基于Arduino的自動飲水機設計與研究

朱俊

摘要：Arduino系統是建立在c類語言基礎上的，它將AVR單片機中的一些參數設置函數化，用戶可以輕松進行設計和開發。該文介紹了基于Arduino的自動飲水機系統，該系統利用超聲波傳感器進行監測，從而判斷水杯離飲水機的距離，再根據距離將相應信號傳遞Arduino控制板，由Arduino控制板將信號傳遞給場效應管，進而控制電磁閥的閥門開關，達到自動流水和自動停水的目的，該系統具有一定的創新和研究價值。

關鍵詞：Arduino;傳感器;單片機;執行器

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）01-0279-03

1概述

地球上的淡水資源極其缺乏，陸地上的淡水只占地球儲水量的2.8%。人類生活所使用的淡水資源主要來自江河、淡水湖和地下水，而這些水資源占地球上的淡水儲量的0.34%。大多數國家和地區都缺乏飲用水，同時，隨著社會的發展，很多淡水資源正受到化工業、造紙等工業和生活垃圾等各類污染的影響，更加劇了淡水資源的缺乏，人類面臨著越來越嚴峻的挑戰。

生活中，如果水龍頭每秒滴一滴水，那么一年就會浪費1.5噸水。如果采用智能水龍頭替換所有手動水龍頭，當水杯接近飲水機，飲水機就自動放滿水，拿走水杯，飲水機自動停止放水。這樣不僅可以節約用水，還可以避免用臟手操作水龍頭。2Arduino

Arduino是一系列基于單片機的人機互動產品開發平臺，它的最大的優點是具備了模塊化能力，用戶可以用類似搭積木的方式，將硬件進行系統集成。Arduino具有開放的硬件平臺，用戶可以從網絡上獲取PCB的設計，進行升級改進。

Arduino的硬件系統主要由幾大部件構成，核心是由AVR單片機作為控制器的電路板，AVR機采用的是精簡指令集，指令長度單位使用字，它將組成指令的兩個基本單位操作數和操作碼集成在一個字當中，所以減少了取指令的時間，并且它可以預取指令，并實現流水作業，因此執行指令速度很快。Ardui-no具有種類很多的模塊，這些模塊簡單易用。

Arduino的軟件開發平臺采用類c語言的高級程序語言，用戶容易快速入門掌握，用戶可以從網絡上下載庫文件直接使用，這樣可以大大縮短軟件開發周期。

由于Arduino有著以上的優點，普通用戶不需要掌握專業的理論知識，不需要掌握編程技術，也能設計和制造出想要的系統。

2.1基本結構

（1）Arduino控制板

Arduino主控板的型號有很多，如Arduino Uno等。Arduino擴展板的型號同樣也有很多，如Arduino GSM Shield等Arduino的控制板采用AVR單片機，本系統采用的版本是Arduino Uno，這個版本與其他版本不同的地方在于它沒有使用FTDI USB串行驅動芯片，而是把Atmega8U2設置為USB設備，這樣當主控板與計算機相連時，主控板就會作為一個USB設備顯示，而且這樣生產成本降低了。Arduino Uno和其他的單片機控制板原理相同，但因為了大量的開源軟件的支持，使其得到了廣泛的應用和推廣。

（2）輸入模塊

Arduino的輸入模塊主要指的是與外部設備進行信號傳遞的一種裝置，用于把原始信息和處理的指令輸入到系統中，可以是數值型的數據，也可以是如溫度、濕度、距離、煙霧、聲音等非數值型的數據。通常各類傳感器是屬于輸入模塊。本系統使用的傳感器為超聲波傳感器，超聲波傳感器可以將超聲波信號轉換成電信號。

（3）輸出模塊

輸出模塊是模塊與外部的執行器交互的一種裝置，用于把控制板的信號轉換成相應的動作執行，通常執行器是屬于輸出模塊。

執行器是一些應用系統作為輸出的一種常用部分，它的作用通常是接收由控制器送來的控制信號，從而通過改變被控介質的大小，將被控變量維持在一定的范圍。

執行器按其能源形式主要分為電動、氣動、液動三大類。電動執行器的能源取用方便，信號傳遞迅速，但結構復雜、防爆性能差。氣動執行器利用壓縮的空氣作為動力，穩定、適用廣泛。液動執行器的特點是輸出推力很大，主要用在需要推力大的環境下。

本系統的執行部分通過金屬氧化物半導體場效應晶體管來控制開關旋轉，從而控制水流。

2.2軟件平臺

Arduino編程語言是類C/C++語言，因為c語言有著廣泛的應用基礎，所以Arduino同樣有著廣泛的使用群體，Arduino將AVR單片機相關的參數設計成了對應函數，這樣普通用戶不需要太多的編程基礎，通過調用已有函數，也能夠進行軟件設計。

Arduino IDE具有跨平臺的優點，既可以在Windows上運行也可以在Linux等操作系統上運行，它具有簡單清晰、開放性、發展快等特點。Arduino IDE對于初學者來說，極易掌握，同時有著足夠的靈活性。

