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(guò)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(duì)射模塊，實(shí)現(xiàn)飲水機(jī)的自動(dòng)放水。通過(guò)引入壓力傳感器檢測(cè)水箱中的水位，避免了飲水機(jī)缺水引起的干燒。主動(dòng)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(hào)：TM925? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(shì)，但是就目前市場(chǎng)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(duì)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(guò)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(guò)超聲波液位傳感器和紅外對(duì)射模塊實(shí)現(xiàn)自動(dòng)放水功能，智能飲水機(jī)的自動(dòng)放水可以防止水溢出，避免浪費(fèi)水資源，讓人們?cè)诮铀臅r(shí)候更加的省心，不用時(shí)刻在擔(dān)心水的溢出;通過(guò)壓力傳感器模塊實(shí)現(xiàn)水箱中水位監(jiān)測(cè)，當(dāng)水桶沒水時(shí)，通過(guò)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(dòng)“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(gè)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(yǔ)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(yǔ)言開發(fā)簡(jiǎn)單、效率高，另外Keil軟件可以編譯產(chǎn)生hex文件，可以通過(guò)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(guò)壓力傳感器檢測(cè)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(cè)不到壓力值的變化說(shuō)明此時(shí)飲水機(jī)無(wú)水，通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送無(wú)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(cè)杯子高度和室內(nèi)是否有人的紅外檢測(cè)模塊，測(cè)量水杯水位高度的超聲波液位傳感器，測(cè)量水桶水位的壓力測(cè)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(cè)量

水箱水位的測(cè)量通過(guò)壓力傳感器來(lái)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(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，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(cè)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(wú)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(huì)產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的變化電壓輸出。惠斯通電橋輸出的電壓信號(hào)OUT比較微弱，在接入A/D之前，需要經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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(dòng)放水

自動(dòng)放水功能采用超聲波液位傳感器、紅外對(duì)射模塊、繼電器實(shí)現(xiàn)。超聲波液位傳感器用來(lái)測(cè)量被子中水的高度，超聲波液位傳感器碰到水的分界面會(huì)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(cè)量，該傳感器輸出電壓范圍是0-5V模擬量輸出，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，得到杯子中水的水位。

主動(dòng)式的紅外對(duì)射模塊用于檢測(cè)杯子高度，發(fā)射器自動(dòng)發(fā)出紅外線，當(dāng)遮擋超過(guò)60ms時(shí)，檢測(cè)開始生效，發(fā)射器通常使用紅外發(fā)光二級(jí)管，接收器可使用光電二極管，紅外對(duì)射模塊的示意圖見圖3，此處紅外對(duì)射模塊安裝在飲水機(jī)接水槽的兩側(cè)，當(dāng)模塊無(wú)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(hào)和高度對(duì)應(yīng)得出杯子的高度。

通過(guò)紅外對(duì)射模塊測(cè)得的杯子高度和液位傳感測(cè)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(huì)發(fā)生電磁效應(yīng)，電磁力達(dá)到一定值時(shí)將會(huì)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(dòng)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(dòng)能力。驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

由測(cè)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(dòng)式紅外模塊監(jiān)測(cè)環(huán)境中是否有人，被動(dòng)式的熱釋電紅外傳感器用來(lái)檢測(cè)環(huán)境中人發(fā)出的紅外線，當(dāng)一個(gè)小時(shí)都探測(cè)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(dòng)控制模塊。

2.4 溫度設(shè)定

溫度傳感器模塊用于檢測(cè)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(cè)量原件，水溫的設(shè)定通過(guò)手機(jī)APP設(shè)置，設(shè)置完成后通過(guò)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(yǔ)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(duì)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(guò)廣播事件開始監(jiān)測(cè)是否有來(lái)自單片機(jī)的缺水消息，當(dāng)收到缺水消息時(shí)，APP通過(guò)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(yǔ)

本設(shè)計(jì)對(duì)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(guò)手機(jī)藍(lán)牙和單片機(jī)上的藍(lán)牙通信對(duì)飲水機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，采用杯體檢測(cè)傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)放水的目的，溫度可自行設(shè)置，通過(guò)良好的控溫系統(tǒng)可以更好的滿足人們對(duì)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(dòng)放滿水、遠(yuǎn)程控制、飲水機(jī)自動(dòng)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(chǎng)應(yīng)用前景。

目前自動(dòng)放水功能對(duì)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(cè)量水位高度的傳感器和放水開關(guān)集成在一起，來(lái)解決此問題。

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