基于超低功耗單片機的智能飲水機系統設計

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的智能飲水機系統設計

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)

設計了一種基于超低功耗單片機的智能飲水機系統，該系統通過在保溫階段采用雙位調節控制對飲水機內的水溫進行智能調控，其控制精度為±2 ℃，該系統不僅可以將水溫控制在設定溫度，還可以有效避免“千滾水”現象，用戶可以根據實際需求自行設定保溫時間、溫度及預加熱時間，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；智能飲水機系統

1 基于超低功耗單片機智能飲水機系統設計的必要性分析

隨著我國經濟的發展和人們生活水平的提高，飲水機已成為必備的家用電器之一，消費者將節能、健康、便捷作為一項重要的對其進行衡量的指標。目前，我國市場上大多數飲水機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，俗稱“千滾水”，不僅浪費資源，還會危害身體健康。此外，當前的飲水機只具備簡單的制冷和加熱功能，無法對飲水機內的水溫進行實時監控，不同用途的飲用水所需的最佳溫度存在一定的差異，當前飲水機無法滿足人們對不同溫度飲用水的需求。針對上述問題，本文設計了一種基于超低功耗單片機的智能飲水機系統，可以有效彌補傳統飲水機存在的一些缺陷，由溫度傳感器采集溫度并將其傳輸給數碼管進行顯示，并與設定目標溫度進行比較，到達目標溫度值時蜂鳴器會發出警報，飲用水溫度>100 ℃時，繼電器會立即關斷停止工作，該系統通過在保溫階段采用雙位調節控制可對飲水機內的水溫進行智能調控，其控制精度為±2 ℃，不僅可以將水溫控制在設定溫度，還可以有效避免“千滾水”現象，用戶能夠根據實際需求自行設定保溫時間、溫度及預加熱時間，其具有易于操作、穩定性好、性價比高等顯著優點，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智能飲水機系統的硬件電路設計

基于超低功耗單片機智能飲水機系統主要實現了溫度顯示和時間顯示，可以有效防止保溫階段的飲用水反復燒開，用戶可以根據實際需求自行設定保溫時間、溫度及預加熱時間，系統的硬件結構框圖如圖1所示。該智能飲水機系統是以STC89C516RD單片機為核心的，并以擴展外部存儲器作為智能飲水機系統的主控模塊，STC89C516RD單片機的工作頻率為0～40 MHz，工作電壓為3.4～5.5 V，該單片機具有抗干擾性強、高速和低功耗等顯著優點，內部自帶看門，可以任意選擇6時鐘/機器周期和12時鐘/機器周期[1]。

圖1 基于超低功耗單片機智能飲水機系統的硬件結構框圖

2.1 測溫電路

DS18B20溫度傳感器可對飲水機加熱膽中的水溫進行實時監測，并將檢測結果轉化為相應的數字量，以串行方式傳送給STC89C516RD單片機。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引腳即可完成數據的發送與接收，所以DS18B20溫度傳感器與STC89C516RD單片機僅需要1條數據線。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量輕、體積小和性能穩定等優點，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 ℃時會產生較大的漏電流，如果采用寄生電源方式進行供電，傳感器與STC89C516RD單片機之間的通信可能會因此受到影響。為確保系統的可靠性，該系統采用外部電源供電方式[2]。當采用外部電源供電方式時，電源的負極與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4.7 kΩ的上拉電阻與單片機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 時鐘電路

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

圖3 DS1302時鐘電路

2.3 數據保存接口電路

當發生斷電等突發狀況時，傳統飲水機系統將會丟失保溫時間、保溫溫度等用戶設定參數，系統恢復正常之后還需對這些參數進行重新設置，對用戶造成了不必要的困擾。該系統通過數據保存接口電路可以對用戶之前所設置的參數進行備份處理，可以有效避免數據掉電丟失，數據保存接口電路采用AT24C01芯片，該芯片具有128字節的EEPROM存儲空間，系統重啟時可從AT24C01芯片直接讀取相關參數，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

用戶可能會隨著飲水機使用環境的改變而想要更改系統預加熱時間、保溫溫度、保溫時間等相關參數，鍵盤接口電路為用戶提供了參數修正功能，該系統是通過5個獨立按鍵來實現相應功能的，5個按鍵分別與STC89C516RD單片機的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斷狀態來判斷是否對系統進行加熱處理，飲用水溫度>100 ℃(或設定溫度)時，繼電器會立即關斷，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單片機的P1.2引腳通過R2電阻與S8550三極管基極相連進行控制。

圖6 繼電器模塊電路原理圖

2.6 TFT彩屏顯示模塊

系統的當前時間、當前溫度、預加熱時間、保溫溫度、保溫時間及飲水機的當前狀態都可以通過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智能飲水機系統的軟件設計

該系統首先由DS18B20溫度傳感器采集并轉化系統需要控制的參數信號，并與系統的設定值進行比較，將該差值信號按照一定的規律計算，得到與之相對應的控制值，從而達到自動調節的目的。本文采用PID控制方法，其保溫階段采用位置式雙位調節控制，該系統以STC89C516RD單片機為核心，進入主程序后，對各個模塊進行初始化，并顯示目標溫度、實時溫度等系統參數。當系統到達用戶所設定的加熱時間時，會自動進入加熱狀態并將水加熱至用戶預先設定的溫度，然后進行保溫直到保溫結束，并對TFT彩屏上的各項參數進行刷新處理。當系統處于保溫狀態時，應該對加熱膽中的飲用水進行溫度監控，當溫度下降梯度突然增大時，說明在保溫階段飲水機的加熱膽中加入了冷水，需對其進行加熱處理；若在保溫階段加熱膽中的飲用水沒有出現溫度突變，則對飲用水進行雙位調節控制，將飲用水的溫度控制在一定范圍內，依次循環，直到保溫結束。該系統不僅可以將水溫控制在設定溫度，還可以有效避免“千滾水”現象，達到了節能環保的目的。

4 結語

本文所述系統通過在保溫階段采用雙位調節控制，可對飲水機內的水溫進行智能調控，使飲用水的溫度在一定范圍內波動，用戶根據實際需求自行設定保溫時間、溫度及預加熱時間，可以有效避免“千滾水”現象，有利于人體健康，還可以極大地節省資源，具有很好的市場應用前景。

[1]王延忠,鄒武,戈紅霞,等.基于AT89S52單片機的直流電動機驅動控制系統[J].新技術新工藝，2012(8)：81-83.

[2]張逢雪,王香婷,王通生,等.基于STM32單片機的無線智能家居控制系統[J].自動化技術與應用，2011(8):98-101.

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

責任編輯李思文

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，總經理，主要從事機電一體化和經濟管理等方面的研究。

2015-01-08