智能饮水机控制系统的设计毕业论文Word格式.doc
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Atpresent,dispenserhasbecameindispensabledailyappliances.Butinthepastdispensersonlyhasheatingorcoolingfunction,thebetterscanrealizetemperaturecontrol.Butthiskindofdispensermarketpriceisrelativityhigh.SoIdesignarelativelyinexpensivebutpowerfulintelligentdispensersystem.UsingMCUnotonlycanrealizetemperaturecontrol,butalsocanuseliquidcrystaldisplaythetemperature.Havingagoodman-machineinterface,usercanchoosedifferentpatternsthoughkeys.like:
maketea,makecoffee,andsoon.Thisdesignalsomeasuresforvariousemergencysituations.Forexample,inthewatershortagesituation,userscannotusetheheatingfunction,thesystemwillthroughsoundandlightalarmtoremindtheuser.Ensurethesafetyoftheuserandthesystem.Forthedesign,toensureusersafety,Asfaraspossiblefortheusereasytouseistherequirementofthedesign.Theintelligentlevelofthedesignishigher,systemcanrealizeautomaticoperationaccordingtotheneedsofuser.
Keywords:
intelligentwaterdispenserMUCcontrol
目录
1引言 1
2系统功能设计 2
3系统硬件设计 3
3.151单片机最小系统 3
3.2电源设计 4
3.3温度检测部分 4
3.4按键部分 5
3.5继电器控制部分 6
3.5.1泵机控制 6
3.5.2电磁阀控制 7
3.5.3加热电阻控制 7
3.5.4高频臭氧发生器控制 8
3.6显示电路 9
3.7液位检测 10
3.8报警电路 11
3.9红外控制电路 11
4系统软件设计 13
4.1主程序设计 13
4.2温度子程设计 14
4.3按键子程序设计 17
4.4继电器控制子程序设计 20
4.5显示子程序设计 21
5调试与制作 24
5.1硬件制作与调试 24
5.2软件调试 24
6结论 26
参考文献 27
致谢 28
附件 29
II
中原工学院信息商务学院毕业论文（设计）
1引言
人类社会发展迅速，人们对生活水平的要求也是越来越高，在先下的社会中越来越多的家用、办公、工业电器都实现了自动化，智能化。
而饮水机这种已经在家庭、办公室等地方普及的电器而言更加朝着智能化发展。
由于现在水资源污染严重，而人们对健康水平的要求越来越高，饮用的安全问题成了重中之重，人们在选用饮水机时会选择那些智能化程度高，同时能够保证饮用水安全的饮水机。
这就给本课题提供了研究的意义，如何才能让饮水机更加智能化，并且可以实现对饮用水的消毒功能呢？
在国外传统型的饮水机已经逐渐被淘汰，因为传统型的饮水机只有简单的加热功能。
由于饮用水大多为纯净水或者为矿物质水，那么将水烧至沸腾会造成人体所需的矿物质流失。
并且千滚水对人体的危害极大。
所以在国外甚至于我国生产的饮水机都会有防止千滚水的设计，并且已经实现了温度可调节控制，真正做到了安全健康。
功能更加强大的饮水机还有制冷功能，智能化水平也相对较高。
这也为本设计提供了设计要求：
安全健康、智能化水平较高[1]。
2系统功能设计
该系统设计以STC89C52为主控芯片实现温度采集及其温度控制，温度采集使用DS18B20数字式温度传感器，使用LCD12864实现用户所需信息的显示，可以构成良好的人机信息交换界面。
光电式液位传感器监测液位防止空烧情况的发生，当缺水情况下蜂鸣器报警，LED指示灯点亮。
系统通过单片机分别控制四个继电器继实现对控制泵机，电磁阀门，加热电阻以及高频臭氧发生器的工作与停止。
按键设计采用复位按键实现咖啡模式，泡茶模式，用户自定义模式的选择以及用户所需温度的选择。
用户可以根据不同的需要进行选择性控制。
该系统具有良好的人机信息交换界面，操作简单，十分稳定。
