基于单片机的智能温度调节杯
何兴阳 高巧楠 李维平 王碧霞 周慧
摘要：水温自动控制技术在工业生产、生活中发挥着重要的作用。本文利用STC89C52单片机设计了一种可控温水杯，可在多种气温环境下，根据用户的需求设定杯内温度，调节温度实现控温。可控温水杯能满足长途旅游、出差工作中热水、凉水的轻松切换，并对水温实时监测。基于单片机的智能水温杯具有可靠性高、价格低、简单易操作于一体的特点，具有一定的实用价值。
关键词：温度调节;单片机;水杯
中图分类号：TP30? ? ?文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2021）16-0179-04
开放科学（资源服务）标识码（OSID）
Controllable Temperature Regulator Cup Based On Single-Chip Microcomputer
HE Xing-yang， GAO Qiao-nan， LI Wei-ping， WANG Bi-xia， ZHOU Hui
（College of Information Science and Technology， Gansu Agricultural University， Lanzhou 730070， China）
Abstract： Water temperature automatic control technology plays an important role in industry production and life. This paper uses STC89C52 single chip computer to design a controllable temperature Water Cup， which can set the temperature in the cup according to the user's demand and adjust the temperature to realize temperature control under various temperature environments. Controllable Temperature Water Cup can meet the long-distance travel， business trip， easily switch between hot water and cold water ， and can get a real-time water temperature. The intelligent water temperature cup based on single chip microcomputer has the characteristics of high reliability， low price， simple and easy operation， and has certain practical value.
Key words： Temperature Regulation; Single Chip Computer; Water Cup
信息采集控制是现代信息技术最主要的技术之一，而温度控制器技术属于现代信息技术中发展较为先进的代表。温度控制器可根据设定温度和所需温度之差来控制，从而实现温度调节控制，近些年来由于科技的发展已广泛应用到科研、生活、农业等众多领域。
本设计采用STC89C52单片机为核心控制电路， 设计了一款满足现代日常生活及用戶需求的智能温度调节杯，它可在不同的气温环境下，依据用户的需求设定需求的水温温度及杯内水温温度差来控制加热制冷管工作，从而调节温度达到需要。
1 设计思路及步骤
1.1 总设计方案
系统设计中以STC89C52单片机为控制核心来实现温度控制系统，采用液晶显示器显示温度测量值。检测的温度范围：极限温度域-40℃-100℃;正常使用值大约为25℃—90℃。如果温度超过预设值时能警告蜂鸣器发出声音。温度的设定可以通过外设输入，温度的控制采用单片机自动控制温度，控温精度±3℃。
基于单片机的智能温度调节杯以水温为被控对象，单片机STC89C52为主要元件。这个控制按功能分液晶显示器、控温系统、外设调节按键、警告LED及蜂鸣器。温度传感器利用电子温度计对温度进行监测，并将A/D返回给CPU然后在屏幕上显示。调节水温可利用外设按键来预定温度，CPU根据实时水温和用户预定的温度计算差值，通过控制两端可加热铜丝的开关调节水温。如果温度超出预设范围，警告器件就会发出警告。本系统以Altium designer开发工具[1]，Microsoft vc6.0，C++作为编程语言，写入程序对各个模块进行调节控制，最后进行仿真设计，利用Altium designer设计框架如图1。
1.2 设计预期
这种调节温度域极限大约为-40℃-100℃，而在正常使用下阈值大约在25℃到90℃，可用模拟温度传感器来将测得温度转换成模拟信号传输给单片机系统，然后通过A/D转换器来转换成数字信号，从而控制驱动器工作，进而达到目的，在移动设备如（水杯）加入高效率锂离子电池来实现驱动电源，在杯壁左侧加入加热铜丝，而在另一方加入半导体制冷材料，在底部设置显示设备及自定义控制设备，进而通过不同的档位选择不同的温度，在杯底加入温度传感器来实现温度可控，达到预期温度时来将信号反馈给单片机。设计中的智能水温调节器程序可实现温度调节器自动工作，且达到上限时可做到警告及自动切断电源，将这种设备用于水杯中可以随时随地实现水温可控，最低温度能适用于不同季节，如需饮用冰凉一点的水，最低可将温度调节至20℃，冬季想饮用热水，最高90℃是不同海拔最低水温，这种温度调节的水杯应该是非常实用的且大众需要的，有利于使用者携带，体积小，无毒无害，可回收利用。
2 系统硬件设计
2.1 时钟电路
