南昌航空大學(xué)測(cè)試與光電工程學(xué)院 林奇盛

南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院 熊 器

南昌航空大學(xué)測(cè)試與光電工程學(xué)院 彭偉強(qiáng)

基于單片機(jī)的飲水機(jī)溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

南昌航空大學(xué)測(cè)試與光電工程學(xué)院 林奇盛

南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院 熊 器

南昌航空大學(xué)測(cè)試與光電工程學(xué)院 彭偉強(qiáng)

介紹一種飲水機(jī)的溫度控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用軟件編程實(shí)現(xiàn)飲水機(jī)的智能溫控，在保溫階段采用雙位調(diào)節(jié)進(jìn)行溫度控制，控制精度為±2℃，采用該溫控系統(tǒng)可以使得飲水機(jī)在使用過(guò)程不產(chǎn)生“千滾水”。保溫溫度、保溫時(shí)間和預(yù)加熱時(shí)間可以自由設(shè)定，使得飲水機(jī)使用起來(lái)更加方便。

單片機(jī)；溫度控制；節(jié)能減排

1.引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)際能源緊張局勢(shì)的加劇，人們環(huán)保意識(shí)的提高，越來(lái)越多的人在購(gòu)買(mǎi)家電產(chǎn)品時(shí)都把節(jié)能當(dāng)做重要的衡量指標(biāo)。飲水機(jī)作為一種常用的家用電器，給我們的日常生活帶來(lái)了極大方便。目前市場(chǎng)上大部分飲水機(jī)采用熱敏電阻進(jìn)行溫控，飲水機(jī)將水從室溫加熱到沸騰，溫控開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，停止加熱；之后溫度緩緩下降，當(dāng)溫度下降到一定時(shí)，溫控開(kāi)關(guān)閉合，然后又繼續(xù)加熱到沸騰，如此周而復(fù)始。如果用戶(hù)在喝完水之后忘記切斷電源，就會(huì)使水反復(fù)燒開(kāi)，不僅浪費(fèi)能源，而且容易形成含有重金屬、砷化物等有害物質(zhì)的“千滾水”。本文主要討論如何應(yīng)用單片機(jī)，為飲水機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)節(jié)能環(huán)保的溫控系統(tǒng)，彌補(bǔ)飲水機(jī)的這些缺點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該溫控系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、易于操作、性?xún)r(jià)比高的特點(diǎn)，將會(huì)有廣泛的發(fā)展前景。

2.硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)時(shí)間顯示，溫度顯示，保溫階段防止水反復(fù)燒開(kāi)，保溫溫度、保溫時(shí)間和預(yù)加熱時(shí)間可自由設(shè)定的功能。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示，以STC89C516RD單片機(jī)為核心，擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器構(gòu)成系統(tǒng)的主控模塊[1]。STC89C516RD單片機(jī)具有超強(qiáng)抗干擾/高速/低功耗的特點(diǎn)，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(tǒng)8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任意選擇，內(nèi)部自帶看門(mén)狗。

2.1 測(cè)溫電路

飲水機(jī)加熱膽中的水溫由DS18B20溫度傳感器檢測(cè)并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量通過(guò)串行方式傳送給單片機(jī)。DS18B20采用單總線(xiàn)接口方式，僅需要一個(gè)引腳來(lái)發(fā)送或接受數(shù)據(jù)，單片機(jī)與DS18B20之間僅需要一條數(shù)據(jù)線(xiàn)。該溫度傳感器測(cè)溫范圍為-55℃～+125℃，固有測(cè)溫分辨率為0.5℃，工作電壓為3～5.5V/DC，在使用時(shí)不需要任何外圍元件，它能夠采集被測(cè)物的溫度并通過(guò)串行方式傳送給單片機(jī)。當(dāng)單片機(jī)給DS18B20發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換命令后，DS18B20開(kāi)始進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間與設(shè)定的分辨率有關(guān)，當(dāng)設(shè)置為9位時(shí)，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為3.75ms；10位時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間為187.5ms；11位時(shí)為375ms；12位時(shí)為750ms。當(dāng)分辨率設(shè)置為9位時(shí)，溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間短，但是測(cè)量精度不高，采用12位分辨率時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間太長(zhǎng)，綜合轉(zhuǎn)換時(shí)間和測(cè)量精度考慮，本系統(tǒng)在軟件編程時(shí)將其設(shè)置為11位。該器件具有體積小、質(zhì)量輕、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，其各方面都滿(mǎn)足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(dāng)采用外部電源供電時(shí)，DS18B20的VDD引腳接外部電源正極，GND引腳接電源負(fù)極，DQ引腳通過(guò)一個(gè)4.7KΩ的上拉電阻與單片機(jī)相連；當(dāng)采用寄生電源供電時(shí)，DS18B20的VDD引腳必須接地，DS18B20從單總線(xiàn)上汲取能量，在信號(hào)線(xiàn)處于高電平期間把能量存儲(chǔ)在內(nèi)部電容里，在信號(hào)線(xiàn)處于低電平期間由內(nèi)部電容提供能量，直到高電平到來(lái)再給寄生電容充電。當(dāng)溫度高于100℃時(shí)，DS18B20漏電流比較大，采用寄生電源供電可能導(dǎo)致其無(wú)法與單片機(jī)進(jìn)行通訊。由于飲水機(jī)中的水在飲用之前都要燒開(kāi)，為了確保系統(tǒng)的可靠性，本系統(tǒng)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(jī)的P1.3引腳相連，R1為上拉電阻。由于要對(duì)飲水機(jī)加熱膽中的水進(jìn)行測(cè)溫，先將DS18B20放置在Φ6mm的不銹鋼保護(hù)管中，然后填充硅膠增強(qiáng)導(dǎo)熱性，再放入加熱膽中，這樣測(cè)量效果比較好。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 DS18B20測(cè)溫電路

