本發(fā)明屬于家用電器技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種基于PWM波來調(diào)節(jié)溫度和出水量的智能飲水機(jī)。

背景技術(shù)：

PWM就是脈沖寬度調(diào)制，也就是占空比可變的脈沖波形.

脈沖寬度調(diào)制是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時候即是直流供電被加到負(fù)載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。

飲水機(jī)興起于上世紀(jì)90年代的飲水機(jī)，在家用電器領(lǐng)域里的熱度隨著國人生活水平的質(zhì)量提高而逐年攀升。

飲水機(jī)顧名思義就是解決人們飲水問題而誕生的家用產(chǎn)品。因提升人們的飲水質(zhì)量和生活品位而成為時尚備受國人喜愛。最初的飲水機(jī)是人們飲用桶裝水的家用產(chǎn)品，分為立式和臺式兩大類。為了滿足國人的飲水習(xí)慣，飲水機(jī)的功能又實(shí)現(xiàn)了加熱與制冷效果，此階段的桶裝純凈水為飲水機(jī)的誕生與發(fā)展起到關(guān)鍵作用。

現(xiàn)在飲水機(jī)已經(jīng)普遍用于車站、學(xué)校等公共場所，極大地方便了人們的生活。

但是目前的大多數(shù)飲水機(jī)只具有單純的制冷或者制熱的功能，只能通過不停地制冷或加熱產(chǎn)生很涼或者很熱的水。而大多數(shù)用戶的需要卻是可以直接飲用，溫度適中的溫水。這就需要用戶自行按一定的比例混合飲水機(jī)中的熱水與冷水，是一個相當(dāng)麻煩的過程。而且人工混合很難使水溫達(dá)到期望值，不是過冷就是過熱，對用戶飲用造成極大的不便。

另外現(xiàn)在的飲水機(jī)都需要人工進(jìn)行開關(guān)，這樣就不能夠很精確地控制出水量，有時會倒得多，有時會倒得少，對于用戶來說，這樣很難把握好度，對生活也會造成一定的不便。而且另外有時用戶難免會忘記關(guān)閉水龍頭，會導(dǎo)致水溢出杯子，不但可能會造成水資源的浪費(fèi)，甚至還可能造成系統(tǒng)短路等嚴(yán)重事故。

而且現(xiàn)在市場上大多數(shù)的飲水機(jī)忽略了安全保護(hù)措施。對于用電的設(shè)備來說，由于線路老化、絕緣較差等原因，很有可能會導(dǎo)致漏電、短路等故障，造成較為嚴(yán)重的后果。有時可能會導(dǎo)致跳閘，從而影響用戶供電，并且由于用電可能泄露，飲水機(jī)也會對用戶的人身安全產(chǎn)生一定的威脅。

總而言之，上述飲水機(jī)具有的不能隨意調(diào)溫、不能自由精確控制出水量以及沒有安全保護(hù)措施等缺點(diǎn)都大大地影響了飲水機(jī)的方便性以及安全性，不能夠很好地滿足用戶對飲水機(jī)的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于克服當(dāng)今飲水機(jī)不能隨意調(diào)溫、不能自由控制出水量以及沒有安全保護(hù)措施等缺點(diǎn)而提供一種可以設(shè)定溫度、調(diào)節(jié)出水量以及帶有安全報(bào)警裝置的智能飲水機(jī)。

一種可以調(diào)節(jié)溫度和出水量的智能飲水機(jī)，包括：

傳感器單元，用于將水的溫度信息以及出水量轉(zhuǎn)化為電信號，供控制單元進(jìn)行運(yùn)算、比較和控制；

人機(jī)交互單元，用于與用戶進(jìn)行信息交換，包括從用戶處接收信息和顯示信息給用戶；

控制單元，用于對系統(tǒng)進(jìn)行控制，通過檢測水溫和出水量決定下一步的動作；

加熱單元，用于加熱飲用水，以便通過控制系統(tǒng)對出水水溫進(jìn)行調(diào)節(jié)；

報(bào)警單元，用于報(bào)警，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時通過報(bào)警單元進(jìn)行報(bào)警；

所述的傳感器單元包括：

壓力傳感器，用于檢測飲水機(jī)已出水量；

溫度傳感器，用于檢測飲水機(jī)中的冷水溫度和熱水溫度；

所述的人機(jī)交互單元包括：

輸入單元，用于用戶輸入設(shè)定的信息；

顯示單元，用于將飲水機(jī)的各種信息顯示出來，以便外界用戶了解飲水機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)并對其進(jìn)行操作；

所述的控制單元包括：

運(yùn)算單元，用于計(jì)算產(chǎn)生設(shè)定溫度的飲用水時，飲水機(jī)中熱水和冷水混合的比例；

PWM波產(chǎn)生單元，用于根據(jù)計(jì)算單元計(jì)算得到的比例系數(shù)，產(chǎn)生對應(yīng)占空比的方波，來控制添加熱水還是冷水；

