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亚太能源装备工程研究会（AP3ER 2015）
基于单片机的供水系统设计
Tian-cheng Guan Shen Cheng
厦门大学陈嘉庚学院 厦门大学陈嘉庚学院
漳州，中国 漳州，中国
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Ming-shan Hou
厦门大学陈嘉庚学院
漳州，中国
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以51单片机为主要控制芯片，对传统供水系统在编程和功能上的不足进行了设计。因此，它被认为是单片机智能控制领域的一个创新。它通过传感器感知用户杯的高度，并根据用户设定的水量自动添加水。它还具有安全锁功能，其安全锁的功能可以保护使用者免受意外烫伤。该单元包括管上红外、功率模块、超声波测距模块、热电体红外传感器模块、单片机模块、驱动模块和执行模块。实验表明，该系统可以以60%和80%体积的水填充不同大小的瓶子。因此，实践证明，单片机实现了供水系统的自动化，从而可以生产出更加高效、智能、安全的供水系统，打破了供水系统中由安全锁预置水位、防止烫伤的新局面。因此，该系统具有广泛的应用范围。
关键词：单片机；OPT耦合器继电器；降压型DC-DC变换器；热电体红外传感器模块；超声波测距
1 引言
作为数百万家庭使用的电子设备，饮水器在功能和方便方面没有很大的突破。难怪目前的饮水机存在安全隐患和缺点。因此，本文提出了一种提高饮水机安全性和方便性的设计方法，通过使用传感器，可以感知用户的杯子大小。从而实现自动供水，避免水溢出。我们的智能饮水机可以根据用户设定的水量自动检测出杯子的大小和水量，符合目前节约和环境友好的社会需求。
2 传统饮水器的基本工作原理
如图1所示，传统饮水器的出水口设有出水交会装置。 微型电泵接头的出水口通过管道输入出水交会装置。 出水交会装置的垂直位置高于饮水器的内部水位。 出水交会装置的出水口通过管道与整个饮水机的单一出水口连接。 与出水口相连的管道直径大于与进水口相通的管道直径。 在出水交会装置上还开有另一个通风口，通过管道与常温水箱连接。这个排气口在流出交会装置内部保持在常压下高于内部水位的饮水器。 单一出水口的垂直位置低于饮水器的内部水位，有利于饮水器整体结构的布置。
图1普通饮水器的内部结构
3 供水系统的基本运行原理
3.1 设计方法
本系统为多功能供水装置，设置量杯高度，杯内水位计量，防烫安全锁，给设定位置加水，停止加水成一体。 它由电源模块，数据采集模块，单片机模块和驱动模块组成。如图2所示，数据采集模块包含许多传感器应用。传感器传输获取的信息与杯水有关的信息传送给单片机，经判断后输出等级指令对驱动模块进行控制。它使驱动模块驱动所需的单元进行操作。
图2 系统图
3.2 水量控制模块
单片机引脚为5V，电平20mA，功率0.2W，电磁阀功率4W。 单片机不可能直接控制电磁阀的流出物，因此需要增加电磁阀驱动模块。 如图3所示，电磁阀驱动模块由电磁阀和继电器电路组成。继电器输出端与SCM引脚连接，实现使用低功率电平驱动高功率元件的功能。
图3 电磁阀驱动模块
（1）光耦继电器的工作原理：如图4所示，光耦继电器是一种固态继电器。普通继电器是机械触点。 通过电流，它控制开关由磁铁改变线圈，以吸引电子冲击。 但光耦继电器的工作原理与光耦类似，它是以光为介质传输电子信号的单元，将投光器（IR LED）和受光器（光导半导体管）封装在同一管道内。 当输入端添加电子信号时，投光灯发光。 当受光器接收到光时，会产生轻微的电流，从输出端流出。因此，实现了“电流 - 光电流”的转变。 以输出端光电耦合器为中介使输入端信号耦合。然后它有效地控制电磁阀。
