本設計采用串行接口實時時鐘芯片DS1302為系統提供實時時鐘，它可以對年、月、日、周、時、分和秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V～5.5V，芯片本身具備對備份電池進行涓細流充電的功能，可以延長備份電池的壽命。時鐘電路原理圖如圖3所示，DS1302實時時鐘電路采用32.768KHZ的晶振，與單片機的P2.0～P2.2引腳相連，采用串行數據傳輸。DS1302的VCC1外接3V的紐扣電池，保證在掉電的情況下DS1302也能正常工作。

2.3 數據保存接口電路

當由于某些外界因素如斷電導致系統停止工作時，系統里面如保溫溫度、保溫時間等用戶設定的參數將會丟失，在系統重啟之后需要重新設定，從而造成使用的不方便。所以在用戶完成這些參數的設置之后需要對這些參數進行備份，防止掉電丟失。本設計采用AT24C01芯片，它提供128字節的EEPROM存儲空間，采用IIC總線通信，每次用戶進行按鍵設置之后，將改變的數據復制到AT24C01中，這樣系統每次重啟時直接從AT24C01中讀取相關參數，免去了重復設置帶來的麻煩。EEPROM接口電路原理圖如圖4所示。

2.4 鍵盤接口電路

當飲水機的使用環境改變時，用戶可能需要對系統的保溫溫度、保溫時間和預加熱時間進行相應的修改或者系統的時鐘因外界因素而導致時間顯示錯誤時也需要人為進行修正。本系統通過5個獨立按鍵來實現此功能。由于系統的按鍵個數不是很多，采用獨立按鍵連接方式，單片機的P3.0～P3.4口通過上拉電阻與5個按鍵相連構成系統的鍵盤輸入部分。鍵盤輸入電路原理圖如圖5所示。在軟件設計時采用電平檢測來判斷按鍵是否按下，當檢測到低電平時，說明按鍵被按下，否則，未按下。

2.5 繼電器控制模塊

系統可以采用可控硅、繼電器等作為輸出單元。由于本設計的溫控系統的控制對象為飲水機，其控制精度要求不是很高，采用繼電器作為輸出單元即可滿足設計要求。單片機的P1.2引腳通過電阻R2與三極管S8550基極相連控制繼電器的通斷。由于繼電器線圈在切斷瞬間會產生一個感應電動勢，與電源電壓相加直接加到三級管集電極，容易導致三極管擊穿，所以在繼電器線圈兩端接上一個二極管1N4148抑制感應電動勢。繼電器模塊電路原理圖如圖6所示。

2.6 TFT彩屏顯示模塊

2.6.1 TFT彩屏色彩模式簡介

在TFT彩屏中，一個黑白或單色像素點用一位二進制數表示，一個彩色像素用多位二進制數表示。表示彩色像素的二進制數的位數稱為顏色質量。TFT彩屏顯示的顏色質量可以選擇1位色、8位色、16位色、24位色和32位色。由于系統采用的是8位單片機，其對大批量數據傳輸速度不是很快，再根據飲水機的使用環境對顏色要求不是特別高，所以本設計采用16位色表示一個彩色點。圖7為用1個16位二進制數表示一個彩色點的示意圖，高5位表示紅色所占比例，低5位表示藍色所占比例，其余位表示綠色所占比例，即R5G6B5格式[2]，這樣一共可以組合出65536種顏色。例如，利用該表示方法紅色可表示為1111 1000 0000 0000 B，高5位全1，中間6位和低5位全0，表示紅色部分占100%，綠色和藍色占0%，用十六進制表示為f800H。同理可知黑色可用0000H表示，藍色可用001fH表示。所以只要合理搭配紅綠藍三基色的比例，就可以調出想要的顏色。

2.6.2 TFT彩屏顯示原理及漢字字模的獲取

了解了TFT彩屏像素點顏色的表示方法之后，要把一個漢字顯示在TFT彩屏上，還需要獲取需要顯示的漢字的字模。在UCDOS中文宋體字庫中，每個漢字均由16行16列的點陣組成，即每個字均由256個點來表示[3]。如果把每個點理解為一個像素，把每個漢字的形狀理解為一幅圖像，那么TFT彩屏就可以顯示出任意形狀的字符，通過更改像素點的顏色就可顯示出彩色圖像。利用行掃描的方法，可以獲取任意一個漢字的字模。例如，把“南”字看成一幅圖像，逐行掃描，有筆畫的地方為1，沒有筆畫的地方為0，則“南”字的第一行可用0100H表示，第二行可用0104H表示，第三行可用FFFEH表示，……，示意圖如圖8所示。利用這種方法可用得到任意漢字的字模，依靠人工提取漢字字模比較繁瑣，漢字字模可以通過字模提取軟件來提取。

獲取漢字字模之后，當要把某個漢字顯示在彩屏的某個區域時，只需要通過程序設計對該區域逐行掃描，每掃描一個點，向彩屏發送一次顏色碼，有筆畫的區域發送字體顏色，沒有筆畫的區域發送字體背景顏色，這樣把該區域掃描完之后，就可以把一個漢字顯示出來了。利用該方法，可用將中英文字符、彩色圖像顯示在彩屏的任意區域。

2.6.3 TFT彩屏接口電路

本系統采用的TFT彩屏主控芯片為ILI9325，分辨率為128×160，TFT彩屏電路原理圖如圖9所示。利用該彩屏，通過軟件編程可以設置出一個友好程度很高的界面。TFT彩屏主要顯示當前時間、當前水溫、保溫溫度、保溫時間、預加熱時間和飲水機當前的狀態等內容；在用戶進行按鍵設置時，顯示設置提示。

