方昊，林智慧

（西安思源學(xué)院，陜西西安，710038）

0 引言

當(dāng)今市場上用戶經(jīng)常購買的飲水機只有加熱和取水兩種功能，并且加熱內(nèi)膽大多設(shè)計在飲水機內(nèi)部，不利于清洗。而且，傳統(tǒng)飲水機在加熱方面易造成“千滾水”，破壞水質(zhì)，產(chǎn)生各種危害人體的沉淀、有害雜質(zhì)，嚴重影響人們的身體健康。同時，在加熱過程中會造成極大的能源浪費，在多次加熱的狀態(tài)下，功率為0.5千瓦的傳統(tǒng)家用飲水機每天的耗電量為1.8度左右，所以說飲水機是家庭用電設(shè)備中耗電較大電器之一。傳統(tǒng)的飲水機在加熱保溫過程中總是處于燒燒停停的工作狀態(tài)，從而就造成了百分之九十的能源浪費。在人性化設(shè)計方面，傳統(tǒng)飲水機無法滿足用戶設(shè)定任意溫度的要求。在兒童保護方面，傳統(tǒng)飲水機容易因小孩誤觸而造成燙傷。

隨著社會的發(fā)展和生活水平的提高，飲水機儼然已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚男〖译姟＝】抵悄艿娘嬎畽C已成各電子產(chǎn)品產(chǎn)商競相研究的目標(biāo)，具有廣闊的發(fā)展空間。本設(shè)計從實際需求出發(fā)，設(shè)計一款能夠滿足人們對高水質(zhì)、操作安全、人性化、多功能的要求。

1 總體方案設(shè)計

本設(shè)計中引入了健康智能控制系統(tǒng)，并對飲水機的結(jié)構(gòu)做了較大的改造。首先改變了飲水機的加熱原理，避免了能源的浪費。同時控制了飲水機的加熱次數(shù)，避免造成多次重復(fù)燒水。同時也改善了保溫原理，在很大程度上節(jié)省用電。具體為水溫可以根據(jù)用戶需求設(shè)定，例如：紅茶，烏龍茶：用100℃水沖泡；咖啡：85℃—94℃水沖泡；蜂蜜：40℃—50℃水沖泡；牛奶：50℃—70℃水沖泡等等，保溫過程中容器中的水可以保持在55度左右，不用長時間保持在較高溫度，平時即可飲用。

本設(shè)計主體硬件結(jié)構(gòu)包括主控系統(tǒng)、電源電路、顯示電路、測溫電路、報警電路以及其他功能電路?？刂葡到y(tǒng)的核心芯片采用單片機，電源電路給系統(tǒng)供電，測溫電路負責(zé)檢測水溫，顯示電路負責(zé)顯示飲用水的溫度及按鍵設(shè)定的溫度，按鍵主要進行各種功能選擇，報警部分提醒用戶水溫已達到設(shè)定溫度等。其他功能部分包括恒溫、出水、加熱等。具體功能由軟硬件結(jié)合實現(xiàn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

健康智能控制系統(tǒng)工作原理主要通過測溫元件 DS18B20 檢測水溫并將水溫數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成電信號輸入單片機，單片機將該信號進行處理后并進行自我判斷是否需要加熱和報警。詳細工作原理為: 通電后利用按鍵預(yù)設(shè)水溫值，當(dāng)檢測到的水溫低于設(shè)置值時，單片機發(fā)出信號，驅(qū)動加熱 裝置工作，使水溫達到預(yù)設(shè)值。當(dāng)水溫值超過預(yù)設(shè)值時，加熱 裝置斷開，停止加熱并蜂鳴報警。

2 部分功能模塊設(shè)計

2.1 電源模塊

電源電路主要由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成。電源變壓器將電網(wǎng)220V 的交流電變?yōu)檎麟娐匪枰慕涣麟妷褐?，整流電路將交流電壓變?yōu)槊}動的直流電壓，濾波電路將濾除脈動直流電壓的波紋，再經(jīng)過穩(wěn)壓電路輸出+5V的穩(wěn)定電壓，給單片機、繼電器、傳感器等負載電路進行供電。

2.2 按鍵模塊

按鍵在單片機控制系統(tǒng)中起到人機交互的作用，通過按鍵可以輸入命令、數(shù)據(jù)和其他各種參數(shù)。本設(shè)計中，按鍵的一端接單片機，另一端接地，當(dāng)沒有鍵被按下時，所有的數(shù)據(jù)輸入線均為高電平；當(dāng)任意一個按鍵被按下時，與之相連的數(shù)據(jù)輸入線將變?yōu)榈碗娖?，也就是說當(dāng)單片機檢測到相應(yīng)的端口為低電平時即可判斷相應(yīng)按鍵被按下，從而控制功能電路執(zhí)行相應(yīng)操作。按鍵的功能有溫度設(shè)定、加熱、出水、按鍵鎖定和模式切換，其設(shè)計原理如圖2所示。

圖2 按鍵模塊電路

2.3 顯示模塊

在溫度顯示部分，本設(shè)計選用的是四位的數(shù)碼管。數(shù)碼管根據(jù)發(fā)光二極管的內(nèi)部接線形式的不同可分成共陽極和共陰極兩種。在使用時，共陽極數(shù)碼管公共端連接到電源上，共陰極數(shù)碼管公共端接地。每段發(fā)光二極管需要驅(qū)動電流為5mA~10mA，一般情況下需要加限制電阻來控制電流的大小。

