基于单片机的可控温智能多功能安全饮水机设计

段清明, 彭醒醒, 杨开琦, 林 洁(吉林大学 仪器科学与电气工程学院, 长春 130061)



基于单片机的可控温智能多功能安全饮水机设计

段清明, 彭醒醒, 杨开琦, 林 洁
(吉林大学 仪器科学与电气工程学院, 长春 130061)

为满足对传统“传感器-继电器”机构的饮水机进行智能化升级的技术要求, 以单片机为控制核心, 加入温度检测、 水位检测、 温度设定和模式设定、 液晶显示等电路, 设计了智能化和标准化的饮水机电子控制的系统结构, 从而显著提升了其整体性能。通过实验测试的数据表明, 该饮水机可实现温度、 水位、 实时显示和安全智能的全自动控制, 实现了饮水机节能及智能一体化。

饮水机； 智能化升级； 节能安全； 全自动控制

0 引 言

饮水机在我国已成为家庭、 办公场所不可或缺的电器, 国内、 国际市场潜力巨大[1]。但传统饮水机存在很多问题： 冷热水不分离, 使饮水机加热的频率增加很多, 耗费大量电能同时也会形成阴阳水[2,3]； 饮水机在打开电源后, 在无人看管的情况下, 会对烧开的水反复加热, 形成千滚水[4]； 一般的饮水机都是靠手动阀门出水, 易造成病毒交叉感染[5-7]; 加热温度不可选择, 在生活中对不同用途的水, 如泡方便面, 冲泡咖啡等温度是不同的, 所以给日常生活带来不便; 无水状态下也反复加热, 会造成空烧, 从而导致火灾事故。

针对传统饮水机的不足, 笔者在传统饮水机的基础上进行改进, 加入单片机控制系统, 采用DS18B20可组网数字温度传感器, 对温度进行采集, 采用数码管实时显示温度值； 饮水机内部冷热水分箱储存, 杜绝阴阳水； 压力传感器[8]置于水箱正下方, 利用测量的重量计算水位, 对水位实时检测, 防止干烧； 多档位选择, 在设定时间内若无人操作, 自动跳转低温模式, 实现节能； 利用液晶实现显示功能, 可实时显示当前水温、 水位、 加热时间, 以及设定的档位和设定的温度； 并加入感应出水功能。实现了智能, 省电, 健康的饮水机设计, 为人们日常饮水带来方便。

1 系统设计

笔者设计的可控温智能安全饮水机是集温度控制、 水位控制、 实时显示[9,10]和安全智能等技术一体化的产品。分自动控制和人为控制两部分, 可完成对温度的设置、 检测、 显示, 水位的检测[11]、 显示、 特定水位的系统特定响应, 档位的设定与智能跳转等任务。饮水机主体部分具有完善的监控系统、 显示系统、 自动控制能力以及可靠的执行机构。其系统组成框图如图1所示。

图1 饮水机系统结构框图Fig.1 Water machine system block diagram

2 硬件设计

2.1 防干烧装置的设计

为防止发生干烧状态, 该设计采用以下措施, 把应变式压力传感器[12,13]安装在水箱下面, 测量电路如图2所示。利用应变式压力传感器测量原理, 把水箱加满水和无水时的重量差作为处理对象, 当重量差低于5%时， 送给微处理器一个缺水信号, 此时， 处理器向电磁阀发出信号, 电磁阀打开进水口, 把储水箱加满水。当压力传感器测得水箱的水加到95%时， 则送给微处理器一个满水信号, 关闭进水阀。如果水位低于5%一段时间仍无进水响应, 则表示此时水箱储水已无, 则系统自动断电, 实现系统自动控制功能。

图2 测重力原理图Fig.2 Gravity measurement schematic

2.2 温度采集及温度模式设置

温度传感器采用单总线方式的集成数字温度传感器DSl8B20。DSl8B20管脚简单, 电源可由数据线本身提供而不需要外部电源, 与MCU(Micro Controller Unit) 通讯仅需一条数据线, 所以占用MCU管脚很少。 DSl8B20的测量范围从-55 ℃～+125 ℃, 增量值为0.5 ℃时, 可在1 s内把温度变换成数字, 精度和速度也符合设计要求。

系统可人为设置温度, 以满足人们对不同水温的需求。温度按键为独立式按键可以具体到设定某个温度, 采用6位连锁开关实现多个温度模式设置。同时温度控制也采用系统智能控制方式。当长时间无人操作时, 系统自动跳到低温模式, 不会长时间处于加热状态, 可节约大量能源。温度模式如表1所示。