系统框图如图2.1。
图2.1系统框图
3系统硬件设计
3.151单片机最小系统
STC89C52为是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有８Ｋ在系统可编程FLASH存储器。
在单芯片上，拥有灵巧的８位CPU和在系统可编程FLASH，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构全双工串行口[2]。
使得该芯片能适用于多种场合。
最小系统由复位电路以及晶振电路组成，复位电路如图3.1所示。
图3.1复位电路
当单片机复位端口有高电平信号并且超过2个机器周期时单片机复位。
图3.2晶振电路
常采用12M晶振作为系统的时钟。
晶振电路如图3.2所示。
3.2电源设计
设计所需要的电源为220V交流电源以及12V、5V直流电源，220V交流电源可直接取得故不作为设计重点，而12V及5V电源的设计为采用220V交流点转18V直流电高功率变压器通过2A整流桥芯片，采用LM7812及LM7805稳压芯片，将18V直流电压转换为12V直流电及5V直流电。
LM7812是三端稳压芯片，它的适用范围极广，能够将35V以下，12V以上的电压稳定到12V，输出稳定性较好，并且有过热保护输出过流保护功能。
同LM7812一样，LM7805也是三端稳压芯片，唯一不同之处在于LM7805能够将35V以下，5V以上的直流电压稳定到5V[3]。
电源电路原理图如图3.3所示。
图3.3电源电路
3.3温度检测部分
饮水机中常采用温度开关作为温度控制装置，当温度达到温度开关锁定的温度时，温度开关就会做出相应开启、关闭的动作。
虽然温度开关价格相对较低，但是由于设计需实现智能化控制，并且实现用户对水温的控制，所以温度开关已经无法满足设计要求。
故使用DS18B20数字式温度传感器，该温度传感器不需要外接电路，通过编程即可完成对温度的采集，A/D转换供单片机读取。
DS18B20采用的是单总线式的数据传输方式，内部有64位的ROM单元和9字节的暂存单元，而单片机所需的温度采集值就存放于这9个字节中的第0字节和第1字节中。
由于单片机读出的信号为数字信号，所以需要采用一系列的算法将这些二进制数转换为十进制数以供使用人员更加直观的观测采集到的温度值。
DS18B20最高精度为12位，最低精度为9位，量程范围为-55℃~125℃。
满足本设计的要求并且价格相对低廉，所以设计采用DS18B20作为温度检测部分的核心[4]。
由于该传感器输出电路较小所以需加4.7K以上的上拉电阻保证数据传输的准确定。
单总线数据传输方式使得该传感器占用I/0的数量很少，这也是它的优点之一。
温度检测电路如图3.4所示。
图3.4温度检测电路
3.4按键部分
按键设计采用的是复位按键，用来控制程序中各个标志位的改变，以供调用子程序，设计相对简单。
单片机上电后所有I/0口均为高电平，故当检测到低电平的时候单片机就会相应的做出动作。
由于软件设计使用的是外部中断1作为按键程序的入口，所以按键公共端口为地端[5]。
设计原理图如图3.5所示。
图3.5按键电路
3.5继电器控制部分
继电器的种类多种多样如电磁继电器、固态继电器、时间继电器、中间继电器等。
但是继电器的工作原理几乎是相同的，简而言之它是流控开关可以实现小电流控制大电流从而起到保护，控制的功能。
而本设计使用的继电器是电磁式继电器，该种类的继电器是由由线圈和触点两个部分组成，当线圈有电流流过时就会产生磁力从而吸和触点，使常闭触点断开，常开触点导通达到控制功能。
这样就可以实现5V直流电压控制12V泵机、电磁阀，甚至220V交流供电的高频臭氧放生装置和3000W的加热电阻丝[6]。
但是继电器的型号一定要选择正确如最大承受功率及可以通过的电流，如果选择不合适会造成继电器的损坏。
3.5.1泵机控制
水泵是一种可以运输液体的机械，可以分为容积水泵和叶片水泵。
设计采用的是叶片水泵，利用回转叶片与水的作用力来传递能量。
与控制电机相似，当流经水泵的电流较大时，水泵的功率较高时水流运输速度较快。
系统为了将冷水送到加热水箱中以便加热，故采用了12V的低功率水泵，虽然是低功率但是已经可以在极短时间内将冷水送至加热水箱中。
为了使用5V继电器控制12V水泵，故采用S8550PNP型三极管实现对电流的放大，这样就有足够的电流使继电器中的常闭触点断开，常开触点断开。
这样当单片机I/0口响应的控制端口为低电平时，继电器吸和，使用12V的外接电源对水泵供电，实现了高低电压的隔离控制。
原理图如图3.6所示。
图3.6泵机控制电路
3.5.2电磁阀控制
当热水箱中的水加热完毕后，如果系统检测到出水口放有水杯时，电磁阀门就会打开。
由于电磁阀门是一种电磁控制的工业设备，用来控制流体的元器件[7]。
