基于AT89C51单片机的智能饮水机设计

陶辉

摘   要：为改变传统饮水机水温不可人为设定、浪费电源、接水麻烦的问题。设计了一款基于AT89C51的智能饮水机，通过加入温度传感器和手机APP实现水温可人为设定，远程控制饮水机的开启关闭，此外智能饮水机还加入了超声波液位传感器和红外对射模块，实现饮水机的自动放水。通过引入压力传感器检测水箱中的水位，避免了饮水机缺水引起的干烧。主动式红外传感器用于实现饮水机的节能控制。本设计能够较好的完成以上功能，为用户提供便利，增强用户体验，具有一定的推广应用价值。

关键词：AT89C51  饮水机  智能家居  远程控制

中图分类号：TM925                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）06（a）-0067-04

随着科技的发展，各类传感器的使用让家居的智能化逐渐成为一种趋势，但是就目前市场上面的饮水机不能很好的满足人们的需求，如不能智能放水、水温不可调节、浪费电能[1]、饮水机干烧等问题，本设计针对以上问题设计出一款智能饮水。

该智能饮水机采用AT89C51单片机设计，通过手机蓝牙和单片机蓝牙模块的通信实现饮水机的远程控制，蓝牙部分主要是完成智能饮水机温度设定、饮水机的远程开启关闭[2]，当饮水机缺水时发送缺水信息给手机APP;通过超声波液位传感器和红外对射模块实现自动放水功能，智能饮水机的自动放水可以防止水溢出，避免浪费水资源，让人们在接水的时候更加的省心，不用时刻在担心水的溢出;通过压力传感器模块实现水箱中水位监测，当水桶没水时，通过单片机的蓝牙模块发送缺水消息给手机APP，手机APP发送短信给送水厂家送水[3]，让饮水机能够自动“补充”水[4]，智能饮水机和传统饮水机相比，智能饮水机可以处理和饮水公司桶装水更换的“沟通”，使人们的生活更加便捷化。

1  系统总体方案设计

该设计主要包括两个部分第一部分是AT89C51及其外围电路，第二部分是软件部分包括手机APP软件部分和单片机软件设计。手机APP的开发使用基于Java的安卓，开发工具使用AndroidStudio，AndroidStudio是目前使用最广泛的安卓开发工具，安卓中有许多封装好的接口，可以快速实现软件的开发，缩短软件的开发周期;单片机软件设计使用C语言模块化程序设计，采用Keil软件实现开发，使用C语言开发简单、效率高，另外Keil软件可以编译产生hex文件，可以通过程序下载软件下载在AT89C51中; 饮水机采用双水箱设计，可以方便的把热水、冷水分开存放，热水箱的底部放置压力传感器，当单片机通过压力传感器检测到水位低于设定值并需要加热时往热水箱中加水，若持续检测不到压力值的变化说明此时饮水机无水，通过蓝牙发送无水消息给手机APP，APP发送短信给送水厂家送水。

2  系统硬件设计

为了实现系统功能，采用了以AT89C51为核心的控制器，用于检测杯子高度和室内是否有人的红外检测模块，测量水杯水位高度的超声波液位传感器，测量水桶水位的压力测量模块，用于远程控制和通信的蓝牙模块，以及人机交互界面LCD1602和执行部件共同组成智能饮水机的硬件系统，总体框图见图1。

2.1 水箱水位测量

水箱水位的测量通过压力传感器来实现，把压力传感器放在热水箱的下面[5]。压力传感器的工作原理是把压力信号转化为电信号，属于电量传感器，此处的压力传感器采用电阻应变式，它是将弹性的应变，同步的转化为电阻的变化，测量电路使用的是惠斯通电桥见图2。

（1）

如果R1=R2=R3=R4或R1×R2=R3×R4则无论输入多大电压，OUT总为0，这种情况称为静态。如果电阻的这种静态被破坏，就会产生相对应的变化电压输出。惠斯通电桥输出的电压信号OUT比较微弱，在接入A/D之前，需要经过放大器进行放大到A/D转换器的输入电压范围内，通过A/D转换后送入单片机处理得到水位，当水位低于设定值时，通过单片机蓝牙模块发送消息给手机APP，手机APP获取手机发送短信的权限，即可发送短信给饮水公司更换桶装水。

2.2 自动放水

自动放水功能采用超声波液位传感器、红外对射模块、继电器实现。超声波液位传感器用来测量被子中水的高度，超声波液位传感器碰到水的分界面会产生明显的反射，从而形成反射回波。本设计采用的是UN85F30TR-1MD型超声波液位传感器，该模块具有良好的耐湿性，通常用于水位、油位的测量，该传感器输出电压范围是0-5V模拟量输出，经过A/D转换后送入单片机，得到杯子中水的水位。

