左文艷

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院鎮(zhèn)江分院機(jī)電工程系，江蘇鎮(zhèn)江，212016）

0 引言

隨著生活水準(zhǔn)的日益提高，在家庭、辦公室及其它公共場(chǎng)所被廣泛使用的普通純凈水飲水機(jī)已不能滿足人們更高的要求，因而出現(xiàn)了能夠沖調(diào)例如咖啡、茶、果汁等不同飲料的飲料機(jī)。隨著生活節(jié)奏日益加快，時(shí)間對(duì)于人來(lái)說(shuō)是相當(dāng)重要的，但是目前大多數(shù)的飲料機(jī)沖調(diào)飲料時(shí)無(wú)法控制飲料的溫度，容易太燙或者太冷，浪費(fèi)了人們很多時(shí)間。因此設(shè)計(jì)一種飲料機(jī)調(diào)溫控制系統(tǒng)，可以使得人們?cè)谑褂蔑嬃蠙C(jī)沖調(diào)飲料時(shí)，能夠進(jìn)行飲料溫度的調(diào)節(jié)和控制，就成為了當(dāng)前的一個(gè)急需解決的技術(shù)難題。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的飲料機(jī)調(diào)溫控制系統(tǒng)，由單片機(jī)、電源電路、溫度傳感器、按鍵電路、H橋電路、OLED顯示電路、負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路等部分組成[1]，總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 飲料機(jī)調(diào)溫控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)單片機(jī)采用STC90C58RD+芯片，這是一款兼容51內(nèi)核的增強(qiáng)版單片機(jī)，其封裝采用貼片式LQFP44，能夠大幅度減小單片機(jī)在整個(gè)電路板中的占用面積，而且該芯片價(jià)格低廉且功能強(qiáng)大，運(yùn)行穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。溫度傳感器使用的是美國(guó)Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器DS18B20，該型傳感器是目前市面上最常用也是性價(jià)比最高的溫度傳感器[2]。該器件具有精度高，體積小，價(jià)格低廉，硬件電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)[3-5]，對(duì)于一般溫控系統(tǒng)，完全可以滿足實(shí)時(shí)性需要。本系統(tǒng)使用H橋電路實(shí)現(xiàn)制冷或制熱功能，使用OLED顯示與按鍵交互的形式，使得使用者可根據(jù)自身溫度需求對(duì)飲料機(jī)的飲料溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，操作簡(jiǎn)單，安全穩(wěn)定。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)及其外圍電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，系統(tǒng)采用 STC90C58RD+為主控制器，通過(guò)溫度傳感器 DS18B20 采集溫度數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)OLED液晶進(jìn)行顯示，系統(tǒng)通過(guò)USB接口下載并調(diào)試程序，系統(tǒng)配置有時(shí)鐘模塊和手動(dòng)復(fù)位模塊，系統(tǒng)還設(shè)置有溫度報(bào)警模塊[6-7]，用于在監(jiān)測(cè)到飲料機(jī)的液體溫度達(dá)到設(shè)定溫度后向使用者進(jìn)行報(bào)警提示。單片機(jī)及其外圍電路的原理圖如圖2所示。

OLED顯示電路和按鍵電路實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互功能，其中OLED顯示電路用于顯示飲料機(jī)的各種信息，主要由顯示屏以及程序指示燈組成，顯示屏采用觸摸顯示屏，程序指示燈由6個(gè)LED燈組成，如圖2中LED1至LED6，用于指示當(dāng)前程序運(yùn)行進(jìn)度信息，方便調(diào)試程序；按鍵電路用于實(shí)現(xiàn)飲料機(jī)的按鍵功能設(shè)置和選擇，特別是溫度調(diào)節(jié)相關(guān)的功能，可以設(shè)置飲料機(jī)飲料的上限、下限溫度值以及目標(biāo)溫度值。因此，使用者需要根據(jù)自身喜好對(duì)飲料機(jī)的飲料溫度進(jìn)行設(shè)置和調(diào)節(jié)時(shí)，只需要按下按鍵電路中相應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)按鍵即可實(shí)現(xiàn)飲料機(jī)的調(diào)溫設(shè)置，操作簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，同時(shí)OLED顯示電路的顯示屏的主界面會(huì)顯示相關(guān)的溫度設(shè)置以及飲料的升溫、降溫信息。

圖2 單片機(jī)及其外圍電路的原理圖

溫度傳感器設(shè)置在飲料機(jī)的儲(chǔ)水槽上，其溫度探頭可以實(shí)時(shí)采集儲(chǔ)水槽中的液體（飲料）溫度，并通過(guò)OLED顯示電路實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。

單片機(jī)上連接有時(shí)鐘電路，時(shí)鐘電路由從兩個(gè)單片機(jī)端口XTALl、XTAL2引出的兩個(gè)接地電容C5、C7以及并聯(lián)在以上兩個(gè)單片機(jī)端口XTALl、XTAL2之間的電阻R23和晶體振蕩器Y1組成，用于為單片機(jī)產(chǎn)生穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)。

