摘 要 本文闡述了一種基于STC11 F02單片機(jī)的新型節(jié)能環(huán)保飲水機(jī)控制系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)。利用DS18B20溫度傳感器、人體感應(yīng)器等傳感器檢測技術(shù)、單片機(jī)智能控制技術(shù)。該設(shè)計(jì)的飲水機(jī)具有智能、環(huán)保功能，具有很高的安全性和實(shí)用性。
【關(guān)鍵詞】單片機(jī) 傳感器 智能化 節(jié)能環(huán)保
飲水機(jī)與人們的日常生活有關(guān)，所以應(yīng)用比較廣泛，產(chǎn)品的種類也很多。隨著生活水平和飲水機(jī)設(shè)計(jì)的提高，一些普通飲水機(jī)走進(jìn)了我們的家庭。這種飲水機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，操作也比較簡單，而且比較實(shí)用，給人們的生活提供了方便。但目前各種類型的飲水機(jī)都存在一個共同的問題：在忘記關(guān)掉飲水機(jī)的情況下，帶來的千滾水、小孩容易觸摸到熱水口燙傷，這既存在一定的健康、安全隱患，又造成電能浪費(fèi)。
本文運(yùn)用電子設(shè)計(jì)理論，充分結(jié)合生活實(shí)際，從人員安全和節(jié)能、環(huán)保角度出發(fā)，設(shè)計(jì)一種溫度自動檢測、人體感應(yīng)自動檢測、加熱系統(tǒng)自動通斷、指示燈電路、報(bào)警電路、熱出水口的安全放水為主的電路組成智能控制系統(tǒng)，解決目前飲水機(jī)健康安全、電能浪費(fèi)的問題。此控制器電路簡單、工作穩(wěn)定、使用方便、實(shí)用性強(qiáng)、成本低、故障率低，該技術(shù)還適用于工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的自動控制。
1 新型飲水機(jī)的溫度、人體的檢測設(shè)計(jì)的理論探究
為了避免飲水機(jī)產(chǎn)生千滾水和小孩觸摸熱水口燙傷，所以需要給飲水機(jī)安裝一只“手”和一個“眼睛”，通過這只“手”來感覺溫度；這雙“眼睛”的觀察，智能判定飲水機(jī)的加熱器以及電磁閥水龍頭。所以，本問題的解決，主要尋找什么做“手”、“眼睛”及如何智能判定。單片機(jī)因體積小、重量輕、成本低廉、靈活性好、易于開發(fā)與應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、生產(chǎn)過程控制、智能化儀器、儀表等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)智能化控制。選擇單片機(jī)實(shí)現(xiàn)智能化控制是常用的方法。在選定單片機(jī)實(shí)現(xiàn)智能控制的基礎(chǔ)上，為解決本問題還存在兩個主要困難：一是選擇什么作為飲水機(jī)的 “眼睛”，如何實(shí)現(xiàn)人體的判斷；二是選擇什么作為“手”，如何判斷溫度。
隨著電子技術(shù)、智能控制技術(shù)的發(fā)展，各種電子設(shè)計(jì)產(chǎn)品逐步滲透到生活的各個角落。那么解決以上兩個困難已不是問題。人體的檢測方面本課題采用的是人體接近傳感器又稱無觸點(diǎn)接近傳感器，是理想的電子開關(guān)量傳感器。當(dāng)金屬檢測體接近傳感器的感應(yīng)區(qū)域，開關(guān)就能無接觸，無壓力、無火花、迅速發(fā)出電氣指令，準(zhǔn)確反應(yīng)出運(yùn)動機(jī)構(gòu)的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作頻率、使用壽命、安裝調(diào)整的方便性和對惡劣環(huán)境的適用能力，是 一般機(jī)械式行程開關(guān)所不能相比的。另外在溫度檢測方面采用的是數(shù)字化溫度傳感器DS18B20，傳感器采用不銹鋼外殼封裝，可防潮防水。測量溫度范圍為 -55°C～+125°C，在-10～+85°C范圍內(nèi)，精度為 ±0.5°C。現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。從而達(dá)到實(shí)用、低成本、節(jié)能的效果
