学士学位论文智能饮水机控制系统的设计与实现计算机科学与技术.docx
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学士学位论文智能饮水机控制系统的设计与实现计算机科学与技术
本科生毕业论文（设计）
题 目
智能饮水机控制系统的设计与实现
姓 名
xx学号2012417008
院 系
信息科学与工程学院
专 业
计算机科学与技术
指导教师
xx职称副教授
2016年5月20日
xx师范大学教务处制
目录
摘要1
关键词1
Abstract1
Keywords 1
1引言2
1.1研究的背景2
1.2研究的目的和意义2
1.3饮水机的主要功能3
2智能饮水机的硬件结构3
2.1智能饮水机的总体设计4
2.2ATmega169的主要性能4
2.3测温电路的设计4
2.3.1DS18B20的主要性能4
2.3.2DS18B20供电方式5
2.4水位检测电路5
3智能饮水机的软件结构5
3.1系统分配方式5
3.2主程序的设计6
3.3温度检测模块设计7
4调试及性能分析7
4.1对水位检测模块的仿真实现8
4.2加热模块电路仿真8
4.3对状态模块的仿真实现9
4.4性能分析9
5结论9
致谢10
参考文献10
智能饮水机控制系统的设计与实现
计算机科学与技术学生xx
指导教师xx
摘要：
由于传统饮水机结构，功能简单，不能满足用户对饮水的更高需求。
结合单机片和电子技术理论，设计了一款智能饮水机，此饮水机可根据用户输入信息，显示当前实时温度，用户可以自己设定几种温度模式，根据要求匹配出不同的温度，从而达到不同用户的饮水需求。
而且还能自行设定加热到达预设温度时有警报提示，不但节约能源，而且杜绝了安全隐患。
通过使用ATmega169和DS18B20可更好的控制水温,水位和水量，应用前景更为突出。
关键词：
智能饮水机单机片温度控制警报
DesignandRealizationofIntelligentWaterControlSystem
StudentmajoringinComputerScienceandTechnologyxx
Tutorxxx
Abstract:
Duetothetraditionalwaterstructuresjusthavesimplefunctions,andcannotmeethigherdemandfordrinkingwater.Wedesignedasmartdispensercombinedwithsingle-chipandelectronicstheory.Thiswaterdispensercanbebasedonuserinput,displayingthecurrenttemperatureinrealtime,userscansetseveraltemperaturemodesdependingontherequirementsoftemperature,soastomeetthedrinkingwaterneedsofdifferentusers.Itcanalsosettheirownheatwhenitreachesthepresenttemperaturealert.Itcannotonlyconserveenergy,butalsoavoidthesecurityrisk.ATmega169andDS18B20cancontrolthewatertemperature,waterlevelbetter,andapplicationsstandoutevenmore.
Keywords:
intelligentdrinkingmachine,singlechip,temperaturecontrol,alarm.
1引言
世界在发展，时代在进步，人们的生活水平也在不断提高，于是人们对健康越来越重视，对引用的水质越来越在乎。
“信息时代”的到来，让人们对生活质量有了更高的要求，传感器技术的应用领域越来越广泛，人们对其的需求也越来越迫切。
传感器可以将化学信号（物理量、化学量和生物量）转变为电信号，从而可实现计算机的自动控制、自动测量和信息处理，传感器有控制和测量的作用，系统性能的好坏可被传感器有直接的影响。
各类传感器有各自的结构和功能，要实现满足信号的处理和显示，需要传感器的性能指标以及原理做出恰当的调整和控制才能满足其要求。
最终显示目的要求。
温度传感器的发展速度，让传感器的应用范围不断扩大。
总体来看，饮水机的设计的实用性及综合性比较强，要使设计广泛应用于市场，设计系统必须有控制智能饮水机的系统的作用，另外，还需要有温度的检测和温度的控制系统加强影响。
