基于STC89C52的家用智能飲水機設計

史建偉

摘 要：為解決現代家用飲水機無法自動調節溫度和自動出水的問題，本文設計了以STC89C52為控制單元的家用智能飲水機。其系統包括主控單元、電源模塊、加熱單元、顯示單元、出水模塊以及傳感器單元，具有高低檔加熱、水溫顯示、自動出水等功能。該飲水機具有安全、方便、節能的特點，可以廣發應用于現代家庭生活中。

關鍵詞：STC89C52;飲水機;傳感器

中圖分類號：TP332.3文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）23-0063-03

Abstract： In order to solve the problem that modern domestic water dispensers cannot automatically adjust temperature and automatically produce water， this paper designed a domestic smart water dispenser with STC89C52 as the control unit. The system includes a main control unit， a power supply module， a heating unit， a display unit， a water outlet module and a sensor unit， which has functions such as high and low heating， water temperature display， and automatic water outlet. The water dispenser has the characteristics of safety， convenience and energy saving， and can be widely used in modern family life.

Keywords： STC89C52;water dispenser;sensor

水是生命之源，飲水問題一直受到大眾的關注，傳統的熱水方式是使用熱水壺或者熱得快[1]，這在使用過程中暴露出許多問題，最重要的是安全問題。近年來，因使用劣質熱水產品引發火災的事件時有發生，給人們帶來了極大的經濟損失，更為嚴重的是威脅著人們的生命安全。因此，為了更加安全和方便地飲水，人們對水加熱方式提出了更高的要求。

為了解決上述問題，飲水機應用而生，目前已經普遍應用于家庭、學校、辦公室等地。市面上，各個廠家設計并生產了多種類型的家用飲水機。現有的家用飲水機大都需要將桶裝水安裝在上面進行加熱或降溫，功能單一，同時存在一些安全隱患[1-3]。因此，本研究以安全、方便為設計原則，以STC89C52為主控芯片，設計了一款多擋加熱、自動出水的家用飲水機，在保證加熱、實時顯示溫度的常規功能上，極大地保障了飲水機使用安全。

1 方案設計

1.1 需求分析

普通家用飲水機雖然滿足了日常需求，但是存在兩個重要的問題。一是家中有兒童時，誤操作容易發生燙傷事故，存在安全隱患;二是據調研，目前大部分家用飲水機加熱到沸點后才停止工作，但是在日常使用過程中，所需的水溫并非那么高[1]，造成了許多不便。在社會不斷進步的今天，使用安全、可靠且方便成為家用飲水機的主要需求特征。考慮家用飲水機的現狀，本文設計的家用飲水機具備三大功能，即高低擋加熱功能、自動出水功能、顯示溫度功能。

1.2 總體方案

基于以上需求，本設計針對普通家用飲水機進行了功能優化。一是通過手動控制撥碼開關將需要加熱的狀態（高低擋加熱）傳送給控制器，同時溫度傳感器采集溫度數據并傳送給控制器，控制器通過比較并判斷溫度信號后發出指令給繼電器，繼電器得到指令后，控制電阻絲加熱的電源接通，然后電阻絲通電開始加熱，飲水機實現高低擋加熱功能。二是為實現自動出水功能，飲水機接水槽兩側安裝了紅外對管分體光電開關，出水口處安裝限位開關。當水杯遮擋住紅外信號時，紅外傳感就會把被遮擋信號傳遞給單片機，同時觸碰開關將信號傳遞給單片機，單片機給繼電器發出指令控制電磁閥打開開關，以此滿足自動出水功能的設計。三是通過溫度傳感器采集溫度數據并傳送給主控制器，主控制器將數據傳輸給顯示模塊，實現顯示溫度的功能。

綜上所述，家用智能飲水機在硬件構成上具體包括主控單元、電源模塊、加熱單元、顯示單元、傳感器模塊以及出水模塊。

2 硬件設計

根據以上方案設計，主控電路采用STC89C52單片機。下面對本設計的核心電路進行詳細介紹，具體包括測溫單元、顯示單元、紅外檢測和電源單元。

2.1 測溫單元設計

溫度測量常用的有DS18B20溫度傳感器和Pt100鉑熱電阻溫度傳感器，后者具有檢測范圍廣、防水性能好、穩定性高、精度高的特點，非常適合本次設計。由于熱電阻傳感器無法直接測量溫度，而是通過金屬導體的電阻隨著水溫的升高而增加的原理實現的，因此將鉑電阻探頭置入水中，溫度變化時，熱電阻兩端的電壓信號傳送到運算放大器LM741、ADC0804A/D數模轉換芯片，最終傳送到單片機進行處理。測溫電路連接如圖1所示。

