一种健康饮水装置的研究与设计

方昊，林智慧

（西安思源学院，陕西西安，710038）

0 引言

当今市场上用户经常购买的饮水机只有加热和取水两种功能，并且加热內胆大多设计在饮水机内部，不利于清洗。而且，传统饮水机在加热方面易造成“千滚水”，破坏水质，产生各种危害人体的沉淀、有害杂质，严重影响人们的身体健康。同时，在加热过程中会造成极大的能源浪费，在多次加热的状态下，功率为0.5千瓦的传统家用饮水机每天的耗电量为1.8度左右，所以说饮水机是家庭用电设备中耗电较大电器之一。传统的饮水机在加热保温过程中总是处于烧烧停停的工作状态，从而就造成了百分之九十的能源浪费。在人性化设计方面，传统饮水机无法满足用户设定任意温度的要求。在儿童保护方面，传统饮水机容易因小孩误触而造成烫伤。

随着社会的发展和生活水平的提高，饮水机俨然已经成为我们日常生活中必不可少的小家电。健康智能的饮水机已成各电子产品产商竞相研究的目标，具有广阔的发展空间。本设计从实际需求出发，设计一款能够满足人们对高水质、操作安全、人性化、多功能的要求。

1 总体方案设计

本设计中引入了健康智能控制系统，并对饮水机的结构做了较大的改造。首先改变了饮水机的加热原理，避免了能源的浪费。同时控制了饮水机的加热次数，避免造成多次重复烧水。同时也改善了保温原理，在很大程度上节省用电。具体为水温可以根据用户需求设定，例如：红茶，乌龙茶：用100℃水冲泡；咖啡：85℃—94℃水冲泡；蜂蜜：40℃—50℃水冲泡；牛奶：50℃—70℃水冲泡等等，保温过程中容器中的水可以保持在55度左右，不用长时间保持在较高温度，平时即可饮用。

本设计主体硬件结构包括主控系统、电源电路、显示电路、测温电路、报警电路以及其他功能电路。控制系统的核心芯片采用单片机，电源电路给系统供电，测温电路负责检测水温，显示电路负责显示饮用水的温度及按键设定的温度，按键主要进行各种功能选择，报警部分提醒用户水温已达到设定温度等。其他功能部分包括恒温、出水、加热等。具体功能由软硬件结合实现。系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

健康智能控制系统工作原理主要通过测温元件 DS18B20 检测水温并将水温数据经过数模转换模块转换成电信号输入单片机，单片机将该信号进行处理后并进行自我判断是否需要加热和报警。详细工作原理为: 通电后利用按键预设水温值，当检测到的水温低于设置值时，单片机发出信号，驱动加热 装置工作，使水温达到预设值。当水温值超过预设值时，加热 装置断开，停止加热并蜂鸣报警。

2 部分功能模块设计

2.1 电源模块

电源电路主要由电源变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路四部分组成。电源变压器将电网220V 的交流电变为整流电路所需要的交流电压值，整流电路将交流电压变为脉动的直流电压，滤波电路将滤除脉动直流电压的波纹，再经过稳压电路输出+5V的稳定电压，给单片机、继电器、传感器等负载电路进行供电。

2.2 按键模块

按键在单片机控制系统中起到人机交互的作用，通过按键可以输入命令、数据和其他各种参数。本设计中，按键的一端接单片机，另一端接地，当没有键被按下时，所有的数据输入线均为高电平；当任意一个按键被按下时，与之相连的数据输入线将变为低电平，也就是说当单片机检测到相应的端口为低电平时即可判断相应按键被按下，从而控制功能电路执行相应操作。按键的功能有温度设定、加热、出水、按键锁定和模式切换，其设计原理如图2所示。

图2 按键模块电路

2.3 显示模块

在温度显示部分，本设计选用的是四位的数码管。数码管根据发光二极管的内部接线形式的不同可分成共阳极和共阴极两种。在使用时，共阳极数码管公共端连接到电源上，共阴极数码管公共端接地。每段发光二极管需要驱动电流为5mA~10mA，一般情况下需要加限制电阻来控制电流的大小。

常见的用单片机驱动的LED数码管的显示有多种方法，按显示方式可分为静态显示和动态显示。静态显示的数据较稳定，没有闪烁，占用单片机时间少，但功耗较大。动态显示在显示位数较多时，优势明显，缺点是稳定度不如静态。本设计采用静态显示方式，显示电路如图3所示。

