自動冷卻裝置設計原理與程序設計論文
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。本設計采用價格低廉、實用簡單的STC89C52單片機作為主控中心，利用小型的風冷裝置作為降溫設備，再輔以MLX90614紅外溫度傳感器和DS18B20接觸式溫度傳感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；單片機；風冷。
引言：目前，市場上家用電器中加熱設備種類繁多，但冷卻設備卻幾乎沒有，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。針對于此，本設計能夠很好的解決此問題，利用單片機自動處理數據的能力先采集室內溫度和需要降溫的物體溫度，然后根據人為設置的預定溫度，使用風冷設備對其迅速降溫，當需要降溫的物體溫度達到設定溫度值時，風冷設備自動停止并報警。
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；設置溫度即人為設置的溫度值，當物體溫度降到設置溫度值附近時時單片機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，但前提是室溫高于被降溫物體溫度。
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顯示的是設置溫度，即要降低的目標溫度。將物體放到風冷裝置體后，在控制面板中提供兩種控制方式：a）長按“設置”鍵后，1602液晶顯示屏設置溫度處光標閃爍，此時通過“+”“-”設置物體降溫的目標溫度值，當然，設置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置溫度值附近，風扇停止并燈光和聲音報警提示；b）按“一鍵室溫”后，設置溫度自動設置為室內溫度，并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，風扇停止并燈光聲音報警提示。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單片機，外部晶振采用12MHz,外設主要有1602液晶顯示屏、繼電器、MLX90614紅外溫度傳感器、DS18B20接觸式溫度傳感器、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單片機，單片機開啟繼電器控制風扇轉動，同時單片機判斷物體溫度值是否已達到設置溫度，若達到設置溫度值，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溫度檢測模塊
溫度檢測模塊由DS18B20接觸式溫度傳感器與MLX90614紅外溫度傳感器構成，如圖3所示。MLX90614紅外溫度測量是通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，不會干擾測量對象的溫度場、響應速度快、精度高、測量范圍廣。其內部采用低噪聲放大器、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分辨率和測量精度：該溫度計測溫范圍為-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、返回數值到單片機速度也迅速，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；并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是接觸式溫度傳感器，采用“單總線”的數據傳輸方式，大大節約了硬件的開銷，其測量溫度范圍為-55℃~+125℃，并且精度高，可到±0.5℃。應用范圍也很廣泛[2].本設計采用DS18B20作為室內溫度測量的傳感器，其能夠穩定的反應當前環境的溫度，作為設置溫度的參考。
2.2聲光報警模塊
由于51單片機的輸出能力較弱，所以此處使用PNP型三極管充當開關管，由于三極管的放大作用，可以將單片機輸出的微小電流放大并且驅動高亮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液晶顯示模塊
液晶顯示模塊具有體積小、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個字符，因此可相當于32個LED數碼管，而且比數碼管顯示的信息還多。采用單+5V電源供電，外圍電路配置簡單，價格便宜，具有很高的性價比[3].1602液晶顯示屏的程序操作方式為并行口操作方式，通過D0-D7并行連接將數據傳輸給單片機，基本操作方法分為3步：a）先根據1602的時序要求將寫數據子函數和寫命令子函數寫好；b）初始化1602,主要是根據1602手冊規定的地址，設置1602的顯示方式；c）寫入命令和數據，命令有相應的地址，數據可根據1602手冊表示出來。
2.4繼電器模塊
繼電器的驅動模式和LED燈一樣，使用PNP型三極管驅動繼電器，從而使220V交流電流接通，風扇旋轉，又由于繼電器內部是線圈結構，而三極管可承受的反向電壓較小，所以加一個二極管防止繼電器通電和斷開時的反向電壓過大擊穿三極管，起保護作用。
3.軟件程序設計
在設計程序中，由于單片機開機后各引腳都是高電平，所以繼電器控制、LED控制和蜂鳴器控制均采用高電平關閉，低電平開啟的方式[4].
4.測試數據對比
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，使測試場所處于無風的環境，并且使室溫保持恒定，同時本設計其他主電路板上的參數見原理圖上的標注。
a）在同一室溫條件下，測試其降溫效果，分別讓兩杯200ml的開水放于本產品與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℃的水放于本產品與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.
通過表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，但是升溫效果并不明顯，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
未來的時代將是智能化的時代，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塊，將其與智能手機連接在一起，并通過可視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，將其實現智能化。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單片機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單片機（七）[J].電子制作。2011.（11）：74.
[4]何賓。STC單片機原理及應用[M].北京：清華大學出版社，2015:227.
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