基于單片機的多功能飲水機設(shè)計

馬培松 陶華偉 李益民 付麥霞 呂宗旺

（河南工業(yè)大學(xué)，河南 鄭州 450001）

0 引言

水是生命之源，人的生活離不開水。在現(xiàn)實生活中，飲水機成為家庭必備的飲水設(shè)施。飲水機能有效克服直接喝水或飲用桶裝飲用水所帶來的不良問題。通過飲水機內(nèi)部的設(shè)備對冷水進行加熱，從而能快速地給人們供應(yīng)熱水［1］。

目前，桶裝飲水機在市場中已占有一席之地。在無人監(jiān)視時，部分飲水機仍會對滾水進行加熱，不但會造成資源的浪費，嚴(yán)重時甚至?xí)＜叭藛T的生命安全。為了解決上述問題，并引進新功能，通過引入單片機系統(tǒng)對飲水機進行控制，通過監(jiān)測水位來避免出現(xiàn)空燒的情況，利用超聲波測距模塊來實現(xiàn)自動出水功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

本研究設(shè)計的多功能飲水機系統(tǒng)（見圖1）是利用現(xiàn)代電子技術(shù)，通過外加單片機控制模塊來對傳統(tǒng)的飲水機進行改造，并保留傳統(tǒng)飲水機的樣式。本研究設(shè)計的飲水機利用外圍回路來實現(xiàn)溫控、照明控制、溫度監(jiān)測和顯示、自動出水等功能。

圖1 多功能飲水機系統(tǒng)

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 主控電路設(shè)計

硬件電路以AT89C51芯片為核心，該芯片內(nèi)部有4 kB的FLASH存儲空間，芯片外部有40個引腳（見圖2），4個8位的并行口（即32個并行接口），其內(nèi)部有2個16位的定時計數(shù)器（Timer0、Timer1）以及2個中斷控制器。通過AT89C51芯片自帶的I/O口來外接圖1中的各個模塊，并使用Keil軟件進行代碼的編寫，完成系統(tǒng)的設(shè)計需求。

圖2 AT89C51芯片引腳圖

2.2 矩陣鍵盤設(shè)計

本研究所使用的開發(fā)板最大外接的獨立鍵盤數(shù)量為4個。根據(jù)實際需求來選擇按鍵數(shù)量更多的矩陣鍵盤，矩陣鍵盤通過8個I/O口連接到單片機上。根據(jù)實際需求，設(shè)置有手動控制熱水水溫的上限按鈕、手動加熱按鈕、自動加熱水溫的下限按鈕、電源開關(guān)按鈕、手動出水按鈕等按鈕。通過手動控制加熱水溫的上限按鈕來設(shè)置加熱時候熱水的溫度，該溫度值應(yīng)該大于系統(tǒng)自動加熱時熱水水溫的下限。當(dāng)按下手動加熱按鈕后，該多功能飲水機會將水加熱到手動控制熱水水溫的上限值；通過自動加熱水溫下限按鈕可實時調(diào)整熱水的下限溫度，讓熱水溫度保持在一定的范圍內(nèi)；手動出水按鈕是自動出水模塊的備用方案，當(dāng)自動出水模塊出現(xiàn)故障時，可按動手動出水按鈕讓飲水機出水。

2.3 溫度檢測模塊

溫度檢測模塊使用的是DS18B20芯片，其測溫范圍為-55～125℃，其在-10～85℃內(nèi)的測量誤差小于0.4℃，基本符合飲水機的水溫監(jiān)測需求。同時，該芯片具有體積較小、抗干擾能力強等優(yōu)點，且電路連接方式比較簡單，使用單總線通信［2］。DS18B20芯片內(nèi)部含有EEPROM，通過軟件配置可對芯片的轉(zhuǎn)換精度及報警溫度進行設(shè)定，設(shè)置完成后，即使在系統(tǒng)因突發(fā)情況而掉電，EEPROM芯片的數(shù)據(jù)也不會丟失。DS18B20外部有三個引腳（見圖3），分別為GND、DQ、VDD，三者的功能分別是接地、單總線通信接口和接5 V電源。根據(jù)要求，該芯片通過VDD連接電源時要外接一個上拉電阻，這樣才能正常使用。將DS18B20芯片連接到主控電路時，在軟件層根據(jù)協(xié)議對其進行編碼，便可將DS18B20測出的存儲在高速緩存器內(nèi)部的溫度數(shù)據(jù)反饋給單片機系統(tǒng)，方便后續(xù)操作。

圖3 DS18B20芯片引腳圖

2.4 液晶顯示電路設(shè)計

該系統(tǒng)可在顯示模塊顯示當(dāng)前水溫、手動加熱時設(shè)置的水溫、恒溫狀態(tài)下自動保持的溫度等數(shù)據(jù)。在考慮溫度顯示功能及用戶體驗、硬件成本的前提下，本研究選用LCD1602液晶顯示屏來實時顯示當(dāng)前水溫及水桶內(nèi)的剩余水量。該模塊外部共有16引腳（見圖4），有3個電源引腳和1個接地引腳，其余引腳均是輸入和輸出引腳。通過對該模塊進行編碼，可將DS18B20讀出的溫度在液晶顯示模塊上實時顯示出［3］。

