基于单片机的饮水机

基于单片机控制的饮水机设计侯昭广（容县职业中等专业学校，广西容县537500）2009-9-14摘要：为了避免饮水机的开水有反复烧开的二次污染、冷开水混合、开水容器不容易清洗等问题，该设计利用水位传感器和AT89C52单片机芯片对水量进行智能控制，为了对开水容器方便打开清洗采用活动盖式，并设置有自动断电和防干烧功能。饮用该种饮水机的水更为安全和卫生。经反复试验证明加水控制、自动断电、防干烧功能的效果和细菌杀灭率都很好。关键词：单片机控制；水位传感器；AT89C52单片机芯片；活动盖；饮水机设计中图分类号：TU991文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）19-0031-02医学专家已证实人们长期饮用二次污染和含氧化镉的开水对人体健康有害。普通饮水机是难以避免的。因此，设计出开与生水完全隔离，防止没有取出的开水冷后再反复再烧，下一次饮的水可能是重烧的二次污染的水，喝这样的水对人的健康是有害的。另外，以往的饮水机用来装加热水的容器是连体密闭的，内部很不利于清洗，时间长了，水有沉污物，电热管有氧化镉，饮用这样的水也是有害健康的。因此，该设计的饮水机对加热器不但方便清洗，而且采用开、冷水彻底隔离法，保证饮用水安全和卫生。一、硬件组成本设计基于AT89C52单片机芯片控制饮水机，在储水容器与加热容器之间设置有进水电磁阀控制，进水电磁阀门接12V电压，开启时间由AT89C52单片机按照用户实际需求控制。开水容器到达预定水位后，水位传感器把信息送给AT89C52单片机芯片P11~P17端输入，经内部逻辑运算后从P30输出接通加热开关，使加热器获得220V电压加热，开水容器的水温不断上升，当达到100℃后它立即断电，表示加热结束，指示灯由红色变为绿色。单片机控制饮水机硬件是由储水容器﹑进水电磁阀、开水容器、加热开关、加热容器﹑温度传感器、水位传感器、AT89C52单片机芯片﹑12V与5V稳压电源、指示灯、手动出水阀、水杯平台和机体等组成。饮水机控制系统硬件组成框图如图1所示：图1智能控制饮水机组成框图二、水位传感器的设计（一）水位传感器的设计水位传感器有接触型和非接触型之分。由于该饮水机的水位测定的环境温度较高（100℃），如果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。所以，本设计采用非接触型水位传感器，其工作原理为：根据连通器原理在小管内安装一个浮标，浮标上端连接一个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D1～D7上，有光束射到光敏二极管导通，输出为高电平（2.4V），相反的为低电平（0V）。该电压加到AT89C52单片机芯用接触型的水位传感器对测量的器件寿命和准确度都产生影响。所以，本设计采用非接触型水位传感器，其中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。所以，本设计采用非接触型水位传感器，其工作原理为：根据连通器原理在小管内安装一个浮标，浮标上端连接一个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D1～D7上，有光束射到光敏二极管导通，输出为高电平（2.4V），相反的为低电平（0V）。该电压加到AT89C52单片机芯片P11～P17端输入，水位传感器电路如图2所示：图2光反射式水位高度测定电路原理图（二）键盘阵列电路键盘阵列S1～S7为用户所需开水量的地址码按键。当选择S1～S7中的某一按键按下，信号从P10～P16端加入AT89C52单片机芯片内进行寻址，于是把原来存储在AT89C52单片机芯片寄存器的存储一单元上的对应数据调出。从I/O端口P22输出加水信号，键盘阵列电路如图3所示：图3开水量确定电路原理图（三）加水控制电路工作原理当用户需要烧开水时，只在键盘上选择一个相应数字键按下，从AT89C52单片机芯片的P10～P15端输入一个地址码（001）、（010）、…、（111），根据地址码由P22端输出高电平（1.4V），经R11和R12分压后使Q1三极管基极（电压约为0.7V）为高电平而导通，使集电极有电流通过，加水开关闭合，开始对开水容器加水。加水量单片机内按下式确定：（1）其中，D1、D2、…、D7为水位传感器对应刻度值，A0、A1、A2为用户所需开水量的对应码。由（1）式可知加水量控制是由水位传感器和地址码共同决定的。当满足（1）式后AT89C52单片机芯片I/O端口的P22由高电平输出变为为低电平（0.3V）输出，此时三极管Q1的基极电压约为0.1V，Q1截止，集电极没有电流通过，加水开关断，加水结束`。加水控制电路原理如图4所示：（四）加热控制工作原理由于为了快速烧水，把开水容器水位达到1位置设定开始加热信存储于AT89C52单片机芯片的存储器2单元内，当加水时水位达到1位置，存储器获得地址码，AT89C52单片机芯片P12（PW11）端输出高电平，温度低于100℃热敏电阻R的阻值较小，烧水控制电路中的Q2基极获得0.7V电压而导通，加热开关K2闭合给水开始加热，当开水容器中的水温达到100℃时的热敏电阻R的阻值突然变大，Q2基极电压只有0.2V左右，Q2截止，加热开关K2断电，加热结束。