一种可以调节温度和出水量的智能饮水机的制作方法

本发明属于家用电器技术领域，具体地说是一种基于PWM波来调节温度和出水量的智能饮水机。

背景技术：

PWM就是脉冲宽度调制，也就是占空比可变的脉冲波形.

脉冲宽度调制是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

饮水机兴起于上世纪90年代的饮水机，在家用电器领域里的热度随着国人生活水平的质量提高而逐年攀升。

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。

现在饮水机已经普遍用于车站、学校等公共场所，极大地方便了人们的生活。

但是目前的大多数饮水机只具有单纯的制冷或者制热的功能，只能通过不停地制冷或加热产生很凉或者很热的水。而大多数用户的需要却是可以直接饮用，温度适中的温水。这就需要用户自行按一定的比例混合饮水机中的热水与冷水，是一个相当麻烦的过程。而且人工混合很难使水温达到期望值，不是过冷就是过热，对用户饮用造成极大的不便。

另外现在的饮水机都需要人工进行开关，这样就不能够很精确地控制出水量，有时会倒得多，有时会倒得少，对于用户来说，这样很难把握好度，对生活也会造成一定的不便。而且另外有时用户难免会忘记关闭水龙头，会导致水溢出杯子，不但可能会造成水资源的浪费，甚至还可能造成系统短路等严重事故。

而且现在市场上大多数的饮水机忽略了安全保护措施。对于用电的设备来说，由于线路老化、绝缘较差等原因，很有可能会导致漏电、短路等故障，造成较为严重的后果。有时可能会导致跳闸，从而影响用户供电，并且由于用电可能泄露，饮水机也会对用户的人身安全产生一定的威胁。

总而言之，上述饮水机具有的不能随意调温、不能自由精确控制出水量以及没有安全保护措施等缺点都大大地影响了饮水机的方便性以及安全性，不能够很好地满足用户对饮水机的需求。

技术实现要素：

本发明目的在于克服当今饮水机不能随意调温、不能自由控制出水量以及没有安全保护措施等缺点而提供一种可以设定温度、调节出水量以及带有安全报警装置的智能饮水机。

一种可以调节温度和出水量的智能饮水机，包括：

传感器单元，用于将水的温度信息以及出水量转化为电信号，供控制单元进行运算、比较和控制；

人机交互单元，用于与用户进行信息交换，包括从用户处接收信息和显示信息给用户；

控制单元，用于对系统进行控制，通过检测水温和出水量决定下一步的动作；

加热单元，用于加热饮用水，以便通过控制系统对出水水温进行调节；

报警单元，用于报警，当系统出现故障时通过报警单元进行报警；

所述的传感器单元包括：

压力传感器，用于检测饮水机已出水量；

温度传感器，用于检测饮水机中的冷水温度和热水温度；

所述的人机交互单元包括：

输入单元，用于用户输入设定的信息；

显示单元，用于将饮水机的各种信息显示出来，以便外界用户了解饮水机的运行状态并对其进行操作；

所述的控制单元包括：

运算单元，用于计算产生设定温度的饮用水时，饮水机中热水和冷水混合的比例；

PWM波产生单元，用于根据计算单元计算得到的比例系数，产生对应占空比的方波，来控制添加热水还是冷水；

比较单元，用于比较设定的出水量和已出水量，当已出水量达到设定值时，关闭饮水机阀门，停止出水；

所述的加热单元由电热丝构成；

所述的报警单元包括一个晶体三极管，一个蜂鸣器，两个电阻和一个发光二极管；其中，三极管Q2发射极接地，R7接在三极管Q2的基极分压，蜂鸣器和发光二极管并联后接在三极管Q2的集电极，R8接在电源与蜂鸣器和发光二极管之间，保证蜂鸣器和发光二极管两端电压为额定值；

所述的输入单元主要由机械按键构成；

所述的现实单元主要由液晶屏构成；

上述的可以调节温度和出水量的智能饮水机的工作方法，包括如下步骤：

(1)将杯子放在指定位置，压力传感器测量出此时的压力，作为系统初值；

(2)用户通过按键，对出水温度和出水量进行设置，这些参数显示在液晶屏上；

(3)饮水机中有有早已加热到很高温度(约95℃)的热水，和温度近似等于室温的冷水，温度传感器不停地测量这两个温度值，并传递给控制单元；

(4)控制单元根据设定温度和冷水、热水的温度计算出冷水和热水混合时的比例系数；

(5)控制单元根据计算出的比例系数生成对应占空比的PWM方波；

(6)根据PWM方波控制，高电平时放出热水，低电平时放出冷水，混合后得到设定温度的饮用水；

(7)放水时压力传感器测量杯子的压力，控制单元用这个值减去初始值，当差等于设定值时，控制单元控制饮水机停止出水；

(8)当饮水机运行状态异常时，或者有故障出现，控制单元发出报警信号，控制报警系统报警。

本发明的有益效果在于：本发明所述的饮水机可以实现随意调温、自由精确控制出水量以及安全保护措施，大大提高了饮水机的方便性以及安全性，满足用户对饮水机的需求。

附图说明：

图1是本发明饮水机的整体结构示意图；

图2是本发明加热电路示意图；

图3是本发明报警部分原理图；

图4是本发明控制部分算法流程图；

图5是本发明温度传感器结构示意图；

图6是本发明压力传感器结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式，对上述饮水机为实现调节温度和出水量所采取的技术方案做进一步说明：