图3 显示模块电路

2.4 温测模块

温度传感器采用DS18B20，它是常用的数字温度传感器，具有体积小，抗干扰能力强，精度高等特点。DS18B20数字温度传感器接线方便，仅用一个单线端口通讯，当全部器件经由一个三态端口或者漏极开路端口与总线连接时，控制线需连接一个上拉电阻。温度检测电路如图4所示。

图4 温度检测模块电路

本系统通过数字温度传感器DS18B20采集水箱中的水温，由单片机对水温信号进行处理，将采集的温度与系统设定的温度进行比较，如果低于设定温度以下1℃时，单片机控制加热电路工作，如果高于设定温度以上1℃时，单片机控制保温电路工作。同时，单片机用P0口控制液晶显示当前水温的温度值和系统设定的预设温度值。

2.5 报警模块

报警电路中采用的是有源蜂鸣器，有源蜂鸣器和无源蜂鸣器的驱动电路区别主要在于无源蜂鸣器本质上是一个感性元件，有源蜂鸣器内部带震荡源，所以只要通电就会鸣叫。有源蜂鸣器的主要优点是程序控制方便，采用直流电压供电，广泛应用于各类电子产品中作发声器件。本系统所采用的报警模块为3.3V的有源蜂鸣器模块，电路中采用三极管9012进行驱动，当单片机控制引脚变为高电平时，蜂鸣器就会鸣叫进行报警，也可以通过控制单片机引脚以方波的输出形式来控制蜂鸣器的鸣叫方式。报警电路在此设计中的作用是当水温达到设定的温度时饮水装置报警提示。

3 系统软件设计

软件程序是把各硬件模块连接到一起的桥梁，通过程序来保证系统的逻辑控制功能全部实现，此部分工作在整个系统设计中非常重要。本设计采用模块化编程的方式进行，即把程序分为主程序和若干个子程序，既便于阅读，也便于后期的代码维护。分模块进行设计和调试后，最终完成软硬件系统的联调。

3.1 系统主程序设计

初始化部分主要完成开中断、计数器/定时器的启动以及实现各种堆栈指针、计数器/定时器0初始化,确认显示模块可以显示设定温度及实时温度，按键扫描一直进行，如果有按键按下，则执行相应的操作，若没有按键按下，则返回显示。系统的主程序流程如图5所示。

图5 主程序流程图

3.2 显示子程序设计

由于数码管具有低能耗、低损耗、低压且寿命长、耐老化的特点，在工作环境方面要求低，其防晒、防潮、防火、防高（低）温，可适用于各种环境，易于维护，同时其还具有精度高，称量快，精确可靠，操作简单等优点，另一方面由于数码显示是采用BCD编码来显示数字和代码，所以程序代码编写起来较容易，资源占用也比较少。本设计的显示部分采用的是三位数码管作为显示器来完成相关温度参数显示。显示程序的主要任务就是负责点亮3位的数码管，让他们能够实时显示水温，同时通过接收处理单片机发送过来的数据不停的更新显示屏上的数据，具体的温度显示程序流程图6所示。

图6 显示子程序流程图

4 系统调试

硬件电路的设计与软件程序的设计相辅相成，任何一部分出现问题都会导致整个系统达不到预期的效果。

由于本系统是分模块进行设计的，所以调试也应该分模块进行，通过各个模块的调试，解决存在的问题，最后再把各个模块作为整体进行调试，直到无误为止。本系统的软件测试主要包括主程序、温度显示子程序、键盘扫描子程序等几部分。硬件的仿真工作在proteus中完成，主要包括电源电路、加热电路、显示电路、报警电路等涉及的模块电路的仿真。当软硬件仿真无误后，进行了系统的联调。最终调试结果表明，各部分功能电路均能正常工作，完成了本次设计的最初要求。

5 结语

图7 饮水装置图

本次设计的饮水装置主要是针对目前市场上饮水机存在的问题，进行了改良。相比于传统饮水机，此装置满足了人们对高水质、安全性、人性化的要求，具有一定的市场应用前景。测试结果表明，系统工作稳定，运行正常。在水温控制方面，该装置可以按照用户需求设定温度，且到达设定温度时蜂鸣器会提醒加热已完成。在安全保护方面，按下锁定键，其他键将无法工作，可以避免使用者误接触，尤其可以有效保护儿童。