基于单片机的太阳能储能智能恒温外卖柜设计

吴牧原 翟娟 彭伊辰 叶木森 顾磊

摘  要：近来国内各地疫情频出，人们的饮食方式也随之改变，外卖愈发成为更多人的选择，针对外卖的保温问题，设计了一种基于STC89C52RC为控制核心的智能恒温外卖柜。该装置利用太阳能储能元件驱动单片机，通过温度传感器检测箱内温度并进行控制，并且利用键盘、LCD1602液晶显示器、NRF24L01无线传输模块等实行智能操作。实验结果表明，基于此单片机的恒温外卖柜，减少了人力成本，实现了智能控制。

关键词：STC89C52RC；太阳能铅酸蓄电池；恒温控制系统；LCD1602液晶显示器；NRF24L01

中图分类号：TP368.1    文献标识码：A    文章编号：2096-4706（2023）08-0175-04

Abstract： Recently， epidemics have occurred frequently in various parts of the country， and people's diet has also changed. Takeaway has become more and more people's choice. To keep the temperature of takeaway， an intelligent thermostatic takeaway cabinet based on STC89C52RC which is the control core has been designed. This device uses solar energy storage element to drive Single-Chip Microcomputer， and temperature inside the box is detected and controlled by a temperature sensor， and it uses keyboard， LCD1602 display and NRF24L01 wireless transmission module and other modules to implement intelligent operation. The experiment results show that thermostatic takeaway cabinet based on this Single-Chip Microcomputer reduces costs and realizes intelligent control.

Keywords： STC89C52RC; solar lead-acid battery; thermostatic control system; LCD1602 display; NRF24L01

0  引  言

随着疫情的反复爆发以及国家的相关政策发布，国内的餐饮行业遭遇寒冬，这导致外卖行业迅速发展壮大，外卖的用户规模正逐渐增大。外卖给人们的日常饮食带来了便捷，但商家、骑手和顾客之间发生争执的现象屡见不鲜，往往是因为取餐的时间和地点产生争吵，也有一些上班族不能及时取餐。经过市场调查，市面上的恒温外卖柜大都造价昂贵、耗电量大。针对此类现象，设计一款结构简单、成本低廉、智能化的恒温[1]外卖柜。

本设计以STC89C52RC单片机为微处理器控制核心，采用太阳能铅酸蓄电池作为供电模块，包括DS18B20温度传感器、LCD1602液晶显示模块、NRF24L01无线传输模块、矩阵键盘模块、继电器模块、数模转换模块，实现了设置温度、检测温度、液晶显示、无线传输等功能。

1  系统的总体设计

本设计的控制核心是STC89C52RC单片机，主要由太阳能铅酸蓄电池供电、矩阵键盘设定温度值、LCD1206液晶显示界面、温度传感器检查实时温度、NRF24L01无线模块传输数据、LED亮灭警示过限、继电器驱动加热电路等模块组成。其总体设计框图如图1所示。

系统的工作流程是：首先，用户可通过矩阵键盘设定恒温外卖柜中的期望温度值，DS18B20温度传感器会不断实时检测温度值并送入A/D轉换器；然后，当实时温度大于（或小于）期望温度值时，继电器吸合并驱动加热电路工作（释放停止加热）。

2  硬件模块电路设计

硬件模块的电路原理图如图2所示，包括单片机最小系统、温度传感器、LCD1602显示模块、矩阵键盘模块和继电器模块。其中，单片机选用STC89C52RC微处理器，温度传感器选用DS18B20，矩阵键盘选用行列式键盘。

2.1  微处理器STC89C52RC

本设计的微处理器选择STC89C52RC单片机，它是由STC公司生产的一种CMOS8位微控制器，具有8 K字节可编程Flash存储器、512字节RAM、32位I/O口线、4 KB的EEPROM、3个16位定时器/计数器、4个外部中断、1个7向量4级中断结构、全双工串行口。

2.2  太阳能蓄电池供电模块

本设计的供电模块使用太阳能电池板和铅酸蓄电池两个元件。太阳能电池板光伏发电之后，向铅酸蓄电池充电，铅酸蓄电池再向单片机供电。储能装置使用铅酸蓄电池，相比于锂电池，铅酸蓄电池价格便宜，且耐高温的性能比较好、安全性能高。太阳能电池板3D图如图3所示。

