基于AT89C51單片機(jī)的智能飲水機(jī)設(shè)計(jì)

陶輝

摘? ?要：為改變傳統(tǒng)飲水機(jī)水溫不可人為設(shè)定、浪費(fèi)電源、接水麻煩的問題。設(shè)計(jì)了一款基于AT89C51的智能飲水機(jī)，通過加入溫度傳感器和手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)水溫可人為設(shè)定，遠(yuǎn)程控制飲水機(jī)的開啟關(guān)閉，此外智能飲水機(jī)還加入了超聲波液位傳感器和紅外對射模塊，實(shí)現(xiàn)飲水機(jī)的自動放水。通過引入壓力傳感器檢測水箱中的水位，避免了飲水機(jī)缺水引起的干燒。主動式紅外傳感器用于實(shí)現(xiàn)飲水機(jī)的節(jié)能控制。本設(shè)計(jì)能夠較好的完成以上功能，為用戶提供便利，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：AT89C51? 飲水機(jī)? 智能家居? 遠(yuǎn)程控制

中圖分類號：TM925? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（a）-0067-04

隨著科技的發(fā)展，各類傳感器的使用讓家居的智能化逐漸成為一種趨勢，但是就目前市場上面的飲水機(jī)不能很好的滿足人們的需求，如不能智能放水、水溫不可調(diào)節(jié)、浪費(fèi)電能[1]、飲水機(jī)干燒等問題，本設(shè)計(jì)針對以上問題設(shè)計(jì)出一款智能飲水。

該智能飲水機(jī)采用AT89C51單片機(jī)設(shè)計(jì)，通過手機(jī)藍(lán)牙和單片機(jī)藍(lán)牙模塊的通信實(shí)現(xiàn)飲水機(jī)的遠(yuǎn)程控制，藍(lán)牙部分主要是完成智能飲水機(jī)溫度設(shè)定、飲水機(jī)的遠(yuǎn)程開啟關(guān)閉[2]，當(dāng)飲水機(jī)缺水時(shí)發(fā)送缺水信息給手機(jī)APP;通過超聲波液位傳感器和紅外對射模塊實(shí)現(xiàn)自動放水功能，智能飲水機(jī)的自動放水可以防止水溢出，避免浪費(fèi)水資源，讓人們在接水的時(shí)候更加的省心，不用時(shí)刻在擔(dān)心水的溢出;通過壓力傳感器模塊實(shí)現(xiàn)水箱中水位監(jiān)測，當(dāng)水桶沒水時(shí)，通過單片機(jī)的藍(lán)牙模塊發(fā)送缺水消息給手機(jī)APP，手機(jī)APP發(fā)送短信給送水廠家送水[3]，讓飲水機(jī)能夠自動“補(bǔ)充”水[4]，智能飲水機(jī)和傳統(tǒng)飲水機(jī)相比，智能飲水機(jī)可以處理和飲水公司桶裝水更換的“溝通”，使人們的生活更加便捷化。

1? 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)主要包括兩個部分第一部分是AT89C51及其外圍電路，第二部分是軟件部分包括手機(jī)APP軟件部分和單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)。手機(jī)APP的開發(fā)使用基于Java的安卓，開發(fā)工具使用AndroidStudio，AndroidStudio是目前使用最廣泛的安卓開發(fā)工具，安卓中有許多封裝好的接口，可以快速實(shí)現(xiàn)軟件的開發(fā)，縮短軟件的開發(fā)周期;單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)使用C語言模塊化程序設(shè)計(jì)，采用Keil軟件實(shí)現(xiàn)開發(fā)，使用C語言開發(fā)簡單、效率高，另外Keil軟件可以編譯產(chǎn)生hex文件，可以通過程序下載軟件下載在AT89C51中; 飲水機(jī)采用雙水箱設(shè)計(jì)，可以方便的把熱水、冷水分開存放，熱水箱的底部放置壓力傳感器，當(dāng)單片機(jī)通過壓力傳感器檢測到水位低于設(shè)定值并需要加熱時(shí)往熱水箱中加水，若持續(xù)檢測不到壓力值的變化說明此時(shí)飲水機(jī)無水，通過藍(lán)牙發(fā)送無水消息給手機(jī)APP，APP發(fā)送短信給送水廠家送水。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能，采用了以AT89C51為核心的控制器，用于檢測杯子高度和室內(nèi)是否有人的紅外檢測模塊，測量水杯水位高度的超聲波液位傳感器，測量水桶水位的壓力測量模塊，用于遠(yuǎn)程控制和通信的藍(lán)牙模塊，以及人機(jī)交互界面LCD1602和執(zhí)行部件共同組成智能飲水機(jī)的硬件系統(tǒng)，總體框圖見圖1。

