基于單片機(jī)的節(jié)能飲水機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

高巖

摘? 要：文章主要分析以單片機(jī)為主控芯片的節(jié)能飲水機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在本設(shè)計(jì)中，采用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，再采用兩個(gè)DS18B20溫度探頭分別將熱水和溫水實(shí)時(shí)送入STC89C52單片機(jī)，并采用LCD1602的液晶顯示器顯示實(shí)時(shí)水溫，當(dāng)水燒好后，繼電器會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)加熱器，停止飲用水加熱，并語(yǔ)音提示人們水以燒好，注意燙傷，當(dāng)水溫降低達(dá)到人們可直接飲用的溫水程度，語(yǔ)音提示水溫標(biāo)準(zhǔn)，可直接飲用，這樣的智能設(shè)計(jì)可以滿足不同使用者的需求，價(jià)格低廉。文章首先分析節(jié)能飲水機(jī)的優(yōu)勢(shì)，從節(jié)能飲水機(jī)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理及總體功能入手，旨在對(duì)節(jié)能飲水的硬件、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)分析，為未來(lái)節(jié)能飲水機(jī)的科學(xué)設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);節(jié)能飲水機(jī);控制系統(tǒng);設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：TM925.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）35-0009-04

Abstract： This paper mainly analyzes the design of the control system of energy-saving drinking fountain with single-chip microcomputer as the main control chip. In this design， the STC89C52 single chip microcomputer is used as the main control chip， then two DS18B20 temperature probes are used to send hot water and warm water to the STC89C52 single chip microcomputer in real time， and the liquid crystal display of LCD1602 is used to display the real time water temperature. When the water is boiled， the relay will automatically turn off the heater， stop heating drinking water， and remind people via voice that the water has been boiled， and that scald should be avoided; when the water temperature is reduced to the degree of warm water that people can drink directly， it warns via voice of the water temperature standard， and that it can be drunk directly. This kind of intelligent design can meet the needs of different users and the price is low. First of all， this paper analyzes the advantages of energy-saving drinking fountains， starting with the system structure， working principle and overall function of energy-saving drinking fountains， and aims to analyze the hardware and software system design of energy-saving drinking water in detail， thus providing reference for the scientific design of energy-saving drinking fountains in the future.

Keywords： single-chip microcomputer; energy-saving drinking fountain; control system; design

引言

不管是在人們的日常生活還是工作，飲水機(jī)處處可見(jiàn)，但在使用過(guò)程中卻存在較多問(wèn)題，一是飲水機(jī)智能化程度不夠，打開(kāi)電源之后如果沒(méi)人監(jiān)管，待水燒開(kāi)之后將電源切斷，飲水機(jī)加熱便會(huì)持續(xù)做功，一直處于加熱、保溫狀態(tài)，循環(huán)往復(fù)，極大程度上增加了電能損耗，同時(shí)還會(huì)減少飲水機(jī)的使用壽命。二是目前普遍存在的飲水機(jī)類(lèi)型是熱水、涼水兩邊設(shè)計(jì)，人們要喝到溫水只能用熱水和涼水自己勾兌，并且水溫也不能實(shí)時(shí)顯示，難以滿足人們對(duì)飲用水的不同需求。

基于以上問(wèn)題，本文以STC89C52單片機(jī)為主控芯片，設(shè)計(jì)了一款節(jié)能飲水機(jī)控制系統(tǒng)，能夠保證飲水機(jī)的水達(dá)到100℃時(shí)，自動(dòng)切斷加熱器電源，另外還能顯示飲水機(jī)內(nèi)水的實(shí)時(shí)溫度，能夠滿足不同人群的飲水需求。

1 節(jié)能飲水機(jī)優(yōu)勢(shì)

就目前市面上常見(jiàn)的飲水機(jī)系統(tǒng)來(lái)看，大部分只是有加熱功能，忽視了節(jié)能這一概念，在節(jié)能減排的呼吁下，飲水機(jī)節(jié)能市場(chǎng)日益凸顯，飲水機(jī)的重復(fù)加熱造成了電力資源的消耗，水重復(fù)加熱，也會(huì)對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響人們的身體健康，同時(shí)還會(huì)影響飲水機(jī)的使用壽命。

