本作品為第二屆立創(chuàng)商城電子制作節(jié)30強(qiáng)入圍作品，作者立創(chuàng)社區(qū)ID：云智優(yōu)創(chuàng)；轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，未經(jīng)允許不得用作商業(yè)用途。作品原鏈接：http://club.szlcsc.com/article/details_7169_1.html。

一. 作品簡(jiǎn)介

智能恒溫暖奶器由調(diào)節(jié)模塊和控制顯示模塊以及加熱板組成；

整機(jī)圖：

功能參數(shù)：

額定電壓：交流220V

額定功率：150W

額定頻率：50Hz 

溫度誤差：±1℃

模式：

暖奶器具有三個(gè)模式：恒溫模式、智能加熱模式和消毒模式；

1、恒溫模式：將水恒溫到某個(gè)設(shè)定值，默認(rèn)為50度；在恒溫模式，數(shù)碼管會(huì)顯示當(dāng)前溫度。當(dāng)處于加熱狀態(tài)時(shí)，數(shù)碼管上方的圓點(diǎn)會(huì)閃爍。

2、智能加熱模式：智能加熱模式用于加熱從冰箱中拿出來(lái)的奶。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將水溫加熱到65度，然后再降到45度，最后恒溫10分鐘退出加熱模式，進(jìn)入恒溫模式。

3、消毒模式：持續(xù)加熱，加熱到90度以上15分鐘或94度以上5分鐘，然后自動(dòng)回到恒溫模式。

操作：

1、設(shè)置恒溫溫度：

按動(dòng)一次開關(guān)（數(shù)碼管顯示“—”），旋轉(zhuǎn)旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)，設(shè)置好溫度后再按一次旋鈕，設(shè)置生效，返回主界面。如果15秒鐘無(wú)操作將返回主界面，設(shè)置值不生效。如下圖所示：

 

 

2、進(jìn)入智能加熱模式：

連續(xù)按2次旋鈕，進(jìn)入智能加熱模式，數(shù)碼管顯示“=”。如果在加熱過(guò)程中再按一次旋鈕，會(huì)停止智能加熱模式，回到恒溫模式。

3、消毒模式：

長(zhǎng)按旋鈕（2.5秒左右），進(jìn)入消毒模式。如果在加熱過(guò)程中按一次開關(guān)，會(huì)退出當(dāng)前模式，進(jìn)入恒溫模式。在此模式必須將上蓋蓋上，注意高溫燙傷。

效果1： 溫度實(shí)時(shí)更新快

 

效果2： 光、暗環(huán)境下，視角不同時(shí)，數(shù)碼管都能清晰顯示

 

設(shè)計(jì)背景：

 

在給寶寶喂奶的過(guò)程中，會(huì)遇到這么幾個(gè)問(wèn)題：

1.寶寶喂奶不安分，天冷奶會(huì)冷的快，怎么辦？

2.寶媽上班未回家，寶寶已經(jīng)餓了，吸出的冷藏的母乳還要加熱除菌，寶寶已經(jīng)餓哭了，怎么辦？ 

3.寶寶少吃多餐營(yíng)養(yǎng)要跟得上，可是每次加熱奶粉或輔食再等降到合適的溫度好麻煩、好費(fèi)時(shí)，怎么辦？

要是這個(gè)時(shí)候有什么東西可以幫助我們省卻這些麻煩或是消除這些困難，是不是會(huì)偷笑呢，于是，市場(chǎng)上出現(xiàn)了暖奶器；

而市場(chǎng)的暖奶器，一般有著不少的缺點(diǎn)，沒有溫度顯示或顯示不夠?qū)崟r(shí)，操作復(fù)雜，加熱效率慢等等問(wèn)題，于是，我們想到了升級(jí)暖奶器----智能恒溫暖奶器。

我們?cè)O(shè)計(jì)的這款產(chǎn)品是在傳統(tǒng)產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，加上創(chuàng)新，加上科技，讓它變得智能化。智能加熱、智能消毒，加熱速度快，不怕燒干，無(wú)需守候；雙位設(shè)計(jì)，可同時(shí)加熱兩瓶奶；操作方便，實(shí)時(shí)查看工作狀態(tài)。

溫奶器主要功能：通過(guò)溫水傳遞溫度，使奶瓶中的水達(dá)到恒溫。恒溫溫度可通過(guò)旋鈕進(jìn)行任意設(shè)置。同時(shí)具有智能加熱和智能消毒模式。