本设计系统的智能饮水机弥补了传统饮水机的很多缺陷.例如：
功能相对简单，耗能大，不能根据用户想要的温度实现所要需结果。
该智能饮水机基本工作原理是：
通过使用单机片ATmega169和温度传感器DS18B20，不仅实现对饮水机水温很好的控制，而且对水位以及进水，加热过程进行智能控制，因此，达到了节能的效果，以及最大限度地满足用户健康饮水的需要。
另外，自动监测技术可实现对水温水位的检测，电子设计技术可控制加热，进水状态，从而达到系统核心的设计，完成课题所有需要。
1.1研究的背景
随着中国经济的进步，科技的不断发展，饮水机在中国的应用也越来越广泛。
饮水机越来越成为人们家里生活中不可缺少的一部分，占据市场比例越来越大。
随着人们生活水平的不断提高，对饮水机的功能的要求也就越来越高，因此，智能饮水机的引进需求越来越占主导地位。
饮水机的水源采用的是瓶装水或者自来水净化器净化的水，饮水机通过接触电源对其内部的水进行加热，提供给人们热水的需要。
饮水机在日常生活中基本上能满足人们的饮水，泡茶，调剂食品等各种用途。
另外，饮水机结构简单，操行方便，清洁卫生等优点更为家庭生活带来方便。
时代在进步，科技在发展，我们消费者的眼光不只停留在眼前，简约时尚，智能便捷，也成为我们生活追求的目标，智能饮水机的引进也就也就成了必然发展的趋势。
1.2研究的目的和意义
传统的饮水机功能相对简单，温度控制不能根据自己的喜好设定温控参数；能耗非常大，没人使用的情况下处于开机状会造成能源的大量浪费；长期饮用“千滚水”会对人们的身体健康不利。
单机片ATmega169作为智能控制饮水机的主要的检测和控制核心，温度传感器DS18B20对其配合使用，从而达到对饮水机的水温"水位以及进水和加热状态的智能控制的好的效果，也防止了每次加热导致多次“千滚水”，不但节约能源，而且满足用户的不同需求。
1.3饮水机的主要功能
智能饮水机的整个控制系统是有单机片进行控制的，包括温度传感器，加热容器，储水容器，水位传感器，水位指示器，智能控制状态指示器等部分。
温度传感器的功能是检测加热容器的温度，当温度达到100°Ｃ时，停止加热；当温度低于用户自己预设温度时，则启动加热。
加热容器用于存储已经加热的热水。
储水容器功能是用于存储冷水。
水位传感器功能是用于检测水位，当低于最低水位时，打开进水阀；高于水位时，关闭进水阀。
水位指示器的功能是显示当前的水位。
智能控制状态指示器用于指示当前的状态，例如：
加热，保温等。
智能饮水机控制系统如下图1.1所示：
图1.1智能饮水机的控制系统
饮水机的系统启动后，整个系统装置开始运行，进入水温，水位的控制，并显示当前的状态。
同时，用户可以根据自己的需要设置自己所需要的温度，完成上述的流程。
2智能饮水机的硬件结构
2.1智能饮水机的总体设计
整个硬件系统由主控制系统控制整个系统，传感器、输入输出模块、其他功能电路和电源等部分做配合辅助使用，完成整个系统的配置。
主控系统由单片机作为主要控制，单机片包括对键盘，温度和水位监测信息的接收，接触电源显示目前的温度和状态，对智能饮水机的控制系统的加热和进水状态由单机片进行控制。
通过软件编程对其他功能电路的控制等实现预定功能；传感器部分即检测子系统，包括温度检测系统和水位检测系统两部分，对于饮水机中水的温度检测和控制，采用智能温度传感器DS18B20；水位检测系统实现对饮水机中水位的检测和控制，从而避免“防干烧”的缺点。
其他功能电路，为了实现功能的多样化，满足了恒温，出水等功能；电源部分为智能饮水机提供电能，接触电源，使饮水机能够正常的工作。
整体框图如图2.1所示，以下是重点详细讨论每个功能模块各自的设计思想以及硬件电路如何实现。
图2.1智能饮水机硬件系统整体框图
2.2ATmega169的主要性能
ATmega169低功耗的8位CMOS微控制器，先进的指令集以及单时钟周期指令执
行时间，可使ATmega169的数据吞吐率高达1MPS／MHｚ，加快了运行速度，同时减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。
ATmega169是一种高性能，低功耗的8位微处理器，RISC结构有一共有130条指令，而大多数指令执行为时间为单个时钟周期，32个8位通用工作寄存器，在全静态工作下，需要两个时钟周期的硬件乘法器，工作于16MHz，最终可高达16MIPS的速度，使整个运行程序更加快捷。
程序的非易失性和数据存储器，16K字节的系统内可有编程Flash的功能，使擦写寿命高达10000次，机器运转更为可靠。