当阀门内部的线圈有电流通过时，铁芯就会产生磁力，吸引弹簧克服弹簧的压力使阀口打开，在额定工作电压内，流经电磁阀的电流越大阀口的打开幅度越大。
同样的，本系统所采用的电磁阀门也是12V供电，并且为单向电磁阀。
这样不仅可以节约成本也可以减少设计难度。
采用电磁式继电器实现小电流对大电流的控制。
原理图如图3.7所示。
图3.7阀门控制电路
3.5.3加热电阻控制
加热电阻主要是利用焦耳定理。
电阻的发热值是电阻的阻值同流过电阻的电流值的平方的乘积。
所以加热电阻的功率一般都较大，并且大多数都是220V交流电直接供电。
所以使用直流电源已经不能满足其要求，并且如果处理不当还会造成系统的损坏甚至安全事故的发生。
仍旧采用电磁式继电器实现强电与弱电之间的控制。
但是继电器型号的选择需要慎重。
虽然控制原理相同但是由于控制的是220V大功率电子装置，所以必须选用大功率继电器可以通过10A电流，这是为了防止事故的发生，也是为了确保系统的稳定性[8]。
而这是本设计的难点之一，用弱电控制强电是需要不断的测试和良好的理论基础。
由于设计需要即时加热功能，所以热水箱中不能过大，并且加热电阻的功率必须满足要求，经过测试选用3KW的加热电阻即可。
并且利用软件编程控制热水箱中的水不能多次被煮沸，防止千滚水危害人体健康。
原理图如图3.8所示。
图3.8电阻丝控制电路
3.5.4高频臭氧发生器控制
饮水机所用水虽然都是纯净水，但是在使用过程中难免由于饮水机设备或饮用水更换时间过长造成一定的污染，对人体造成伤害，所以需要对饮用水经行消毒。
而饮水机也需要定期进行清洗。
常用的饮用水消毒为化学方法消毒和物理方法消毒，简单的物理方法消毒使用的是活性炭经行吸附作用，需要定期更换活性炭并且随着使用时间增长会使消毒能力下降。
而本设计使用的化学方法进行消毒，臭氧就有强氧化性，能够快速的杀灭饮用水中细菌，并且同饮用水的接触面积大，更容易溶于水，臭氧在水中不稳定及其容易分解为氧气和单个氧原子，使得臭氧具有褪色和除味的功能，可以更有效的对饮用水进行消毒[9]。
如何产生臭氧是本设计的一个难点。
当雷电过后就会闻到淡淡的草腥味，这其实就是臭氧。
所以根据这现象就可以设计出一种臭氧发生器。
利用高频电与空气中的氧气发生化学反应，使空气中的氧气转换成臭氧。
这样就可以产生臭氧。
如图3.9所示。
图3.9高频臭氧发生电路
当220V交流电流经D6和R7已经被整流、限流。
单向脉动电流控制Q5进行通断，产生振荡，经变压器T2升压后得到2K-3KV左右的高压电，经O3管放电就会产生O3了。
C10同C9经行滤波，保证电源的干净无杂波。
3.6显示电路
为了具有良好的人机交换界面，并且可以将采集的信息显示出来，故采用LCD12864液晶显示屏。
选用LCD12864的主要原因是LCD12864自带汉字库可以直接显示汉字[10]。
并且屏幕较大可以更加直观。
设计如图3.10所示。
图3.10显示电路
LCD12864为汉字图形点阵液晶显示模块，可以显示汉字及其图形并且内置了8192个汉字128个字符及64*256点阵显示RAM，3.3-5V供电自带背光功能拥有多种功能，如：
画面移位，自定义字符，睡眠模式等。
可以采用串口读写和并行读写两种工作方式。
工作方式选择由单片机P2.7口控制，同时LCD12864具有复位功能。
当复位端口有高电平时则LCD12864复位。
由于本设计对LCD12864的控制采用的是并行读取方式，故单片机P0口与LCD12864的数据口相连。
通过单片机控制RS、R/W、以及E端口即可实现对LCD12864控制。
具体编程控制请阅读软件设计显示子程序[11]。
3.7液位检测
检测液位的最主要目的是防止热水箱空烧。
热水箱空烧不仅会造成加热电阻的损坏，也会造成安全隐患。
检测液位的方法有很多，最简单的方法是采用两个导线直接放在水箱中，当水面浸没住两个导线的时候，水就如同导线，两根导线导通I/0口就可以检测到相应的电信号。
虽然简单廉价，但是可靠性有所欠缺。
所以采用可靠性更强但是使用也很方便的光电式液位传感器。
设计采用传感器型号为XKC-W001-NPN，这种型号的液位传感器可以适应不同颜色，不同透明度的液体液位的检测[8]。
该液位传感器主要是利用红外光电效应。
当该传感器上电后传感器中的红外发射头就会发出红外线，如果没有遇到液体时，红外线就不会产生反射效应。
如果检测到液位则红外线就会产生反射现象从而红外接收头就会接收到信号，这样传感器的输出端口就会产生高低电平的转换，将光信号转换成了电信号供使用者采集。
传感器的输出端口，即黄线可直接与单片机I/0相连，由于输出信号的电流不足，所以需要在传感器白线与黄线之间加10K上拉电阻放大电流信号，保证信号传输的可靠性。
传感器红线接5V电源，蓝线接地实传感器供电，保证传感器正常工作。
典型接线图如图3.11所示。
图3.11液位传感器典型接线图
3.8报警电路
报警电路采用的无源蜂鸣器作为报警的电路主器件。