2 節(jié)能環(huán)保智能飲水機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)健康安全、節(jié)能的目的，擬定制作一個智能控制應(yīng)急燈控制器，以便安全合理的使用飲水機(jī)�？刂破髟O(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示，具體擬定如下設(shè)計(jì)思路：通過溫度傳感器來檢測溫度，當(dāng)溫度第一次達(dá)到90度報(bào)警器發(fā)出嘀一聲，此時指示燈為紅色，若溫度低于25度時加熱棒將自動加熱，此時指示燈為橙色，直到水溫90度時報(bào)警器再次嘀一聲，指示燈將變回紅色。如此循環(huán)三次（注：溫度和循環(huán)次數(shù)是可以設(shè)置）加熱棒將自動斷電。人體感應(yīng)器通過對人體的感應(yīng)來驅(qū)動電磁閥的開閉，若有人的時候則電磁閥打開，熱水就可以放出來，反之熱水無法放出來。從而實(shí)現(xiàn)了對飲水機(jī)的智能控制。
2.1電路原理圖
節(jié)能環(huán)保智能飲水機(jī)控制器電路如圖2所示，其主要由STC11F02單片機(jī)為數(shù)據(jù)處理核心；T1溫度傳感器（DS18B20）為溫度數(shù)據(jù)的采集并傳送給單片機(jī)處理；指示燈電路主要由D1雙色燈組成，主要對加熱過程的提示作用；復(fù)位和啟動電路主要是由S1按鍵及相關(guān)電阻和電容組成，其作用是控制器的啟動和復(fù)位；報(bào)警電路主要是由LS1蜂鳴器和Q1三極管構(gòu)成，主要是對水溫達(dá)到上限值的時候發(fā)出不同的鳴叫聲；加熱棒和電磁閥驅(qū)動點(diǎn)主要由Q2、Q3繼電器構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了弱電對強(qiáng)電的控制。整個電路原理簡單、易懂、實(shí)用。
2.2程序部分
電路部分的控制中心主要由單片機(jī)來完成，加熱棒和電磁閥實(shí)現(xiàn)圖1所示的工作過程，單片機(jī)內(nèi)程序設(shè)計(jì)按圖3所示的流程圖編寫。
系統(tǒng)工作原理描述：上電開機(jī)時，加熱功能打開（此時紅色指示燈亮起）并實(shí)時檢測水溫，當(dāng)其大于60℃時，加熱停止（此時綠燈亮起紅燈熄滅），此過程視為完成一輪加熱過程，當(dāng)水溫低于35℃時下一輪加熱過程開始，直至第三輪加熱停止整個系統(tǒng)便會進(jìn)入休眠狀態(tài)。在整個過程中外部中斷用于檢測人體的接近情況，只有身高足夠的人接近才能觸發(fā)外部中斷并打開水閥，否則其平時處于關(guān)閉狀態(tài)防止幼兒接觸到滾燙的熱水。進(jìn)入休眠的系統(tǒng)只要檢測到條件合適的人接近便會立即恢復(fù)正常工作狀態(tài)。
3 實(shí)物檢測與結(jié)果評價
按上述分析思路設(shè)計(jì)并制作節(jié)能環(huán)保飲水機(jī)智能控制系統(tǒng)，實(shí)物圖如圖6所示。透明玻璃鋼為熱水槽，頂部黑色的為人體感應(yīng)器。
同時，我們對制作的樣品系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測試，測試方法及結(jié)果如下：
�。�1）為了便于測試在這過程中我們把溫度的范圍設(shè)定在40-60度。初始上電后，按下復(fù)位按鈕即開始加熱，指示燈由綠色變橙色。
�。�2）經(jīng)過一段時間（約5分鐘）后，我們聽到嘀的一聲，同時指示燈變紅色，加熱棒停止加熱了。這時我們?nèi)俗叩饺梭w感應(yīng)器前約30cm（該距離可調(diào)）此時用手去按紅色的水龍頭則熱水流出來。當(dāng)我們遠(yuǎn)離該感應(yīng)器，在去按那紅色水龍頭會發(fā)現(xiàn)水放不出來了，這就避免小孩燙傷。
�。�3）在（2）的情況下，當(dāng)加熱棒加熱三次后（次數(shù)可調(diào)）聽到一聲嘀的長鳴一聲，延時3秒（改時間可調(diào)）發(fā)現(xiàn)指示燈滅掉，加熱棒將不在加熱，這就避免的千滾水的出現(xiàn)。
4 總結(jié)
本文設(shè)計(jì)的節(jié)能環(huán)保飲水機(jī)智能控制系統(tǒng)具有電路簡單、使用方便、成本低等特性，通過測試結(jié)果表明系統(tǒng)性能穩(wěn)定，通過本次設(shè)計(jì)與制作讓我學(xué)到了一些電子及智能控制方面的知識；提高了自身的環(huán)保意識。當(dāng)然該設(shè)計(jì)還存在一些缺陷如通過人體感應(yīng)進(jìn)行軟啟動，增加鍵盤功能進(jìn)行溫度、時間、次數(shù)的調(diào)節(jié)等。該系統(tǒng)控制技術(shù)可推廣到其他一些工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)控制中去。
參考文獻(xiàn)
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[6]李真，張玉兵，王偉.基于MSP430的水溫加熱控制系統(tǒng)[J].傳感器世界，2012.4
[7]郭毅飛，董峰.基于AT89C51單片機(jī)的智能飲水機(jī)控制系統(tǒng)[J].湖南農(nóng)機(jī)，2012.11.
