數(shù)字式智能飲水機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭永杰，龍 洋，吳 熹，屈 珣

(1.宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息與控制工程系，四川宜賓644000;2.重慶電力高等專科學(xué)校，重慶400053)

隨著人們生活水平的逐漸提高，市場上熱銷的飲水機(jī)在構(gòu)造、外觀、功能等方面也發(fā)生著變化。面對看上去風(fēng)平浪靜的市場，國內(nèi)飲水機(jī)生產(chǎn)企業(yè)表現(xiàn)出積極進(jìn)取的態(tài)度。

目前市面上的飲水機(jī)需要用手扳動(dòng)開關(guān)才能出水，經(jīng)常扳動(dòng)開關(guān)使其壽命大大縮短，多人經(jīng)常觸摸開關(guān)，使其容易引起某些疾病的傳播。對于市面上的飲水機(jī)而言，絕大多數(shù)僅僅具有加熱或者制冷功能，無法實(shí)時(shí)顯示實(shí)際的水溫，也不能對水溫進(jìn)行智能設(shè)定，所以達(dá)不到各類飲用水所需的溫度要求。

為滿足當(dāng)代家居網(wǎng)絡(luò)化、智能化的需求，本文對傳統(tǒng)飲水機(jī)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，加入控制芯片、通信模塊、顯示模塊和紅外檢測模塊，并給出系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法與控制程序流程，最后對系統(tǒng)進(jìn)行了運(yùn)行調(diào)試，使其升級成為數(shù)字式智能飲水機(jī)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示，利用GSM模塊進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)飲水機(jī)的遠(yuǎn)距離智能控制;利用紅外傳感器檢測出水處是否有杯子存在，控制自動(dòng)出水;通過按鍵進(jìn)行溫度范圍和定溫的設(shè)定，溫度傳感器對溫度進(jìn)行檢測，并通過液晶顯示對溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示。

通過GSM模塊使用手機(jī)對飲水機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，當(dāng)達(dá)到設(shè)定水溫時(shí)，飲水機(jī)能自動(dòng)通知用戶水已燒好，繼電器對燒水開關(guān)、出水開關(guān)進(jìn)行控制，整個(gè)產(chǎn)品通過傳感器和GSM模塊實(shí)現(xiàn)智能化設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1 系統(tǒng)總體框圖

采用IAP15F2K61S2單片機(jī)作為整個(gè)智能飲水機(jī)裝置的核心控制芯片，完成溫度控制和設(shè)定的功能，并通過液晶12864直觀地把水溫實(shí)時(shí)地顯示出來;利用紅外模塊控制飲水機(jī)電磁閥開關(guān)，實(shí)現(xiàn)智能取水;利用GSM通信模塊進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制功能。

2.1 控制芯片的選擇

增強(qiáng)型8051 CPU，1T，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，速度比普通8051快8～12倍。61 kB片內(nèi)Flash程序存儲器，擦寫次數(shù)10萬次以上。片內(nèi)大容量2048字節(jié)的SRAM，大容量片內(nèi)EEPROM，擦寫次數(shù)10萬次數(shù)以上，共8通道10位高速ADC，速度可達(dá)30萬次/秒，3路PWM還可當(dāng)3路D/A使用，共3通道捕獲/比較單元(CCP/PWM/PCA)，內(nèi)部高可靠復(fù)位，8級可選復(fù)位門檻電壓，徹底省掉外部復(fù)位電路，內(nèi)部高精度R/C時(shí)鐘，內(nèi)部時(shí)鐘從5～35 MHz可選，相當(dāng)于普通8051的60～420 MHz，兩組高速異步串行通信端口(可同時(shí)使用)，可在5組管腳之間進(jìn)行切換，分時(shí)復(fù)用可當(dāng)5組串口使用。

2.2 GSM通信模塊設(shè)計(jì)

GSM通信模塊如圖2所示。選用西門子最新推出的無線控制模塊——TC35I，作為 TC35I GSM無線通信模塊，該模塊穩(wěn)定，可靠性高，可以完成短消息收發(fā)、與手機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋Ｏ到y(tǒng)由單片機(jī)和GSM模塊以UART(通用異步收發(fā)器)形式通信完成數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送，并通過GSM模塊將采集到的信息通過GSM網(wǎng)絡(luò)傳送給用戶終端。GSM無線通信模塊利用短信息進(jìn)行遠(yuǎn)程無線通信，具有通信成本低、不受通信線路影響及地區(qū)限制、保密性高、可靠性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、使用方便靈活、通訊快捷等特點(diǎn)。

