基于單片機(jī)的飲水機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、 河北科技師范學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的飲水機(jī)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)院（系、部）名 稱 ： 機(jī)電科學(xué)與工程系 專 業(yè) 名 稱： 電氣工程及其自動(dòng)化 學(xué) 生 姓 名： 崔 杰 學(xué) 生 學(xué) 號(hào)： 9310080208 指 導(dǎo) 教 師： 郭秀梅 2012年 5 月 27 日河北科技師范學(xué)院教務(wù)處制i摘 要摘要隨著社會(huì)的發(fā)展，溫度的測(cè)量及控制變得越來越普遍，也越來越重要。溫度是生活與生產(chǎn)過程以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)中常見的物理參數(shù)。本文利用單片機(jī)并結(jié)合傳感器技術(shù)開發(fā)設(shè)計(jì)了一個(gè)溫度監(jiān)控系統(tǒng)。詳細(xì)地講述了基于單片機(jī)at89c51和溫度傳感器ds18b20的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案與軟硬件實(shí)現(xiàn)方案。該飲水機(jī)設(shè)有加熱與制冷

2、兩種模式，然后根據(jù)用戶對(duì)溫度的需求，經(jīng)溫度傳感器檢測(cè)，由單片機(jī)發(fā)出指令使飲水機(jī)進(jìn)入加熱或者制冷狀態(tài)。該飲水機(jī)溫度控制系統(tǒng)不僅包括溫度顯示，狀態(tài)提示，而且當(dāng)熱水槽內(nèi)水量不足時(shí)還能發(fā)出報(bào)警，以免發(fā)生干燒現(xiàn)象。本系統(tǒng)具有控制方便、組態(tài)簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，本文著重介紹了該系統(tǒng)的方案選擇和硬件設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī)，溫度控制，溫度傳感器，飲水機(jī)abstractwith the development of the society,the measurement and control of the temperat ure has become more and more popular and i

3、mportant.the temperature is the basic and common parameter in the manufacture and life,experiments.this paper designs a temperature control system with the scm and temperature sensor.it describes the temperature control system based on scm at89c51 and temperature sensor ds18b20 in details,including

4、software and hardware system design program.the water dispenser has two working models heating and refrigerating.then according to the needs of the user to the temperature and after the temperature sensor detection, the scm instruct the water dispense into the heating or refrigerating model. the tem

5、perature control system not only consists of temperature display,state prompting,but if there is no enough water in the hot water tank ,it will give an alarm in order to aviod the danger.the temperature control system is very convenient and simple and the paper mainly describes the methods of system

6、 seletion and the hardware design.keywords: scm, temperature control, temperature sensor, water dispense目 錄1 緒論31.1課題研究的目的及意義31.2課題研究現(xiàn)狀分析31.3技術(shù)指標(biāo)32總體設(shè)計(jì)42.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案42.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖43硬件設(shè)計(jì)53.1單片機(jī)選擇53.1.1 at89c51單片機(jī)的主要性能63.1.2 at89c51引腳功能說明63.1.3 at89c51最小應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)83.2溫度傳感器的選擇93.2.1方案一 應(yīng)用ds18b20傳感器93.2.2方案二 應(yīng)用ad5

7、90溫度傳感器143.3電源電路的選擇153.3.1方案一 采用串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路153.3.2方案二 采用三端集成穩(wěn)壓器163.4加熱器電路的選擇173.5制冷器電路的選擇173.6水位探測(cè)器的選擇183.7顯示電路的選擇183.8報(bào)警電路的選擇194軟件設(shè)計(jì)204.1系統(tǒng)主程序204.2按鍵處理子程序224.3溫度監(jiān)測(cè)子程序25結(jié)論26參考文獻(xiàn)26致 謝2727河北科技師范學(xué)院2012屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)1 緒論1.1課題研究的目的及意義隨著社會(huì)的發(fā)展以及節(jié)能的需求，溫度的測(cè)量及控制變得越來越重要。溫度是生產(chǎn)生活過程以及科學(xué)實(shí)驗(yàn)中普遍而且重要的物理參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中對(duì)溫度、壓力、流量、速度等

