基于單片機的太陽能儲能智能恒溫外賣柜設計

吳牧原 翟娟 彭伊辰 葉木森 顧磊

摘? 要：近來國內各地疫情頻出，人們的飲食方式也隨之改變，外賣愈發成為更多人的選擇，針對外賣的保溫問題，設計了一種基于STC89C52RC為控制核心的智能恒溫外賣柜。該裝置利用太陽能儲能元件驅動單片機，通過溫度傳感器檢測箱內溫度并進行控制，并且利用鍵盤、LCD1602液晶顯示器、NRF24L01無線傳輸模塊等實行智能操作。實驗結果表明，基于此單片機的恒溫外賣柜，減少了人力成本，實現了智能控制。

關鍵詞：STC89C52RC；太陽能鉛酸蓄電池；恒溫控制系統；LCD1602液晶顯示器；NRF24L01

中圖分類號：TP368.1? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-4706（2023）08-0175-04

Abstract： Recently， epidemics have occurred frequently in various parts of the country， and people's diet has also changed. Takeaway has become more and more people's choice. To keep the temperature of takeaway， an intelligent thermostatic takeaway cabinet based on STC89C52RC which is the control core has been designed. This device uses solar energy storage element to drive Single-Chip Microcomputer， and temperature inside the box is detected and controlled by a temperature sensor， and it uses keyboard， LCD1602 display and NRF24L01 wireless transmission module and other modules to implement intelligent operation. The experiment results show that thermostatic takeaway cabinet based on this Single-Chip Microcomputer reduces costs and realizes intelligent control.

Keywords： STC89C52RC; solar lead-acid battery; thermostatic control system; LCD1602 display; NRF24L01

0? 引? 言

隨著疫情的反復爆發以及國家的相關政策發布，國內的餐飲行業遭遇寒冬，這導致外賣行業迅速發展壯大，外賣的用戶規模正逐漸增大。外賣給人們的日常飲食帶來了便捷，但商家、騎手和顧客之間發生爭執的現象屢見不鮮，往往是因為取餐的時間和地點產生爭吵，也有一些上班族不能及時取餐。經過市場調查，市面上的恒溫外賣柜大都造價昂貴、耗電量大。針對此類現象，設計一款結構簡單、成本低廉、智能化的恒溫[1]外賣柜。

本設計以STC89C52RC單片機為微處理器控制核心，采用太陽能鉛酸蓄電池作為供電模塊，包括DS18B20溫度傳感器、LCD1602液晶顯示模塊、NRF24L01無線傳輸模塊、矩陣鍵盤模塊、繼電器模塊、數模轉換模塊，實現了設置溫度、檢測溫度、液晶顯示、無線傳輸等功能。

1? 系統的總體設計

本設計的控制核心是STC89C52RC單片機，主要由太陽能鉛酸蓄電池供電、矩陣鍵盤設定溫度值、LCD1206液晶顯示界面、溫度傳感器檢查實時溫度、NRF24L01無線模塊傳輸數據、LED亮滅警示過限、繼電器驅動加熱電路等模塊組成。其總體設計框圖如圖1所示。

系統的工作流程是：首先，用戶可通過矩陣鍵盤設定恒溫外賣柜中的期望溫度值，DS18B20溫度傳感器會不斷實時檢測溫度值并送入A/D轉換器；然后，當實時溫度大于（或小于）期望溫度值時，繼電器吸合并驅動加熱電路工作（釋放停止加熱）。

2? 硬件模塊電路設計

硬件模塊的電路原理圖如圖2所示，包括單片機最小系統、溫度傳感器、LCD1602顯示模塊、矩陣鍵盤模塊和繼電器模塊。其中，單片機選用STC89C52RC微處理器，溫度傳感器選用DS18B20，矩陣鍵盤選用行列式鍵盤。

2.1? 微處理器STC89C52RC

本設計的微處理器選擇STC89C52RC單片機，它是由STC公司生產的一種CMOS8位微控制器，具有8 K字節可編程Flash存儲器、512字節RAM、32位I/O口線、4 KB的EEPROM、3個16位定時器/計數器、4個外部中斷、1個7向量4級中斷結構、全雙工串行口。

2.2? 太陽能蓄電池供電模塊

本設計的供電模塊使用太陽能電池板和鉛酸蓄電池兩個元件。太陽能電池板光伏發電之后，向鉛酸蓄電池充電，鉛酸蓄電池再向單片機供電。儲能裝置使用鉛酸蓄電池，相比于鋰電池，鉛酸蓄電池價格便宜，且耐高溫的性能比較好、安全性能高。太陽能電池板3D圖如圖3所示。

