智能饮水机控制器的设计与实现

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摘要：采用ATmega169单片机作为智能控制饮水机的检测和控制核心，并配合温度传感器DSl8B20的功能，实现对饮水机的水温、水位以及进水和加热状态的智能控制。重点讨论其硬件系统和软件系统功能部分。经反复试验，结果表明智能控制饮水机智能控制效果良好。

关键词：ATmega169；DSl8B20；智能控制

中图分类号：TM925.5文献标识码：A文章编号：10053824（2014）06006203

0引言

传统饮水机通常功能相对简单，仅能实现简单的温度控制，且能耗较大，存在很大的局限性。广泛使用的饮水机烧水不能完全沸腾，长期饮用这种水会对身体造成极大的伤害。本文所设计的智能控制饮水机，则恰好能够弥补这些缺陷，基本工作原理是通过单片机ATmega169及温度传感器DSl8B20的使用，对其水温和水位进行检测，并据此对进水和加热的状态进行控制，从而实现智能化控制功能。这样不仅能够节约电能，而且可以提供更加健康的饮用水。

智能控制饮水机的温度检测功能可以通过采用热敏电阻和温度传感器DSl8B20两种方案来实现。鉴于DSl8B20体积小、质最轻、线形度好、性能稳定、误差小等各方面性能均满足此系统的设计要求。故本设计选用温度传感器来对温度进行检测，有利于提高整个系统的抗干扰能力。智能控制饮水机的水位检测功能可以通过水位传感器来实现，具体实现方法详见水位检测模块的设计部分。

与传统的饮水机相比，由于采用了自动检测和控制的电子设计技术，智能控制饮水机可较好地实现对水温、水位、进水及加热等状态的测量和控制，具有较广泛的应用前景。

1系统架构

智能饮水机控制器系统由单片机进行控制，包括温度传感器、水位传感器、水位指示器、进水电磁阀、加热容器、储水容器、温度显示和控制面板、工作状态指示器等部分[1]。温度传感器检测加热容器的温度，当水温达到沸腾时，停止加热；当水温低于预设的保温温度时，则启动加热。水位传感器和进水电磁阀控制加热容器中的水量，当水位传感器检测到水位低于最低水位时，打开进水电磁阀；当水位传感器检测到水位低于最高水位时，关闭进水电磁阀。加热容器用于储存热水；储水容器用于储存冷水。温度显示和控制面板用于显示温度和设定保温温度。工作状态指示器用于指示当前状态，如：加热、保温、待机等。智能饮水机控制器系统架构如下图1所示。

当智能饮水机启动后，立刻进入水温和水位的检测状态，并显示出当前水温，同时进行按键扫描，此时可以根据用户操作来设置保温温度，其具体控制流程详见软件系统程序设计部分。

2硬件系统设计

2.1总体设计

整个硬件系统由主控系统、输入输出模块、传感器、控制电路和电源等部分所组成[2]。主控系统由单片机控制，包括对按键、温度和水位检测信息的接收，对温度和状态的显示，以及对加热和进水状态的控制，通过软件编程实现预定功能。传感器部分包括温度检测系统和水位检测系统两部分，温度检测系统实现对饮水机中水的温度检测和控制功能，采用智能温度传感器DSl8B20，水位检测系统实现对饮水机中加热容器中水位的检测和控制功能，以达到恒温、防干烧等多样化的功能。电源部分为智能饮水机提供必要的电能，保证饮水机能够正常的工作。硬件系统电路设计框图如图2所示。

2.2模块化设计

本文重点分析电源控制模块、温度检测模块及水位检测等功能模块的设计思想及实现原理。

电源控制模块是整个系统的能量来源，它直接关系到系统能否运行。由于单片机的供电电源为5 V，显示模块等其它电路需要5 V的电源，因此电路中选用7805这种稳压芯片，其最大输出电流为1.5 A，能够满足系统的要求，其电路设计原理如下图所示：

温度检测模块利用温度传感器来实现智能饮水机的温度智能检测功能。本设计中采用温度传感器DS18B20，其内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。DSl8B20采用外部电源供电方式，I/O线不需要强上拉电压，同时在总线上可以挂接多个DSl8B20传感器，组成多点测温系统。

水位检测模块采用水位传感器来实现，水位传感器包括接触型和非接触型2种。由于该饮水机的水位测定的环境温度较高（100℃），若采用接触型的水位传感器对测量的器件寿命和准确度都受影响。故本设计采用非接触型水位传感器[3]，其工作原理为：根据连通器原理在小管内安装—个浮标，浮标上端连接—个V型反射镜，红外激光二极管发出激光光束垂直射到V型反射镜面上进行90°角变换，光束分别对应地射到光敏二极管D5—D11上，有光束射到光敏二极管导通，输出为高电平（2.4 V），相反的为低电平（0 V）。该电压加到ATmega169单片机芯片PD0-PD6端输入。

3软件系统设计

本设计软件系统采用模块化结构，由主程序、温度检测模块、水位检测模块、温度显示模块、按键扫描模块和状态模块等部分组成。该软件系统主程序设计的流程如图4所示，程序的初始化主要完成设置各种堆栈指针、定时器/计数器的初始化，以及开中断、定时器/计数器启动。主程序通过不断扫描按键做出相应动作，同时不断检测饮水机的水温和水位信息，根据检测结果实时显示水温，并做出相应的动作。

温度检测模块运用温度传感器DS18B20芯片，其功能全面且精度高，完全可以满足设计要求，其将检测到的水温送给单片机[4]，再由单片机输出到显示电路，并将水温显示出来。其工作流程为：开始DS18B20初始化读一个字节写一个字节读取温度显示温度，如此循环，实现智能饮水机温度实时检测的功能。

按键扫描模块的主要功能是在程序运行过程中始终不停的检测是否有按键被按下，如果有检测到有按键被按下，则进入与该按键相应的程序并运行。本设计中设置的按键功能包括：设置温度、增加温度、减少温度等。

4仿真分析

这里重点对水位检测模块及状态显示模块的结果进行仿真分析[5] [6]。对于水位检测模块，会出现最低水位和最高水位两种情形，当检测到水位为最低或最高时，其仿真结果分别如图5所示。

智能控制饮水机的状态显示模块包括保温、加热以及缺水3种状态。其仿真结果如图6所示。

经调试，智能饮水机控制器的硬件及软件部分运行效果良好，能够较好地实现对饮水机水温、水位以及进水和加热状态的智能控制。传感器技术[7]与自动化技术在电网中的应用，为系统状态分析和辅助决策提供了技术支持，使电网自愈成为可能，为坚强智能电网的建设奠定了必要基础。

参考文献：

[1]唐治德.数字电子技术基础[M].北京：科学出版社，2009：187188.

[2]冯平，刘忠.直流电源自动控制装置：中国，201320419547.6[P].20131225.

[3]周林.自动控制理论基础[M].北京：机械工业出版社，2007：6770.

[4]王幸之，钟爱琴.AT89系列单片机原理与接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004：123125.

[5]冯平， 张治中.多功能语音控制小车的设计与实现[J].数字通信，2009（01）：8789.

[6]杨刚， 冯平.智能型通信电源直流接触器组网系统：中国，201320462824.1[P].20140212.

[7]陈良光，管聪慧.由数字式传感器DS18B20构成的多点测温系统[J].传感器世界，1999（9）：2931.

作者简介：

冯平（1984），女，重庆市人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为电力通信；袁亮（1980），男，重庆市人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为信息通信。

（责任编辑张诚）