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作者：天津工业大学 牛勇 武志辉 蔡禹丞

指导教师：张诚

　　作品简介

　　随着计算机技术的发展，单片机技术已成为计算机技术中的一个独特的分支，单片机的应用领域也越来越广泛，特别是在工业控制和仪器仪表智能化中 扮演着极其重要的角色。过去经常采用模拟电路、数字电路实现的电路系统。现在相当大一部分可以用单片机予以实现。传统的电路设计方法已演变成为软件和硬件相结合的设计方法。在实际应用中单片机经常要与各种传感器相结合组成一定的应用系统，以实现系统的自动检测与控制。

　　目前各大高校及办公场所广泛使用的饮水机具有价格低廉，制造简便等优点。但是随着用户长时间使用，这些饮水机功能单一、使用起来不方便等问题也慢慢的暴露出来。

　　基于此种情况，智能饮水机是国内各大高校及地方科技竞赛中，参赛的小组和个人必会选择的课题之一，通过网上查阅，我们小组了解到现在各大高校在智能饮水机领域主要解决的是温度控制这一领域，可他们忽略了一个事实，就是这种传统饮水机的大量存在已然是一个事实，因此基于此种饮水机的改造是一个最为有效可行的技术方法，既能够达到使用户的使用更加方便，经济方面也能承受。另外从用户的角度来讲大众用户是不会纠结于所喝的水温高了5度或是低了5度。(相比没人对喝水的要求是我只喝46度的水)。因此我们小组从一开始就把在无人情况下自动放满一杯水作为整个研制过程的核心问题，从一开始我们就避免了各高校主抓温度这一弊病。而是提供了更加符合大众口味的冷，热，常温水，3种，并可通过开关控制，达到节能目的，”自动放满一杯水“可以为用户提供很大方便，也达到了避免浪费的目的。 与传统的饮水机相比，由于采用了自动检测和控制的电子设计技术，使方便性大大提高，具有较广泛的应用前景。

　　平台选型说明

　　主控系统是STC15F2K60S2系列单片机.本系列单片机是STC生产的单片机/机器周期的单片机,是高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,采用第八代加密技术,加密性超强,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍.内部集成高精度R/C时钟,5MHZ-35MHZ宽范围可设置,可彻底省略掉外部昂贵的晶振和外部复位电路.3路CCP/PWM/PCA,8路高速10位A/D转换,内置2K字节大容量SRAM,2组超高速异步串行通信端口,1组高速同步串行通信端口SPI,针对多串口通信/电机控制/强干扰场合.

　　STC15F2K60S2系列单片机的内部结构框图如下示.CPU,Flash,SRAM,

　　定时器,I/O口,高速A/D转换,看门狗,UART超高速异步串行通信口1/串行通信口2,CCP/PWM/PCA等等

　　设计说明

　　1.设计题目：智能饮水机

　　2.功能：

　　1) 对温度的控制：实现冷、热、常温三种水;

　　2) 自动检测是否有杯子放入，同时自动放满一杯水后停止;

　　3) 设有急停按钮，可以满足日常需求;

　　3.开关操作：用户可以根据自己的喜好来通过开关选取自己想喝的水的温度，

　　同时可根据季节的变化选择是否加热或制冷，据可依个人设定，“自动放满一杯水”，上电即工作，无需另外操作。

　　2.2.1电路原理和器件选择

　　主机单元由STC15系列单片机组成，是饮水机的核心。关键部分期间名称及其在电路中的主要功能如下：

　　(1)STC15有数据的采集和处理，通过外设继电器控制电磁阀的开关，进而实现主要功能。

　　(2)红外发光二级管：采用多组红外发光二级管对射的方式测量杯子的固有高度，将测量值传回单片机。

　　(3)超声波传感器：置于饮水机上方，测量杯子中水的动态变化的体积，

　　将数据传回单片机。

　　(4)制冷器：通过上电开关完成对常温水的制冷操作。

　　(5)加热水箱：通过上电完成对水的加热。

　　3 硬件设计

　　本次设计设计的多功能饮水机，采用红外发光二极管实现高度的实时采集，超声波传感器实现水的动态高度的实时采集。采用stc15作为系统微控制器，实现与上述两种传感器的结合及对数据的处理显示。

