基于單片機的節能飲水機控制系統設計研究

高巖

摘? 要：文章主要分析以單片機為主控芯片的節能飲水機控制系統的設計，在本設計中，采用STC89C52單片機作為主控芯片，再采用兩個DS18B20溫度探頭分別將熱水和溫水實時送入STC89C52單片機，并采用LCD1602的液晶顯示器顯示實時水溫，當水燒好后，繼電器會自動斷開加熱器，停止飲用水加熱，并語音提示人們水以燒好，注意燙傷，當水溫降低達到人們可直接飲用的溫水程度，語音提示水溫標準，可直接飲用，這樣的智能設計可以滿足不同使用者的需求，價格低廉。文章首先分析節能飲水機的優勢，從節能飲水機的系統結構、工作原理及總體功能入手，旨在對節能飲水的硬件、軟件系統設計進行詳細分析，為未來節能飲水機的科學設計提供借鑒。

關鍵詞：單片機;節能飲水機;控制系統;設計

中圖分類號：TM925.5 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）35-0009-04

Abstract： This paper mainly analyzes the design of the control system of energy-saving drinking fountain with single-chip microcomputer as the main control chip. In this design， the STC89C52 single chip microcomputer is used as the main control chip， then two DS18B20 temperature probes are used to send hot water and warm water to the STC89C52 single chip microcomputer in real time， and the liquid crystal display of LCD1602 is used to display the real time water temperature. When the water is boiled， the relay will automatically turn off the heater， stop heating drinking water， and remind people via voice that the water has been boiled， and that scald should be avoided; when the water temperature is reduced to the degree of warm water that people can drink directly， it warns via voice of the water temperature standard， and that it can be drunk directly. This kind of intelligent design can meet the needs of different users and the price is low. First of all， this paper analyzes the advantages of energy-saving drinking fountains， starting with the system structure， working principle and overall function of energy-saving drinking fountains， and aims to analyze the hardware and software system design of energy-saving drinking water in detail， thus providing reference for the scientific design of energy-saving drinking fountains in the future.

Keywords： single-chip microcomputer; energy-saving drinking fountain; control system; design

引言

不管是在人們的日常生活還是工作，飲水機處處可見，但在使用過程中卻存在較多問題，一是飲水機智能化程度不夠，打開電源之后如果沒人監管，待水燒開之后將電源切斷，飲水機加熱便會持續做功，一直處于加熱、保溫狀態，循環往復，極大程度上增加了電能損耗，同時還會減少飲水機的使用壽命。二是目前普遍存在的飲水機類型是熱水、涼水兩邊設計，人們要喝到溫水只能用熱水和涼水自己勾兌，并且水溫也不能實時顯示，難以滿足人們對飲用水的不同需求。

基于以上問題，本文以STC89C52單片機為主控芯片，設計了一款節能飲水機控制系統，能夠保證飲水機的水達到100℃時，自動切斷加熱器電源，另外還能顯示飲水機內水的實時溫度，能夠滿足不同人群的飲水需求。

1 節能飲水機優勢

就目前市面上常見的飲水機系統來看，大部分只是有加熱功能，忽視了節能這一概念，在節能減排的呼吁下，飲水機節能市場日益凸顯，飲水機的重復加熱造成了電力資源的消耗，水重復加熱，也會對水質產生影響，進而影響人們的身體健康，同時還會影響飲水機的使用壽命。

距中國產業調研網發布的《中國飲水機行業現狀調研分析及市場前景預測報告（2019版）》顯示，國內飲水機市場在逐步擴大，飲水機需求也逐步上升，國內關于飲水機的設計標準也在持續跟進，預示著飲水機市場將會在中國迎來更好的發展機遇。

2 節能飲水機系統結構、工作原理及總體功能

2.1 系統結構

本文研究的節能飲水機主要結構包括1個主控芯片STC89C52單片機、2個DS18B20溫度傳感器、2個非接觸液體水位感應開關、1個不銹鋼浮球液位開關、1個穩壓電源、1個按鍵電路、1個液晶顯示器、1個語音電路、4個驅動電路、4個繼電器、1個加熱器和3個電磁閥。整體結構如圖1。

2.2 工作原理

在節能飲水機整個系統來看，穩壓電源起著供電作用，維持飲水機的正常使用。按鍵電路主要起控制作用，實現水溫的自動控制。DS18B20溫度傳感器1與DS18B20溫度傳感器2這兩個溫度傳感器能夠實時監測水溫，將水溫信息實時傳送至STC89C52單片機。不銹鋼懸浮球主要是監測水位的作用，2個非接觸液體水位感應開關分別為高水位感應開關和低水位感應開關，當飲水機熱水燒開，水即將溢出飲水機時高水位感應開關閉合，當熱水池沒有熱水時，為了防止加熱器干燒，低水位感應器會自動感應水池內水位情況，若水位過低，會自動閉合開關，防止損傷加熱器。液晶顯示器則會顯示實時水溫，待水溫達到一定溫度后，飲水機的語音電路會自動播報水溫，提示人們水溫情況。

