基于单片机控制的时间段可控式节能饮水机设计.doc

时间段可控式节能饮水机设计作品内容简介本作品是针对大部分饮水机用户都是让饮水机一直处于工作、反复加热的状态而造成大量的电能浪费以及产生不利于人体健康的“千滚水”而作出的创新改良设计，实现饮水机的智能化和人性化控制，节能效果显著，使饮水机能按实际情况需要合理的安排工作时间，在确保饮水机热水正常供给的同时极大限度地节省了用电量，减轻了用户的经济负担。本作品主要包括电源模块、微处理器模块、液晶显示模块、按键设置模块、高精度时钟模块以及光耦驱动电路模块，是基于对时间段使用与否的控制，实现了工作时间可调性，工作温度可调性，多种模式可选择性。提供学生宿舍、办公室、家庭三种工作模式手动切换，适用于不同类型用户，提供临时加热功能，便于用户在特殊情况下依旧可以正常饮用热水，同时可通过按键模块根据自己的需要设置或修改饮水机的使用或关闭的时间段以及工作的温度阈值,饮水机可按预设的工作时间和温度阈值自动进行节能工作，当检测到环境温度高于人们软件设置的温度值时关闭饮水机，另外设有掉电保护，防止用户配置信息丢失。本作品改造价格低廉，节电效果显著，特别适合于学校、普通家庭及办公室用户。目录1 研制背景及意义22 设计方案2.1 硬件设计方案2.1.1 硬件设计总框图32.1.2 微处理器模块42.1.3 光耦驱动模块52.1.4 液晶显示模块62.1.5 温度传感器模块62.1.6 高精度时钟模块72.1.7 按键设置模块72.2 软件设计方案 2.2.1 软件设计功能简介8 2.2.2 软件预设默认时间表82.3.3 软件设计流程图93 理论设计计算104 工作原理及性能分析105 实物操作说明116 常见故障及解决方法117 创新点及应用128 作品实物展示121 研制背景及意义当今市场上的饮水机可谓琳琅满目，类型众多，功能更是齐全、细分，但是对于广大对饮水机功能要求不高而纯粹想多点节省电能的普通用户来说，市场上的未免有些华而不实了，而本作品的低廉改造成本以及显著的节电效果将可以是用户的一个不错的选择。同时根据调查显示，大多数的学生宿舍、家庭和办公室中仍然使用传统的温热型饮水机，几乎99%的学生宿舍都是让宿舍里的饮水机一直处于工作状态，而没有在上课的时间段以及晚上睡觉时间段等不必要时间里关闭饮水机的习惯，另外家庭用或者办公室用饮水机也经常让饮水机处于24小时开启状态，同时饮水机在夏天高温时段依旧重复加热，没能人性化地根据人们饮用热水量来控制加热功能开启与否。此现象导致了如下两个问题： 1、造成大量不必要的电能浪费，增加了经济负担和社会能源使用压力。 2、反复地加热饮用水会加工出“千滚水”，对健康十分不利。为此，我们对温热型饮水机做针对性有效设计改造，使饮水机能够智能地有效地根据不同时间段里热水需求来控制饮水机的开启与否。2 设计方案 2.1 硬件设计方案2.1.1 硬件设计总框图主控实物电路板板如下图2.1.1所示：图2.1.1 主控实物电路板2.1.2 微处理器模块我们使用了由STC89C54单片机芯片构成的最小系统，包括：单片机、晶振电路、复位电路等。另外，为防止掉电时的用户配置数据丢失，单片机采用掉电保护模式，即每当用户数据发生变化时，及时地保存到单片机的内部EEPROM中。使用内部EEPROM可以充分利用资源，大大简化电路，减低成本，具体实现电路如图1所示：图1 单片机最小系统2.1.3 光耦驱动模块 饮水机电源的通断是由下面的光耦电路模块控制的，其中使用到MOC3041以及BTA08芯片实现弱电控制强电，具有大功率驱动能力，该光耦驱动电路稳定，抗干扰能力强，具体实现电路如下图2所示：图2 光耦连接图实物电路如下图3所示：图3光耦驱动电路实物2.1.4 液晶显示模块 采用型号为1602的液晶显示屏，液晶显示器属于低功耗器件，不仅可以显示重量、时间，还可以显示友好界面，实现各种数据显示的快速切换，从而使得系统更具智能化、人性化。用于显示当前时间、日期、温度以及多级菜单，方便用户进行设置以及查看已设置信息。