单片机实例分享，饮水机自动关电源专用插座
为了满足学生饮水需要，学校在每个教室配备了一台饮水机。但由于各种原因，大家经常忘记关闭饮水机，导致饮水机整夜反复烧水，不仅耗费了大量的电能，而且喝这种经过反复烧过的水也有害健康。于是，我们想到了制作一个控制器，当我们忘记关机时，能够自动关闭饮水机电源。
基本原理饮水机对机箱里的水通电加热，水烧开后会断电停止加热。如果没有将烧好的水用掉，烧好的水会慢慢地散热降温，当温度降到加热下限时，饮水机会控制再次加热。由于加热机箱包裹了性能较好的保温材料，散热降温速度较慢，两次加热间的时间间隔较长，一般在10min以上。如果水烧开后，用去了烧好的全部或部分热水，则温度会很快降到加热下限，这样两次加热的时间间隔较短。这个过程的示意图如图6.1所示。
图6.1 饮水机电流变化示意图
我们可以根据通电电流的有无测量两次加热的时间间隔，从而可以判断有没有倒水，如果连续两次加热没有倒水，则判断不需要再烧水，直接关闭饮水机电源。对电流有无的判断，可以在饮水机里完成，也可以在输电线路上(如在插线板里)完成。如果选择后者，则没必要修改饮水机，可以极大限度地方便推广使用。
结构框图及系统电路图根据上述分析，我们设计了系统的结构框图(如图6.2所示)及系统电路图(如图6.3所示)。
图6.2 系统结构框图
图6.3 系统电路图
1. 电流传感部分
这部分电路的原理图如图6.4所示，饮水机的功率一般都在1000W以上，我们教室里使用的功率为1000W，额定电流约为5A。当饮水机加热时，有较大的电流流过两个阻值为0.5Ω的水泥电阻并联后组成的取样电阻，并联后的阻值为0.25Ω，两端电压的有效值为1.2V，最大值为1.6V。由于光耦里的红外二极管导通、发光电压为1.2V，因此在加热过程中能周期性地发光。当光耦初级发光时，光耦次级光敏三极管导通，从而输出一个低电平到P27，供单片机进行判断。当电流为零，或者电流方向不符合导通条件时，光耦次级光敏三极管截止，通过上拉电阻的作用，输出高电平到P27，因此有加热电流时，周期性地输出低电平到P27，由此我们可以判断系统有没有加热电流。
图6.4 电流检测电路
此处的取样电阻消耗的功率约为6W，所以选用两个功率为5W的水泥电阻并联使用，光耦选用常用的线性光耦EL817，它不仅实现了信号的耦合，同时也实现了系统与市电的的隔离，提高了系统的稳定性。
2. 按键
系统设置了3个按键，分别用来实现以下3个功能。
(1)存储正常降温的时间数据。
当系统完成一次没有倒水的降温时，按此按键可以把这个降温时间数据存入存储器AT24C02中，供系统参考，判断是否存在倒水动作。
(2)设置加热一次断电。
如果是家庭使用，多数情况下，我们只要喝一杯水，此时只要烧一次就可以了，按此按键，在烧好一次水之后，系统将断电。
(3)设置智能断电。
按此按键后，系统进入自动断电状态的初始设置，如工作类型设定，没有倒水的烧水次数清零，读取参考数据等。
3. LED 指示灯及蜂鸣器警示部分
这部分电路设置了4个LED指示灯。其中，3个在按键旁边，用于状态指示，在按键1旁边的用于指示是否有可存数据，如果等待时间大于10min，则认为是没有倒水的时间间隔，可以存储使用。按键2和按键3旁边的指示灯，用于指示系统的工作状态，按键2旁边的灯亮，说明处于一次烧水状态，如果按键3旁边的指示灯亮，说明系统处于自动断电状态。初始默认为智能断电。
另一个3mm共阳双色发光二极管用于指示系统工作状态，发红色光表示饮水机处于加热状态，发绿色光表示饮水机处于等待状态。由于红色LED正常工作电压降约为1.7V，绿色LED正常工作电压降约为3V，所以为了获得相同的亮度，它们要连接不同的限流电阻。本制作中，红色LED串联1kΩ电阻作为限流电阻，绿色LED串联200Ω作为限流电阻，这使得它们的亮度能基本一致。安装二极管时要特别注意引脚的极性。