2.3 總體功能

本文所述的節能飲水機系統總體功能有以下幾個方面：

（1）為防止熱水燙傷，在語音播報時，會有防燙傷提示。

（2）溫控加熱，當系統檢測到水溫過低時，會自動根據之前設置的水溫需求啟動加熱功能，當水溫達到100℃時，自動斷開加熱器。但溫控加熱功能受智能節電模式的影響，當水溫合適不再需要繼續加熱時，智能節電模式會自動開啟，此時將停止溫控加熱。

（3）系統默認狀態，飲水機通電后，系統會默認開啟智能節電模式和溫控加熱功能，根據飲水機內水位、水溫變化，系統自動調控，自動開啟或關閉加熱功能、供水功能等。

3 飲水機系統設計

飲水機系統分為硬件系統和軟件系統，以下將分別針對硬件系統設計和軟件系統設計進行詳盡分析。

3.1 硬件系統設計

3.1.1 STC89C52單片機主控電路設計

本系統采用超低功率的STC89C52單片機作為控制核心，設計安裝前首先對水溫、水位高低以及按鍵信息等進行信息采集，并將所采集的信息輸入單片機控制系統，經控制系統操作后將水溫上下限通過液晶顯示器顯現，待感應器感應到水溫合適時，將水溫信號再傳遞給控制系統，再由控制系統“命令”語言系統播放水溫提示音，若水位降低，控制系統會自動向進水閥發出“進水”命令，若水溫過低，低于水溫顯示器設定的下限，控制系統也會自動向加熱器發出“加熱”的命令。

STC89C52單片機因其耗能低、性能強，在嵌入式控制系統應用十分廣泛。圖2為STC89C52單片機主控電路示意圖，其中KEY表示系統復位，LED為系統指示燈，U2則為數據端，用于連接液晶顯示器。

3.1.2 語音系統設計

本系統采用ISD4004-08MP的語音芯片，該語音芯片容量較大，具有錄音功能，較為智能化。ISD系列的語音芯片使用方便、音質較好，在進行水溫播報時語音清晰，不需要借助其他語音開發系統就可以實現清晰的語音播報。在設計語音系統時，輸入需要播報的水溫指令，如當水溫達到100℃時需要播報，當水溫在60℃時需要播報，輸入好指令后，當水溫達到100℃單片機就會發出語音提示和放音控制指令，該指令傳輸到語音電路，通過8Ω/0.5W揚聲器語音播報“目前水溫100℃，小心燙傷！”;當水溫達到60℃時，8Ω/0.5W揚聲器語音播報“目前水溫60℃，可直接飲用！”圖3為語音電路示意圖，其中語音播報功能是由LM386結合ISD4004語音芯片實現的，該語音芯片工作電壓設定為3V。

3.1.3 液晶顯示器電路

前文有提到，液晶顯示器主要作用是顯示水溫，本系統采用LCD1602的液晶顯示器，該顯示器專門用于顯示字母、數字以及符號等。液晶顯示器也是通過接受STC89C52單片機傳輸的控制信號，顯示實時水溫，具體設計方式為，借助10K上拉電阻在STC89C52單片機的P00～P07口分別連接LCD1602的D0～D7引腳，連接好后才能實現控制信息的傳輸，讓顯示器更靈敏的顯示實時水溫，詳細電路圖如圖4所示。

3.1.4 繼電器控制電路設計

本系統設計了四個繼電器，分別連接電磁閥和加熱器，根據飲水機系統結構（如圖5），可以了解到，飲水機共有三個水池，一個是熱水池，一個是溫水池，一個是涼水池，并且這兩個水池都有一個出水閥，分別用三個不同的繼電器控制三個不同的電磁閥，控制不同水池的進水量，單片機通過向繼電器4傳輸控制信號，繼電器4收到指令后，打開電磁閥3，向熱水池放溫水。

以其中一個繼電器控制電路為例進行電路圖設計分析（如圖6），系統工作電壓統一為5V，從圖中可以看出，MC1413的每一對達林頓管都串聯了一個2.7K的基極電阻，在系統電壓下，基極電阻可以與TTL和CMOS電路直接相連，提高了系統運行穩定程度，方便系統的整體控制。

3.1.5 水溫檢測電路

圖7為水溫檢測電路示意圖，從圖中可以看出，本系統設計了兩個水溫檢測電路，一個是熱水檢測電路，一個是溫水檢測電路，二者都選用不銹鋼封裝防水型DS18B20的溫度探頭，該探頭是一種改進型的智能溫度傳感器，測溫范圍較大，應用于該系統進行水溫檢測，具有較高的分辨率。

