衛(wèi) 兵,尹麗麗,汪 薇,謝澤浪,徐 旭

1.合肥師范學(xué)院計(jì)算機(jī)學(xué)院,安徽合肥,230601; 2.宿州學(xué)院信息工程學(xué)院,安徽宿州,234000

1 引 言

智能加熱是指通過微處理芯片控制加熱器的工作方式，從而實(shí)現(xiàn)精確和智能化的加熱效果[1-2]。智能加熱系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的定時(shí)加熱、溫度控制、保溫等多種功能，極大地方便日常生活中人們對(duì)于熱水的使用需求。隨著微控制與嵌入式技術(shù)的快速發(fā)展，智能加熱系統(tǒng)逐漸開始應(yīng)用于各種高端的家用熱水器、飲水機(jī)等產(chǎn)品中，并以其便捷化、多功能的特點(diǎn)受到用戶的認(rèn)同[3]。但這類智能產(chǎn)品往往定位于高端辦公或家用環(huán)境。例如，通常安裝于高端寫字樓中的大型智能飲水機(jī)，其較大的占地體積和高昂的成本往往限制這類飲水機(jī)的普及率。多數(shù)辦公和家庭環(huán)境中仍然以普通電熱水壺等簡(jiǎn)易產(chǎn)品為主。因此，在現(xiàn)有的普通電熱水壺基礎(chǔ)上，利用當(dāng)前快速發(fā)展的智能控制技術(shù)，設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)易且低成本的智能水壺加熱系統(tǒng)則具有很好的應(yīng)用價(jià)值和前景。

基于以上背景，本文針對(duì)當(dāng)前辦公和家庭環(huán)境中熱水壺等產(chǎn)品的使用現(xiàn)狀與用戶需求，利用51單片機(jī)芯片、藍(lán)牙模塊、溫度傳感器、電磁繼電器等設(shè)備設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易的智能化電熱水壺系統(tǒng)，通過所開發(fā)的手機(jī)APP對(duì)其進(jìn)行便捷靈活的加熱模式控制[4-5]。該智能加熱系統(tǒng)具備便捷可靠、低成本等優(yōu)勢(shì)，可較好地應(yīng)用于廠家對(duì)于熱水壺產(chǎn)品的改進(jìn)生產(chǎn)中。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的智能加熱系統(tǒng)由ST89C52RC單片機(jī)主控模塊、藍(lán)牙模塊子板、溫度傳感器、電磁繼電器、基于手機(jī)的APP控制端組成。系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 智能加熱系統(tǒng)架構(gòu)圖

如圖1所示，智能加熱系統(tǒng)核心模塊為ST89C52RC單片機(jī)主板，外接藍(lán)牙子板、電磁繼電器、溫度傳感器。相關(guān)子模塊設(shè)備均由單片機(jī)控制模塊統(tǒng)一供電。Android平臺(tái)選用市場(chǎng)常見的Android手機(jī)，依靠APP軟件與主板間建立連接與傳送命令。智能水壺加熱系統(tǒng)詳細(xì)工作原理如圖2所示。