8、進(jìn)行有效的檢測(cè)與控制是實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)，高產(chǎn)，低耗和安全生產(chǎn)的重要條件，其中對(duì)溫度的控制需求占有相當(dāng)大的比例。在工業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)中，為了保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定運(yùn)行以及提高控制精度，通常采用微電子技術(shù)。它的作用主要是改善勞動(dòng)條件，節(jié)約能源，防止生產(chǎn)和設(shè)備事故，以獲得好的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)效益。本課題采用51單片機(jī)來對(duì)溫度進(jìn)行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標(biāo)。作為控制系統(tǒng)中的一個(gè)典型實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，單片機(jī)溫度控制系統(tǒng)綜合運(yùn)用了微機(jī)原理、自動(dòng)控制原理、傳感器原理、模擬電子技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、鍵盤顯示技術(shù)等諸多方面的知識(shí)，是對(duì)所學(xué)知識(shí)的一次綜合測(cè)試。1.2課題研究現(xiàn)狀分析

9、由于現(xiàn)代工藝越來越多的需要對(duì)實(shí)時(shí)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，而且需要的精度越來越高。所以溫度控制系統(tǒng)得到國(guó)內(nèi)外許多有關(guān)人員的重視，同時(shí)取得了十分廣泛的應(yīng)用，成果顯著。由于單片機(jī)微處理器的性能日益提高、價(jià)格又不斷降低，使其性能價(jià)格比的優(yōu)勢(shì)非常明顯。因此，如何將單片微處理器應(yīng)用到生產(chǎn)生活溫度自動(dòng)控制領(lǐng)域，為越來越多的人所重視。目前先進(jìn)國(guó)家各種生產(chǎn)生活自動(dòng)化水平較高，裝備有完善的檢測(cè)儀表和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。其計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已采用集散系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)的形式，大部分配有先進(jìn)的控制算法，能夠獲得較好的工藝性能指標(biāo)。單片微型計(jì)算機(jī)是隨著超大規(guī)模集成電路的技術(shù)的發(fā)展而誕生的。由于它具有體積小，功能強(qiáng)，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，所

10、以廣泛應(yīng)用于電子儀表，家用電器，節(jié)能裝置，軍事裝置，機(jī)器人，工業(yè)控制等諸多領(lǐng)域，使產(chǎn)品小型化，智能化，既提高了產(chǎn)品的功能和質(zhì)量又降低了成本，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。1.3技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)基于單片機(jī)的溫度控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)用戶需要對(duì)水溫進(jìn)行控制并能在水溫變化時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。（1）溫度設(shè)定范圍為099，最小區(qū)分度為1，溫度控制的誤差1（2）能夠用數(shù)碼管精確顯示當(dāng)前實(shí)際溫度值（3）按鍵控制：設(shè)置復(fù)位鍵、加熱鍵、冷卻鍵、溫度顯示鍵（4）水量不足時(shí)能夠發(fā)出報(bào)警2總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案本設(shè)計(jì)以at89c51單片機(jī)為控制芯片，采用典型的數(shù)字輸出型集成溫度傳感器ds18b20進(jìn)行溫度采集，然后直接將ds18b2

