基于51单片机的饮水机水温控制系统的实现

张铭源++马万国++马甲甲

摘要：本系统以STC89C52单片机为核心，实现饮水机饮用水制冷，主要包括DS18B20温度采集、按键操作、单片机控制、继电器驱动、制冷片、数码管数字显示等部分。本系统通过信息的交互而实现温度设定、控制和显示。

关键词：半导体制冷片；单片机；Ds18B20

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）26-0231-02

Realization of the Water Cooler Water Temperature Control System Based on 51 Single Chip Microcomputer

ZHANG Ming-yuan1，MA Wan-guo2，MA Jia-jia2

（1.Nanjing 29 Middle School， Nanjing 210000， China； 2.Hohai university Wen Tian College， Maanshan 243000， China） Abstract： STC89C52 single-chip microcomputer as the core， Implement water dispenser water cooling ，this system mainly includes the DS18B20 temperature acquisition， button operation， single-chip microcomputer control， relay drivers， refrigeration， such as digital tube digital display part. This system through information interaction of temperature setting， control and display.

Key words： Semiconductor refrigeration piece； MCU； Ds18B20

1 硬件电路设计

1.1 控制系统方框图

本系统中温度的恒温控制采用STC89C52单片机为核心控制器件，实现对水温在的自动控制。由精密的数字温度传感器Ds18B20构成前置信号采集和调理电路，由制冷片TEC1_12706和继电器实现温度的控制，由LED数码管构成4位动态显示用于显示实时温度值。控制系统方框图如图1所示。

1.2 控制系统原理图

Ds18B20作为温度传感器测得水温，传送给单片机芯片STC89C52，4位LED数码管与单片机芯片相连，通过手动设置温度（上电默认18℃），将所测温度与手动设置温度相比较，若所测温度在手动设置温度±1?C范围内，则继电器不发生动作，制冷片状态不变，继续工作。当所测温度≥18℃时，继电器动作，制冷片变为制冷状态，当温度降到17℃时，继电器停止动作，制冷片处于不工作状态，当温度升到19℃时，制冷片继续工作。控制系统原理图如图2所示。

2 硬件电路元件

2.1 主控单元

本系统主控单元采用我国宏晶公司生产的低功耗、高性能八位微控制器，具有 8K字节系统可编程Flash存储器。它使用经典的MCS-51内核，并且做了很多性能的改进，提高了传统C51芯片的功能功能。比如拥有八位CPU 和在线系统可编程芯片，许多嵌入式控制应用系统通过STC89C52可获得灵活和有效的解决方案。STC89C52RC内置4 KB的 EEPROM，MAX810复位电路，内部包含 8 k字节Flash，512字节的内存，32个I / O端口线，三个16位定时器/计数器，4个外部中断，8向量4级中断结构（5向量2级中断结构与传统51兼容）， 看门狗定时器，全双工串行端口。STC89C52支持两种类型的软件可以选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作允许内存，定时器/计数器，串行端口继 续工作。掉电保护时，RAM的内容保存，振荡 器是被冻结的，单片机停止所有工作，直到下一个中断或硬件复位。

2.2 制冷单元

制冷部分选用的是TEC1_12706半导体制冷片，半导体制冷片通电时一面制冷，另一面制热。但是半导体自身存在电阻当电流经过半导体时就会产生热量，而且两个极板之间的热量也会通过空气和半导体材料自身进行逆向热传递，所以半导体制冷片的制热效率要高于制冷效率，当冷热两端达到一定的温差，这两种热传递就会达到一个平衡点。此时冷热端的温度就不会继续发生变化。为了达到更低的温度，可以采取散热的方式，使热端的温度降低从而使得冷端达到更低的温度，本系统使用风冷散热器给制冷片散热。

半导体制冷片不需要使用制冷剂，可长时间工作，不会产生对环境有害的物质，是一种固体片器件，工作时不会产生噪音，使用寿命长，安装简单，通过对输入电流的精确控制，可实现高精度的温度控制，便于组成控温系统。

