一種健康飲水裝置的研究與設(shè)計(jì)

方昊，林智慧

（西安思源學(xué)院，陜西西安，710038）

0 引言

當(dāng)今市場(chǎng)上用戶(hù)經(jīng)常購(gòu)買(mǎi)的飲水機(jī)只有加熱和取水兩種功能，并且加熱內(nèi)膽大多設(shè)計(jì)在飲水機(jī)內(nèi)部，不利于清洗。而且，傳統(tǒng)飲水機(jī)在加熱方面易造成“千滾水”，破壞水質(zhì)，產(chǎn)生各種危害人體的沉淀、有害雜質(zhì)，嚴(yán)重影響人們的身體健康。同時(shí)，在加熱過(guò)程中會(huì)造成極大的能源浪費(fèi)，在多次加熱的狀態(tài)下，功率為0.5千瓦的傳統(tǒng)家用飲水機(jī)每天的耗電量為1.8度左右，所以說(shuō)飲水機(jī)是家庭用電設(shè)備中耗電較大電器之一。傳統(tǒng)的飲水機(jī)在加熱保溫過(guò)程中總是處于燒燒停停的工作狀態(tài)，從而就造成了百分之九十的能源浪費(fèi)。在人性化設(shè)計(jì)方面，傳統(tǒng)飲水機(jī)無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)設(shè)定任意溫度的要求。在兒童保護(hù)方面，傳統(tǒng)飲水機(jī)容易因小孩誤觸而造成燙傷。

隨著社會(huì)的發(fā)展和生活水平的提高，飲水機(jī)儼然已經(jīng)成為我們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚男〖译?。健康智能的飲水機(jī)已成各電子產(chǎn)品產(chǎn)商競(jìng)相研究的目標(biāo)，具有廣闊的發(fā)展空間。本設(shè)計(jì)從實(shí)際需求出發(fā)，設(shè)計(jì)一款能夠滿(mǎn)足人們對(duì)高水質(zhì)、操作安全、人性化、多功能的要求。

1 總體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中引入了健康智能控制系統(tǒng)，并對(duì)飲水機(jī)的結(jié)構(gòu)做了較大的改造。首先改變了飲水機(jī)的加熱原理，避免了能源的浪費(fèi)。同時(shí)控制了飲水機(jī)的加熱次數(shù)，避免造成多次重復(fù)燒水。同時(shí)也改善了保溫原理，在很大程度上節(jié)省用電。具體為水溫可以根據(jù)用戶(hù)需求設(shè)定，例如：紅茶，烏龍茶：用100℃水沖泡；咖啡：85℃—94℃水沖泡；蜂蜜：40℃—50℃水沖泡；牛奶：50℃—70℃水沖泡等等，保溫過(guò)程中容器中的水可以保持在55度左右，不用長(zhǎng)時(shí)間保持在較高溫度，平時(shí)即可飲用。

本設(shè)計(jì)主體硬件結(jié)構(gòu)包括主控系統(tǒng)、電源電路、顯示電路、測(cè)溫電路、報(bào)警電路以及其他功能電路?？刂葡到y(tǒng)的核心芯片采用單片機(jī)，電源電路給系統(tǒng)供電，測(cè)溫電路負(fù)責(zé)檢測(cè)水溫，顯示電路負(fù)責(zé)顯示飲用水的溫度及按鍵設(shè)定的溫度，按鍵主要進(jìn)行各種功能選擇，報(bào)警部分提醒用戶(hù)水溫已達(dá)到設(shè)定溫度等。其他功能部分包括恒溫、出水、加熱等。具體功能由軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

健康智能控制系統(tǒng)工作原理主要通過(guò)測(cè)溫元件 DS18B20 檢測(cè)水溫并將水溫?cái)?shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸入單片機(jī)，單片機(jī)將該信號(hào)進(jìn)行處理后并進(jìn)行自我判斷是否需要加熱和報(bào)警。詳細(xì)工作原理為: 通電后利用按鍵預(yù)設(shè)水溫值，當(dāng)檢測(cè)到的水溫低于設(shè)置值時(shí)，單片機(jī)發(fā)出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)加熱 裝置工作，使水溫達(dá)到預(yù)設(shè)值。當(dāng)水溫值超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí)，加熱 裝置斷開(kāi)，停止加熱并蜂鳴報(bào)警。

