基于Arduino的自動(dòng)飲水機(jī)設(shè)計(jì)與研究

朱俊

摘要：Arduino系統(tǒng)是建立在c類(lèi)語(yǔ)言基礎(chǔ)上的，它將AVR單片機(jī)中的一些參數(shù)設(shè)置函數(shù)化，用戶可以輕松進(jìn)行設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。該文介紹了基于Arduino的自動(dòng)飲水機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用超聲波傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而判斷水杯離飲水機(jī)的距離，再根據(jù)距離將相應(yīng)信號(hào)傳遞Arduino控制板，由Arduino控制板將信號(hào)傳遞給場(chǎng)效應(yīng)管，進(jìn)而控制電磁閥的閥門(mén)開(kāi)關(guān)，達(dá)到自動(dòng)流水和自動(dòng)停水的目的，該系統(tǒng)具有一定的創(chuàng)新和研究?jī)r(jià)值。

關(guān)鍵詞：Arduino;傳感器;單片機(jī);執(zhí)行器

中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）01-0279-03

1概述

地球上的淡水資源極其缺乏，陸地上的淡水只占地球儲(chǔ)水量的2.8%。人類(lèi)生活所使用的淡水資源主要來(lái)自江河、淡水湖和地下水，而這些水資源占地球上的淡水儲(chǔ)量的0.34%。大多數(shù)國(guó)家和地區(qū)都缺乏飲用水，同時(shí)，隨著社會(huì)的發(fā)展，很多淡水資源正受到化工業(yè)、造紙等工業(yè)和生活垃圾等各類(lèi)污染的影響，更加劇了淡水資源的缺乏，人類(lèi)面臨著越來(lái)越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

生活中，如果水龍頭每秒滴一滴水，那么一年就會(huì)浪費(fèi)1.5噸水。如果采用智能水龍頭替換所有手動(dòng)水龍頭，當(dāng)水杯接近飲水機(jī)，飲水機(jī)就自動(dòng)放滿水，拿走水杯，飲水機(jī)自動(dòng)停止放水。這樣不僅可以節(jié)約用水，還可以避免用臟手操作水龍頭。2Arduino

Arduino是一系列基于單片機(jī)的人機(jī)互動(dòng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它的最大的優(yōu)點(diǎn)是具備了模塊化能力，用戶可以用類(lèi)似搭積木的方式，將硬件進(jìn)行系統(tǒng)集成。Arduino具有開(kāi)放的硬件平臺(tái)，用戶可以從網(wǎng)絡(luò)上獲取PCB的設(shè)計(jì)，進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)。

Arduino的硬件系統(tǒng)主要由幾大部件構(gòu)成，核心是由AVR單片機(jī)作為控制器的電路板，AVR機(jī)采用的是精簡(jiǎn)指令集，指令長(zhǎng)度單位使用字，它將組成指令的兩個(gè)基本單位操作數(shù)和操作碼集成在一個(gè)字當(dāng)中，所以減少了取指令的時(shí)間，并且它可以預(yù)取指令，并實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)，因此執(zhí)行指令速度很快。Ardui-no具有種類(lèi)很多的模塊，這些模塊簡(jiǎn)單易用。

Arduino的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用類(lèi)c語(yǔ)言的高級(jí)程序語(yǔ)言，用戶容易快速入門(mén)掌握，用戶可以從網(wǎng)絡(luò)上下載庫(kù)文件直接使用，這樣可以大大縮短軟件開(kāi)發(fā)周期。

由于Arduino有著以上的優(yōu)點(diǎn)，普通用戶不需要掌握專(zhuān)業(yè)的理論知識(shí)，不需要掌握編程技術(shù)，也能設(shè)計(jì)和制造出想要的系統(tǒng)。

2.1基本結(jié)構(gòu)

（1）Arduino控制板

Arduino主控板的型號(hào)有很多，如Arduino Uno等。Arduino擴(kuò)展板的型號(hào)同樣也有很多，如Arduino GSM Shield等Arduino的控制板采用AVR單片機(jī)，本系統(tǒng)采用的版本是Arduino Uno，這個(gè)版本與其他版本不同的地方在于它沒(méi)有使用FTDI USB串行驅(qū)動(dòng)芯片，而是把Atmega8U2設(shè)置為USB設(shè)備，這樣當(dāng)主控板與計(jì)算機(jī)相連時(shí)，主控板就會(huì)作為一個(gè)USB設(shè)備顯示，而且這樣生產(chǎn)成本降低了。Arduino Uno和其他的單片機(jī)控制板原理相同，但因?yàn)榱舜罅康拈_(kāi)源軟件的支持，使其得到了廣泛的應(yīng)用和推廣。