距中國(guó)產(chǎn)業(yè)調(diào)研網(wǎng)發(fā)布的《中國(guó)飲水機(jī)行業(yè)現(xiàn)狀調(diào)研分析及市場(chǎng)前景預(yù)測(cè)報(bào)告（2019版）》顯示，國(guó)內(nèi)飲水機(jī)市場(chǎng)在逐步擴(kuò)大，飲水機(jī)需求也逐步上升，國(guó)內(nèi)關(guān)于飲水機(jī)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也在持續(xù)跟進(jìn)，預(yù)示著飲水機(jī)市場(chǎng)將會(huì)在中國(guó)迎來(lái)更好的發(fā)展機(jī)遇。

2 節(jié)能飲水機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理及總體功能

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文研究的節(jié)能飲水機(jī)主要結(jié)構(gòu)包括1個(gè)主控芯片STC89C52單片機(jī)、2個(gè)DS18B20溫度傳感器、2個(gè)非接觸液體水位感應(yīng)開(kāi)關(guān)、1個(gè)不銹鋼浮球液位開(kāi)關(guān)、1個(gè)穩(wěn)壓電源、1個(gè)按鍵電路、1個(gè)液晶顯示器、1個(gè)語(yǔ)音電路、4個(gè)驅(qū)動(dòng)電路、4個(gè)繼電器、1個(gè)加熱器和3個(gè)電磁閥。整體結(jié)構(gòu)如圖1。

2.2 工作原理

在節(jié)能飲水機(jī)整個(gè)系統(tǒng)來(lái)看，穩(wěn)壓電源起著供電作用，維持飲水機(jī)的正常使用。按鍵電路主要起控制作用，實(shí)現(xiàn)水溫的自動(dòng)控制。DS18B20溫度傳感器1與DS18B20溫度傳感器2這兩個(gè)溫度傳感器能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)水溫，將水溫信息實(shí)時(shí)傳送至STC89C52單片機(jī)。不銹鋼懸浮球主要是監(jiān)測(cè)水位的作用，2個(gè)非接觸液體水位感應(yīng)開(kāi)關(guān)分別為高水位感應(yīng)開(kāi)關(guān)和低水位感應(yīng)開(kāi)關(guān)，當(dāng)飲水機(jī)熱水燒開(kāi)，水即將溢出飲水機(jī)時(shí)高水位感應(yīng)開(kāi)關(guān)閉合，當(dāng)熱水池沒(méi)有熱水時(shí)，為了防止加熱器干燒，低水位感應(yīng)器會(huì)自動(dòng)感應(yīng)水池內(nèi)水位情況，若水位過(guò)低，會(huì)自動(dòng)閉合開(kāi)關(guān)，防止損傷加熱器。液晶顯示器則會(huì)顯示實(shí)時(shí)水溫，待水溫達(dá)到一定溫度后，飲水機(jī)的語(yǔ)音電路會(huì)自動(dòng)播報(bào)水溫，提示人們水溫情況。

2.3 總體功能

本文所述的節(jié)能飲水機(jī)系統(tǒng)總體功能有以下幾個(gè)方面：

（1）為防止熱水燙傷，在語(yǔ)音播報(bào)時(shí)，會(huì)有防燙傷提示。

（2）溫控加熱，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到水溫過(guò)低時(shí)，會(huì)自動(dòng)根據(jù)之前設(shè)置的水溫需求啟動(dòng)加熱功能，當(dāng)水溫達(dá)到100℃時(shí)，自動(dòng)斷開(kāi)加熱器。但溫控加熱功能受智能節(jié)電模式的影響，當(dāng)水溫合適不再需要繼續(xù)加熱時(shí)，智能節(jié)電模式會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟，此時(shí)將停止溫控加熱。