3.軟件設計

3.1 主程序設計

在一定的控制系統中，首先將需要控制的參數由傳感器轉換成一定的信號后再與預設定的值進行比較，把比較得到的差值信號經過一定規律的計算后得到相應的控制值，將控制量送給控制系統進行相應的控制，不停的進行上述工作，從而達到自動調節的目的[4]。在本系統中可以采用PID控制等控制方法對水溫進行控制，由于本系統的控制精度要求不是很高，考慮到生產成本，本系統在保溫階段采用雙位調節控制對水溫進行控制。雙位調節控制規律是較常用的位置式控制，其作用是不連續的，調節機構只有開和關兩個位置[5]，該控制方法具有簡單易行、成本低廉的特點，在控制精度要求不是很高的場合廣泛應用。

本設計希望通過以STC89C516RD單片機為核心的系統，采用軟件編程，防止飲水機形成“千滾水”，達到節能環保的目的。

3.2 雙位調節控制子程序

圖9 TFT彩屏接口電路

圖10 主程序流程圖

圖11 雙位調節控制子程序流程圖

圖12 環境溫度為22℃，保溫溫度設定為60℃的溫控結果

圖13 自動保溫階段溫控結果

在系統處于保溫狀態時，通過雙位調節控制使得水溫在保溫溫度上下小范圍內波動，如果檢測到水溫低于保溫溫度2℃，閉合繼電器，進行加熱；如果檢測到水溫大于或等于保溫溫度，斷開繼電器，停止加熱。雙位調節控制子程序流程圖如圖11所示，ttest為當前水溫，tset為用戶設定的保溫溫度。

3.3 鍵盤掃描子程序

在本設計中，通過STC89C516RD單片機的外部中斷0進入按鍵掃描程序，當系統的按鍵K3被按下后進入按鍵掃描子程序，再次被下后則退出按鍵設置，在退出按鍵設置時，需要將用戶更改的參數更新到AT24C01中，防止掉電丟失。系統按鍵包括進入/退出設置、左移、右移、加1和減1五個按鍵。通過按鍵用戶可以進行保溫溫度設置、保溫時間設置、預加熱時間設置和系統時鐘設置。在用戶進行按鍵設置時，通過軟件編程讓TFT彩屏顯示設置提示，這樣使得飲水機使用起來更加方便。

3.4 看門狗定時器的設定

當系統的使用過程中受到干擾而失控，引起程序亂飛，或者程序陷入“死循環”，這時需要采用“看門狗”使系統脫離這種狀態。STC89C5 16RD單片機內部自帶一個14位看門狗定時器，當采用12時鐘模式時，由于采用了“預分頻技術”，它的溢出時間=（N*Prescale*32768）/晶振頻率，其中N是單片機的時鐘周期，Prescale時預分頻數，如果采用12MHZ的晶振，通過設置相關寄存器，看門狗溢出時間范圍可設定為65.5ms～8.38s。系統采用12時鐘周期模式，晶振頻率為12MHZ，如果系統在執行過程中不停地喂狗，是比較浪費時間的，為了節省單片機資源，本設計將看門狗溢出時間設定為8.38s。

4.實驗結果

圖12和圖13為室溫22℃下，保溫溫度設定為60℃時，根據系統溫控結果所繪制的曲線。圖中橫坐標為采樣時間（單位：分鐘），縱坐標為溫度（單位：℃）。

實驗結果表明，該溫度控制系統實現了預期設計的目的。在保溫階段，系統采用雙位調節控制，溫度控制精度達到±2℃，防止飲水機在使用過程中形成“千滾水”。

5.結束語

本設計的飲水機溫控系統主要根據目前節能環保的發展趨勢和實際應用的特點和要求，對現行飲水機進行改進，采用單片機，利用軟件編程實現飲水機的智能保溫節電。在保溫階段系統采用雙位調節進行溫度控制，當溫度高于保溫溫度時，停止加熱，當溫度下降到保溫溫度下2℃時，開始加熱，控制水溫在保溫溫度上下小范圍內波動。雙位調節是一種簡單易行的控制方式，具有成本低廉、可靠性強的特點，在控制精度要求不是很高的場合廣泛應用。通過實驗證明該控制方法完全可以滿足系統的使用要求。系統采用1.8寸的TFT彩屏作為顯示部分，利用軟件編程設置了一個友好的界面將飲水機的各項參數顯示出來，使得用戶可以根據彩屏上的提示很方便的通過按鍵對相關參數進行設定，這樣該系統可以滿足不同環境下用戶的使用要求。

本文設計的溫控系統具有穩定性好、易于操作、性價比高的特點，將其稍加改裝即可應用于其他家用電器的控制系統中。

[1]張毅剛,彭喜元,姜守達,喬立巖.新編MCS-51單片機應用設計[M].哈爾濱工業大學出版社,2008.

[2]毛學軍,沙祥.液晶模塊應用[M].電子工業出版社,2010.

[3]靳桅,鄔芝權,李騏,劉全.基于51系列單片機的LED顯示屏開發技術(第2版)[M].北京航空航天大學出版社,2011,4.

[4]汪孝國,王婉麗,祁雙喜.高精度PID溫度控制器[J].電子與自動化,2000(5).

[5]劉春蕾.溫度雙位調節實驗系統的設計[J].河北建筑工程學院學報,1999(02).

[6]8051系列單片機C程序設計完全手冊[M].人民郵電出版社,2006.

[7]余永權,汪明慧,黃英.單片機在控制系統中的應用[M].電子工業出版社,2003.

林奇盛（1992—），男，江西贛州人，現就讀于南昌航空大學測試與光電工程學院，主要研究方向：單片機開發與應用。