表1 温度模式

2.3 双水箱设置及感应出水

该设计采用双储水箱, 把冷水与热水分箱储存。热水储水箱有加热装置, 当热水箱水位低于设定的水位线时, 冷水水箱自动补给, 直到加满为止, 防止人们在接热水的同时冷水混入产生阴阳水。

图3 控制出水电路原理图Fig.3 Water flow control circuit schematic

饮水机不仅可以手动按键控制出水, 而且设计了光电传感器感应系统。感应出水电路如图3所示。将水杯杯底放在底座上相应的位置, 杯身遮挡光电传感器, 传感器感应到反射信号由P1.4管脚送入单片机, 单片机发出信号到P1.0管脚, 启动继电器常开开关吸合, 打开电磁阀放水, 并点亮LED1灯显示出水状态。放水的时间实时设定, 达到预设时间, 则断开继电器电路, 水阀弹回原位, 关闭出水口, 报警装置发出响声。

2.4 显示模块

系统利用数码管显示实时水温。74LS48用作段选锁存器驱动数码管, 实现数码管的动态显示。利用液晶屏显示日历、 设定温度、 定时加热时间, 设定加热时间及工作模式。液晶屏由74LS164驱动, 实现串转并输出, 节省管脚资源(见图4)。

图4 温度显示电路图Fig.4 The circuit of display part

3 软件设计

主控制器的程序流程图如图5所示。主控制器的程序流程图主要包括模块初始化、 检测水位和温度、 检测水杯、 处理和显示等。主要任务是对传感器传来的数字信号进行处理, 以满足设定的模式。

图5 软件流程图Fig.5 Software flow chart

4 实验结果及分析

为检验该设计的准确性, 对该设计的饮水机的加水时间、 水位测定误差、 加热时间和跳闸温度及相应时间进行测量。用天平测量重量, 秒表测试时间, 刻度尺测量水位。然后将测量的重量转化为水的体积, 其结果如表2所示。

表2 测量数据表

从实验数据看出, 该设计的计算机控制饮水机的水位传感器水位测定、 进水电磁阀开启和关闭、 断电跳闸温度的误差都在正常值之内。

5 结 语

该设计以单片机作为微控制器, 以数字温度传感器DS18B20作为温度采集设备。当温度达到设定温度时, 蜂鸣器报警, 超时便进入低温模式； 若长时间无人操作, 便自动切断电源, 以降低电能消耗达到节能的目的。温度的设定不仅有5个档位的简洁模式也可以自行设定任意温度, 给人们的使用带来极大的方便。采取双水箱分别放置冷热水。控制固态继电器SSR-IOA对加热管进行加热, 加热时与冷水箱不连通, 不会出现传统饮水机边加热边有冷水流进热水箱的现象, 提高了加热的效率, 节约了电能。以压力传感器作为水位采集手段, 实时监测水位防止出现空烧。采用液晶显示按键设定的温度模式, 加热模式,数码管显示水箱实时温度。该饮水机的设计安全、 智能, 并且更加人性化。

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(责任编辑： 何桂华)

Design of Intelligent and Safer Multi-Function Temperature Adjustable Water Dispenser

DUAN Qingming, PENG Xingxing, YANG Kaiqi, LIN Jie
(College of Instrumentation and Electrical Engineering, Jilin University, Changchun 130061, China)

On the market, the function of traditional water dispenser is relatively simple, low intelliget. In order to meet the technical requirements on the market and update the traditional “sensor-relay” mechanism, we use MCU(Micro Controller Unit) as the control core, adding temperature detection, the water level detection, temperature setting and mode setting, liquid crystal display circuit and so on, to design standardization and intellectuality dispenser electronic control system structure, which significantly improves its overall performance and used functions. Experimental test show that it can achieve automatic control of the dispenser and realize energy-saving security and intelligence integration of the dispenser.

water dispenser; intelligent upgrade; energy-saving and safety; full-automatic control

1671-5896(2014)05-0516-05

2014-01-25

吉林大学大学生创新实验计划基金资助项目(2013B65294)

段清明(1966— ), 男, 河南洛阳人, 吉林大学教授, 硕士生导师, 主要从事地球探测技术和地面核磁共振找水技术研究, (Tel)86-431-88502419-605(E-mail)duanqm@jlu.edu.cn;

： 彭醒醒(1992— ), 女, 安徽阜阳人, 吉林大学本科生, (Tel)86-18204318742(E-mail)pengx_x@163.com。

TP273

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