塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院　沈建偉　張小成　周生源　華叢輝　譚增輝　李曉勤

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節(jié)能型智能環(huán)保飲水裝置的控制設(shè)計(jì)研究

塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院沈建偉張小成周生源華叢輝譚增輝李曉勤

【摘要】節(jié)能智能環(huán)保飲水系統(tǒng)，通過單片機(jī)加傳感器加蓄電池的有機(jī)組合，達(dá)到設(shè)計(jì)出了一款小巧實(shí)用便捷的飲水裝置的目的。基于超聲波測距、人體感應(yīng)、單片機(jī)的信號處理的設(shè)計(jì)，在仿真軟件平臺(tái)proteus中進(jìn)行電路的仿真與改進(jìn)，并驗(yàn)證程序的執(zhí)行情況，確保了裝置的穩(wěn)定性和可操作性，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求并能正常工作。

【關(guān)鍵詞】智能飲水；傳感器；軟件仿真；自動(dòng)控制

0　引言

如今有較多的人仍然居住在面積相對狹小的空間里，如“蟻?zhàn)濉?、在校大學(xué)生、以及大多數(shù)農(nóng)民工群體等。設(shè)計(jì)出了這款具有智能小巧等特點(diǎn)的飲水裝置，這款安裝于純凈水桶上的自動(dòng)出水裝置小巧方便，其運(yùn)用超聲波感器控制抽水裝置的開關(guān)，方便實(shí)用。同時(shí)運(yùn)用單片機(jī)控制，配合人體感應(yīng)模塊，實(shí)現(xiàn)在夜間無聲的情況下自動(dòng)亮燈。并設(shè)有不同的加熱溫度設(shè)置鍵根據(jù)不同的需求進(jìn)行加熱。由于其小巧方便且功能強(qiáng)大，不但適合以上人群，對于大部分家庭來說都是一個(gè)很不錯(cuò)的選擇。

本文是由超聲波傳感器、人體感應(yīng)傳感器對信息的采集，再由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對信號的數(shù)字化處理并做出判斷進(jìn)行輸出，將采集的信號與設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比分析，然后調(diào)配飲水系統(tǒng)進(jìn)行工作。

1　材料與軟件平臺(tái)

使用電子器件：89c51單片機(jī)、超聲波測距、人體感應(yīng)模塊、LED燈、水泵、電阻等其它常用元器件。

設(shè)計(jì)使用的軟件平臺(tái)：單片機(jī)開發(fā)板、程序的編輯、編譯、調(diào)試軟件keil4、程序燒寫軟件、USB串口調(diào)試軟件、電路模擬仿真軟件proteus。

2　研究過程

以18.9升桶裝水為研究對象進(jìn)行設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

3　電路設(shè)計(jì)方案

3.1主控電路

主控電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心，是以89C51單片機(jī)為主。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，是將微型計(jì)算機(jī)的基本功能部件例如中央處理器CPU、定時(shí)器、存儲(chǔ)器、I/O接口電路等一些主要的計(jì)算機(jī)功能部件集成到一個(gè)半導(dǎo)體芯片上。單片機(jī)特別適合控制領(lǐng)域，因?yàn)樗w積小巧，可以嵌入到各種應(yīng)用系統(tǒng)中作為指揮決策的中心，可以使應(yīng)用系統(tǒng)達(dá)到自動(dòng)化得目的，單片機(jī)只要與合適的應(yīng)用系統(tǒng)相結(jié)合，就能組成一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)，基于以上特點(diǎn)我們構(gòu)成了單片機(jī)的最小系統(tǒng)。

圖1　設(shè)計(jì)流程圖

總電路系統(tǒng)如圖2所示：

3.1.1單片機(jī)的時(shí)鐘電路

時(shí)鐘電路就是用于產(chǎn)生單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號，而時(shí)序所研究的是指令執(zhí)行中各個(gè)信號之間的關(guān)系。單片機(jī)在執(zhí)行指令時(shí)分為取指令、分析指令和執(zhí)行指令三個(gè)步驟，每個(gè)指令都是由許許多多的微操作一步一步完成的，為了單片機(jī)可正常工作，電路必須要在一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘信號的嚴(yán)格控制下按時(shí)序進(jìn)行工作。

3.1.2單片機(jī)的復(fù)位電路

單片機(jī)復(fù)位是使單片機(jī)中的其他功能部件都處在一個(gè)穩(wěn)定的初始狀態(tài)，并使其回到初始狀態(tài)再開始工作。無論是單片機(jī)剛開始接上電源時(shí)，還是在斷電后或者發(fā)生故障后都需要對單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位。

