一种基于Android与ST89C52RC单片机的智能加热系统

卫 兵,尹丽丽,汪 薇,谢泽浪,徐 旭

1.合肥师范学院计算机学院,安徽合肥,230601; 2.宿州学院信息工程学院,安徽宿州,234000

1 引 言

智能加热是指通过微处理芯片控制加热器的工作方式，从而实现精确和智能化的加热效果[1-2]。智能加热系统可以实现对水温的定时加热、温度控制、保温等多种功能，极大地方便日常生活中人们对于热水的使用需求。随着微控制与嵌入式技术的快速发展，智能加热系统逐渐开始应用于各种高端的家用热水器、饮水机等产品中，并以其便捷化、多功能的特点受到用户的认同[3]。但这类智能产品往往定位于高端办公或家用环境。例如，通常安装于高端写字楼中的大型智能饮水机，其较大的占地体积和高昂的成本往往限制这类饮水机的普及率。多数办公和家庭环境中仍然以普通电热水壶等简易产品为主。因此，在现有的普通电热水壶基础上，利用当前快速发展的智能控制技术，设计一种简易且低成本的智能水壶加热系统则具有很好的应用价值和前景。

基于以上背景，本文针对当前办公和家庭环境中热水壶等产品的使用现状与用户需求，利用51单片机芯片、蓝牙模块、温度传感器、电磁继电器等设备设计了一种简易的智能化电热水壶系统，通过所开发的手机APP对其进行便捷灵活的加热模式控制[4-5]。该智能加热系统具备便捷可靠、低成本等优势，可较好地应用于厂家对于热水壶产品的改进生产中。

2 系统架构设计

本文所设计的智能加热系统由ST89C52RC单片机主控模块、蓝牙模块子板、温度传感器、电磁继电器、基于手机的APP控制端组成。系统架构设计如图1所示。

图1 智能加热系统架构图

如图1所示，智能加热系统核心模块为ST89C52RC单片机主板，外接蓝牙子板、电磁继电器、温度传感器。相关子模块设备均由单片机控制模块统一供电。Android平台选用市场常见的Android手机，依靠APP软件与主板间建立连接与传送命令。智能水壶加热系统详细工作原理如图2所示。

图2 智能加热系统工作原理图

系统中蓝牙模块通过UART接口与单片机控制模块相连。蓝牙模块由AT指令预先设置为透传模式。蓝牙模块与单片机间通过UART接口直接传递控制指令与信息。系统工作时，用户首先使用手机端APP软件搜索蓝牙模块的设备号，并建立配对连接；完成设备配对后，APP端可以设定水壶工作模式：开水壶/关水壶、设温模式、定时模式。其中，开水壶/关水壶用于打开和关闭水壶的外接电源，起安全保护作用。设温模式用于设定所需的烧水温度。单片机从UART口接收到蓝牙模块所转发指令和温度参数后，会控制电磁继电器对水壶进行加热，同时，温度传感器模块会实时监测水温数值并反馈动态数据。当温度达到预设值时，控制电磁继电器断电停止加热。定时模式下，用户可以预先设定加热的时间，由单片机依据定时信息控制加热。在蓝牙设备连接状态下，单片机会同步将水壶的工作状态、水温等信息实时反馈至手机APP端，供用户随时查看。

3 系统各模块设计

智能加热系统的整体运行依靠各子功能模块的设计与搭建。为了便于叙述，以下从单片机主电路模块、其他外围子模块两方面进行详细设计与实现。

3.1 单片机模块

单片机模块核心选用高性能、低功耗的STC89C52RC型单片机。STC89C52RC作为一款8位CMOS 型微处理器，其内置有512字节RAM存储空间、4K字节EEPROM存储空间，以及8K字节Flash存储器用于系统编程，能够直接利用串行口进行程序下载。其功能的全面性和可靠性适用于智能加热系统控制[1-2]。系统依靠STC89C52RC芯片对蓝牙子板进行配置并与APP端建立通信连接，控制电磁继电器进行烧水与断电工作，同时，通过外接温度传感器监测水温数据并反馈至APP端。

