基于單片機的智能溫度調節杯

何興陽 高巧楠 李維平 王碧霞 周慧

摘要：水溫自動控制技術在工業生產、生活中發揮著重要的作用。本文利用STC89C52單片機設計了一種可控溫水杯，可在多種氣溫環境下，根據用戶的需求設定杯內溫度，調節溫度實現控溫。可控溫水杯能滿足長途旅游、出差工作中熱水、涼水的輕松切換，并對水溫實時監測。基于單片機的智能水溫杯具有可靠性高、價格低、簡單易操作于一體的特點，具有一定的實用價值。

關鍵詞：溫度調節;單片機;水杯

中圖分類號：TP30? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）16-0179-04

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

Controllable Temperature Regulator Cup Based On Single-Chip Microcomputer

HE Xing-yang， GAO Qiao-nan， LI Wei-ping， WANG Bi-xia， ZHOU Hui

（College of Information Science and Technology， Gansu Agricultural University， Lanzhou 730070， China）

Abstract： Water temperature automatic control technology plays an important role in industry production and life. This paper uses STC89C52 single chip computer to design a controllable temperature Water Cup， which can set the temperature in the cup according to the user's demand and adjust the temperature to realize temperature control under various temperature environments. Controllable Temperature Water Cup can meet the long-distance travel， business trip， easily switch between hot water and cold water ， and can get a real-time water temperature. The intelligent water temperature cup based on single chip microcomputer has the characteristics of high reliability， low price， simple and easy operation， and has certain practical value.

Key words： Temperature Regulation; Single Chip Computer; Water Cup

信息采集控制是現代信息技術最主要的技術之一，而溫度控制器技術屬于現代信息技術中發展較為先進的代表。溫度控制器可根據設定溫度和所需溫度之差來控制，從而實現溫度調節控制，近些年來由于科技的發展已廣泛應用到科研、生活、農業等眾多領域。

本設計采用STC89C52單片機為核心控制電路， 設計了一款滿足現代日常生活及用戶需求的智能溫度調節杯，它可在不同的氣溫環境下，依據用戶的需求設定需求的水溫溫度及杯內水溫溫度差來控制加熱制冷管工作，從而調節溫度達到需要。

1 設計思路及步驟

1.1 總設計方案

系統設計中以STC89C52單片機為控制核心來實現溫度控制系統，采用液晶顯示器顯示溫度測量值。檢測的溫度范圍：極限溫度域-40℃-100℃;正常使用值大約為25℃—90℃。如果溫度超過預設值時能警告蜂鳴器發出聲音。溫度的設定可以通過外設輸入，溫度的控制采用單片機自動控制溫度，控溫精度±3℃。

基于單片機的智能溫度調節杯以水溫為被控對象，單片機STC89C52為主要元件。這個控制按功能分液晶顯示器、控溫系統、外設調節按鍵、警告LED及蜂鳴器。溫度傳感器利用電子溫度計對溫度進行監測，并將A/D返回給CPU然后在屏幕上顯示。調節水溫可利用外設按鍵來預定溫度，CPU根據實時水溫和用戶預定的溫度計算差值，通過控制兩端可加熱銅絲的開關調節水溫。如果溫度超出預設范圍，警告器件就會發出警告。本系統以Altium designer開發工具[1]，Microsoft vc6.0，C++作為編程語言，寫入程序對各個模塊進行調節控制，最后進行仿真設計，利用Altium designer設計框架如圖1。

