1、本科毕业论文（20 届）基于 ARM 的智能健康饮水机控制系统的研究所在学院专业班级 电子信息科学与技术学生姓名指导教师完成日期基于 ARM 的智能健康饮水机控制系统的研究目 录前言 .2第 1 章 设计方案 .3第 1.1 节 设计分析 .3第 1.2 节 设计背景 .3第 1.3 节 设计方案 .3第 2 章 系统分析 .4第 2.1 节 硬件分析 .4第 2.2 节 软件分析 .11第 3 章 系统设计 .14第 3.1 节 系统设计 .14第 3.2 节 健康饮水机控制界面的设计 .16第 4 章 系统测试 .18第 4.1 节 系统测试 .18第 4.2 节 测试结果 .18第 4.
2、3 节 测试结果分析 .19结论 .20参考文献 .21致谢 .22附录 .23附录 1：实物照片说明 .23附录 2：部分源程序 .25第 1 页基于 ARM 的智能健康饮水机控制系统的研究【摘要】饮水机是日常生活中必不可少的电器设备，人们也在不断地追求饮用水的健康，该论文详细阐述了基于 ARM 的智能健康饮水机系统的硬件组成、软件设计以及系统调试。系统以 Open103Z 开发板为控制核心，使用数字温度传感器 DS18B20 构成温度采集电路，对在普通温热饮水机进行加热检测并通过 TAD-K220BD 人体感应开关控制饮水机工作，再由 PC817 光电耦合器检测其加热次数并记录空闲时间，以
3、及通过按键模拟出饮水机的一些状态，最后实现 LCD 液晶屏显示运行天数、空闲时间、饮水次数、工作状态、健康指导等信息。 【关键词】：开发板；温度传感器；人体感应开关；光电耦合； Abstract: Water dispenser is a necessary Electrical appliance in daily life, people have been pursuing healthy drinking water. The paper detailed expounds the intelligent healthy water machine system based on AR
4、M hardware composition, software design and system debugging. System to OPEN103Z development board as the control core, Using digital temperature sensor DS18B20 temperature acquisition circuit, heated in ordinary warm water machine for testing and through the TAD-K220BD human body induction switch c
5、ontrol water machine work, and photoelectric coupler to detect the heating time and record the free time by PC817, Then through the buttons Simulated some of the state of water dispenser, finally through the LCD screen displayed days running, free time, frequency of drinking water, working status, h
6、ealth guidance, etc.Key words: OPEN103Z；DS18B20 ；TAD-K220BD；PC817；第 2 页前言作为现代先进科学技术方面的核心领域，电气自动化控制系统引领现代化工业的前进方向，建立在先进科学技术上的电气自动化工程对于社会和企业的全面发展都起到了不可估量的作用。电气自动化控制系统能够帮助工业企业最大程度地减少劳动力成本和强度，提高检测的精确度，增强传输信息的有效性和实时性，确保了企业生产活动的顺利展开 1 。自动控制以及智能化的发展越来越切近人们的生活，以机器化的生产方式已经逐步代替人手工操作。然而在追求智能化的同时，环保、健康也不能被忽视，所以
7、本次研究要求以智能、健康为核心研究的主题，研究出一种新型的智能健康饮水机控制系统。随着社会经济的不断发展，我国的水源污染日趋严重，自来水厂的净水工艺、输配水设备和广大市民的饮用水要求之间的矛盾已成为现今社会一大问题 2 。人们对饮水机的选择已经不是停留在过去的眼光，而是高标准，不仅使用而且要求外形脱俗，而在功能、环保、安全上，也有了更高的要求。因此，智能健康饮水机控制系统的研究已是饮水机发展的必然趋势。本论文是基于 ARM 为核心控制的智能健康饮水机控制系统的研究，可在教室、图书馆、宿舍和家里等投入使用，这样会大大改善饮用水质量，必定会深受人们的喜欢。设计通过 LCD 液晶屏将饮水机当前的工作
8、状态显示出来，如：使用天数、空闲时间、加温次数、饮用次数、状态显示、温度显示以及健康指示等，能使用户随时掌握饮水机水质情况，方便用户进行操作。论文通过设计方案、系统分析、系统设计、系统测试 4 个部分阐述智能健康饮水机控制系统，设计方案主要讲述了课题的要求已经方案的选择。系统分析分为硬件部分和软件部分，其硬件部分主要讲述了人体感应开关、光电耦合器、ARM 的外设连接等，软件部分主要讲述了 ARM 的使用。系统设计讲述了程序的设计以及系统流程。系统测试讲述了智能健康饮水机控制系统的硬件测试和软件测试，测试是否能达到课题任务的要求。最后对测试结果进行分析。第 3 页第 1 章 设计方案第 1.1
