一款單片機系統控制的溫控智能水杯設計

侯衛周， 顧玉宗

(河南大學 物理與電子學院，河南 開封 475004)

一款單片機系統控制的溫控智能水杯設計

侯衛周， 顧玉宗

(河南大學 物理與電子學院，河南 開封 475004)

設計了一款具有測溫、保溫、提醒等多重特性的智能水杯。以STC89C51單片機為電路控制核心，對溫控智能水杯系統的鍵盤顯示及接口、DS18B20溫度傳感、報警等硬件電路進行了設計；采用Visual C++6.0作為軟件開發工具進行編程，實現了單片機與LCD1602的接口電路設計；另外用戶可通過紅外遙控對溫控智能水杯進行加熱、定時等多種簡便操作。結果表明：該款智能溫控水杯具有的多重優點,彌補了傳統水杯的不足，能極大地滿足用戶的需求。

單片機系統; 溫度控制; 智能水杯

0 引 言

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，如今的智能水杯產品已絕不是一個簡單的加熱器，而是具有一定科技含量的現代化家電產品。在目前的市場中，還沒有一款同時具備測溫、保溫、提醒等多重功能的水杯。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、提醒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。

1 實驗原理與設計

1.1 控制設計的原理

STC89C51芯片是一款低功耗、高性能CMOS八位的單片機[1-2]，內含8 Kbyte的可反復擦寫1 000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。本設計基于STC89C51型號的單片機優良特性，而智能溫控系統部分的主要核心就是該控制芯片，通過方案擇優確定了電源、鍵盤、編程接口、單片機、幾種指示燈顯示、水溫檢測和報警輸出等可行性模塊，進一步實現智能水杯的設計要求。

1.2 實驗設計

由于STC89C51常采用+5 V電源供電，故要求供電電源單獨設計制作。單片機硬件部分由單片機最小系統配以按鍵、顯示器件構成。限于單片機型號采用12 MHz晶振和兩個30 μF陶瓷平衡電容組成振蕩電路[4]。為使硬件具有通用性，復位電路采用上電與按鍵復位結合設計，獨立式按鍵通過P1口掃描查詢，分別執行設置、加、減、確定等功能。系統還可通過紅外遙控對智能水杯進行控制，以提高整個水杯加熱系統的安全性。系統工作時，首先檢測功能按鍵，進行溫度范圍設置;其次檢測加減按鍵，進行溫度范圍調節，也可以按下紅外遙控器上的按鍵操作，與主板上的按鍵功能一樣，然后執行程序。由傳感器DS18B20檢測水溫，當檢測溫度低于預設溫度下限時，開始加熱；檢測溫度高于預設溫度上限時，停止加熱；并可預約加熱，設定時間0～999 min，定時時間到達開始自動加熱。當水杯內沒有水但溫度還在設置范圍內時，為保證安全，設計加入的防干燒模塊中的水位檢測器可有效預防干燒，若發生報警聲系統自動切斷加熱模塊，以防意外。

2 實驗方案設計

設計采用單片機來實現溫控智能水杯的科技智能化，主要原因是其采用面向控制的指令系統，實時控制的功能比較強。CPU可直接對I/O口進行輸入、輸出操作及邏輯運算，并且具有很強的位處理能力[5]，能有針對性地解決從簡單到復雜的各類必要控制任務。

2.1 設計要求

(1) 用LCD1602液晶顯示水溫、設置上、下限和定時；

(2) 水溫檢測的顯示范圍在0～99 ℃；

(3) 溫度預定范圍為0～99 ℃，當測試水溫溫度低于預定溫度時，加熱系統開始啟動，而測試的水溫溫度高于預定溫度時，電路自動切斷并停止加熱；

(4) 設置4個程序按鍵，分別為“設置按鍵”“加鍵”“減鍵”“確認鍵”等；

(5) 能通過紅外進行遠程(≤10 m)遙控功能，利用水杯內的紅外一體接收探頭接收遙控器發來的信號，來執行相應的功能和需求；

(6) 防干燒模塊在水位檢測模塊作用下能有效預防水杯干燒。

2.2 實驗設計方案

(1) 以單片機STC89C51為控制核心的智能電熱水器。本研究主要以單片機STC89C51為控制核心部分，外圍配有時鐘、按鍵、顯示器件、復位等必要電路，最終溫控智能水杯系統的執行框圖如圖1所示。