无源蜂鸣器是流控器件，在额定范围内流经的电流越大，蜂鸣器的响度越大。
并且频率不固定可以通过编程控制，为了保证流经蜂鸣器的电流，故需要采用三极管将电流放大。
设计采用的S8550PNP型三极管，理论放大值为128倍容易实现深度饱和[12]。
采用1K电阻作为限流电阻防止三极管烧毁。
如图3.12所示。
图3.12蜂鸣器报警电路
3.9红外控制电路
本设计中红外控制主要用来检测热水箱出水的自动控制，红外发射头发出的红外线遇到遮挡物时则被反射回来由红外接收头接收。
通过运算放大器以及外围器件构成电压比较器实现出水口有无容器的检测。
常用的电压比较器多种多样，由于就只用到一级运算放大，故采用OP07单运算放大器。
OPO7是一种低噪声，双极性运算放大器，开环增益高，低输入失调电压，能够运用于多种场合。
供电范围为±
3V~±
18V[13]。
原理图如图3.13所示。
图3.13光电检测电路
原理图中所示的为RPR220常用红外对管，集成了红外发射头和红外发射头。
设计简单，R16为电位器，可以用来设定比较电压。
4系统软件设计
4.1主程序设计
程序主要进行按键检测，通过不同的按键可以进入不同的子程序实现对各个功能的控制。
系统主流程图如图4.1所示。
图4.1主程序流程图
4.2温度子程设计
温度子程序是用来控制DS18B20的单总线，进行DS18B20的初始化，以及温度的读取和温度读取后对二进制数据处理转为十进制数据，以便其他子程序的调用。
根据芯片手册上的时序图编程即可完成对DS18B20的控制[14]。
复位时序图如图4.2.所示。
图4.2复位时序图
主机总线从to时刻开始发送一个最短为480us的复位脉冲，在t1时刻释放总线等待，如果复位成功，则会在15~60us后由DS18B20发送一个高脉冲到主机上，接着DS18B20在t2 时刻发出发出长达60~240us的低脉冲则复位成功。
每次进行温度采集时均需要复位。
参考程序如下；
voidInit18b20（void）
{
D18B20=1;
_nop_（）;
D18B20=0;
TempDelay（80）;
//delay530uS//80
TempDelay（14）;
//delay100uS//14
if（D18B20==0）
flag=1;
//detect1820success!
else
flag=0;
//detect1820fail!
TempDelay（20）;
//20
D18B20=1;
}
写数据时序图如图4.3所示。
图4.3写时序图
主机总线从to时刻由高拉低，在随后的15us~60us后将所需要写入的数据写入总线由主机采样。
两个数据间隙应当在1us以上[15]。
参考程序如下：
voidWriteByte（ucharwr）//单字节写入
unsignedcharidatai;
for（i=0;
i<
8;
i++）
{
D18B20=0;
_nop_（）;
D18B20=wr&
0x01;
TempDelay（3）;
//delay45
D18B20=1;
wr>
>
=1;
}
读数据时序图如图4.4所示：
图4.4读时序图
主机总线从t0时刻开始保持15us的低电平随后在t1时刻将电平拉高持续45us以上，主机便可以总线上读取DS18B20放在总线上的数据。
读取每个位数据间隔必须大于1us。
unsignedcharReadByte（void）//读取单字节
unsignedcharidatai,u=0;
for（i=0;
u>
D18B20=1;
if（D18B20==1）
u|=0x80;
TempDelay
（2）;
return（u）;
4.3按键子程序设计
设计总共设计了5个按键，功能是为了改变标志位flag,从而程序可以通过判断标志位flag进入相应的程序。
程序流程图如图4.5所示。
图4.5按键子程序流程图
程序设计思路为，S1（按键1）同单片机的外部中断1相连。
当S1按下则进入外部中断1相应的子程序中，并且在该子程序中进行循环。
通过S2，S3，S4选择系统三种不同的工作模式,分别为咖啡模式，固定水温65℃；
沏茶模式，固定水温85℃；
以及用户想要自行设定温度，可以通过按键进行调节确定。
如果用户想要退出模式选择，进入普通的冷水使用则按下S5终止按键子程序的循环。
为了防止空烧的情况，会在每次循环前检测水箱液位。
故不会出现程序逻辑混乱导致水箱空烧的情况，参考程序如下：
if（s2==0）//咖啡模式
{
delay（5）;
if（s2==0）
{
while（!
s2）;
lcd_wcmd（0x01）;
init_disp3（）;
hot=0;
green=1;
yellow=0;
red=1;
while
（1）
{
TemperatuerResult（）;
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