基于单片机的智能奶瓶温度监控系统设计

宁德技师学院　谢理训



基于单片机的智能奶瓶温度监控系统设计

宁德技师学院谢理训

针对传统奶瓶无法实时精确监控奶水温度的问题，设计了一种基于单片机的智能奶瓶温度监控系统，它由单片机微处理器、温度检测模块、语音播报模块、显示模块、按键模块等组成。通过温度传感器DS18B20实时检测奶瓶内奶水的温度并送单片机处理，由数码管显示和语音播报温度，当奶水温度低于设定阈值时，系统控制加热棒对奶水加热并保持在设定温度阀值，而奶水的温度阀值通过按键设置。实验表明，该系统能够较好地实现奶瓶内奶水温度的监控功能。

奶瓶；单片机；温度监控；语音播报

1　引言

随着社会的发展和人们生活水平的提高，家长对婴幼儿的食品和相关的用具非常重视，例如：让婴幼儿喝进口奶粉，用多功能、环保和质量安全的奶瓶等［1］。婴幼儿都需要用奶瓶来喝牛奶和清水，而在给小孩喝之前必须确保奶瓶内奶水的温度适中，避免温度过高烫伤小孩的嘴巴，或者奶水温度过低使得小孩拉肚子等［2］。但是目前市场上销售的奶瓶大多都没有温度监测和辅助加热功能，有些家长通过人体皮肤测试或者试喝来判断奶水的温度，这种方法难以准确掌握奶瓶内奶水的温度。另一方面，可以用温度计来测量奶瓶内的奶水温度，但这种方法不卫生，因为温度计可能污染奶水，而且温度计需要放入奶水一定的时间才能测出奶水的温度。此外，当奶瓶内奶水的温度过低时也不能加热。

为了解决普通奶瓶的这些问题，本文设计了一种带温度监控系统的智能奶瓶，它能够实时监测，并由数码管显示和语音播报奶瓶内奶水的温度，此外，当奶水温度低于设定阈值时，系统能够控制加热棒对奶水进行加热并保持在设定温度值，而奶水的温度阀值通过按键设置。下文分别从硬件和软件上详细阐述该智能奶瓶温度监控系统的设计。

2　智能奶瓶温度监控系统的硬件设计

根据奶瓶的实际使用需求，智能奶瓶的温度监控系统应该具备以下功能：

（1）能够实时检测和显示奶瓶内奶水的温度，当温度到达设定阀值时语音播报提示；

（2）当奶水温度低于设定阀值时，则控制加热棒对奶水加热，并使奶水的温度保持在设定阀值，同时语音播报提示；

（3）奶水的温度阈值能够通过按键任意设置。

因此，该系统应该包括微控制器、温度检测模块、显示模块、语音播报模块、加热控制模块、按键模块、电源模块等，其硬件结构框图如图1所示。

图1　智能奶瓶温度监控系统的硬件结构框图

考虑到系统的功能要求和成本等因素，微控制器选用STC89C51RC单片机，它能够满足该系统的控制要求。

2.1温度检测模块

本文采用温度传感器DS18B20来检测奶瓶内奶水的温度。相比传统的电阻式温度传感器，它体积小、功耗低、精度高、测温范围宽（-55℃～+125℃），接口电路简单，只需一条线就可以实现和单片机的通信。此外，其工作电压范围为3V-5.5V，无需备用电源，使用方便。它与单片机IO口的接口电路如图2所示，DS18B20的数据端口DQ和单片机的IO端口P2.2连接，实现数据通信。

图2　DS18B20及其接口电路

2.2语音播报模块

本文采用语音芯片对奶瓶内奶水的温度状态进行语音播报提醒，当奶瓶内奶水的温度高于设定上限值时，则播报“温度过高，降温中，请等待”；而当奶瓶内奶水的温度低于设定下限值时，则播报“温度过低，加热中，请等待”；而当奶瓶内奶水的温度处于设定阈值范围时，则播报“温度正常，可饮用”。

图3　语音播报电路

语音播报电路如图3所示，引脚4、5分别接5V直流电源的正极和负极。引脚1经过电容滤波后直接接地；引脚2、3直接与喇叭连接，驱动喇叭发出不同的提示声音；引脚6、7、8分别与单片机的数据IO口P1.7、P1.6、P1.5连接，实现单片机对语音芯片的控制。

2.3加热控制模块

当奶水温度低于设定下限值时，系统要控制加热棒对奶水加热。因此，在奶瓶底部安装了一个加热棒，额定工作电压为12V，通过继电器控制加热棒的工作状态。而继电器和单片机之间通过光耦隔离，并实现电平转换，加热棒的驱动控制电路如图4所示。

图4　加热棒驱动控制电路

当奶水温度过低时，单片机引脚输出低电平信号，光耦OP521导通，使得三极管T0导通，指示灯LY0亮，从而驱动继电器闭合，接通加热棒电源，对奶水进行加热。而当加热到设定温度后，单片机输出高电平，光耦关断，三极管T0关断，指示灯LY0灭，继电器因失电而断开，使得加热棒断电，停止加热。

2.4电源模块

本系统需要提供两种电压：单片机等IC的+5V电压，加热棒和继电器的+12V电压。其中+12V电压由独立的开关电源模块提供，而+5V电压则由+12V电压通过LM7805等芯片转换而来，12V转5V的电路如图5所示，其中包括滤波电容C01、C02、C03、C04、

C05，正负极接反保护的二极管D0和抑制杂波的共模扼流圈L01。

图5　+12V转+5V电路

2.5显示模块

由于本系统需要实时显示温度等数据，且温度精确到0.1℃，故采用三位7段数码管来实现。为了节省单片机的IO口等硬件资源，数码管采用动态方式驱动显示，通过一片74HC595存储待显示数据位的笔段码，再通过3个三极管位选要显示的数码管，电路如图6所示。

图6　数码管驱动电路

2.6按键模块

由于本系统中需要设置奶瓶内奶水温度的上、下限等阈值，故需要设计按键电路，如图7所示。根据系统参数设置的要求，设计4个按键，分别实现设置参数模式选择、数值加和数值减、复位等功能。为了使按键值被单片机可靠读取，按键均接有10K的上拉电阻，且均为低电平有效。

图7　按键电路

3　总结

针对普通奶瓶没有奶水温度监测、显示和加热等功能，本文以STC89C51单片机为核心控制器，采用DS18B20温度传感器实时监测奶瓶内奶水的温度，并将温度值显示在数码管上，同时根据监测的温度值控制加热棒对奶水加热并维持在设定值。该系统能够较好地监测、显示和语音播报奶瓶内奶水的温度，同时可以对奶水加热并保持在设定温度值。在今后的研究中，可以结合手机APP和蓝牙等技术，远程监控奶瓶内奶水的温度。

［1］马瑛.情感感知母婴用品购物助手研究与设计［M］.大连:大连海事大学，2013.

［2］张林文君.新型家庭的厨房优化设计研究［M］.上海:东华大学，2016.