圖3 DS1302時(shí)鐘電路

圖4 EEPROM接口電路

圖5 鍵盤(pán)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(shí)鐘電路

為了增強(qiáng)系統(tǒng)的使用靈活性，使其具備定時(shí)加熱的功能，需要增加一個(gè)時(shí)鐘電路。本設(shè)計(jì)采用串行接口實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片DS1302為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘，它可以對(duì)年、月、日、周、時(shí)、分和秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5V～5.5V，芯片本身具備對(duì)備份電池進(jìn)行涓細(xì)流充電的功能，可以延長(zhǎng)備份電池的壽命。時(shí)鐘電路原理圖如圖3所示，DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路采用32.768KHZ的晶振，與單片機(jī)的P2.0～P2.2引腳相連，采用串行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)保存接口電路

當(dāng)由于某些外界因素如斷電導(dǎo)致系統(tǒng)停止工作時(shí)，系統(tǒng)里面如保溫溫度、保溫時(shí)間等用戶(hù)設(shè)定的參數(shù)將會(huì)丟失，在系統(tǒng)重啟之后需要重新設(shè)定，從而造成使用的不方便。所以在用戶(hù)完成這些參數(shù)的設(shè)置之后需要對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行備份，防止掉電丟失。本設(shè)計(jì)采用AT24C01芯片，它提供128字節(jié)的EEPROM存儲(chǔ)空間，采用IIC總線(xiàn)通信，每次用戶(hù)進(jìn)行按鍵設(shè)置之后，將改變的數(shù)據(jù)復(fù)制到AT24C01中，這樣系統(tǒng)每次重啟時(shí)直接從AT24C01中讀取相關(guān)參數(shù)，免去了重復(fù)設(shè)置帶來(lái)的麻煩。EEPROM接口電路原理圖如圖4所示。

2.4 鍵盤(pán)接口電路

當(dāng)飲水機(jī)的使用環(huán)境改變時(shí)，用戶(hù)可能需要對(duì)系統(tǒng)的保溫溫度、保溫時(shí)間和預(yù)加熱時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)的修改或者系統(tǒng)的時(shí)鐘因外界因素而導(dǎo)致時(shí)間顯示錯(cuò)誤時(shí)也需要人為進(jìn)行修正。本系統(tǒng)通過(guò)5個(gè)獨(dú)立按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能。由于系統(tǒng)的按鍵個(gè)數(shù)不是很多，采用獨(dú)立按鍵連接方式，單片機(jī)的P3.0～P3.4口通過(guò)上拉電阻與5個(gè)按鍵相連構(gòu)成系統(tǒng)的鍵盤(pán)輸入部分。鍵盤(pán)輸入電路原理圖如圖5所示。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)采用電平檢測(cè)來(lái)判斷按鍵是否按下，當(dāng)檢測(cè)到低電平時(shí)，說(shuō)明按鍵被按下，否則，未按下。

2.5 繼電器控制模塊

系統(tǒng)可以采用可控硅、繼電器等作為輸出單元。由于本設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)的控制對(duì)象為飲水機(jī)，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(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。單片機(jī)的P1.2引腳通過(guò)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(xiàn)圈在切斷瞬間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，與電源電壓相加直接加到三級(jí)管集電極，容易導(dǎo)致三極管擊穿，所以在繼電器線(xiàn)圈兩端接上一個(gè)二極管1N4148抑制感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。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(jiǎn)介

