基于单片机的饮料机调温控制系统设计

2021-07-07左文艳

电子测试 2021年7期

左文艳

（江苏联合职业技术学院镇江分院机电工程系，江苏镇江，212016）

0 引言

随着生活水准的日益提高，在家庭、办公室及其它公共场所被广泛使用的普通纯净水饮水机已不能满足人们更高的要求，因而出现了能够冲调例如咖啡、茶、果汁等不同饮料的饮料机。随着生活节奏日益加快，时间对于人来说是相当重要的，但是目前大多数的饮料机冲调饮料时无法控制饮料的温度，容易太烫或者太冷，浪费了人们很多时间。因此设计一种饮料机调温控制系统，可以使得人们在使用饮料机冲调饮料时，能够进行饮料温度的调节和控制，就成为了当前的一个急需解决的技术难题。

1 系统总体设计

本文设计的饮料机调温控制系统，由单片机、电源电路、温度传感器、按键电路、H桥电路、OLED显示电路、负载驱动电路等部分组成[1]，总体结构图如图1所示。

图1 饮料机调温控制系统的总体结构图

本系统单片机采用STC90C58RD+芯片，这是一款兼容51内核的增强版单片机，其封装采用贴片式LQFP44，能够大幅度减小单片机在整个电路板中的占用面积，而且该芯片价格低廉且功能强大，运行稳定，抗干扰能力强。温度传感器使用的是美国Dallas半导体公司生产的数字温度传感器DS18B20，该型传感器是目前市面上最常用也是性价比最高的温度传感器[2]。该器件具有精度高，体积小，价格低廉，硬件电路简单等特点[3-5]，对于一般温控系统，完全可以满足实时性需要。本系统使用H桥电路实现制冷或制热功能，使用OLED显示与按键交互的形式，使得使用者可根据自身温度需求对饮料机的饮料温度进行调节，操作简单，安全稳定。

2 系统硬件设计

2.1 单片机及其外围电路设计

本系统中，系统采用 STC90C58RD+为主控制器，通过温度传感器 DS18B20 采集温度数据，采集到的数据通过OLED液晶进行显示，系统通过USB接口下载并调试程序，系统配置有时钟模块和手动复位模块，系统还设置有温度报警模块[6-7]，用于在监测到饮料机的液体温度达到设定温度后向使用者进行报警提示。单片机及其外围电路的原理图如图2所示。

OLED显示电路和按键电路实现了人机交互功能，其中OLED显示电路用于显示饮料机的各种信息，主要由显示屏以及程序指示灯组成，显示屏采用触摸显示屏，程序指示灯由6个LED灯组成，如图2中LED1至LED6，用于指示当前程序运行进度信息，方便调试程序；按键电路用于实现饮料机的按键功能设置和选择，特别是温度调节相关的功能，可以设置饮料机饮料的上限、下限温度值以及目标温度值。因此，使用者需要根据自身喜好对饮料机的饮料温度进行设置和调节时，只需要按下按键电路中相应的温度调节按键即可实现饮料机的调温设置，操作简单，响应速度快，同时OLED显示电路的显示屏的主界面会显示相关的温度设置以及饮料的升温、降温信息。

图2 单片机及其外围电路的原理图

温度传感器设置在饮料机的储水槽上，其温度探头可以实时采集储水槽中的液体（饮料）温度，并通过OLED显示电路实时显示出来。

单片机上连接有时钟电路，时钟电路由从两个单片机端口XTALl、XTAL2引出的两个接地电容C5、C7以及并联在以上两个单片机端口XTALl、XTAL2之间的电阻R23和晶体振荡器Y1组成，用于为单片机产生稳定的时钟信号。

单片机上还连接有手动复位电路，手动复位电路由复位按键RST、一端连接复位按键RST而另一端接地的电阻R28以及并联在复位按键RST两端的电容C8组成，且复位按键RST与电阻R28连接的节点连接单片机的复位引脚RST，电容C8与电阻R28组成了RC上电复位电路，按下复位按键RST后，可以实现手动复位。单片机上还连接有USB程序下载接口P9，用于从外界向单片机传输相关程序，隔离开关S1可以将单片机电源端口VCC与电源电路电源隔离，避免下载程序时USB程序下载接口P9过载导致OLED显示电路的显示屏蓝屏。

单片机上还连接有蜂鸣电路，用于在监测到饮料机的液体温度达到设定温度后向使用者进行蜂鸣提示，蜂鸣电路由电阻R24、三极管Q6以及蜂鸣器BEE组成。

2.2 负载驱动电路设计

本系统中，负载驱动电路由一个大功率场效应管VT2、一个三极管Q0、一个光电耦合器OPT2以及三个电阻R2、R5、R6组成，负载驱动电路原理图如图3所示。光电耦合器OPT2可将单片机和负载之间的信号隔离开，以避免由于系统工作电流大以及瞬时冲击电流大所造成的干扰。三极管Q0为S8050，起到信号倒相的作用，同时可以起到驱动大功率场效应管VT2的作用，保证大功率场效应管VT2完全导通，以避免由于单片机上电复位瞬间HOT端口为高电平状态而导致的负载在启动瞬间时会损坏电源的问题。大功率场效应管VT2的功率大于100W，选型为IRF540N，其特点是导通内阻小，通过大电流时发热量低。电阻R2、R5、R6的阻值均为1KΩ。此外，本系统中，由于每个负载与单片机之间都连接有一负载驱动电路，从而导致饮料机调温控制系统整体的工作电流大，所以饮料机调温控制系统的电路板的部分走线使用了开窗不盖油的工艺，焊接时可以加厚铜箔，增大载流截面积，可使大电流通过。

