自动冷却装置设计原理与程序设计论文
文章摘要：目前，家用加热装置种类繁多，而且已经发展到较先进的程度，而家用冷却装置却鲜有见到。但是在生活中时常会遇到需要冷却的地方。本设计采用价格低廉、实用简单的STC89C52单片机作为主控中心，利用小型的风冷装置作为降温设备，再辅以MLX90614红外温度传感器和DS18B20接触式温度传感器作为温度检测装置，共同构成风冷降温系统。能够以较快的速度将目标温度降到设定温度值。
关键词：自动冷却；温度控制；单片机；风冷。
引言：目前，市场上家用电器中加热设备种类繁多，但冷却设备却几乎没有，但是很多时候都会遇到需要将液体或者固体降温，例如在医院给病人喝水而水温却过高，给幼儿喂汤药而太烫时等等，一般情况下都是对其吹气促使其快速冷却，非常不便捷。针对于此，本设计能够很好的解决此问题，利用单片机自动处理数据的能力先采集室内温度和需要降温的物体温度，然后根据人为设置的预定温度，使用风冷设备对其迅速降温，当需要降温的物体温度达到设定温度值时，风冷设备自动停止并报警。
为了方便对本设计的理解，特作以下定义：物体温度为被降温的物体的温度，即MLX90614所测得的.温度值；设置温度即人为设置的温度值，当物体温度降到设置温度值附近时时单片机会发送指令令风扇停止转动；室内温度为DS18B20检测到的室内温度值。
1.自动冷却装置功能说明
家用自动冷却装置外观示意图如图1所示，该装置能实现两种功能：主要功能是将高温物体降温到设定温度值；次要功能是利用风冷温度的快速传递将低温物体快速升温，但前提是室温高于被降温物体温度。
在1602液晶显示屏中，如图1所示，①显示的是当前室内温度，②是MLX90614检测到的被降温物体的温度，③显示的是设置温度，即要降低的目标温度。将物体放到风冷装置体后，在控制面板中提供两种控制方式：a）长按“设置”键后，1602液晶显示屏设置温度处光标闪烁，此时通过“+”“-”设置物体降温的目标温度值，当然，设置温度值应随室内温度而定，再按“确认”键，风扇即开始给物体降温，直至物体温度到达设置温度值附近，风扇停止并灯光和声音报警提示；b）按“一键室温”后，设置温度自动设置为室内温度，并且风冷装置开始工作，直至将物体温度降温或升温至室内温度值附近，风扇停止并灯光声音报警提示。若中途需要中断降温，则长按“停止”键即可停止。
2.自动冷却装置设计原理
家用自动冷却装置使用STC89C52RC单片机，外部晶振采用12MHz,外设主要有1602液晶显示屏、继电器、MLX90614红外温度传感器、DS18B20接触式温度传感器、蜂鸣器、6颗高亮LED灯和弹出式按键，主要工作过程是：先由MLX90614和DS182B20收集室内温度和物体温度值，再将两温度值传递给STC89C52单片机，单片机开启继电器控制风扇转动，同时单片机判断物体温度值是否已达到设置温度，若达到设置温度值，单片机发送指令给继电器使风扇停止转动。整个装置内部设计原理图如图2所示。
2.1温度检测模块
温度检测模块由DS18B20接触式温度传感器与MLX90614红外温度传感器构成，如图3所示。MLX90614红外温度测量是通过热辐射原理来测量温度的，是一种非接触式温度测量方式，与接触式温度测量相比，不会干扰测量对象的温度场、响应速度快、精度高、测量范围广。其内部采用低噪声放大器、17bA/D转换器及功能强大的DSP处理单元，因而具有较高的温度分辨率和测量精度：该温度计测温范围为-40~+125℃，出厂前经过工厂校正，具有数字PWM和SMBus输出方式[1].因而使用MLX90614不仅测量方便，而且测量速度、返回数值到单片机速度也迅速，但是受到红外辐射不均匀的影响，被降温物体外表不应光滑，因其反射率高，误差较大；并且被测物体也不能是透明物体，这样才能保持测量的准确性。
DS18B20是接触式温度传感器，采用“单总线”的数据传输方式，大大节约了硬件的开销，其测量温度范围为-55℃~+125℃，并且精度高，可到±0.5℃。应用范围也很广泛[2].本设计采用DS18B20作为室内温度测量的传感器，其能够稳定的反应当前环境的温度，作为设置温度的参考。
2.2声光报警模块
由于51单片机的输出能力较弱，所以此处使用PNP型三极管充当开关管，由于三极管的放大作用，可以将单片机输出的微小电流放大并且驱动高亮LED灯和蜂鸣器。本设计在LED灯处使用PWM输出方式使LED灯具有呼吸灯效果。
2.31602液晶显示模块
液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富、超薄轻巧等优点，在嵌入式应用系统中得到越来越广泛的应用。它可以显示两行，每行16个字符，因此可相当于32个LED数码管，而且比数码管显示的信息还多。采用单+5V电源供电，外围电路配置简单，价格便宜，具有很高的性价比[3].1602液晶显示屏的程序操作方式为并行口操作方式，通过D0-D7并行连接将数据传输给单片机，基本操作方法分为3步：a）先根据1602的时序要求将写数据子函数和写命令子函数写好；b）初始化1602,主要是根据1602手册规定的地址，设置1602的显示方式；c）写入命令和数据，命令有相应的地址，数据可根据1602手册表示出来。
2.4继电器模块
继电器的驱动模式和LED灯一样，使用PNP型三极管驱动继电器，从而使220V交流电流接通，风扇旋转，又由于继电器内部是线圈结构，而三极管可承受的反向电压较小，所以加一个二极管防止继电器通电和断开时的反向电压过大击穿三极管，起保护作用。
3.软件程序设计
在设计程序中，由于单片机开机后各引脚都是高电平，所以继电器控制、LED控制和蜂鸣器控制均采用高电平关闭，低电平开启的方式[4].
4.测试数据对比
为了检验产品的效果，做了如下测试，另外为了减少外部环境的干扰，使测试场所处于无风的环境，并且使室温保持恒定，同时本设计其他主电路板上的参数见原理图上的标注。
a）在同一室温条件下，测试其降温效果，分别让两杯200ml的开水放于本产品与25℃环境下，同时开始测试开水降到50℃所需要的时间，结果如表1.
b）在同一室温条件下，测试升温效果，分别让两杯200ml的温度为18℃的水放于本产品与30℃环境下，同时开始测试18℃升到26℃所需要的时间，结果如表1.
通过表1可以看出，此设计利用风冷降温极大的缩短了冷却时间，大大的提高了效率，但是升温效果并不明显，可见其比较适合降温，而升温效果还有待改进。另一方面它实现自动化降温过程，当温度到达预定值能够报警提醒。
5.设计展望
未来的时代将是智能化的时代，目前本设计仅仅是实现自动化，未来将考虑加入无线传输模块，将其与智能手机连接在一起，并通过可视化的手机操作控制其运转。另外还可加入人性化的操作控制，例如定时、预设模式等等，将其实现智能化。另外在降温方面还可加入压缩机制冷，将会使其降温更快。
参考文献：
[1]沙春芳。红外温度计MLX90614及其应用[J].嵌入式技术。2007,（22）：36.
[2]郭天祥。51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2013.343-344.
[3]赵亮。跟我学51单片机（七）[J].电子制作。2011.（11）：74.
[4]何宾。STC单片机原理及应用[M].北京：清华大学出版社，2015:227.
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