單片機(jī)上還連接有手動(dòng)復(fù)位電路，手動(dòng)復(fù)位電路由復(fù)位按鍵RST、一端連接復(fù)位按鍵RST而另一端接地的電阻R28以及并聯(lián)在復(fù)位按鍵RST兩端的電容C8組成，且復(fù)位按鍵RST與電阻R28連接的節(jié)點(diǎn)連接單片機(jī)的復(fù)位引腳RST，電容C8與電阻R28組成了RC上電復(fù)位電路，按下復(fù)位按鍵RST后，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)復(fù)位。單片機(jī)上還連接有USB程序下載接口P9，用于從外界向單片機(jī)傳輸相關(guān)程序，隔離開(kāi)關(guān)S1可以將單片機(jī)電源端口VCC與電源電路電源隔離，避免下載程序時(shí)USB程序下載接口P9過(guò)載導(dǎo)致OLED顯示電路的顯示屏藍(lán)屏。

單片機(jī)上還連接有蜂鳴電路，用于在監(jiān)測(cè)到飲料機(jī)的液體溫度達(dá)到設(shè)定溫度后向使用者進(jìn)行蜂鳴提示，蜂鳴電路由電阻R24、三極管Q6以及蜂鳴器BEE組成。

2.2 負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中，負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路由一個(gè)大功率場(chǎng)效應(yīng)管VT2、一個(gè)三極管Q0、一個(gè)光電耦合器OPT2以及三個(gè)電阻R2、R5、R6組成，負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖3所示。光電耦合器OPT2可將單片機(jī)和負(fù)載之間的信號(hào)隔離開(kāi)，以避免由于系統(tǒng)工作電流大以及瞬時(shí)沖擊電流大所造成的干擾。三極管Q0為S8050，起到信號(hào)倒相的作用，同時(shí)可以起到驅(qū)動(dòng)大功率場(chǎng)效應(yīng)管VT2的作用，保證大功率場(chǎng)效應(yīng)管VT2完全導(dǎo)通，以避免由于單片機(jī)上電復(fù)位瞬間HOT端口為高電平狀態(tài)而導(dǎo)致的負(fù)載在啟動(dòng)瞬間時(shí)會(huì)損壞電源的問(wèn)題。大功率場(chǎng)效應(yīng)管VT2的功率大于100W，選型為IRF540N，其特點(diǎn)是導(dǎo)通內(nèi)阻小，通過(guò)大電流時(shí)發(fā)熱量低。電阻R2、R5、R6的阻值均為1KΩ。此外，本系統(tǒng)中，由于每個(gè)負(fù)載與單片機(jī)之間都連接有一負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路，從而導(dǎo)致飲料機(jī)調(diào)溫控制系統(tǒng)整體的工作電流大，所以飲料機(jī)調(diào)溫控制系統(tǒng)的電路板的部分走線使用了開(kāi)窗不蓋油的工藝，焊接時(shí)可以加厚銅箔，增大載流截面積，可使大電流通過(guò)。

圖3 負(fù)載驅(qū)動(dòng)電路的原理圖

2.3 H橋電路設(shè)計(jì)

H橋電路5由兩個(gè)二選通一按鈕SW1、SW2，四個(gè) MOS晶體管 Q1、Q2、Q3、Q4以及兩個(gè)不同發(fā)光顏色的發(fā)光二極管D1、D2組成，H橋電路原理圖如圖4所示。MOS晶體管Q1和MOS晶體管Q2均為PMOS管，選型均為IRF5210，MOS晶體管Q3和MOS晶體管Q4均為NMOS管，選型均為IRF3710。二選通一按鈕SW1、SW2的選型均為SW-SPDT-MOM。H橋電路的輸出端連接飲料機(jī)的制冷片，當(dāng)二選通一按鈕SW1與二選通一按鈕SW2的信號(hào)相同時(shí)，H橋電路無(wú)電流通過(guò)，也無(wú)電流向制冷片輸出，而當(dāng)二選通一按鈕SW1與二選通一按鈕SW2信號(hào)相反時(shí)，可改變2對(duì)MOS晶體管的導(dǎo)通順序，從而起到改變電流方向的作用，即當(dāng)電流正向流過(guò)飲料機(jī)的制冷片時(shí)，制冷片的A面制冷，B面制熱；相反，當(dāng)電流反向流過(guò)制冷片時(shí)，制冷片的A面制熱，B面制冷。本系統(tǒng)中，由于H橋電路需要驅(qū)動(dòng)制冷片工作，因此其負(fù)載電流大，發(fā)熱大，需要粗導(dǎo)線以及大面積散熱片，所以該H橋電路沒(méi)有集成在飲料機(jī)調(diào)溫控制系統(tǒng)的主電路板上，而是單獨(dú)接出，安裝于飲料機(jī)的水冷散熱器下，從而使得H橋電路上方可巧妙地使用來(lái)自水冷散熱器的水冷風(fēng)扇來(lái)散熱，風(fēng)力強(qiáng)勁，很大程度上解決了H橋電路的MOS管發(fā)熱嚴(yán)重的問(wèn)題。