鉛酸蓄電池[2]的充電原理：正極板中的硫酸鉛、負極板中的硫酸鉛與電解液中的水反應，生成二氧化鉛和鉛。

鉛酸蓄電池的放電原理：正極板中的二氧化鉛、負極板中的鉛與電解液中的硫酸反應，生成硫酸鉛和水。

2.3? A/D轉換器0809

ADC0809是一種CMOS型8位A/D轉換器，采樣頻率為8位，采用逐次逼近原理，其內部有一個8路模擬量開關，可以根據地址鎖存譯碼后只選通一路模擬輸入信號進行A/D轉換。

ADC0809的IN0～IN7引腳為8路模擬量輸入端；START為轉換開始信號，高電平有效；EOC為轉換完成信號，開始轉換時該引腳為低電平，轉換完成后該引腳輸出高電平；OE為輸出使能信號，若從該引腳引入高電平，三態輸出鎖存器中的數據從D0～D7送出；ADDA、ADDB、ADDC為3為地址輸入線，用來選擇8路模擬通道中的一個；CLK為時鐘脈沖輸入端；VR（+）、VR（-）為基準電壓輸入端；VCC接+5 V電源、GND接地。

2.4? LED指示燈模塊

LED指示燈是一對共陽極發光二極管，共陽極發光二極管的陽極接到+5 V上，陰極通過限流保護電阻接到單片機的I/O口。

2.5? 繼電器模塊

繼電器的電路原理圖如圖2所示，三極管的發射極接+5 V，集電極接GND。當基極接收到單片機輸出的低電平信號時繼電器吸合，當基極接收到單片機輸出的高電平信號時繼電器斷開。繼電器的吸合或斷開狀態通過左邊的D4指示燈顯示。

2.6? NRF24L01無線模塊

NRF24L01[3]是一款單片射頻收發一體器件，工作于2.4 GHz ISM頻段，內置頻率發生器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等模塊，集成Enhanced Short Burst協議，采用SPI通信。

NRF24L01芯片的引腳中，CE用于選擇TX或RX工作模式；CSN是SPI的片選信號；MOSI和MISO分別為數據輸入和數據輸出；ANT1和ANT2是天線接口1和天線接口2；SCK是SPI的時鐘信號；IRQ是可屏蔽的中斷引腳。

2.7? DS18B20溫度傳感器模塊

DS18B20的硬件連接圖如圖2所示，1號引腳接地；3號引腳接+5 V；2號引腳為數據輸入/輸出端，接到單片機的I/O口，同時外加上拉電阻。

DS18B20主要由64位ROM、高速暫存器和存儲器組成。64位ROM具有獨立的序列號，可以實現一根總線上接多個DS18B20；高速暫存器包含溫度傳感器、一個字節的溫度上限和溫度下限報警觸發器和配置寄存器；存儲器由一個高速RAM和一個可擦除EEPROM組成。

DS18B20采用16位補碼的形式存儲溫度數據，轉換所得的數據以二字節補碼存放，高字節的5個為符號位，S=1時為正值，S=0時為負值。其轉換數據存放格式如表1所示。

2.8? LCD1602液晶顯示模塊

LCD1602液晶顯示器是一種字符型液晶顯示模塊，其體積小、重量輕、穩定性好，并且和單片機的I/O口連接起來較為簡單，因此選用LCD1602液晶顯示屏作為本設計的顯示模塊。

LCD1602的電路原理圖如圖2所示，1號引腳接地；2號引腳接電源；3號引腳經可變電阻接地，用于調節對比度；4號引腳接P1^0；5號引腳接地，僅執行寫操作；6號引腳接單片機P1^2口；7～14號引腳連接單片機的P0口作為數據的輸入/輸出口；15號引腳為背光燈電源正極，連接至VCC；16號引腳為背光燈電源負極，連接至地。

2.9? 矩陣鍵盤模塊

本設計采用行列式矩陣鍵盤作為數據鍵入模塊。與獨立鍵盤不同，矩陣鍵盤的兩個引腳都連接到單片機的I/O口，分別作為行信號和列信號。行列式鍵盤通過行信號和列信號進行檢測，大大減少了I/O口的使用。其電路原理圖如圖2所示。

3? 系統軟件設計

3.1? 系統整體程序設計

本設計軟件編程使用C語言在KeiluVision 5進行編寫，各個模塊均在PROTUES軟件中進行仿真調試，操作系統為Windows 10_64位，程序包括矩陣鍵盤的掃描、A/D轉換、LED指示燈、繼電器的吸合與關斷和LCD1602液晶顯示屏的顯示等。其整體流程如圖4所示。