11、0產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)傳給單片機(jī)。該飲水機(jī)設(shè)有加熱與制冷兩種模式。根據(jù)用戶對(duì)水溫的需求，按下控制鍵，然后由單片機(jī)發(fā)出命令使飲水機(jī)進(jìn)入加熱或者制冷狀態(tài)。當(dāng)需要溫度顯示時(shí)，按下溫度顯示鍵，數(shù)碼管便顯示熱水槽內(nèi)水的溫度。當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)定值時(shí)，有指示燈以及聲音提示。當(dāng)熱水槽內(nèi)水量不足時(shí)，飲水機(jī)發(fā)出報(bào)警，以免發(fā)生干燒。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)主要包括電源電路模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、單片機(jī)控制模塊、驅(qū)動(dòng)電路、顯示以及報(bào)警模塊五個(gè)部分。系統(tǒng)框圖如圖1所示。 單片機(jī)溫度數(shù)碼顯示電路工作狀態(tài)顯示電路電源電路溫度采集電路控制電路報(bào)警電路顯示當(dāng)前溫度值顯示以及提示當(dāng)前狀態(tài) 控制加熱器制冷器水量不足時(shí)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)按鍵操作圖1 系

12、統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3硬件設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)選擇單片機(jī)的選擇在整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中至關(guān)重要，要滿足大內(nèi)存、高速率、通用性、價(jià)格便宜等要求，一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含有兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如romrami/o口定時(shí)/記數(shù)器中斷系統(tǒng)等能量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。二是系統(tǒng)配置，既按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤顯示器打印機(jī)a/dd/a轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計(jì)合適的接口電路。單片機(jī)是把那些作為控制應(yīng)用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個(gè)尺寸有限的集成電路芯片上。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、并行

13、i/o口、串行口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器。它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其基本結(jié)構(gòu)依舊是cpu加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。但對(duì)各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。at89c51是一種低功耗、高性能的 8位單片機(jī)。片內(nèi)帶有一個(gè) 4 kb的flash可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器（eprom）。它采用了 cmos工藝和 atmel公司的高密度非易失性存儲(chǔ)器（nuram）技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與msc一51兼容，其引腳如圖2所示。片內(nèi)的flash存儲(chǔ)器允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲(chǔ)器編程器來編程。因此at89c51是一種功能強(qiáng)、靈活性高，且價(jià)格

14、合理的單片機(jī)，可方便地應(yīng)用在各種控制領(lǐng)域。圖2 at89c51引腳圖3.1.1 at89c51單片機(jī)的主要性能at89c51單片機(jī)的主要性能有：（1）4 kb可改編程序flash存儲(chǔ)器（可經(jīng)受1000次的寫入擦除）；（2）全靜態(tài)工作：0 hz24 mhz；（3）3級(jí)程序存儲(chǔ)器保密；（4）1288字節(jié)內(nèi)部ram；（5）32條可編程io線；（6）2個(gè)16位定時(shí)器計(jì)數(shù)器；（7）6個(gè)中斷源；（8）可編程串行通道；（9）片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。另外，at89c51是用靜態(tài)邏輯來設(shè)計(jì)的，其工作頻率可下降到0 hz，并提供兩種可用軟件來選擇的省電方式空閑方式和掉電方式。在空閑方式中，cpu停止工作，而 ram、定時(shí)

15、器計(jì)數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)都繼續(xù)工作。在掉電方式中，片內(nèi)振蕩器停止工作，由于時(shí)鐘被“凍結(jié)”使一切功能都暫停，故只保存片內(nèi)ram中的內(nèi)容，直到下一次硬件復(fù)位為止。3.1.2 at89c51引腳功能說明（1）主電源引腳 vcc：電源端。gnd：接地端。（2）外接晶體引腳 xtal1：接外部晶體的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，該引腳接收振蕩器的信號(hào)，即把此信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 xtal2：接外部晶體的另一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)懸浮不連接。（3）控制或與其他電源復(fù)用引腳r

16、st：復(fù)位輸入端。當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在該引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ale：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ale（地址鎖存允許）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲(chǔ)器，ale端仍以不變的頻率（此頻率為振蕩器頻率的16）周期性地出現(xiàn)正脈沖信號(hào)。因此，它可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ale脈沖。在對(duì)flash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（）。如果需要的話，通過對(duì)專用寄存器（sfr）區(qū)中 seh單元的 do位置數(shù)，可禁止 ale操作。該位置數(shù)后，只有在執(zhí)行一條movx或movc指令期間，ale才會(huì)被激活。另外，