9、节 设计分析根据设计的要求，主要任务是能对饮水机各种工作状态下进行检测和控制。利用温度传感器检测实时温度、通过人体感应开关控制并为饮水机提供电源、利用光电耦合器检测加温次数并记录饮水机空闲时间、由按键模拟出饮水机的某些工作状态，如饮水次数以及工作状态等。最后实现 LCD 液晶屏显示信息并对饮水机工作状态并做出健康指示。设计中采用 STM32F103ZET6 芯片为核心来实现控制，外接温度测量模块、键盘显示模块、人体感应模块以及光电耦合模块等几个部分。要实现系统的设计要用到的知识点有单片机的原理和应用，模拟电路的设计，温度传感器的原理和应用，人体感应开关的原理和应用，光电耦合器的原理和应用，及键
10、盘和显示电路的设计等。第 1.2 节 设计背景饮水机顾名思义就是解决人们饮水问题而诞生的家用产品。因提升人们的饮水质量和生活品位而成为时尚备受国人喜爱。最初的饮水机是人们饮用桶装水的家用产品，分为立式和台式两大类。为了饮水机满足国人的饮水习惯，饮水机的功能又实现了加热与制冷效果，此阶段的桶装纯净水为饮水机的诞生与发展起到关键作用。中国饮水机行业在发展的同时，一些问题也日益显露出来。特别是饮水机行业规范标准不健全，小品牌充斥市场， “二次污染”问题严重，质量安全问题和健康问题严重等制约了行业的进一步发展和品质的提高。因此，抓住健康、环保、安全，加大科技创新，提高技术含量是饮水机新的发展形势。因此
11、本次研究的意义也由此突显。第 1.3 节 设计方案系统以 Open103Z 开发板为控制核心，使用单线数字温度传感器 DS18B20 构成前置信号采集电路，对在普通温热饮水机进行加热检测并通过 TAD-K220BD 人体感应开关控制饮水机工作，再由 PC817 光电耦合器检测其加热次数并记录饮水机的空闲时间，按键模拟出饮水机的工作状态，最后利用实现 LCD 液晶屏显示运行天数、空闲时间、加温次数、饮水次数、工作状态、温度、健康指导等信息。第 4 页第 2 章 系统分析第 2.1 节 硬件分析2.1.1. 整体硬件电路智能健康饮水机的硬件电路主要由供电电路，测温电路，人机显示电路与光电耦合电路等
12、。如图 2-1 所示：2 2 0 V 交流电 饮水机测温电路光电耦合电路A R M人机显示电路按键处理图 2-1 整体硬件电路2.1.2. 供电电路供电电路一共分为两个供电电路：一是 220V 交流供电，为 AUX/奥克斯 601#型饮水机提供电源，此款饮水机带有静音设计、防干扰保护、节能省电、不锈钢内胆、坚固耐用、全过程空气过滤，制热功率 420W。如图 2-2 所示：图 2-2 AUX/奥克斯 601#型饮水机为了能更好的检测饮水机的工作状态，了解饮水机的加温工作方式，对饮水机的内部元器件的连接进行了分析，饮水机内部原理图如图 2-3 所示：第 5 页丝丝丝丝丝丝T1S1丝丝丝丝丝丝丝丝5
13、6KR1丝丝 56KR2丝丝丝丝LED丝丝丝丝LED丝丝丝丝LED丝丝 D1丝丝 D2D3T2丝丝丝丝丝丝丝丝丝丝丝丝丝丝丝图 2-3 饮水机内部原理图当接通电源后，开关 S1 闭合，绿色电源指示灯点亮。温控开关 T1 是常闭开关，起到保护电路的作用，当温度过高或者饮水机水箱水位不满水位上限值时，温控开关 T1 会自动断开。开关 S1 闭合后，饮水机内部温度传感器开始检测，当检测到需要加温时，闭合温控开关 T2，加热器开始工作，红色加温指示灯点亮。当温度达到一定值时，温度开关 T2 断开，饮水机处于保温状态。黄色保温指示灯点亮，红色加温指示灯熄灭。二是+5V 直流电源，为系统控制核心 ARM
14、开发板 Open103z 开发板提供电源，并为开发板外围设备提供电源。本次设计为了调试方便，+5V 电源使用了 USB 电源适配器插头提供电源，实际产品中应通过饮水机 220V 交流电内部转换而来。2.1.3. 人体感应模块为了使智能健康饮水机能做到有人时工作，人离开时断电，本设计在 220V 供电电路中加入了一个人体感应开关，人体感应开关主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为 2*l mm 的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电
15、压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大 70 分贝以上，这样就可以测出 1020 米距离。在防干扰方面要做到以下三点 3 ：（1）防止小动物干扰：探测器安装在推荐的使用高度，对探测范围内地面上的小动物，一般不产生报警；（2）抗电磁干扰：探测器的抗电磁波干扰性能符合 GB10408 中要求，一般手机电磁、微波炉、取暖器等干扰不会引起误报；（3）抗灯光干扰：探测器在正常灵敏度的范围内，受 3
16、 米外 H4 卤素灯透过玻璃照第 6 页射，不产生报警。本设计选用型号为 TAD-K220BD 人体感应开关，在实际连接电路中，第一次使用TAD-K220BD 人体感应开关时，需要接通电源几分钟以后方可使用，如图 2-4 所示：图 2-4 TAD-K220BD 人体感应开关它是基于红外线技术的自动控制产品，当有人进入开关感应范围时，传感器探测到人体红外光谱的变化，开关自动接通负载，人离开时断电，即方便安全又节能。此款人体感应开关具有以下特点：（1）双极性设计：自由安装(三线接驳)，且负载能力阻性负载 1000W、感应负载500W；（2）全自动感应：人来开关立即接通，人离开后延时自动关闭；（3）
