论文（设计）题目

智能饮水机控制系统设计

姓名

学号

专业

电气工程及其自动化

班级

2021级电气工程及其自动化1班

一、研究（设计）的背景

饮水是人类日常生活中不可或缺的一部分，与人们的生活息息相关。传统的饮水机功能单一，操作不够智能，无法满足人们对水质、水温、出水量等方面的多元化需求。因此，开发一款具有智能控制、水质监测、温度调节和出水量控制等多种功能的智能饮水机显得尤为重要[1]。

环境污染问题的日益严重也让人们更加关注饮水安全。智能饮水机通过集成水质传感器，可以实时监测水中的PH值、溶解氧和温度等指标，确保用户饮用的水质安全[2]。

随着移动互联网技术的普及，人们越来越习惯于使用手机APP等远程控制方式来管理家居设备。智能饮水机通过集成WIFI通信模块，可以实现与手机APP的通信，方便用户随时随地进行远程操控和监测[3]。

从市场角度来看，智能饮水机具有强大的市场竞争力。随着消费者对智能家居产品的接受度不断提高，智能饮水机的市场需求也在持续增长[4]。因此，开发一款功能丰富、用户体验良好的智能饮水机系统不仅具有广阔的市场前景，还可以为企业带来可观的经济效益。

智能饮水机系统设计是多方面的，包括人们对健康生活和高品质生活的追求、对饮水安全的关注、移动互联网技术的普及以及市场需求的增长等。

二、研究（设计）的目的和意义

1.提升饮水机的智能化程度，促进智能家居的发展：通过STM32单片机结合传感器技术、网络通信技术和智能控制算法，实现对饮水机的智能化控制与管理，满足人们对高品质生活的追求，在智能饮水机系统的设计和开发过程中，需要不断引入新的技术和理念，如物联网技术、智能控制算法等[5]。这些技术的创新和应用有助于提升饮水机的性能。智能饮水机作为智能家居的重要组成部分，其研究和开发有助于推动整个智能家居行业的发展，促进家居设备的智能化和互联化[6]。

2.增强用户体验：随着人们生活水平的提高，对于饮水质量的要求也随之增加。智能饮水机控制系统能够提供更安全、更便捷的饮水解决方案，满足人们对健康饮水的需求。设计具备水温控制、水量计量、水质检测等功能的智能饮水机，能够实时监测饮水机的工作状态，并根据用户需求进行智能化调整，从而提升用户的使用体验。

3.提高资源利用效率：传统饮水机在加热和保温过程中存在能源浪费问题。智能控制系统可以根据实际需求调节加热功率和保温温度，减少能源消耗，符合当前节能减排的环保趋势，智能饮水机控制系统能够根据实际需求调节加热功率和保温温度，减少不必要的能源消耗。

4.增强系统安全性：智能控制系统能够实时监控饮水机的工作状态，一旦发现异常，如过热、干烧等，能够自动切断电源，防止事故发生，提高了使用安全性。

5.实现远程监控与管理：利用物联网技术，用户可以通过智能设备远程监控饮水机状态，实现远程控制和故障诊断，提高管理效率。

三、国内外研究现状和发展趋势

（一）国外研究现状

在国外，饮水机技术的发展起步较早，并且在智能化方面有着较为深入的研究。桶装矿泉水和饮水机最早诞生于上世纪50年代的美国，饮水机依托美国的先进技术而得到了极大的发展[7]。从最初的只具有简单饮水功能的产品，逐渐衍生出了一系列具有更多功能的产品，如咖啡机等。这些产品通过加入加热、过滤等功能，实现了饮品的自动加热和过滤，提高了使用的便捷性和饮品的品质。

在智能饮水机系统设计方面，国外研究者注重将先进的传感器技术、通信技术和控制技术应用于系统中[8]。例如，通过集成温度传感器、水位传感器等，实时监测饮水机的水温和水位，并根据用户需求进行自动调节。同时，利用Wi-Fi、蓝牙等通信技术，实现远程监控和控制功能，使用户能够随时随地了解饮水机的状态并进行操作。

（二）国内研究现状

在国内，智能饮水机系统的研究也取得了显著的进展。随着人们生活水平的提高和健康意识的增强，传统的饮水机已经无法满足现代人的需求。因此，国内研究者开始致力于开发具有更多智能功能的饮水机系统[9]。

在硬件设计方面，国内研究者通常采用STM32等高性能单片机作为主控芯片，结合温度传感器、水位传感器、继电器控制模块等，实现对饮水机的智能化控制。在软件设计方面，采用模块化设计思想，编写相应的控制程序，实现温度控制、水位检测、自动加热、防干烧等多种智能功能。

