基于STC12C5A60S2的水浴锅智能控制系统设计

张秋艳，高平安，翟 森

（1.榆林学院 能源工程学院，榆林719000；2.榆林市气象局，榆林719000）

水浴锅是一种使用非常广泛的实验工具，常应用于医疗单位，质检部门，以及大学院校等一些需要进行水浴的实验中[1]。在使用水浴锅的过程中实验人员必须保证水浴锅中的水位淹没过加热丝，如果水位低于加热丝时，加热丝若仍然处于工作状态，则很有可能导致加热丝断裂，从而容易造成一些实验事故，导致实验人员受伤。传统的水浴锅实验操作中，实验人员一边实验，一边关注水位情况，不仅耗精力，也容易造成偶然的干烧现象[2]。而与人工手动补水相比，智能补水控制器在避免干烧，节省精力等方面都具有很大的优势。故本文设计了基于单片机的水浴锅智能控制系统。

1 总体方案设计

本次设计主要包含水位检测模块、水温检测模块和水质检测模块等主要参数的采集，经主控制器STC12C5A60S2 对水位、水温及水质参数的分析与处理，自动控制两相电机的启停，从而实现自动补水功能，并实时显示，同时通过蓝牙传输技术，将信息上传到手机APP，实现水浴锅参数信息的便携式监测。为了通用性，设计了按键模块，进行水位参数限定值的修改，实现人机交互功能。系统整体方案设计如图1所示。

图1 系统结构框图Fig.1 System structure diagram

主控制器。为了降低系统功耗，同时考虑经济成本问题，本设计以宏景科技生产的新一代的8051单片机STC12C5A60S2 为主控制器[3]，它比传统的8051 单片机速度快8～12 倍，且指令代码完全兼容传统的8051，同时内部集成了MAX810 专用复位电路[4]，避免外接复位电路，从而可进一步降低系统功耗问题。

检测模块。水位检测模块是Water Sensor，该模块是一款简单易用、性价比较高的水位、水滴识别检测传感器，此传感器的工作原理是通过具有一系列的暴露的平行导线线迹测量其水滴水量的大小[5]；水温检测模块采用数字温度传感器DS18B20，测量范围从-55～+125 ℃，增量值为0.5 ℃，可在1 s 内把温度变换成数字[6]，故不仅操作简便，而且精度高，抗干扰效果好。

蓝牙模块。采用BT-06 蓝牙模块。该模块主要用于短距离的数据无线传输，能够和手机的蓝牙设备相连直接替代串口线，使用非常方便[7]。

2 主要硬件电路设计

主要硬件电路包括检测模块、显示模块、电机控制模块、声光报警模块等，其硬件电路如图2所示。

2.1 检测模块

检测模块主要是水位检测、水温检测和水质检测电路，如图2 中的检测模块。①水位检测电路。高水位检测与低水位检测的引脚2 为电源端口，引脚3 为接地端口。低水位检测模块的引脚1 为SW1，连接于单片机的P1.2，当低水位传感器检测到水时，P1.2 输入高电平，此时LCD1602 显示屏显示LSW，高水位检测模块的引脚1 为SW2，连接于单片机的P1.3。当高水位传感器检测到水时，P1.3 输入高电平，此时LCD1602 显示屏显示HSW，蜂鸣器电平与LED 灯电平置低，并进行声光报警，电机电平置高，电机停止运行。②水温检测电路。引脚1 为接地端口，引脚2 为输入输出I/O 端口，连接于单片机的P2.0端口，实现水温监测模块与单片机的信号传递功能，引脚3 为电源端口，为水温检测模块提供工作所用的电源，使其能够正常运行。③水质检测电路。与E-201-C pH 复合电极传感器通过BNC 接口进行连接使用，引脚1 为电源端口，引脚4 为接地端口，引脚3 悬空，引脚2 与单片机P1.0 相连，作为AD 口将信号传输到主控制器。

2.2 电机控制模块

本设计采用实验用两相电机为测试对象，由主控制对HK4100F 继电器发送控制指令，完成电机的远程自动启停功能。如图2 中的抽水电机控制模块，其中J9为另一个外接电源接口DC3.5，给电机运行供电，J7为电机接口。当主控制器的P3.3 端口置0时，三极管Q2饱和导通，电机开始运行。当主控制器的P3.3 端口置1 时三极管截止，导致继电器线圈两端电位差消失，电机停止运行。由于在三极管截止的瞬间会在继电器线圈两端产生较高电压的感应电动势，容易击穿三极管，为了避免三极管被击穿，则需要在继电器旁接入一个二极管D1。线圈产生的感应电动势则可以通过二极管D1释放从而避免三极管被击穿以及对其他电路的干扰。

