基于超低功耗单片机的智能饮水机系统设计

胡 斌，胡跟龙，孔祥梅

(宁波澳成电器制造有限公司，浙江 宁波 315800)

基于超低功耗单片机的智能饮水机系统设计

胡 斌，胡跟龙，孔祥梅

(宁波澳成电器制造有限公司，浙江 宁波 315800)

设计了一种基于超低功耗单片机的智能饮水机系统，该系统通过在保温阶段采用双位调节控制对饮水机内的水温进行智能调控，其控制精度为±2 ℃，该系统不仅可以将水温控制在设定温度，还可以有效避免“千滚水”现象，用户可以根据实际需求自行设定保温时间、温度及预加热时间，极大地方便了人们的日常生活，具有重要意义。

超低功耗；单片机；智能饮水机系统

1 基于超低功耗单片机智能饮水机系统设计的必要性分析

随着我国经济的发展和人们生活水平的提高，饮水机已成为必备的家用电器之一，消费者将节能、健康、便捷作为一项重要的对其进行衡量的指标。目前，我国市场上大多数饮水机采用的是热敏电阻温控方式，该种加热方式下的饮用水中很容易生成砷化物、重金属等有害物质，俗称“千滚水”，不仅浪费资源，还会危害身体健康。此外，当前的饮水机只具备简单的制冷和加热功能，无法对饮水机内的水温进行实时监控，不同用途的饮用水所需的最佳温度存在一定的差异，当前饮水机无法满足人们对不同温度饮用水的需求。针对上述问题，本文设计了一种基于超低功耗单片机的智能饮水机系统，可以有效弥补传统饮水机存在的一些缺陷，由温度传感器采集温度并将其传输给数码管进行显示，并与设定目标温度进行比较，到达目标温度值时蜂鸣器会发出警报，饮用水温度>100 ℃时，继电器会立即关断停止工作，该系统通过在保温阶段采用双位调节控制可对饮水机内的水温进行智能调控，其控制精度为±2 ℃，不仅可以将水温控制在设定温度，还可以有效避免“千滚水”现象，用户能够根据实际需求自行设定保温时间、温度及预加热时间，其具有易于操作、稳定性好、性价比高等显著优点，极大地方便了人们的日常生活，具有重要意义。

2 基于超低功耗单片机智能饮水机系统的硬件电路设计

基于超低功耗单片机智能饮水机系统主要实现了温度显示和时间显示，可以有效防止保温阶段的饮用水反复烧开，用户可以根据实际需求自行设定保温时间、温度及预加热时间，系统的硬件结构框图如图1所示。该智能饮水机系统是以STC89C516RD单片机为核心的，并以扩展外部存储器作为智能饮水机系统的主控模块，STC89C516RD单片机的工作频率为0～40 MHz，工作电压为3.4～5.5 V，该单片机具有抗干扰性强、高速和低功耗等显著优点，内部自带看门，可以任意选择6时钟/机器周期和12时钟/机器周期[1]。

图1 基于超低功耗单片机智能饮水机系统的硬件结构框图

2.1 测温电路

DS18B20温度传感器可对饮水机加热胆中的水温进行实时监测，并将检测结果转化为相应的数字量，以串行方式传送给STC89C516RD单片机。DS18B20温度传感器采用的是单总线接口方式，该方式下只需要通过一个引脚即可完成数据的发送与接收，所以DS18B20温度传感器与STC89C516RD单片机仅需要1条数据线。DS18B20温度传感器的测温范围为-55～+125 ℃，工作电压为3～5.5 V/DC，该温度传感器具有质量轻、体积小和性能稳定等优点，供电方式有寄生电源供电和外部电源供电2种方式。DS18B20温度传感器在饮用水温度>100 ℃时会产生较大的漏电流，如果采用寄生电源方式进行供电，传感器与STC89C516RD单片机之间的通信可能会因此受到影响。为确保系统的可靠性，该系统采用外部电源供电方式[2]。当采用外部电源供电方式时，电源的负极与DS18B20温度传感器的GND引脚相连，正极与VDD引脚相连，DS18B20的DQ引脚则通过1个4.7 kΩ的上拉电阻与单片机P1.3引脚相连接，R1为上拉电阻，其电路原理图如图2所示。