（3）系統(tǒng)默認(rèn)狀態(tài)，飲水機(jī)通電后，系統(tǒng)會(huì)默認(rèn)開(kāi)啟智能節(jié)電模式和溫控加熱功能，根據(jù)飲水機(jī)內(nèi)水位、水溫變化，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)控，自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉加熱功能、供水功能等。

3 飲水機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

飲水機(jī)系統(tǒng)分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，以下將分別針對(duì)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行詳盡分析。

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 STC89C52單片機(jī)主控電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用超低功率的STC89C52單片機(jī)作為控制核心，設(shè)計(jì)安裝前首先對(duì)水溫、水位高低以及按鍵信息等進(jìn)行信息采集，并將所采集的信息輸入單片機(jī)控制系統(tǒng)，經(jīng)控制系統(tǒng)操作后將水溫上下限通過(guò)液晶顯示器顯現(xiàn)，待感應(yīng)器感應(yīng)到水溫合適時(shí)，將水溫信號(hào)再傳遞給控制系統(tǒng)，再由控制系統(tǒng)“命令”語(yǔ)言系統(tǒng)播放水溫提示音，若水位降低，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)向進(jìn)水閥發(fā)出“進(jìn)水”命令，若水溫過(guò)低，低于水溫顯示器設(shè)定的下限，控制系統(tǒng)也會(huì)自動(dòng)向加熱器發(fā)出“加熱”的命令。

STC89C52單片機(jī)因其耗能低、性能強(qiáng)，在嵌入式控制系統(tǒng)應(yīng)用十分廣泛。圖2為STC89C52單片機(jī)主控電路示意圖，其中KEY表示系統(tǒng)復(fù)位，LED為系統(tǒng)指示燈，U2則為數(shù)據(jù)端，用于連接液晶顯示器。

3.1.2 語(yǔ)音系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用ISD4004-08MP的語(yǔ)音芯片，該語(yǔ)音芯片容量較大，具有錄音功能，較為智能化。ISD系列的語(yǔ)音芯片使用方便、音質(zhì)較好，在進(jìn)行水溫播報(bào)時(shí)語(yǔ)音清晰，不需要借助其他語(yǔ)音開(kāi)發(fā)系統(tǒng)就可以實(shí)現(xiàn)清晰的語(yǔ)音播報(bào)。在設(shè)計(jì)語(yǔ)音系統(tǒng)時(shí)，輸入需要播報(bào)的水溫指令，如當(dāng)水溫達(dá)到100℃時(shí)需要播報(bào)，當(dāng)水溫在60℃時(shí)需要播報(bào)，輸入好指令后，當(dāng)水溫達(dá)到100℃單片機(jī)就會(huì)發(fā)出語(yǔ)音提示和放音控制指令，該指令傳輸?shù)秸Z(yǔ)音電路，通過(guò)8Ω/0.5W揚(yáng)聲器語(yǔ)音播報(bào)“目前水溫100℃，小心燙傷！”;當(dāng)水溫達(dá)到60℃時(shí)，8Ω/0.5W揚(yáng)聲器語(yǔ)音播報(bào)“目前水溫60℃，可直接飲用！”圖3為語(yǔ)音電路示意圖，其中語(yǔ)音播報(bào)功能是由LM386結(jié)合ISD4004語(yǔ)音芯片實(shí)現(xiàn)的，該語(yǔ)音芯片工作電壓設(shè)定為3V。

3.1.3 液晶顯示器電路

前文有提到，液晶顯示器主要作用是顯示水溫，本系統(tǒng)采用LCD1602的液晶顯示器，該顯示器專(zhuān)門(mén)用于顯示字母、數(shù)字以及符號(hào)等。液晶顯示器也是通過(guò)接受STC89C52單片機(jī)傳輸?shù)目刂菩盘?hào)，顯示實(shí)時(shí)水溫，具體設(shè)計(jì)方式為，借助10K上拉電阻在STC89C52單片機(jī)的P00～P07口分別連接LCD1602的D0～D7引腳，連接好后才能實(shí)現(xiàn)控制信息的傳輸，讓顯示器更靈敏的顯示實(shí)時(shí)水溫，詳細(xì)電路圖如圖4所示。