2.3 Arduino軟件開發環境

Arduin01.8.5程序界面如圖1所示，程序界面友好，菜單項精簡易操作，常用功能放在菜單下的常用工具欄處，與普通的程序的界面沒有太大的區別，即使是初學者不需要太多的基礎，也能進行軟件開發設計工作，并且調試起來也很方便，極大地方便了項目的開發。

3硬件設計

本項目所需的材料主要有Arduino Uno控制板、電磁閥、超聲波傳感器、場效應管、電阻、面包板、各類導線等。

3.1 Arduino系統開發板

Arduino UNO的技術參數如表1。

3.2工作原理

通過超聲波傳感器來檢查飲水機前是否有物體，如果有物體，由電磁閥控制飲水機的出水口，當通電時，電磁閥打開，飲用水流出。當斷電時，電磁閥關閉，飲用水停止流水。程序將始終監測是否有物體放置在超聲波傳感器附近，如果是，則電磁閥打開，并一直監測是否有物體移走，如果監測到有物體移走，將觸發，電磁閥隨即關閉，飲水機停止流出水。

本項目使用的電磁閥壓強是0-0.8Mpa，功率為6.5W，電壓為直流12V，額定電流為700mA，最大額定電流為1.2A。要啟動電磁閥需要使用場效應管。本項目所使用的場效應管是IRF540N N溝道MOSFET。它有3個引腳，分別是柵極、源極和漏極。電磁閥的正極端子由Arduino的Vin引腳供電。使用12V適配器為Arduino供電，Vin引腳將輸出12V，可用于控制電磁閥。電磁閥的負極端子通過MOSFET的源極和漏極引腳連接到地。因此，只有在MOSFET導通時才會為電磁閥供電。MOSFET的柵極引腳用于打開或關閉它。如果柵極引腳接地，它將保持關閉狀態，如果施加柵極電壓，它將導通。為了在沒有電壓施加到柵極引腳時保持MOSFET關斷，柵極引腳通過10k電阻接地。Arduino引腳12用于打開或關閉MOSFET，因此D12引腳通過1K電阻連接到柵極引腳。使用1K電阻的目的是用于限流。

超聲波傳感器使用的是HC-SR04，由Arduino的+5V和接地引腳供電。Echo和Trigger引腳分別連接到引腳8和引腳9。通過對Arduino進行編程，利用超聲波傳感器測量距離，并在檢測到物體時打開MOSFET。

4軟件設計

使用HCSR-04超聲波傳感器來測量物體前方的距離。當距離<10cm時，打開MOSFET場效應管，當距離≥10cm時，關閉MOSFET場效應管。

為了避免造成重復定義，考慮到一些變量用得多，使用宏定義使算法精練。使用超聲波傳感器的觸發和回聲引腳，MOSFET柵極引腳和LED作為Arduino的I/O。在連接電路圖時，將Echo和Trigger引腳分別連接到第8和第9個數字引腳。然后MOSFET引腳連接到引腳12，默認情況下板載LED連接到引腳13。使用以下代碼進行宏定義。

#definetrigger9

#define echo 8

#defineLED 13

#define MOSFET12

在setup函數中，對輸入和輸出進行聲明。在硬件中，只有超聲波傳感器的Echo引腳是輸入引腳，其余都是輸出引腳。可以使用Arduino的pinMode函數來指定如下所示。

在主loop函數內部，調用了名為measure_distance（1的函數。此函數功能使用超聲波傳感器測量物體前方的距離，并將值更新為變量“distance”。要使用超聲波傳感器測量距離，必須首先將觸發引腳保持低電平兩微秒，然后保持高電平持續10微秒并再次保持低電平持續2微秒。這將向空氣中發出超聲波信號的聲波，它將被前方的物體反射，回聲引腳將采集由它反射的信號。然后使用時間值來計算傳感器前方物體的距離。計算出距離后，使用if語句比較距離值，如果距離<10cm，將MOSFET和LED變為高電平，在else語句中將MOSFET和LED設置為低電平。程序如下：

按照電路中所示進行連接，并將程序寫入Arduino控制板。將電磁閥連接到進水口，并使用12V適配器將電路連接到Ar-duino板的DC插孔。確保板載LED指示燈熄滅，這樣可確保電磁閥也關閉。

將超聲波傳感器直接放置在電磁閥下方，這樣當水杯放置在電磁閥下方時，它會直接與超聲波傳感器相對。超聲波傳感器將探測到物體后，MOSFET和LED一起打開，電磁閥執行打開閥門操作，飲用水流出來。

當移除水杯后，超聲波傳感器觸發，信號傳遞給Arduino控制板，控制板將電路斷開，電磁閥閉合，飲用水停止流出。

5結束語

本文研究了一套基于Arduino的自動飲水機系統，它利用超聲波傳感器監測到靠近飲水機的水杯，從而將信號傳遞Ar-duino控制板，由控制板將執行數據通過場效應管，將信號傳遞給電磁閥，由電磁閥開啟閥門控制飲水機流出水。當水杯離開飲水機時，超聲波傳器監測到水杯離開飲水機，將信號傳遞給控制板，由控制板再將執行的數據通過場效應管，將信號傳遞給電磁閥，電磁閥的閥門自動閉合，飲水機不再流出水。實驗證明，基于Arduino的自動飲水機系統設計合理，具有一定的實用價值。