整体结构图如图1所示，该新型饮水机主要包括两个储水部分以及两个阀门，分别储存冷水和热水以及控制出冷水还是热水。

整体工作流程图如图4所示，该新型饮水机的控制部分包括键盘扫描、AD读数和内部运算三个子程序，系统采用分时处理的方法，每个子程序运行很短的时间，在外界看来就是同步运行。该系统通过压力传感器读出杯子重量，作为称量的初始值，并且温度传感器读回热水和冷水的温度。然后用户通过人机交互模块输入需要水温值和出水量，如果超过范围则显示错误。输入数据后，在控制单元内部首先进行计算，得出热水和冷水分别占有的比例，然后根据这个比例生成一个PWM波形，然后根据这个PWM波的高低电平开启冷、热水阀门。与此同时，压力传感器不断地返回压力值，在控制单元内部与设定值进行比较后，如果达到设定值，则关闭总阀门，停止出水，并且显示已完成。

传感器单元结构如图5和图6所示，它们用于将温度和压力转化为电信号。开始运行系统后，传感器电路由于温度和压力的不同会返回不同的电压值，通过单片机的AD转换模块读取后，在控制单元内部根据已知的对应关系进行运算，即可得出测量的温度值和压力值，然后将其储存起来。

人机交互单元用于与用户进行信息交换。当系统开始运行时，在液晶屏上显示出当前设定值，用户可以根据需要通过键盘进行修改。用户按键后，控制单元根据键码执行不同的操作，并且将信息显示在液晶屏上。

加热电路大体结构如图2所示，它主要的工作部件是电阻丝，开启加热功能后限流电阻R2短路，水中部分R1就开始发热。一般在系统内设置一个默认的最高温度(95℃)，热水到达这个温度后停止加热，使得热水保持在这个温度。当用户需要温水时就可以使用已有的热水，而不用等待加热。

控制单元主要是TMS320F2812。它同时接收人机交互模块和传感器模块发送来的数据，并储存起来，在内存中将两组数据进行比较、运算。温度值由三部分组成：热水温度T1，冷水温度T2和目标温度T3。这样根据目标温度，生成一个占空比为(T3-T2)/(T1-T2)的PWM波，高电平放热水，低电平放冷水，即T1*(T3-T2)/(T1-T2)+T2*(T1-T3)/(T1-T2)＝T3，就能得到温度为T3的温水。另外，出水量根据PID算法进行控制，直到压力值折算成的水量等于设定值才停止出水。

报警单元用于发出报警信号，报警电路如图3所示。如果系统出现故障，报警单元会接收到控制部分发出的报警信号(高电平)，此时三极管Q2基极电压升高，三极管Q2正向导通，集电极上的发光二极管D2和蜂鸣器B1开始工作，发出光亮和声音进行报警。

(1)参照图6，压力传感器主要由压敏电阻构成，当外界压力值变化时，电阻值改变，从而导致压力传感器电路输出的电压值改变。控制单元通过AD转换电路读取电压值，并将其量化为数字量。同样，参照图5，温度传感器主要由热敏电阻构成，当水温变化时，电阻值变化引起电压变化，同样控制单元通过AD得到数字量用于后续处理中；

(2)系统运行后，用户在键盘上输入需要的水温和水量，单片机通过扫描按键得到这些数据，并将其储存起来，同时将这些数据显示在液晶屏上，以给用户提供反馈信息；

(3)对于通过传感器得到的压力值和用户输入的出水量，控制单元首先将设定出水量根据水的密度和g折算成压力值，然后与当前值进行比较，如小于当前压力值，则开通总出水阀门；

(4)如果系统处于出水状态，对于通过传感器得到的温度值和用户输入的水温，控制单元根据(T3-T2)/(T1-T2)计算得到的结果，将温度传感器得到的冷水和热水温度，还有用户自行输入的设定水温进行运算，得出输出PWM的占空比。因为输出PWM波使用了单片机时间管理器的比较单元，所以修改PWM波的占空比只需要对设定的比较值进行修改即可，若设占空比为k，计数器总计数值为n，则比较值为n*k，因此系统在工作时会根据以上关系对比较值进行修改，使水温等于设定值；

(5)PWM波设置好后，出水口流出的水已经等于设定值，此时控制单元只监视出水量。控制单元不停地读回压力值，并将当前压力值与用户设定值不断进行比较，如果当前值达到了设定值，则控制单元立刻发出信号，关闭总出水阀门；

(6)当电路中出现过电流时，控制单元会通过传感器发现问题，并且，如果系统不正常工作，单片机中的看门狗会将系统复位，这些情况都会控制控制单元发出报警信号。报警单元参照图3，正常情况下，三极管Q2基极为低电平，不足以使三极管Q2导通；但当它接收到控制部分发出的报警信号(高电平)时，三极管Q2基极电压升高，使得三极管Q2正向导通，电流从集电极流向发射极，集电极上的发光二极管D2和蜂鸣器B1开始工作，发出光亮和声音进行报警。