STC89C52单片机内部有一个用于震荡反相放大器，引脚分别是放大器的输入端和输出端，LC振荡器或互感谐振器与其他两个相匹配的电容设计成一个自激振荡电路，为单片机提供时间提示，如图2所示[2]。
2.2 复位电路
CPU中的复位电路是用来让电路恢复到初始状态的电路，其操作原理与计算器归零相似，启动原理和控制方式简单易上手。它就是利用电路恢复到最开始的状态。功能类似计算器的清零按钮，可以回到原始状态然后重新计算。这个系统利用外部按键恢复复位，如图3所示。
2.3 键盘输入电路设计
由于本系统所需按键数目不多，为使得系统简单键盘输入电路采用了独立键盘。如图4所示，键盘设置了4个功能键。当第一次按键时，此时可设置恒定温度;实时数据加1;如果按住4键时，实时数据减1;如果按住2时，等待调整值右移，进入下一个数的调整;当第二次按下1，系统退出恢复复位状态。依据用户的需求设定需求的水温温度及杯内水温温度差来控制加热管及制冷管工作[3]。
2.4 电子液晶电路设计
利用LED屏幕显示来收集的温度数值和预定的温度数值。如图5所示，单片机P0控制，经过阻值为10k?的电阻连接。由单片机控制读写信号线，由单片机P2.6口控制，在杯壁左侧加入加热铜丝，而在另一方加入半导体制冷材料，在底部设置显示设备及自定义控制设备，进而通过不同的档位选择不同的温度，依据用户的需求设定需求的水温温度及杯内水温温度差来控制加热制冷管工作。
在杯底加入温度传感器来实现温度可控，达到预期温度时来将信号反馈给单片机。设计中的智能水温调节器程序可实现温度调节器自动工作，且达到上限时可做到警告及自动切断电源。实现操作流程如图所示，当p0跟vcc正常接入正电源时，系统操纵p04和p07将A/D信号用数字显示在屏幕上[4]。
2.5 采集水温电路设计
设计采用内部供电，VCC接3.5v电源，GND接地。温度采集电路中选用了DS18B20数字温度传感器，其体积小，精度高，抗干扰能力强。VCC直接与单片机端口P3.7相连。
2.6 警告电路设计
如果设置的温度与实时温度不符合时，先将模拟信号转换成数字信号，然后传给CPU，CPU利用存储器ROM。此时报警系统的led灯跟蜂鸣器通电就可以工作。LED和蜂鸣器通电进行提示工作[5]。
2.7操控温度电路设计
在温度控制电路的设计中，选择了可控加热铜丝，MOC3031m这个操作温度电路可将电容跟电阻实时电压。传给CPU，利用外设键可调节电炉的温度来实现加热目的。这时候需要考虑半导体材料的耐热线此时的电压相同。半导体材料可以正常工作。来反馈给液晶显示屏，可以实时观测到电炉的温度，然后利用按键来提高和降低电路的温度来控制水溫 。
3软件设计
3.1主程序设计
主程序包括温度采集显示，键盘扫描，控制和报警。可以利用单片机的仿真软件keil来对单片机的可操作性跟可靠性进行实时的模拟[6]。然后利用C语言汇编语言进行软件设计。写出相应的代码，在电脑上运行。若无错误。则可写入CPU。依据用户的需求设定需求的水温温度及杯内水温温度差来控制加热制冷管工作。
3.2显示模块程序设计
程序流程图如图11所示，在系统开始前，我们先用复位电路先将整个系统初始化，然后利用时钟电路读取实施温度。将温度模拟信号转化成数字信号传给CPU，CPU将利用液晶显示器用数字的形式显示在屏幕上，用户可利用外部按键。调节水温高低。 本设计采用STC89C52单片机为核心控制电路， 设计了一款满足现代日常生活节奏及用户需求的智能温度调节杯，它可在不同的气温环境下，依据用户的需求设定需求的水温温度及杯内水温温度差来控制加热制冷管工作，从而调节温度达到需要。
3.3键盘扫描模块程序设计
使用按键按下，然后即可释放，在闭合和分开的时间需要超过20ms。前沿振动消失后检查按键是否闭合;当接到按键松开信号后，振动消失后再检测下一次按键的闭合。键入程序流程图如图12。
3.4警告模块程序设计
警告模块程序设计中首先是对温度进行判断，超出上限温度或下限温度时，再进入警告程序。
3.5 PID温度控制程序
4 项目意义与实现功能
信息采集控制是现代信息技术最主要的技术之一，而温度控制器技术属于现代信息技术中发展较为先进的代表。温度控制器可根据设定温度和所需温度之差来控制温度，从而实现温度调节控制，近些年来由于科技的发展已广泛应用到科研、生活、农业等众多领域。
本设计采用STC89C52单片机为核心控制电路， 设计了一款满足现代日常生活节奏及用户需求的智能温度调节杯，它可在不同的气温环境下，依据用户的需求设定需求的水温温度及杯内水温温度差来控制加热制冷管工作，从而调节温度达到需要。此系统可用于各种水温控制项目，随时随地调节水温，供用户使用，在这个设计中，最难突破的是在于制冷环节，我们可将时钟电路和复位电路连接在一起，然后连到制冷管上控制其正常运转。
5 总结
利用STC89C52单片机及PID算法控制温度，实现温度调节器能够自动工作，且达到上限时可做到警告及自动切断电源，控制驱动器工作。设计中利用高效率锂离子电池来实现驱动电源加热铜丝，加入半导体制冷材料，设置显示设备及自定义控制设备，进而通过不同的档位选择不同的温度，在杯底加入温度传感器来实现温度可控，达到预期温度时来通过数字信号来反馈给单片机。这种设备用于水杯中可以随时随地实现水温可控，方便人们使用。
参考文献：
[1] 王迎旭.单片机原理与应用[M].2版.北京：机械工业出版社，2012.
[2] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程：入门、提高、开发、拓展全攻略[M].北京：电子工业出版社，2009.
[3] 戴永.微型计算机控制技术[M].湘潭：湘潭大学出版社，2009.
[4] 贾宗璞，许合利.C语言程序设计[M].徐州：中国矿业大学出版社，2007.
[5] 康华光，邹寿彬.电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2000.
[6] 三恒星科技.MCS-51单片机原理与应用实例[M].北京：电子工业出版社，2008.
【通联编辑：梁书】