圖1 系統設計框圖

(2) 以PIC16C72單片機為控制器件的智能電熱水器。PIC16C72是Microchip公司推出的8/11位單片機。雖然該芯片功能很強大，但也存在需要改進的地方：中斷的現場保護是中斷應用中一個很重要的部分，而PIC16C72的指令系統中沒有專門的PUSH(入棧)和POP(出棧)指令，需要另用一段程序來實現該功能；另外其內部的控制繼電器如果用直流對電機進行控制，其轉速過快，過調量大，易引發震蕩現象。

因此通過兩種設計方案的比較和優化，且考慮設計成本及軟硬件實現的難易程度，本設計采用方案(1)。

3 系統硬件設計

單片機應用系統的硬件設計包含兩部分：

(1) 系統的擴展。單片機內部如ROM、RAM、定時器/計數器、I/O、中斷系統等功能模塊無法滿足系統要求時，必須在STC89C51的芯片外圍進行適當擴展，并設計相應的擴展電路。

(2) 系統的配置。按系統功能的要求配置顯示器、打印機、鍵盤等相應的外圍設備[6-8]，同時還需要設計合適的接口電路進一步保障設計的最終實現。在考慮設計成本和實現的難易程度前提下，在本設計中，僅用單片機的最小系統外加鍵盤、顯示、ISP接口等電路，單片機本身資源基本能滿足本設計的一些需求，因此對單片機外圍不必進行擴展，最終該溫控智能水杯內的系統硬件電路設計較為實用。

3.1 系統硬件電路

系統的硬件電路以STC89C51單片機為核心，主要分直流穩壓電源和智能電熱水器控制電路兩部分。而智能水杯內的電加熱系統由時鐘、報警、復位、溫度檢測和顯示接口等重要電路部分組成。

(1)電源電路。電源設計是本智能水杯加熱系統設計的重要環節。電源穩定與否直接關系到電路是否能穩定工作。按要求需一個+5 V電壓和一個+12 V左右可調電壓。LM317是三端穩壓集成電路，最大輸出電流為2.2 A，輸出電壓范圍為1.25～37 V。本設計采用的LM317三端穩壓集成器具有輸出電壓Uo可變，性價比較高且工作時的輸出電壓穩定可靠等優點。電源電路的設計目的是為了給單片機及其外圍控制電路提供合適的穩定電壓。

(2)鍵盤接口電路。設計中I/O口線采用的是單個按鍵電路，構成了獨立式按鍵，其中每個獨立按鍵分別占用一根I/O口線，其他I/O口線的工作狀態不受該按鍵工作的影響，開始時每個按鍵的輸入均需預置為低電平有效；另外在按鍵斷開時，上拉電阻保證了I/O口線的uH(高電平)是確定。設計的獨立式按鍵的軟件常通過查詢式方式進行訪問和查找，先逐位查找所有I/O口線的輸入工作狀態。若當有一根I/O口線的輸入電平為低時，則可判斷該I/O口線所對應的按鍵已執行了相應的“按下”操作，進而轉向該鍵所對應的功能處理程序。

(3)報警電路。當溫度超過上限時電路會報警，表明水溫過高，系統發出報警聲，以提示用戶要注意安全，報警電路設計如圖2所示。

圖2 報警電路

(4)水溫檢測電路。智能水杯的溫度檢測核心采用型號為DS18B20實時溫度傳感器[9-10]。DS18B20溫度采集模塊是達拉斯公司生產的一款線式數字溫度傳感器，具有三引腳的TO-92小體積封裝形式，對于溫度值的位數具有較高分辨率，能準確采集水杯內電熱水器的實際溫度，從而使系統設計更精確和靈活。單片機與 DS18B20溫度傳感器通過1-Wire協議進行數據通信，最終將DS18B20溫度數值通過STC89C51單片機引腳P2.2口實現數據串口通信實現讀數，而本設計控制的對象為智能水杯中的水溫。系統中的水溫檢測電路如圖3所示。

圖3 水溫檢測電路

在溫度傳感器工作時，如果水溫超過60 ℃，將溫度信號傳給單片機，蜂鳴器報警，自動切斷電源；如果水溫低于30 ℃，水杯的電熱水器開始工作，加熱指示燈自動亮起。

(5)紅外一體接收模塊。智能水杯系統內的紅外傳感器接收到紅外信號并經處理后輸出給單片機引腳P3.3口，通過對P3.3口電平的判斷，來實現對單片機外圍電路的控制，如液晶顯示時間等。紅外遙控接收模塊外圍電路如圖4所示。

