胡 斌，胡跟龍，孔祥梅

(寧波澳成電器制造有限公司，浙江 寧波 315800)

基于超低功耗單片機(jī)的智能飲水機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡 斌，胡跟龍，孔祥梅

(寧波澳成電器制造有限公司，浙江 寧波 315800)

設(shè)計(jì)了一種基于超低功耗單片機(jī)的智能飲水機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過在保溫階段采用雙位調(diào)節(jié)控制對飲水機(jī)內(nèi)的水溫進(jìn)行智能調(diào)控，其控制精度為±2 ℃，該系統(tǒng)不僅可以將水溫控制在設(shè)定溫度，還可以有效避免“千滾水”現(xiàn)象，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求自行設(shè)定保溫時(shí)間、溫度及預(yù)加熱時(shí)間，極大地方便了人們的日常生活，具有重要意義。

超低功耗；單片機(jī)；智能飲水機(jī)系統(tǒng)

1 基于超低功耗單片機(jī)智能飲水機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的必要性分析

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，飲水機(jī)已成為必備的家用電器之一，消費(fèi)者將節(jié)能、健康、便捷作為一項(xiàng)重要的對其進(jìn)行衡量的指標(biāo)。目前，我國市場上大多數(shù)飲水機(jī)采用的是熱敏電阻溫控方式，該種加熱方式下的飲用水中很容易生成砷化物、重金屬等有害物質(zhì)，俗稱“千滾水”，不僅浪費(fèi)資源，還會(huì)危害身體健康。此外，當(dāng)前的飲水機(jī)只具備簡單的制冷和加熱功能，無法對飲水機(jī)內(nèi)的水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，不同用途的飲用水所需的最佳溫度存在一定的差異，當(dāng)前飲水機(jī)無法滿足人們對不同溫度飲用水的需求。針對上述問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于超低功耗單片機(jī)的智能飲水機(jī)系統(tǒng)，可以有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)飲水機(jī)存在的一些缺陷，由溫度傳感器采集溫度并將其傳輸給數(shù)碼管進(jìn)行顯示，并與設(shè)定目標(biāo)溫度進(jìn)行比較，到達(dá)目標(biāo)溫度值時(shí)蜂鳴器會(huì)發(fā)出警報(bào)，飲用水溫度>100 ℃時(shí)，繼電器會(huì)立即關(guān)斷停止工作，該系統(tǒng)通過在保溫階段采用雙位調(diào)節(jié)控制可對飲水機(jī)內(nèi)的水溫進(jìn)行智能調(diào)控，其控制精度為±2 ℃，不僅可以將水溫控制在設(shè)定溫度，還可以有效避免“千滾水”現(xiàn)象，用戶能夠根據(jù)實(shí)際需求自行設(shè)定保溫時(shí)間、溫度及預(yù)加熱時(shí)間，其具有易于操作、穩(wěn)定性好、性價(jià)比高等顯著優(yōu)點(diǎn)，極大地方便了人們的日常生活，具有重要意義。

2 基于超低功耗單片機(jī)智能飲水機(jī)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

基于超低功耗單片機(jī)智能飲水機(jī)系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了溫度顯示和時(shí)間顯示，可以有效防止保溫階段的飲用水反復(fù)燒開，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求自行設(shè)定保溫時(shí)間、溫度及預(yù)加熱時(shí)間，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。該智能飲水機(jī)系統(tǒng)是以STC89C516RD單片機(jī)為核心的，并以擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器作為智能飲水機(jī)系統(tǒng)的主控模塊，STC89C516RD單片機(jī)的工作頻率為0～40 MHz，工作電壓為3.4～5.5 V，該單片機(jī)具有抗干擾性強(qiáng)、高速和低功耗等顯著優(yōu)點(diǎn)，內(nèi)部自帶看門，可以任意選擇6時(shí)鐘/機(jī)器周期和12時(shí)鐘/機(jī)器周期[1]。

圖1 基于超低功耗單片機(jī)智能飲水機(jī)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 測溫電路

