馮志彬，雷艷敏

(1.空軍航空大學 基礎部， 長春130021; 2.長春大學 電子信息工程學院， 長春130022)

基于單片機的暖手寶的設計與實現(xiàn)

馮志彬1，雷艷敏2

(1.空軍航空大學 基礎部， 長春130021; 2.長春大學 電子信息工程學院， 長春130022)

采用STC89C52單片機作為主控制器，設計了一種多功能暖手寶控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化設計思想，主要包括單片機最小系統(tǒng)模塊、溫度檢測模塊、溫度顯示模塊、聲光報警模塊、繼電器加熱模塊、按鍵模塊等，能夠?qū)崿F(xiàn)暖手寶的加熱功能、溫度設置功能、防空燒功能等。通過硬件電路板的焊接與軟件編程調(diào)試，實現(xiàn)了該系統(tǒng)的功能，提高了暖手寶的智能性、安全性和節(jié)能環(huán)保性。

暖手寶;單片機;模塊化

0 引言

目前，電暖手寶主要有電熱餅和電熱水袋兩大類。從電熱水袋的發(fā)熱原理看，有電極式和電熱元件式兩大類。電極式暖手寶加熱效果好，價格便宜，但是存在著安全隱患；電熱元件式暖手寶，價格較貴，加熱效果也沒有電極式的好，但是卻安全可靠。

隨著人類社會的發(fā)展，科技的進步，各個行業(yè)都將自己的產(chǎn)品向智能化、數(shù)字化發(fā)展[1]。老式的電暖手寶由于不能徹底切斷電路，加熱時人不能遠離，漏電風險大,并且加熱后溫度會比較高，容易造成燙傷，存在著一定的危險性。每年使用暖手寶造成的爆炸事故也屢有所聞[2]，使消費者對暖手寶懷有一定的懼怕感，所以普通暖手寶漸漸淡出市場。如何讓暖手寶更安全、更節(jié)能、更智能、功能又多是我們應該思考的問題，因此研究多功能暖手寶具有重要的意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

為了提高暖手寶的智能性、安全性和環(huán)保性，首先要對控制核心進行選擇。一般有兩種控制核心可供選擇，一種是CPLD，另一種是單片機。CPLD作為主控制器的優(yōu)點是能夠?qū)碗s化的數(shù)據(jù)進行邏輯運算，而且具有體積小、資源豐富，還能進行功能擴展。此外，CPLD的輸入和輸出都采用了并行的方式，這樣的方式能夠極大的提升系統(tǒng)的運行和處理速度，所以，此控制器主要運用于需要控制規(guī)模比較大的控制系統(tǒng)中，特別是它的價格比較貴，因此限制了CPLD在小控制系統(tǒng)中的應用。

由于本設計中的運算比較簡單，對數(shù)據(jù)處理的速度要求也不高，所以本文選擇單片機作為主控制器。單片機的種類也很多，其中STC89C52是一種帶8k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能的單片機，它具有單片機的各種操作指令和強大的控制功能，能夠達到本設計所需要的各種功能，而且STC89C52單片機價格十分便宜，因此選擇STC89C52型單片機為控制核心。

該系統(tǒng)采用模塊化設計思想[3-4]，主要包括單片機最小系統(tǒng)模塊、溫度檢測模塊、溫度顯示模塊、聲光報警模塊、繼電器加熱模塊和按鍵模塊等,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 單元電路的設計

2.1 單片機最小系統(tǒng)

單片機的最小系統(tǒng)主要包括復位電路和晶振電路兩個部分，分別如圖2和圖3所示。復位電路分為手動復位和上電復位兩種方式：手動復位電路是由圖2中的電源VCC、電阻R4、按鍵S1、電阻R5和地構(gòu)成的，當按下S1時，單片機的復位端RST為高電平，使單片機實現(xiàn)復位功能；自動復位電路是由電源VCC、極性電容C7、電阻R5和地構(gòu)成的，在單片機剛一供電的時候，使RST為高電平，這主要是利用電容兩端電壓不能突變的特性來實現(xiàn)單片機的復位功能。晶振電路是為單片機提供時鐘的，單片機工作的最小時間計量單位就是由這個晶振決定的，常用的晶振是6MHZ和12MHZ，本次設計中選擇12MHZ的晶振。圖3中的XTAL1和XTAL2為單片機的時鐘晶振引腳，而C8和C14為晶振的負載電容，OS1為晶振，工作在并聯(lián)諧振狀態(tài)。

