基于单片机的数字式智能饮水机设计

基于单片机的数字式智能饮水机设计
赵龙;郝润科;王磊;邱银;胡骞
【摘要】At present, most of families in China have the water dispensers. It is only used as a tool to heat or cool the water, but the water temperature is unknown. And the water temperature can not be controlled in real time. Some water dispensers with the function of temperature control are sold in the market, but the price is so high that the ordinary consumers cannot afford it. In order to solve these problems, a smart digital water dispenser is designed. This water dispenser can display the real-time water temperature on the LCD screen, and preinstall several types of temperature mode (such as coffee, tea, milk powder and water) to meet the different temeperature needs. If the need is not satisfied, the user can define the mode according to their needs. Furthermore, the water dispenser provides the function of the buzzing alarm which gives an a-larm signal when the water temperature reaches the preset temperature. In order to save energy and eradicate safe hidden trouble, the water dispenser cuts out the power automatically when it is not used in the set time.%目前,饮水机已进入千家万户,然而就其功能仍然停留在简单的加热抑或制冷中,但是具体多少温度却并不知晓,更无法实现所需温度的实时控制.即使有其功能,价格也实在太高,让普通消费者望而却步.基于此,设计了一种数字式智能饮水机.此饮水机不仅可以把当前温度实时显示出来,还预设了几种温度模式(如咖啡、茶、奶粉、直饮)以满足人们对不同温度的需求,若仍不满足,可自行设定.当加热到达预设温度
时蜂呜报警系统提示,在设定时间内仍无操作,饮水机可自动切断电源停机,以节约能源,杜绝安全隐患.
【期刊名称】《现代电子技术》
【年(卷),期】2012(035)017
【总页数】4页(P112-115)
【关键词】饮水机;报警系统;智能控制;温度模式
【作者】赵龙;郝润科;王磊;邱银;胡骞
【作者单位】上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093;上海理工大学光电信息与计算机工程学院,上海200093
【正文语种】中文
【中图分类】TN911.7-34
0 引言
随着人们物质生活水平的提高，饮水机已经成为家庭日用品，人们对健康饮水也越来越重视。

然而，就目前市面上的饮水机而言，绝大多数饮水机也仅具有加热或者制冷功能。

但是，不同用途的饮用水所需的温度却并不是一样的。

如冲咖啡的最佳温度在65 ℃左右，奶粉的最佳温度在45 ℃左右，泡茶的最佳温度在80 ℃左右等等。

但就目前市面上的饮水机而言，无法知道实际的水温，因此只能靠经验了。

另外，由于现代生活的高节奏，人们经常在打开饮水机后又有紧急事情处理而忘记
了已经开着的饮水机，不仅会造成电能浪费，更存在安全隐患。

针对上述问题，本文设计了一种智能饮水机,由温度传感器采集温度并送至数码管显示，并将此温度值与设定的目标温度值进行比较，如果大于目标温度值则蜂鸣器报警；当温度高于98 ℃时，立即关断继电器，停止工作。

1 功能设计及系统结构
1.1 单片机系统
系统结构图如图1所示。

图1 系统结构图
本设计采用STC89C52单片机。

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在系统可编程FLASH存储器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程FLASH，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

在本设计中，P1口连接8个独立按键，用于进行相应的设置。

P0口接上拉电阻后与74HC575锁存器连接，实现数码管的段选控制；P2口分别连接74HC138译码器实现数码管的位选控制，P2.7口连接用于控制继电器的三极管8550。

P3.3口连接DS18B20温度传感器用于检测饮水机中热水的温度，P3.4连接蜂鸣器用于报警。

1.2 电源部分
由于单片机工作电压范围为3.3～5 V，采用5 V电压，所以需要进行变压与整流把220 V的交流电压变为5 V直流。

设计如下：将220 V交流电压通过一个9 V 变压器进行降压，再通过一个整流桥电路，整流后得到12 V的直流电压，由于本系统对供电要求不高，只需要5 V，所以再采用一片7805稳压管产生一个+5 V 的电压供单片机和数码管显示使用。

电路结构图如图2所示。

图2 整流电路图
1.3 温度采集部分
采用DS18B20温度传感器来完成温度的采集。

DS18B20是Dallas公司生产的一线式数字温度传感器，属于新一代适配微处理的智能数字温度传感器，测温范围为-55～+125 ℃，固有测温分辨率为0.5 ℃。

耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

而且在使用中不需要任何外围元件，占用接口少，使得系统的连线显得很简洁。

但为此所付出的代价就是必须进行相对复杂的软件补偿。

由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此在对DS1820进行读写编程时，必须严格地保证读写时序，否则将无法读取测温结果。

在使用PL/M，C等高级语言进行系统程序设计时，对 DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。

DS18B20在出厂时已配置为12位，读取温度时共读取16位，把后11位的2进制转化为10进制后乘以0.062 5便为所测温度。

前5个数字为符号位，当前5位为1时，读取的温度为负数；当前5位为0时，读取的温度为正数。

1.4 按键设置
按键由单片机的P1口控制，为独立式按键。

其功能如表1所示。

通过按键实现不同的目标温度控制。

为了提高单片机的实时显示能力和按键的响应速度，采用switch-case语句，并将其内置于中断程序内。

表1 各按键引脚接口及功能引脚P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7名称SETUPDOWNMilkTeaCoffeeDrinkOn/off功能设定+-45 ℃85 ℃65 ℃95 ℃开关
1.5 数码显示部分
数码管由74HC573和74HC138驱动。

74HC573和74HC138分别用作段选和位选锁存器，实现数码管的动态显示。

74HC573是一款高速CMOS器件，包含八路D 型透明锁存器，每个锁存器具有独立的D 型输入，以及适用于面向总线应用的三态输出。

所有锁存器共用一个锁
存使能(LE)端和一个输出使能(OE)端。

当LE为高时，数据从Dn输入到锁存器，在此条件下，锁存器进入透明模式，也
就是说，锁存器的输出状态将会随着对应的D输入每次的变化而改变。

当LE为低时，锁存器将存储D输入上的信息一段就绪时间，直到LE的下降沿来临。

当OE为低时，8个锁存器的内容可被正常输出；当OE为高时，输出进入高阻态。

OE端的操作不会影响锁存器的状态。

74HC138译码器可接受3位二进制加权地址输入(A0,A1和A2)，并当使能时，提供8个互斥的低有效输出(Y0～Y7)。

74HC138特有3个使能输入端：两个低有效(E1和E2)和一个高有效(E3)。

除非E1和E2置低且E3置高，否则74HC138将
保持所有输出为高。

利用这种复合使能特性，仅需4片74HC138芯片和1个反
相器，即可轻松实现并行扩展，组合成为一个1～32(5线到32线)译码器。

任选
一个低有效使能输入端作为数据输入，而把其余的使能输入端作为选通端，则
74HC138亦可充当一个8输出多路分配器，未使用的使能输入端必须保持绑定在各自合适的高有效或低有效状态。

8位数码管中，第一位用于显示工作模式(1～5)；第三、四位用于显示模式目标温度；第六、七位显示实时温度；第八位显示符号‘c’；第二、五位用于显示无关
字符‘-’。

1.6 报警部分与继电器部分
通过模式电源开关键启动单片机，同时设置目标温度，饮水机开始工作，到达目标温度首先进行判断，防止误触发。

当判断温度确实达到后蜂鸣器报警，预设时间内若仍无相关操作则关断继电器从而关断电源，以免造成不必要的电能浪费。

蜂鸣器与继电器均由PNP型三极管8550驱动继电器工作。

在继电器处反向并联
二极管，抑制反向电流对电路的危害。

2 硬件电路设计
硬件电路设计如图3所示，Protuse仿真电路如图4所示。

3 软件设计
程序流程图如图5所示。

图3 系统硬件结构图
图4 Protuse仿真电路
图5 程序流程图
4 结论
本设计以STC89C52为核心，以数字温度传感器DS18B20作为温度采集手段，
在到达目标温度后蜂鸣器报警，超时便断开电源，较好地实现了对饮水机温度的监测与控制，并且具有个性化的温度预设值，可以满足绝大多数人的生活需求。

另外，也可以自行设定温度，使得对水温的需求不再盲目，在给现代人提供极大的生活方便的同时对电能的节约也是有微薄贡献的。

本设计所需功能不仅在Protuse中经
过仿真而得到了证实，而且经过搭建硬件电路进行实物连接，很好地实现了预想功能。

此外，此设计还具有极好的外延性。

把继电器的控制端连接其他设备，把温度传感器安放至所需测温场合，便又可轻易实现所需的功能。

如：把控制部件换为电风扇，温度传感器直接外置，便可实现温度控制电风扇的启停。

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