图4 继电器模块化电路
（2）DC的工作原理：如图5所示，使用LM2596S-3.3 DC-DC。 LM2596开关稳压器是电源管理的降压型单片集成电路，可输出3A驱动电流，同时具备线性和负载调节特性。 频率补偿和固定频率发生器设置在设备内部。开关频率为150KHz，与低频开关发生器相比，可以使用更小尺寸的滤波器元件。 由于本机只需要4个外接设备，因此可以使用通用标准电感和直流模块。 它也可以将9v降至5v，使SCM正常工作。
图5 降压直流模块电路
（3）热释电体红外传感器安全锁定工作原理：热释电体红外传感器，热红外传感器，是一种新型高灵敏度红外检测元件，可检测人体发出的红外线。 它以非接触形式检测人体发出的红外线的能量变化，将其转换为电压信号输出并扩大输出电压信号。
采用HC-SR501热电体红外传感器，其感应模块采用双探头。当身体从左侧向右或向右移动时，红外光谱到达双探头时，时间和距离会有所不同。 更大的区别是，诱导更敏感。当人体从前面进行探测或从上到下或从上到下时，双探头不能检测红外光谱的距离变化，并且没有区别。因此，传感器不灵敏或不可操作。
智能饮水机将热电体红外传感器放在出水口旁边。当有人进入感应区时，输入高电平（3v）。当SCM读取输出控制电平时，输出信号关闭电磁阀; 当有人离开危险区域时，输出0V低压阀。 软件输入正常信号来控制添加水。 如图7所示，在检测人体红外线时，模块对SCM引脚输出高电平，并使用热电体红外传感器来避免烫伤用途。因此，实现了安全锁定的功能。
图6 热电模块电路
图7 热电传感器与SCM连接图
4 超声波测量距离原理
如图8所示，超声波发射器向某个方向发射超声波。发射时，计时。超声波在空中传播并在遇到障碍物时返回。超声波接收器接收反射波时停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m / s，根据定时器记录的时间t，可计算发射场到障碍物的距离，即s = 340 * t / 2。这是测量距离的时差方法。如图9所示，使用两个I / O可以完成处理超声波模块的数据处理。
通过超声波测量距离的原理：利用已知的超声波传播速度来测量遇到障碍物时波的返回时间。然后根据发射时间和接收时间差计算发射时间到障碍物的实际距离。因此，超声波测距的原理与雷达相同。距离测量公式：L = Ctimes;T。
在公式中，L是测量距离; C是空气中超声波的传播速度; T是测量距离的传播时间差（T是从发射到接收的一半时间）。由于超声波易于定向传播，具有指向性好，控制力强，无需直接与被测物体接触等优点，是测量水位高度的理想方法。它可以控制出水量，以达到控制杯内水位的目的。
图8超声波模块
图9超声波与SCM连接图
由于红外管之间的空间存在，实际注水率和设定水量之间存在误差是正常的。如图10所示，C中第一行显示屏LCD1602是冷水，H是热水。第二行的前五位是XXX.X，代表超声波的测量距离。在中间，0 XXA设定水量百分比。然后，它对应于C和H，如果显示1，则进行热水或冷水的注水。如果显示0，则停止注水。
我们设置杯子的水位为80％冷水，实验杯子高度为12.5CM。当杯子放到设定位置时，超声波显示杯子是空的，它测量的距离为17.5CM。080A表示水量是杯子的80％。C = 1表示在途中注水是冷水。如图11所示，该装置将水注入杯中，超声波测量的距离正在减小。如如图12所示，机组完成注水，超声波测量的距离为7.5CM。当C = 0时，注水完成。
表1 实验结果
图10
图11
图12
6 结论
该智能饮水机主控芯片采用51单片机，功能多，操作简单。 它通过数据收集，分析和处理来操作单元中的模块。由于该机组方便，安全，节约资源，具有广阔的市场前景。
7 参考文献
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