一種單片機控制的溫度可調溫奶器設計

魏甜甜

摘 要：嬰幼兒溫奶器是當前新型的實用小家電，具有廣闊的市場和發展空間。文章引入單片機作為嬰幼兒溫奶器的控制模塊，設計可設定溫度范圍的模式，并加入顯示模塊和音樂提醒。操作方便、簡潔，集多種功能于一體，經驗證可行性和市場推廣性較高。

關鍵詞：AT89C5131；溫度傳感器；溫奶器

引言

隨著人們的生活節奏加快，對嬰幼兒的喂養標準和需要也越來越高。當前市場上廣泛推廣的是一種集保溫、加熱于一體的自動溫奶器。一種是采用機械式溫控器直接串聯在加熱電路里，通過雙金屬片作為感溫元件控制加熱溫度；另外一種則利用震蕩電路的延時，控制電路保持設定好的溫度，采用電阻率隨著溫度變化而變化的熱敏電阻作為感溫元件對電路實行溫度控制，保證原溫度的恒定。

這樣的溫奶器方便快捷，操作方便，保證可以隔水加熱的流質保持在一定合適的溫度，大大方便了嬰幼兒的喂養工作。然而傳統的嬰幼兒喂養方式已經被現在的科學研究所詬病。正確沖調配方奶粉的方法是：先在奶瓶中加開水，然后放入適量的奶粉，接著放在冷水下沖奶瓶，迅速使奶粉降溫，待到合適溫度的時候再喂養嬰幼兒。這樣奶制品中的乳蛋白、核苷酸、脂肪等營養物質才不會被破壞。而由于這樣的沖調方式溫度很難把握，很多家長甚至會因為忙于其他事情而將奶放涼，需要再加熱。奶制品不可重復加熱，熱處理會降低乳的穩定性，導致這種穩定性降低的最重要原因是乳蛋白之間產生了復雜的相互作用[1]。變性的乳蛋白對嬰幼兒的身體有很大傷害，因此需要一個聲光提醒的保溫、快速降溫至合適溫度且可設定溫度和切換加熱模式的設備。

1 溫度調節溫奶器結構設計

文章在傳統溫奶器加熱原理的基礎上進行改良，采用單片機作為控制器，加入溫度顯示模塊、溫度調節模塊、聲光音樂模塊、加熱/快速降溫模塊。這里加熱保溫使用低溫瓷片式加熱片增大受熱面積使其加熱均勻，在保溫底座加裝一個直流風扇，通過加速空氣流動起到快速降溫的目的。具體功能框圖如圖1所示。

圖1 溫度調節溫奶器功能框圖

這里選用ATMEL公司的AT89C5131作為控制器。AT89C5131是一個基于52內核的單片機[2]。外部選用DS18B20作為感溫元件的數字溫度傳感器，該芯片采用單總線的接口方式與微處理器連接，實現雙向通訊，加裝一個LCD顯示設定的溫度和功能模式，其中I/O口P1.5連接溫度傳感器；P2.2連接音樂模塊待溫度到設定數值時播放兒歌；P3.5～3.7連接LED指示燈用于溫度報警，開機正常運行等；P2.5連接加熱芯片，P2.6連接快速降溫風扇；P0.0～0.7連接LCD顯示器。AT89C5131擁有一個允許與8*N矩陣鍵盤連接的鍵盤接口，其輸入均具有高或低電平可編程中斷能力[3]，P1.1～1.3及P3.3、P3.4連接按鍵。此外，AT89C5131還外接了一些諸如電源，驅動電路等外設。

2 溫度調節溫奶器軟件設計

2.1 設計思路

軟件在硬件電路設計的基礎上，針對其特點采用功能模塊的形式，主要采用中斷與子程序調用相結合的總程序結構編寫下位機軟件。文章采用C語言開發，開發環境是LEIL軟件公司的KEIL？滋Vision4。軟件總體上呈現出良好的條理，清晰的結構和可擴展性等特點。

