張秋艷，高平安，翟 森

（1.榆林學院 能源工程學院，榆林719000；2.榆林市氣象局，榆林719000）

水浴鍋是一種使用非常廣泛的實驗工具，常應用于醫(yī)療單位，質檢部門，以及大學院校等一些需要進行水浴的實驗中[1]。在使用水浴鍋的過程中實驗人員必須保證水浴鍋中的水位淹沒過加熱絲，如果水位低于加熱絲時，加熱絲若仍然處于工作狀態(tài)，則很有可能導致加熱絲斷裂，從而容易造成一些實驗事故，導致實驗人員受傷。傳統(tǒng)的水浴鍋實驗操作中，實驗人員一邊實驗，一邊關注水位情況，不僅耗精力，也容易造成偶然的干燒現(xiàn)象[2]。而與人工手動補水相比，智能補水控制器在避免干燒，節(jié)省精力等方面都具有很大的優(yōu)勢。故本文設計了基于單片機的水浴鍋智能控制系統(tǒng)。

1 總體方案設計

本次設計主要包含水位檢測模塊、水溫檢測模塊和水質檢測模塊等主要參數(shù)的采集，經(jīng)主控制器STC12C5A60S2 對水位、水溫及水質參數(shù)的分析與處理，自動控制兩相電機的啟停，從而實現(xiàn)自動補水功能，并實時顯示，同時通過藍牙傳輸技術，將信息上傳到手機APP，實現(xiàn)水浴鍋參數(shù)信息的便攜式監(jiān)測。為了通用性，設計了按鍵模塊，進行水位參數(shù)限定值的修改，實現(xiàn)人機交互功能。系統(tǒng)整體方案設計如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖Fig.1 System structure diagram

主控制器。為了降低系統(tǒng)功耗，同時考慮經(jīng)濟成本問題，本設計以宏景科技生產(chǎn)的新一代的8051單片機STC12C5A60S2 為主控制器[3]，它比傳統(tǒng)的8051 單片機速度快8～12 倍，且指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051，同時內(nèi)部集成了MAX810 專用復位電路[4]，避免外接復位電路，從而可進一步降低系統(tǒng)功耗問題。

檢測模塊。水位檢測模塊是Water Sensor，該模塊是一款簡單易用、性價比較高的水位、水滴識別檢測傳感器，此傳感器的工作原理是通過具有一系列的暴露的平行導線線跡測量其水滴水量的大小[5]；水溫檢測模塊采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，測量范圍從-55～+125 ℃，增量值為0.5 ℃，可在1 s 內(nèi)把溫度變換成數(shù)字[6]，故不僅操作簡便，而且精度高，抗干擾效果好。

藍牙模塊。采用BT-06 藍牙模塊。該模塊主要用于短距離的數(shù)據(jù)無線傳輸，能夠和手機的藍牙設備相連直接替代串口線，使用非常方便[7]。

2 主要硬件電路設計

主要硬件電路包括檢測模塊、顯示模塊、電機控制模塊、聲光報警模塊等，其硬件電路如圖2所示。

2.1 檢測模塊

檢測模塊主要是水位檢測、水溫檢測和水質檢測電路，如圖2 中的檢測模塊。①水位檢測電路。高水位檢測與低水位檢測的引腳2 為電源端口，引腳3 為接地端口。低水位檢測模塊的引腳1 為SW1，連接于單片機的P1.2，當?shù)退粋鞲衅鳈z測到水時，P1.2 輸入高電平，此時LCD1602 顯示屏顯示LSW，高水位檢測模塊的引腳1 為SW2，連接于單片機的P1.3。當高水位傳感器檢測到水時，P1.3 輸入高電平，此時LCD1602 顯示屏顯示HSW，蜂鳴器電平與LED 燈電平置低，并進行聲光報警，電機電平置高，電機停止運行。②水溫檢測電路。引腳1 為接地端口，引腳2 為輸入輸出I/O 端口，連接于單片機的P2.0端口，實現(xiàn)水溫監(jiān)測模塊與單片機的信號傳遞功能，引腳3 為電源端口，為水溫檢測模塊提供工作所用的電源，使其能夠正常運行。③水質檢測電路。與E-201-C pH 復合電極傳感器通過BNC 接口進行連接使用，引腳1 為電源端口，引腳4 為接地端口，引腳3 懸空，引腳2 與單片機P1.0 相連，作為AD 口將信號傳輸?shù)街骺刂破鳌?/p>

2.2 電機控制模塊

本設計采用實驗用兩相電機為測試對象，由主控制對HK4100F 繼電器發(fā)送控制指令，完成電機的遠程自動啟停功能。如圖2 中的抽水電機控制模塊，其中J9為另一個外接電源接口DC3.5，給電機運行供電，J7為電機接口。當主控制器的P3.3 端口置0時，三極管Q2飽和導通，電機開始運行。當主控制器的P3.3 端口置1 時三極管截止，導致繼電器線圈兩端電位差消失，電機停止運行。由于在三極管截止的瞬間會在繼電器線圈兩端產(chǎn)生較高電壓的感應電動勢，容易擊穿三極管，為了避免三極管被擊穿，則需要在繼電器旁接入一個二極管D1。線圈產(chǎn)生的感應電動勢則可以通過二極管D1釋放從而避免三極管被擊穿以及對其他電路的干擾。