圖2 智能加熱系統(tǒng)工作原理圖

系統(tǒng)中藍(lán)牙模塊通過UART接口與單片機(jī)控制模塊相連。藍(lán)牙模塊由AT指令預(yù)先設(shè)置為透?jìng)髂Ｊ?。藍(lán)牙模塊與單片機(jī)間通過UART接口直接傳遞控制指令與信息。系統(tǒng)工作時(shí)，用戶首先使用手機(jī)端APP軟件搜索藍(lán)牙模塊的設(shè)備號(hào)，并建立配對(duì)連接；完成設(shè)備配對(duì)后，APP端可以設(shè)定水壺工作模式：開水壺/關(guān)水壺、設(shè)溫模式、定時(shí)模式。其中，開水壺/關(guān)水壺用于打開和關(guān)閉水壺的外接電源，起安全保護(hù)作用。設(shè)溫模式用于設(shè)定所需的燒水溫度。單片機(jī)從UART口接收到藍(lán)牙模塊所轉(zhuǎn)發(fā)指令和溫度參數(shù)后，會(huì)控制電磁繼電器對(duì)水壺進(jìn)行加熱，同時(shí)，溫度傳感器模塊會(huì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水溫?cái)?shù)值并反饋動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。當(dāng)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，控制電磁繼電器斷電停止加熱。定時(shí)模式下，用戶可以預(yù)先設(shè)定加熱的時(shí)間，由單片機(jī)依據(jù)定時(shí)信息控制加熱。在藍(lán)牙設(shè)備連接狀態(tài)下，單片機(jī)會(huì)同步將水壺的工作狀態(tài)、水溫等信息實(shí)時(shí)反饋至手機(jī)APP端，供用戶隨時(shí)查看。

3 系統(tǒng)各模塊設(shè)計(jì)

智能加熱系統(tǒng)的整體運(yùn)行依靠各子功能模塊的設(shè)計(jì)與搭建。為了便于敘述，以下從單片機(jī)主電路模塊、其他外圍子模塊兩方面進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

3.1 單片機(jī)模塊

單片機(jī)模塊核心選用高性能、低功耗的STC89C52RC型單片機(jī)。STC89C52RC作為一款8位CMOS 型微處理器，其內(nèi)置有512字節(jié)RAM存儲(chǔ)空間、4K字節(jié)EEPROM存儲(chǔ)空間，以及8K字節(jié)Flash存儲(chǔ)器用于系統(tǒng)編程，能夠直接利用串行口進(jìn)行程序下載。其功能的全面性和可靠性適用于智能加熱系統(tǒng)控制[1-2]。系統(tǒng)依靠STC89C52RC芯片對(duì)藍(lán)牙子板進(jìn)行配置并與APP端建立通信連接，控制電磁繼電器進(jìn)行燒水與斷電工作，同時(shí)，通過外接溫度傳感器監(jiān)測(cè)水溫?cái)?shù)據(jù)并反饋至APP端。

3.2 外圍子模塊

藍(lán)牙通信選用BLK-MD-HC-05子板，具有成本低、體積小、功耗低、數(shù)據(jù)收發(fā)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，支持UART、USB、SPI、PCM、SPDIF等接口，整個(gè)子板接口豐富，可快速移植至系統(tǒng)主板[6]。系統(tǒng)中將BLK-MD-HC-05子板UART口與單片機(jī)主控板連接，并通過AT指令將藍(lán)牙模塊設(shè)置成透?jìng)魍ㄐ拍Ｊ剑脩敉ㄟ^APP端操作手機(jī)設(shè)備與BLK-MD-HC-05子板建立藍(lán)牙配對(duì)連接，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

溫度傳感模塊選用DS18B20型一線式數(shù)字化傳感器。DS18B20溫度傳感器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，主要由傳感器、ROM存儲(chǔ)器、觸發(fā)單元TH和TL，以及設(shè)備寄存器等模塊組成，具有體積小、低功耗、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)[7]。溫度測(cè)量范圍為-50～+120 ℃，在-5～+80 ℃之間誤差為±0.5 ℃，可以通過簡(jiǎn)單的單片機(jī)指令編程來實(shí)現(xiàn)數(shù)字讀數(shù)，可連接性好，適用率廣[8]。

由于單片機(jī)引腳的驅(qū)動(dòng)能力通常無法直接驅(qū)動(dòng)繼電器，且繼電器的線圈相當(dāng)于電感，在繼電器斷開時(shí)極容易燒掉單片機(jī)引腳電路，因此，系統(tǒng)中電磁繼電器選用帶光電耦合的SUNLEPHANT型繼電器。光耦可以起到增加引腳驅(qū)動(dòng)能力并對(duì)單片機(jī)引腳與繼電器線圈進(jìn)行隔離保護(hù)的作用，從而有效維護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