2.2 功能介紹

文章要實現的溫度可調溫奶器要實現的具體功能如下。

（1）通過按鍵可設定保溫的溫度范圍，而不是具體的某一溫度，這樣用模糊控制的算法避免了控制器的誤操作和誤報警；

（2）設定三種運行模式：快速降溫模式、一次保溫模式、基礎保溫模式。可針對不同的食品采用不同時間，不同的低溫加熱模式。啟動快速降溫模式的時候，底座的降溫風扇運行，使得食品快速降至設定溫度范圍，風扇停止。一次保溫模式自動運行，加熱片運行保持溫度恒定。可手動也可自動運行；

（3）因嬰幼兒食品的特殊性，要盡量保證營養的最少流失。奶制品忌反復加熱，故程序設定奶類制品僅加熱一次，加熱時間控制在5分鐘；

（4）用LCD顯示設定的溫度范圍及所選的模式代碼，可以使用戶操作更方便；

（5）保溫、加熱時間到采用指示燈和兒童歌曲的提醒模式，更有童趣。

2.3 程序流程

文章主體的編程思想是利用模塊子程序調用和中斷系統。系統上電進入初始化狀態，首先調用顯示子程序開機自檢，意在顯示保溫底座的溫度、加熱模式和設定的溫度范圍。如果此時需要加熱或者保溫的食品已經放在保溫底座上面，程序掃描是否到設定的時間，時間到了之后，開始進行鍵盤處理和溫控程序。

（1）模式選擇：按下鍵盤設定運行模式，如果是快速降溫模式，系統實時采集溫度，如果不在系統設定的溫度范圍啟動散熱風扇。風扇的速度用頻率控制，用中斷定時編制出一定的頻率從IO端口輸出，實現四個階段的風速，根據接近設定溫度的不同自動調整風速，以期能更快速精準進入適合的溫度范圍。

（2）溫度設定：鍵盤如果開始設定溫度范圍，鍵盤被按下，系統進入到實時溫度采集階段，CPU計算處理顯示，同時將實時的溫度數據送到之前鍵盤設定的溫度范圍內進行比較，如果在此范圍內，說明溫度已經到合適范圍，則啟動音樂聲光程序提醒使用者保溫完畢。

根據功能要求，根據鍵盤設定的加熱模式，程序跳轉至相應的子程序：一次加熱模式和重復加熱保溫模式。

3 產品生產可行性分析

文章介紹的溫度可調溫奶器還在設計試驗階段，是否能夠進入產品生產階段還需要進行一系列的市場調查和產品測評。目前的試驗階段可行性分析如下。

（1）功能性分析：試驗階段基本功能均可實現，溫度誤差控制在 2℃以內，加熱和快速降溫時間在3分鐘到5分鐘之間，根據所要保溫加熱食品的不同可在設計階段通過軟件設定；

（2）經濟性分析：該設計的硬件結構簡單，成本低，主控電路體積小，可適用于大規模生產；

（3）安全性分析：電路供電+5V，采用220V交流電源經交流適配器轉換為直流低壓供電，機身無觸電危險；加熱模塊為低溫加熱，無燙傷隱患，安全性能優越。

4 結束語

該溫度調節溫奶器不同于傳統加熱，用單片機控制更穩定高效且操作方便。經過反復調試和實驗，該系統性能完全達到各項設計指標要求。由于采取了模塊化的結構設計和編程，其具有較好的靈活性和擴展性。

隨著嬰幼兒喂養要求的普遍提高，亟需簡單、高效、集多種功能一體的小家電，文章所選取的單片機具有較強的軟硬件開發能力，今后還可以在現有的溫度可調、加熱模式可選的基礎上擴展出更多的實用功能。

參考文獻

[1]王鵬杰，張昊，郭慧媛，等.熱處理對乳蛋白相互作用的影響研究進展[J].中國乳業，2012，7.

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[4]基于USB的數據采集系統設計[D].蘇州：蘇州大學，2009，6：24-34.

[5]劉瑩，董春曦.基于AT89C5131的接口設計[J].現代電子技術，2009，

12：28-30.

[6]龔運新.朱芙菁單片機技術與應用[M].南京：南京大學出版社，2009：209-260.