智能溫奶器主要由3位數(shù)碼管顯示，繼電器控制，溫度傳感器，單片機(jī)和旋鈕編碼開關(guān)組成。

二.  系統(tǒng)框架圖

三、 硬件部分描述

原理： 單片機(jī)控制繼電器對(duì)加熱板進(jìn)行開關(guān)控制，進(jìn)而進(jìn)行加熱控制；加熱過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)控溫度變化，隨時(shí)進(jìn)行加熱或斷開控制（注意控制過(guò)程屬于滯后控制，在軟件算法上應(yīng)該注意）。

調(diào)節(jié)模塊：

控制顯示模塊：

控制顯示部分是拼版打樣的。

 （更多高清圖片詳見原帖）

四、材料清單

STM8S103K3T6C：http://www.sosenglish.com.cn/product/details_8801.html

旋轉(zhuǎn)編碼開關(guān)：http://www.sosenglish.com.cn/product/details_140217.html

SM7035P，繼電器---樂(lè)松SRD-05VDC-SL-C，MB6S，5631BH共陰0.56寸三位數(shù)碼管等。

五. 軟件部分描述

軟件流程圖如下圖所示：

六、作品演示

演示視頻1：

演示視頻2：

演示視頻3：    

七. 總結(jié) 

在此次的設(shè)計(jì)中，遇到了好些問(wèn)題，在此做一下總結(jié)，以及貼出一些測(cè)試過(guò)程中數(shù)據(jù)：

    1. 由于ADC精度問(wèn)題，最終在計(jì)算阻值中加了25歐的補(bǔ)償；

    2. CPU 板上有個(gè)C4，使用的是10uF/10V,但發(fā)現(xiàn)會(huì)發(fā)出震蕩噪聲，最后去除；

    3. 在實(shí)際測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)在加熱時(shí)，恒溫值為30，當(dāng)在32度停下來(lái)后，溫度依然會(huì)升到35度，所以程序判溫度上限時(shí)，直接判設(shè)定值就可以了。如果恒溫值是30度，那么上線判大于30，下限判小于29；

    4. 發(fā)現(xiàn)溫度計(jì)變化會(huì)更快，加熱時(shí)溫度計(jì)的數(shù)值會(huì)高2度；

    5. 燒干斷電功能：硬件上加熱板集成塊中有熱保險(xiǎn)絲，過(guò)熱熔斷；軟件上判據(jù)：繼電器開啟1分鐘內(nèi)，溫度沒有變化；

    6. 智能加熱模式測(cè)試-------加熱過(guò)程中，瓶?jī)?nèi)的溫度和瓶外的溫度溫升不能同步，恒溫需要一定的時(shí)間來(lái)穩(wěn)定。

八、對(duì)于大家關(guān)心的問(wèn)題再詳細(xì)說(shuō)明下

1.防干燒功能

暖奶器的防干燒有兩種機(jī)制：

第一種是常用的熱保險(xiǎn)管。將保險(xiǎn)管固定于ptc上面的金屬片上，一旦超溫，保險(xiǎn)絲就會(huì)斷路，不過(guò)這種保護(hù)措施最大的缺點(diǎn)是無(wú)法自恢復(fù)，保護(hù)后必須更換。

第二種是根據(jù)溫度變化規(guī)律，通過(guò)程序來(lái)判斷干燒，從而及時(shí)斷開電源。

判斷的基本邏輯是：當(dāng)水快燒干時(shí)，只有ptc加熱槽中還有一些水，傳感器外已經(jīng)沒有水了，完全暴露于空氣中，這時(shí)傳感器所測(cè)溫度為空氣的溫度，或者略高于空氣溫度，但這個(gè)溫度基本是恒定的。而當(dāng)暖奶器正常運(yùn)行時(shí)，即使全是冷水，30秒鐘內(nèi)溫度都會(huì)有所上升。所以根據(jù)這兩個(gè)溫度變化特性，我們總結(jié)出的判據(jù)是：如果水溫沒有達(dá)到設(shè)定值，如果此時(shí)處于加熱狀態(tài)，如果加熱50秒后溫度沒有增加2℃及以上時(shí)，斷開繼電器，切斷加熱電源。

