一种可自动调节温度的智能温控水杯设计*

成晋军，张晓娟

(山西大学商务学院，山西 太原 030006)

温度不论对于工业设计生产还是日常的家居使用来说都是特别重要的控制参数，那么温度控制自然就成了研究的热点问题，温度控制的精度以及灵活性是其中的重难点。当前的温度控制系统多采用热电偶、热敏电阻等一些硬件通过相应的信号处理电路[1]，将温度信号通过数模转换送到核心的处理器中，完成对整个温度变化的实时监控。但是这种方案的信号处理电路实现较为复杂并且容易受到外界干扰，稳定性不强难以达到工业要求。本设计采用DS18B20温度传感器作为温度信号的采集器，以数字传感器和单片机为主体完成对整个温度的监控，再配以相应的继电电路完成对整个温度系统的控制。这种方案实现简便，精度高，稳定性好，可以达到工业要求标准。随着科技走进生活，热水器、电烤箱、微波炉等电器对智能化要求越来越高，使用单片机为核心完成对温度的检测与控制有着性价比高、稳定性强等优点。

1 系统总体设计方案

本设计采用AT89C51单片机系统辅以外围电路为控制核心，以DS18B20温度传感器为温度感应装置，继电器和金属加热棒构成了温度调控装置，电源提供电能，按键部分方便用户随时设定想要达到的温度，LED数码管提供显示功能。DS18B20温度传感器把感受到的温度数字信息传到以单片机为核心的微处理器中，同时单片机发出指令到数码管控制数码管输出。数码管显示出杯内的实时水温。当杯内的水温小于用户设置的目标温度时，单片机就会发出指令到继电器控制电路。继电器控制电路对杯内水进行加热，一直加热到目标设置的温度为止。同理，当水温高于目标温度时，单片机发出指令到继电控制电路进行降温，一直降温到目标温度时停止降温。如此周而复始，达到了智能温控水杯的温度的控制。用户可以通过按键对水杯内的水温进行设置[2]。LED数码管上的最小显示精度达到0.1度。系统总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

2 硬件电路设计

2.1 主控制电路

本设计所用的单片机电源用三节1.5 V干电池即可提供。连接方式为单片机中的VCC管脚接5 V的正电压[3]，而VS管脚S接电源地端。本设计主要有温度检测电路，驱动电路，显示电路，继电器加热以及降温电路。主控制系统电路如图2所示。

图2 主控制系统电路

2.2 显示模块电路

智能温控水杯采用的是四位数码管显示，当数码管显示温度时，用相应的段码打开显示温度信息，温度变换则相应的段码关闭，其他段码打开，不同的段码之间切换不超过20 ms，按照人类的视觉特点，在观察者眼中会呈现所有数码管都打开的视觉画面。显示电路如图3所示。

图3 显示电路

2.3 驱动电路

驱动电路的作用是在于对控制电路中的一些信号实现放大，即为放大控制电路中的信号，让它们能够驱动功率晶体管的中间电路，保障系统能够正常工作。

2.4 温度采集电路

温度采集指的是感受与测量热电偶、热电阻和温度变送器输出的各种信号，再将这些采集到的温度数据传送到单片机来进行进一步的分析与处理。

2.5 继电器加热控制电路

温度控制电路是以PNP型三极管驱动的，这里以加热电路为例，阐述一下它的工作原理，当单片机的第二个端口输出低电平时，继电器线圈闭合导通，电路即接通，金属加热棒开始工作并对水温进行加热，控制电路中的发光二极管接通，红灯亮起则表示水杯正在处于加热的状态。反之，当第二个端口输出低电平时，电路即断电，金属加热棒停止工作停止对水温进行加热，发光二极管断电，红灯熄灭。继电器加热控制电路图如图4所示。

图4 继电器加热控制电路

3 系统软件设计

3.1 系统结构分析

本设计的主程序主要包括了三个子程序，分别是：按键输入子程序、温度显示子程序和温度调控子程序。按键输入程序的作用主要是用户通过键盘输入设定用户理想中温度的最高值以及最低值，温度显示程序的作用主要是单片机控制数码管显示出实时水温，温度调控程序的作用主要是单片机控制继电器电路进行加热或降温工作来控制杯内的水温[4]。

3.2 系统程序流程

主程序的作用就是对系统进行初始化设置，对系统程序整体框架的建立，主要包含有单片机初始化及检测水温电路的初始化。主程序是处理DS18B20传来的温度信息并控制数码管使这些信息实时显示出来，温度测量间隔为1 s，这样数码管上的温度信息每隔1 s就会自动地更新一次。其程序流程如图5所示。

图5 系统程序流程图

4 结语

本设计的主题是智能温控水杯的设计与实现，采用AT89C51单片机作为控制核心完成对水杯内温度的监控与控制，DS18B20温度传感器作为采集杯内的水温信息的装置，继电器电路作为直接调控水杯内水温的装置，最后用串行LED数码管把杯内的水温信息表示出来。用户通过按键设定一个期望的初始温度，温度传感器采集到杯内的水温信息传送至单片机，单片机通过控制继电器电路对杯内水温进行适当调节，当水温低于设定的温度时，加热三极管导通，热得快开始工作对杯内的水进行加热。DS18B20再把检测到的水温信息传到单片机，当达到用户设定的温度时，单片机控制金属加热棒停止加热工作，以此来达到恒温控制的目的。本设计功能十分实用，结构及其稳定，操作简单方便，调试容易，经过实验的调试，结果相当成功。