图3 负载驱动电路的原理图

2.3 H桥电路设计

H桥电路5由两个二选通一按钮SW1、SW2，四个 MOS晶体管 Q1、Q2、Q3、Q4以及两个不同发光颜色的发光二极管D1、D2组成，H桥电路原理图如图4所示。MOS晶体管Q1和MOS晶体管Q2均为PMOS管，选型均为IRF5210，MOS晶体管Q3和MOS晶体管Q4均为NMOS管，选型均为IRF3710。二选通一按钮SW1、SW2的选型均为SW-SPDT-MOM。H桥电路的输出端连接饮料机的制冷片，当二选通一按钮SW1与二选通一按钮SW2的信号相同时，H桥电路无电流通过，也无电流向制冷片输出，而当二选通一按钮SW1与二选通一按钮SW2信号相反时，可改变2对MOS晶体管的导通顺序，从而起到改变电流方向的作用，即当电流正向流过饮料机的制冷片时，制冷片的A面制冷，B面制热；相反，当电流反向流过制冷片时，制冷片的A面制热，B面制冷。本系统中，由于H桥电路需要驱动制冷片工作，因此其负载电流大，发热大，需要粗导线以及大面积散热片，所以该H桥电路没有集成在饮料机调温控制系统的主电路板上，而是单独接出，安装于饮料机的水冷散热器下，从而使得H桥电路上方可巧妙地使用来自水冷散热器的水冷风扇来散热，风力强劲，很大程度上解决了H桥电路的MOS管发热严重的问题。

图4 H桥电路的原理图

2.4 电源电路设计

本系统的电源电路由360W的开关电源P6以及稳压电路组成，电源电路的原理图如图5所示。开关电源P6运行稳定且能量转换效率高，能够输出3组12V直流电来供系统使用，其中输出的一路12V直流电经稳压电路转换为5V后输出至单片机使用。稳压电路由四个电容C1-C4、一个稳压芯片U1、一个电阻R11和一个LED指示灯LED0组成。本系统中，稳压芯片U1选型为78M05，电容C1和C3的选型均为100nF贴片电容，电容C2和C4均为100μF/25V电解电容，且电容Cl、C2并联用于对送入稳压芯片U1的信号进行滤波，电容C3和C4用于对稳压芯片U1输出的+5V电源信号进行抗干扰处理，LED0为电源指示灯。

图5 电源电路的原理图

3 系统软件设计

本系统的软件设计采用 C 语言，在RVMDK开发环境下完成系统程序的编译调试及下载[8]。本系统的程序设计流程如图6所示。具体工作如下：首先，电源电路为饮料机调温控制系统上电，饮料机调温控制系统初始化后，进入OLED显示电路的显示屏主界面，等待按键电路的按键选择信息；其次，通过按键电路选择启动制冷功能（即会自动制冷至下限温度）、启动制热功能（即会自动制热至上限温度）或者选择冷／热设置功能（即通过人工进行按键操作来设置目标温度并调温至该目标温度）；接着，调用温度采样子程序，对输入的温度信号进行处理; 然后，对输入的温度与设定的温度值进行比较，如果当前温度低于或高于设定的温度值则启动升温或降温程序，直至所述液体温度达到所需温度，之后可以停止制冷片和所有负载工作[9-13]。

图6 调温控制系统的程序流程图

4 系统实现

本系统的电路部分，首先，采用了宏晶公司生产的STC90C58RD+芯片，并使用自主设计的专用电路板，可以在直径90mm的电路板上实现控制饮料机的大功率负载，系统成本低廉且功能强大，运行稳定，其次，使用2对MOS管组成的H桥电路来驱动制冷片实现制冷或制热，以调节饮料机的液体温度，并在H桥电路上方巧妙使用来自饮料机的水冷散热器的水冷风扇散热，风力强劲，很大程度上解决了H桥电路MOS管发热严重的问题；再者，使用了OLED显示与按键交互的形式，使得使用者可根据自身温度需求对饮料机的饮料温度进行调节，操作简单。此外，在饮料机调温控制系统的主电路板上方安装了一个板载散热风扇，可有效地为主电路板散热，保证电路能够稳定运行。

不同类型的饮料冲泡有不同的温度需求，故设定几种不同的温度值，通过本温度控制系统进行温度调节，观测并记录温度值的变化，记录数据如表1，由表1知，设定温度与测量温度的偏差在0.5℃以内，相对误差小于1.0%。通过实验测试说明，该系统的测量精度和温度控制能力较好，达到设计要求[14-16]。