基于单片机的饮水机温度控制系统的设计与应用解读.docx
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基于单片机的饮水机温度控制系统的设计与应用解读
江苏财经职业技术学院
综合毕业实践说明书(论文)
标题:
基于单片机的饮水机温度控制系统的设计与应用
系别:
机械与电子工程系
专业:
生产与成本管理
学号:
1011204119
姓名:
任胜强
指导教师:
刘玲
年月日
摘要
介绍饮水机的温度控制系统。
该系统基于单片机进行编程实现饮水机的智能温度控制,在饮水机保温时候采用双位调节的方式进行温度控制,控制精度为正负二摄氏度左右,采用该温控系统可以使得饮水机在插电使用中不产生“千滚水”。
保温的温度、时间和预加热时间可以根据使用习惯进行设定,日常使用更加贴心。
关键词:
单片机;温度控制;减少功耗;健康安全
第一章绪论
1.1引言
自改革开放以来,中国和世界接轨,人们的生活水平在不断的提高,思想也从原来的温饱型生活向享受型生活跟进。
进入二十一世纪后,家用电器行业形成了一个巨大的市场,且不成上升阶段。
而饮水机作为最普通的家用电器,不仅给我的生活提供了便利,还让我们的生活水平得到了提高。
现今市场上大部分饮用水机采用热敏电阻进行温度控制,饮水机将水从常温开始加热煮沸,达到一定的温度后温度开关断开,停止继续加热;随后温度慢慢降下,当温度下降到一定值时,温控开关闭合,饮用水机开始加热直至煮开沸腾,但是问题出现了,如果我们在喝完水之后出门做事或者忘记切断电源,就会使水不断地烧开,这样既会浪费能源,而且水在反复烧开的环境下容易产生有毒物质损害人的健康。
因此在这我们主要讨论怎样将单片机应用饮水机上,给饮水机设计一个既能够节约资源又能够保护环境的温度控制系统,来解决饮水机缺陷。
1.2课题意义
随着科技发展,人们的生活在不断地向智能型、自动便利型发展,以此就延伸出来了单片机这类科技产物。
单片机的应用比较广泛,多用于电子产品。
这里我们就来谈谈基于单片机的饮水机温控系统的设计与应用。
现今市场上的饮水机大多价格低廉,制造简便。
但是随着人们的长期使用,饮水机的问题也就暴露了出来。
浪费资源,损害身体健康择时最大的缺陷。
传统的饮水机功能比较单一,只有简单的温度控制,并且不能根据用户的实际情况进行自行的设定,十分不便。
另外,由于饮水机在通电的情况下,一直处于加热状态,耗电严重,不利于环保。
最后,也是饮水机的致命弱点,由于在通电状况下,水是在不断的加热沸腾易产生有毒物质,对身体的健康有着严重的危害。
为了克服这些缺陷,在此设计的基于单片机的饮水机可以很好地解决这个问题。
单片机的应用,可以使饮水机的温度控制更加精确。
避免了产生“千滚水”的现象。
1.3此次设计的主要内容
(1)查阅关于基于单片机的饮水机的相关文献资料,认真分析一些市场上的一部分饮水机产品,了解它的原理及其优点,并以一品牌产品作为实例进行介绍分析。
(2)根据自己对现有产品的观察与研究,提出自己的设计方案及原理技术。
(3)对自己设计出的产品进行调试改进。
第二章硬件的电路设计及原理
2.1硬件电路设计
此次设计的系统主要目的是通过显示屏将时间温度都以数字的形式呈现出来,让使用者更加直观地知道饮水机当前的使用情况。
另外饮水机在通电保温时段可以防止水反复的烧开,保温的温度、时间和预热时间可以根据用户的需求自由设定。
系统硬件如图1所示,此次我将以一款常见的单片机作为实验对象。
STC89C516RD单片机具有很强的抗干扰能力,并且它能很迅速的反应用户所设定的要求,最后实现了低能环保的要求,总体而言,基本具备了用户的日常使用功能。
此系统的工作电压约为3.4V到5.5V之间,工作频率0~40MHZ,此系统还可以进行时钟周期的选择,主要有12时钟/机器周期和6时钟/机器周期两种模式,系统内部还有自己的智能监控设备,以防止在长期插电的情况下对饮水机的寿命损耗。
