新型节能环保饮水机控制系统的设计与制作

饮水机与人们的日常生活有关，所以应用比较广泛，产品的种类也很多。随着生活水平和饮水机设计的提高，一些普通饮水机走进了我们的家庭。这种饮水机结构设计简单，操作也比较简单，而且比较实用，给人们的生活提供了方便。但目前各种类型的饮水机都存在一个共同的问题：在忘记关掉饮水机的情况下，带来的千滚水、小孩容易触摸到热水口烫伤，这既存在一定的健康、安全隐患，又造成电能浪费。

　　本文运用电子设计理论，充分结合生活实际，从人员安全和节能、环保角度出发，设计一种温度自动检测、人体感应自动检测、加热系统自动通断、指示灯电路、报警电路、热出水口的安全放水为主的电路组成智能控制系统，解决目前饮水机健康安全、电能浪费的问题。此控制器电路简单、工作稳定、使用方便、实用性强、成本低、故障率低，该技术还适用于工业生产、农业生产方面的自动控制。

　　1 新型饮水机的温度、人体的检测设计的理论探究

　　为了避免饮水机产生千滚水和小孩触摸热水口烫伤，所以需要给饮水机安装一只“手”和一个“眼睛”，通过这只“手”来感觉温度；这双“眼睛”的观察，智能判定饮水机的加热器以及电磁阀水龙头。所以，本问题的解决，主要寻找什么做“手”、“眼睛”及如何智能判定。单片机因体积小、重量轻、成本低廉、灵活性好、易于开发与应用等优点而被广泛应用于工业自动化、生产过程控制、智能化仪器、仪表等领域，实现智能化控制。选择单片机实现智能化控制是常用的方法。在选定单片机实现智能控制的基础上，为解决本问题还存在两个主要困难：一是选择什么作为饮水机的 “眼睛”，如何实现人体的判断；二是选择什么作为“手”，如何判断温度。

　　随着电子技术、智能控制技术的发展，各种电子设计产品逐步渗透到生活的各个角落。那么解决以上两个困难已不是问题。人体的检测方面本课题采用的是人体接近传感器又称无触点接近传感器，是理想的电子开关量传感器。当金属检测体接近传感器的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速发出电气指令，准确反应出运动机构的位置和行程，即使用于一般的行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命、安装调整的方便性和对恶劣环境的适用能力，是 一般机械式行程开关所不能相比的。另外在温度检测方面采用的是数字化温度传感器DS18B20，传感器采用不锈钢外壳封装，可防潮防水。测量温度范围为 -55°C～+125°C，在-10～+85°C范围内，精度为 ±0.5°C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。从而达到实用、低成本、节能的效果

　　2 节能环保智能饮水机控制系统的设计

　　为了实现健康安全、节能的目的，拟定制作一个智能控制应急灯控制器，以便安全合理的使用饮水机。控制器设计原理框图如图1所示，具体拟定如下设计思路：通过温度传感器来检测温度，当温度第一次达到90度报警器发出嘀一声，此时指示灯为红色，若温度低于25度时加热棒将自动加热，此时指示灯为橙色，直到水温90度时报警器再次嘀一声，指示灯将变回红色。如此循环三次（注：温度和循环次数是可以设置）加热棒将自动断电。人体感应器通过对人体的感应来驱动电磁阀的开闭，若有人的时候则电磁阀打开，热水就可以放出来，反之热水无法放出来。从而实现了对饮水机的智能控制。

　　2.1电路原理图

　　节能环保智能饮水机控制器电路如图2所示，其主要由STC11F02单片机为数据处理核心；T1温度传感器（DS18B20）为温度数据的采集并传送给单片机处理；指示灯电路主要由D1双色灯组成，主要对加热过程的提示作用；复位和启动电路主要是由S1按键及相关电阻和电容组成，其作用是控制器的启动和复位；报警电路主要是由LS1蜂鸣器和Q1三极管构成，主要是对水温达到上限值的时候发出不同的鸣叫声；加热棒和电磁阀驱动点主要由Q2、Q3继电器构成，实现了弱电对强电的控制。整个电路原理简单、易懂、实用。

　　2.2程序部分

　　电路部分的控制中心主要由单片机来完成，加热棒和电磁阀实现图1所示的工作过程，单片机内程序设计按图3所示的流程图编写。

　　系统工作原理描述：上电开机时，加热功能打开（此时红色指示灯亮起）并实时检测水温，当其大于60℃时，加热停止（此时绿灯亮起红灯熄灭），此过程视为完成一轮加热过程，当水温低于35℃时下一轮加热过程开始，直至第三轮加热停止整个系统便会进入休眠状态。在整个过程中外部中断用于检测人体的接近情况，只有身高足够的人接近才能触发外部中断并打开水阀，否则其平时处于关闭状态防止幼儿接触到滚烫的热水。进入休眠的系统只要检测到条件合适的人接近便会立即恢复正常工作状态。

　　3 实物检测与结果评价

　　按上述分析思路设计并制作节能环保饮水机智能控制系统，实物图如图6所示。透明玻璃钢为热水槽，顶部黑色的为人体感应器。

　　同时，我们对制作的样品系统的性能进行了测试，测试方法及结果如下：

　　（1）为了便于测试在这过程中我们把温度的范围设定在40-60度。初始上电后，按下复位按钮即开始加热，指示灯由绿色变橙色。

　　（2）经过一段时间（约5分钟）后，我们听到嘀的一声，同时指示灯变红色，加热棒停止加热了。这时我们人走到人体感应器前约30cm（该距离可调）此时用手去按红色的水龙头则热水流出来。当我们远离该感应器，在去按那红色水龙头会发现水放不出来了，这就避免小孩烫伤。

　　（3）在（2）的情况下，当加热棒加热三次后（次数可调）听到一声嘀的长鸣一声，延时3秒（改时间可调）发现指示灯灭掉，加热棒将不在加热，这就避免的千滚水的出现。

　　本文设计的节能环保饮水机智能控制系统具有电路简单、使用方便、成本低等特性，通过测试结果表明系统性能稳定，通过本次设计与制作让我学到了一些电子及智能控制方面的知识；提高了自身的环保意识。当然该设计还存在一些缺陷如通过人体感应进行软启动，增加键盘功能进行温度、时间、次数的调节等。该系统控制技术可推广到其他一些工业、农业生产控制中去。