1.2 設計預期

這種調節溫度域極限大約為-40℃-100℃，而在正常使用下閾值大約在25℃到90℃，可用模擬溫度傳感器來將測得溫度轉換成模擬信號傳輸給單片機系統，然后通過A/D轉換器來轉換成數字信號，從而控制驅動器工作，進而達到目的，在移動設備如（水杯）加入高效率鋰離子電池來實現驅動電源，在杯壁左側加入加熱銅絲，而在另一方加入半導體制冷材料，在底部設置顯示設備及自定義控制設備，進而通過不同的檔位選擇不同的溫度，在杯底加入溫度傳感器來實現溫度可控，達到預期溫度時來將信號反饋給單片機。設計中的智能水溫調節器程序可實現溫度調節器自動工作，且達到上限時可做到警告及自動切斷電源，將這種設備用于水杯中可以隨時隨地實現水溫可控，最低溫度能適用于不同季節，如需飲用冰涼一點的水，最低可將溫度調節至20℃，冬季想飲用熱水，最高90℃是不同海拔最低水溫，這種溫度調節的水杯應該是非常實用的且大眾需要的，有利于使用者攜帶，體積小，無毒無害，可回收利用。

2 系統硬件設計

2.1 時鐘電路

STC89C52單片機內部有一個用于震蕩反相放大器，引腳分別是放大器的輸入端和輸出端，LC振蕩器或互感諧振器與其他兩個相匹配的電容設計成一個自激振蕩電路，為單片機提供時間提示，如圖2所示[2]。

2.2 復位電路

CPU中的復位電路是用來讓電路恢復到初始狀態的電路，其操作原理與計算器歸零相似，啟動原理和控制方式簡單易上手。它就是利用電路恢復到最開始的狀態。功能類似計算器的清零按鈕，可以回到原始狀態然后重新計算。這個系統利用外部按鍵恢復復位，如圖3所示。

2.3 鍵盤輸入電路設計

由于本系統所需按鍵數目不多，為使得系統簡單鍵盤輸入電路采用了獨立鍵盤。如圖4所示，鍵盤設置了4個功能鍵。當第一次按鍵時，此時可設置恒定溫度;實時數據加1;如果按住4鍵時，實時數據減1;如果按住2時，等待調整值右移，進入下一個數的調整;當第二次按下1，系統退出恢復復位狀態。依據用戶的需求設定需求的水溫溫度及杯內水溫溫度差來控制加熱管及制冷管工作[3]。

2.4 電子液晶電路設計

利用LED屏幕顯示來收集的溫度數值和預定的溫度數值。如圖5所示，單片機P0控制，經過阻值為10k?的電阻連接。由單片機控制讀寫信號線，由單片機P2.6口控制，在杯壁左側加入加熱銅絲，而在另一方加入半導體制冷材料，在底部設置顯示設備及自定義控制設備，進而通過不同的檔位選擇不同的溫度，依據用戶的需求設定需求的水溫溫度及杯內水溫溫度差來控制加熱制冷管工作。

在杯底加入溫度傳感器來實現溫度可控，達到預期溫度時來將信號反饋給單片機。設計中的智能水溫調節器程序可實現溫度調節器自動工作，且達到上限時可做到警告及自動切斷電源。實現操作流程如圖所示，當p0跟vcc正常接入正電源時，系統操縱p04和p07將A/D信號用數字顯示在屏幕上[4]。

2.5 采集水溫電路設計

設計采用內部供電，VCC接3.5v電源，GND接地。溫度采集電路中選用了DS18B20數字溫度傳感器，其體積小，精度高，抗干擾能力強。VCC直接與單片機端口P3.7相連。

2.6 警告電路設計

如果設置的溫度與實時溫度不符合時，先將模擬信號轉換成數字信號，然后傳給CPU，CPU利用存儲器ROM。此時報警系統的led燈跟蜂鳴器通電就可以工作。LED和蜂鳴器通電進行提示工作[5]。

2.7操控溫度電路設計

在溫度控制電路的設計中，選擇了可控加熱銅絲，MOC3031m這個操作溫度電路可將電容跟電阻實時電壓。傳給CPU，利用外設鍵可調節電爐的溫度來實現加熱目的。這時候需要考慮半導體材料的耐熱線此時的電壓相同。半導體材料可以正常工作。來反饋給液晶顯示屏，可以實時觀測到電爐的溫度，然后利用按鍵來提高和降低電路的溫度來控制水溫 。