2 部分功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊

電源電路主要由電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路四部分組成。電源變壓器將電網(wǎng)220V 的交流電變?yōu)檎麟娐匪枰慕涣麟妷褐担麟娐穼⒔涣麟妷鹤優(yōu)槊}動(dòng)的直流電壓，濾波電路將濾除脈動(dòng)直流電壓的波紋，再經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓電路輸出+5V的穩(wěn)定電壓，給單片機(jī)、繼電器、傳感器等負(fù)載電路進(jìn)行供電。

2.2 按鍵模塊

按鍵在單片機(jī)控制系統(tǒng)中起到人機(jī)交互的作用，通過(guò)按鍵可以輸入命令、數(shù)據(jù)和其他各種參數(shù)。本設(shè)計(jì)中，按鍵的一端接單片機(jī)，另一端接地，當(dāng)沒(méi)有鍵被按下時(shí)，所有的數(shù)據(jù)輸入線(xiàn)均為高電平；當(dāng)任意一個(gè)按鍵被按下時(shí)，與之相連的數(shù)據(jù)輸入線(xiàn)將變?yōu)榈碗娖剑簿褪钦f(shuō)當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到相應(yīng)的端口為低電平時(shí)即可判斷相應(yīng)按鍵被按下，從而控制功能電路執(zhí)行相應(yīng)操作。按鍵的功能有溫度設(shè)定、加熱、出水、按鍵鎖定和模式切換，其設(shè)計(jì)原理如圖2所示。

圖2 按鍵模塊電路

2.3 顯示模塊

在溫度顯示部分，本設(shè)計(jì)選用的是四位的數(shù)碼管。數(shù)碼管根據(jù)發(fā)光二極管的內(nèi)部接線(xiàn)形式的不同可分成共陽(yáng)極和共陰極兩種。在使用時(shí)，共陽(yáng)極數(shù)碼管公共端連接到電源上，共陰極數(shù)碼管公共端接地。每段發(fā)光二極管需要驅(qū)動(dòng)電流為5mA~10mA，一般情況下需要加限制電阻來(lái)控制電流的大小。

常見(jiàn)的用單片機(jī)驅(qū)動(dòng)的LED數(shù)碼管的顯示有多種方法，按顯示方式可分為靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。靜態(tài)顯示的數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，沒(méi)有閃爍，占用單片機(jī)時(shí)間少，但功耗較大。動(dòng)態(tài)顯示在顯示位數(shù)較多時(shí)，優(yōu)勢(shì)明顯，缺點(diǎn)是穩(wěn)定度不如靜態(tài)。本設(shè)計(jì)采用靜態(tài)顯示方式，顯示電路如圖3所示。

圖3 顯示模塊電路

2.4 溫測(cè)模塊

溫度傳感器采用DS18B20，它是常用的數(shù)字溫度傳感器，具有體積小，抗干擾能力強(qiáng)，精度高等特點(diǎn)。DS18B20數(shù)字溫度傳感器接線(xiàn)方便，僅用一個(gè)單線(xiàn)端口通訊，當(dāng)全部器件經(jīng)由一個(gè)三態(tài)端口或者漏極開(kāi)路端口與總線(xiàn)連接時(shí)，控制線(xiàn)需連接一個(gè)上拉電阻。溫度檢測(cè)電路如圖4所示。

圖4 溫度檢測(cè)模塊電路

本系統(tǒng)通過(guò)數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集水箱中的水溫，由單片機(jī)對(duì)水溫信號(hào)進(jìn)行處理，將采集的溫度與系統(tǒng)設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，如果低于設(shè)定溫度以下1℃時(shí)，單片機(jī)控制加熱電路工作，如果高于設(shè)定溫度以上1℃時(shí)，單片機(jī)控制保溫電路工作。同時(shí)，單片機(jī)用P0口控制液晶顯示當(dāng)前水溫的溫度值和系統(tǒng)設(shè)定的預(yù)設(shè)溫度值。