[8]吳慧峰，劉政，楊雙.智能型家用飲水機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].數(shù)學(xué)技術(shù)與應(yīng)用，2012.3.
【關(guān)鍵詞】單片機(jī) 傳感器 智能化 節(jié)能環(huán)保
飲水機(jī)與人們的日常生活有關(guān)，所以應(yīng)用比較廣泛，產(chǎn)品的種類也很多。隨著生活水平和飲水機(jī)設(shè)計(jì)的提高，一些普通飲水機(jī)走進(jìn)了我們的家庭。這種飲水機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，操作也比較簡單，而且比較實(shí)用，給人們的生活提供了方便。但目前各種類型的飲水機(jī)都存在一個共同的問題：在忘記關(guān)掉飲水機(jī)的情況下，帶來的千滾水、小孩容易觸摸到熱水口燙傷，這既存在一定的健康、安全隱患，又造成電能浪費(fèi)。
本文運(yùn)用電子設(shè)計(jì)理論，充分結(jié)合生活實(shí)際，從人員安全和節(jié)能、環(huán)保角度出發(fā)，設(shè)計(jì)一種溫度自動檢測、人體感應(yīng)自動檢測、加熱系統(tǒng)自動通斷、指示燈電路、報(bào)警電路、熱出水口的安全放水為主的電路組成智能控制系統(tǒng)，解決目前飲水機(jī)健康安全、電能浪費(fèi)的問題。此控制器電路簡單、工作穩(wěn)定、使用方便、實(shí)用性強(qiáng)、成本低、故障率低，該技術(shù)還適用于工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的自動控制。
1 新型飲水機(jī)的溫度、人體的檢測設(shè)計(jì)的理論探究
為了避免飲水機(jī)產(chǎn)生千滾水和小孩觸摸熱水口燙傷，所以需要給飲水機(jī)安裝一只“手”和一個“眼睛”，通過這只“手”來感覺溫度；這雙“眼睛”的觀察，智能判定飲水機(jī)的加熱器以及電磁閥水龍頭。所以，本問題的解決，主要尋找什么做“手”、“眼睛”及如何智能判定。單片機(jī)因體積小、重量輕、成本低廉、靈活性好、易于開發(fā)與應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、生產(chǎn)過程控制、智能化儀器、儀表等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)智能化控制。選擇單片機(jī)實(shí)現(xiàn)智能化控制是常用的方法。在選定單片機(jī)實(shí)現(xiàn)智能控制的基礎(chǔ)上，為解決本問題還存在兩個主要困難：一是選擇什么作為飲水機(jī)的 “眼睛”，如何實(shí)現(xiàn)人體的判斷；二是選擇什么作為“手”，如何判斷溫度。
隨著電子技術(shù)、智能控制技術(shù)的發(fā)展，各種電子設(shè)計(jì)產(chǎn)品逐步滲透到生活的各個角落。那么解決以上兩個困難已不是問題。人體的檢測方面本課題采用的是人體接近傳感器又稱無觸點(diǎn)接近傳感器，是理想的電子開關(guān)量傳感器。當(dāng)金屬檢測體接近傳感器的感應(yīng)區(qū)域，開關(guān)就能無接觸，無壓力、無火花、迅速發(fā)出電氣指令，準(zhǔn)確反應(yīng)出運(yùn)動機(jī)構(gòu)的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作頻率、使用壽命、安裝調(diào)整的方便性和對惡劣環(huán)境的適用能力，是 一般機(jī)械式行程開關(guān)所不能相比的。另外在溫度檢測方面采用的是數(shù)字化溫度傳感器DS18B20，傳感器采用不銹鋼外殼封裝，可防潮防水。測量溫度范圍為 -55°C～+125°C，在-10～+85°C范圍內(nèi)，精度為 ±0.5°C。現(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。從而達(dá)到實(shí)用、低成本、節(jié)能的效果