3.1.4 繼電器控制電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了四個(gè)繼電器，分別連接電磁閥和加熱器，根據(jù)飲水機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（如圖5），可以了解到，飲水機(jī)共有三個(gè)水池，一個(gè)是熱水池，一個(gè)是溫水池，一個(gè)是涼水池，并且這兩個(gè)水池都有一個(gè)出水閥，分別用三個(gè)不同的繼電器控制三個(gè)不同的電磁閥，控制不同水池的進(jìn)水量，單片機(jī)通過(guò)向繼電器4傳輸控制信號(hào)，繼電器4收到指令后，打開(kāi)電磁閥3，向熱水池放溫水。

以其中一個(gè)繼電器控制電路為例進(jìn)行電路圖設(shè)計(jì)分析（如圖6），系統(tǒng)工作電壓統(tǒng)一為5V，從圖中可以看出，MC1413的每一對(duì)達(dá)林頓管都串聯(lián)了一個(gè)2.7K的基極電阻，在系統(tǒng)電壓下，基極電阻可以與TTL和CMOS電路直接相連，提高了系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定程度，方便系統(tǒng)的整體控制。

3.1.5 水溫檢測(cè)電路

圖7為水溫檢測(cè)電路示意圖，從圖中可以看出，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩個(gè)水溫檢測(cè)電路，一個(gè)是熱水檢測(cè)電路，一個(gè)是溫水檢測(cè)電路，二者都選用不銹鋼封裝防水型DS18B20的溫度探頭，該探頭是一種改進(jìn)型的智能溫度傳感器，測(cè)溫范圍較大，應(yīng)用于該系統(tǒng)進(jìn)行水溫檢測(cè)，具有較高的分辨率。

水溫檢測(cè)電路中DS18B20的溫度探頭與單片機(jī)的連接方式的3線制連接，這種連接方式簡(jiǎn)單易操作，且成本低廉，同時(shí)減少了與外部硬件電路的連接。

3.1.6 按鍵電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按鍵電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖8所示，其對(duì)整個(gè)飲水機(jī)系統(tǒng)起控制作用，當(dāng)按下“Set”鍵時(shí)，系統(tǒng)便接受指令進(jìn)入設(shè)定水溫上限狀態(tài)，接著便可輸入水溫上限，輸入完畢按下加法“Add”鍵或者加法“Set”鍵，水溫上限才算設(shè)計(jì)完成;輸入水溫下限時(shí)，再次按下“Set”鍵，重復(fù)上述操作步驟，完成水溫下限設(shè)定，最后按下“OK”鍵，完成水溫設(shè)定。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)內(nèi)容較少，但設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，飲水機(jī)軟件系統(tǒng)主要包括：主程序、判斷程序、ISD4004語(yǔ)音程序、LCD1602液晶顯示程序、DS18B20溫度采集程序、按鍵工作程序、繼電器控制程序等。

ISD4004語(yǔ)音程序主要進(jìn)行語(yǔ)音播放設(shè)計(jì)，能夠在水溫達(dá)到一定溫度后進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，告知人們水溫狀況;LCD1602液晶顯示程序主要進(jìn)行液晶顯示屏初始化設(shè)計(jì)、顯示實(shí)時(shí)水溫等，確保液晶顯示屏能夠正常顯示實(shí)時(shí)水溫;按鍵主要完成控制指令，包括向飲水機(jī)加水指令、燒水指令等等;繼電器控制程序主要完成加熱器和電磁閥的開(kāi)關(guān)功能，自動(dòng)識(shí)別飲水機(jī)內(nèi)水溫情況，完成燒水等工作。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作流程如下。