具体实现电路如图4所示： 图4 液晶连接图2.1.5 温度传感器模块 该模块用于测量周围环境的气温，是判断饮水机开启与否的其中一个条件。此功能主要针对用于在夏天天气太热，气温太高而不怎么需要喝热水时，不必开启饮水机从而节省更多电能，具体的工作温度用户可自行根据需要自行设置，当气温高于用户设置的温度值时表示用户在此温度下不饮用热水，不开启加热功能，从而达到其中一方面的节电效果。 具体实现电路如下图5所示：图5 温度传感器连接图2.1.6 高精度时钟模块 DS12C887时钟芯片中自带有锂电 池，外部掉电时，其内部时间信息还能够保 持 10 年之久；对于一天内的时间记录，有12 小时制和 24 小时制两种模式。在 12 小时 制模式中，用 AM 和 PM 区分上午和下午； 时间的表示方法也有两种，一种用二进制数 表示，一种是用 BCD 码表示，本模块主要用于产生时间信息，能够产生精确的时间信息，协助单片机对各时间段进行精确控制，是本作品的核心模块之一。 图6 DS12C887芯片2.1.7 按键设置模块本作品中设计了一个3*4的矩阵键盘，可以通过按键实现学生、办公室以及家庭模式的手动切换，开启临时加热功能，进入菜单选项进行时间、饮水机工作时间、工作温度的设置和修改，其中的菜单按键可进入多级菜单显示选择当中，另外还有软件复位按键，可实现程序出错后恢复正常工作状态。 实物按键面板如图7和图8所示：图7 实物按键面板 2.2 软件设计方案 2.2.1 软件设计功能简介1) 软件实现多级菜单式显示，用户可以在菜单中选择查看及设置。2) 防止掉电时的用户配置数据丢失，每当用户数据发生变化时，及时地保存到单片机的内部EEPROM中，当电源断开后配 置的数据不会丢失，重新上电后再把配置数据从 EEPROM中读到单片机内继续工作。3) 实现工作时间以及温度阈值可自行设置和更改功能。4) 实现不同工作模式之间的手动切换以及临时加热功能。5) 提供恢复缺省设置功能。 2.2.2 软件预设默认时间表 本作品中在学生、办公室以及家庭模式中各对应有饮水机默认的工作和不工作时间段，如下表1所示，用户可以根据自身需要在这基础上进行增加、删除以及修改时间段。学生办公室家庭周一至周五开启关闭周一至周日开启关闭周一至周日开启关闭6：557：558：3012：006：308：309：3510：0014:0018:0011:3014:3011：4014：2517:3023:0016：0516：3018：1019：2521：1000：30周末6：5500：30 表12.2.3 软件设计流程图开始菜单显示相关初始化从EEPROM中读取数据进入设置？ 是否提取时间信息进行相关设置到达开启时间？ 是有数据变化？提取温度信息到达关闭时间？ 是擦除EEPROM 否高于工作温度？ 是重新保存数据关闭饮水机 是 否打开饮水机3 理论设计计算根据调查显示，饮水机耗电量应该这样考虑：1、（加热时发热管功率电源指示灯功率）加热时间；2、保温时电源指示灯功率保温时间，这两种情况之和即为总的耗电量，但其电源指示灯的功率非常小，几乎可以忽略不计，所以我们计算该饮水机的耗电量公式为：加热时发热管功率加热时间。另外调查显示饮水机1小时加热（在不使用水的情况）次数为2次，每次加热时间约为2min钟，所以，每台饮水机每小时耗电量约为：420W2min2=0.028，即是0.028度电。那么如果一天24小时开着的话耗电约为：0.02824=0.672，由此可得一台饮水机一年耗电量为：0.6723012=241.92度。以学生模式下为例，学生宿舍一天真正需要开启饮水机的时间约为11个小时，如若采用的我们设计的饮水机，那么一天24小时平均可以节约13个小时的用电量，一年可节省的电量为：241.92（13/24）=131.04度另外，根据用户设置的温度值，当温度超过设定值时同样不开启加热功能，这里也可以节省一部分电能，再除去弱电控制电路耗去的部分电能，本设计节电率可达54.1%左右，节电效果相当明著。如果本设计应用于家庭以及办公室上按同上的计算方法同样可得节电效果相当明著。