铅酸蓄电池[2]的充电原理：正极板中的硫酸铅、负极板中的硫酸铅与电解液中的水反应，生成二氧化铅和铅。

铅酸蓄电池的放电原理：正极板中的二氧化铅、负极板中的铅与电解液中的硫酸反应，生成硫酸铅和水。

2.3  A/D转换器0809

ADC0809是一种CMOS型8位A/D转换器，采样频率为8位，采用逐次逼近原理，其内部有一个8路模拟量开关，可以根据地址锁存译码后只选通一路模拟输入信号进行A/D转换。

ADC0809的IN0～IN7引脚为8路模拟量输入端；START为转换开始信号，高电平有效；EOC为转换完成信号，开始转换时该引脚为低电平，转换完成后该引脚输出高电平；OE为输出使能信号，若从该引脚引入高电平，三态输出锁存器中的数据从D0～D7送出；ADDA、ADDB、ADDC为3为地址输入线，用来选择8路模拟通道中的一个；CLK为时钟脉冲输入端；VR（+）、VR（-）为基准电压输入端；VCC接+5 V电源、GND接地。

2.4  LED指示灯模块

LED指示灯是一对共阳极发光二极管，共阳极发光二极管的阳极接到+5 V上，阴极通过限流保护电阻接到单片机的I/O口。

2.5  继电器模块

继电器的电路原理图如图2所示，三极管的发射极接+5 V，集电极接GND。当基极接收到单片机输出的低电平信号时继电器吸合，当基极接收到单片机输出的高电平信号时继电器断开。继电器的吸合或断开状态通过左边的D4指示灯显示。

2.6  NRF24L01无线模块

NRF24L01[3]是一款单片射频收发一体器件，工作于2.4 GHz ISM频段，内置频率发生器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等模块，集成Enhanced Short Burst协议，采用SPI通信。

NRF24L01芯片的引脚中，CE用于选择TX或RX工作模式；CSN是SPI的片选信号；MOSI和MISO分别为数据输入和数据输出；ANT1和ANT2是天线接口1和天线接口2；SCK是SPI的时钟信号；IRQ是可屏蔽的中断引脚。

2.7  DS18B20温度传感器模块

DS18B20的硬件连接图如图2所示，1号引脚接地；3号引脚接+5 V；2号引脚为数据输入/输出端，接到单片机的I/O口，同时外加上拉电阻。

DS18B20主要由64位ROM、高速暂存器和存储器组成。64位ROM具有独立的序列号，可以实现一根总线上接多个DS18B20；高速暂存器包含温度传感器、一个字节的温度上限和温度下限报警触发器和配置寄存器；存储器由一个高速RAM和一个可擦除EEPROM组成。

DS18B20采用16位补码的形式存储温度数据，转换所得的数据以二字节补码存放，高字节的5个为符号位，S=1时为正值，S=0时为负值。其转换数据存放格式如表1所示。

2.8  LCD1602液晶显示模块

LCD1602液晶显示器是一种字符型液晶显示模块，其体积小、重量轻、稳定性好，并且和单片机的I/O口连接起来较为简单，因此选用LCD1602液晶显示屏作为本设计的显示模块。

LCD1602的电路原理图如图2所示，1号引脚接地；2号引脚接电源；3号引脚经可变电阻接地，用于调节对比度；4号引脚接P1^0；5号引脚接地，仅执行写操作；6号引脚接单片机P1^2口；7～14号引脚连接单片机的P0口作为数据的输入/输出口；15号引脚为背光灯电源正极，连接至VCC；16号引脚为背光灯电源负极，连接至地。

2.9  矩阵键盘模块

本设计采用行列式矩阵键盘作为数据键入模块。与独立键盘不同，矩阵键盘的两个引脚都连接到单片机的I/O口，分别作为行信号和列信号。行列式键盘通过行信号和列信号进行检测，大大减少了I/O口的使用。其电路原理图如图2所示。

3  系统软件设计

3.1  系统整体程序设计

本设计软件编程使用C语言在KeiluVision 5进行编写，各个模块均在PROTUES软件中进行仿真调试，操作系统为Windows 10_64位，程序包括矩阵键盘的扫描、A/D转换、LED指示灯、继电器的吸合与关断和LCD1602液晶显示屏的显示等。其整体流程如图4所示。