（2）輸入模塊

Arduino的輸入模塊主要指的是與外部設(shè)備進(jìn)行信號(hào)傳遞的一種裝置，用于把原始信息和處理的指令輸入到系統(tǒng)中，可以是數(shù)值型的數(shù)據(jù)，也可以是如溫度、濕度、距離、煙霧、聲音等非數(shù)值型的數(shù)據(jù)。通常各類(lèi)傳感器是屬于輸入模塊。本系統(tǒng)使用的傳感器為超聲波傳感器，超聲波傳感器可以將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。

（3）輸出模塊

輸出模塊是模塊與外部的執(zhí)行器交互的一種裝置，用于把控制板的信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的動(dòng)作執(zhí)行，通常執(zhí)行器是屬于輸出模塊。

執(zhí)行器是一些應(yīng)用系統(tǒng)作為輸出的一種常用部分，它的作用通常是接收由控制器送來(lái)的控制信號(hào)，從而通過(guò)改變被控介質(zhì)的大小，將被控變量維持在一定的范圍。

執(zhí)行器按其能源形式主要分為電動(dòng)、氣動(dòng)、液動(dòng)三大類(lèi)。電動(dòng)執(zhí)行器的能源取用方便，信號(hào)傳遞迅速，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、防爆性能差。氣動(dòng)執(zhí)行器利用壓縮的空氣作為動(dòng)力，穩(wěn)定、適用廣泛。液動(dòng)執(zhí)行器的特點(diǎn)是輸出推力很大，主要用在需要推力大的環(huán)境下。

本系統(tǒng)的執(zhí)行部分通過(guò)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管來(lái)控制開(kāi)關(guān)旋轉(zhuǎn)，從而控制水流。

2.2軟件平臺(tái)

Arduino編程語(yǔ)言是類(lèi)C/C++語(yǔ)言，因?yàn)閏語(yǔ)言有著廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)，所以Arduino同樣有著廣泛的使用群體，Arduino將AVR單片機(jī)相關(guān)的參數(shù)設(shè)計(jì)成了對(duì)應(yīng)函數(shù)，這樣普通用戶不需要太多的編程基礎(chǔ)，通過(guò)調(diào)用已有函數(shù)，也能夠進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。

Arduino IDE具有跨平臺(tái)的優(yōu)點(diǎn)，既可以在Windows上運(yùn)行也可以在Linux等操作系統(tǒng)上運(yùn)行，它具有簡(jiǎn)單清晰、開(kāi)放性、發(fā)展快等特點(diǎn)。Arduino IDE對(duì)于初學(xué)者來(lái)說(shuō)，極易掌握，同時(shí)有著足夠的靈活性。

2.3 Arduino軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境

Arduin01.8.5程序界面如圖1所示，程序界面友好，菜單項(xiàng)精簡(jiǎn)易操作，常用功能放在菜單下的常用工具欄處，與普通的程序的界面沒(méi)有太大的區(qū)別，即使是初學(xué)者不需要太多的基礎(chǔ)，也能進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)工作，并且調(diào)試起來(lái)也很方便，極大地方便了項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)。

3硬件設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目所需的材料主要有Arduino Uno控制板、電磁閥、超聲波傳感器、場(chǎng)效應(yīng)管、電阻、面包板、各類(lèi)導(dǎo)線等。

3.1 Arduino系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板

Arduino UNO的技術(shù)參數(shù)如表1。

3.2工作原理

通過(guò)超聲波傳感器來(lái)檢查飲水機(jī)前是否有物體，如果有物體，由電磁閥控制飲水機(jī)的出水口，當(dāng)通電時(shí)，電磁閥打開(kāi)，飲用水流出。當(dāng)斷電時(shí)，電磁閥關(guān)閉，飲用水停止流水。程序?qū)⑹冀K監(jiān)測(cè)是否有物體放置在超聲波傳感器附近，如果是，則電磁閥打開(kāi)，并一直監(jiān)測(cè)是否有物體移走，如果監(jiān)測(cè)到有物體移走，將觸發(fā)，電磁閥隨即關(guān)閉，飲水機(jī)停止流出水。

本項(xiàng)目使用的電磁閥壓強(qiáng)是0-0.8Mpa，功率為6.5W，電壓為直流12V，額定電流為700mA，最大額定電流為1.2A。要啟動(dòng)電磁閥需要使用場(chǎng)效應(yīng)管。本項(xiàng)目所使用的場(chǎng)效應(yīng)管是IRF540N N溝道MOSFET。它有3個(gè)引腳，分別是柵極、源極和漏極。電磁閥的正極端子由Arduino的Vin引腳供電。使用12V適配器為Arduino供電，Vin引腳將輸出12V，可用于控制電磁閥。電磁閥的負(fù)極端子通過(guò)MOSFET的源極和漏極引腳連接到地。因此，只有在MOSFET導(dǎo)通時(shí)才會(huì)為電磁閥供電。MOSFET的柵極引腳用于打開(kāi)或關(guān)閉它。如果柵極引腳接地，它將保持關(guān)閉狀態(tài)，如果施加?xùn)艠O電壓，它將導(dǎo)通。為了在沒(méi)有電壓施加到柵極引腳時(shí)保持MOSFET關(guān)斷，柵極引腳通過(guò)10k電阻接地。Arduino引腳12用于打開(kāi)或關(guān)閉MOSFET，因此D12引腳通過(guò)1K電阻連接到柵極引腳。使用1K電阻的目的是用于限流。