比較單元，用于比較設(shè)定的出水量和已出水量，當(dāng)已出水量達(dá)到設(shè)定值時，關(guān)閉飲水機(jī)閥門，停止出水；

所述的加熱單元由電熱絲構(gòu)成；

所述的報(bào)警單元包括一個晶體三極管，一個蜂鳴器，兩個電阻和一個發(fā)光二極管；其中，三極管Q2發(fā)射極接地，R7接在三極管Q2的基極分壓，蜂鳴器和發(fā)光二極管并聯(lián)后接在三極管Q2的集電極，R8接在電源與蜂鳴器和發(fā)光二極管之間，保證蜂鳴器和發(fā)光二極管兩端電壓為額定值；

所述的輸入單元主要由機(jī)械按鍵構(gòu)成；

所述的現(xiàn)實(shí)單元主要由液晶屏構(gòu)成；

上述的可以調(diào)節(jié)溫度和出水量的智能飲水機(jī)的工作方法，包括如下步驟：

(1)將杯子放在指定位置，壓力傳感器測量出此時的壓力，作為系統(tǒng)初值；

(2)用戶通過按鍵，對出水溫度和出水量進(jìn)行設(shè)置，這些參數(shù)顯示在液晶屏上；

(3)飲水機(jī)中有有早已加熱到很高溫度(約95℃)的熱水，和溫度近似等于室溫的冷水，溫度傳感器不停地測量這兩個溫度值，并傳遞給控制單元；

(4)控制單元根據(jù)設(shè)定溫度和冷水、熱水的溫度計(jì)算出冷水和熱水混合時的比例系數(shù)；

(5)控制單元根據(jù)計(jì)算出的比例系數(shù)生成對應(yīng)占空比的PWM方波；

(6)根據(jù)PWM方波控制，高電平時放出熱水，低電平時放出冷水，混合后得到設(shè)定溫度的飲用水；

(7)放水時壓力傳感器測量杯子的壓力，控制單元用這個值減去初始值，當(dāng)差等于設(shè)定值時，控制單元控制飲水機(jī)停止出水；

(8)當(dāng)飲水機(jī)運(yùn)行狀態(tài)異常時，或者有故障出現(xiàn)，控制單元發(fā)出報(bào)警信號，控制報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明所述的飲水機(jī)可以實(shí)現(xiàn)隨意調(diào)溫、自由精確控制出水量以及安全保護(hù)措施，大大提高了飲水機(jī)的方便性以及安全性，滿足用戶對飲水機(jī)的需求。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明飲水機(jī)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明加熱電路示意圖；

圖3是本發(fā)明報(bào)警部分原理圖；

圖4是本發(fā)明控制部分算法流程圖；

圖5是本發(fā)明溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6是本發(fā)明壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式，對上述飲水機(jī)為實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)溫度和出水量所采取的技術(shù)方案做進(jìn)一步說明：

整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，該新型飲水機(jī)主要包括兩個儲水部分以及兩個閥門，分別儲存冷水和熱水以及控制出冷水還是熱水。

整體工作流程圖如圖4所示，該新型飲水機(jī)的控制部分包括鍵盤掃描、AD讀數(shù)和內(nèi)部運(yùn)算三個子程序，系統(tǒng)采用分時處理的方法，每個子程序運(yùn)行很短的時間，在外界看來就是同步運(yùn)行。該系統(tǒng)通過壓力傳感器讀出杯子重量，作為稱量的初始值，并且溫度傳感器讀回?zé)崴屠渌臏囟取Ｈ缓笥脩敉ㄟ^人機(jī)交互模塊輸入需要水溫值和出水量，如果超過范圍則顯示錯誤。輸入數(shù)據(jù)后，在控制單元內(nèi)部首先進(jìn)行計(jì)算，得出熱水和冷水分別占有的比例，然后根據(jù)這個比例生成一個PWM波形，然后根據(jù)這個PWM波的高低電平開啟冷、熱水閥門。與此同時，壓力傳感器不斷地返回壓力值，在控制單元內(nèi)部與設(shè)定值進(jìn)行比較后，如果達(dá)到設(shè)定值，則關(guān)閉總閥門，停止出水，并且顯示已完成。

傳感器單元結(jié)構(gòu)如圖5和圖6所示，它們用于將溫度和壓力轉(zhuǎn)化為電信號。開始運(yùn)行系統(tǒng)后，傳感器電路由于溫度和壓力的不同會返回不同的電壓值，通過單片機(jī)的AD轉(zhuǎn)換模塊讀取后，在控制單元內(nèi)部根據(jù)已知的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行運(yùn)算，即可得出測量的溫度值和壓力值，然后將其儲存起來。

人機(jī)交互單元用于與用戶進(jìn)行信息交換。當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時，在液晶屏上顯示出當(dāng)前設(shè)定值，用戶可以根據(jù)需要通過鍵盤進(jìn)行修改。用戶按鍵后，控制單元根據(jù)鍵碼執(zhí)行不同的操作，并且將信息顯示在液晶屏上。