2.3 声光报警电路

为了保证实验人员安全以及能够更方便的使用，本设计加入了警示系统。当检测的水位过高，超出水浴锅的上限值，声光报警系统会通过LED 灯闪烁和蜂鸣器的报警提示音来警示实验人员，使实验人员得到提示。如图2 中的报警电路模块，LED 指示灯D2连接于主控制器P3.6 端口，蜂鸣器模块则通过主控制器P3.7 端口电平的变化来确定是否报警，当高水位传感器检测到水后，P3.6 输出低电平，LED 指示灯亮，P3.7 输出低电平，蜂鸣器开始报警。

3 系统软件设计

系统对水位传感器、温度传感器、水质检测传感器及按键设置等输入模块采集到的参数信号进行分析与处理后，发送相应控制指令，控制执行元件，实现水浴锅的智能控制系统。图3 为控制系统主流程图。

图3 系统主流程Fig.3 Main flow chart of the system

水位模式选择模块根据实验人员的设置情况，进行相应的手动水位控制模式和自动水位控制模式。如进入手动模式，则实验人员可人为手动控制电机进行注水操作；若进入自动模式，则系统检测模块会对水温/水质/水位参数实时监控，首先进行水位下限的检测，当低水位传感器未检测到水位信号，则说明水浴锅中水量过少，当检测到水温达到工作温度，说明有即将干烧的可能，发送控制指令，电机开始注水；若检测到水温处于常温状态，说明水浴锅没有工作，则暂不需要注水；当低水位传感器检测到水位信号，则进一步分析高水位传感器的水位检测情况，当高水位传感器检测到水位值，说明水浴锅中的水超出上限值，有溢出的危险，主控制器发送控制指令，停止注水。系统将检测到的水位、水温、水质pH 等参数由LCD1602 进行实时在线显示，便于实验人员掌握水浴锅中的试验情况。考虑到手机的便携性，通过蓝牙技术，与手机APP连接，方便实验人员的远程监测。当系统检测到水浴锅中的参数超出预设值时，触发声光报警模块，对实验人员作出提示。

4 系统仿真测试

根据上述硬件电路和软件程序的设计，搭建实验硬件测试平台，如图4所示。

图4 系统硬件测试平台Fig.4 System hardware test platform

第一，接通电源，打开手机蓝牙串口助手，选择JDY-31-SPP 设备进行连接，当蓝牙连接成功时手机界面显示检测到水位上限HSW、水位下限LSW，pH值和温度T，系统调试正常。

第二，接通电源，系统默认为手动模式。将低水位传感器置于水浴锅5 cm 处，高水位传感器置于水浴锅15 cm 处，向水浴锅中注入3 cm 溶液，低水位传感器未检测到水。在手动模式下，当按下一次按键S2时，电机启动，开始向水浴锅内注水，再次按下按键S2，电机则停止注水。

第三，当按下S1按键后，自动加水系统切换为自动模式。往水浴锅中注入3 cm 溶液，低水位传感器未检测到水，电机启动，向水浴锅中注入溶液。

第四，继续往水浴锅中注入5 cm 溶液，水浴锅中溶液到达10 cm，低水位传感器检测到水，LCD1602与手机显示检测到低水位LSW。电机继续向水浴锅中注入溶液，当溶液到达15 cm，低水位传感器检测到水，高水位传感器也检测到水，LCD1602 与手机显示检测到低水位LSW，检测到高水位HSW。并且关闭电机，停止注入溶液然后进行声光报警提示。

测试结果如表1所示。

表1 测试结果Tab.1 Test results

5 结语

本系统以STC12C5A60S2 控制器为设计核心，以电源电路、最小系统、传感器、声光报警电路、蓝牙模块、显示电路以及执行机构等构成外围电路。设计了系统的主要硬件电路和主程序，开发了手机蓝牙APP 监控界面，实现了水浴锅在试验过程的智能控制及远程监测的可视化功能。经硬件测试实践证明，该控制系统运行稳定，故障率低、人机交互界面友好，监测方便、具有很好的实用价值，为实验室水浴锅试验的安全运行提供保障。