2.3 聲光報警電路

為了保證實驗人員安全以及能夠更方便的使用，本設計加入了警示系統(tǒng)。當檢測的水位過高，超出水浴鍋的上限值，聲光報警系統(tǒng)會通過LED 燈閃爍和蜂鳴器的報警提示音來警示實驗人員，使實驗人員得到提示。如圖2 中的報警電路模塊，LED 指示燈D2連接于主控制器P3.6 端口，蜂鳴器模塊則通過主控制器P3.7 端口電平的變化來確定是否報警，當高水位傳感器檢測到水后，P3.6 輸出低電平，LED 指示燈亮，P3.7 輸出低電平，蜂鳴器開始報警。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)對水位傳感器、溫度傳感器、水質檢測傳感器及按鍵設置等輸入模塊采集到的參數(shù)信號進行分析與處理后，發(fā)送相應控制指令，控制執(zhí)行元件，實現(xiàn)水浴鍋的智能控制系統(tǒng)。圖3 為控制系統(tǒng)主流程圖。

圖3 系統(tǒng)主流程Fig.3 Main flow chart of the system

水位模式選擇模塊根據(jù)實驗人員的設置情況，進行相應的手動水位控制模式和自動水位控制模式。如進入手動模式，則實驗人員可人為手動控制電機進行注水操作；若進入自動模式，則系統(tǒng)檢測模塊會對水溫/水質/水位參數(shù)實時監(jiān)控，首先進行水位下限的檢測，當?shù)退粋鞲衅魑礄z測到水位信號，則說明水浴鍋中水量過少，當檢測到水溫達到工作溫度，說明有即將干燒的可能，發(fā)送控制指令，電機開始注水；若檢測到水溫處于常溫狀態(tài)，說明水浴鍋沒有工作，則暫不需要注水；當?shù)退粋鞲衅鳈z測到水位信號，則進一步分析高水位傳感器的水位檢測情況，當高水位傳感器檢測到水位值，說明水浴鍋中的水超出上限值，有溢出的危險，主控制器發(fā)送控制指令，停止注水。系統(tǒng)將檢測到的水位、水溫、水質pH 等參數(shù)由LCD1602 進行實時在線顯示，便于實驗人員掌握水浴鍋中的試驗情況?？紤]到手機的便攜性，通過藍牙技術，與手機APP連接，方便實驗人員的遠程監(jiān)測。當系統(tǒng)檢測到水浴鍋中的參數(shù)超出預設值時，觸發(fā)聲光報警模塊，對實驗人員作出提示。

4 系統(tǒng)仿真測試

根據(jù)上述硬件電路和軟件程序的設計，搭建實驗硬件測試平臺，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件測試平臺Fig.4 System hardware test platform

第一，接通電源，打開手機藍牙串口助手，選擇JDY-31-SPP 設備進行連接，當藍牙連接成功時手機界面顯示檢測到水位上限HSW、水位下限LSW，pH值和溫度T，系統(tǒng)調試正常。

第二，接通電源，系統(tǒng)默認為手動模式。將低水位傳感器置于水浴鍋5 cm 處，高水位傳感器置于水浴鍋15 cm 處，向水浴鍋中注入3 cm 溶液，低水位傳感器未檢測到水。在手動模式下，當按下一次按鍵S2時，電機啟動，開始向水浴鍋內(nèi)注水，再次按下按鍵S2，電機則停止注水。

第三，當按下S1按鍵后，自動加水系統(tǒng)切換為自動模式。往水浴鍋中注入3 cm 溶液，低水位傳感器未檢測到水，電機啟動，向水浴鍋中注入溶液。

第四，繼續(xù)往水浴鍋中注入5 cm 溶液，水浴鍋中溶液到達10 cm，低水位傳感器檢測到水，LCD1602與手機顯示檢測到低水位LSW。電機繼續(xù)向水浴鍋中注入溶液，當溶液到達15 cm，低水位傳感器檢測到水，高水位傳感器也檢測到水，LCD1602 與手機顯示檢測到低水位LSW，檢測到高水位HSW。并且關閉電機，停止注入溶液然后進行聲光報警提示。

測試結果如表1所示。

表1 測試結果Tab.1 Test results

5 結語

本系統(tǒng)以STC12C5A60S2 控制器為設計核心，以電源電路、最小系統(tǒng)、傳感器、聲光報警電路、藍牙模塊、顯示電路以及執(zhí)行機構等構成外圍電路。設計了系統(tǒng)的主要硬件電路和主程序，開發(fā)了手機藍牙APP 監(jiān)控界面，實現(xiàn)了水浴鍋在試驗過程的智能控制及遠程監(jiān)測的可視化功能。經(jīng)硬件測試實踐證明，該控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，故障率低、人機交互界面友好，監(jiān)測方便、具有很好的實用價值，為實驗室水浴鍋試驗的安全運行提供保障。