基于单片机的节能饮水机控制系统设计研究

高岩

摘  要：文章主要分析以单片机为主控芯片的节能饮水机控制系统的设计，在本设计中，采用STC89C52单片机作为主控芯片，再采用两个DS18B20温度探头分别将热水和温水实时送入STC89C52单片机，并采用LCD1602的液晶显示器显示实时水温，当水烧好后，继电器会自动断开加热器，停止饮用水加热，并语音提示人们水以烧好，注意烫伤，当水温降低达到人们可直接饮用的温水程度，语音提示水温标准，可直接饮用，这样的智能设计可以满足不同使用者的需求，价格低廉。文章首先分析节能饮水机的优势，从节能饮水机的系统结构、工作原理及总体功能入手，旨在对节能饮水的硬件、软件系统设计进行详细分析，为未来节能饮水机的科学设计提供借鉴。

关键词：单片机;节能饮水机;控制系统;设计

中图分类号：TM925.5 文献标志码：A         文章编号：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还是工作，饮水机处处可见，但在使用过程中却存在较多问题，一是饮水机智能化程度不够，打开电源之后如果没人监管，待水烧开之后将电源切断，饮水机加热便会持续做功，一直处于加热、保温状态，循环往复，极大程度上增加了电能损耗，同时还会减少饮水机的使用寿命。二是目前普遍存在的饮水机类型是热水、凉水两边设计，人们要喝到温水只能用热水和凉水自己勾兑，并且水温也不能实时显示，难以满足人们对饮用水的不同需求。

基于以上问题，本文以STC89C52单片机为主控芯片，设计了一款节能饮水机控制系统，能够保证饮水机的水达到100℃时，自动切断加热器电源，另外还能显示饮水机内水的实时温度，能够满足不同人群的饮水需求。

1 节能饮水机优势

就目前市面上常见的饮水机系统来看，大部分只是有加热功能，忽视了节能这一概念，在节能减排的呼吁下，饮水机节能市场日益凸显，饮水机的重复加热造成了电力资源的消耗，水重复加热，也会对水质产生影响，进而影响人们的身体健康，同时还会影响饮水机的使用寿命。

距中国产业调研网发布的《中国饮水机行业现状调研分析及市场前景预测报告（2019版）》显示，国内饮水机市场在逐步扩大，饮水机需求也逐步上升，国内关于饮水机的设计标准也在持续跟进，预示着饮水机市场将会在中国迎来更好的发展机遇。

2 节能饮水机系统结构、工作原理及总体功能

2.1 系统结构

本文研究的节能饮水机主要结构包括1个主控芯片STC89C52单片机、2个DS18B20温度传感器、2个非接触液体水位感应开关、1个不锈钢浮球液位开关、1个稳压电源、1个按键电路、1个液晶显示器、1个语音电路、4个驱动电路、4个继电器、1个加热器和3个电磁阀。整体结构如图1。

2.2 工作原理

在节能饮水机整个系统来看，稳压电源起着供电作用，维持饮水机的正常使用。按键电路主要起控制作用，实现水温的自动控制。DS18B20温度传感器1与DS18B20温度传感器2这两个温度传感器能够实时监测水温，将水温信息实时传送至STC89C52单片机。不锈钢悬浮球主要是监测水位的作用，2个非接触液体水位感应开关分别为高水位感应开关和低水位感应开关，当饮水机热水烧开，水即将溢出饮水机时高水位感应开关闭合，当热水池没有热水时，为了防止加热器干烧，低水位感应器会自动感应水池内水位情况，若水位过低，会自动闭合开关，防止损伤加热器。液晶显示器则会显示实时水温，待水温达到一定温度后，饮水机的语音电路会自动播报水温，提示人们水温情况。

2.3 总体功能

本文所述的节能饮水机系统总体功能有以下几个方面：

（1）为防止热水烫伤，在语音播报时，会有防烫伤提示。

（2）温控加热，当系统检测到水温过低时，会自动根据之前设置的水温需求启动加热功能，当水温达到100℃时，自动断开加热器。但温控加热功能受智能节电模式的影响，当水温合适不再需要继续加热时，智能节电模式会自动开启，此时将停止温控加热。