2.3 显示单元

本设计的显示屏选择的是LED数码管，也叫七段数码管，它是在一个长方形的外观内封装了八个固定形状的发光二极管，并将引线在内部连接，组成共阴级或共阳极的器件，在使用时点亮相应的段就可以显示需要的字符，其可以显示0-9和A-F的十六个字符，适用于对显示内容要求不高的场合，系统中只需要显示煎蛋的温度，故采用4位数码管作为显示器件。

在使用时，LED数码管段选信号选择与51单片机的P0口（即P0.0-P0.7）相连，由于P0口的输出电路为漏极开路输出，所以用P0口作为I/O通用输出口使用时，需要在八个引脚接10K左右的上拉电阻。单片机P2口的P2.0～P2.3作为数码管的输入口与LED数码管的位选信号对应相连，控制对应数码管的显示。

2.4 温度检测单元

本系统温度检测单元采用的是Ds18B20芯片通过达拉斯公司的单总线协议依靠一个单线端口通讯，当全部器件经由一个三态端口或者漏极开路端口与总线连接时，控制线需要连接一个弱上拉电阻。在多只Ds18B20连接时，每个Ds18B20都拥有一个全球唯一的64位序列号，在这个总线系统中，微处理器依靠每个器件独有的64位片序列号辨认总线上的器件和记录总线上的器件地址，从而允许多只Ds18B20同时连接在一条单线总线上，因此，可以很轻松地利用一个微处理器去控制很多分布在不同区域的Ds18B20。

在由Ds18B20芯片构建的温度检测系统中，采用达拉斯公司独特的单总线数据通讯方式，允许在一条总线上挂载多个Ds18B20，那么，在对Ds18B20的操作和控制中，由总线控制器发出的时隙信号就显得尤为重要。在系统编程时，一定要严格参照时隙图中的时间数据，做到精确的把握总线电平随时间（微秒级）的变化，才能够顺利地控制和操作Ds18B20。另外，需要注意到不同单片机的机器周期是不尽相同的，所以，程序中的延时函数并不是完全一样，要根据单片机不同的机器周期有所改动。在平常的Ds18B20程序调试中，若发现诸如温度显示错误等故障，基本上都是由于时隙的误差较大甚至时隙错误导致的，在对Ds18B20编程时需要格外注意。

2.5 继电器驱动单元

ULN2003内部是达林顿管结构，进行电流放大。最高电压50V，最大电流500mA，一般用来驱动继电器、步进电机。内部是三极管，在输入低电平时，输出就是高电平，相当于非门。ULN2003是7个通道的。单片机引脚输出的电流很小，不足以驱动继电器，所以采用ULN2003对电流进行放大，是大功率高速集成电路。继电器关断瞬间会产生反电势，ULN2003内部集成了二极管，因此可用来驱动继电器。ULN2003的9号引脚应该接负载电源，这样才能形成续流回路，ULN2003内部的二极管才能达到保护的作用。

3 系统软件设计

图3为本系统的部分软件程序流程图。它是按照系统运行思路所画的。首先系统初始化，然后Ds18B20检测温度，将温度传给单片机，单片机再通过程序将温度送入数码管显示出来，同时温度数码管所测的温度与程序所设定的温度进行比较，若所测温度大于设定温度，继电器发生动作，制冷片制冷；若所测温度在低于设定值，继电器不发

生动作，制冷片维持原状态。

4 总结

本系统实现了饮水机水温控制，通过手动设置温度（上电默认18℃），当Ds18B20所测水温≥18℃时，继电器动作，制冷片进入制冷状态，当水温降到17℃时，继电器动作，制冷片停止制冷，且水温从17℃升到19℃期间，制冷片维持原有状态，当饮水机水温高于19℃时，制冷片继续制冷。

通过本系统的设计与制作，使我对一些芯片有了一定的了解和巩固，对它们的功能有了一定的熟悉和掌握，提高了程序编写的能力同时锻炼了自己的动手能力。

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