3.2? 矩陣鍵盤的掃描

行列式矩陣鍵盤的掃描方法為逐行掃描，并且逐列讀取列信號，即先讓第一行為低電平，其他行均為高電平，對列進行掃描，若有列信號為低電平，則可確定此按鍵處于被按下的狀態，否則處于未被按壓狀態。同時每次掃描后需要設置一定的延時程序來達到消抖的目的。

3.3? 液晶顯示屏的程序設計

要使用LCD1602[4]，首先需要進行初始化設置，即通過一些特定的指令對LCD1602初始化，然后設置想要顯示的數據和位置。

LCD1602的寫操作分為寫指令字和寫數據字，二者的區別僅僅在于RS的電平高低，RS低電平為寫指令字，RS高電平為寫數據字；下面以寫指令字為例介紹操作時序：RS設置為低電平，R/W為低電平，這是D0～D7上的數據進入有效階段，之后E引腳會有一個正脈沖的跳變，需要維持一段時間的脈沖寬度，等到E引腳跳變負脈沖時，寫操作結束。

3.4? DS18B20溫度傳感器的程序設計

DS18B20的操作步驟分為初始化、ROM操作指令、DS18B20功能指令。本設計僅用到一個DS18B20，因此第二步可以直接跳過ROM指令，跳過ROM指令的字節為0xCC。

DS18B20功能指令需要知道讀寫時序[5]。讀操作時，主機拉低總線電平至少1 μs后釋放，讀取DS18B20發送過來的0或1，若讀0就拉低總線電平至讀周期結束，若讀1則釋放總線為高電平；寫操作時，總線控制器通過控制單總線高低電平持續時間把0或1寫入DS18B20中，每次只傳輸1位數據，若寫0時，需要保持60～120 μs的低電平持續時間，然后釋放總線，若寫1時，需要保持大于1 μs的低電平時間，然后在15 μs內拉高總線。

4? 系統測試

本設計利用KeiluVison5進行編程并且結合Protues軟件進行仿真測試。經測試后，系統能夠正常運行，于是將需要的各個硬件模塊連接到開發板上，實物效果如圖5所示。開發板上包括LCD1602、DS18B20溫度傳感器、矩陣鍵盤等模塊。

系統測試主要對DS18B20溫度傳感器和LCD1602進行測試。首先對DS18B20溫度傳感器進行測試，編寫好相應的程序之后，將溫度傳感器的溫度值在數碼管上顯示，并與用溫度計測量值進行對比，經測試后，DS18B20能正常使用；之后改寫程序，將DS18B20檢測的實時溫度值顯示在LCD1602液晶顯示器上，發現能夠準確顯示并且不會出現亂碼的情形。測試情況如圖6所示。

5? 結? 論

本研究設計了一款基于STC89C52RC為控制核心的智能恒溫外賣柜系統，具有成本低廉、性能穩定、功能性強的特點，加上優化的程序之后，提高了其智能化水平。

本設計結合運用了矩陣鍵盤、LED、繼電器、DS18B20溫度傳感器、LCD1602等模塊，利用編程通過LCD1602顯示出實時溫度并與預設溫度比較后進行加熱或冷卻，達到了預期的目的和效果。

然而，系統仍然存在不足之處，比如在供電電源方面是否可以采取更加節能環保、更具創意的供電模式，在智能化方面仍具有很大的提升空間，可以增加藍牙模塊來繼續提高系統的智能性。

參考文獻：

[1] 宋云峰.基于單片機的恒溫控制系統的研究與開發 [D].合肥：合肥工業大學，2008.

[2] 丁廣波.太陽能儲能用鉛酸蓄電池技術研究 [D].鞍山：遼寧科技大學，2012.

[3] 馬瑾，裴東興，張少杰.基于nRF24L01的無線溫濕度測試系統 [J].電子設計工程，2012，20（2）：64-66.

[4] 郭營營.LCD 1602液晶顯示屏 [J].內江科技，2016，37（7）：38+37.

[5] 姜穎.DS18B20在測溫系統中的應用 [J].天津職業院校聯合學報，2010，12（6）：158-161.

作者簡介：吳牧原（2002—），男，漢族，江蘇徐州人，本科在

讀，研究方向：電氣工程及其自動化；通訊作者：翟娟（1990—），女，漢族，江蘇揚州人，講師，碩士，研究方向：控制理論與控制系統。