常見的用單片機驅(qū)動的LED數(shù)碼管的顯示有多種方法，按顯示方式可分為靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。靜態(tài)顯示的數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，沒有閃爍，占用單片機時間少，但功耗較大。動態(tài)顯示在顯示位數(shù)較多時，優(yōu)勢明顯，缺點是穩(wěn)定度不如靜態(tài)。本設(shè)計采用靜態(tài)顯示方式，顯示電路如圖3所示。

圖3 顯示模塊電路

2.4 溫測模塊

溫度傳感器采用DS18B20，它是常用的數(shù)字溫度傳感器，具有體積小，抗干擾能力強，精度高等特點。DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線方便，僅用一個單線端口通訊，當(dāng)全部器件經(jīng)由一個三態(tài)端口或者漏極開路端口與總線連接時，控制線需連接一個上拉電阻。溫度檢測電路如圖4所示。

圖4 溫度檢測模塊電路

本系統(tǒng)通過數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集水箱中的水溫，由單片機對水溫信號進行處理，將采集的溫度與系統(tǒng)設(shè)定的溫度進行比較，如果低于設(shè)定溫度以下1℃時，單片機控制加熱電路工作，如果高于設(shè)定溫度以上1℃時，單片機控制保溫電路工作。同時，單片機用P0口控制液晶顯示當(dāng)前水溫的溫度值和系統(tǒng)設(shè)定的預(yù)設(shè)溫度值。

2.5 報警模塊

報警電路中采用的是有源蜂鳴器，有源蜂鳴器和無源蜂鳴器的驅(qū)動電路區(qū)別主要在于無源蜂鳴器本質(zhì)上是一個感性元件，有源蜂鳴器內(nèi)部帶震蕩源，所以只要通電就會鳴叫。有源蜂鳴器的主要優(yōu)點是程序控制方便，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。本系統(tǒng)所采用的報警模塊為3.3V的有源蜂鳴器模塊，電路中采用三極管9012進行驅(qū)動，當(dāng)單片機控制引腳變?yōu)楦唠娖綍r，蜂鳴器就會鳴叫進行報警，也可以通過控制單片機引腳以方波的輸出形式來控制蜂鳴器的鳴叫方式。報警電路在此設(shè)計中的作用是當(dāng)水溫達到設(shè)定的溫度時飲水裝置報警提示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件程序是把各硬件模塊連接到一起的橋梁，通過程序來保證系統(tǒng)的邏輯控制功能全部實現(xiàn)，此部分工作在整個系統(tǒng)設(shè)計中非常重要。本設(shè)計采用模塊化編程的方式進行，即把程序分為主程序和若干個子程序，既便于閱讀，也便于后期的代碼維護。分模塊進行設(shè)計和調(diào)試后，最終完成軟硬件系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)。

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計

初始化部分主要完成開中斷、計數(shù)器/定時器的啟動以及實現(xiàn)各種堆棧指針、計數(shù)器/定時器0初始化,確認顯示模塊可以顯示設(shè)定溫度及實時溫度，按鍵掃描一直進行，如果有按鍵按下，則執(zhí)行相應(yīng)的操作，若沒有按鍵按下，則返回顯示。系統(tǒng)的主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

3.2 顯示子程序設(shè)計

由于數(shù)碼管具有低能耗、低損耗、低壓且壽命長、耐老化的特點，在工作環(huán)境方面要求低，其防曬、防潮、防火、防高（低）溫，可適用于各種環(huán)境，易于維護，同時其還具有精度高，稱量快，精確可靠，操作簡單等優(yōu)點，另一方面由于數(shù)碼顯示是采用BCD編碼來顯示數(shù)字和代碼，所以程序代碼編寫起來較容易，資源占用也比較少。本設(shè)計的顯示部分采用的是三位數(shù)碼管作為顯示器來完成相關(guān)溫度參數(shù)顯示。顯示程序的主要任務(wù)就是負責(zé)點亮3位的數(shù)碼管，讓他們能夠?qū)崟r顯示水溫，同時通過接收處理單片機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)不停的更新顯示屏上的數(shù)據(jù)，具體的溫度顯示程序流程圖6所示。

圖6 顯示子程序流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

硬件電路的設(shè)計與軟件程序的設(shè)計相輔相成，任何一部分出現(xiàn)問題都會導(dǎo)致整個系統(tǒng)達不到預(yù)期的效果。

由于本系統(tǒng)是分模塊進行設(shè)計的，所以調(diào)試也應(yīng)該分模塊進行，通過各個模塊的調(diào)試，解決存在的問題，最后再把各個模塊作為整體進行調(diào)試，直到無誤為止。本系統(tǒng)的軟件測試主要包括主程序、溫度顯示子程序、鍵盤掃描子程序等幾部分。硬件的仿真工作在proteus中完成，主要包括電源電路、加熱電路、顯示電路、報警電路等涉及的模塊電路的仿真。當(dāng)軟硬件仿真無誤后，進行了系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)。最終調(diào)試結(jié)果表明，各部分功能電路均能正常工作，完成了本次設(shè)計的最初要求。

5 結(jié)語

圖7 飲水裝置圖

本次設(shè)計的飲水裝置主要是針對目前市場上飲水機存在的問題，進行了改良。相比于傳統(tǒng)飲水機，此裝置滿足了人們對高水質(zhì)、安全性、人性化的要求，具有一定的市場應(yīng)用前景。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，運行正常。在水溫控制方面，該裝置可以按照用戶需求設(shè)定溫度，且到達設(shè)定溫度時蜂鳴器會提醒加熱已完成。在安全保護方面，按下鎖定鍵，其他鍵將無法工作，可以避免使用者誤接觸，尤其可以有效保護兒童。