（3）系统默认状态，饮水机通电后，系统会默认开启智能节电模式和温控加热功能，根据饮水机内水位、水温变化，系统自动调控，自动开启或关闭加热功能、供水功能等。

3 飲水机系统设计

饮水机系统分为硬件系统和软件系统，以下将分别针对硬件系统设计和软件系统设计进行详尽分析。

3.1 硬件系统设计

3.1.1 STC89C52单片机主控电路设计

本系统采用超低功率的STC89C52单片机作为控制核心，设计安装前首先对水温、水位高低以及按键信息等进行信息采集，并将所采集的信息输入单片机控制系统，经控制系统操作后将水温上下限通过液晶显示器显现，待感应器感应到水温合适时，将水温信号再传递给控制系统，再由控制系统“命令”语言系统播放水温提示音，若水位降低，控制系统会自动向进水阀发出“进水”命令，若水温过低，低于水温显示器设定的下限，控制系统也会自动向加热器发出“加热”的命令。

STC89C52单片机因其耗能低、性能强，在嵌入式控制系统应用十分广泛。图2为STC89C52单片机主控电路示意图，其中KEY表示系统复位，LED为系统指示灯，U2则为数据端，用于连接液晶显示器。

3.1.2 语音系统设计

本系统采用ISD4004-08MP的语音芯片，该语音芯片容量较大，具有录音功能，较为智能化。ISD系列的语音芯片使用方便、音质较好，在进行水温播报时语音清晰，不需要借助其他语音开发系统就可以实现清晰的语音播报。在设计语音系统时，输入需要播报的水温指令，如当水温达到100℃时需要播报，当水温在60℃时需要播报，输入好指令后，当水温达到100℃单片机就会发出语音提示和放音控制指令，该指令传输到语音电路，通过8Ω/0.5W扬声器语音播报“目前水温100℃，小心烫伤！”;当水温达到60℃时，8Ω/0.5W扬声器语音播报“目前水温60℃，可直接饮用！”图3为语音电路示意图，其中语音播报功能是由LM386结合ISD4004语音芯片实现的，该语音芯片工作电压设定为3V。

3.1.3 液晶显示器电路

前文有提到，液晶显示器主要作用是显示水温，本系统采用LCD1602的液晶显示器，该显示器专门用于显示字母、数字以及符号等。液晶显示器也是通过接受STC89C52单片机传输的控制信号，显示实时水温，具体设计方式为，借助10K上拉电阻在STC89C52单片机的P00～P07口分别连接LCD1602的D0～D7引脚，连接好后才能实现控制信息的传输，让显示器更灵敏的显示实时水温，详细电路图如图4所示。

3.1.4 继电器控制电路设计

本系统设计了四个继电器，分别连接电磁阀和加热器，根据饮水机系统结构（如图5），可以了解到，饮水机共有三个水池，一个是热水池，一个是温水池，一个是凉水池，并且这两个水池都有一个出水阀，分别用三个不同的继电器控制三个不同的电磁阀，控制不同水池的进水量，单片机通过向继电器4传输控制信号，继电器4收到指令后，打开电磁阀3，向热水池放温水。

以其中一个继电器控制电路为例进行电路图设计分析（如图6），系统工作电压统一为5V，从图中可以看出，MC1413的每一对达林顿管都串联了一个2.7K的基极电阻，在系统电压下，基极电阻可以与TTL和CMOS电路直接相连，提高了系统运行稳定程度，方便系统的整体控制。

3.1.5 水温检测电路

图7为水温检测电路示意图，从图中可以看出，本系统设计了两个水温检测电路，一个是热水检测电路，一个是温水检测电路，二者都选用不锈钢封装防水型DS18B20的温度探头，该探头是一种改进型的智能温度传感器，测温范围较大，应用于该系统进行水温检测，具有较高的分辨率。

