段清明, 彭醒醒, 楊開琦, 林 潔(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院, 長春 130061)

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基于單片機(jī)的可控溫智能多功能安全飲水機(jī)設(shè)計(jì)

段清明, 彭醒醒, 楊開琦, 林 潔
(吉林大學(xué) 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院, 長春 130061)

為滿足對傳統(tǒng)“傳感器-繼電器”機(jī)構(gòu)的飲水機(jī)進(jìn)行智能化升級(jí)的技術(shù)要求, 以單片機(jī)為控制核心, 加入溫度檢測、 水位檢測、 溫度設(shè)定和模式設(shè)定、 液晶顯示等電路, 設(shè)計(jì)了智能化和標(biāo)準(zhǔn)化的飲水機(jī)電子控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu), 從而顯著提升了其整體性能。通過實(shí)驗(yàn)測試的數(shù)據(jù)表明, 該飲水機(jī)可實(shí)現(xiàn)溫度、 水位、 實(shí)時(shí)顯示和安全智能的全自動(dòng)控制, 實(shí)現(xiàn)了飲水機(jī)節(jié)能及智能一體化。

飲水機(jī)； 智能化升級(jí)； 節(jié)能安全； 全自動(dòng)控制

0 引 言

飲水機(jī)在我國已成為家庭、 辦公場所不可或缺的電器, 國內(nèi)、 國際市場潛力巨大[1]。但傳統(tǒng)飲水機(jī)存在很多問題： 冷熱水不分離, 使飲水機(jī)加熱的頻率增加很多, 耗費(fèi)大量電能同時(shí)也會(huì)形成陰陽水[2,3]； 飲水機(jī)在打開電源后, 在無人看管的情況下, 會(huì)對燒開的水反復(fù)加熱, 形成千滾水[4]； 一般的飲水機(jī)都是靠手動(dòng)閥門出水, 易造成病毒交叉感染[5-7]; 加熱溫度不可選擇, 在生活中對不同用途的水, 如泡方便面, 沖泡咖啡等溫度是不同的, 所以給日常生活帶來不便; 無水狀態(tài)下也反復(fù)加熱, 會(huì)造成空燒, 從而導(dǎo)致火災(zāi)事故。

針對傳統(tǒng)飲水機(jī)的不足, 筆者在傳統(tǒng)飲水機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn), 加入單片機(jī)控制系統(tǒng), 采用DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器, 對溫度進(jìn)行采集, 采用數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示溫度值； 飲水機(jī)內(nèi)部冷熱水分箱儲(chǔ)存, 杜絕陰陽水； 壓力傳感器[8]置于水箱正下方, 利用測量的重量計(jì)算水位, 對水位實(shí)時(shí)檢測, 防止干燒； 多檔位選擇, 在設(shè)定時(shí)間內(nèi)若無人操作, 自動(dòng)跳轉(zhuǎn)低溫模式, 實(shí)現(xiàn)節(jié)能； 利用液晶實(shí)現(xiàn)顯示功能, 可實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前水溫、 水位、 加熱時(shí)間, 以及設(shè)定的檔位和設(shè)定的溫度； 并加入感應(yīng)出水功能。實(shí)現(xiàn)了智能, 省電, 健康的飲水機(jī)設(shè)計(jì), 為人們?nèi)粘ｏ嬎畮矸奖恪?/p>

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

筆者設(shè)計(jì)的可控溫智能安全飲水機(jī)是集溫度控制、 水位控制、 實(shí)時(shí)顯示[9,10]和安全智能等技術(shù)一體化的產(chǎn)品。分自動(dòng)控制和人為控制兩部分, 可完成對溫度的設(shè)置、 檢測、 顯示, 水位的檢測[11]、 顯示、 特定水位的系統(tǒng)特定響應(yīng), 檔位的設(shè)定與智能跳轉(zhuǎn)等任務(wù)。飲水機(jī)主體部分具有完善的監(jiān)控系統(tǒng)、 顯示系統(tǒng)、 自動(dòng)控制能力以及可靠的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 飲水機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Water machine system block diagram

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 防干燒裝置的設(shè)計(jì)

為防止發(fā)生干燒狀態(tài), 該設(shè)計(jì)采用以下措施, 把應(yīng)變式壓力傳感器[12,13]安裝在水箱下面, 測量電路如圖2所示。利用應(yīng)變式壓力傳感器測量原理, 把水箱加滿水和無水時(shí)的重量差作為處理對象, 當(dāng)重量差低于5%時(shí)， 送給微處理器一個(gè)缺水信號(hào), 此時(shí)， 處理器向電磁閥發(fā)出信號(hào), 電磁閥打開進(jìn)水口, 把儲(chǔ)水箱加滿水。當(dāng)壓力傳感器測得水箱的水加到95%時(shí)， 則送給微處理器一個(gè)滿水信號(hào), 關(guān)閉進(jìn)水閥。如果水位低于5%一段時(shí)間仍無進(jìn)水響應(yīng), 則表示此時(shí)水箱儲(chǔ)水已無, 則系統(tǒng)自動(dòng)斷電, 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)控制功能。

圖2 測重力原理圖Fig.2 Gravity measurement schematic

2.2 溫度采集及溫度模式設(shè)置

溫度傳感器采用單總線方式的集成數(shù)字溫度傳感器DSl8B20。DSl8B20管腳簡單, 電源可由數(shù)據(jù)線本身提供而不需要外部電源, 與MCU(Micro Controller Unit) 通訊僅需一條數(shù)據(jù)線, 所以占用MCU管腳很少。 DSl8B20的測量范圍從-55 ℃～+125 ℃, 增量值為0.5 ℃時(shí), 可在1 s內(nèi)把溫度變換成數(shù)字, 精度和速度也符合設(shè)計(jì)要求。