水溫檢測電路中DS18B20的溫度探頭與單片機的連接方式的3線制連接，這種連接方式簡單易操作，且成本低廉，同時減少了與外部硬件電路的連接。

3.1.6 按鍵電路系統設計

按鍵電路系統設計如圖8所示，其對整個飲水機系統起控制作用，當按下“Set”鍵時，系統便接受指令進入設定水溫上限狀態，接著便可輸入水溫上限，輸入完畢按下加法“Add”鍵或者加法“Set”鍵，水溫上限才算設計完成;輸入水溫下限時，再次按下“Set”鍵，重復上述操作步驟，完成水溫下限設定，最后按下“OK”鍵，完成水溫設定。

3.2 軟件系統設計

軟件系統內容較少，但設計相對復雜，飲水機軟件系統主要包括：主程序、判斷程序、ISD4004語音程序、LCD1602液晶顯示程序、DS18B20溫度采集程序、按鍵工作程序、繼電器控制程序等。

ISD4004語音程序主要進行語音播放設計，能夠在水溫達到一定溫度后進行語音播報，告知人們水溫狀況;LCD1602液晶顯示程序主要進行液晶顯示屏初始化設計、顯示實時水溫等，確保液晶顯示屏能夠正常顯示實時水溫;按鍵主要完成控制指令，包括向飲水機加水指令、燒水指令等等;繼電器控制程序主要完成加熱器和電磁閥的開關功能，自動識別飲水機內水溫情況，完成燒水等工作。整個系統運作流程如下。

待系統設計好后，通電試運行，為防止熱水和涼水流入溫水池，應提前關閉電磁閥2和電磁閥3，保證各水池內水的固定性，然后將LCD1602液晶顯示器初始化，分別讀取熱水池、溫水池和涼水池的水溫，并自動記錄在液晶顯示屏上顯示水溫上下限，之后進入判斷程序。判斷程序相對較為復雜，總共分為四步：（1）假設設定溫水水溫為60℃，則需判斷溫水水溫是否已經燒到60℃（可存在少許偏差），若溫水水溫已經達到60℃，則應關閉電磁閥2和電磁閥3，并播放語音“目前水溫60℃，可直接飲用！”（2）判斷是否已經按下溫水鍵（warm）。如果溫水池中水溫并不符合溫水水溫，若水溫過高，則應打開電磁閥2，關閉電磁閥3，讓涼水流進溫水池，中和水溫，既能快速得到溫水，又能節省電能消耗;若溫水水溫過低，則應關閉電磁閥2，打開電磁閥3，讓熱水進入溫水池，優勢與水溫過高時一樣，極大的節省了電能消耗;倘若溫水池中沒有水，為了快速得到溫水，可以同時打開電磁閥2和電磁閥3，讓熱水和涼水同時流入溫水池。（3）判斷熱水鍵（Hot）是否已經按下。如果已經按下的熱水鍵，但熱水池中沒有水，應該打開電磁閥1上水，待熱水池中上好水后，關閉電磁閥1，打開熱水器進行燒水。（4）判斷熱水器水溫是否達標（≥100℃），如果熱水未達到100℃，繼續燒水，若水溫≥100℃，則應關閉加熱器，并進行語音播報“目前水溫100℃，小心燙傷！”，系統實物圖如圖9所示。

上述為本次基于單片機的飲水機節能控制系統的整體設計，與實際使用過程中多少會存在微弱偏差，熱水、溫水、涼水三個水池的設計，基本能夠滿足不同使用者對不同溫度水的需求。

4 結束語

本系統以STC89C52單片機為核心，綜合運用電路設計方式，結合ISD4004語音芯片和LCD1602的液晶顯示器設計了節能飲水機控制系統，能夠為日常生活及工作中的人們提供熱水、溫水及涼水供應，能夠滿足不同使用者對水溫的不同需求。并且在該系統中，配有液晶顯示器和語音提示程序是非常友好的，液晶顯示器顯示實時水溫，便于人們對飲水機水溫的把控，加上飲水機的語音提示，能夠讓人們不用走到飲水機跟前就能了解到飲水機水溫情況，另外還注意燙傷的溫馨提示，能夠在給人們提供水溫信息的同時，提高人們的安全意識，減少燙傷事故發生頻率。飲水機加熱過程中，熱水燒好后系統會自動切斷加熱器，避免熱水反復加熱損害水質、縮減飲水機使用壽命。

總體來看，基于單片機的節能飲水機控制系統的設計智能化程度較高，結構設計簡單，設計理念新穎，符合當下人們的需求，且易操作，具有良好的使用感受。

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