圖4 紅外遙控接收模塊外圍電路

3.2 顯示電路

櫻桃番茄播種適期是根據當地終霜期早晚、栽培品種與目的、苗床以及分苗次數等情況來確定。一般春季露地栽培，以當地終霜期往前推算60～70天為適宜播種日期。可利用陽畦、溫床、溫室等設施育苗。播前應進行種子處理，多實行普通的溫湯浸種，或采用藥劑浸種。將浸過的種子放在25～30℃的環境下，2～3天即可出芽。選晴天上午播種，先澆底水后再播，可撒播，播種要均勻，覆土厚度不超過1厘米。利用營養缽和育苗盤育苗的，先將容器裝滿營養土，整齊的擺放在畦內，然后澆透水，每穴播2～3粒種子，播種后覆土，然后加蓋地膜或小拱棚，以利增溫和保濕。

在該溫控智能水杯加熱系統中，用LCD作為顯示部分，主要是設定時間和溫度的顯示。本設計選擇JHD162A作為液晶屏的顯示驅動控制器。按照1602液晶顯示(又稱LCD 1602)模塊電路的實際工作原理，設計出的STC89C51單片機與LCD1602的接口部分如圖5所示。其中1602液晶顯示有不帶背光的14個引腳或帶背光的16個引腳的接口，本設計采用帶背光的16個引腳的接口，由于篇幅有限，各引腳接口的詳細說明在此略；LCD1602模塊的讀寫、屏幕和光標等操作都是通過指令程序來完成的；另外LCD1602模塊內部的控制器共有11條指令，指令詳情讀者可查相關書籍。

圖5 單片機與LCD1602的接口電路

3.3 STC89C51單片機的最小系統

該溫控智能水杯的核心控制部分主要受單片機的最小系統來控制。設計采用了STC89C51型單片機，其最小系統由STC89C51單片機及其外圍電路構成，其中的外圍電路主要包括時鐘、復位等兩部分。

時鐘電路包含一個用于構成內部振蕩器的高增益的反相放大器，該放大器與STC89C51芯片外的石英晶體或陶瓷諧振器一起構成自激振蕩器，目的為單片機提供一個基準時序脈沖信號[11]。其中對預設和檢測到的溫度值等運算與控制過程均是在單片機產生的統一時序脈沖信號驅動下來完成的；如果單片機的時鐘電路停止工作(晶振停振)，那么單片機也就自動停止運行。

復位電路分上電復位和按鍵手動復位。它是利用在復位管腳上外接電阻和電容構成的外部復位電路來完成上電復位操作的。要求Ucc電壓上升時間t不超過1 ms(注：時間常數τ=RC)，振蕩器啟動時間不超過10 ms。在加電時，該電路可以使單片機復位。在對單片機通電啟動時，RST(稱為復位管腳)上的電位從Ucc逐漸下降，RST管腳上的電位是Ucc電壓大小與電容電壓uC的差值，RST管腳上的電壓必須保證高于施密特觸發器的閾值電壓uT的時間足夠長，才能滿足復位電路的基本要求。為滿足溫控智能水杯及外圍電路簡單實用的要求，在設計中采用了上電和按鍵手動兩種方式同時結合的辦法來實現單片機復位。單片機復位后，單片機內部的一些專用寄存器狀態從0000H單元開始執行程序，同時使一些專用寄存器初始化為復位狀態值。受影響的具體寄存器狀態詳見表1。

表1 專用寄存器狀態

基于上述優化方案和系統硬件電路的實現，最終設計的單片機最小系統電路原理圖如圖6所示。

圖6 單片機最小系統電路原理圖

4 軟件程序設計

軟件部分主要是在Visual C++6.0的子編程環境進行程序設計的[12]。該智能溫控系統的程序設計主要包括由主程序、鍵掃描子程序及若干功能模塊子程序。其中主控制器子程序包括A/D轉換子程序(水溫、水位)、鍵盤處理及顯示子程序、加熱控制子程序(使用輸出比較功能)、漏電保護子程序等。主程序首先要對單片機內部的定時器及端口、COP模塊、A/D轉換、鍵中斷等的工作參數進行系統初始化設定，接著系統的主程序循環調用各功能模塊的子程序，對相關事件的處理憑借標志位及判斷標志位來執行和實現。由于涉及多方面技術原因，本文軟件設計的VC++6.0程序詳細代碼不予以給出，具體程序設計構架(流程)如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

