数字式智能饮水机的系统设计

彭永杰，龙 洋，吴 熹，屈 珣

(1.宜宾职业技术学院电子信息与控制工程系，四川宜宾644000;2.重庆电力高等专科学校，重庆400053)

随着人们生活水平的逐渐提高，市场上热销的饮水机在构造、外观、功能等方面也发生着变化。面对看上去风平浪静的市场，国内饮水机生产企业表现出积极进取的态度。

目前市面上的饮水机需要用手扳动开关才能出水，经常扳动开关使其寿命大大缩短，多人经常触摸开关，使其容易引起某些疾病的传播。对于市面上的饮水机而言，绝大多数仅仅具有加热或者制冷功能，无法实时显示实际的水温，也不能对水温进行智能设定，所以达不到各类饮用水所需的温度要求。

为满足当代家居网络化、智能化的需求，本文对传统饮水机进行改进设计，加入控制芯片、通信模块、显示模块和红外检测模块，并给出系统的软件设计方法与控制程序流程，最后对系统进行了运行调试，使其升级成为数字式智能饮水机。

1 系统总体设计

系统的总体框图如图1所示，利用GSM模块进行通信，实现饮水机的远距离智能控制;利用红外传感器检测出水处是否有杯子存在，控制自动出水;通过按键进行温度范围和定温的设定，温度传感器对温度进行检测，并通过液晶显示对温度进行实时的显示。

通过GSM模块使用手机对饮水机进行远程控制，当达到设定水温时，饮水机能自动通知用户水已烧好，继电器对烧水开关、出水开关进行控制，整个产品通过传感器和GSM模块实现智能化设计。

2 系统硬件设计

图1 系统总体框图

采用IAP15F2K61S2单片机作为整个智能饮水机装置的核心控制芯片，完成温度控制和设定的功能，并通过液晶12864直观地把水温实时地显示出来;利用红外模块控制饮水机电磁阀开关，实现智能取水;利用GSM通信模块进行远程控制，实现远程控制功能。

2.1 控制芯片的选择

增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，速度比普通8051快8～12倍。61 kB片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上。片内大容量2048字节的SRAM，大容量片内EEPROM，擦写次数10万次数以上，共8通道10位高速ADC，速度可达30万次/秒，3路PWM还可当3路D/A使用，共3通道捕获/比较单元(CCP/PWM/PCA)，内部高可靠复位，8级可选复位门槛电压，彻底省掉外部复位电路，内部高精度R/C时钟，内部时钟从5～35 MHz可选，相当于普通8051的60～420 MHz，两组高速异步串行通信端口(可同时使用)，可在5组管脚之间进行切换，分时复用可当5组串口使用。

2.2 GSM通信模块设计

GSM通信模块如图2所示。选用西门子最新推出的无线控制模块——TC35I，作为 TC35I GSM无线通信模块，该模块稳定，可靠性高，可以完成短消息收发、与手机进行数据传输等功能。系统由单片机和GSM模块以UART(通用异步收发器)形式通信完成数据的采集和发送，并通过GSM模块将采集到的信息通过GSM网络传送给用户终端。GSM无线通信模块利用短信息进行远程无线通信，具有通信成本低、不受通信线路影响及地区限制、保密性高、可靠性强、抗干扰能力强、使用方便灵活、通讯快捷等特点。

图2 GSM与单片机通信模块框图

2.3 12864液晶显示模块设计

液晶模块采用了液晶12864。LCD(液晶)具有功耗小、体积小、重量轻、超薄等其他显示器无可比拟的优点。液晶12864原理图如图3所示。

图3 液晶模块12864原理图

2.4 红外线检测模块设计

红外光反射感应传感器是一种利用光电感应原理的传感器，其物体不限于金属。该传感器探测距离远，可调节测量范围，探测范围是0～300 mm，图4为红外模块的电路原理图。该模块主要是利用红外感应原理，当其感应到杯子的存在时，系统自动产生控制信号，并将控制信号传输到单片机控制模块，单片机控制继电器的开关，实现水阀的开和关，从而能够实现水杯的自动接水功能，当水杯移开后，信号消失，继电器控制水阀关闭，接水结束。红外线自动控制接水框图如图5所示。

图4 红外模块的电路原理图

图5 红外线控制原理框图

3 系统软件设计

智能饮水机的智能化主要体现在远程网络控制和自动控制接水方面，同时根据饮水温度的需要设定适合自己需要的水温。系统软件的设计主要从GSM网络控制和温度设定、接水方面来进行。当启动GSM模块后，首先保证GSM连接到网络，然后判断是否有中断(水已经烧好的提示)，有的话进行短信通知发送，完成网络控制。软件流程图如图6所示。

图6 GSM模块工作流程图

当启动饮水机的时候，打开烧水棒，判断水温是否达到设定温度。若水温达到设定温度，就停止烧水，然后判断是否有水杯存在。如有水杯就启动水阀开始自动出水，实现对水温和接水的智能控制，软件流程图如图7所示。

图7 饮水机工作工作流程图

部分算法的程序如下:

主程序，每按一次按钮发一条短信

4 系统调试

系统的调试主要对智能饮水机的GSM模块、温度设定、红外传感器模块进行调试。

接通电源后，启动GSM模块，查看联网情况，此时，正常连网会有指示灯进行指示。首先按下按键，对GSM模块进行收发短信测试，看时间延迟、数据传输是否完全;然后测试温度设定，加热启动，到达设定温度后，看是否有警示灯点亮，短信是否发送出去;最后进行红外的检测，把杯子放在出水口下面，看指示灯是否点亮，指示灯点亮后阀门开启，开始出水，调试完毕。

5 总结

智能饮水机设计可以大大方便人们的日常生活。这种设计在实现智能化的同时，充分体现了创新性和可操作性，尤其是用单片机实时监测并显示水的温度，可以满足对不同温度的水的要求，并可以通过按键自己设定需要的温度。采用了GSM通信模块作为远程控制，只需一个短信，就能实现对饮水机的控制，该控制方式具有成本低、可靠性强、抗干扰能力强、使用方便灵活、通讯快捷等特点，节约时间，且操作简单。

［1］ 刘焕成.工程背景下的单片机原理及系统设计［M］.北京:清华大学出版社，2008.

［2］ 李朝青.单片机原理及接口技术［M］.3版.北京:北京航空航天大学出版社，2005.

［3］ 谭浩强.C程序设计［M］.3版.北京:清华大学出版社，2005.

［4］ 李群芳，张士军，黄建.单片微型计算机与接口技术［M］.北京:电子工业出版社，2008.