超聲波傳感器使用的是HC-SR04，由Arduino的+5V和接地引腳供電。Echo和Trigger引腳分別連接到引腳8和引腳9。通過(guò)對(duì)Arduino進(jìn)行編程，利用超聲波傳感器測(cè)量距離，并在檢測(cè)到物體時(shí)打開(kāi)MOSFET。

4軟件設(shè)計(jì)

使用HCSR-04超聲波傳感器來(lái)測(cè)量物體前方的距離。當(dāng)距離<10cm時(shí)，打開(kāi)MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管，當(dāng)距離≥10cm時(shí)，關(guān)閉MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管。

為了避免造成重復(fù)定義，考慮到一些變量用得多，使用宏定義使算法精練。使用超聲波傳感器的觸發(fā)和回聲引腳，MOSFET柵極引腳和LED作為Arduino的I/O。在連接電路圖時(shí)，將Echo和Trigger引腳分別連接到第8和第9個(gè)數(shù)字引腳。然后MOSFET引腳連接到引腳12，默認(rèn)情況下板載LED連接到引腳13。使用以下代碼進(jìn)行宏定義。

#definetrigger9

#define echo 8

#defineLED 13

#define MOSFET12

在setup函數(shù)中，對(duì)輸入和輸出進(jìn)行聲明。在硬件中，只有超聲波傳感器的Echo引腳是輸入引腳，其余都是輸出引腳。可以使用Arduino的pinMode函數(shù)來(lái)指定如下所示。

在主loop函數(shù)內(nèi)部，調(diào)用了名為measure_distance（1的函數(shù)。此函數(shù)功能使用超聲波傳感器測(cè)量物體前方的距離，并將值更新為變量“distance”。要使用超聲波傳感器測(cè)量距離，必須首先將觸發(fā)引腳保持低電平兩微秒，然后保持高電平持續(xù)10微秒并再次保持低電平持續(xù)2微秒。這將向空氣中發(fā)出超聲波信號(hào)的聲波，它將被前方的物體反射，回聲引腳將采集由它反射的信號(hào)。然后使用時(shí)間值來(lái)計(jì)算傳感器前方物體的距離。計(jì)算出距離后，使用if語(yǔ)句比較距離值，如果距離<10cm，將MOSFET和LED變?yōu)楦唠娖?，在else語(yǔ)句中將MOSFET和LED設(shè)置為低電平。程序如下：

按照電路中所示進(jìn)行連接，并將程序?qū)懭階rduino控制板。將電磁閥連接到進(jìn)水口，并使用12V適配器將電路連接到Ar-duino板的DC插孔。確保板載LED指示燈熄滅，這樣可確保電磁閥也關(guān)閉。

將超聲波傳感器直接放置在電磁閥下方，這樣當(dāng)水杯放置在電磁閥下方時(shí)，它會(huì)直接與超聲波傳感器相對(duì)。超聲波傳感器將探測(cè)到物體后，MOSFET和LED一起打開(kāi)，電磁閥執(zhí)行打開(kāi)閥門(mén)操作，飲用水流出來(lái)。

當(dāng)移除水杯后，超聲波傳感器觸發(fā)，信號(hào)傳遞給Arduino控制板，控制板將電路斷開(kāi)，電磁閥閉合，飲用水停止流出。

5結(jié)束語(yǔ)

本文研究了一套基于Arduino的自動(dòng)飲水機(jī)系統(tǒng)，它利用超聲波傳感器監(jiān)測(cè)到靠近飲水機(jī)的水杯，從而將信號(hào)傳遞Ar-duino控制板，由控制板將執(zhí)行數(shù)據(jù)通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管，將信號(hào)傳遞給電磁閥，由電磁閥開(kāi)啟閥門(mén)控制飲水機(jī)流出水。當(dāng)水杯離開(kāi)飲水機(jī)時(shí)，超聲波傳器監(jiān)測(cè)到水杯離開(kāi)飲水機(jī)，將信號(hào)傳遞給控制板，由控制板再將執(zhí)行的數(shù)據(jù)通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管，將信號(hào)傳遞給電磁閥，電磁閥的閥門(mén)自動(dòng)閉合，飲水機(jī)不再流出水。實(shí)驗(yàn)證明，基于Arduino的自動(dòng)飲水機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，具有一定的實(shí)用價(jià)值。