17、該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，該設(shè)定禁止ale位無效。：程序存儲(chǔ)允許（）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。當(dāng)at89c51由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或常數(shù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次再完完有效（即輸出2個(gè)脈沖）。但在此期間內(nèi)，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的還完完信號(hào)將不出現(xiàn)。/vpp：外部訪問允許端。要使cpu只訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000h一ffffh），則端必須保持低電平（接到gnd端）。然而要注意的是，如果保密位lb1被編程，復(fù)位時(shí)在內(nèi)部會(huì)鎖存端的狀態(tài)。當(dāng)端保持高電平（接vcc端）時(shí)，cpu則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的程序。在flash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳也用于施加 12

18、 v的編程允許電源 vpp（如果選用 12 v編程）。（4）輸入輸出引腳p0.0p0.7，p1.0p1.7，p2.0p2.7和p3.0p3.7p0端口（p0.0 p0. 7）： p0是一個(gè)8位漏極開路型雙向io端口。作為輸出口用時(shí)，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)ttl輸入。對(duì)端口寫l時(shí)，又可作高阻抗輸入端用。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，它是分時(shí)多路轉(zhuǎn)換的地址（低8位）數(shù)據(jù)總線，在訪問期間激活了內(nèi)部的上拉電阻。在flash編程時(shí)，p0端口接收指令字節(jié)；而在校驗(yàn)程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)。驗(yàn)證時(shí)，要求外接上拉電阻。p1端口（p10.一p1.7）：p1是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向io端口。p1的輸

19、出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4個(gè)ttl輸入。對(duì)端口寫1時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時(shí)可用作輸入口。p1作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流（iil）。在對(duì)flash編程和程序校驗(yàn)時(shí)，p1接收低8位地址。p2端口（p2.0p2.7）：p2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向io端口。p2的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式） 4個(gè)ttl輸入。對(duì)端口寫1時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時(shí)可用作輸入口。只作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流（iil）。在訪問外部程序存儲(chǔ)器和16位地址的外部數(shù)

20、據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行movxdptr指令）時(shí)，p2送出高8位地址。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行movxri指令）時(shí)，p2口引腳上的內(nèi)容（就是專用寄存器（sfr）區(qū)中p2寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問期間不會(huì)改變。在對(duì)flash編程和程序校驗(yàn)期間，p2也接收高位地址和一些控制信號(hào)。p3端口（p3.0p3. 7）：p3是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 io端口。 p3的輸個(gè)緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式） 4個(gè)ttl輸入。對(duì)端口寫 1時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時(shí)可用作輸入口。p3作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流（iil）。在at89c

21、51中，p3端口還用于一些復(fù)用功能，見表1。在對(duì)flash編程或程序校驗(yàn)時(shí)，p3還接收一些控制信號(hào)。表1 p3各端口引腳與復(fù)用功能表引腳第2功能p3.0 rxd（串行口輸入端）p3.1 txd（串行口輸出端）p3.2 int0（中斷0請(qǐng)求輸入端，低電平有效）p3.3 int1（中段1請(qǐng)求輸入端，低電平有效）p3.4 t0（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)脈沖端）p3.5 t1（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)脈沖端）p3.6 wr（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通信號(hào)輸出端，低電平有效）p3.7 rd（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)輸出端，低電平有效）3.1.3 at89c51最小應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 80c51是片內(nèi)有rom/eprom的單片機(jī)，

22、因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠。用80c51單片機(jī)構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，只要將單片機(jī)接上時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可， 80c51單片機(jī)的最小系統(tǒng)如圖3所示。由于集成度的限制，最小應(yīng)用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。其應(yīng)用特點(diǎn)：(1) 有可供用戶使用的大量i/o口線。(2) 內(nèi)部存儲(chǔ)器容量有限。(3) 應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。時(shí)鐘電路：89c51雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，必須外部附加電路。80c51單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方法有兩種。內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在xtal1、xtal2引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。本設(shè)計(jì)采用最常