图1系统结构框图
图2饮水机的基本工作原理
2.2测温电路
饮水机在通电加热时,DS18B20温度传感器通过感应装置对水温进行测量并此数据转换成二进制的数据传递给单片机,单片机再由此数据传达命令给温控装置,从而来调节温度实现水的保温而不至于反复加热产生有毒物质。
DS18B20仅需要一个引脚来接受和发送数据,单片机与其之间用一根数据线进行连接实现数据交换。
该温度传感器测温范围比较大,适用于各个地区各个环境使用更加方便。
此测温器的测量值为零下55℃到正125℃之间,这样无论你是使用在北方严寒天气,还是西部酷热环境都是可以适用的。
它的测温分辨率较高达到了0.5℃,工作电压为3到5.5V/DC,在使用时只需测量饮水机内胆水的温度,就可以将数据传递给单片机,减少了不必要的外围元件的使用,一定程度上节约了成本。
当单片机给系统发送变换温度命令后,系统装置开始启动温度转换,一般来说,温度转换的时间与用户给系统设定的分辨率相关联,当分辨率越高时,它的转换时间越长,但是精度会比较高,而与此相反,当分辨率越低时,它的装换时间越短,但是它的精度却降了下来。
此系统的分辨率在位和12位之间(包括9位和12位)。
为了让转换额时间和精度达到最佳完美的状态。
我们在此次系统软件编辑中采用11位的设置。
另外,本设计所用的器件为了能够更加符合系统的要求,它将体积小,低质量,高效率等特点融为于一身。
在硬件电路上,DS18B20可以使用内部电源同时也可以使用外部电源。
外部电源用3~5.5V电源即可。
亦可使用外部电源供电,DS18B20可以从单总线上获得电源,当信号线处于高电平时,单片机通过控制能把能量存储在机器内部的电容里面,在信号线处于低电平期间由内部电容提供能量,直到高电平到来再给寄生电容充电。
当加热温度高于100摄氏度时,不能采用寄生电源供电因为此时DS18B20漏电流比较大,这样会使得机器无法正常使用。
在这我们一般采用外部电源进行连接供电,这样是为了确保系统的稳定运行。
电路原理图如图3所示,DS18B20的DQ脚与单片机的P1.3引脚相连,R1为上拉电阻。
在实验进行时,我们要对饮水机里的水进行加热测温。
先将DS18B20放置在Φ6mm的不锈钢保护管中,然后填充硅胶增强导热性,再放入加热胆中,这样测量效果比较好。
图3DS18B20测温电路
图4温度控制电路
2.3时钟电路
为了让用户更加使用方便,我们必须给它加入一个人性化的设计。
那就是时钟电路了,有了这个,我们可让机器具备随时加热,定时加热,设定加热时常等功能了。
本设计我们将用实时时钟芯片DS1302作为系统的时间计时工具,本时钟芯片最大的优点是它能将时间精确到秒,亦可以将时间拉长至年,这样你就可以全年对此系统进行时间设定,还是十分实用。
此时钟芯片的工作电压仅有2.5V~5.5V之间,也算是切合了节能环保的主题了。
在通电情况下,本芯片可以对备份电池进行充电,但并不是时备用电池的电量一直处于饱和的状态下,这样一定程度上就延长了备份电池的使用寿命。
当外部电源断电时,这个时候就会启动备用电池了。
确保饮水机一直处于工作状态。
防止了由于断电给用户带来的不便。
下图就是本次设计的时钟电路的原理图。
图5DS130时钟电路
图6时钟模块电路图
2.4饮水机监控电路
本电路主要是通过对出水口的出水量进行监控,然后具体控制饮水机的开关,比如当系统检测到饮水机出水口一小时内没有出水,那就默认为这个时段没人使用此时就会自动断开连接,使饮水机不再加热防止对水进行污染影响健康,亦能节约能耗。
电路如下图7所示。
此监控系统的原理其实十分简单,在设计时我们就将红外线传感器放置在出水口处,当饮水机无人使用时,S信号微弱,则放大器输出信号不强,比较器输出低电平,三极管截止,反之,当饮水机有人使用时,S信号强,则放大器输出信号较强,比较器输出高电平,三极管导通。