17、继电器开关：接通负载力强，继电器开关使用寿命 10 万次；（4）自动测光：光线强时不感应，带感光调节(也可调节在任意光线下感应或全天侯感应) ；（5）自动随机延时(可连续延时方式)：人在感应范围活动，开关始终接通，直到人离开后才自动关闭；（6）延时时间可调：16 秒-350 秒；（7）超低功耗：开关自身功耗0.016W/h(年耗电0.14 度)； （8）防雷功能：特设防雷器件，可有效防止雷电等瞬间高压对开关造成的损害。2.1.4. 测温电路测温电路主要是利用温度传感器测量出饮水机内胆中实时温度。本次设计采用DS18B20 数字温度传感器， DS18B20 数字温度传感器是 DALLAS 公司生
18、产的一种独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯的数字温度传感器 11 ，具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易于搭配处理器等优点，特别适合用于高精度测温系统。它具有以下一些特点：第 7 页（1）适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；（2）独特的单线接口方式，DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯；（3）温度数字量转换时间 200Ms（典型值） ，12 位分辨率时最多在 750ms 内把温度值转换为数字；（4）DS18B20 支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，实现组网
19、多点测温；（5）DS18B20 在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在集成电路内；（6）可编程的分辨率为 912 位，对应的可分辨温度分别为 0.5、0.25、0.125和 0.0625，可实现高精度测温；（7）测温范围55+125，在-10+85 时精度为 0.5；（8）测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线“ 串行传送给 CPU，同时可传送CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；（9）用户自定义的非易失性温度报警设置；（10）零待机功耗；（11）负压特性：当电源极性接反时，温度传感器不会因过度发热而烧毁，但是不能正常工作。表 2-1 是 DS18B20 温度采集转换
20、后输出的 12 位二进制数，存储在 DS18B20 的两个8 位的 RAM 中。二进制数的最前面 5 位是符号位，如果测量的温度不小于 0，那么这五位为 0，然后只要将得到的二进制数值乘以 0.0625 就可以得到测量的实际温度；相反，如果温度小于 0，那么这五位为 1，然后将得到的数值取反加 1 再乘以 0.0625 就可以得到测量的实际温度。例如：当采集到的温度位125的实际温度后，数字量输出为07D0H，那么,实际温度=07D0H0.0625=2000 0.0625=125。表 2-1 12 位转化后得到的 12 位数据温度（C） 数字输出（二进制） 数字输出（十六进制）+125 000
21、0 0111 1101 0000 07D0h+85 0000 0101 0101 0000 0550h+25.0625 0000 0001 1001 0001 0191h+10.125 0000 0000 1010 0010 00A2h+0.5 0000 0000 0000 1000 0008h0 0000 0000 0000 0000 0000h-0.5 1111 1111 1111 1000 FFF8h-10.125 1111 1111 0101 1110 FF5Eh-25.0625 1111 1110 0110 1111 FE6Fh第 8 页-55 1111 1100 1001 0000
22、 FC90hDS18B20 内部结构主要由 4 大部分组成：64 位光刻 ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器 TH 和 TL、配置寄存器。其中，VDD 为电源输入端，DQ 为数字信号输入/输出端，GND 为电源地。如图 2-5 所示：图 2-5 DS18B20 内部结构DS18B20 依靠一个单线端口通讯，在单线端口条件下，必须先建立 ROM 操作协议，才能进行存储器和控制操作。ROM 的 64 位序列号是在出厂前就被刻录好的，可以看做是温度传感器的地址。而且每个地址码都不同。64 位激光 ROM 的从高到低依次排列是：8 位 CRC 循环冗余校验码、 48 位序列号和 8 位家族代码（28H ）组成。光刻 ROM 的作用是让每个 DS18B20 都不相同，可以实现单总线挂载多个 DS18B20 多点测温的需求。一条控制操作命令指示 DS18B20 完成一次温度测量。测量结果放在 DS18B20 的暂存器里面，用一条读暂存器内容的存储器操作命令可以把暂存器中数据读出来。温度报警触发器 TH和 TL 各由一个 EEPROM 字节构成。配置寄存器为高速暂存存储器中的第 5 个字节，DS18B20 工作时就按照这个寄存器的存放的分辨率将温度转换成需要的精度 5 。本设计要测量饮水机内部水箱水温，故采用了不锈钢封装、防水型 DS18B20 温度传感器。如图2-6 所示：