2、電氣隔離問(wèn)題

關(guān)于電氣隔離的問(wèn)題，唯一有可能漏電的是溫度探頭。

溫度傳感器主要由不銹鋼外殼和內(nèi)部熱敏電阻組成。溫度探頭是全不銹鋼，一體成型的。在安裝時(shí)，探頭下面有耐高溫的硅膠圈，背面通過(guò)螺絲壓緊，同時(shí)用硅膠密封，達(dá)到防漏水的作用。溫度探頭里面，傳感器和外殼間是通過(guò)導(dǎo)熱硅膠隔離的，1mm硅膠的交流絕緣能夠達(dá)到6千-1萬(wàn)伏。同時(shí)，傳感器外殼是接大地的，即使真出現(xiàn)漏電也可以保護(hù)。不僅如此，控制電路的220V供電線路上加有10R-1/4w保護(hù)電阻，電流一旦超過(guò)5mA就會(huì)燒斷，所以當(dāng)電路上出現(xiàn)短路，擊穿，漏電等故障時(shí)，電阻馬上會(huì)被燒斷。通過(guò)這層層保護(hù)，保證用電安全。

3.恒溫控制

恒溫控制一般都會(huì)使用pid算法，溫度控制屬于滯后控制，如果精度和穩(wěn)定性要求比較高，就需要使用PID算法進(jìn)行控制，否則就會(huì)出現(xiàn)調(diào)節(jié)不及時(shí)或過(guò)調(diào)等現(xiàn)象。溫度波動(dòng)大。

PID公式：u(t) = kp * e(t) + ki * [e(1) + e(2) + ....+ e(t)] + kd * [e(t) - e(t-1)]

e(t):為第t時(shí)刻的溫度偏差值；

Kp主要決定控制輸出的比例；

ki屬于積分項(xiàng)，主要用于在穩(wěn)定狀態(tài)下的調(diào)整；積分項(xiàng)對(duì)誤差的作用取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)增大。

Kd為微分項(xiàng)，具有超前調(diào)節(jié)的作用，在滯后控制系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用。在溫度即將發(fā)生變化時(shí)提前進(jìn)行調(diào)整。

kp,ki,kd是三個(gè)整定值，需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。

但是暖奶器因?yàn)槭褂玫氖抢^電器來(lái)控制加熱輸出，所以沒辦法線性調(diào)節(jié)，也不能讓繼電器平凡動(dòng)作。所以我們采用PID的理念，同時(shí)融入間隔加熱的算法。

暖奶器的熱傳遞是通過(guò)ptc發(fā)熱，到暖奶器中的水，再到溫度傳感器，每一個(gè)熱傳遞都需要幾秒甚至10-20秒的時(shí)間，所以這個(gè)過(guò)程很漫長(zhǎng)。不僅如此，在溫度傳遞到傳感器以后，處理器發(fā)出停止加熱的指令后，由于ptc周圍的金屬件具有儲(chǔ)能的作用，在停止加熱后，溫度依然會(huì)繼續(xù)增加。通過(guò)不斷實(shí)驗(yàn)，最終我們?cè)黾恿碎g隔加熱的控制方法，在溫度達(dá)到設(shè)定溫度正負(fù)1度的范圍內(nèi)，每加熱20秒，就停止加熱20秒，20秒的時(shí)間也是通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的，最終能把水溫控制到±1℃的范圍內(nèi)，效果還是很滿意的。

間隔加熱表面上聽起來(lái)很簡(jiǎn)單，但實(shí)際實(shí)現(xiàn)過(guò)程卻沒有這么容易，既要考慮到從冷水快速加熱到熱水的實(shí)際要盡量短，當(dāng)達(dá)到設(shè)定溫度后要非常的溫度。對(duì)采樣值的濾波，對(duì)溫度傳遞滯后性的算法，對(duì)繼電器操作次數(shù)的控制等等。

下面補(bǔ)充一個(gè)視頻，時(shí)長(zhǎng)有10分鐘，感興趣的朋友可以看看。這是一個(gè)恒溫到加熱到恒溫的過(guò)程，恒溫溫度設(shè)定為46℃，。視頻一開始測(cè)試人員按了下旋鈕，LED顯示“46-”，這是顯示的恒溫設(shè)定溫度。然后返回到恒溫模式，此時(shí)暖奶器已經(jīng)恒溫到46度了，然后溫度下降到45度，然后繼電器動(dòng)作開始加熱，然后再次達(dá)到46度恒溫，溫度誤差只有1度。