一种单片机控制的温度可调温奶器设计

魏甜甜

摘 要：婴幼儿温奶器是当前新型的实用小家电，具有广阔的市场和发展空间。文章引入单片机作为婴幼儿温奶器的控制模块，设计可设定温度范围的模式，并加入显示模块和音乐提醒。操作方便、简洁，集多种功能于一体，经验证可行性和市场推广性较高。

关键词：AT89C5131；温度传感器；温奶器

引言

随着人们的生活节奏加快，对婴幼儿的喂养标准和需要也越来越高。当前市场上广泛推广的是一种集保温、加热于一体的自动温奶器。一种是采用机械式温控器直接串联在加热电路里，通过双金属片作为感温元件控制加热温度；另外一种则利用震荡电路的延时，控制电路保持设定好的温度，采用电阻率随着温度变化而变化的热敏电阻作为感温元件对电路实行温度控制，保证原温度的恒定。

这样的温奶器方便快捷，操作方便，保证可以隔水加热的流质保持在一定合适的温度，大大方便了婴幼儿的喂养工作。然而传统的婴幼儿喂养方式已经被现在的科学研究所诟病。正确冲调配方奶粉的方法是：先在奶瓶中加开水，然后放入适量的奶粉，接着放在冷水下冲奶瓶，迅速使奶粉降温，待到合适温度的时候再喂养婴幼儿。这样奶制品中的乳蛋白、核苷酸、脂肪等营养物质才不会被破坏。而由于这样的冲调方式温度很难把握，很多家长甚至会因为忙于其他事情而将奶放凉，需要再加热。奶制品不可重复加热，热处理会降低乳的稳定性，导致这种稳定性降低的最重要原因是乳蛋白之间产生了复杂的相互作用[1]。变性的乳蛋白对婴幼儿的身体有很大伤害，因此需要一个声光提醒的保温、快速降温至合适温度且可设定温度和切换加热模式的设备。

1 温度调节温奶器结构设计

文章在传统温奶器加热原理的基础上进行改良，采用单片机作为控制器，加入温度显示模块、温度调节模块、声光音乐模块、加热/快速降温模块。这里加热保温使用低温瓷片式加热片增大受热面积使其加热均匀，在保温底座加装一个直流风扇，通过加速空气流动起到快速降温的目的。具体功能框图如图1所示。

图1 温度调节温奶器功能框图

这里选用ATMEL公司的AT89C5131作为控制器。AT89C5131是一个基于52内核的单片机[2]。外部选用DS18B20作为感温元件的数字温度传感器，该芯片采用单总线的接口方式与微处理器连接，实现双向通讯，加装一个LCD显示设定的温度和功能模式，其中I/O口P1.5连接温度传感器；P2.2连接音乐模块待温度到设定数值时播放儿歌；P3.5～3.7连接LED指示灯用于温度报警，开机正常运行等；P2.5连接加热芯片，P2.6连接快速降温风扇；P0.0～0.7连接LCD显示器。AT89C5131拥有一个允许与8*N矩阵键盘连接的键盘接口，其输入均具有高或低电平可编程中断能力[3]，P1.1～1.3及P3.3、P3.4连接按键。此外，AT89C5131还外接了一些诸如电源，驱动电路等外设。

2 温度调节温奶器软件设计

2.1 设计思路

软件在硬件电路设计的基础上，针对其特点采用功能模块的形式，主要采用中断与子程序调用相结合的总程序结构编写下位机软件。文章采用C语言开发，开发环境是LEIL软件公司的KEIL？滋Vision4。软件总体上呈现出良好的条理，清晰的结构和可扩展性等特点。

2.2 功能介绍

文章要实現的温度可调温奶器要实现的具体功能如下。

（1）通过按键可设定保温的温度范围，而不是具体的某一温度，这样用模糊控制的算法避免了控制器的误操作和误报警；

（2）设定三种运行模式：快速降温模式、一次保温模式、基础保温模式。可针对不同的食品采用不同时间，不同的低温加热模式。启动快速降温模式的时候，底座的降温风扇运行，使得食品快速降至设定温度范围，风扇停止。一次保温模式自动运行，加热片运行保持温度恒定。可手动也可自动运行；

（3）因婴幼儿食品的特殊性，要尽量保证营养的最少流失。奶制品忌反复加热，故程序设定奶类制品仅加热一次，加热时间控制在5分钟；

（4）用LCD显示设定的温度范围及所选的模式代码，可以使用户操作更方便；

（5）保温、加热时间到采用指示灯和儿童歌曲的提醒模式，更有童趣。

2.3 程序流程

文章主体的编程思想是利用模块子程序调用和中断系统。系统上电进入初始化状态，首先调用显示子程序开机自检，意在显示保温底座的温度、加热模式和设定的温度范围。如果此时需要加热或者保温的食品已经放在保温底座上面，程序扫描是否到设定的时间，时间到了之后，开始进行键盘处理和温控程序。

（1）模式选择：按下键盘设定运行模式，如果是快速降温模式，系统实时采集温度，如果不在系统设定的温度范围启动散热风扇。风扇的速度用频率控制，用中断定时编制出一定的频率从IO端口输出，实现四个阶段的风速，根据接近设定温度的不同自动调整风速，以期能更快速精准进入适合的温度范围。

（2）温度设定：键盘如果开始设定温度范围，键盘被按下，系统进入到实时温度采集阶段，CPU计算处理显示，同时将实时的温度数据送到之前键盘设定的温度范围内进行比较，如果在此范围内，说明温度已经到合适范围，则启动音乐声光程序提醒使用者保温完毕。

根据功能要求，根据键盘设定的加热模式，程序跳转至相应的子程序：一次加热模式和重复加热保温模式。

3 产品生产可行性分析

文章介绍的温度可调温奶器还在设计试验阶段，是否能够进入产品生产阶段还需要进行一系列的市场调查和产品测评。目前的试验阶段可行性分析如下。

（1）功能性分析：试验阶段基本功能均可实现，温度误差控制在 2℃以内，加热和快速降温时间在3分钟到5分钟之间，根据所要保温加热食品的不同可在设计阶段通过软件设定；

（2）经济性分析：该设计的硬件结构简单，成本低，主控电路体积小，可适用于大规模生产；

（3）安全性分析：电路供电+5V，采用220V交流电源经交流适配器转换为直流低压供电，机身无触电危险；加热模块为低温加热，无烫伤隐患，安全性能优越。

4 结束语

该温度调节温奶器不同于传统加热，用单片机控制更稳定高效且操作方便。经过反复调试和实验，该系统性能完全达到各项设计指标要求。由于采取了模块化的结构设计和编程，其具有较好的灵活性和扩展性。

随着婴幼儿喂养要求的普遍提高，亟需简单、高效、集多种功能一体的小家电，文章所选取的单片机具有较强的软硬件开发能力，今后还可以在现有的温度可调、加热模式可选的基础上扩展出更多的实用功能。

参考文献

[1]王鹏杰，张昊，郭慧媛，等.热处理对乳蛋白相互作用的影响研究进展[J].中国乳业，2012，7.

[2]廖济林.USB2.0应用系统开发实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2006.

[3]美国ATMEL公司.AT89C5131单片机[Z].2006.

[4]基于USB的数据采集系统设计[D].苏州：苏州大学，2009，6：24-34.

[5]刘莹，董春曦.基于AT89C5131的接口设计[J].现代电子技术，2009，

12：28-30.

[6]龚运新.朱芙菁单片机技术与应用[M].南京：南京大学出版社，2009：209-260.