图7饮水机监控电路
2.5水量检测电路
除了对时间电路进行设计,我们还有对水量进行控制。
当水进入水胆之后,压力传感器就开始启动,他会对此时水的重量进行测量并且控制。
当水量处于2升或者2升以上时,系统内部的报警系统就会响起警告,水量为1升或者低于1升的时直接断电,传感器在传输信号时一般会先将信号进行放大,再与标准的信号进行比较,将输出的信号送至单片机。
图8饮水机控制电路
该电路由三个运算放大器构成,由信号放大级和比较级这两个主要部分组成,其中比较电路是电路的核心,当水量检测电路进行工作时,电路会将采集过来的压力信号和标准信号进行比较,另外,还会将模拟信号转换成数字信号,最后系统通过这些信息送至单片机来判断是否需要接通电源。
图9剩余水量检测电路
2.6数据保存接口电路
在饮水机使用过程中难免会出现断电的情况。
如果没有智能系统,在突然断电时会损毁机器,减少机器的寿命。
而且如果突然机器处于断开电源的状态导致饮水机停止工作,系统中用户在之前保存的数据都会消失。
比如保温温度、保温时间等之前设定过的参数将会丢失,当你重新通上电时里面的数据内容必须要重新进行设定。
从而造成使用的不方便。
为了在下次断电重启后方便免于重新设定参数,为了防止掉电丢失,这个时候就要用到这个数据保存电路了。
本设计采用AT24C01芯片,它提供128字节的EEPROM存储空间,采用IIC总线通信,原理图如图10所示。
每次用户进行按键设置之后,系统将自动备份用户设定的参数,将改变的数据复制到AT24C01中,这样系统在每次重启时直接从AT24C01中读取相关参数,当你在断电重启时不必再进行参数设定,免去了不必要的麻烦了。
图10数据保存接口电路
2.7饮水机彩屏显示模块
本次设计的饮水机采用TFT彩屏色彩模式显示方式,由于黑白和彩色的像素点显示的方式不同,一个黑白或单色像素点使用的是二进制表示,彩色像素用的则是多位二进制数表示。
二进制的位数其实是用于反映像素点的显示质量的,位数越多,质量越高。
二进制的位数有1位色、8位色、16位色、24位色和32位色供选择。
当然选择的位数越高显示效果越好。
现在我的吧显示器用在饮水机上,所以并不需要太高的位数,而且,位数太高单片机反而不能更好的发挥它的功效。
由于系统采用的是8位单片机,所以本设计采用16位色表示一个彩色点。
下面的图11为就是1个16位二进制数所表示一个彩色点的示意图,在这个显示面板中能够显示出三种基本色调,即红绿蓝。
通过对三种颜色的不同比例颜色的调配,就能显现出多种颜色,最多可以显示出65536种不同的颜色。
图1116位二进制表示的彩色点示意图
2.8彩色屏幕显示的原理及汉字字模的获取
通过上面对像素点的解释,我们大体也可以了解彩色屏幕像素点颜色的表示方法了,但是如果你想吧汉字显示在上面则需要另外的一些方法了,如果你想要把一个汉字显示在彩色显示屏上,还需要获取需要显示的汉字的字模。
大家应该都知道,要想显示出汉字那必须将汉字以点阵组合的形式来完成。
本次在我们的文字显示模块中,每个汉字均由16行16列的点阵组成,即每个字都由256个点阵组成。
一次类推,通过这种方式我们可以将256个点阵拼凑出任意一个字符,亦可以是自己想象出来的图像,大大的增加了灵活性,这里也就可以通过改变像素点的颜色来实现字体颜色的变化了。
图12显示器系统
利用行扫描的方法,可以获取任意一个汉字的字模。
例如下图13“南”字的示意图。
我们在书写时可以对这个汉字进行扫描,如果有笔画的就以1表示,没有汉字显示空白的用0表示,最后通过对数字1以及0两个数字进行不同颜色的染色就可以显示出我们想要的汉字了。
利用这种方法减轻了设计者的很多麻烦。
图13“南”点阵的示意图
图14显示模块电路图