水温检测电路中DS18B20的温度探头与单片机的连接方式的3线制连接，这种连接方式简单易操作，且成本低廉，同时减少了与外部硬件电路的连接。

3.1.6 按键电路系统设计

按键电路系统设计如图8所示，其对整个饮水机系统起控制作用，当按下“Set”键时，系统便接受指令进入设定水温上限状态，接着便可输入水温上限，输入完毕按下加法“Add”键或者加法“Set”键，水温上限才算设计完成;输入水温下限时，再次按下“Set”键，重复上述操作步骤，完成水温下限设定，最后按下“OK”键，完成水温设定。

3.2 软件系统设计

软件系统内容较少，但设计相对复杂，饮水机软件系统主要包括：主程序、判断程序、ISD4004语音程序、LCD1602液晶显示程序、DS18B20温度采集程序、按键工作程序、继电器控制程序等。

ISD4004语音程序主要进行语音播放设计，能够在水温达到一定温度后进行语音播报，告知人们水温状况;LCD1602液晶显示程序主要进行液晶显示屏初始化设计、显示实时水温等，确保液晶显示屏能够正常显示实时水温;按键主要完成控制指令，包括向饮水机加水指令、烧水指令等等;继电器控制程序主要完成加热器和电磁阀的开关功能，自动识别饮水机内水温情况，完成烧水等工作。整个系统运作流程如下。

待系统设计好后，通电试运行，为防止热水和凉水流入温水池，应提前关闭电磁阀2和电磁阀3，保证各水池内水的固定性，然后将LCD1602液晶显示器初始化，分别读取热水池、温水池和凉水池的水温，并自动记录在液晶显示屏上显示水温上下限，之后进入判断程序。判断程序相对较为复杂，总共分为四步：（1）假设设定温水水温为60℃，则需判断温水水温是否已经烧到60℃（可存在少许偏差），若温水水温已经达到60℃，则应关闭电磁阀2和电磁阀3，并播放语音“目前水温60℃，可直接饮用！”（2）判断是否已经按下温水键（warm）。如果温水池中水温并不符合温水水温，若水温过高，则应打开电磁阀2，关闭电磁阀3，让凉水流进温水池，中和水温，既能快速得到温水，又能节省电能消耗;若温水水温过低，则应关闭电磁阀2，打开电磁阀3，让热水进入温水池，优势与水温过高时一样，极大的节省了电能消耗;倘若温水池中没有水，为了快速得到温水，可以同时打开电磁阀2和电磁阀3，让热水和凉水同时流入温水池。（3）判断热水键（Hot）是否已经按下。如果已经按下的热水键，但热水池中没有水，应该打开电磁阀1上水，待热水池中上好水后，关闭电磁阀1，打开热水器进行烧水。（4）判断热水器水温是否达标（≥100℃），如果热水未达到100℃，继续烧水，若水温≥100℃，则应关闭加热器，并进行语音播报“目前水温100℃，小心烫伤！”，系统实物图如图9所示。

上述为本次基于单片机的饮水机节能控制系统的整体设计，与实际使用过程中多少会存在微弱偏差，热水、温水、凉水三个水池的设计，基本能够满足不同使用者对不同温度水的需求。

4 結束语

本系统以STC89C52单片机为核心，综合运用电路设计方式，结合ISD4004语音芯片和LCD1602的液晶显示器设计了节能饮水机控制系统，能够为日常生活及工作中的人们提供热水、温水及凉水供应，能够满足不同使用者对水温的不同需求。并且在该系统中，配有液晶显示器和语音提示程序是非常友好的，液晶显示器显示实时水温，便于人们对饮水机水温的把控，加上饮水机的语音提示，能够让人们不用走到饮水机跟前就能了解到饮水机水温情况，另外还注意烫伤的温馨提示，能够在给人们提供水温信息的同时，提高人们的安全意识，减少烫伤事故发生频率。饮水机加热过程中，热水烧好后系统会自动切断加热器，避免热水反复加热损害水质、缩减饮水机使用寿命。

总体来看，基于单片机的节能饮水机控制系统的设计智能化程度较高，结构设计简单，设计理念新颖，符合当下人们的需求，且易操作，具有良好的使用感受。

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