5 實驗結果的調試

溫控智能水杯調試過程如下：

(1) 智能水杯系統開始上電，現觀察杯中溫度為23.6 ℃(見圖8)，若預設上限溫度為35 ℃，下限溫度為28 ℃，時間為2 min。當前溫度不在設置范圍內，應當加熱，但設備并未進行加熱，此時紅色指示燈亮，表明水杯現在處于缺水狀態，系統自動檢測并防止干燒。左下方的指示燈表示水位沒有達到上限值，該指示燈起到報警作用。圖8所示為水杯加熱但杯中水位未達上限時的調試電路。

(2) 給水杯注水，使其達到水位的上限值，此刻缺水指示燈熄滅，加熱棒開始加熱，左上方指示燈(黃燈)亮起。加熱棒通過繼電器來控制的，輸入信號分別是“0”和“1”，繼電器的通與斷是由溫度傳感器DS18B20采集處理相應溫度數據后，通過引腳2輸出并送給單片機，單片機將其與設定溫度進行比較判斷后產生控制信號，來控制繼電器的通斷。加熱有水時的調試電路如圖9所示。

圖8 加熱但杯中水位未達上限的調試圖9 有水且在加熱的調試

(3) 水溫上升并超過下限溫度，且未達到上限溫度時，杯中水繼續加熱。當水溫繼續上升，并超過上限溫度時，加熱指示燈(黃燈)熄滅，停止加熱。該過程的調試電路如圖10所示。

(4) 本設計還可利用紅外遙控來進行時間、上、下限溫度等設置的簡便操作。智能溫控水杯的最終設計成果如圖11所示；左下角是紅外遙控，其中主要的按鍵“C”是用來進行“選擇”操作，“+”和“-”鍵分別代表對預設溫度進行“加和減”的操作。

圖10 水溫未超上限的調試圖11 最終設計成果

通過圖8～10可看出,本研究實驗設計的溫控水杯具有加熱、保溫、提醒等智能特性的優勢。

6 結 語

本研究是基于STC89C51單片機為控制核心的溫控智能水杯設計，主要包括設計方案的擇優和電源、鍵盤接口、報警、水溫檢測等硬件電路的設計制作及單片

機最小系統、軟件程序設計等方面的研究，同時還對智能水杯系統進行了一些必要的電路測試。該溫控智能水杯具有如下特點：①可通過紅外遙控實現對水溫的控制，也能通過水杯上的按鈕實現對水溫的控制。②既可預設下限溫度又能預設上限溫度，溫控智能系統操作簡便，能進一步確保飲水者的身體健康。③能預約加熱時間，節能又省時。④溫控智能系統具有防干燒損壞的元器件模塊，以防意外發生。⑤為以后的智能研究提供一個研究思路和方向。結果表明：采用單片機控制系統為核心，利用溫度傳感器、和繼電器等電路成功設計的溫控智能水杯具有多重智能優點，能進一步滿足用戶的使用需求，市場前景比較可觀。

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Design of an Intelligent Cup Controlled by Microcontroller System

HOUWeizhou,GUYuzong

(School of Physics and Electronics, Henan University, Kaifeng 475004, Henan, China)

In order to meet the needs of users, an intelligent cup was designed to have multiple functions such as measuring temperature, heat preservation and temperature alarm. The STC89C51 microcontroller was selected as the core, the keyboard display and interface, and DS18B20 temperature sensor and alarm etc other hardware circuit were innovative designed. Using Visual C++6.0 as development tool and programming, the interface circuit realized successfully communication between microcontroller and LCD1602. Additionally, users could flexibly operate the heating and timing by infrared remote control. The design results showed that the intelligent cup has multiple intelligence advantages, it can make up for the defects for traditional cups, greatly meet the needs for users.

microcontroller system； temperature control； intelligent drinking cup

2016-07-26

國家自然科學基金項目(21173068)；2015年河南省省級教學團隊資助項目

侯衛周(1973-)，男，山西永濟人，副教授，現主要從事電子線路設計與研究、電子電路仿真研究。

Tel.: 13569509212；E-mail: hwz204@163.com

TN 99

A

1006-7167(2017)03-0070-05