基于單片機的可控溫智能多功能安全飲水機設計

段清明, 彭醒醒, 楊開琦, 林 潔(吉林大學 儀器科學與電氣工程學院, 長春 130061)

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基于單片機的可控溫智能多功能安全飲水機設計

段清明, 彭醒醒, 楊開琦, 林 潔
(吉林大學 儀器科學與電氣工程學院, 長春 130061)

為滿足對傳統(tǒng)“傳感器-繼電器”機構的飲水機進行智能化升級的技術要求, 以單片機為控制核心, 加入溫度檢測、 水位檢測、 溫度設定和模式設定、 液晶顯示等電路, 設計了智能化和標準化的飲水機電子控制的系統(tǒng)結構, 從而顯著提升了其整體性能。通過實驗測試的數(shù)據(jù)表明, 該飲水機可實現(xiàn)溫度、 水位、 實時顯示和安全智能的全自動控制, 實現(xiàn)了飲水機節(jié)能及智能一體化。

飲水機； 智能化升級； 節(jié)能安全； 全自動控制

0 引 言

飲水機在我國已成為家庭、 辦公場所不可或缺的電器, 國內(nèi)、 國際市場潛力巨大[1]。但傳統(tǒng)飲水機存在很多問題： 冷熱水不分離, 使飲水機加熱的頻率增加很多, 耗費大量電能同時也會形成陰陽水[2,3]； 飲水機在打開電源后, 在無人看管的情況下, 會對燒開的水反復加熱, 形成千滾水[4]； 一般的飲水機都是靠手動閥門出水, 易造成病毒交叉感染[5-7]; 加熱溫度不可選擇, 在生活中對不同用途的水, 如泡方便面, 沖泡咖啡等溫度是不同的, 所以給日常生活帶來不便; 無水狀態(tài)下也反復加熱, 會造成空燒, 從而導致火災事故。

針對傳統(tǒng)飲水機的不足, 筆者在傳統(tǒng)飲水機的基礎上進行改進, 加入單片機控制系統(tǒng), 采用DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器, 對溫度進行采集, 采用數(shù)碼管實時顯示溫度值； 飲水機內(nèi)部冷熱水分箱儲存, 杜絕陰陽水； 壓力傳感器[8]置于水箱正下方, 利用測量的重量計算水位, 對水位實時檢測, 防止干燒； 多檔位選擇, 在設定時間內(nèi)若無人操作, 自動跳轉低溫模式, 實現(xiàn)節(jié)能； 利用液晶實現(xiàn)顯示功能, 可實時顯示當前水溫、 水位、 加熱時間, 以及設定的檔位和設定的溫度； 并加入感應出水功能。實現(xiàn)了智能, 省電, 健康的飲水機設計, 為人們?nèi)粘ｏ嬎畮矸奖恪?/p>

1 系統(tǒng)設計

筆者設計的可控溫智能安全飲水機是集溫度控制、 水位控制、 實時顯示[9,10]和安全智能等技術一體化的產(chǎn)品。分自動控制和人為控制兩部分, 可完成對溫度的設置、 檢測、 顯示, 水位的檢測[11]、 顯示、 特定水位的系統(tǒng)特定響應, 檔位的設定與智能跳轉等任務。飲水機主體部分具有完善的監(jiān)控系統(tǒng)、 顯示系統(tǒng)、 自動控制能力以及可靠的執(zhí)行機構。其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 飲水機系統(tǒng)結構框圖Fig.1 Water machine system block diagram

2 硬件設計

2.1 防干燒裝置的設計

為防止發(fā)生干燒狀態(tài), 該設計采用以下措施, 把應變式壓力傳感器[12,13]安裝在水箱下面, 測量電路如圖2所示。利用應變式壓力傳感器測量原理, 把水箱加滿水和無水時的重量差作為處理對象, 當重量差低于5%時， 送給微處理器一個缺水信號, 此時， 處理器向電磁閥發(fā)出信號, 電磁閥打開進水口, 把儲水箱加滿水。當壓力傳感器測得水箱的水加到95%時， 則送給微處理器一個滿水信號, 關閉進水閥。如果水位低于5%一段時間仍無進水響應, 則表示此時水箱儲水已無, 則系統(tǒng)自動斷電, 實現(xiàn)系統(tǒng)自動控制功能。

圖2 測重力原理圖Fig.2 Gravity measurement schematic

2.2 溫度采集及溫度模式設置

溫度傳感器采用單總線方式的集成數(shù)字溫度傳感器DSl8B20。DSl8B20管腳簡單, 電源可由數(shù)據(jù)線本身提供而不需要外部電源, 與MCU(Micro Controller Unit) 通訊僅需一條數(shù)據(jù)線, 所以占用MCU管腳很少。 DSl8B20的測量范圍從-55 ℃～+125 ℃, 增量值為0.5 ℃時, 可在1 s內(nèi)把溫度變換成數(shù)字, 精度和速度也符合設計要求。

系統(tǒng)可人為設置溫度, 以滿足人們對不同水溫的需求。溫度按鍵為獨立式按鍵可以具體到設定某個溫度, 采用6位連鎖開關實現(xiàn)多個溫度模式設置。同時溫度控制也采用系統(tǒng)智能控制方式。當長時間無人操作時, 系統(tǒng)自動跳到低溫模式, 不會長時間處于加熱狀態(tài), 可節(jié)約大量能源。溫度模式如表1所示。

