自動冷卻裝置設計原理與程式設計論文
自動冷卻裝置設計原理與程式設計論文
文章摘要：目前，家用加熱裝置種類繁多，而且已經發展到較先進的程度，而家用冷卻裝置卻鮮有見到。但是在生活中時常會遇到需要冷卻的地方。本設計採用價格低廉、實用簡單的STC89C52微控制器作為主控中心，利用小型的風冷裝置作為降溫裝置，再輔以MLX90614紅外溫度感測器和DS18B20接觸式溫度感測器作為溫度檢測裝置，共同構成風冷降溫系統。能夠以較快的速度將目標溫度降到設定溫度值。
關鍵詞：自動冷卻；溫度控制；微控制器；風冷。
引言：目前，市場上家用電器中加熱裝置種類繁多，但冷卻裝置卻幾乎沒有，但是很多時候都會遇到需要將液體或者固體降溫，例如在醫院給病人喝水而水溫卻過高，給幼兒喂湯藥而太燙時等等，一般情況下都是對其吹氣促使其快速冷卻，非常不便捷。針對於此，本設計能夠很好的解決此問題，利用微控制器自動處理資料的能力先採集室內溫度和需要降溫的物體溫度，然後根據人為設定的預定溫度，使用風冷裝置對其迅速降溫，當需要降溫的物體溫度達到設定溫度值時，風冷裝置自動停止並報警。
為了方便對本設計的理解，特作以下定義：物體溫度為被降溫的物體的溫度，即MLX90614所測得的.溫度值；設定溫度即人為設定的溫度值，當物體溫度降到設定溫度值附近時時微控制器會發送指令令風扇停止轉動；室內溫度為DS18B20檢測到的室內溫度值。
1.自動冷卻裝置功能說明
家用自動冷卻裝置外觀示意圖如圖1所示，該裝置能實現兩種功能：主要功能是將高溫物體降溫到設定溫度值；次要功能是利用風冷溫度的快速傳遞將低溫物體快速升溫，但前提是室溫高於被降溫物體溫度。
在1602液晶顯示屏中，如圖1所示，①顯示的是當前室內溫度，②是MLX90614檢測到的被降溫物體的溫度，③顯示的是設定溫度，即要降低的目標溫度。將物體放到風冷裝置體後，在控制面板中提供兩種控制方式：a）長按“設定”鍵後，1602液晶顯示屏設定溫度處游標閃爍，此時透過“+”“-”設定物體降溫的目標溫度值，當然，設定溫度值應隨室內溫度而定，再按“確認”鍵，風扇即開始給物體降溫，直至物體溫度到達設定溫度值附近，風扇停止並燈光和聲音報警提示；b）按“一鍵室溫”後，設定溫度自動設定為室內溫度，並且風冷裝置開始工作，直至將物體溫度降溫或升溫至室內溫度值附近，風扇停止並燈光聲音報警提示。若中途需要中斷降溫，則長按“停止”鍵即可停止。
2.自動冷卻裝置設計原理
家用自動冷卻裝置使用STC89C52RC微控制器，外部晶振採用12MHz,外設主要有1602液晶顯示屏、繼電器、MLX90614紅外溫度感測器、DS18B20接觸式溫度感測器、蜂鳴器、6顆高亮LED燈和彈出式按鍵，主要工作過程是：先由MLX90614和DS182B20收集室內溫度和物體溫度值，再將兩溫度值傳遞給STC89C52微控制器，微控制器開啟繼電器控制風扇轉動，同時微控制器判斷物體溫度值是否已達到設定溫度，若達到設定溫度值，單片機發送指令給繼電器使風扇停止轉動。整個裝置內部設計原理圖如圖2所示。
2.1溫度檢測模組
溫度檢測模組由DS18B20接觸式溫度感測器與MLX90614紅外溫度感測器構成，如圖3所示。MLX90614紅外溫度測量是透過熱輻射原理來測量溫度的，是一種非接觸式溫度測量方式，與接觸式溫度測量相比，不會干擾測量物件的溫度場、響應速度快、精度高、測量範圍廣。其內部採用低噪聲放大器、17bA/D轉換器及功能強大的DSP處理單元，因而具有較高的溫度解析度和測量精度：該溫度計測溫範圍為-40~+125℃，出廠前經過工廠校正，具有數字PWM和SMBus輸出方式[1].因而使用MLX90614不僅測量方便，而且測量速度、返回數值到微控制器速度也迅速，但是受到紅外輻射不均勻的影響，被降溫物體外表不應光滑，因其反射率高，誤差較大；並且被測物體也不能是透明物體，這樣才能保持測量的準確性。