DS18B20溫度傳感器可對飲水機(jī)加熱膽中的水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將檢測結(jié)果轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字量，以串行方式傳送給STC89C516RD單片機(jī)。DS18B20溫度傳感器采用的是單總線接口方式，該方式下只需要通過一個(gè)引腳即可完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收，所以DS18B20溫度傳感器與STC89C516RD單片機(jī)僅需要1條數(shù)據(jù)線。DS18B20溫度傳感器的測溫范圍為-55～+125 ℃，工作電壓為3～5.5 V/DC，該溫度傳感器具有質(zhì)量輕、體積小和性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，供電方式有寄生電源供電和外部電源供電2種方式。DS18B20溫度傳感器在飲用水溫度>100 ℃時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的漏電流，如果采用寄生電源方式進(jìn)行供電，傳感器與STC89C516RD單片機(jī)之間的通信可能會(huì)因此受到影響。為確保系統(tǒng)的可靠性，該系統(tǒng)采用外部電源供電方式[2]。當(dāng)采用外部電源供電方式時(shí)，電源的負(fù)極與DS18B20溫度傳感器的GND引腳相連，正極與VDD引腳相連，DS18B20的DQ引腳則通過1個(gè)4.7 kΩ的上拉電阻與單片機(jī)P1.3引腳相連接，R1為上拉電阻，其電路原理圖如圖2所示。

圖2 DS18B20測溫電路圖

2.2 時(shí)鐘電路

DS1302作為時(shí)鐘電路，可使系統(tǒng)具備定時(shí)加熱功能，時(shí)鐘電路原理圖如圖3所示，DS1302與STC89C516RD單片機(jī)的P2.0～P2.2引腳相連，其引腳VCC1外接3 V的紐扣電池，即使發(fā)生斷電等突發(fā)狀況，DS1302也能正常工作。

圖3 DS1302時(shí)鐘電路

2.3 數(shù)據(jù)保存接口電路

當(dāng)發(fā)生斷電等突發(fā)狀況時(shí)，傳統(tǒng)飲水機(jī)系統(tǒng)將會(huì)丟失保溫時(shí)間、保溫溫度等用戶設(shè)定參數(shù)，系統(tǒng)恢復(fù)正常之后還需對這些參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)置，對用戶造成了不必要的困擾。該系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)保存接口電路可以對用戶之前所設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行備份處理，可以有效避免數(shù)據(jù)掉電丟失，數(shù)據(jù)保存接口電路采用AT24C01芯片，該芯片具有128字節(jié)的EEPROM存儲(chǔ)空間，系統(tǒng)重啟時(shí)可從AT24C01芯片直接讀取相關(guān)參數(shù)，該接口電路原理圖如圖4所示[3]。

圖4 EEPROM接口電路原理圖

2.4 鍵盤接口電路

用戶可能會(huì)隨著飲水機(jī)使用環(huán)境的改變而想要更改系統(tǒng)預(yù)加熱時(shí)間、保溫溫度、保溫時(shí)間等相關(guān)參數(shù)，鍵盤接口電路為用戶提供了參數(shù)修正功能，該系統(tǒng)是通過5個(gè)獨(dú)立按鍵來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的，5個(gè)按鍵分別與STC89C516RD單片機(jī)的P3.0～P3.4引腳通過上拉電阻相互連接，其電路原理圖如圖5所示。

圖5 鍵盤接口電路

2.5 繼電器控制模塊

通過控制繼電器的關(guān)斷狀態(tài)來判斷是否對系統(tǒng)進(jìn)行加熱處理，飲用水溫度>100 ℃(或設(shè)定溫度)時(shí)，繼電器會(huì)立即關(guān)斷，停止工作。繼電器電路原理圖如圖6所示，繼電器的通斷由STC89C516RD單片機(jī)的P1.2引腳通過R2電阻與S8550三極管基極相連進(jìn)行控制。