2 節(jié)能環(huán)保智能飲水機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)健康安全、節(jié)能的目的，擬定制作一個智能控制應(yīng)急燈控制器，以便安全合理的使用飲水機(jī)�？刂破髟O(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示，具體擬定如下設(shè)計(jì)思路：通過溫度傳感器來檢測溫度，當(dāng)溫度第一次達(dá)到90度報(bào)警器發(fā)出嘀一聲，此時指示燈為紅色，若溫度低于25度時加熱棒將自動加熱，此時指示燈為橙色，直到水溫90度時報(bào)警器再次嘀一聲，指示燈將變回紅色。如此循環(huán)三次（注：溫度和循環(huán)次數(shù)是可以設(shè)置）加熱棒將自動斷電。人體感應(yīng)器通過對人體的感應(yīng)來驅(qū)動電磁閥的開閉，若有人的時候則電磁閥打開，熱水就可以放出來，反之熱水無法放出來。從而實(shí)現(xiàn)了對飲水機(jī)的智能控制。
2.1電路原理圖
節(jié)能環(huán)保智能飲水機(jī)控制器電路如圖2所示，其主要由STC11F02單片機(jī)為數(shù)據(jù)處理核心；T1溫度傳感器（DS18B20）為溫度數(shù)據(jù)的采集并傳送給單片機(jī)處理；指示燈電路主要由D1雙色燈組成，主要對加熱過程的提示作用；復(fù)位和啟動電路主要是由S1按鍵及相關(guān)電阻和電容組成，其作用是控制器的啟動和復(fù)位；報(bào)警電路主要是由LS1蜂鳴器和Q1三極管構(gòu)成，主要是對水溫達(dá)到上限值的時候發(fā)出不同的鳴叫聲；加熱棒和電磁閥驅(qū)動點(diǎn)主要由Q2、Q3繼電器構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了弱電對強(qiáng)電的控制。整個電路原理簡單、易懂、實(shí)用。
2.2程序部分
電路部分的控制中心主要由單片機(jī)來完成，加熱棒和電磁閥實(shí)現(xiàn)圖1所示的工作過程，單片機(jī)內(nèi)程序設(shè)計(jì)按圖3所示的流程圖編寫。
系統(tǒng)工作原理描述：上電開機(jī)時，加熱功能打開（此時紅色指示燈亮起）并實(shí)時檢測水溫，當(dāng)其大于60℃時，加熱停止（此時綠燈亮起紅燈熄滅），此過程視為完成一輪加熱過程，當(dāng)水溫低于35℃時下一輪加熱過程開始，直至第三輪加熱停止整個系統(tǒng)便會進(jìn)入休眠狀態(tài)。在整個過程中外部中斷用于檢測人體的接近情況，只有身高足夠的人接近才能觸發(fā)外部中斷并打開水閥，否則其平時處于關(guān)閉狀態(tài)防止幼兒接觸到滾燙的熱水。進(jìn)入休眠的系統(tǒng)只要檢測到條件合適的人接近便會立即恢復(fù)正常工作狀態(tài)。
3 實(shí)物檢測與結(jié)果評價
按上述分析思路設(shè)計(jì)并制作節(jié)能環(huán)保飲水機(jī)智能控制系統(tǒng)，實(shí)物圖如圖6所示。透明玻璃鋼為熱水槽，頂部黑色的為人體感應(yīng)器。
同時，我們對制作的樣品系統(tǒng)的性能進(jìn)行了測試，測試方法及結(jié)果如下：
�。�1）為了便于測試在這過程中我們把溫度的范圍設(shè)定在40-60度。初始上電后，按下復(fù)位按鈕即開始加熱，指示燈由綠色變橙色。
�。�2）經(jīng)過一段時間（約5分鐘）后，我們聽到嘀的一聲，同時指示燈變紅色，加熱棒停止加熱了。這時我們?nèi)俗叩饺梭w感應(yīng)器前約30cm（該距離可調(diào)）此時用手去按紅色的水龍頭則熱水流出來。當(dāng)我們遠(yuǎn)離該感應(yīng)器，在去按那紅色水龍頭會發(fā)現(xiàn)水放不出來了，這就避免小孩燙傷。
�。�3）在（2）的情況下，當(dāng)加熱棒加熱三次后（次數(shù)可調(diào)）聽到一聲嘀的長鳴一聲，延時3秒（改時間可調(diào)）發(fā)現(xiàn)指示燈滅掉，加熱棒將不在加熱，這就避免的千滾水的出現(xiàn)。
4 總結(jié)
本文設(shè)計(jì)的節(jié)能環(huán)保飲水機(jī)智能控制系統(tǒng)具有電路簡單、使用方便、成本低等特性，通過測試結(jié)果表明系統(tǒng)性能穩(wěn)定，通過本次設(shè)計(jì)與制作讓我學(xué)到了一些電子及智能控制方面的知識；提高了自身的環(huán)保意識。當(dāng)然該設(shè)計(jì)還存在一些缺陷如通過人體感應(yīng)進(jìn)行軟啟動，增加鍵盤功能進(jìn)行溫度、時間、次數(shù)的調(diào)節(jié)等。該系統(tǒng)控制技術(shù)可推廣到其他一些工業(yè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)控制中去。
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