DS18B20是接觸式溫度感測器，採用“單匯流排”的資料傳輸方式，大大節約了硬體的開銷，其測量溫度範圍為-55℃~+125℃，並且精度高，可到±0.5℃。應用範圍也很廣泛[2].本設計採用DS18B20作為室內溫度測量的感測器，其能夠穩定的反應當前環境的溫度，作為設定溫度的參考。
2.2聲光報警模組
由於51微控制器的輸出能力較弱，所以此處使用PNP型三極體充當開關管，由於三極體的放大作用，可以將微控制器輸出的微小電流放大並且驅動高亮LED燈和蜂鳴器。本設計在LED燈處使用PWM輸出方式使LED燈具有呼吸燈效果。
2.31602液晶顯示模組
液晶顯示模組具有體積小、功耗低、顯示內容豐富、超薄輕巧等優點，在嵌入式應用系統中得到越來越廣泛的應用。它可以顯示兩行，每行16個字元，因此可相當於32個LED數碼管，而且比數碼管顯示的資訊還多。採用單+5V電源供電，外圍電路配置簡單，價格便宜，具有很高的價效比[3].1602液晶顯示屏的程式操作方式為並行口操作方式，透過D0-D7並行連線將資料傳輸給微控制器，基本操作方法分為3步：a）先根據1602的時序要求將寫資料子函式和寫命令子函式寫好；b）初始化1602,主要是根據1602手冊規定的地址，設定1602的顯示方式；c）寫入命令和資料，命令有相應的地址，資料可根據1602手冊表示出來。
2.4繼電器模組
繼電器的驅動模式和LED燈一樣，使用PNP型三極體驅動繼電器，從而使220V交流電流接通，風扇旋轉，又由於繼電器內部是線圈結構，而三極體可承受的反向電壓較小，所以加一個二極體防止繼電器通電和斷開時的反向電壓過大擊穿三極體，起保護作用。
3.軟體程式設計
在設計程式中，由於微控制器開機後各引腳都是高電平，所以繼電器控制、LED控制和蜂鳴器控制均採用高電平關閉，低電平開啟的方式[4].
4.測試資料對比
為了檢驗產品的效果，做了如下測試，另外為了減少外部環境的干擾，使測試場所處於無風的環境，並且使室溫保持恆定，同時本設計其他主電路板上的引數見原理圖上的標註。
a）在同一室溫條件下，測試其降溫效果，分別讓兩杯200ml的開水放於本產品與25℃環境下，同時開始測試開水降到50℃所需要的時間，結果如表1.
b）在同一室溫條件下，測試升溫效果，分別讓兩杯200ml的溫度為18℃的水放於本產品與30℃環境下，同時開始測試18℃升到26℃所需要的時間，結果如表1.
透過表1可以看出，此設計利用風冷降溫極大的縮短了冷卻時間，大大的提高了效率，但是升溫效果並不明顯，可見其比較適合降溫，而升溫效果還有待改進。另一方面它實現自動化降溫過程，當溫度到達預定值能夠報警提醒。
5.設計展望
未來的時代將是智慧化的時代，目前本設計僅僅是實現自動化，未來將考慮加入無線傳輸模組，將其與智慧手機連線在一起，並透過視覺化的手機操作控制其運轉。另外還可加入人性化的操作控制，例如定時、預設模式等等，將其實現智慧化。另外在降溫方面還可加入壓縮機制冷，將會使其降溫更快。
參考文獻：
[1]沙春芳。紅外溫度計MLX90614及其應用[J].嵌入式技術。2007,（22）：36.
[2]郭天祥。51微控制器C語言教程[M].北京：電子工業出版社，2013.343-344.
[3]趙亮。跟我學51微控制器（七）[J].電子製作。2011.（11）：74.
[4]何賓。STC微控制器原理及應用[M].北京：清華大學出版社，2015:227.