待系統(tǒng)設(shè)計(jì)好后，通電試運(yùn)行，為防止熱水和涼水流入溫水池，應(yīng)提前關(guān)閉電磁閥2和電磁閥3，保證各水池內(nèi)水的固定性，然后將LCD1602液晶顯示器初始化，分別讀取熱水池、溫水池和涼水池的水溫，并自動(dòng)記錄在液晶顯示屏上顯示水溫上下限，之后進(jìn)入判斷程序。判斷程序相對(duì)較為復(fù)雜，總共分為四步：（1）假設(shè)設(shè)定溫水水溫為60℃，則需判斷溫水水溫是否已經(jīng)燒到60℃（可存在少許偏差），若溫水水溫已經(jīng)達(dá)到60℃，則應(yīng)關(guān)閉電磁閥2和電磁閥3，并播放語(yǔ)音“目前水溫60℃，可直接飲用！”（2）判斷是否已經(jīng)按下溫水鍵（warm）。如果溫水池中水溫并不符合溫水水溫，若水溫過(guò)高，則應(yīng)打開(kāi)電磁閥2，關(guān)閉電磁閥3，讓涼水流進(jìn)溫水池，中和水溫，既能快速得到溫水，又能節(jié)省電能消耗;若溫水水溫過(guò)低，則應(yīng)關(guān)閉電磁閥2，打開(kāi)電磁閥3，讓熱水進(jìn)入溫水池，優(yōu)勢(shì)與水溫過(guò)高時(shí)一樣，極大的節(jié)省了電能消耗;倘若溫水池中沒(méi)有水，為了快速得到溫水，可以同時(shí)打開(kāi)電磁閥2和電磁閥3，讓熱水和涼水同時(shí)流入溫水池。（3）判斷熱水鍵（Hot）是否已經(jīng)按下。如果已經(jīng)按下的熱水鍵，但熱水池中沒(méi)有水，應(yīng)該打開(kāi)電磁閥1上水，待熱水池中上好水后，關(guān)閉電磁閥1，打開(kāi)熱水器進(jìn)行燒水。（4）判斷熱水器水溫是否達(dá)標(biāo)（≥100℃），如果熱水未達(dá)到100℃，繼續(xù)燒水，若水溫≥100℃，則應(yīng)關(guān)閉加熱器，并進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)“目前水溫100℃，小心燙傷！”，系統(tǒng)實(shí)物圖如圖9所示。

上述為本次基于單片機(jī)的飲水機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)，與實(shí)際使用過(guò)程中多少會(huì)存在微弱偏差，熱水、溫水、涼水三個(gè)水池的設(shè)計(jì)，基本能夠滿足不同使用者對(duì)不同溫度水的需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，綜合運(yùn)用電路設(shè)計(jì)方式，結(jié)合ISD4004語(yǔ)音芯片和LCD1602的液晶顯示器設(shè)計(jì)了節(jié)能飲水機(jī)控制系統(tǒng)，能夠?yàn)槿粘Ｉ罴肮ぷ髦械娜藗兲峁崴?、溫水及涼水供?yīng)，能夠滿足不同使用者對(duì)水溫的不同需求。并且在該系統(tǒng)中，配有液晶顯示器和語(yǔ)音提示程序是非常友好的，液晶顯示器顯示實(shí)時(shí)水溫，便于人們對(duì)飲水機(jī)水溫的把控，加上飲水機(jī)的語(yǔ)音提示，能夠讓人們不用走到飲水機(jī)跟前就能了解到飲水機(jī)水溫情況，另外還注意燙傷的溫馨提示，能夠在給人們提供水溫信息的同時(shí)，提高人們的安全意識(shí)，減少燙傷事故發(fā)生頻率。飲水機(jī)加熱過(guò)程中，熱水燒好后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切斷加熱器，避免熱水反復(fù)加熱損害水質(zhì)、縮減飲水機(jī)使用壽命。

總體來(lái)看，基于單片機(jī)的節(jié)能飲水機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)智能化程度較高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)理念新穎，符合當(dāng)下人們的需求，且易操作，具有良好的使用感受。

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