2.2 顯示單元設計

顯示模塊主要用于顯示實時溫度，本文采用OLED顯示屏實現，其分辨率為128×64點陣面板，大小尺寸約為24.4 mm，具有較好可視化角度、省電的特點，被廣泛應用于家電、MP3等設備，并且相較于普通顯示屏減少了接線端，便于使用。該顯示屏在上電后無法直接顯示，需要通過SSD1306芯片進行驅動，P0.0～P2.4引腳與SSD1303相連接，OLED顯示屏與SSD1303的COM、SEG引腳相連，電路連接如圖1所示。

2.3 紅外檢測單元設計

本設計采用的紅外對管分體光電開關安裝于接水槽兩側，主要用來實現自動出水功能，同時具有良好的光電反射功能，在黑暗狀態下也可以感應，感應有效距離為0～100 cm，適合本次設計要求。

發射端與接收端的紅色線接正極，與接收端的黑色線接負極，在信號線與正極間接1 kΩ上拉電阻后與單片機P1.0引腳相連。在其處于工作狀態時，它的紅外發射二極管會持續地發射紅外線，當水杯未遮擋住紅外信號時，發出的紅外線未被遮擋，接收端可以得到紅外信號，處在接通的狀態，所以單片機輸出高電平;當水杯遮擋住紅外信號時，接收端無法得到紅外信號，單片機輸出為低電平。其再配合限位開關、繼電器實現自動出水功能。

2.4 電源單元設計

由于本設計是基于家庭使用的智能家用飲水機設計，故采用由220 V交流家庭用電直接經過電源模塊轉變為其他模塊所需的直流電壓供電的設計方案。本設計中具體的降壓是通過降壓模塊將220 V降壓至12 V，提供給電磁閥使用，再將12 V降壓至5 V，提供給繼電器使用，單片機配合降壓模塊，將5 V降壓至2.7 V，使控制器模塊可正常工作，電源電路部分連接如圖2所示。

3 系統軟件設計

本設計采用C語言編寫程序，使用Keil軟件進行編譯。其采用了總分的設計思想，這樣可以使函數更加清晰，采用分塊函數在調試程序上也具有組織方便、尋找出錯位置快的優點。主函數由初始化程序、高低擋加熱程序、自動出水程序和顯示程序這四段程序組成，共同完成對飲水機的控制，系統主程序流程如圖3所示。

高低擋加熱模塊的兩個功能分別是85 ℃的高擋加熱和65 ℃的低擋加熱。高低擋加熱程序首先是由溫度傳感器采回溫度數據作為參值用作比較，然后接收來自撥碼開關的信號，判斷加熱的擋位，最后通過比較來自溫度傳感器檢測的溫度與擋位設定值的大小來決定是否進行加熱。若檢測溫度未達到設定溫度，則繼續加熱;若已達到設定溫度，則進入保溫狀態，等待接水。當紅外信號和限位開關兩個信號僅被觸發一個時，不會自動出水;當兩個信號同時被觸發時，進入子程序，電磁閥打開出水閥門，實現自動出水。

4 結論

傳統飲水機沒有溫度調節和溫度顯示功能，而基于STC89C52的家用智能飲水機設計了一套控制系統。本設計從安全、方便的角度出發，以STC89C52單片機為控制單元，通過多種傳感器與開關的配合使用，實現了預期的功能。本設計在安全上有所突破，能夠滿足當前的家庭需求，同時可以應用到企業、學校等地，具有很好的實際價值。

參考文獻：

[1]陳德根，朱澤清，田金，等.飲水機使用現狀分析[J].科技與創新，2019（18）：120-121.

[2]梅夢瑤.淺談多功能的智能飲水機[J].電子測試，2018（12）：132.

[3]王瑜，楊武成，李騰飛，等.基于單片機的節能飲水機控制系統設計[J].國外電子測量技術，2017（6）：75-80.