圖2 單片機的復位電路

圖3 單片機晶振電路

2.2 溫度檢測電路的設計

圖4 溫度檢測電路圖

為了進行溫度的測量，首先要選擇溫度傳感器。根據(jù)溫度傳感器輸出的信號進行分類，可以分為兩大類：一類是模擬信號；另一類是數(shù)字信號。模擬信號輸出的溫度傳感器主要有熱敏電阻傳感器、熱電阻傳感器和熱電偶傳感器，其中較為常用的為熱電偶傳感器。這類溫度傳感器在應用的時候，首先要將溫度傳感器獲得的模擬信號進行放大，然后再進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，最后送入單片機進行處理。數(shù)字信號輸出的溫度傳感器常用的有DS18B20溫度傳感器來檢測溫度[5]，該器件具有體積小、功耗低、性能高、抗干擾能力強等優(yōu)點，其輸出為數(shù)字量，可以直接送入單片機，不需要放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，可以節(jié)約成本。所以本文綜合考慮，選擇數(shù)字量輸出的DS18B20作為溫度傳感器，溫度檢測電路如圖4所示，P24為單片機的IO口，單片機通過這個引腳檢測溫度。

2.3 溫度顯示電路的設計

常用的顯示方式主要有兩種：LED數(shù)碼管顯示和LCD液晶顯示屏兩種。前者簡單，而且價格低廉，但是后者的顯示信息量大。本系統(tǒng)中只需要顯示溫度值，所以綜合考慮，本系統(tǒng)采用LED數(shù)碼管顯示方式。采用四位數(shù)碼管來顯示溫度，所以需要對數(shù)碼管進行段選信號和位選信號的控制。位選信號是為了控制具體哪位數(shù)碼管點亮，段選信號是為了顯示具體的數(shù)字。本文中采用動態(tài)掃描的方式。

數(shù)碼管的溫度顯示電路如圖5所示，單片機的P33-P36為位選控制信號，P10-P17為段選控制信號。數(shù)碼管分為共陽極和共陰極數(shù)碼管，本文中采用共陽極的數(shù)碼管，所以當P10-P17為低電平信號時，該段數(shù)碼管被點亮。采用PNP型三極管8550對數(shù)碼管進行位驅(qū)動，當P33-P36為低電平時，Q1-Q4將分別導通，相連接的數(shù)碼管位被選通。

圖5 數(shù)碼管的溫度顯示電路圖

2.4 繼電器加熱電路的設計

當暖手寶的溫度低于設定值時，要對暖手寶進行加熱，這是暖手寶的基本功能。本文中采用繼電器[6]控制加熱的方式，加熱電路圖如圖6所示。當DS18B20檢測到溫度低于所設置的最低溫度時，單片機引腳P37為低電平，PNP三極管Q5導通，繼電器線圈得電，吸合K1使加熱電路閉合，暖手寶開始加熱。當DS18B20檢測到溫度高于所設置的最高溫度時，單片機引腳P37為高電平，三極管Q5截止，繼電器線圈失電，加熱電路斷開，暖手寶停止加熱。圖6中的D1為發(fā)光二極管，單片機引腳P37為低電平時，三極管Q5導通，D1發(fā)光，起到加熱指示燈的作用。在本圖中，考慮到繼電器線圈斷電時，所產(chǎn)生的反向電動勢較小，所以在該圖中沒有加起保護元器件作用的反向續(xù)流二極管。

圖6 繼電器加熱電路

圖7 聲光報警電路

2.5 聲光報警電路的設計

當暖手寶的溫度達到上限值時，需要發(fā)出警示，所以設計中增加了聲光報警功能，電路如圖7所示。當溫度達到上限值，單片機P13輸出低電平，PNP型的三極管V1導通，蜂鳴器報警；同時由VCC、R13、D8和P13構(gòu)成的發(fā)光回路導通，使發(fā)光二極管D8發(fā)光，發(fā)出視覺上的警示。

2.6 按鍵電路的設計

圖8 按鍵電路的設計

為了實現(xiàn)多功能暖手寶的溫度設置、溫度重置和防空燒的功能，設計的獨立式鍵盤按鍵電路如圖8所示，其中K1為溫度重置按鍵，默認溫度值為30℃，K2為加鍵，K3為減鍵，K4為防空燒按鍵。有按鍵按下的時候，P00—P04為低電平，否則為高電平。加鍵K2和減鍵K3，每按下一次，增加或減少的溫度為1℃。

