一种基于单片机的智能饮水机设计

2024-06-09 03:02:04
开发
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随着人们生活水平的提高，对美好生活质量的追求也越来越高。饮水机是人们日常生活不可或缺的，实现饮水机的智能化控制不但方便，而且更加安全。本文提出一种基于单片机的智能饮水控制系统，通过传感器实现对水温的监测，水温通过液晶显示器实时显示。在水位低于安全液位时，可以自动进行断电处理。该设计解决了传统饮水机没有温度显示问题，而且增加水位过低自动断电功能，保证了使用的安全。

水是生命之源，日常饮水是人们生活不可缺少的。饮水机也成了家庭必备饮水设备。饮水机的出现，解决了传统的直接饮水或者桶装水的局面。可以对冷水进行加热，人们就可以随时喝到热水。但当前的饮水机几乎都没有温度显示，仅仅通过指示灯对水的加热状态进行显示，存在一定的不便。而且在饮水机缺水时，加热状态会一直持续，这样就存在很大的安全隐患。

本文提出一种基于单片机的智能饮水控制系统，在常规饮水机功能基础上，增加核心实用功能。采用单片机作为核心控制单元，通过温度传感器实现对温度低实时监测，为了方便用户了解当前水温，通过液晶显示器，对水温信息和当前状态进行显示。为了保证安全，设计了低水位自动断电功能，避免了没水状态下的加热操作，保证使用的安全可靠。

系统总体方案设计

本设计是基于单片机的智能饮水机控制和设计，采用单片机作为核心控制单元，温度传感器选择 DS18B20 数字型温度传感器，可以直接将采集的温度信号以数字信号形式输出。该芯片温度检测范围较为广泛，在－ 55℃到 +125℃，完全符合饮水机的温度范围。在显示上，设计选择 LCD1602 液晶显示器，该液晶显示器支持数字，字母及汉字的显示。并且背光可调，使用与家具生活中的显示单元。在水位检测上，采用液位开关，在水位低于设定位置时，自动将信号传送给单片机。单片机通过对温度信号，液位信号等采集，智能控制显示单元和断电单元，实现对饮水机的智能控制。

硬件结构设计

智能饮水机控制系统在硬件组成上主要包括以下几个组成部分：单片机单元、温度检测单元、显示单元、断电单元、晶振单元、复位单元、电源单元等，不同组成单元完成相应的功能。硬件结构图如图 1 所示。

其中晶振单元，主要是给单片机提供时钟信号；复位单元则是给单片机提供上电复位信号，同时可以在需要手动复位时，通过按键给单片机提供复位信号；电源单元则是将市电转换成为单片机和外围电路供电需要的直流 5V 电源；液位检测单元完成对饮水机低水位的检测；液晶显示单元，完成对温度和当前系统状态的显示；自动断电单元在水位过低时，完成自动断电操作；温度检测单元完成对饮水机内部水的温度进行实时检测。

电源单元

电源是任何装置和设备正常工作都需要的，为了统一电源管理，饮水机智能控制器核心器件采用的都是直流 5V 电源，因此需要对交流的 220V 电源进行转换。本设计的电源单元通过变压器 S1 将 AC220 转换成为 9V 电压。转换后的 9V 电压然后再通过 D1 ～ D4 四个二极管整流后经过电

源转换芯片 LM7805，将 9V 电压转换成直流 5V 电源输出。为了直观的了解电源是否工作正常，在 5V 电源输出端增加 LED 发光二极管显示，通过发光二极管亮灭就可以判断电源运行的正常与否。电源电路设计如图 2 所示。

温度检测单元

本设计选择 DS18B20 作为温度检测单元核心器件， DS18B20 是一款接口简单、功耗低、温度检测范围广的数字型温度传感器。芯片对外仅仅三个引脚，分别为电源正、电源负、指令和数据通信引脚。其他功能均集成在芯片内部，内部具有电源检测单元、存储单元、总线接口单元、传感器单元等，内部结构如图 3 所示。

从图 3 可知，在 DS18B20 内部集成了众多单元，这就使得芯片对外接口简单，单片机只要根据指令和时序操作即可。单片机给出采集指令，温度传感器收到后，对当前水温进行采集，然后处理数据，最终将数字温度信号发送给单片机。DS18B20 电路设计如图 4 所示。

显示单元

常规饮水机上并没有温度显示，这就导致使用者无法知道当前水温。本设计采用 LCD1602 作为温度显示单元。该液晶显示单元显示内容丰富，控制逻辑不复杂，因此适应于各种家用电器显示功能。LCD1602 一共 16 个引脚。分别为数据传输引脚、地址引脚、指令传输引脚、电源引脚、使能引脚、背光亮度调整引脚。考虑到单片机 IO 口在输出电流能力上不足，因此为了更好的显示，需要通过增加外围上拉电阻，增强驱动能力。液晶显示单元电路如图 5 所示。

软件流程设计

在完成硬件电路设计后，要对系统软件功能进行设计。因为选择单片机作为控制核心，因此软件代码采用 C 语言编程，开发环境选择 keil － c51。软件通过加载到单片机内，实现硬件功能和控制功能。

主流程架构

本设计的基于单片机的智能饮水机控制系统，主要实现的功能包括：对水温的实时检测、对水进行加热、低水位检测、自动断电以及水温及运行状态的显示等。具体实现如下：在需要加热时，对饮水机内部的水进行加热操作；同时对当前的水温和系统运行状态进行实时显示；当检测到水位过低时，自动断电，防止没有水状态下的加热操作，有效避免事故。流程设计如图 6 所示。

温度检测程序流程

饮水机的温度检测单元，选择的是DS18B20温度传感器，该传感器需要软件指令才能完成相应的温度采集和传输功能。功能实现上分为数据采集计算和数据回传两个组成部分。具体流程为当系统上电后，温度传感器首先进行初始化操作，完成自检。如果需要采集温度，单片机通过写入温度采集的指令和地址，启动温度采集功能。温度采集后，温度传感器自动进行计算校准等功能，然后将数据转化、存储，回传给单片机后，完成本次温度采集。具体流程设计如图 7 所示。

结束语

基于单片机的智能饮水机控制与设计，主要是针对传统饮水机没有温度显示及低水位自动断电功能而开发的一套智能控制系统。本设计采用单片机作为控制核心，实现对整个智能系统的控制；温度传感器选择低功耗、高精度的 DS18B20 传感器；液晶显示器支持数字、字母及汉字显示的 LCD1602。通过电路设计，实现了预期的功能。当前家居生活，自动化和智能化成为主导，而且对安全要求也越来越高。本系统的成功开发，弥补了以前饮水机的不足，在智能化和安全上有所突破，具有非常好的实际应用价值。

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