图2 DS18B20测温电路图

2.2 时钟电路

DS1302作为时钟电路，可使系统具备定时加热功能，时钟电路原理图如图3所示，DS1302与STC89C516RD单片机的P2.0～P2.2引脚相连，其引脚VCC1外接3 V的纽扣电池，即使发生断电等突发状况，DS1302也能正常工作。

图3 DS1302时钟电路

2.3 数据保存接口电路

当发生断电等突发状况时，传统饮水机系统将会丢失保温时间、保温温度等用户设定参数，系统恢复正常之后还需对这些参数进行重新设置，对用户造成了不必要的困扰。该系统通过数据保存接口电路可以对用户之前所设置的参数进行备份处理，可以有效避免数据掉电丢失，数据保存接口电路采用AT24C01芯片，该芯片具有128字节的EEPROM存储空间，系统重启时可从AT24C01芯片直接读取相关参数，该接口电路原理图如图4所示[3]。

图4 EEPROM接口电路原理图

2.4 键盘接口电路

用户可能会随着饮水机使用环境的改变而想要更改系统预加热时间、保温温度、保温时间等相关参数，键盘接口电路为用户提供了参数修正功能，该系统是通过5个独立按键来实现相应功能的，5个按键分别与STC89C516RD单片机的P3.0～P3.4引脚通过上拉电阻相互连接，其电路原理图如图5所示。

图5 键盘接口电路

2.5 继电器控制模块

通过控制继电器的关断状态来判断是否对系统进行加热处理，饮用水温度>100 ℃(或设定温度)时，继电器会立即关断，停止工作。继电器电路原理图如图6所示，继电器的通断由STC89C516RD单片机的P1.2引脚通过R2电阻与S8550三极管基极相连进行控制。

图6 继电器模块电路原理图

2.6 TFT彩屏显示模块

系统的当前时间、当前温度、预加热时间、保温温度、保温时间及饮水机的当前状态都可以通过TFT彩屏显示电路显示出来，其电路图如图7所示。

图7 TFT彩屏显示模块的接口电路

3 基于超低功耗单片机智能饮水机系统的软件设计

该系统首先由DS18B20温度传感器采集并转化系统需要控制的参数信号，并与系统的设定值进行比较，将该差值信号按照一定的规律计算，得到与之相对应的控制值，从而达到自动调节的目的。本文采用PID控制方法，其保温阶段采用位置式双位调节控制，该系统以STC89C516RD单片机为核心，进入主程序后，对各个模块进行初始化，并显示目标温度、实时温度等系统参数。当系统到达用户所设定的加热时间时，会自动进入加热状态并将水加热至用户预先设定的温度，然后进行保温直到保温结束，并对TFT彩屏上的各项参数进行刷新处理。当系统处于保温状态时，应该对加热胆中的饮用水进行温度监控，当温度下降梯度突然增大时，说明在保温阶段饮水机的加热胆中加入了冷水，需对其进行加热处理；若在保温阶段加热胆中的饮用水没有出现温度突变，则对饮用水进行双位调节控制，将饮用水的温度控制在一定范围内，依次循环，直到保温结束。该系统不仅可以将水温控制在设定温度，还可以有效避免“千滚水”现象，达到了节能环保的目的。

4 结语

本文所述系统通过在保温阶段采用双位调节控制，可对饮水机内的水温进行智能调控，使饮用水的温度在一定范围内波动，用户根据实际需求自行设定保温时间、温度及预加热时间，可以有效避免“千滚水”现象，有利于人体健康，还可以极大地节省资源，具有很好的市场应用前景。

[1]王延忠,邹武,戈红霞,等.基于AT89S52单片机的直流电动机驱动控制系统[J].新技术新工艺，2012(8)：81-83.

[2]张逢雪,王香婷,王通生,等.基于STM32单片机的无线智能家居控制系统[J].自动化技术与应用，2011(8):98-101.

[3]李骥,魏镜弢,杨勇.基于ATMEGA64单片机的便携式示波器设计[J].新技术新工艺，2014(2)：27-29.

责任编辑李思文

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，总经理，主要从事机电一体化和经济管理等方面的研究。

2015-01-08