2.1 水箱水位測量

水箱水位的測量通過壓力傳感器來實(shí)現(xiàn)，把壓力傳感器放在熱水箱的下面[5]。壓力傳感器的工作原理是把壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號，屬于電量傳感器，此處的壓力傳感器采用電阻應(yīng)變式，它是將彈性的應(yīng)變，同步的轉(zhuǎn)化為電阻的變化，測量電路使用的是惠斯通電橋見圖2。

（1）

如果R1=R2=R3=R4或R1×R2=R3×R4則無論輸入多大電壓，OUT總為0，這種情況稱為靜態(tài)。如果電阻的這種靜態(tài)被破壞，就會產(chǎn)生相對應(yīng)的變化電壓輸出。惠斯通電橋輸出的電壓信號OUT比較微弱，在接入A/D之前，需要經(jīng)過放大器進(jìn)行放大到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍內(nèi)，通過A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)處理得到水位，當(dāng)水位低于設(shè)定值時(shí)，通過單片機(jī)藍(lán)牙模塊發(fā)送消息給手機(jī)APP，手機(jī)APP獲取手機(jī)發(fā)送短信的權(quán)限，即可發(fā)送短信給飲水公司更換桶裝水。

2.2 自動放水

自動放水功能采用超聲波液位傳感器、紅外對射模塊、繼電器實(shí)現(xiàn)。超聲波液位傳感器用來測量被子中水的高度，超聲波液位傳感器碰到水的分界面會產(chǎn)生明顯的反射，從而形成反射回波。本設(shè)計(jì)采用的是UN85F30TR-1MD型超聲波液位傳感器，該模塊具有良好的耐濕性，通常用于水位、油位的測量，該傳感器輸出電壓范圍是0-5V模擬量輸出，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，得到杯子中水的水位。

主動式的紅外對射模塊用于檢測杯子高度，發(fā)射器自動發(fā)出紅外線，當(dāng)遮擋超過60ms時(shí)，檢測開始生效，發(fā)射器通常使用紅外發(fā)光二級管，接收器可使用光電二極管，紅外對射模塊的示意圖見圖3，此處紅外對射模塊安裝在飲水機(jī)接水槽的兩側(cè)，當(dāng)模塊無遮擋時(shí)，接通管導(dǎo)通，模塊DO輸出低電平，遮擋時(shí)輸出D0輸出高電平，有杯子擋住時(shí)，根據(jù)紅外模塊的編號和高度對應(yīng)得出杯子的高度。

通過紅外對射模塊測得的杯子高度和液位傳感測量的水位之差決定放水的多少。

繼電器是利用電磁效應(yīng)工作的一種控制器件，在繼電器輸入端加入電壓，線圈中就有了電流，就會發(fā)生電磁效應(yīng)，電磁力達(dá)到一定值時(shí)將會克服彈簧的拉力，從而使開關(guān)閉合，AT89C51的I/O（輸入/輸出）口的輸出電壓與TTL兼容，但不能夠直接帶動繼電器，需要在AT89C51和繼電器之間加入三極管放大電路，以便提高AT89C51的驅(qū)動能力。驅(qū)動電路如圖4所示。

由測量原件和執(zhí)行控制部件共同完成智能飲水機(jī)的放水工作。

2.3 節(jié)能控制

紅外線是指紅光之外的輻射，屬于不可見光，紅外傳感器就是基于紅外線研發(fā)的，此處用被動式紅外模塊監(jiān)測環(huán)境中是否有人，被動式的熱釋電紅外傳感器用來檢測環(huán)境中人發(fā)出的紅外線，當(dāng)一個小時(shí)都探測不到有人時(shí)，智能飲水機(jī)將關(guān)閉加熱進(jìn)入節(jié)能工作方式[6]，此時(shí)的單片機(jī)控制系統(tǒng)仍然還在工作，此處采用基于紅外線技術(shù)的HC-SR501自動控制模塊。