系統(tǒng)可人為設(shè)置溫度, 以滿足人們對不同水溫的需求。溫度按鍵為獨(dú)立式按鍵可以具體到設(shè)定某個(gè)溫度, 采用6位連鎖開關(guān)實(shí)現(xiàn)多個(gè)溫度模式設(shè)置。同時(shí)溫度控制也采用系統(tǒng)智能控制方式。當(dāng)長時(shí)間無人操作時(shí), 系統(tǒng)自動(dòng)跳到低溫模式, 不會(huì)長時(shí)間處于加熱狀態(tài), 可節(jié)約大量能源。溫度模式如表1所示。

表1 溫度模式

2.3 雙水箱設(shè)置及感應(yīng)出水

該設(shè)計(jì)采用雙儲(chǔ)水箱, 把冷水與熱水分箱儲(chǔ)存。熱水儲(chǔ)水箱有加熱裝置, 當(dāng)熱水箱水位低于設(shè)定的水位線時(shí), 冷水水箱自動(dòng)補(bǔ)給, 直到加滿為止, 防止人們在接熱水的同時(shí)冷水混入產(chǎn)生陰陽水。

圖3 控制出水電路原理圖Fig.3 Water flow control circuit schematic

飲水機(jī)不僅可以手動(dòng)按鍵控制出水, 而且設(shè)計(jì)了光電傳感器感應(yīng)系統(tǒng)。感應(yīng)出水電路如圖3所示。將水杯杯底放在底座上相應(yīng)的位置, 杯身遮擋光電傳感器, 傳感器感應(yīng)到反射信號(hào)由P1.4管腳送入單片機(jī), 單片機(jī)發(fā)出信號(hào)到P1.0管腳, 啟動(dòng)繼電器常開開關(guān)吸合, 打開電磁閥放水, 并點(diǎn)亮LED1燈顯示出水狀態(tài)。放水的時(shí)間實(shí)時(shí)設(shè)定, 達(dá)到預(yù)設(shè)時(shí)間, 則斷開繼電器電路, 水閥彈回原位, 關(guān)閉出水口, 報(bào)警裝置發(fā)出響聲。

2.4 顯示模塊

系統(tǒng)利用數(shù)碼管顯示實(shí)時(shí)水溫。74LS48用作段選鎖存器驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管, 實(shí)現(xiàn)數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示。利用液晶屏顯示日歷、 設(shè)定溫度、 定時(shí)加熱時(shí)間, 設(shè)定加熱時(shí)間及工作模式。液晶屏由74LS164驅(qū)動(dòng), 實(shí)現(xiàn)串轉(zhuǎn)并輸出, 節(jié)省管腳資源(見圖4)。

圖4 溫度顯示電路圖Fig.4 The circuit of display part

3 軟件設(shè)計(jì)

主控制器的程序流程圖如圖5所示。主控制器的程序流程圖主要包括模塊初始化、 檢測水位和溫度、 檢測水杯、 處理和顯示等。主要任務(wù)是對傳感器傳來的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理, 以滿足設(shè)定的模式。

圖5 軟件流程圖Fig.5 Software flow chart

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為檢驗(yàn)該設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性, 對該設(shè)計(jì)的飲水機(jī)的加水時(shí)間、 水位測定誤差、 加熱時(shí)間和跳閘溫度及相應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測量。用天平測量重量, 秒表測試時(shí)間, 刻度尺測量水位。然后將測量的重量轉(zhuǎn)化為水的體積, 其結(jié)果如表2所示。

表2 測量數(shù)據(jù)表

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看出, 該設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)控制飲水機(jī)的水位傳感器水位測定、 進(jìn)水電磁閥開啟和關(guān)閉、 斷電跳閘溫度的誤差都在正常值之內(nèi)。

5 結(jié) 語

該設(shè)計(jì)以單片機(jī)作為微控制器, 以數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為溫度采集設(shè)備。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí), 蜂鳴器報(bào)警, 超時(shí)便進(jìn)入低溫模式； 若長時(shí)間無人操作, 便自動(dòng)切斷電源, 以降低電能消耗達(dá)到節(jié)能的目的。溫度的設(shè)定不僅有5個(gè)檔位的簡潔模式也可以自行設(shè)定任意溫度, 給人們的使用帶來極大的方便。采取雙水箱分別放置冷熱水。控制固態(tài)繼電器SSR-IOA對加熱管進(jìn)行加熱, 加熱時(shí)與冷水箱不連通, 不會(huì)出現(xiàn)傳統(tǒng)飲水機(jī)邊加熱邊有冷水流進(jìn)熱水箱的現(xiàn)象, 提高了加熱的效率, 節(jié)約了電能。以壓力傳感器作為水位采集手段, 實(shí)時(shí)監(jiān)測水位防止出現(xiàn)空燒。采用液晶顯示按鍵設(shè)定的溫度模式, 加熱模式,數(shù)碼管顯示水箱實(shí)時(shí)溫度。該飲水機(jī)的設(shè)計(jì)安全、 智能, 并且更加人性化。

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(責(zé)任編輯： 何桂華)

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

吉林大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2013B65294)

段清明(1966— ), 男, 河南洛陽人, 吉林大學(xué)教授, 碩士生導(dǎo)師, 主要從事地球探測技術(shù)和地面核磁共振找水技術(shù)研究, (Tel)86-431-88502419-605(E-mail)duanqm@jlu.edu.cn;

： 彭醒醒(1992— ), 女, 安徽阜陽人, 吉林大學(xué)本科生, (Tel)86-18204318742(E-mail)pengx_x@163.com。

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