此外，国内研究者还注重将物联网技术应用于智能饮水机系统中，通过云平台实现远程监控、数据分析等功能[10]。这不仅提高了系统的智能化程度，还为用户提供了更加便捷的使用体验。例如，用户可以通过手机APP实时查看饮水机的状态、设置水温等参数，并接收系统的报警信息。

四、研究方法及研究（设计）思路

（一）研究方法

1、文献调研与理论分析法：首先，通过查阅相关单片机实践的资料，广泛搜集与智能饮水机控制系统相关的研究文献，包括国内外的学术期刊、技术报告、专利等，以获得该领域的研究现状和发展趋势。对搜集到的文献进行整理和分类，提炼出关键信息和研究点，为后续的研究提供理论基础。基于整理的文献资料，分析智能饮水机控制系统的关键技术问题，如温度控制、水位检测、能效管理，构建理论模型。

2、对比法：对比不同的控制芯片，如STC89C52单片机与基于STM32的控制系统，分析它们在处理速度、功耗、成本和可靠性等方面的差异。选择最适合项目需求的控制芯片。在智能饮水机中，温度传感器的选择至关重要。对比DS18B20温度传感器与其他类型传感器的性能，包括精度、响应时间、成本等，以确定最适合实时水温监控的传感器。通过对比不同加热模块的设计，如电热丝与传统电热器，评估它们的能效比，从而设计出更节能的饮水机控制系统。

通过实际应用测试，对比不同设计方案的稳定性和可靠性，确保最终设计的控制系统能够在各种环境下稳定运行。

3、模块化设计法：首先，将智能饮水机控制系统分解为多个功能模块，如主控模块、传感器模块、加热与保温模块、出水控制模块、通信模块和显示与通信模块。每个模块确定明确的功能定义，对每个模块设计相应的硬件电路，每个模块的软件部分也是独立的。每个模块设计完成后，单独进行测试，确保其功能正确无误。在模块测试通过后，将所有模块集成到一起，形成完整的系统，并进行整体测试。过对系统进行性能分析，找出瓶颈和不足，对模块进行优化，提升整个系统的性能。模块化设计法提高了系统的可维护性和可扩展性，使得系统的升级和故障排除变得更加容易。同时，它也使得设计过程更加清晰和有序，有助于提高设计效率和质量。通过模块化设计，智能饮水机控制系统能够实现更高效、更稳定、更智能的运行。

（二）研究思路

1.明确设计目标：确定智能饮水机的主要功能有：水温控制、水质监测、出水量调节、移动端控制。

2.设计硬件电路：根据需求分析，设计并搭建硬件电路，包括主控芯片、传感器、加热与保温模块、出水控制模块、通信模块、显示与操作模块的选型。

（1）主控芯片

本系统采用STM32F103RCT6作为主控芯片，这款芯片具有较高的计算速度和稳定性，能够满足饮水机系统的控制需求。STM32F103RCT6拥有强劲的处理能力和丰富的外设资源，如SPI、I2C和USART等接口，方便与其他模块进行通信。

（2）传感器模块

传感器模块包括水质传感器、温度传感器、液位传感器和滤芯寿命传感器。

•水质传感器：用于监测水中的PH值、溶解氧和温度等指标，确保水质安全。

•温度传感器：采用DS18B20数字温度传感器，通过单总线协议与主控芯片通信，实现对水温的精准测量。

•液位传感器：采用浮子传感器，将水位信号转化为数字信号进行处理，实现水位检测,确保及时补水并防止干烧。

(3)加热与保温模块

加热模块采用加热棒作为热源，将电能转化为热能，加热水温至合适的温度。保温模块采用PTC热敏电阻器进行控制，当水温达到设定值后，启动保温模式，使水保持在恰当的温度范围内。