3.2 外围子模块

蓝牙通信选用BLK-MD-HC-05子板，具有成本低、体积小、功耗低、数据收发灵敏度高等优点，支持UART、USB、SPI、PCM、SPDIF等接口，整个子板接口丰富，可快速移植至系统主板[6]。系统中将BLK-MD-HC-05子板UART口与单片机主控板连接，并通过AT指令将蓝牙模块设置成透传通信模式，用户通过APP端操作手机设备与BLK-MD-HC-05子板建立蓝牙配对连接，即可进行数据传输。

温度传感模块选用DS18B20型一线式数字化传感器。DS18B20温度传感器内部电路结构简洁，主要由传感器、ROM存储器、触发单元TH和TL，以及设备寄存器等模块组成，具有体积小、低功耗、性能稳定等特点[7]。温度测量范围为-50～+120 ℃，在-5～+80 ℃之间误差为±0.5 ℃，可以通过简单的单片机指令编程来实现数字读数，可连接性好，适用率广[8]。

由于单片机引脚的驱动能力通常无法直接驱动继电器，且继电器的线圈相当于电感，在继电器断开时极容易烧掉单片机引脚电路，因此，系统中电磁继电器选用带光电耦合的SUNLEPHANT型继电器。光耦可以起到增加引脚驱动能力并对单片机引脚与继电器线圈进行隔离保护的作用，从而有效维护系统的稳定性。

控制端APP软件基于Android平台开发，主要涉及蓝牙管理模块、控制命令模块、UI界面，用于蓝牙设备搜寻、设备连接与管理、控制命令发送与反馈信息接收。

4 系统测试

智能加热系统搭建完成后，围绕系统功能的验证与稳定性，开展了一系列测试工作，主要涉及蓝牙设备连接测试、温度设定与加热测试、定时加热模式测试。基于实验中的操作安全性考虑，加热设备采用水杯与12 V低电压加热片构成模拟水壶，以替代220 V普通热水壶。测试细节如下：

运行APP控制端后，系统开始蓝牙设备搜索并列出附近搜索设备结果，用户可以选择目标设备进行连接。图3为蓝牙设备搜索结果，图4为选择目标蓝牙设备进行配对，并成功建立连接。

当蓝牙设备连接完成后，即可输入目标温度，发送控制命令开始加热，当水温监测结果达到预设值时，加热完成，Android手机进行震动提示。图5为系统设定好目标温度后，控制模拟水壶开始加热，此时图6中显示电磁继电器打开(绿灯亮)。图7中，系统反馈信息显示加热完成，此时图8中显示电磁继电器关闭(绿灯灭)。

图3 蓝牙设备搜索结果 图4 目标设备连接成功

图5 进入设温模式开始加热 图6 继电器打开(绿灯亮)

定时模式下，系统设定目标温度与定时时间后，单片机接收到控制命令控制定时器，中断时开始加热，并将数据信息反馈至APP端，直到加热完成，如图9所示。

图9 定时模式下加热控制

通过一系列系统测试显示，智能加热系统可以由手机APP控制实现相关的预设功能，在蓝牙设备搜寻与连接、数据通信、温度设定与加热、定时模式加热等方面均能够体现出较好的可操作性与稳定性。系统可以满足普通家庭或办公环境中对水壶的智能加热控制。

5 结 语

本文设计的基于Android与ST89C52RC单片机的智能加热系统，充分利用了当前成熟的微处理器、蓝牙模块、温度传感器、电磁继电器、以及智能手机等设备，具备智能化、低成本的特点。测试表明，该系统可以较为稳定地实现对水壶的精准加热。厂家可在当前家用和办公环境中常见的电热水壶的生产中，利用该系统进行加装改进。智能加热系统具有较好的应用价值和前景。