主动式的红外对射模块用于检测杯子高度，发射器自动发出红外线，当遮挡超过60ms时，检测开始生效，发射器通常使用红外发光二级管，接收器可使用光电二极管，红外对射模块的示意图见图3，此处红外对射模块安装在饮水机接水槽的两侧，当模块无遮挡时，接通管导通，模块DO输出低电平，遮挡时输出D0输出高电平，有杯子挡住时，根据红外模块的编号和高度对应得出杯子的高度。

通过红外对射模块测得的杯子高度和液位传感测量的水位之差决定放水的多少。

繼电器是利用电磁效应工作的一种控制器件，在继电器输入端加入电压，线圈中就有了电流，就会发生电磁效应，电磁力达到一定值时将会克服弹簧的拉力，从而使开关闭合，AT89C51的I/O（输入/输出）口的输出电压与TTL兼容，但不能够直接带动继电器，需要在AT89C51和继电器之间加入三极管放大电路，以便提高AT89C51的驱动能力。驱动电路如图4所示。

由测量原件和执行控制部件共同完成智能饮水机的放水工作。

2.3 节能控制

红外线是指红光之外的辐射，属于不可见光，红外传感器就是基于红外线研发的，此处用被动式红外模块监测环境中是否有人，被动式的热释电红外传感器用来检测环境中人发出的红外线，当一个小时都探测不到有人时，智能饮水机将关闭加热进入节能工作方式[6]，此时的单片机控制系统仍然还在工作，此处采用基于红外线技术的HC-SR501自动控制模块。

2.4 温度设定

温度传感器模块用于检测热水箱中水的温度[7]，该模块作为温度负反馈系统的测量原件，水温的设定通过手机APP设置，设置完成后通过蓝牙发送给单片机。水温控制框图见图5。

3  软件设计

3.1 单片机软件设计

AT89C51软件使用Keil工具开发，为实现本设计的功能，采用了C语言模块化程序设计编程，主要的程序模块设计包括继电器控制程序、超声波液位传感器程序、红外传感器、DS18B20 采集温度程序、压力传感器程序、蓝牙程序，LCD1602显示程序，程序流程如图6所示。

3.2 APP软件设计

APP软件设计采用AndroidStudio软件开发，作为饮水机控制系统的上位机，获取饮水机的水温、工作状态，以及对饮水机的水温进行设定，完成短信发送功能。APP界面如图7所示。

手机通过广播事件开始监测是否有来自单片机的缺水消息，当收到缺水消息时，APP通过短信发出缺水消息给送水公司送水。程序流程如图8所示。

4  结语

本设计对传统饮水机接水麻烦、干烧存在风险、浪费电的问题进行改进，智能饮水机基于AT89C51单片机控制，通过手机蓝牙和单片机上的蓝牙通信对饮水机进行远程控制，采用杯体检测传感器实现自动放水的目的，温度可自行设置，通过良好的控温系统可以更好的满足人们对水温的不同要求，本设计实现了饮水机的节能、自动放满水、远程控制、饮水机自动发送缺水消息给桶装水公司，不用人工和桶裝水公司联系，方便了用户使用饮水机，让饮水机的使用更加安全可靠，饮水机变得更加“聪明”，本设计具有较强的实用性、可靠性、安全性，让电能的使用更加有效率，具有很好的市场应用前景。

目前自动放水功能对于口径较小的水杯存一定问题，但随着技术的发展可以把测量水位高度的传感器和放水开关集成在一起，来解决此问题。

参考文献

[1] 陈健宁.健康节能型饮水机设计[J].科技创新导报，2016，13（4）：40-41+44.

[2] 陈书辉，曹菁菁，曾绍坤，罗伟康.基于蓝牙通信的智能饮水机设计[J].机电信息，2017（15）：130-131+133.

[3] 黄军辉，林树琪.基于89C52单片机的智能家居多功能饮水机的设计与实现[J].广东轻工职业技术学院学报，2015，14（4）：7-11.

[4] 韩媛媛，陈金辉.基于PIC16F505单片机的智能饮水机设计[J].科技创新导报，2009（17）：15.

[5] 段清明，彭醒醒，杨开琦，林洁.基于单片机的可控温智能多功能安全饮水机设计[J].吉林大学学报（信息科学版），2014，32（5）：516-520.

[6] 胡斌，胡跟龙，孔祥梅.基于超低功耗单片机的智能饮水机系统设计[J].新技术新工艺，2015（3）：69-71.

[7] 赵龙，郝润科，王磊，邱银，胡骞.基于单片机的数字式智能饮水机设计[J].现代电子技术，2012，35（17）：112-115.