在TFT彩屏中，一個(gè)黑白或單色像素點(diǎn)用一位二進(jìn)制數(shù)表示，一個(gè)彩色像素用多位二進(jìn)制數(shù)表示。表示彩色像素的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)稱(chēng)為顏色質(zhì)量。TFT彩屏顯示的顏色質(zhì)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(tǒng)采用的是8位單片機(jī)，其對(duì)大批量數(shù)據(jù)傳輸速度不是很快，再根據(jù)飲水機(jī)的使用環(huán)境對(duì)顏色要求不是特別高，所以本設(shè)計(jì)采用16位色表示一個(gè)彩色點(diǎn)。圖7為用1個(gè)16位二進(jìn)制數(shù)表示一個(gè)彩色點(diǎn)的示意圖，高5位表示紅色所占比例，低5位表示藍(lán)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(lán)色占0%，用十六進(jìn)制表示為f800H。同理可知黑色可用0000H表示，藍(lán)色可用001fH表示。所以只要合理搭配紅綠藍(lán)三基色的比例，就可以調(diào)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(diǎn)顏色的表示方法之后，要把一個(gè)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(kù)中，每個(gè)漢字均由16行16列的點(diǎn)陣組成，即每個(gè)字均由256個(gè)點(diǎn)來(lái)表示[3]。如果把每個(gè)點(diǎn)理解為一個(gè)像素，把每個(gè)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(guò)更改像素點(diǎn)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(gè)漢字的字模。例如，把“南”字看成一幅圖像，逐行掃描，有筆畫(huà)的地方為1，沒(méi)有筆畫(huà)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?？梢酝ㄟ^(guò)字模提取軟件來(lái)提取。

獲取漢字字模之后，當(dāng)要把某個(gè)漢字顯示在彩屏的某個(gè)區(qū)域時(shí)，只需要通過(guò)程序設(shè)計(jì)對(duì)該區(qū)域逐行掃描，每掃描一個(gè)點(diǎn)，向彩屏發(fā)送一次顏色碼，有筆畫(huà)的區(qū)域發(fā)送字體顏色，沒(méi)有筆畫(huà)的區(qū)域發(fā)送字體背景顏色，這樣把該區(qū)域掃描完之后，就可以把一個(gè)漢字顯示出來(lái)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(qū)域。

2.6.3 TFT彩屏接口電路

本系統(tǒng)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(guò)軟件編程可以設(shè)置出一個(gè)友好程度很高的界面。TFT彩屏主要顯示當(dāng)前時(shí)間、當(dāng)前水溫、保溫溫度、保溫時(shí)間、預(yù)加熱時(shí)間和飲水機(jī)當(dāng)前的狀態(tài)等內(nèi)容；在用戶(hù)進(jìn)行按鍵設(shè)置時(shí)，顯示設(shè)置提示。

3.軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序設(shè)計(jì)

在一定的控制系統(tǒng)中，首先將需要控制的參數(shù)由傳感器轉(zhuǎn)換成一定的信號(hào)后再與預(yù)設(shè)定的值進(jìn)行比較，把比較得到的差值信號(hào)經(jīng)過(guò)一定規(guī)律的計(jì)算后得到相應(yīng)的控制值，將控制量送給控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的控制，不停的進(jìn)行上述工作，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的[4]。在本系統(tǒng)中可以采用PID控制等控制方法對(duì)水溫進(jìn)行控制，由于本系統(tǒng)的控制精度要求不是很高，考慮到生產(chǎn)成本，本系統(tǒng)在保溫階段采用雙位調(diào)節(jié)控制對(duì)水溫進(jìn)行控制。雙位調(diào)節(jié)控制規(guī)律是較常用的位置式控制，其作用是不連續(xù)的，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)只有開(kāi)和關(guān)兩個(gè)位置[5]，該控制方法具有簡(jiǎn)單易行、成本低廉的特點(diǎn)，在控制精度要求不是很高的場(chǎng)合廣泛應(yīng)用。

本設(shè)計(jì)希望通過(guò)以STC89C516RD單片機(jī)為核心的系統(tǒng)，采用軟件編程，防止飲水機(jī)形成“千滾水”，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

3.2 雙位調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)控制子程序流程圖

圖12 環(huán)境溫度為22℃，保溫溫度設(shè)定為60℃的溫控結(jié)果

圖13 自動(dòng)保溫階段溫控結(jié)果

在系統(tǒng)處于保溫狀態(tài)時(shí)，通過(guò)雙位調(diào)節(jié)控制使得水溫在保溫溫度上下小范圍內(nèi)波動(dòng)，如果檢測(cè)到水溫低于保溫溫度2℃，閉合繼電器，進(jìn)行加熱；如果檢測(cè)到水溫大于或等于保溫溫度，斷開(kāi)繼電器，停止加熱。雙位調(diào)節(jié)控制子程序流程圖如圖11所示，ttest為當(dāng)前水溫，tset為用戶(hù)設(shè)定的保溫溫度。