具有独立锁定位的可选Boot代码区，通过片上Boot程序实现系统内编程真正的同时读写操作。
可以对锁定位进行编程，从而实现用户程序的加密。
实时计数器RTC，四通道PWM，8路10位ADC，具有独立的振荡器，可对串行USART进行编程，可工作于主机的串行接口，从机模式的SPI串行接口。
具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器。
引脚电平变化可引发终中断及唤醒MCU，特殊的微控制器特点有上电复位，可编程的掉电检测。
2.3测温电路的设计
2.3.1DS18B20的主要性能
DS18B20数字式温度传感器在温度传感方面起着重要的作用，它是一种一线式数字温度传感器。
他可将地址线，数据线，控制线合为一根双向串行信号线，具有传输数据的功能，这跟信号线上可连接多个DS18B20，其广泛用于工业，民用，军事等领域。
它具有微型化，低功耗，高性能等功能，还具有抗干扰能力强等优点，可直接将温度转化成串行数字信号，然后由处理器处理。
其内部存储器还包括一个RAM，具有高速暂存的作用，还有一个非易失性的LLNAC，能够可电擦出。
RAM和LLNAC可以支持多点组网功能，另外，多个DS18B20可以并联在一起，组合在一个三线上，唯一一根三线，最终可实现组网多点测温。
单线接口方式独特性:
一个I/O口线可将DS18B20与微处理器连接，可实现微处理器与DS18B20之间无阻碍双向通讯，另外，其他电路不需要做任何改变，即可直接输出所需要的温度值。
温度测量范围为－55°C～＋125°C，在－10°C～＋85°C时精度为+0.5°C或-0.5°C，本来存在的测温分辨率为0.5°C。
2.3.2DS18B20供电方式
DS18B20寄生电源供电方式:
使DS18B20进行精确的温度转换，要使在转换过程中有足够的能量供给，必须保证I/O线为其提供能量。
但是当每个DS18B20的工作电流达到1mA的时候，可以达到几个温度传感器进行多个点的测量温度的优点，但是仅在一根线上，只靠上拉电阻不能提供足够的能量，最终使测量误差变大。
DS18B20外部电源供电方式：
在进行外部供电时，此时的I/O线不需要强上拉电压，而且还可以组成多点测温系统。
它真正的优点是不存在电源电流不足的问题，可以持续为其供电。
但是为了保证完成正常的温度转换，DS18B20的GND引脚不能悬空，温度读取要在85°C。
治得注意的是，在proteus仿真中VCC和GND均悬空，否则会出现仿真错误。
综合两种电源供电方式，外部电源供电方式更为合适，模拟电路如下图2.2所示：
图2.2模拟电路
2.4水位检测电路
本设计在使用水位检测时使用的是水位传感器，一般水位传感器有接触型和非接触型，由于水位测定环境所需的温度比较高，要靠考虑各种综合因素，最终选择采用非接触型的传感器，他能减少对测量器件的寿命和准确度的影响，更加合适。
其工作原理为：
在安装管内装一个浮标，在浮标上端连接一个V型反射镜。
将水位检测的红外安装饮水机内部底端，发射管和接收管通过管头对管头方式安装，红外激光二极管发出的激光光束垂直发射到V型反射镜上，镜面有90°的变换效果。
光束射到光敏二极管上，光敏二极管导通会显示高电平和低电平两种结果，然后将电瓶电压连接到ATmega169的PD0-PD6端。
3智能饮水机的软件结构
3.1系统分配方式
对于系统分配的设计，不但需要硬件设计，软件的应用也很重要，对于每个生产对象的实际需要也需要大量的工作完成设计应用程序。
因此，微机控制系统软件设计也占有重要作用，对本设计的智能饮水机的设计与实现，综合各种因素，软件实现更为重要。
单机片控制系统数据处理是一方面，过程控制也是一种基本的类型。
过程控制主要是控制单机片按一定方法进行计算并输出。
而数据处理是标度变换，数据采集中数据进行整合应用。
智能饮水机的设计采用模块化结构，主要是由温度显示模块，主程序，温度检测模块，水位检测模块，状态模块等部分组成。
整个设计的优点是，单个模块独自应用比起一个完整的程序更加容易编写及调试；模块可以共存以及允许设计者自行分配任务和执行。
为设计者带来更多的方便。
3.2主程序的设计
程序的设计包括：
1.设置各种堆栈指针，定时器/计数器进行初始化。
开中断，定时器/计数器的启动。
2.主程序不断扫描按键，判断是否有按键按下，有按下则根据相应具体操作实现，否则返回。
同时通过LED检测饮水机的水温水位的信息，显示预设结果。
软件主程序设计图如下图3.1所示：
图3.1软件主程序设计框图
按键扫描模块的主要功能是在程序运行过程中，不断进行按键扫描，检测是否有按键被按下，如果有检测到有按键被按下，程序做运行，实现相应的操作，否则返回显示。