控制端APP軟件基于Android平臺(tái)開發(fā)，主要涉及藍(lán)牙管理模塊、控制命令模塊、UI界面，用于藍(lán)牙設(shè)備搜尋、設(shè)備連接與管理、控制命令發(fā)送與反饋信息接收。

4 系統(tǒng)測(cè)試

智能加熱系統(tǒng)搭建完成后，圍繞系統(tǒng)功能的驗(yàn)證與穩(wěn)定性，開展了一系列測(cè)試工作，主要涉及藍(lán)牙設(shè)備連接測(cè)試、溫度設(shè)定與加熱測(cè)試、定時(shí)加熱模式測(cè)試?；趯?shí)驗(yàn)中的操作安全性考慮，加熱設(shè)備采用水杯與12 V低電壓加熱片構(gòu)成模擬水壺，以替代220 V普通熱水壺。測(cè)試細(xì)節(jié)如下：

運(yùn)行APP控制端后，系統(tǒng)開始藍(lán)牙設(shè)備搜索并列出附近搜索設(shè)備結(jié)果，用戶可以選擇目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行連接。圖3為藍(lán)牙設(shè)備搜索結(jié)果，圖4為選擇目標(biāo)藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行配對(duì)，并成功建立連接。

當(dāng)藍(lán)牙設(shè)備連接完成后，即可輸入目標(biāo)溫度，發(fā)送控制命令開始加熱，當(dāng)水溫監(jiān)測(cè)結(jié)果達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，加熱完成，Android手機(jī)進(jìn)行震動(dòng)提示。圖5為系統(tǒng)設(shè)定好目標(biāo)溫度后，控制模擬水壺開始加熱，此時(shí)圖6中顯示電磁繼電器打開(綠燈亮)。圖7中，系統(tǒng)反饋信息顯示加熱完成，此時(shí)圖8中顯示電磁繼電器關(guān)閉(綠燈滅)。

圖3 藍(lán)牙設(shè)備搜索結(jié)果 圖4 目標(biāo)設(shè)備連接成功

圖5 進(jìn)入設(shè)溫模式開始加熱 圖6 繼電器打開(綠燈亮)

定時(shí)模式下，系統(tǒng)設(shè)定目標(biāo)溫度與定時(shí)時(shí)間后，單片機(jī)接收到控制命令控制定時(shí)器，中斷時(shí)開始加熱，并將數(shù)據(jù)信息反饋至APP端，直到加熱完成，如圖9所示。

圖9 定時(shí)模式下加熱控制

通過一系列系統(tǒng)測(cè)試顯示，智能加熱系統(tǒng)可以由手機(jī)APP控制實(shí)現(xiàn)相關(guān)的預(yù)設(shè)功能，在藍(lán)牙設(shè)備搜尋與連接、數(shù)據(jù)通信、溫度設(shè)定與加熱、定時(shí)模式加熱等方面均能夠體現(xiàn)出較好的可操作性與穩(wěn)定性。系統(tǒng)可以滿足普通家庭或辦公環(huán)境中對(duì)水壺的智能加熱控制。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的基于Android與ST89C52RC單片機(jī)的智能加熱系統(tǒng)，充分利用了當(dāng)前成熟的微處理器、藍(lán)牙模塊、溫度傳感器、電磁繼電器、以及智能手機(jī)等設(shè)備，具備智能化、低成本的特點(diǎn)。測(cè)試表明，該系統(tǒng)可以較為穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)對(duì)水壺的精準(zhǔn)加熱。廠家可在當(dāng)前家用和辦公環(huán)境中常見的電熱水壺的生產(chǎn)中，利用該系統(tǒng)進(jìn)行加裝改進(jìn)。智能加熱系統(tǒng)具有較好的應(yīng)用價(jià)值和前景。