一种基于单片机的智能饮水机设计

随着人们生活水平的提高，对美好生活质量的追求也越来越高。饮 水机是人们日常生活不可或缺的，实现饮水机的智能化控制不但方便， 而且更加安全。本文提出一种基于单片机的智能饮水控制系统，通过传 感器实现对水温的监测，水温通过液晶显示器实时显示。在水位低于安 全液位时，可以自动进行断电处理。该设计解决了传统饮水机没有温度 显示问题，而且增加水位过低自动断电功能，保证了使用的安全。

水是生命之源，日常饮水是人们生活不可缺少的。饮水机 也成了家庭必备饮水设备。饮水机的出现，解决了传统的直接 饮水或者桶装水的局面。可以对冷水进行加热，人们就可以随 时喝到热水。但当前的饮水机几乎都没有温度显示，仅仅通过 指示灯对水的加热状态进行显示，存在一定的不便。而且在饮 水机缺水时，加热状态会一直持续，这样就存在很大的安全隐患。

本文提出一种基于单片机的智能饮水控制系统，在常规 饮水机功能基础上，增加核心实用功能。采用单片机作为核 心控制单元，通过温度传感器实现对温度低实时监测，为了 方便用户了解当前水温，通过液晶显示器，对水温信息和当 前状态进行显示。为了保证安全，设计了低水位自动断电功 能，避免了没水状态下的加热操作，保证使用的安全可靠。

系统总体方案设计

本设计是基于单片机的智能饮水机控制和设计，采用单 片机作为核心控制单元，温度传感器选择 DS18B20 数字型 温度传感器，可以直接将采集的温度信号以数字信号形式输 出。该芯片温度检测范围较为广泛，在－ 55℃到 +125℃， 完全符合饮水机的温度范围。在显示上，设计选择 LCD1602 液晶显示器，该液晶显示器支持数字，字母及汉字的显示。并 且背光可调，使用与家具生活中的显示单元。在水位检测上， 采用液位开关，在水位低于设定位置时，自动将信号传送给单 片机。单片机通过对温度信号，液位信号等采集，智能控制显 示单元和断电单元，实现对饮水机的智能控制。

硬件结构设计

智能饮水机控制系统在硬件组成上主要包括以下几个组 成部分：单片机单元、温度检测单元、显示单元、断电单元、 晶振单元、复位单元、电源单元等，不同组成单元完成相应 的功能。硬件结构图如图 1 所示。

其中晶振单元，主要是给单片机提供时钟信号；复位单 元则是给单片机提供上电复位信号，同时可以在需要手动复 位时，通过按键给单片机提供复位信号；电源单元则是将市 电转换成为单片机和外围电路供电需要的直流 5V 电源；液 位检测单元完成对饮水机低水位的检测；液晶显示单元，完 成对温度和当前系统状态的显示；自动断电单元在水位过低 时，完成自动断电操作；温度检测单元完成对饮水机内部水 的温度进行实时检测。

电源单元

电源是任何装置和设备正常工作都需要的，为了统一电 源管理，饮水机智能控制器核心器件采用的都是直流 5V 电 源，因此需要对交流的 220V 电源进行转换。本设计的电源 单元通过变压器 S1 将 AC220 转换成为 9V 电压。转换后 的 9V 电压然后再通过 D1 ～ D4 四个二极管整流后经过电

源转换芯片 LM7805，将 9V 电压转换成直流 5V 电源输出。 为了直观的了解电源是否工作正常，在 5V 电源输出端增加 LED 发光二极管显示，通过发光二极管亮灭就可以判断电源 运行的正常与否。电源电路设计如图 2 所示。

温度检测单元

本设计选择 DS18B20 作为温度检测单元核心器件， DS18B20 是一款接口简单、功耗低、温度检测范围广的数字型温度传感器。芯片对外仅仅三个引脚，分别为电源正、 电源负、指令和数据通信引脚。其他功能均集成在芯片内部， 内部具有电源检测单元、存储单元、总线接口单元、传感器 单元等，内部结构如图 3 所示。

从图 3 可知，在 DS18B20 内部集成了众多单元，这就 使得芯片对外接口简单，单片机只要根据指令和时序操作即 可。单片机给出采集指令，温度传感器收到后，对当前水温 进行采集，然后处理数据，最终将数字温度信号发送给单片 机。DS18B20 电路设计如图 4 所示。

显示单元

常规饮水机上并没有温度显示，这就导致使用者无法知 道当前水温。本设计采用 LCD1602 作为温度显示单元。该 液晶显示单元显示内容丰富，控制逻辑不复杂，因此适应于 各种家用电器显示功能。LCD1602 一共 16 个引脚。分别为 数据传输引脚、地址引脚、指令传输引脚、电源引脚、使能 引脚、背光亮度调整引脚。考虑到单片机 IO 口在输出电流 能力上不足，因此为了更好的显示，需要通过增加外围上拉 电阻，增强驱动能力。液晶显示单元电路如图 5 所示。

软件流程设计

在完成硬件电路设计后，要对系统软件功能进行设计。 因为选择单片机作为控制核心，因此软件代码采用 C 语言编 程，开发环境选择 keil － c51。软件通过加载到单片机内， 实现硬件功能和控制功能。

主流程架构

本设计的基于单片机的智能饮水机控制系统，主要实现 的功能包括：对水温的实时检测、对水进行加热、低水位检 测、自动断电以及水温及运行状态的显示等。具体实现如下： 在需要加热时，对饮水机内部的水进行加热操作；同时对当 前的水温和系统运行状态进行实时显示；当检测到水位过低 时，自动断电，防止没有水状态下的加热操作，有效避免事故。 流程设计如图 6 所示。

温度检测程序流程

饮水机的温度检测单元，选择的是DS18B20温度传感器， 该传感器需要软件指令才能完成相应的温度采集和传输功能。 功能实现上分为数据采集计算和数据回传两个组成部分。具体 流程为当系统上电后，温度传感器首先进行初始化操作，完成 自检。如果需要采集温度，单片机通过写入温度采集的指令和 地址，启动温度采集功能。温度采集后，温度传感器自动进行 计算校准等功能，然后将数据转化、存储，回传给单片机后， 完成本次温度采集。具体流程设计如图 7 所示。

结束语

基于单片机的智能饮水机控制与设计，主要是针对传 统饮水机没有温度显示及低水位自动断电功能而开发的一套 智能控制系统。本设计采用单片机作为控制核心，实现对 整个智能系统的控制；温度传感器选择低功耗、高精度的 DS18B20 传感器；液晶显示器支持数字、字母及汉字显示 的 LCD1602。通过电路设计，实现了预期的功能。当前家 居生活，自动化和智能化成为主导，而且对安全要求也越来 越高。本系统的成功开发，弥补了以前饮水机的不足，在智 能化和安全上有所突破，具有非常好的实际应用价值。