摘 要

本设计的核心是80C51单片机。它由时钟芯片DS1302时钟芯片、DS18B20温度传感器、水位传感器、键盘及LCD液晶管显示屏、稳压电源以及继电器驱动电路（排水电磁阀、给水电磁阀、电加热）组成。该智能饮水机可完成：长按出水，能根据用户需求设定水温范围；系统能显示北京时间和实时水温，实时水位，水温范围上下限；当水温超过设定范围时自动关闭加热，当水温低于设定温度时自动开启加热，当加热结束后不再自动加热，除非手动开启，避免频繁重复加热；实时显示水箱里的水位，当水量不足时自动关闭加热，打开进水阀补充水量直至水量充足；键盘设置水温范围、温度。通过proteus软件仿真，上述功能都可正常实现。

系统采用DS18B20和RC充放电进行水温水位测量，采用DS1302作为时钟芯片，简单实用且制造成本并不高，很适合智能饮水机的使用。

关键字：89C51；智能饮水机；水温水位实时监测；自动上水；智能加热

The Design of Intelligent Water Dispenser

Absrtact

The intelligent drinking machine designed in this paper is based on 89C51 single chip microcomputer. It consists of DS1302 clock chip、DS18B20 temperature sensor、water level sensor、 keyboard、LCD display screen、stable power supply and relay drive circuit (adding water solenoid valve、drainage solenoid valve、 electric heater). The intelligent water dispenser can complete: water keeping running if the key is pressed on and can set the range of water temperature according to the user's demand. Besides, the system can display Beijing time and water temperature. Turn off the heating automatically when the water temperature exceeds the set range. Turn on the heating automatically when the water temperature is below the set temperature. It no longer automatically heat the water when the heating is over unless manually pressing the key to avoid repeated heating frequently; Display the water level in the tank in real time. Automatically turn off heating when the water is insufficient. Open the inlet valve and replenish the water until the water is sufficient. Use keyboard to set Beijing time、water temperature range and temperature. After proteus software simulation, the above functions can be realized normally.

The system uses DS18B20 to measure the water temperature and the RC charge-discharge circuit to measure water level. Use DS1302 as the clock chip, which is simple and does not cost much. It is suitable for using in intelligent water dispenser.

Keywords:89C51；Intelligent water dispenser；real-time monitoring of water temperature and water level; Automatic water filling; Intelligent heating

目 录

第一章 前言 1

1.1课题研究目的及意义 1

1.2国内外同类研究概况 1

1.3本设计的内容及实现功能 2

第二章 智能饮水机硬件电路设计 3

2.1饮水机硬件总体设计方案 3

2.2水温测量电路设计 4

2.2.1传感器的选择 4

2.2.2水温测量电路具体设计 5

2.3水位测量电路设计 6

2.3.1传感器的选择 6

2.3.2水位测量电路具体设计 7

2.4显示与键盘电路设计 8

2.4.1显示电路具体设计 8

2.4.2键盘电路具体设计 8

2.5时钟电路设计 10

2.5.1时钟芯片选择 10

2.5.2 时钟电路具体设计 11

2.6出水、给水、电加热控制电路设计 11

2.7电源电路设计 12

2.8单片机最小系统设计 13

第三章 智能饮水机软件设计 14

3.1智能饮水机主程序设计 14

3.2温度传感器程序设计 16

3.3 LCD1602显示程序设计 18

3.4按键程序设计 20

3.5时钟电路程序设计 21

第四章系统调试 23

4.1调试环境 23

4.2系统软件调试 23

4.3 调试结果 23

4.4 调试心得体会 25

第五章 结论与展望 27

5.1结论 27

5.2展望 27

致 谢 28

参考文献 29

附 录 31

1、智能饮水机设计总原理图 31

2、程序 32

第一章 前言

1.1课题研究目的及意义

人们对健康生活有着更高的追求。吃的方面自不必说，绿色有机蔬果已经走上我们餐桌。饮水方面，是我们关注的重中之重。多喝水，喝好水是我们身体能够健康的关键。随着人们不喝生水的意识得到不断加强，想要饮水机满足人们喝好水的要求就必须达到各种性能要求。其中水温检测，自动加热，防干烧，防止产生“千滚水”等功能至关重要。当然智能上水、自主设定水温、显示北京时间等功能的添加使饮水机更智能化和人性化。但当今市面上，广泛流通的还是传统饮水机，它的功能结构单一 [1]，一般只有加热和制冷的功效。反复烧开，反复干烧存在一定安全隐患。虽然有的饮水机功能比较齐全但是价格实在太高，让人难以承受。