加熱電路大體結(jié)構(gòu)如圖2所示，它主要的工作部件是電阻絲，開啟加熱功能后限流電阻R2短路，水中部分R1就開始發(fā)熱。一般在系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置一個默認(rèn)的最高溫度(95℃)，熱水到達(dá)這個溫度后停止加熱，使得熱水保持在這個溫度。當(dāng)用戶需要溫水時就可以使用已有的熱水，而不用等待加熱。

控制單元主要是TMS320F2812。它同時接收人機(jī)交互模塊和傳感器模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并儲存起來，在內(nèi)存中將兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、運(yùn)算。溫度值由三部分組成：熱水溫度T1，冷水溫度T2和目標(biāo)溫度T3。這樣根據(jù)目標(biāo)溫度，生成一個占空比為(T3-T2)/(T1-T2)的PWM波，高電平放熱水，低電平放冷水，即T1*(T3-T2)/(T1-T2)+T2*(T1-T3)/(T1-T2)＝T3，就能得到溫度為T3的溫水。另外，出水量根據(jù)PID算法進(jìn)行控制，直到壓力值折算成的水量等于設(shè)定值才停止出水。

報(bào)警單元用于發(fā)出報(bào)警信號，報(bào)警電路如圖3所示。如果系統(tǒng)出現(xiàn)故障，報(bào)警單元會接收到控制部分發(fā)出的報(bào)警信號(高電平)，此時三極管Q2基極電壓升高，三極管Q2正向?qū)?，集電極上的發(fā)光二極管D2和蜂鳴器B1開始工作，發(fā)出光亮和聲音進(jìn)行報(bào)警。

(1)參照圖6，壓力傳感器主要由壓敏電阻構(gòu)成，當(dāng)外界壓力值變化時，電阻值改變，從而導(dǎo)致壓力傳感器電路輸出的電壓值改變?？刂茊卧ㄟ^AD轉(zhuǎn)換電路讀取電壓值，并將其量化為數(shù)字量。同樣，參照圖5，溫度傳感器主要由熱敏電阻構(gòu)成，當(dāng)水溫變化時，電阻值變化引起電壓變化，同樣控制單元通過AD得到數(shù)字量用于后續(xù)處理中；

(2)系統(tǒng)運(yùn)行后，用戶在鍵盤上輸入需要的水溫和水量，單片機(jī)通過掃描按鍵得到這些數(shù)據(jù)，并將其儲存起來，同時將這些數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上，以給用戶提供反饋信息；

(3)對于通過傳感器得到的壓力值和用戶輸入的出水量，控制單元首先將設(shè)定出水量根據(jù)水的密度和g折算成壓力值，然后與當(dāng)前值進(jìn)行比較，如小于當(dāng)前壓力值，則開通總出水閥門；

(4)如果系統(tǒng)處于出水狀態(tài)，對于通過傳感器得到的溫度值和用戶輸入的水溫，控制單元根據(jù)(T3-T2)/(T1-T2)計(jì)算得到的結(jié)果，將溫度傳感器得到的冷水和熱水溫度，還有用戶自行輸入的設(shè)定水溫進(jìn)行運(yùn)算，得出輸出PWM的占空比。因?yàn)檩敵鯬WM波使用了單片機(jī)時間管理器的比較單元，所以修改PWM波的占空比只需要對設(shè)定的比較值進(jìn)行修改即可，若設(shè)占空比為k，計(jì)數(shù)器總計(jì)數(shù)值為n，則比較值為n*k，因此系統(tǒng)在工作時會根據(jù)以上關(guān)系對比較值進(jìn)行修改，使水溫等于設(shè)定值；

(5)PWM波設(shè)置好后，出水口流出的水已經(jīng)等于設(shè)定值，此時控制單元只監(jiān)視出水量?？刂茊卧煌５刈x回壓力值，并將當(dāng)前壓力值與用戶設(shè)定值不斷進(jìn)行比較，如果當(dāng)前值達(dá)到了設(shè)定值，則控制單元立刻發(fā)出信號，關(guān)閉總出水閥門；

(6)當(dāng)電路中出現(xiàn)過電流時，控制單元會通過傳感器發(fā)現(xiàn)問題，并且，如果系統(tǒng)不正常工作，單片機(jī)中的看門狗會將系統(tǒng)復(fù)位，這些情況都會控制控制單元發(fā)出報(bào)警信號。報(bào)警單元參照圖3，正常情況下，三極管Q2基極為低電平，不足以使三極管Q2導(dǎo)通；但當(dāng)它接收到控制部分發(fā)出的報(bào)警信號(高電平)時，三極管Q2基極電壓升高，使得三極管Q2正向?qū)?，電流從集電極流向發(fā)射極，集電極上的發(fā)光二極管D2和蜂鳴器B1開始工作，發(fā)出光亮和聲音進(jìn)行報(bào)警。