3.2獨(dú)立鍵盤輸入電路

獨(dú)立式按鍵有其特有的優(yōu)點(diǎn)，其軟件結(jié)構(gòu)簡單，按鍵就需要占用一個(gè)I/O口線。當(dāng)設(shè)計(jì)需求按鍵數(shù)量較多的情況下，會(huì)造成I/O口線的浪費(fèi)。當(dāng)設(shè)計(jì)需求按鍵數(shù)量不多的情況下，常采用這種按鍵結(jié)構(gòu)。上拉電阻保證了按鍵斷開時(shí)，I/O口線上會(huì)有高電平。飲水裝置具有六個(gè)獨(dú)立按鍵，其中四個(gè)為溫度設(shè)置按鍵，一個(gè)為確認(rèn)按鍵，一個(gè)為重置按鍵。

3.3超聲波傳感器輸入電路

設(shè)計(jì)測量距離所使用的是超聲波傳感器，此傳感器有4個(gè)引腳分為：1引腳VCC(外接5V)、2引腳GND(外接GND)、3引腳Trig(控制端)、4引腳Echo(接收端)。本傳感器模塊具有典型工作電壓5V，超小靜態(tài)工作電流小于5mA，高精度可達(dá)到0.3cm最小測量距離為2cm，符合實(shí)際要需求。超聲波傳感器將接收到的信號反饋給單片機(jī)，單片機(jī)通過其預(yù)設(shè)的內(nèi)部程序算出距離，并將其與內(nèi)部設(shè)定的距離進(jìn)行比較，從而達(dá)到控制水泵正常工作的目的。

圖2　總電路系統(tǒng)圖

圖3

3.4水泵驅(qū)動(dòng)電路

單片機(jī)通過對超聲波傳感器反饋到的信息進(jìn)行判斷如果達(dá)到設(shè)定距離的范圍，則用PNP型三極管放大的電流來驅(qū)動(dòng)繼電器，以達(dá)到自動(dòng)放水的目的。

3.5蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路

蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)當(dāng)測的水的溫度達(dá)到設(shè)定溫度是時(shí)進(jìn)行示警。該電路使用蜂鳴器的方法，使用單片機(jī)的一根口線進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的I/O口電流產(chǎn)生的電流較小無法驅(qū)動(dòng)蜂鳴器正常工作，所以要用PNP型的三極管、將電流進(jìn)行放大，使電流達(dá)到驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的電流。

3.6人體感應(yīng)電路

當(dāng)有人進(jìn)入其感應(yīng)范圍則輸入高電平通過一定電路點(diǎn)亮LED燈，人離開感應(yīng)范圍時(shí)傳感器自動(dòng)延時(shí)一段時(shí)間而后再關(guān)閉高電平，輸出低電平此時(shí)LED燈將熄滅。

系統(tǒng)工作流程如圖3所示：

4　研究結(jié)果分析

本智能節(jié)能環(huán)保飲水設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，升級和改造比較方便，可實(shí)現(xiàn)智能化放水的工作需要，能改變現(xiàn)在及將來一段時(shí)間內(nèi)家庭飲水裝置的購買需求。當(dāng)然本系統(tǒng)也存在一定的問題，由于一些外部干擾因素的影響裝置會(huì)出現(xiàn)一些實(shí)驗(yàn)的偏差。比如實(shí)驗(yàn)與理論之間的誤差，主要來源是元件本身的誤差和電路連線的誤差。

5　結(jié)論

現(xiàn)今信息技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我們完全可以采取單片機(jī)加傳感器的組合方法來解決實(shí)際生活中遇到的問題。本文基于單片機(jī)對多種傳感器信號的采集與處理的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究開發(fā)，實(shí)現(xiàn)在proteus軟件平臺(tái)下的仿真與程序調(diào)試，將調(diào)試成功的程序燒寫到單片機(jī)中，將系統(tǒng)電子器件集成在PCB板上，成功完成了智能節(jié)能環(huán)保飲水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作。我們的設(shè)計(jì)思想也可以使用在其它智能飲水系統(tǒng)中，為相關(guān)的產(chǎn)品制作提供了一定的參考。

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沈建偉，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院。

李曉勤，塔里木大學(xué)機(jī)電學(xué)院教授，研究方向?yàn)槠囯娮?、物理工程、車輛工程與地面系統(tǒng)。

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