2.9即热式饮水机与智能饮水机的差异
在市面上还有另一种饮水机,那就是即热式饮水机,如下图15所示。
它的结构和我们这里所研究的饮水机原理不同,这种饮水机并没有内胆。
它采用的是即时加热的方式,而且是快速加热的方式。
这样就可以做到想喝的时候加热,即饮即热。
但是也存在缺点,这样虽然能降低能耗节约资源。
但是却给用户带来不方便。
当用户想喝热水的时候才进行加热煮沸。
浪费了时间和精力。
虽说如此但是优点也是很突出的,由于是即时加热的方式,所以一般不会出现千滚水的现象。
做到了健康饮用的好处。
千滚水是死水,经过多次加热后的水有益物质基本都消失了。
对人体很不利。
喝了多次煮沸的开水会导致血液中的低铁血红蛋白结合成不能携带氧的高铁血蛋白,从而引起血液中毒。
当水在高温下经过反复烧煮沸腾,水中的物质就会沉淀下来,就成了水垢,当用户喝水时水垢会随着饮用水一起被喝进人体内部,长期饮用会对健康不利,容易引起肠道疾病。
严重的情况下可能会造成组织缺氧、呼吸急促、胸口沉闷、嘴唇及指甲呈现紫色,或是容易犯困等现象。
产生的水垢对饮水机的寿命也产生了很大的影响,减少了使用率。
相比我们现在所设计的饮水机,即热式饮水机还有一个很大的弊端。
不能根据用户的需求设定时间,在家庭使用或者办公使用时都极不方便。
但是相比智能型饮水机也有它自己的优点,那就是即热式饮水机比我们设计的饮水机更加节约电能。
从环保的节能角度还是十分出色的。
图15即热式饮水机的典型结构
2.10即热式饮水机与传统饮水机的耗电量对比分析
这里我们简单的做一个实验来证明即热式饮水机的节能性。
我们把传统饮水机和这饮水机进行科学的实验对比。
两个饮水机在相同室温下同时在通电的状态下加入等量的水进行加热试验。
然后每通过一段时间对两饮水机内的水温进行测量记录,得出了如下表1的数据供各位进行参考,下图为传统饮水机的测量结果。
表1传统饮水机测量结果
由表可知传统的饮水机的水温一直保持在90度以上,很容易就产生了千滚水。
而即热性的只有在使用时才会加热并且只加热一次。
并不会出现千滚水。
即热型饮水机的测量结果表在此先省略了。
图16饮水机温度控制原理图
图17某品牌型号的即热式饮水机
第三章软件设计
3.1主程序设计
接下来我们就来介绍怎么将测量出来的数据显示在显示屏上。
首先我们将测量出来的数据参数用传感器转换成另一种信号,再将这种信号与预先设定好的值进行对比。
对比出来的差值经过一个特殊的公式进行转换,最后形成一个控制值,将这个值传输到中央系统进行分析下达显示到彩色屏幕上。
另外一方面系统将这测量出来的数据传输到各个控制系统中,把这数据与设定值进行对比分析,系统通过这个差值将加温系统、时间控制系统进行控制。
考虑到生产成本,本系统的控制精度要求不是很高。
这里还有一个很关键的系统,那就是刷新系统。
此系统可以在机器正常工作时,每隔一段时间对测量出来的参数进行刷新一次,来保障机器的正常运行,经过这样的控制之后,饮水机内的水就不会被反复烧开,防止了“千滚水”的形成,达最终也达到了节约耗能的目的。
下图为主程序的原理图。
图18主程序原理图
3.2双位调节控制子程序
现在我们来说说保温系统的具体操作原理。
当饮水机在正常通电工作时,加热器对水加热到一定的温度后,保温系统这个时候就开启了。
通过双位调节控制能够使得水温在系统设定的温度范围内波动内上下波动,一般测量的精度为正负两度,当温度超过这个范围后系统将断开继电器,进行不再进行加热升温;如果检测到水温低于设定的温度后闭合开继电器,开始进行加热升温。
双位调节控制子程序流程图以及保温温度控制图如下图所示。
图19双位调节控制子程序流程图
图20保温温度控制图
图21环境温度为22℃,保温温度设定为60℃的温控结果
3.3看门狗定时器
当用户在使用饮水机的过程中难免会出现突发的意外,当系统的使用过程中受到干扰而失控的时候,往往会使程序混乱,最后破坏软件系统。