23、用的內(nèi)部時(shí)鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可在1.2mhz到12mhz之間選擇。電容值無嚴(yán)格要求，但電容取值對(duì)振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響，cx1、cx2可在20pf到40pf之間取值。本設(shè)計(jì)中，振蕩晶體選擇12mhz,電容選擇30pf。復(fù)位電路:89c51的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。最簡(jiǎn)單的上電自動(dòng)復(fù)位電路中上電自動(dòng)復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。只要vcc的上升時(shí)間不超過1ms,就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。時(shí)鐘頻率用12mhz時(shí)c取22uf,r取1k。除了上電復(fù)位外，有時(shí)還需要按鍵手

24、動(dòng)復(fù)位。本設(shè)計(jì)就是用的按鍵手動(dòng)復(fù)位。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過rst端經(jīng)電阻與電源vcc接通而實(shí)現(xiàn)的。時(shí)鐘頻率選用12mhz時(shí)，c取22uf,r2取4.7k，r1取1k。圖3 最小工作系統(tǒng)3.2溫度傳感器的選擇3.2.1方案一 應(yīng)用ds18b20傳感器本系統(tǒng)采用dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器ds18b20采集溫度數(shù)據(jù)，ds18b20屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器,可廣泛用于工業(yè)、民用、軍事等領(lǐng)域的溫度測(cè)量及控制儀器、測(cè)控系統(tǒng)和大型設(shè)備中。它具有體積小，接口方便，傳輸距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。 ds18b20的管腳排列和封裝如圖4所示。 圖4 ds18

25、b20的管腳排列和封裝3.2.1.1 ds18b20的性能特點(diǎn)（1）用單總線專用技術(shù)，既可通過串行口線，也可通過其它i/o口線與微機(jī)接口，無須經(jīng)過其它變換電路，直接輸出被測(cè)溫度值（9位二進(jìn)制數(shù)，含符號(hào)位），（2）測(cè)溫范圍為-55-+125，測(cè)量分辨率為0.0625（3）支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)ds18b20可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián)8個(gè)，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫，如果數(shù)量過多，會(huì)使供電電源電壓過低，從而造成信號(hào)傳輸?shù)牟环€(wěn)定（4）在使用中不需要任何外圍元件（5）工作電源: 35v/dc3.2.1.2 ds18b20內(nèi)部結(jié)構(gòu)ds18b20主要由四部分組成：64位光刻rom,溫度傳感器,非揮發(fā)的溫度報(bào)警

26、觸發(fā)器th和tl,高速暫存器，如圖5所示。rom和單線接口電源檢測(cè)存儲(chǔ)器和控制器高速緩存存儲(chǔ)器crc生成器溫度靈敏元件高溫觸發(fā)器th低溫觸發(fā)器tl配置寄存器圖5 ds18b20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.2.1.3 ds18b20的存儲(chǔ)器ds18b20 共有三種形態(tài)的存儲(chǔ)器資源，它們分別是：（1）rom 只讀存儲(chǔ)器，用于存放ds18b20id編碼，其前8 位是單線系列編碼（ds18b20 的編碼是19h），后面48 位是芯片唯一的序列號(hào)，最后8 位是以上56 位的crc 碼（冗余校驗(yàn)）。數(shù)據(jù)在出廠時(shí)設(shè)置不由用戶更改。ds18b20 共64 位rom。（2）ram 數(shù)據(jù)暫存器，用于內(nèi)部計(jì)算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)在