3軟件設計

3.1主程序設計

主程序包括溫度采集顯示，鍵盤掃描，控制和報警。可以利用單片機的仿真軟件keil來對單片機的可操作性跟可靠性進行實時的模擬[6]。然后利用C語言匯編語言進行軟件設計。寫出相應的代碼，在電腦上運行。若無錯誤。則可寫入CPU。依據用戶的需求設定需求的水溫溫度及杯內水溫溫度差來控制加熱制冷管工作。

3.2顯示模塊程序設計

程序流程圖如圖11所示，在系統開始前，我們先用復位電路先將整個系統初始化，然后利用時鐘電路讀取實施溫度。將溫度模擬信號轉化成數字信號傳給CPU，CPU將利用液晶顯示器用數字的形式顯示在屏幕上，用戶可利用外部按鍵。調節水溫高低。 本設計采用STC89C52單片機為核心控制電路， 設計了一款滿足現代日常生活節奏及用戶需求的智能溫度調節杯，它可在不同的氣溫環境下，依據用戶的需求設定需求的水溫溫度及杯內水溫溫度差來控制加熱制冷管工作，從而調節溫度達到需要。

3.3鍵盤掃描模塊程序設計

使用按鍵按下，然后即可釋放，在閉合和分開的時間需要超過20ms。前沿振動消失后檢查按鍵是否閉合;當接到按鍵松開信號后，振動消失后再檢測下一次按鍵的閉合。鍵入程序流程圖如圖12。

3.4警告模塊程序設計

警告模塊程序設計中首先是對溫度進行判斷，超出上限溫度或下限溫度時，再進入警告程序。

3.5 PID溫度控制程序

4 項目意義與實現功能

信息采集控制是現代信息技術最主要的技術之一，而溫度控制器技術屬于現代信息技術中發展較為先進的代表。溫度控制器可根據設定溫度和所需溫度之差來控制溫度，從而實現溫度調節控制，近些年來由于科技的發展已廣泛應用到科研、生活、農業等眾多領域。

本設計采用STC89C52單片機為核心控制電路， 設計了一款滿足現代日常生活節奏及用戶需求的智能溫度調節杯，它可在不同的氣溫環境下，依據用戶的需求設定需求的水溫溫度及杯內水溫溫度差來控制加熱制冷管工作，從而調節溫度達到需要。此系統可用于各種水溫控制項目，隨時隨地調節水溫，供用戶使用，在這個設計中，最難突破的是在于制冷環節，我們可將時鐘電路和復位電路連接在一起，然后連到制冷管上控制其正常運轉。

5 總結

利用STC89C52單片機及PID算法控制溫度，實現溫度調節器能夠自動工作，且達到上限時可做到警告及自動切斷電源，控制驅動器工作。設計中利用高效率鋰離子電池來實現驅動電源加熱銅絲，加入半導體制冷材料，設置顯示設備及自定義控制設備，進而通過不同的檔位選擇不同的溫度，在杯底加入溫度傳感器來實現溫度可控，達到預期溫度時來通過數字信號來反饋給單片機。這種設備用于水杯中可以隨時隨地實現水溫可控，方便人們使用。

參考文獻：

[1] 王迎旭.單片機原理與應用[M].2版.北京：機械工業出版社，2012.

[2] 郭天祥.新概念51單片機C語言教程：入門、提高、開發、拓展全攻略[M].北京：電子工業出版社，2009.

[3] 戴永.微型計算機控制技術[M].湘潭：湘潭大學出版社，2009.

[4] 賈宗璞，許合利.C語言程序設計[M].徐州：中國礦業大學出版社，2007.

[5] 康華光，鄒壽彬.電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2000.

[6] 三恒星科技.MCS-51單片機原理與應用實例[M].北京：電子工業出版社，2008.

【通聯編輯：梁書】