这时看门狗系统就起作用了,使系统脱离这种状态,趋于稳定。
本系统中就自带了一个14位的看门狗定时器,此单片机采用12时钟模式时,可以对饮水机的状况进行实时监控。
当出现突发情况时,系统默认强制启动看门狗系统。
让系统进行重新启动或者恢复初始设置来保证系统的安全和饮水机的正常使用。
结束语
以上就是我所设计的基于单片机的智能饮水机,本设计的饮水机也是依据环保节能的理念还有方便用户使用的原则的,此智能饮水机系统是以传统饮水机为基础,然后加入单片机系统从而实现智能化。
在饮水机进行加热时,系统会对水温进行实时监控,温度的精度达到正负2摄氏度(采用的双位调节是一种简单易行的控制方式,具有成本低廉、可靠性强的特点,在控制精度要求不是很高的场合广泛应用)。
低于这个值加热系统开始工作,反之,高于这个值,加热系统停止工作。
将水温恒定的控制在设定的温度范围之内,从而有效的防止出现千滚水的出现,让用户更加的健康的饮用。
相对于传统的饮水机是一种很大的进步了。
。
本系统采用的屏幕是1.8寸的彩色屏,显示方式也是现今各种显示器最常见的点阵显示方式。
即通过控制每一个点阵发出的颜色来显示出想要的汉字或者图像。
我们还对用户的界面进行了优化,使其看上去简单易懂易操作。
这样用户在操作设定加热温度、保温时间等时可以很轻松的完成,实现了人性化的特点。
由于本饮水机的智能系统所采用的单片机以及监控系统的价格普遍价格都不高,所以整体的饮水机价格也不高,和传统的饮水机价格相差无几,也算是高性价比了。
以上就是我对智能温控型饮水机的整体设计和原理介绍了。
致谢
接近一个月的努力,我的毕业论文也差不多要暂告收尾了,与此同时,我的学生时代也差不多结束了。
刚来到这个学校时,自己只不过是一个什么都不懂得“孩子”在这大学三年的时间里,至少我的思维能力以及社会认知实践能力增强了不少。
除了课本上的知识,我也明白了在社会上要立足更加需要的是人际交流能力,这个比什么都要重要。
有了良好的交际能力,你就能在工作生活中结识许多人,这些人在你有困难或者需要帮助的时候都会伸出手来拉你一把。
论文也是如此,论文的写作是枯燥艰辛而又富有挑战的。
想要很好的完成一篇论文离不开老师和同学朋友的指导,正是有他们的帮助与鼓励,我才有完成这篇论文的动力。
所以在此,我应该要好好的感谢我的指导老师的帮助。
当然同学和朋友的帮助也是功不可没的,在我写论文的过程中给予我了很多有用的素材,还在论文的撰写和排版的过程中提供热情的帮助。
另外,这篇论文引用了许多文献资料,我们也该感谢一下这些学者,正是因为各位学者孜孜不倦的研究和探讨,才会有这么多的学术成果呈现给世人。
为社会的进步贡献了一份力量。
如果没有这些学者的成果,我将很难完成本篇论文的写作。
通过这次论文的写作,我深深的体会到老师的认真的教学态度,严谨的治学精神,精益求精的工作作风,从中我受益匪浅。
从课题的选择到项目的最终完成,老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持参考文献。
正是老师的那种精神,我觉得我在以后的工作和学习中都可以加以应用。
最后,向我大学时光的所有同学、朋友、老师表示真挚的感谢,感谢三年来对我的帮助和给我留下的美好回忆。
参考文献
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(7)8051系列单片机C程序设计完全手册
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中国宇航出版社,
(10)李国厚《串行转换器及其应用仪表技术》机械工程出版社,
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