2.5 報(bào)警模塊

報(bào)警電路中采用的是有源蜂鳴器，有源蜂鳴器和無(wú)源蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)電路區(qū)別主要在于無(wú)源蜂鳴器本質(zhì)上是一個(gè)感性元件，有源蜂鳴器內(nèi)部帶震蕩源，所以只要通電就會(huì)鳴叫。有源蜂鳴器的主要優(yōu)點(diǎn)是程序控制方便，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。本系統(tǒng)所采用的報(bào)警模塊為3.3V的有源蜂鳴器模塊，電路中采用三極管9012進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，當(dāng)單片機(jī)控制引腳變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，蜂鳴器就會(huì)鳴叫進(jìn)行報(bào)警，也可以通過(guò)控制單片機(jī)引腳以方波的輸出形式來(lái)控制蜂鳴器的鳴叫方式。報(bào)警電路在此設(shè)計(jì)中的作用是當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)定的溫度時(shí)飲水裝置報(bào)警提示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件程序是把各硬件模塊連接到一起的橋梁，通過(guò)程序來(lái)保證系統(tǒng)的邏輯控制功能全部實(shí)現(xiàn)，此部分工作在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常重要。本設(shè)計(jì)采用模塊化編程的方式進(jìn)行，即把程序分為主程序和若干個(gè)子程序，既便于閱讀，也便于后期的代碼維護(hù)。分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試后，最終完成軟硬件系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)。

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

初始化部分主要完成開(kāi)中斷、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器的啟動(dòng)以及實(shí)現(xiàn)各種堆棧指針、計(jì)數(shù)器/定時(shí)器0初始化,確認(rèn)顯示模塊可以顯示設(shè)定溫度及實(shí)時(shí)溫度，按鍵掃描一直進(jìn)行，如果有按鍵按下，則執(zhí)行相應(yīng)的操作，若沒(méi)有按鍵按下，則返回顯示。系統(tǒng)的主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

3.2 顯示子程序設(shè)計(jì)

由于數(shù)碼管具有低能耗、低損耗、低壓且壽命長(zhǎng)、耐老化的特點(diǎn)，在工作環(huán)境方面要求低，其防曬、防潮、防火、防高（低）溫，可適用于各種環(huán)境，易于維護(hù)，同時(shí)其還具有精度高，稱(chēng)量快，精確可靠，操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，另一方面由于數(shù)碼顯示是采用BCD編碼來(lái)顯示數(shù)字和代碼，所以程序代碼編寫(xiě)起來(lái)較容易，資源占用也比較少。本設(shè)計(jì)的顯示部分采用的是三位數(shù)碼管作為顯示器來(lái)完成相關(guān)溫度參數(shù)顯示。顯示程序的主要任務(wù)就是負(fù)責(zé)點(diǎn)亮3位的數(shù)碼管，讓他們能夠?qū)崟r(shí)顯示水溫，同時(shí)通過(guò)接收處理單片機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)不停的更新顯示屏上的數(shù)據(jù)，具體的溫度顯示程序流程圖6所示。

圖6 顯示子程序流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

硬件電路的設(shè)計(jì)與軟件程序的設(shè)計(jì)相輔相成，任何一部分出現(xiàn)問(wèn)題都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)達(dá)不到預(yù)期的效果。

由于本系統(tǒng)是分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)的，所以調(diào)試也應(yīng)該分模塊進(jìn)行，通過(guò)各個(gè)模塊的調(diào)試，解決存在的問(wèn)題，最后再把各個(gè)模塊作為整體進(jìn)行調(diào)試，直到無(wú)誤為止。本系統(tǒng)的軟件測(cè)試主要包括主程序、溫度顯示子程序、鍵盤(pán)掃描子程序等幾部分。硬件的仿真工作在proteus中完成，主要包括電源電路、加熱電路、顯示電路、報(bào)警電路等涉及的模塊電路的仿真。當(dāng)軟硬件仿真無(wú)誤后，進(jìn)行了系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)。最終調(diào)試結(jié)果表明，各部分功能電路均能正常工作，完成了本次設(shè)計(jì)的最初要求。

5 結(jié)語(yǔ)

圖7 飲水裝置圖

本次設(shè)計(jì)的飲水裝置主要是針對(duì)目前市場(chǎng)上飲水機(jī)存在的問(wèn)題，進(jìn)行了改良。相比于傳統(tǒng)飲水機(jī)，此裝置滿(mǎn)足了人們對(duì)高水質(zhì)、安全性、人性化的要求，具有一定的市場(chǎng)應(yīng)用前景。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，運(yùn)行正常。在水溫控制方面，該裝置可以按照用戶(hù)需求設(shè)定溫度，且到達(dá)設(shè)定溫度時(shí)蜂鳴器會(huì)提醒加熱已完成。在安全保護(hù)方面，按下鎖定鍵，其他鍵將無(wú)法工作，可以避免使用者誤接觸，尤其可以有效保護(hù)兒童。