圖6 繼電器模塊電路原理圖

2.6 TFT彩屏顯示模塊

系統(tǒng)的當(dāng)前時(shí)間、當(dāng)前溫度、預(yù)加熱時(shí)間、保溫溫度、保溫時(shí)間及飲水機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)都可以通過TFT彩屏顯示電路顯示出來，其電路圖如圖7所示。

圖7 TFT彩屏顯示模塊的接口電路

3 基于超低功耗單片機(jī)智能飲水機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)首先由DS18B20溫度傳感器采集并轉(zhuǎn)化系統(tǒng)需要控制的參數(shù)信號(hào)，并與系統(tǒng)的設(shè)定值進(jìn)行比較，將該差值信號(hào)按照一定的規(guī)律計(jì)算，得到與之相對應(yīng)的控制值，從而達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的。本文采用PID控制方法，其保溫階段采用位置式雙位調(diào)節(jié)控制，該系統(tǒng)以STC89C516RD單片機(jī)為核心，進(jìn)入主程序后，對各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，并顯示目標(biāo)溫度、實(shí)時(shí)溫度等系統(tǒng)參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)到達(dá)用戶所設(shè)定的加熱時(shí)間時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)入加熱狀態(tài)并將水加熱至用戶預(yù)先設(shè)定的溫度，然后進(jìn)行保溫直到保溫結(jié)束，并對TFT彩屏上的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行刷新處理。當(dāng)系統(tǒng)處于保溫狀態(tài)時(shí)，應(yīng)該對加熱膽中的飲用水進(jìn)行溫度監(jiān)控，當(dāng)溫度下降梯度突然增大時(shí)，說明在保溫階段飲水機(jī)的加熱膽中加入了冷水，需對其進(jìn)行加熱處理；若在保溫階段加熱膽中的飲用水沒有出現(xiàn)溫度突變，則對飲用水進(jìn)行雙位調(diào)節(jié)控制，將飲用水的溫度控制在一定范圍內(nèi)，依次循環(huán)，直到保溫結(jié)束。該系統(tǒng)不僅可以將水溫控制在設(shè)定溫度，還可以有效避免“千滾水”現(xiàn)象，達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的目的。

4 結(jié)語

本文所述系統(tǒng)通過在保溫階段采用雙位調(diào)節(jié)控制，可對飲水機(jī)內(nèi)的水溫進(jìn)行智能調(diào)控，使飲用水的溫度在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，用戶根據(jù)實(shí)際需求自行設(shè)定保溫時(shí)間、溫度及預(yù)加熱時(shí)間，可以有效避免“千滾水”現(xiàn)象，有利于人體健康，還可以極大地節(jié)省資源，具有很好的市場應(yīng)用前景。

[1]王延忠,鄒武,戈紅霞,等.基于AT89S52單片機(jī)的直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)[J].新技術(shù)新工藝，2012(8)：81-83.

[2]張逢雪,王香婷,王通生,等.基于STM32單片機(jī)的無線智能家居控制系統(tǒng)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2011(8):98-101.

[3]李驥,魏鏡弢,楊勇.基于ATMEGA64單片機(jī)的便攜式示波器設(shè)計(jì)[J].新技術(shù)新工藝，2014(2)：27-29.

責(zé)任編輯李思文

DesignofUltra-lowPowerMCUbasedonSmartDispenserSystem

HU Bin, HU Genlong, KONG Xiangmei

(Ningbo Aquaworld Electric Manufacture Co., Ltd., Ningbo 315800, China)

The paper designed smart dispenser system based ultra-low power microcontroller, the system through the use of double-control can adjust the water temperature inside the dispenser for intelligent control in the incubation stage, the control accuracy of ± 2 ℃, the system can not only control the water temperature at the set temperature, it can effectively avoid the thousands of boiling water phenomenon, the user can set the holding time, temperature and pre-heating time according to the actual needs, greatly facilitate people's daily lives, it has important values.

ultra-low power consumption, MCU, intelligent dispenser systems

TP 368

：A

胡斌(1983-)，男，總經(jīng)理，主要從事機(jī)電一體化和經(jīng)濟(jì)管理等方面的研究。

2015-01-08