给水加热电路如图5所示：图5加热电路原理图（五）指示电路为了节约成本该饮水机的指示器件均采用发光二极管进行显示，加水时由图3可知黄色指示灯DL1亮，加热时由图4可知红色指示灯DL2亮；开水容器有温水绿色指示灯亮。（六）饮水机控制程序图饮水机控制程序，如图6所示：图6饮水机控制程序图三、实验为了检验本设计的优劣，对本设计的饮水机进行对加水时间、水位测定误差、加热时间和跳闸温度测量。测量时用天平每杯水质量为157克，测量时间用秒表，水位用刻度尺，加热盘功率1200W，工业温度计测得数据见表2：表2测量数据表但连通管用圆形管进水电磁阀的开启和关闭时间误差明显增加。四、结语从实验数据看，本设计的计算机控制饮水机在水位传感器水位测定、进水电磁阀开启和关闭、断电跳闸温度的误差都在正常值之内。连通管用方形管，这样浮标面上的V型反射镜的角度能够固定。本设计的计算机控制饮水机采用控制加水系统，完全避免了开水二次污染；开水容器的盖是活动的很方便清洗，保证了饮用水的质量和卫生。文中设计的水位传感器也可以用于其它测量液面的地方。该系统经少量改装可应用于工厂、学校的开水柜自动控制。参考文献[1]王庆元．新型传感器原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2003．[2]张福学．传感器应用及其电路精选（上册）[M]．北京：电子工业出版社，1991．[3]母国光，战元令．光学[M].北京：高等教育出版社，1978．[4]朱一锟.流体力学基础[M]．北京：北京航空航天大学出版社，1990．[5]杨经国，冉瑞江，等．光电子技术[M].成都：四川大学出版社，1990．[5]刘华东，张亚华．单片机原理与应用（第二版）[M]．北京：电子工业出版社，2006．[6]杨金岩，郑应强，张振仁．8051单片机数据传输接口扩展技术与应用实例[M]．北京：人民邮电出版社，2004．作者简介：侯昭广（1950－），男，广西容县人，广西容县职业中等专业学校一级教师，研究方向：低压电路理论与应用。AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。AT89C52有PDIP、PQFP/TQFP及PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。主要功能特性：·兼容MCS51指令系统·8k可反复擦写(1000次）FlashROM·32个双向I/O口·256x8bit内部RAM·3个16位可编程定时/计数器中断·时钟频率0-24MHz·2个串行中断·可编程UART串行通道·2个外部中断源·共6个中断源·2个读写中断口线·3级加密位·低功耗空闲和掉电模式·软件设置睡眠和唤醒功能AT89C52各引脚功能及管脚电压概述：AT89C52P为40脚双列直插封装的8位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz晶振。RST/Vpd（9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40脚）和VSS（20脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0~P3为可编程通用I/O脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0端口（32~39脚）被定义为N1功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13脚定义为IR输入端，10脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12脚、27脚及28脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。·P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。·P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见表1。Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。表.P1.0和P1.1的第二功能引脚号功能特性P1.0T2，时钟输出P1.1T2EX（定时/计数器2）·P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX@RI指令）时，P2口输出P2锁存器的内容。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。·P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序