　　3.1 主板设计

　　Stc15红外管和超声波电路组成了主机单元，是饮水机的核心部分。

　　3.1.1主机单元

　　脚的区别是由于增加了定时器2而引起的。有区别的只有P1.0，P1.1两个引脚，这两个引脚在不使用定时器2时仍可作为静态I/O接口使用，单片机使用定时器2时，P1.0，P1.1还可能承担外部记数脉冲输入，外部触发信号输入,可编程方波输出等功能。

　　3.1.2：红外二极管测高单元，

　　射采用红外二极管对射方案，即发射二极管与接受二极管对齐的方式，通过lm324电压比较器，讲比较电压传回单片机，当没有物体遮挡时送回单片机I/O口的电压为低电平，反之则为高电平。分别占用单片机的p1,p2两个I/O口,

　　付原理图

　　3.1.2：超声波测距单元

　　通过超声波传感器，(双端)一端为发射端，一端为接收端。　通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了。这与雷达测距原理相似。 超声波发射器向某一方向发超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。(超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2)

　　本次设计开关量控制环节选用琴键开关和固态继电器实现了弱电对强电的控制。如图3-8。

　　9013PNP型三极管应用广泛，在收音机等常用家电中可以经常看见它的身影。9013三极管在此作为开关量环节，起到了放大电流的作用，与固态继电器结合，从而实现了开关的作用。

　　此次选用的固态继电器是百特公司的产品，该型号的固态继电器是直流输入控制，交流过零导通，过零关断输出型无触点继电器。它常用与控制电路的导通和断开，是控制一般家用电器，如电动机、白炽灯的首选器件

　　4 软件设计

　　硬件与软件是单片机应用开发系统的两个重要组成部分,本设计为了充分体现装置的智能化以及减小硬件电路的体积，软件部分设计的重要性就显得尤为突出了，所以软件设计工作在整个设计中是非常重要的、其工作量也是比较大的。

　　在拟订软件总体设计方案时，由于实际单片机控制系统的功能复杂、信息量大和程序较长，这就需要选择合理的切合实际的程序结构设计方法。常用的设计方法有三种：1、模块化的程序设计;2、自顶向下逐步求精程序设计;3、结构化程序设计。在本设计中采用第一种方法，及模块化程序设计，它的设计思路是把一个复杂应用程序整体功能规划成若干相对独立的程序模块，各模块可以单独设计、编程、调试，然后把功能相关的模块通过连接程序连在一起调试，最后各模块在主程序控制下进行总体调试，最终成为可完成设计要求，具有使用价值的程序。

　　5系统调试

　　5.1系统硬件调试

　　当硬件设计从布线到焊接安装完成之后,就开始进入硬件调试阶段,本次设计调试大体分为以下几步：

　　(1)排除逻辑故障

　　这类故障往往由于设计和加工制板过程中工艺性错误所造成的。主要包括错线、开路、短路。排除的方法是首先将焊接的电路板认真对照原理图,看两者是否一致。特别了注意电源系统检查,以防止电源短路和极性错误,并重点检查系统总线(地址总线、数据总线和控制总线)是否存在相互之间短路或与其它信号线路短路。

　　(2)排除元器件失效

　　造成这类错误的原因有两个：一个是元器件买来时就已坏了;另一个是由于安装错误,造成器件烧坏。我们采取了检查元器件与设计要求的型号、规格和安装是否一致。在保证安装无误后,用替换方法排除错误。

　　(3)排除电源故障

　　在通电前,一定要检查电源电压的幅值和极性,否则很容易造成集成块损坏。在系统通电后我们逐个检查各插件上引脚的电位,检查VCC与GND之间电位,若在5V左右属正常。

　　6 总结

　　由于本系统是分模块进行程序设计的，所以本系统调试时先分模块进行调试。在软件在各个子程序模块调试都正确后，将相互有关系的模块逐块组合起来加以调试，以解决在程序模块连接中可能出现的逻辑错误。对所有程序模块的整体组合是在系统联机调试中进行的。

　　本次调试的模块主要分为红外测距和超声波测距模块。先将它们写入集成环境软件运行、修改直至没有错误，根据是否能完成预定的功能否则，修改直到通过。最后再将程序综合在一起，结合硬件进行调试，直至实现预想功能。

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