本設計中的一個非常重要的功能就是防空燒功能。設置防空燒按鍵的目的是防止暖手寶在加熱時因為無人看管或被遺忘而沒有給暖手寶取下電源的情況下，暖手寶會因為循環(huán)加熱，造成電能的浪費，同時也會存在安全隱患。所以，本設計中一旦暖手寶達到設定的溫度值時，暖手寶就會停止加熱，直到按鍵K4被按下為止，否則暖手寶就會一直不被加熱。

3 軟件設計

軟件是整個系統(tǒng)的靈魂，它是算法和功能實現(xiàn)的關鍵。為了實現(xiàn)硬件電路的功能，進行了軟件設計，系統(tǒng)流程圖主要包括主程序、溫度采集子程序、溫度加熱子程序、按鍵子程序等，本文由于篇幅限制，只給出了主程序流程圖，如圖9所示。

圖9 主程序流程圖

圖10 實物圖

4 實驗研究

為了驗證上面所設計的多功能暖手器的可行性和有效性，對所設計的系統(tǒng)進行了硬件電路板的焊接，焊接的電路板實物圖，如圖10所示。51單片機對軟件進行編程是需要一款編程軟件的，Keil C51就是兼容51系列單片機的一款C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，和匯編語言類似，但是卻有著自己獨特的優(yōu)點，而且更加容易學習和運用[7]。Keil C51軟件自帶庫函數(shù)和集成開發(fā)調(diào)試工具，使用起來非常方便快捷。

通過焊接電路板和采用Keil C51軟件開發(fā)系統(tǒng)進行編程調(diào)試，能夠?qū)崿F(xiàn)設計中的各個功能，圖中顯示的溫度為25.3℃。

5 結(jié)語

本文采用模塊化的設計思想，設計了基于STC89C52單片機的暖手寶控制系統(tǒng)，分別進行了硬件設計和軟件設計，并進行了實際電路板的焊接和軟件編程調(diào)試。從實驗結(jié)果可以看出，本文所設計的多功能暖手寶，可以實現(xiàn)加熱功能、溫度設置功能、防空燒功能等，能夠很好的提高暖手寶的實用性、安全性和節(jié)能環(huán)保性能。下一步將對該系統(tǒng)進一步研究，可以賦予暖手寶更多的功能，比如充電寶功能等。

[1] Emma.暖手充電寶[J].設計，2016(4)：25.

[2] 警惕潛伏在你身邊的八大爆炸源[J].中國消防，2015(22)：46-48.

[3] 趙麗，張春林.基于單片機的智能澆花系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].長春大學學報，2012，22(6)：650-651.

[4] 楊敏英，陳輝煌，楊阿弟，等. 一種家庭智能門禁語音報警控制設計與實現(xiàn)[J].長春大學學報，2016，26(4)：4-9.

[5] 褚新建. 基于DS18B20的溫度控制系統(tǒng)設計[J]. 電子制作, 2014(12):17-18.

[6] 廉忠平. 探析繼電器在電氣工程及其自動化低壓電器中的應用[J].黑龍江科技信息，2014(4)：89.

[7] 金炯泰. 如何使用KEIL 8051 C編譯器[M].北京：北京航天航空大學出版社, 2002.

責任編輯：程艷艷

Design and Implementation of a Hand-warming Device Based on Single Chip Microcomputer

FENG Zhibin1， LEI Yanmin2

(1.Foundational Department， Aviation University of Air Force， Changchun 130021， China；2. College of Electronic Information Engineering, Changchun University, Changchun 130022， China)

Taking STC89C52 single chip microcomputer(MCU) as the main controller, this paper designs a multi-function control system for hand-warming device. The system uses the modular design idea, including MCU minimum system module, temperature detection module, temperature display module, sound and light alarm module, relay heating module and keys module, etc., which can achieve the functions of heating, temperature setting and prevetion from overcharging. Through the welding of hardware circuit board and software programming, it realizes the functions of the system and improves the characteristics of intelligence, safety and energy saving.

hand- warming device; MCU; modularization

2016-10-16

馮志彬(1978-)，男，吉林遼源人，講師，碩士，主要從事電工電子及自動化控制方面研究；雷艷敏(1976-)，女(滿族)，黑龍江五常人，副教授，博士，主要從事機器人智能控制及自動化控制方面研究。

TP273

A

1009-3907(2016)12-0025-04