2.4 溫度設(shè)定

溫度傳感器模塊用于檢測熱水箱中水的溫度[7]，該模塊作為溫度負(fù)反饋系統(tǒng)的測量原件，水溫的設(shè)定通過手機(jī)APP設(shè)置，設(shè)置完成后通過藍(lán)牙發(fā)送給單片機(jī)。水溫控制框圖見圖5。

3? 軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

AT89C51軟件使用Keil工具開發(fā)，為實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)的功能，采用了C語言模塊化程序設(shè)計(jì)編程，主要的程序模塊設(shè)計(jì)包括繼電器控制程序、超聲波液位傳感器程序、紅外傳感器、DS18B20 采集溫度程序、壓力傳感器程序、藍(lán)牙程序，LCD1602顯示程序，程序流程如圖6所示。

3.2 APP軟件設(shè)計(jì)

APP軟件設(shè)計(jì)采用AndroidStudio軟件開發(fā)，作為飲水機(jī)控制系統(tǒng)的上位機(jī)，獲取飲水機(jī)的水溫、工作狀態(tài)，以及對飲水機(jī)的水溫進(jìn)行設(shè)定，完成短信發(fā)送功能。APP界面如圖7所示。

手機(jī)通過廣播事件開始監(jiān)測是否有來自單片機(jī)的缺水消息，當(dāng)收到缺水消息時(shí)，APP通過短信發(fā)出缺水消息給送水公司送水。程序流程如圖8所示。

4? 結(jié)語

本設(shè)計(jì)對傳統(tǒng)飲水機(jī)接水麻煩、干燒存在風(fēng)險(xiǎn)、浪費(fèi)電的問題進(jìn)行改進(jìn)，智能飲水機(jī)基于AT89C51單片機(jī)控制，通過手機(jī)藍(lán)牙和單片機(jī)上的藍(lán)牙通信對飲水機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，采用杯體檢測傳感器實(shí)現(xiàn)自動放水的目的，溫度可自行設(shè)置，通過良好的控溫系統(tǒng)可以更好的滿足人們對水溫的不同要求，本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了飲水機(jī)的節(jié)能、自動放滿水、遠(yuǎn)程控制、飲水機(jī)自動發(fā)送缺水消息給桶裝水公司，不用人工和桶裝水公司聯(lián)系，方便了用戶使用飲水機(jī)，讓飲水機(jī)的使用更加安全可靠，飲水機(jī)變得更加“聰明”，本設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的實(shí)用性、可靠性、安全性，讓電能的使用更加有效率，具有很好的市場應(yīng)用前景。

目前自動放水功能對于口徑較小的水杯存一定問題，但隨著技術(shù)的發(fā)展可以把測量水位高度的傳感器和放水開關(guān)集成在一起，來解決此問題。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳健寧.健康節(jié)能型飲水機(jī)設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2016，13（4）：40-41+44.

[2] 陳書輝，曹菁菁，曾紹坤，羅偉康.基于藍(lán)牙通信的智能飲水機(jī)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電信息，2017（15）：130-131+133.

[3] 黃軍輝，林樹琪.基于89C52單片機(jī)的智能家居多功能飲水機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，14（4）：7-11.

[4] 韓媛媛，陳金輝.基于PIC16F505單片機(jī)的智能飲水機(jī)設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2009（17）：15.

[5] 段清明，彭醒醒，楊開琦，林潔.基于單片機(jī)的可控溫智能多功能安全飲水機(jī)設(shè)計(jì)[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（信息科學(xué)版），2014，32（5）：516-520.

[6] 胡斌，胡跟龍，孔祥梅.基于超低功耗單片機(jī)的智能飲水機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].新技術(shù)新工藝，2015（3）：69-71.

[7] 趙龍，郝潤科，王磊，邱銀，胡騫.基于單片機(jī)的數(shù)字式智能飲水機(jī)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（17）：112-115.