全国各地饮水机的使用数量是一个庞大的数目，如果都采用本设计的节能饮水机，那么一年下来节省的电能将是非常巨大的、不可估量的。4 工作原理及性能分析4.1 工作原理本作品可在学生、办公室以及家庭三种工作模式下手动切换，选择不同模式下工作时，系统软件会提供不同的默认的工作和不工作时间设置，微处理器会根据这些设置的时间信息通过核对时间信息在需要开启的时间段让饮水机通电开启加热功能而不必要时切断电源关闭加热功能；在要开启饮水机的时间段时还要检测当前气温，对比用户设置的工作温度，当温度高于用户设置的温度时不予以通电。当然，工作的时间段以及温度都是随时可调的，系统在最初只是提供默认时间段及温度供参考，具体则还应由用户根据自身需要来修改设置。 4.2 性能分析 通过对已完成的实物工作的观察可得该作品产生的时间信息准确，按键灵活，能及时不丢失地保存用户的配置信息，断电后用户信息不丢失，微处理器控制精确，完全能按照用户的设置去执行控制，改造后的饮水机工作稳定性能良好，具有显著的节电效果。5 实物操作说明5.1 模式切换指南 用户初次使用时，按下背面黑色切换开关“一”端选择节能模式，“二”端是普通模式，上电后根据用户类型在操作面板选择学生、办公室或家庭模式。用户在下次使用时无需再进行此操作。如需在饮水机关闭时间段期间饮用热水，可按操作面板上“加热”按键开始加热即可。用户也可按下饮水机背面黑色切换开关“二”端切换到普通模式加热，使用完后再按下“一”端切换到节能模式。5.2 按键操作指南：5.2.1 时钟设置按“菜单”选择“Ajust Clock”按确定键进入修改状态将闪烁的光标按“向上”或“向下键”移到要修改的位置按“+”或“”键进行调整按“取消”返回或“确定”保存退出。5.2.2 修改工作时间段按“菜单”选择“Ajust WorkTime”按“确定”键进入修改状态按“向上”或“向下”键选择要修改的时间段按“+”或“”进行修改按“取消”返回或“确定”返回继续浏览操作。5.2.3 增加工作时间段按“菜单”选择“Add WorkTime”按确定键进入增加状态将闪烁的光标按“向上”或“向下键”移动到相应位置按“+”或“”键进行调整按“取消”返回或“确定”保存退出。5.2.4 删除工作时间段按“菜单”选择“Del WorkTime”按确定键进入删除状态按“向上”或“向下键”选择要删除的时间段出现警告提示，按“取消”返回或“确定”删除返回继续操作。5.2.5 修改温度阈值按“菜单”选择“Set Temperature”按确定键进入设置状态按“+”或“”键进行调整按“取消”返回或“确定”保存退出。5.2.6 恢复缺省设置按“菜单”选择“Default Setting”按确定键进入设置状态出现警告提示,按“取消”返回或“确定”保存退出。6 常见故障及解决方法6.1 操作没反应？遇到这种情况，一般只需按下背面复位开关进行复位即可；如仍无反应，可断电后再通电进行该操作。6.2液晶显示不正常？遇到这种情况，一般只需按下背面复位开关进行复位即可；如仍无反应，可断电后再通电进行该操作。6.3 工作时间控制不正常或错乱？按“菜单”进入设置模式，按“向上键”或“向下键”找到“Default Setting”项，按确定键选择，再按一次确定进行恢复缺省设置后，再根据自身实际设定工作时间和温度阈值。7 创新点及应用7.1 创新点：本设计是基于对时间段使用与否的控制，工作时间可调性，工作温度可调性，多种模式可选择性，用户可根据自身需要及生活习惯自行设置，具有很好的普及性，显著的节电性。通过用按键实现工作时间和温度设置并保存，拥有掉电保护技术，用户设置信息不丢失，弱电控制强电技术，液晶菜单显示。7.2 应用时间段可控式智能饮水机的制作，是对传统普通饮水机的技术创新，低功耗、低成本、高效率，节能环保等特点将使该电器成为传统普通饮水机的更好的替代物。低廉的改造成本却换来高效的节能，设计灵活，具有工作时间、温度可调性，多样模式可选择性，设置信息可存储性，可适用于不同的工作环境以及满足不同需要和不同生活习惯的用户人群，与传统的相比更加智能化，人性化，灵活度更高，普及度更强。当今市场上的