表1 溫度模式

2.3 雙水箱設置及感應出水

該設計采用雙儲水箱, 把冷水與熱水分箱儲存。熱水儲水箱有加熱裝置, 當熱水箱水位低于設定的水位線時, 冷水水箱自動補給, 直到加滿為止, 防止人們在接熱水的同時冷水混入產(chǎn)生陰陽水。

圖3 控制出水電路原理圖Fig.3 Water flow control circuit schematic

飲水機不僅可以手動按鍵控制出水, 而且設計了光電傳感器感應系統(tǒng)。感應出水電路如圖3所示。將水杯杯底放在底座上相應的位置, 杯身遮擋光電傳感器, 傳感器感應到反射信號由P1.4管腳送入單片機, 單片機發(fā)出信號到P1.0管腳, 啟動繼電器常開開關吸合, 打開電磁閥放水, 并點亮LED1燈顯示出水狀態(tài)。放水的時間實時設定, 達到預設時間, 則斷開繼電器電路, 水閥彈回原位, 關閉出水口, 報警裝置發(fā)出響聲。

2.4 顯示模塊

系統(tǒng)利用數(shù)碼管顯示實時水溫。74LS48用作段選鎖存器驅動數(shù)碼管, 實現(xiàn)數(shù)碼管的動態(tài)顯示。利用液晶屏顯示日歷、 設定溫度、 定時加熱時間, 設定加熱時間及工作模式。液晶屏由74LS164驅動, 實現(xiàn)串轉并輸出, 節(jié)省管腳資源(見圖4)。

圖4 溫度顯示電路圖Fig.4 The circuit of display part

3 軟件設計

主控制器的程序流程圖如圖5所示。主控制器的程序流程圖主要包括模塊初始化、 檢測水位和溫度、 檢測水杯、 處理和顯示等。主要任務是對傳感器傳來的數(shù)字信號進行處理, 以滿足設定的模式。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Software flow chart

4 實驗結果及分析

為檢驗該設計的準確性, 對該設計的飲水機的加水時間、 水位測定誤差、 加熱時間和跳閘溫度及相應時間進行測量。用天平測量重量, 秒表測試時間, 刻度尺測量水位。然后將測量的重量轉化為水的體積, 其結果如表2所示。

表2 測量數(shù)據(jù)表

從實驗數(shù)據(jù)看出, 該設計的計算機控制飲水機的水位傳感器水位測定、 進水電磁閥開啟和關閉、 斷電跳閘溫度的誤差都在正常值之內(nèi)。

5 結 語

該設計以單片機作為微控制器, 以數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為溫度采集設備。當溫度達到設定溫度時, 蜂鳴器報警, 超時便進入低溫模式； 若長時間無人操作, 便自動切斷電源, 以降低電能消耗達到節(jié)能的目的。溫度的設定不僅有5個檔位的簡潔模式也可以自行設定任意溫度, 給人們的使用帶來極大的方便。采取雙水箱分別放置冷熱水?？刂乒虘B(tài)繼電器SSR-IOA對加熱管進行加熱, 加熱時與冷水箱不連通, 不會出現(xiàn)傳統(tǒng)飲水機邊加熱邊有冷水流進熱水箱的現(xiàn)象, 提高了加熱的效率, 節(jié)約了電能。以壓力傳感器作為水位采集手段, 實時監(jiān)測水位防止出現(xiàn)空燒。采用液晶顯示按鍵設定的溫度模式, 加熱模式,數(shù)碼管顯示水箱實時溫度。該飲水機的設計安全、 智能, 并且更加人性化。

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(責任編輯： 何桂華)

Design of Intelligent and Safer Multi-Function Temperature Adjustable Water Dispenser

DUAN Qingming, PENG Xingxing, YANG Kaiqi, LIN Jie
(College of Instrumentation and Electrical Engineering, Jilin University, Changchun 130061, China)

On the market, the function of traditional water dispenser is relatively simple, low intelliget. In order to meet the technical requirements on the market and update the traditional “sensor-relay” mechanism, we use MCU(Micro Controller Unit) as the control core, adding temperature detection, the water level detection, temperature setting and mode setting, liquid crystal display circuit and so on, to design standardization and intellectuality dispenser electronic control system structure, which significantly improves its overall performance and used functions. Experimental test show that it can achieve automatic control of the dispenser and realize energy-saving security and intelligence integration of the dispenser.

water dispenser; intelligent upgrade; energy-saving and safety; full-automatic control

1671-5896(2014)05-0516-05

2014-01-25

吉林大學大學生創(chuàng)新實驗計劃基金資助項目(2013B65294)

段清明(1966— ), 男, 河南洛陽人, 吉林大學教授, 碩士生導師, 主要從事地球探測技術和地面核磁共振找水技術研究, (Tel)86-431-88502419-605(E-mail)duanqm@jlu.edu.cn;

： 彭醒醒(1992— ), 女, 安徽阜陽人, 吉林大學本科生, (Tel)86-18204318742(E-mail)pengx_x@163.com。

TP273

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