一種健康飲水裝置的研究與設計

方昊，林智慧

（西安思源學院，陜西西安，710038）

0 引言

當今市場上用戶經常購買的飲水機只有加熱和取水兩種功能，并且加熱內膽大多設計在飲水機內部，不利于清洗。而且，傳統飲水機在加熱方面易造成“千滾水”，破壞水質，產生各種危害人體的沉淀、有害雜質，嚴重影響人們的身體健康。同時，在加熱過程中會造成極大的能源浪費，在多次加熱的狀態下，功率為0.5千瓦的傳統家用飲水機每天的耗電量為1.8度左右，所以說飲水機是家庭用電設備中耗電較大電器之一。傳統的飲水機在加熱保溫過程中總是處于燒燒停停的工作狀態，從而就造成了百分之九十的能源浪費。在人性化設計方面，傳統飲水機無法滿足用戶設定任意溫度的要求。在兒童保護方面，傳統飲水機容易因小孩誤觸而造成燙傷。

隨著社會的發展和生活水平的提高，飲水機儼然已經成為我們日常生活中必不可少的小家電。健康智能的飲水機已成各電子產品產商競相研究的目標，具有廣闊的發展空間。本設計從實際需求出發，設計一款能夠滿足人們對高水質、操作安全、人性化、多功能的要求。

1 總體方案設計

本設計中引入了健康智能控制系統，并對飲水機的結構做了較大的改造。首先改變了飲水機的加熱原理，避免了能源的浪費。同時控制了飲水機的加熱次數，避免造成多次重復燒水。同時也改善了保溫原理，在很大程度上節省用電。具體為水溫可以根據用戶需求設定，例如：紅茶，烏龍茶：用100℃水沖泡；咖啡：85℃—94℃水沖泡；蜂蜜：40℃—50℃水沖泡；牛奶：50℃—70℃水沖泡等等，保溫過程中容器中的水可以保持在55度左右，不用長時間保持在較高溫度，平時即可飲用。

本設計主體硬件結構包括主控系統、電源電路、顯示電路、測溫電路、報警電路以及其他功能電路。控制系統的核心芯片采用單片機，電源電路給系統供電，測溫電路負責檢測水溫，顯示電路負責顯示飲用水的溫度及按鍵設定的溫度，按鍵主要進行各種功能選擇，報警部分提醒用戶水溫已達到設定溫度等。其他功能部分包括恒溫、出水、加熱等。具體功能由軟硬件結合實現。系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

健康智能控制系統工作原理主要通過測溫元件 DS18B20 檢測水溫并將水溫數據經過數模轉換模塊轉換成電信號輸入單片機，單片機將該信號進行處理后并進行自我判斷是否需要加熱和報警。詳細工作原理為: 通電后利用按鍵預設水溫值，當檢測到的水溫低于設置值時，單片機發出信號，驅動加熱 裝置工作，使水溫達到預設值。當水溫值超過預設值時，加熱 裝置斷開，停止加熱并蜂鳴報警。

2 部分功能模塊設計

2.1 電源模塊

電源電路主要由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩壓電路四部分組成。電源變壓器將電網220V 的交流電變為整流電路所需要的交流電壓值，整流電路將交流電壓變為脈動的直流電壓，濾波電路將濾除脈動直流電壓的波紋，再經過穩壓電路輸出+5V的穩定電壓，給單片機、繼電器、傳感器等負載電路進行供電。

2.2 按鍵模塊

按鍵在單片機控制系統中起到人機交互的作用，通過按鍵可以輸入命令、數據和其他各種參數。本設計中，按鍵的一端接單片機，另一端接地，當沒有鍵被按下時，所有的數據輸入線均為高電平；當任意一個按鍵被按下時，與之相連的數據輸入線將變為低電平，也就是說當單片機檢測到相應的端口為低電平時即可判斷相應按鍵被按下，從而控制功能電路執行相應操作。按鍵的功能有溫度設定、加熱、出水、按鍵鎖定和模式切換，其設計原理如圖2所示。

圖2 按鍵模塊電路

2.3 顯示模塊

在溫度顯示部分，本設計選用的是四位的數碼管。數碼管根據發光二極管的內部接線形式的不同可分成共陽極和共陰極兩種。在使用時，共陽極數碼管公共端連接到電源上，共陰極數碼管公共端接地。每段發光二極管需要驅動電流為5mA~10mA，一般情況下需要加限制電阻來控制電流的大小。

常見的用單片機驅動的LED數碼管的顯示有多種方法，按顯示方式可分為靜態顯示和動態顯示。靜態顯示的數據較穩定，沒有閃爍，占用單片機時間少，但功耗較大。動態顯示在顯示位數較多時，優勢明顯，缺點是穩定度不如靜態。本設計采用靜態顯示方式，顯示電路如圖3所示。

