基于单片机的电热水壶控制系统的设计

基于单片机的电热水壶控制系统的设计
张英平;陈起新;高加
【摘要】At present market ,the control system of electric kettle has a single function and the heating time can not be controlled
accurately ,which causes the waste of electric energy .This paper focused on the design of an electric kettle control system .The system used 51 Micro-controller and PID control algorithm .Temperature sensor DS18B20 and ultrasonic ranging module US-100 were used in the control
system .The system has many functions,such as accurate temperature control ,liquid level measurement ,voice alarm and LCD display .With 2 L/1 500 W electric kettle as an example ,the test results showed that the heating time is less than 4 minutes, the heating rate is higher than
10 ℃/min and the temperature error is less than0 .5 ℃.%目前市场上电热水壶的控制系统大多存在功能单一，加热时间不能精确控制产生过烧，造成电能的浪费．利用51单片机为控制器结合和PID控制算法，温度传感器DS18B20和超声波测距模块US-100为检测器件设计了一款电热水壶控制系统．系统具有精确控温、液位测量、语音报警和液晶显示等功能．以2L／1500 W的电热水壶为例，测试表明，系统升温时间＜4 min，升温速率≥10℃／min，温度误差≤0．5℃．【期刊名称】《吉林师范大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2016(037)003
【总页数】5页(P101-105)
【关键词】电热水壶;温度传感器;单片机;液晶显示
【作者】张英平;陈起新;高加
【作者单位】吉林师范大学信息技术学院，吉林四平136000;吉林师范大学信息
技术学院，吉林四平136000;吉林师范大学信息技术学院，吉林四平136000
【正文语种】中文
【中图分类】TP368
随着电子工业的飞速发展，计算机控制技术和传感器技术在小家电中的应用越来越广泛，进而提高了人们的生活质量.现有电热水壶的功能单一、易产生过烧等缺点，本文采用温度传感器DS18B20和超声波测距模块设计了基于单片机的电热水壶控制系统.本系统拥有温度和水位的高精度测量、语音报警、液晶显示等功能[1-3].
系统由单片机、液晶显示、键功能、温度测量、液位测量、加热模块、语音报警和水壶等模块构成，总体框图如图1所示.
系统首先利用温度传感器DS18B20检测实时温度，用超声波测距模块US-100进行液位测量，将检测的温度和液位信号经过单片机数据处理，处理结果在
HS12864上显示.系统具有预设温度上限、下限报警功能，报警点可以通过键盘输入数据进行设置，温度达到设置值时，系统会发出语音报警并停止加热.各个功能
模块如下.
(1)微控制器模块
微控制器采用STC89C52单片机[4-6].它是一种8位微处理器芯片，可以反复擦除、烧写1 000多次，可以很好的满足本系统的设计要求，其外围接口分配如表1所示.
(2)键功能模块
作为整个系统的键功能输入模块，主要由一个4*4矩阵键盘组成，用来设定温度值.电路原理图如图2所示.单片机的P0口控制键盘，按键功能分为数字键0～9、清除键、上下移动键和确定键.
(3)液晶显示模块
系统采用HS12864液晶屏进行显示，电路原理图如图3所示.单片机的P1.0～
P1.2脚分别控制液晶屏的RS寄存器选择端、R/W读写端和E使能端.
(4)语音报警模块
系统采用WT588D-U-32M实现语音报警[7]，电路原理图如图4所示.单片机的P2.0～P2.2分别连接WT588D语音芯片的16脚串行时钟CLK、17脚片选CS和18脚串行数据DATA，扬声器连接WT588D芯片音频输出的9脚PWM+和10脚PWM-.
(5)温度测量模块
由温度传感器DS18B20来进行温度检测[8-9]，电路图如5所示.DS18B20的数据引脚DQ与单片机的P3.7引脚连接.
(6)液位测量模块
采用超声波测距模块可以实现液位测量，电路图如6所示.单片机的P1.3和P1.4脚分别连接超声波探头电路的接收和发送.
(7)加热模块
系统采用5 V固体继电器控制加热水壶电源开关，电路原理图如图7所示.单片机的P1.5脚控制继电器.
系统软件程序设计主要实现矩阵键盘设定温度上、下限，检测温度和液位显示在液晶上，并且控制加热装置，当测量温度超出设定值时进行语音报警和光提示[10-11].
图8是主程序流程图，其工作过程如下：系统初始化，随后进入循环体中，先调
用键功能函数读取键值，再调用温度读取函数，测量液位，液晶显示温度和液位，最后调用加热控制函数和报警函数.
系统软件包含温度读取子程序、键程序、液位测量子程序、语音子程序等.下面重点说明温度读取子程序设计方法.图9是温度读取子程序流程图，先进行初始化，再读取温度数据，转换数值后进行显示，检测到的温度如若与预先设定的温度值不符，那么就会断开继电器，反之闭合，最后返回子程序.
系统测试仪器有数字示波器，直流稳压电源，单片机开发板，数字万用表，水银温度计和钢板尺.
环境在室温25 ℃下，以2 L/1 500 W的电热水壶为例，将超声波探头固定在水壶的口上，以该模块的电路板压在水壶边缘为准，垂直向下发射超声波.
温度测量数据如表2所示，设定恒温值在50 ℃～80 ℃之间，设定保温时间均为2 min，测得加热所需调节时间小于1 min，最终稳态误差不大于0.5 ℃.
液位测量数据如表3所示，用钢板尺测量的实际水位在50～80 mm之间，经过超声波测距模块计算，所得测量误差小于1 mm.
根据测试的结果可知，系统能够达到温度和液位的检测和液晶显示，并且可以设置温度报警点.温度达到预先设定值时，发出报警提示，同时加热控制装置停止，并且可以分别控制保温时间和温度值.
可以得出以下结论：
(1)具有温度测量功能，测温分辨误差不大于0.5 ℃，最小区分度为0.1 ℃；
(2)具有液位测量功能，液位测量使用超声波测距探头，液位测量误差不大于1 mm；
(3)通过按键来设定温度值，测试时现场指定温度控制值，升温时间小于4 min，升温速率大于等于10 ℃/min，温度达到设定值时有语音提示.声音提示之后开始计时，2 min之内控温误差不大于0.5 ℃.
(4)用液晶显示预设和检测的温度和液位.
系统实现了电热水杯的温度和液位的精确控制，实时显示所监控的温度和液位，并且具有语音和光报警功能，用来提示温度超过预定值，达到了设计要求，具有较好的市场应用前景.
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