(4)出水控制模块

出水控制模块采用SG90电机实现出水开关控制，通过PWM信号控制电机的旋转角度，从而精准地控制出水量。

(5)通信模块

采用ESP8266 WIFI模块与手机端进行通信，实现远程控制和监测功能。用户可以通过Android手机端查看当前水温、设置出水温度和出水量，并控制出水操作。

(6)显示与操作模块

系统配备LCD1602显示屏，用于显示当前水质、水温、水量和滤芯寿命等信息，并提供温度设置、过滤状态查询和水量监测等功能。

3.编写软件代码：根据硬件设计，编写C语言代码，实现各模块的功能和控制逻辑。

(1)温度测量与显示

STM32芯片通过单总线协议与DS18B20传感器通信，获取当前水温数据，并通过TFT触摸屏展示在饮水机面板上。

(2)水质监测与报警

水质传感器采集水中的PH值、溶解氧和温度等信息，传输到主控板进行处理。当水质不符合标准时，系统通过触摸屏发出报警提示。

(3)液位检测与提示

液位传感器检测水箱内水位情况，并将水位数据传递给主控芯片。当水位过低时，系统通过触摸屏和语音模块向用户发出添加水的提醒。

(4)加热与保温控制

主控芯片通过继电器模块控制加热芯片的开关，在水烧开后自动断电。同时，通过PTC热敏电阻器控制保温模式，使水温保持在设定范围内。

(5)出水控制

出水操作通过SG90电机控制，实现自动出水。用户可以通过触摸屏设置出水温度和出水量，系统根据设定值控制电机的旋转角度。

(6)WIFI通信与远程控制

系统通过ESP8266 WIFI模块与Android手机端进行通信，实现远程操控和监测功能。用户可以通过手机端查看当前水温、设置出水参数，并控制出水操作。

4. 系统测试与实验：对系统进行全面测试，发现并解决问题，优化系统性能。

（1）硬件测试

STM32微控制器测试：验证STM32微控制器在系统中的稳定性和响应速度，确保其能够准确采集和处理来自各个传感器的数据，并发送控制命令[11]。

DS18B20温度传感器测试：测试温度传感器的准确性和响应时间，确保水温数据的实时性和准确性。

水位传感器测试：验证水位传感器的可靠性，确保在缺水情况下能够及时报警并停止加热，防止干烧。

继电器控制模块测试：测试继电器控制模块的响应时间，确保其能够根据STM32的指令准确控制饮水机的加热和出水功能。

LCD1602显示屏测试：测试显示屏的显示效果，确保其能够清晰显示饮水机的当前状态，如水温、工作模式等。

蜂鸣器报警模块测试：在缺水或其他异常情况时，测试蜂鸣器报警模块的响应速度和报警效果。

（2）软件测试

系统主程序测试：测试系统主程序的稳定性和任务调度能力，确保整个系统能够正常运行。

液位采集子程序测试：通过水位传感器实时检测饮水机的水位，并将数据发送给STM32微控制器，测试其准确性和实时性。

温度设定子程序测试：用户可以通过按键设定期望的水温，测试STM32微控制器根据设定的温度控制继电器模块，实现饮水机的加热功能。

（3）功能测试

温度控制测试：测试智能饮水机的温度控制功能，确保系统能够根据用户设定的温度自动调节加热，保持水温在设定范围内。

自动加热测试：在缺水情况下，测试系统是否能够及时发出报警并停止加热，有效防止干烧现象的发生。

手动操作模式测试：在手动模式下，通过按键实现加热和加水控制，测试系统的响应速度和操作便利性。

自动操作模式测试：在自动模式下，根据设定的温度阈值自动调节，测试系统的自动控制能力和温度调节精度。

（4）性能测试

稳定性测试：长时间运行智能饮水机，测试系统的稳定性和可靠性，确保长时间工作不会出现故障。

能效测试：测试智能饮水机的能效，评估其在不同工作状态下的能耗，确保系统的节能性能。

（5）用户体验测试

操作便利性测试：测试用户操作的便利性，包括按键的响应速度、LCD显示屏的易读性等，确保用户能够方便地使用智能饮水机。

反馈及时性测试：测试系统在异常情况下的反馈速度，如缺水报警、温度异常提示等，确保用户能够及时得到反馈并采取相应措施。

五、研究的主要内容及拟解决的主要问题

（一）主要研究内容

1.查找参考文献并设计系统总体方案：设计一套完整的智能饮水机控制系统，包括系统实现的功能、设计思路、总体设计框图以及系统设计选择。

2.硬件设计：包括STM32微控制器、DS18B20温度传感器、水位传感器、继电器控制模块、SG90电机、ESP8266 WIFI模块、LCD1602显示屏、蜂鸣器报警模块硬件的设计与集成。

3.软件设计：采用模块化的方法进行软件设计，将整个系统划分为温度测量与显示、水质监测与报警、液位检测与提示、加热与保温控制、出水控制、WIFI通信与远程控制多个独立的功能模块，并使用C语言进行软件开发，实现各模块的功能和控制逻辑。

4.关键技术研究：STM32单片机技术、传感器技术、网络通信技术的研究与应用。

(1)STM32单片机技术:

核心控制单元：STM32单片机作为智能饮水机控制系统的核心，负责数据采集、处理、转发以及控制外部模块。

硬件设计：包括STM32F103单片机与无线通信模块（如Wi-Fi、LoRa、ZigBee）、传感器接口、电源模块的集成设计。

软件设计：软件设计主要分为数据采集、数据处理、无线通信、网络转发和系统控制模块。

程序开发：使用C语言进行程序开发，实现模块化结构设计，优化程序，便于调试和修改。

(2)传感器技术:

数据采集与处理：通过传感器接口（如ADC、I2C、SPI）实时获取外部设备的传感数据，并对采集的数据进行滤波、归一化等处理，确保数据质量。

温度传感器：DS18B20温度传感器用于实时监测水温，并将数据传输给STM32单片机。

水位传感器：水位传感器用于监测饮水机的水位信息，并将数据传输给单片机，以控制加水操作。

(3)网络通信技术

无线通信模块：STM32单片机通过UART、SPI或I2C与无线模块（如Wi-Fi、LoRa、ZigBee）进行通信，负责无线数据的发送和接收。

远程控制技术：通过无线通信技术，系统能够将数据实时传输至云端或本地设备，实现远程监控和控制。

数据传输安全性：在数据传输过程中保证数据的机密性和完整性，防止信息泄露和篡改。

通信协议和频段选择：根据需要选择合适的通信协议和频段，以适应不同的通信距离和带宽需求。

5.系统测试与实验：对智能饮水机进行全面的测试，进行硬件测试、软件测试、功能测试、性能测试、用户体验测试，验证控制系统的准确性、稳定性和可靠性。

（二）拟解决的主要问题

1.功能单一问题：传统饮水机功能单一，无法满足现代人的需求。本研究旨在通过加入温度控制、水位检测、自动加热、防干烧、水质检测、远程操控多种智能功能，提高用户的使用体验。

2.成本与性能平衡问题：市场上功能强大的饮水机价格昂贵，本研究设计了一款价格相对低廉但功能强大的智能饮水机，以满足普通家庭的需求。

3.能效问题：通过智能控制加热芯片，根据水温自动控制加热芯片的开关，确保水温在设定范围内，提高能效。

4.安全性问题：在缺水情况下，系统能够及时发出报警并停止加热，有效防止干烧现象的发生。

5.智能化水平提升问题：提高饮水机的智能化水平，实现自动化操作，根据用户需求自动调节水温和水位。

6.远程控制与数据共享问题：通过Wi-Fi无线通信技术实现远程控制和数据共享，提升用户体验。

六、毕业论文（设计）框架

（一）绪论

1.研究背景

2.研究目的与研究意义

3.研究内容

4.研究思路与研究方法

（二）研究项目背景与需求

1.智能饮水机发展趋势

2.智能饮水机具体需求

（三）系统总体设计

1.硬件设计

2.软件设计

（四）系统详细设计

1.控制系统设计

2.传感器模块设计

3.加热与保温模块设计

4.过滤模块设计

5.人机交互界面设计

6.通信模块设计

（五）系统实现与测试

（六）系统优化与改进

（七）结论与展望

（八）参考文献

（九）附录

（十）致谢

七、进度与时间安排

2024年10月——11月20日，选题、撰写读书笔记

2024年11月21日——12月30日，撰写开题报告

2024年12月31日——开题

2025年1月15——3月15日，撰写初稿

2025年3月15日——4月25日，撰写二稿

2025年4月25日——5月25日，定稿

2025年6月初，论文答辩

八、主要参考文献

[1] 黄柱斌,刘长江,谢鸿宇,等.面向STC89C52单片机的智能饮水机系统[J].福建电脑,2023,39(09):83-89.DOI:10.16707/j.cnki.fjpc.2023.09.018.

[2] 原一丹,程春雨,吴振宇,等.基于STM32单片机的智能饮水机设计[J].实验室科学,2022,25(02):57-63.

[3] 黄嘉成,艾苏高,黄典昆,等.基于STM32的蓝牙智能饮水机设计[J].装备制造技术,2017,(09):121-124.

[4] 史建伟.基于STC89C52的家用智能饮水机设计[J].河南科技,2020,(23):63-65.

[5] 吕东芳,宋雷震.智能恒温饮水机的设计与研究[J].渭南师范学院学报,2020,35(05):77-85.DOI:10.15924/j.cnki.1009-5128.2020.05.012.

[6] 冯敏.一种基于单片机的智能饮水机设计电子技术中的单片机应用[J].中国新通信,2020,22(09):102.

[7] 朱恩泽,齐胜男,田方琦,等.一种基于单片机的智能饮水机设计[J].中国科技信息,2020,(02):45-46.

[8] 陶辉.基于AT89C51单片机的智能饮水机设计[J].科技创新导报,2019,16(16):67-69+73.DOI:10.16660/j.cnki.1674-098X.2019.16.067.

[9] 孙美琪,刘建男.基于AT89C52单片机的智能饮水机温控系统设计与开发[J].科技风,2019,(06):89.DOI:10.19392/j.cnki.1671-7341.201906076.

[10] 刘建男,孙美琪.基于AT89C52单片机的智能饮水机的设计与开发[J].科技风,2019,(05):11.DOI:10.19392/j.cnki.1671-7341.201905009.

[11] 唐奇,姜姗.智能饮水机控制系统设计[J].数码世界,2018,(05):93-94.

九、指导教师意见和建议

指导教师签字：

年      月     日