节能型智能环保饮水装置的控制设计研究

塔里木大学机械电气化工程学院　沈建伟　张小成　周生源　华丛辉　谭增辉　李晓勤



节能型智能环保饮水装置的控制设计研究

塔里木大学机械电气化工程学院沈建伟张小成周生源华丛辉谭增辉李晓勤

【摘要】节能智能环保饮水系统，通过单片机加传感器加蓄电池的有机组合，达到设计出了一款小巧实用便捷的饮水装置的目的。基于超声波测距、人体感应、单片机的信号处理的设计，在仿真软件平台proteus中进行电路的仿真与改进，并验证程序的执行情况，确保了装置的稳定性和可操作性，达到了设计要求并能正常工作。

【关键词】智能饮水；传感器；软件仿真；自动控制

0　引言

如今有较多的人仍然居住在面积相对狭小的空间里，如“蚁族”、在校大学生、以及大多数农民工群体等。设计出了这款具有智能小巧等特点的饮水装置，这款安装于纯净水桶上的自动出水装置小巧方便，其运用超声波感器控制抽水装置的开关，方便实用。同时运用单片机控制，配合人体感应模块，实现在夜间无声的情况下自动亮灯。并设有不同的加热温度设置键根据不同的需求进行加热。由于其小巧方便且功能强大，不但适合以上人群，对于大部分家庭来说都是一个很不错的选择。

本文是由超声波传感器、人体感应传感器对信息的采集，再由单片机实现对信号的数字化处理并做出判断进行输出，将采集的信号与设定的标准值进行对比分析，然后调配饮水系统进行工作。

1　材料与软件平台

使用电子器件：89c51单片机、超声波测距、人体感应模块、LED灯、水泵、电阻等其它常用元器件。

设计使用的软件平台：单片机开发板、程序的编辑、编译、调试软件keil4、程序烧写软件、USB串口调试软件、电路模拟仿真软件proteus。

2　研究过程

以18.9升桶装水为研究对象进行设计。

设计流程如图1所示。

3　电路设计方案

3.1主控电路

主控电路是整个系统的核心，是以89C51单片机为主。它的结构特点，是将微型计算机的基本功能部件例如中央处理器CPU、定时器、存储器、I/O接口电路等一些主要的计算机功能部件集成到一个半导体芯片上。单片机特别适合控制领域，因为它体积小巧，可以嵌入到各种应用系统中作为指挥决策的中心，可以使应用系统达到自动化得目的，单片机只要与合适的应用系统相结合，就能组成一个单片机控制系统，基于以上特点我们构成了单片机的最小系统。

图1　设计流程图

总电路系统如图2所示：

3.1.1单片机的时钟电路

时钟电路就是用于产生单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各个信号之间的关系。单片机在执行指令时分为取指令、分析指令和执行指令三个步骤，每个指令都是由许许多多的微操作一步一步完成的，为了单片机可正常工作，电路必须要在一个统一的时钟信号的严格控制下按时序进行工作。

3.1.2单片机的复位电路

单片机复位是使单片机中的其他功能部件都处在一个稳定的初始状态，并使其回到初始状态再开始工作。无论是单片机刚开始接上电源时，还是在断电后或者发生故障后都需要对单片机进行复位。

3.2独立键盘输入电路

独立式按键有其特有的优点，其软件结构简单，按键就需要占用一个I/O口线。当设计需求按键数量较多的情况下，会造成I/O口线的浪费。当设计需求按键数量不多的情况下，常采用这种按键结构。上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线上会有高电平。饮水装置具有六个独立按键，其中四个为温度设置按键，一个为确认按键，一个为重置按键。

3.3超声波传感器输入电路

设计测量距离所使用的是超声波传感器，此传感器有4个引脚分为：1引脚VCC(外接5V)、2引脚GND(外接GND)、3引脚Trig(控制端)、4引脚Echo(接收端)。本传感器模块具有典型工作电压5V，超小静态工作电流小于5mA，高精度可达到0.3cm最小测量距离为2cm，符合实际要需求。超声波传感器将接收到的信号反馈给单片机，单片机通过其预设的内部程序算出距离，并将其与内部设定的距离进行比较，从而达到控制水泵正常工作的目的。

图2　总电路系统图

图3

3.4水泵驱动电路

单片机通过对超声波传感器反馈到的信息进行判断如果达到设定距离的范围，则用PNP型三极管放大的电流来驱动继电器，以达到自动放水的目的。

3.5蜂鸣器驱动电路

蜂鸣器驱动电路实现当测的水的温度达到设定温度是时进行示警。该电路使用蜂鸣器的方法，使用单片机的一根口线进行驱动。因为单片机的I/O口电流产生的电流较小无法驱动蜂鸣器正常工作，所以要用PNP型的三极管、将电流进行放大，使电流达到驱动蜂鸣器的电流。

3.6人体感应电路

当有人进入其感应范围则输入高电平通过一定电路点亮LED灯，人离开感应范围时传感器自动延时一段时间而后再关闭高电平，输出低电平此时LED灯将熄灭。

系统工作流程如图3所示：

4　研究结果分析

本智能节能环保饮水设计结构简单，成本较低，升级和改造比较方便，可实现智能化放水的工作需要，能改变现在及将来一段时间内家庭饮水装置的购买需求。当然本系统也存在一定的问题，由于一些外部干扰因素的影响装置会出现一些实验的偏差。比如实验与理论之间的误差，主要来源是元件本身的误差和电路连线的误差。

5　结论

现今信息技术和单片机技术的发展，我们完全可以采取单片机加传感器的组合方法来解决实际生活中遇到的问题。本文基于单片机对多种传感器信号的采集与处理的设计进行了研究开发，实现在proteus软件平台下的仿真与程序调试，将调试成功的程序烧写到单片机中，将系统电子器件集成在PCB板上，成功完成了智能节能环保饮水系统的设计制作。我们的设计思想也可以使用在其它智能饮水系统中，为相关的产品制作提供了一定的参考。

参考文献

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[2]白驹洐,等.单片机计算机及其应用[J].2005

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[4]戴佳.51单片机应用系统开发典型实例[J].2005 .

[5]吴炳胜,等.80C51单片机原理与应用[J].2001.

[6]欧阳斌林,等.单片机原理及应用[J].2001.

沈建伟，大学本科，现就读于塔里木大学机械电气化工程学院。

李晓勤，塔里木大学机电学院教授，研究方向为汽车电子、物理工程、车辆工程与地面系统。

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