圖4 H橋電路的原理圖

2.4 電源電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的電源電路由360W的開(kāi)關(guān)電源P6以及穩(wěn)壓電路組成，電源電路的原理圖如圖5所示。開(kāi)關(guān)電源P6運(yùn)行穩(wěn)定且能量轉(zhuǎn)換效率高，能夠輸出3組12V直流電來(lái)供系統(tǒng)使用，其中輸出的一路12V直流電經(jīng)穩(wěn)壓電路轉(zhuǎn)換為5V后輸出至單片機(jī)使用。穩(wěn)壓電路由四個(gè)電容C1-C4、一個(gè)穩(wěn)壓芯片U1、一個(gè)電阻R11和一個(gè)LED指示燈LED0組成。本系統(tǒng)中，穩(wěn)壓芯片U1選型為78M05，電容C1和C3的選型均為100nF貼片電容，電容C2和C4均為100μF/25V電解電容，且電容Cl、C2并聯(lián)用于對(duì)送入穩(wěn)壓芯片U1的信號(hào)進(jìn)行濾波，電容C3和C4用于對(duì)穩(wěn)壓芯片U1輸出的+5V電源信號(hào)進(jìn)行抗干擾處理，LED0為電源指示燈。

圖5 電源電路的原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用 C 語(yǔ)言，在RVMDK開(kāi)發(fā)環(huán)境下完成系統(tǒng)程序的編譯調(diào)試及下載[8]。本系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示。具體工作如下：首先，電源電路為飲料機(jī)調(diào)溫控制系統(tǒng)上電，飲料機(jī)調(diào)溫控制系統(tǒng)初始化后，進(jìn)入OLED顯示電路的顯示屏主界面，等待按鍵電路的按鍵選擇信息；其次，通過(guò)按鍵電路選擇啟動(dòng)制冷功能（即會(huì)自動(dòng)制冷至下限溫度）、啟動(dòng)制熱功能（即會(huì)自動(dòng)制熱至上限溫度）或者選擇冷／熱設(shè)置功能（即通過(guò)人工進(jìn)行按鍵操作來(lái)設(shè)置目標(biāo)溫度并調(diào)溫至該目標(biāo)溫度）；接著，調(diào)用溫度采樣子程序，對(duì)輸入的溫度信號(hào)進(jìn)行處理; 然后，對(duì)輸入的溫度與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較，如果當(dāng)前溫度低于或高于設(shè)定的溫度值則啟動(dòng)升溫或降溫程序，直至所述液體溫度達(dá)到所需溫度，之后可以停止制冷片和所有負(fù)載工作[9-13]。

圖6 調(diào)溫控制系統(tǒng)的程序流程圖

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的電路部分，首先，采用了宏晶公司生產(chǎn)的STC90C58RD+芯片，并使用自主設(shè)計(jì)的專用電路板，可以在直徑90mm的電路板上實(shí)現(xiàn)控制飲料機(jī)的大功率負(fù)載，系統(tǒng)成本低廉且功能強(qiáng)大，運(yùn)行穩(wěn)定，其次，使用2對(duì)MOS管組成的H橋電路來(lái)驅(qū)動(dòng)制冷片實(shí)現(xiàn)制冷或制熱，以調(diào)節(jié)飲料機(jī)的液體溫度，并在H橋電路上方巧妙使用來(lái)自飲料機(jī)的水冷散熱器的水冷風(fēng)扇散熱，風(fēng)力強(qiáng)勁，很大程度上解決了H橋電路MOS管發(fā)熱嚴(yán)重的問(wèn)題；再者，使用了OLED顯示與按鍵交互的形式，使得使用者可根據(jù)自身溫度需求對(duì)飲料機(jī)的飲料溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，操作簡(jiǎn)單。此外，在飲料機(jī)調(diào)溫控制系統(tǒng)的主電路板上方安裝了一個(gè)板載散熱風(fēng)扇，可有效地為主電路板散熱，保證電路能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

不同類(lèi)型的飲料沖泡有不同的溫度需求，故設(shè)定幾種不同的溫度值，通過(guò)本溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，觀測(cè)并記錄溫度值的變化，記錄數(shù)據(jù)如表1，由表1知，設(shè)定溫度與測(cè)量溫度的偏差在0.5℃以內(nèi)，相對(duì)誤差小于1.0%。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試說(shuō)明，該系統(tǒng)的測(cè)量精度和溫度控制能力較好，達(dá)到設(shè)計(jì)要求[14-16]。

表1 溫度數(shù)據(jù)測(cè)試記錄

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的飲料機(jī)調(diào)溫控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)一鍵操作即可自動(dòng)將飲料機(jī)的飲料調(diào)溫至下限溫度或上限溫度，還可以使得使用者通過(guò)按鍵電路設(shè)置任意目標(biāo)溫度，使飲料機(jī)中的飲料自動(dòng)達(dá)到使用者所需溫度，來(lái)滿足自身的特殊溫度需求。本系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)人性化，散熱性能良好，安全可靠，成本低廉，具有較好的推廣應(yīng)用前景。