3.2  矩阵键盘的扫描

行列式矩阵键盘的扫描方法为逐行扫描，并且逐列读取列信号，即先让第一行为低电平，其他行均为高电平，对列进行扫描，若有列信号为低电平，则可确定此按键处于被按下的状态，否则处于未被按压状态。同时每次扫描后需要设置一定的延时程序来达到消抖的目的。

3.3  液晶显示屏的程序设计

要使用LCD1602[4]，首先需要进行初始化设置，即通过一些特定的指令对LCD1602初始化，然后设置想要显示的数据和位置。

LCD1602的寫操作分为写指令字和写数据字，二者的区别仅仅在于RS的电平高低，RS低电平为写指令字，RS高电平为写数据字；下面以写指令字为例介绍操作时序：RS设置为低电平，R/W为低电平，这是D0～D7上的数据进入有效阶段，之后E引脚会有一个正脉冲的跳变，需要维持一段时间的脉冲宽度，等到E引脚跳变负脉冲时，写操作结束。

3.4  DS18B20温度传感器的程序设计

DS18B20的操作步骤分为初始化、ROM操作指令、DS18B20功能指令。本设计仅用到一个DS18B20，因此第二步可以直接跳过ROM指令，跳过ROM指令的字节为0xCC。

DS18B20功能指令需要知道读写时序[5]。读操作时，主机拉低总线电平至少1 μs后释放，读取DS18B20发送过来的0或1，若读0就拉低总线电平至读周期结束，若读1则释放总线为高电平；写操作时，总线控制器通过控制单总线高低电平持续时间把0或1写入DS18B20中，每次只传输1位数据，若写0时，需要保持60～120 μs的低电平持续时间，然后释放总线，若写1时，需要保持大于1 μs的低电平时间，然后在15 μs内拉高总线。

4  系统测试

本设计利用KeiluVison5进行编程并且结合Protues软件进行仿真测试。经测试后，系统能够正常运行，于是将需要的各个硬件模块连接到开发板上，实物效果如图5所示。开发板上包括LCD1602、DS18B20温度传感器、矩阵键盘等模块。

系统测试主要对DS18B20温度传感器和LCD1602进行测试。首先对DS18B20温度传感器进行测试，编写好相应的程序之后，将温度传感器的温度值在数码管上显示，并与用温度计测量值进行对比，经测试后，DS18B20能正常使用；之后改写程序，将DS18B20检测的实时温度值显示在LCD1602液晶显示器上，发现能够准确显示并且不会出现乱码的情形。测试情况如图6所示。

5  结  论

本研究设计了一款基于STC89C52RC为控制核心的智能恒温外卖柜系统，具有成本低廉、性能稳定、功能性强的特点，加上优化的程序之后，提高了其智能化水平。

本设计结合运用了矩阵键盘、LED、继电器、DS18B20温度传感器、LCD1602等模块，利用编程通过LCD1602显示出实时温度并与预设温度比较后进行加热或冷却，达到了预期的目的和效果。

然而，系统仍然存在不足之处，比如在供电电源方面是否可以采取更加节能环保、更具创意的供电模式，在智能化方面仍具有很大的提升空间，可以增加蓝牙模块来继续提高系统的智能性。

参考文献：

[1] 宋云峰.基于单片机的恒温控制系统的研究与开发 [D].合肥：合肥工业大学，2008.

[2] 丁广波.太阳能储能用铅酸蓄电池技术研究 [D].鞍山：辽宁科技大学，2012.

[3] 马瑾，裴东兴，张少杰.基于nRF24L01的无线温湿度测试系统 [J].电子设计工程，2012，20（2）：64-66.

[4] 郭营营.LCD 1602液晶显示屏 [J].内江科技，2016，37（7）：38+37.

[5] 姜颖.DS18B20在测温系统中的应用 [J].天津职业院校联合学报，2010，12（6）：158-161.

作者简介：吴牧原（2002—），男，汉族，江苏徐州人，本科在

读，研究方向：电气工程及其自动化；通讯作者：翟娟（1990—），女，漢族，江苏扬州人，讲师，硕士，研究方向：控制理论与控制系统。