圖2 GSM與單片機(jī)通信模塊框圖

2.3 12864液晶顯示模塊設(shè)計(jì)

液晶模塊采用了液晶12864。LCD(液晶)具有功耗小、體積小、重量輕、超薄等其他顯示器無可比擬的優(yōu)點(diǎn)。液晶12864原理圖如圖3所示。

圖3 液晶模塊12864原理圖

2.4 紅外線檢測模塊設(shè)計(jì)

紅外光反射感應(yīng)傳感器是一種利用光電感應(yīng)原理的傳感器，其物體不限于金屬。該傳感器探測距離遠(yuǎn)，可調(diào)節(jié)測量范圍，探測范圍是0～300 mm，圖4為紅外模塊的電路原理圖。該模塊主要是利用紅外感應(yīng)原理，當(dāng)其感應(yīng)到杯子的存在時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)產(chǎn)生控制信號，并將控制信號傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)控制模塊，單片機(jī)控制繼電器的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)水閥的開和關(guān)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)水杯的自動(dòng)接水功能，當(dāng)水杯移開后，信號消失，繼電器控制水閥關(guān)閉，接水結(jié)束。紅外線自動(dòng)控制接水框圖如圖5所示。

圖4 紅外模塊的電路原理圖

圖5 紅外線控制原理框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

智能飲水機(jī)的智能化主要體現(xiàn)在遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制和自動(dòng)控制接水方面，同時(shí)根據(jù)飲水溫度的需要設(shè)定適合自己需要的水溫。系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要從GSM網(wǎng)絡(luò)控制和溫度設(shè)定、接水方面來進(jìn)行。當(dāng)啟動(dòng)GSM模塊后，首先保證GSM連接到網(wǎng)絡(luò)，然后判斷是否有中斷(水已經(jīng)燒好的提示)，有的話進(jìn)行短信通知發(fā)送，完成網(wǎng)絡(luò)控制。軟件流程圖如圖6所示。

圖6 GSM模塊工作流程圖

當(dāng)啟動(dòng)飲水機(jī)的時(shí)候，打開燒水棒，判斷水溫是否達(dá)到設(shè)定溫度。若水溫達(dá)到設(shè)定溫度，就停止燒水，然后判斷是否有水杯存在。如有水杯就啟動(dòng)水閥開始自動(dòng)出水，實(shí)現(xiàn)對水溫和接水的智能控制，軟件流程圖如圖7所示。

圖7 飲水機(jī)工作工作流程圖

部分算法的程序如下:

主程序，每按一次按鈕發(fā)一條短信

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)的調(diào)試主要對智能飲水機(jī)的GSM模塊、溫度設(shè)定、紅外傳感器模塊進(jìn)行調(diào)試。

接通電源后，啟動(dòng)GSM模塊，查看聯(lián)網(wǎng)情況，此時(shí)，正常連網(wǎng)會有指示燈進(jìn)行指示。首先按下按鍵，對GSM模塊進(jìn)行收發(fā)短信測試，看時(shí)間延遲、數(shù)據(jù)傳輸是否完全;然后測試溫度設(shè)定，加熱啟動(dòng)，到達(dá)設(shè)定溫度后，看是否有警示燈點(diǎn)亮，短信是否發(fā)送出去;最后進(jìn)行紅外的檢測，把杯子放在出水口下面，看指示燈是否點(diǎn)亮，指示燈點(diǎn)亮后閥門開啟，開始出水，調(diào)試完畢。

5 總結(jié)

智能飲水機(jī)設(shè)計(jì)可以大大方便人們的日常生活。這種設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)智能化的同時(shí)，充分體現(xiàn)了創(chuàng)新性和可操作性，尤其是用單片機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測并顯示水的溫度，可以滿足對不同溫度的水的要求，并可以通過按鍵自己設(shè)定需要的溫度。采用了GSM通信模塊作為遠(yuǎn)程控制，只需一個(gè)短信，就能實(shí)現(xiàn)對飲水機(jī)的控制，該控制方式具有成本低、可靠性強(qiáng)、抗干擾能力強(qiáng)、使用方便靈活、通訊快捷等特點(diǎn)，節(jié)約時(shí)間，且操作簡單。

［1］ 劉煥成.工程背景下的單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2008.

［2］ 李朝青.單片機(jī)原理及接口技術(shù)［M］.3版.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

［3］ 譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)［M］.3版.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

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