圖3 顯示模塊電路

2.4 溫測模塊

溫度傳感器采用DS18B20，它是常用的數字溫度傳感器，具有體積小，抗干擾能力強，精度高等特點。DS18B20數字溫度傳感器接線方便，僅用一個單線端口通訊，當全部器件經由一個三態端口或者漏極開路端口與總線連接時，控制線需連接一個上拉電阻。溫度檢測電路如圖4所示。

圖4 溫度檢測模塊電路

本系統通過數字溫度傳感器DS18B20采集水箱中的水溫，由單片機對水溫信號進行處理，將采集的溫度與系統設定的溫度進行比較，如果低于設定溫度以下1℃時，單片機控制加熱電路工作，如果高于設定溫度以上1℃時，單片機控制保溫電路工作。同時，單片機用P0口控制液晶顯示當前水溫的溫度值和系統設定的預設溫度值。

2.5 報警模塊

報警電路中采用的是有源蜂鳴器，有源蜂鳴器和無源蜂鳴器的驅動電路區別主要在于無源蜂鳴器本質上是一個感性元件，有源蜂鳴器內部帶震蕩源，所以只要通電就會鳴叫。有源蜂鳴器的主要優點是程序控制方便，采用直流電壓供電，廣泛應用于各類電子產品中作發聲器件。本系統所采用的報警模塊為3.3V的有源蜂鳴器模塊，電路中采用三極管9012進行驅動，當單片機控制引腳變為高電平時，蜂鳴器就會鳴叫進行報警，也可以通過控制單片機引腳以方波的輸出形式來控制蜂鳴器的鳴叫方式。報警電路在此設計中的作用是當水溫達到設定的溫度時飲水裝置報警提示。

3 系統軟件設計

軟件程序是把各硬件模塊連接到一起的橋梁，通過程序來保證系統的邏輯控制功能全部實現，此部分工作在整個系統設計中非常重要。本設計采用模塊化編程的方式進行，即把程序分為主程序和若干個子程序，既便于閱讀，也便于后期的代碼維護。分模塊進行設計和調試后，最終完成軟硬件系統的聯調。

3.1 系統主程序設計

初始化部分主要完成開中斷、計數器/定時器的啟動以及實現各種堆棧指針、計數器/定時器0初始化,確認顯示模塊可以顯示設定溫度及實時溫度，按鍵掃描一直進行，如果有按鍵按下，則執行相應的操作，若沒有按鍵按下，則返回顯示。系統的主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

3.2 顯示子程序設計

由于數碼管具有低能耗、低損耗、低壓且壽命長、耐老化的特點，在工作環境方面要求低，其防曬、防潮、防火、防高（低）溫，可適用于各種環境，易于維護，同時其還具有精度高，稱量快，精確可靠，操作簡單等優點，另一方面由于數碼顯示是采用BCD編碼來顯示數字和代碼，所以程序代碼編寫起來較容易，資源占用也比較少。本設計的顯示部分采用的是三位數碼管作為顯示器來完成相關溫度參數顯示。顯示程序的主要任務就是負責點亮3位的數碼管，讓他們能夠實時顯示水溫，同時通過接收處理單片機發送過來的數據不停的更新顯示屏上的數據，具體的溫度顯示程序流程圖6所示。

圖6 顯示子程序流程圖

4 系統調試

硬件電路的設計與軟件程序的設計相輔相成，任何一部分出現問題都會導致整個系統達不到預期的效果。

由于本系統是分模塊進行設計的，所以調試也應該分模塊進行，通過各個模塊的調試，解決存在的問題，最后再把各個模塊作為整體進行調試，直到無誤為止。本系統的軟件測試主要包括主程序、溫度顯示子程序、鍵盤掃描子程序等幾部分。硬件的仿真工作在proteus中完成，主要包括電源電路、加熱電路、顯示電路、報警電路等涉及的模塊電路的仿真。當軟硬件仿真無誤后，進行了系統的聯調。最終調試結果表明，各部分功能電路均能正常工作，完成了本次設計的最初要求。

5 結語

圖7 飲水裝置圖

本次設計的飲水裝置主要是針對目前市場上飲水機存在的問題，進行了改良。相比于傳統飲水機，此裝置滿足了人們對高水質、安全性、人性化的要求，具有一定的市場應用前景。測試結果表明，系統工作穩定，運行正常。在水溫控制方面，該裝置可以按照用戶需求設定溫度，且到達設定溫度時蜂鳴器會提醒加熱已完成。在安全保護方面，按下鎖定鍵，其他鍵將無法工作，可以避免使用者誤接觸，尤其可以有效保護兒童。