其按键功能包括：
设置温度，增加温度，减少温度等。
主程序如下：
voidmain（）
{
T=100;
while
（1）
{
Lock_key（）;
if（Lock==0）
keyscan（）;
if（flag2==0）
temp_display（）;
if（flag2==1）
SEG_display（T,0）;
if（temp>=T*10）{Temp_led=0;Hot=1;Hot_led=1;}
if（tempif（temp>=1000）{Beep=0;Hot=1;Hot_led=1;}
if（temp<1000）Beep=1;
}
3.3温度检测模块设计
温度检测运用温度传感器DS18B20芯片，芯片不但精度高而且功能全面，可以更好完全满足设计要求，将检测到的水温送给单机片，由显示线路接受并且将实时水温显示出来。
其程序流程图如下图3.2所示：
图3.2温度检测程序流程图
如此循环，最终实现智能饮水机温度实时检测功能。
4调试及性能分析
4.1对水位检测模块的仿真实现
利用水温传感器，在红外激光二极管发出激光光束射到光敏二极管上，有高电平，低电平对应水位检测模块会出现最低水位和最高水位两种结果，仿真结果如下图4.1所示：
图4.1水位检测模块仿真结果图
4.2加热模块电路仿真
接通电源，按下加热键，此时智能饮水机开始工作，此时饮水机处于加热状态，指示灯出现黄色亮光，再次按下加热键，则会停止加热，加热模块电路仿真效果如下图4.2：
图4.2加热模块仿真电路图
4.3对状态模块的仿真实现
智能饮水机控制的设计与实现会出现保温，加热，缺水三种状态模块，仿真结果如下图4.3所示：
图4.3状态显示模块仿真结果图
4.4性能分析
通过硬件的仿真实现，各部分电路都能按照设计的要求正常运行，完成了设计的要求，综合上述，充分说明，本设计合乎要求，成功完成了本次设计！
5结论
本次智能饮水机控制的改良设计，主要针对传统饮水机功能相对简单，能耗大一些局限性进行进一步改造升级。
随着生活水平的不断提高，普通的饮水机已经不能满足我们消费者的生活要求，我们通过自己的知识对其进行改造设计，跟上时代的进步和潮流。
本设计通过介绍智能饮水机控制系统的，软件系统设计，硬件系统设计以及调试方法。
通过最后的硬件不断调试，不断改正，最终调试出最佳效果，选出最优的方案。
系统设计的方案简约时尚，智能便捷。
有稳定性高，可靠性好，精度高，功能强等很多优点。
本次设计过程中，我学习到了很多以前没有接触过的知识，也发现了很多自己身上的缺点。
这次毕业设计，我掌握单机片的工作原理，软件硬件各方面的基础知识，
我认识了热敏电阻和温度传感器DBS18B20可以共同实现智能饮水机的温度检测功能，学习到了DBS18B20的各种功能。
全面提高了我对软件编程，硬件仿真实现的能力。
提高了我们的自学能力，在分析问题解决问题方面更让我变得自信。
同时，我也学到了团体合作能力，身边同学跟你的合作会让你在解决问题方面更加迎刃而解。
世上无难事，只怕有心人。
所有的成功都是建立在努力之上，查资料，搜集资料，分析资料，学习新知识，掌握新知识，所有的困难都在突破中最终取得成功，顺利完成毕业设计！
致谢
本次毕业设计终于顺利完成，这是我人生第一次接触毕业设计，喜忧参半，忧在过程的困难，喜在最终圆满完成毕业设计，所有的经历都是美好的。
毕业设计是对我们所学知识和能力的一次全面考核，提高我们对问题的分析和解决能力，同时为以后的深入学习和写作打下良好的基础。
如果只凭借自己的能力，我是很难顺利完成这次毕业论文。
如果没有大学学术成长的积累，同学的帮助，老师的指引，家长的鼓励，我无法想象今天的毕业设计顺理成章。
首先，我要感谢我的母校—xx师范大学信息科学与工程学院，是他让我在计算机这片领域因为知识的积淀茁壮成长。
我要感谢计算机的老师们，他们教育了我专业方面知识，教会了我做人做事的道理。
我非常非常感谢我的导师，xx老师，在做毕业设计过程中，他给予我很大的支持与帮助，每次提出的问题他都耐心帮我解答，指引我，是我能够有勇气继续我的毕业设计。
还要感谢我的同学，设计过程，因为基础知识不牢固，阻碍比较多，是他们给我提供资源和帮助。
最后还要感谢相关资料的编著者和给予我们支持的社会各界人士,感谢每一位在我设计中帮助我的人，使我的毕业设计圆满成功。
我不知道如何来报答你们对我的帮助，在以后的学习和生活中，我会努力学习科学文化知识，尽自己最大的努力回报母校的养育之恩，为社会提供功能多的价值意义！
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