圖4 LCD1602芯片引腳圖

2.5 超聲波測距與水位檢測電路設(shè)計

超聲波測距模塊是實現(xiàn)系統(tǒng)自動出水功能的關(guān)鍵，該系統(tǒng)的熱水出水口處及常溫水出水口處都配有HC-SR04超聲波測距模塊，該模塊外部有四個引腳（見圖5），分別為VCC（外接5 V電源）、Trig（輸入觸發(fā)信號）、Echo（傳出超聲波信號）、Gnd（接地）。該模塊使用I/O口的Trig觸發(fā)測距功能，在給該引腳一個大于10 us的高電平，之后該模塊會發(fā)射出8個40 kHz的超聲波，并不斷檢測是否有返回的信號，可測量距離為0.02～4 m。當(dāng)超聲波遇到障礙物時會返回，通過I/O口ECHO來輸出一個高電平，單片機系統(tǒng)通過測量超聲波往返的時間（即高電平的持續(xù)時間），并通過公式（1）來計算出距離distance，從而判斷出水杯是否放在了出水口處。

圖5 HC-SR04芯片引腳圖

式中：t為高電平的持續(xù)時間；v為聲速，空氣中的音速在1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓和15℃的條件下約為340 m/s。

當(dāng)距離合適時，單片機會通過I/O口邏輯控制讓外接的飲水機自動出水，并通過AT89C51內(nèi)部自帶的定時器來計算出出水時間，再將此時間乘以每秒鐘的出水量，便可實時檢測出當(dāng)下水桶內(nèi)部的剩余水量，當(dāng)水位過低時便停止加熱［4］。

2.6 AD/DA轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

自動照明部分采用PCF8591芯片來實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換，該模塊具有1個模擬輸出、4個模擬輸入及供IIC使用的串行總線接口，該模塊的最大轉(zhuǎn)換速率由設(shè)定的IIC總線的最大速度來決定。該芯片的引腳圖如圖6所示。PCF8591芯片通過外接光敏電阻可測量外界的亮度變化，當(dāng)入射光變強時，光敏電阻的電阻值會變??；當(dāng)入射光變?nèi)鯐r，光敏電阻的電阻值會變大。單片機檢測到外界亮度低于一定值時，飲水機外接燈管會自動點亮。

圖6 PCF8591芯片引腳圖

3 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

系統(tǒng)軟件部分設(shè)計主要是使用Keil4軟件進行代碼的編寫，使用單片機I/O口來操作單片機外部外接的PCF8591 AD/DA轉(zhuǎn)換模塊、LCD1602顯示模塊、DS18B20溫度檢測模塊、HC-SR04超聲波測距模塊、矩陣鍵盤模塊，實現(xiàn)自動出水、水位監(jiān)控、自動加熱等功能。

在給飲水機裝上一桶水，系統(tǒng)上電后，單片機內(nèi)部燒錄的程序會控制單片機時刻檢測DS18B20探測的外部水溫，檢測熱水溫度是否達到設(shè)置的熱水水溫下限值，如果沒有達到，在主函數(shù)邏輯控制下單片機加熱系統(tǒng)對熱水進行加熱；當(dāng)達到預(yù)設(shè)溫度時，熱水的溫度會穩(wěn)定在附近。當(dāng)使用水杯接水時，通過內(nèi)部終端檢測HC-SR04超聲波模塊發(fā)射出的超聲波的往返時間計算出水杯到出水口的距離。當(dāng)水杯距離出水口足夠近時，單片機就會控制飲水機自動出水。系統(tǒng)溫度檢測、自動出水功能軟件設(shè)計框圖見圖7、圖8。

圖7 系統(tǒng)溫度檢測軟件設(shè)計框圖

圖8 單片機自動出水功能軟件設(shè)計流程框圖

3.1 超聲波測距程序

通過代碼對HC-SR04模塊Trig引腳賦值10 us以上的高電平，讓其發(fā)射出8個40 kHz的超聲波，芯片開始工作。單片機時刻檢測該芯片是否接收到超聲波的返回信號。當(dāng)信號返回時，該模塊的Echo引腳會向單片機輸送一個高電平信號。通過編程可計算出上述高電平的持續(xù)時間，即超聲波往返時間長度，并通過公式（1）來計算水杯距接水口的距離。

3.2 PCF8591模塊AD轉(zhuǎn)換程序

使用IIC協(xié)議寫入控制字節(jié)，讓PCF8591處于AD轉(zhuǎn)換模式，并讓其不斷接收數(shù)據(jù)。根據(jù)IIC協(xié)議，PCF8591的工作通道可選擇光敏電阻通道，之后將該模塊讀取到的數(shù)值反饋給單片機。

4 結(jié)語

基于單片機的多功能飲水機是利用當(dāng)下較為前沿的電子技術(shù)對傳統(tǒng)飲水機進行改進，對傳統(tǒng)飲水機缺乏的功能進行補充，方便用戶的使用，增加用戶使用產(chǎn)品時的幸福感［1］。設(shè)計過程中采用的是當(dāng)下較為普及、價格較低、性能好的硬件設(shè)施，從而減少成本支出。本研究設(shè)計出的飲水機具有較強的實用性與可開發(fā)性，能夠為開發(fā)者帶來良好的經(jīng)濟效益。