当水烧好时，蜂鸣器会发出声音，提醒我们可以倒水，当要自动关闭电源时，也发出声音提醒我们，使我们不用看指示灯，即可在第一时间知道水有没有烧好。
4. 数据存储部分
不同的饮水机，不同的环境温度，烧好水后的自动降温时间是不同的，不能一概而论，所以此处设置了一个数据存储部分，用于存储某种使用状态下，自动降温的时间，当换用了不同的饮水机，或者环境温度变化较大时，可重新设置并保存。由于存储的数据量不是很大，并且要求断电后能够保存，此处选用常用的AT24C02作为存储芯片。
5. 环境温度检测
由于不同的环境温度，水温降低的速度不一样，我们可以加入一个环境温度检测电路，根据测得的环境温度不同，对自动降温时间做出适当的修正。
6. 继电器控制
控制系统通过继电器控制是否给饮水机通电，如图6.5所示。当P22输出高电平时，VT1导通，继电器触片接到常开引脚，接通饮水机的电源。反之，则关闭饮水机的电源。由于继电器是感性元件，断电时将产生较高的感应电动势，所以要接上一个二极管(IN4007)作为续流二极管，吸收所产生的感应电流。此处使用的继电器额定电流为10A，完全适合此制作的需要。
图6.5 继电器输出电路
7. 主控电路
由于处理的数据不多，对处理速度要求不高，所以选用常用的51单片机作为主控单元，负责协调控制整个系统的工作，包括电流检测、时间测量、按键扫描、220V高压输出控制等相关操作，整个系统就是通过主控电路把各部分电路结合成一个有机整体的。
8. 电源电路
由于系统要驱动5V继电器，所需的工作电流较大，控制部分总电源达250mA，所以找到一个输出5V/500mA的废旧手机充电器，拆掉里面的电路板作为电源模块，给系统供电。
程序设计根据系统的工作过程，设计出单片机程序的流程，如图6.6所示。其主要的控制部分在定时中断里完成，而按键扫描，则在主程序里完成。
图6.6 主要程序框图
制作过程(1)根据设计的原理图绘制PCB图，利用热转印法手工制作电路板。设计PCB时要充分考虑安装的空间、形状、关键元器件的位置，设计好的PCB如图6.7所示，安装好相关元器件之后的电路板如图6.8所示。
图6.7 PCB 图
图6.8 焊接好元器件的电路板
(2)由于控制器涉及220V的高压电，因此必须制作一个外壳，把里面的电路包装起来。我们选用的是加工性能好、透明度高的亚克力板(有机玻璃板)，在保护里面电路的同时，不至于把我们制作的精华部分隐藏起来。为使系统更协调，底板采用乳白色的亚克力板。根据设计，裁取合适的6块板，并在面板上相应的位置加工相关的孔，如散热孔、安装孔、按键孔、插座孔等。加工好的几块板如图6.9所示，再用亚克力板专用胶水把各部分粘连起来，如图6.10所示。
图6.9 裁好并钻好孔的几块亚克力板
(3)从废旧手机充电器上取出里面的电路板作为系统的供电电源，取废旧插线板里的插座单元，作为输出插座，如图6.11所示，并把它们安装在机壳的相应位置上。
图6.10 粘好的外壳
图6.11 电源和插座
(4)把电路板、开关等固定在插线板里，接好线，即完成了系统的制作，其接线图如图6.12所示，每次按触动开关，系统自动启动，并保持通电状态。当给饮水机断电时，系统电源也跟着断电，节省电能的同时，也防止系统长时间通电而影响其寿命。制作完成的作品如图6.13所示。
图6.12 电路连接示意图
图6.13 最终的成品图
使用方法把本控制器电源线插头插到室内的插座上，饮水机的电源线插到本控制器上，按触动开关，即可开机使用。
1. 获取自然降温时间
初次使用或者是换用其他饮水机之后，要把水烧开一次，并让其自然降温。通过按保存键，把自然降温的时间存在存储器里，供下次使用时参考。
2. 正常控制
在接通电源之后，按自动断开键进入自动断电状态，在这种情况下，如果两次烧开之后没有倒水，则关闭系统电源。当按饮水机上的一次烧水，则一次烧开之后断电。开机默认为自动断电状态，关闭饮水机时控制器本身将断电。