3.3 鍵盤(pán)掃描子程序

在本設(shè)計(jì)中，通過(guò)STC89C516RD單片機(jī)的外部中斷0進(jìn)入按鍵掃描程序，當(dāng)系統(tǒng)的按鍵K3被按下后進(jìn)入按鍵掃描子程序，再次被下后則退出按鍵設(shè)置，在退出按鍵設(shè)置時(shí)，需要將用戶(hù)更改的參數(shù)更新到AT24C01中，防止掉電丟失。系統(tǒng)按鍵包括進(jìn)入/退出設(shè)置、左移、右移、加1和減1五個(gè)按鍵。通過(guò)按鍵用戶(hù)可以進(jìn)行保溫溫度設(shè)置、保溫時(shí)間設(shè)置、預(yù)加熱時(shí)間設(shè)置和系統(tǒng)時(shí)鐘設(shè)置。在用戶(hù)進(jìn)行按鍵設(shè)置時(shí)，通過(guò)軟件編程讓TFT彩屏顯示設(shè)置提示，這樣使得飲水機(jī)使用起來(lái)更加方便。

3.4 看門(mén)狗定時(shí)器的設(shè)定

當(dāng)系統(tǒng)的使用過(guò)程中受到干擾而失控，引起程序亂飛，或者程序陷入“死循環(huán)”，這時(shí)需要采用“看門(mén)狗”使系統(tǒng)脫離這種狀態(tài)。STC89C5 16RD單片機(jī)內(nèi)部自帶一個(gè)14位看門(mén)狗定時(shí)器，當(dāng)采用12時(shí)鐘模式時(shí)，由于采用了“預(yù)分頻技術(shù)”，它的溢出時(shí)間=（N*Prescale*32768）/晶振頻率，其中N是單片機(jī)的時(shí)鐘周期，Prescale時(shí)預(yù)分頻數(shù)，如果采用12MHZ的晶振，通過(guò)設(shè)置相關(guān)寄存器，看門(mén)狗溢出時(shí)間范圍可設(shè)定為65.5ms～8.38s。系統(tǒng)采用12時(shí)鐘周期模式，晶振頻率為12MHZ，如果系統(tǒng)在執(zhí)行過(guò)程中不停地喂狗，是比較浪費(fèi)時(shí)間的，為了節(jié)省單片機(jī)資源，本設(shè)計(jì)將看門(mén)狗溢出時(shí)間設(shè)定為8.38s。

4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖12和圖13為室溫22℃下，保溫溫度設(shè)定為60℃時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)溫控結(jié)果所繪制的曲線(xiàn)。圖中橫坐標(biāo)為采樣時(shí)間（單位：分鐘），縱坐標(biāo)為溫度（單位：℃）。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該溫度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期設(shè)計(jì)的目的。在保溫階段，系統(tǒng)采用雙位調(diào)節(jié)控制，溫度控制精度達(dá)到±2℃，防止飲水機(jī)在使用過(guò)程中形成“千滾水”。

5.結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)的飲水機(jī)溫控系統(tǒng)主要根據(jù)目前節(jié)能環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)和實(shí)際應(yīng)用的特點(diǎn)和要求，對(duì)現(xiàn)行飲水機(jī)進(jìn)行改進(jìn)，采用單片機(jī)，利用軟件編程實(shí)現(xiàn)飲水機(jī)的智能保溫節(jié)電。在保溫階段系統(tǒng)采用雙位調(diào)節(jié)進(jìn)行溫度控制，當(dāng)溫度高于保溫溫度時(shí)，停止加熱，當(dāng)溫度下降到保溫溫度下2℃時(shí)，開(kāi)始加熱，控制水溫在保溫溫度上下小范圍內(nèi)波動(dòng)。雙位調(diào)節(jié)是一種簡(jiǎn)單易行的控制方式，具有成本低廉、可靠性強(qiáng)的特點(diǎn)，在控制精度要求不是很高的場(chǎng)合廣泛應(yīng)用。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明該控制方法完全可以滿(mǎn)足系統(tǒng)的使用要求。系統(tǒng)采用1.8寸的TFT彩屏作為顯示部分，利用軟件編程設(shè)置了一個(gè)友好的界面將飲水機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)顯示出來(lái)，使得用戶(hù)可以根據(jù)彩屏上的提示很方便的通過(guò)按鍵對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，這樣該系統(tǒng)可以滿(mǎn)足不同環(huán)境下用戶(hù)的使用要求。

本文設(shè)計(jì)的溫控系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、易于操作、性?xún)r(jià)比高的特點(diǎn)，將其稍加改裝即可應(yīng)用于其他家用電器的控制系統(tǒng)中。

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林奇盛（1992—），男，江西贛州人，現(xiàn)就讀于南昌航空大學(xué)測(cè)試與光電工程學(xué)院，主要研究方向：?jiǎn)纹瑱C(jī)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。