为了提高饮水机的智能化程度同时节约成本，为饮水机提供一套智能化、价格不高的控制系统，其市场价值一定不可小估。

1.2国内外同类研究概况

中国人口众多，庞大的市场需求量为整个行业的发展提供了强大的动力。与此同时，智能饮水机逐步进入人们的视野。国内外的学者也对其做了很多的研究，针对饮用水反复干烧，水温不可获知，水位不能获知不可自动给水等问题都提出了自己的设计方案。智能饮水机功能也在不断地健全和完善中。国内学者对饮水机的研究也是多方面的。针对温度显示问题， 很多学者提出使用温度传感器比如 DS18B20 [2，3]。这样就解决了人们不能获知水温的问题。市面上也出现了速热式饮水机[4]， 虽然有简约、加热时间短的突出优点但不可否认的一点是水温易受环境温度、气压影响。学者提出了采用 PID 闭环控制原理进行改进，保证温度的精准。针对“千滚水”“阴阳水”的问题。有学者采用双箱设计[5]，两箱呈上下分布，分别储存热水，冷水避免冷热水混合。针对水位问题，有学者提出将压力传感器放置在水桶的底部，利用水桶内水的重量和水位的高度存在的特定的线性关系计算水位[6]。为了更加个性化地控制饮水机，出现了将饮水机与手机蓝牙相连接控制饮水机的手机应用[7]。还有的学者选择研发手机 APP 远程控制隔热挡板以此来达到节能环保的目的[8,9]。水的保温方面，采用双位调节控制的方法对水温进行控制，其控制误差不超过 2 摄氏度[10，11]。至于温度的设置一般是采用按键，键入所需的温度[12]。单片机还是控制的核心[13]。国外的饮水机智能化远远早于我们国家。很早地就可以进行多种温度模式的设定，以满足自己对不同温度饮水的需求[14]。而且更加注重饮水机性能的安全，稳定环保。对于温度控制也是相当智能化的。有的是基于积分电路和热元件的原理[15]。该过程是由热电阻，电容和运算放大器组成的积分电路实现的。

1.3本设计的内容及实现功能

本设计的智能饮水机能够实现如下功能：

1. 长按出水：用手按住长按出水按钮，出水阀打开，当水位高于设置的最低水位，可以一直出水；
2. 键盘设置实时水温，水温范围；
3. 北京时间实时显示，设置的水位范围显示，水箱水位实时显示；
4. 自动加热和手动加热相结合：当水温超过设定范围时，自动关闭加热，当水温低于设定范围时，自动加热开启。当加热结束后，不再自动加热，除非手动开启，避免重复加热；
5. 自动上水：当水量不足时打开进水阀补充水量直至水量充足；
6. 防干烧：当水量不足即低于警戒水位时，自动关闭加热；
7. 设置数据掉电后可保存；

本设计采用DS18B20对水温进行测量，对水位进行测量。它与采用A/D转换的电路相比，电路更加简单，而且制造成本不高，易于理解。非常适合应用到智能饮水机的设计上来。系统还加入了北京时间显示，水温范围的设置与显示水位的实时显示等功能。以及自动加热和手动加热相结合，配备自动上水功能，避免了干烧，“千滚水”的出现，减少了安全隐患。

第二章 智能饮水机硬件电路设计

2.1智能饮水机硬件总体设计方案

本设计中智能饮水机设计硬件可大致分为以下几个部分，如图2.1： 1、水温、水位测量电路。芯片DS18B20测得实时水温，RC充放电获取实时水位，获取的数据传入单片机，单片机进行相应的处理后得到水位和水温的数值，用于LCD液晶显示器显示和后续对加热和给水、排水等操作进行控制。这是智能饮水机设计的核心部位。