27、掉電后丟失，ds18b20 共9 個(gè)字節(jié)ram，每個(gè)字節(jié)為8 位。如圖6 所示。第1、2 個(gè)字節(jié)是溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)值信息，第3 和第4 字節(jié)是高溫觸發(fā)器th 和低溫觸發(fā)器tl 的易失性拷貝，第5 個(gè)字節(jié)為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率，ds18b20 工作時(shí)寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。以上字節(jié)內(nèi)容每次上電復(fù)位時(shí)被刷新。低5位一直為1，tm是工作模式位，用于設(shè)置ds18b20在工作模式還是在測(cè)試模式，ds18b20 出廠時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動(dòng)；r1 和r0 用來設(shè)置分辨率，決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)。如表2 所示。圖6 ds18b20字節(jié)定義表 2 ds1

28、8b20溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間表r1 r0 分辨率/位 溫度最大轉(zhuǎn)向時(shí)間/ms 0 0 9 93.750 1 10 187.510 11 37511 12 7503.2.1.4 ds18b20的溫度轉(zhuǎn)換以12位轉(zhuǎn)化為例說明溫度高低字節(jié)存放形式及計(jì)算：12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在18b20的兩個(gè)高低兩個(gè)8位的ram中，二進(jìn)制中的前面5位是符號(hào)位。如果測(cè)得的溫度大于0，這5位為0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測(cè)到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625才能得到實(shí)際溫度。表3為溫度高低字節(jié)的存放形式。表3 溫度高低字節(jié)存放形式高8位 s s s s s 2

29、6 25 24 低8位 23 22 21 20 2-1 2-2 2-3 2-4 本設(shè)計(jì)用到的溫度有8,16,80，96。用二進(jìn)制碼分別表示為0000 0000 1000 0000,0000 0001 0000 0000,0000 0101 0000 0000,0000 0110 0000 0000。3.2.1.5 ds18b20的控制指令ds18b20有六條控制命令，如表4所示。表4 ds18b20控制命令指 令約定代碼操 作 說 明溫度轉(zhuǎn)換讀暫存器寫暫存器復(fù)制暫存器重新調(diào)e2ram讀電源供電方式44hbeh4eh48hb8hb4h啟動(dòng)ds18b20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換讀暫存器9個(gè)字節(jié)內(nèi)容將數(shù)據(jù)寫入暫

30、存器的th、tl字節(jié)把暫存器的th、tl字節(jié)寫到e2ram中把e2ram中的th、tl字節(jié)寫到暫存器th、tl字節(jié)啟動(dòng)ds18b20發(fā)送電源供電方式的信號(hào)給主cpucpu對(duì)ds18b20的訪問流程是：先對(duì)ds18b20初始化，再進(jìn)行rom操作命令，最后才能對(duì)存儲(chǔ)器操作，數(shù)據(jù)操作。ds18b20每一步操作都要遵循嚴(yán)格的工作時(shí)序和通信協(xié)議。如主機(jī)控制ds18b20完成溫度轉(zhuǎn)換這一過程，根據(jù)ds18b20的通訊協(xié)議，須經(jīng)三個(gè)步驟：每一次讀寫之前都要對(duì)ds18b20進(jìn)行復(fù)位，復(fù)位成功后發(fā)送一條rom指令，最后發(fā)送ram指令，這樣才能對(duì)ds18b20進(jìn)行預(yù)定的操作。（1）ds18b20的讀時(shí)序ds18b

31、20的讀時(shí)序分為讀o時(shí)序和讀1時(shí)序。ds18b20讀時(shí)序是從主機(jī)把單總線拉低之后，在15秒之內(nèi)釋放總線后讓ds18b20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇偩€上。ds18b20完成一個(gè)讀時(shí)序過程，至少需要60us。（2）ds18b20的寫時(shí)序ds18b20的寫時(shí)序仍然分為寫0時(shí)序和寫1時(shí)序。ds18b20寫0時(shí)序和寫1時(shí)序的要求不同，當(dāng)要寫0時(shí)序時(shí)，單總線要被拉低至少60us，保證ds18b20能夠在15us至lj45us之間能夠正確地采樣總線上的低電平，當(dāng)要寫1時(shí)序時(shí)，總線被拉低之后，在15us之內(nèi)就需釋放總線。在硬件上，ds18b20與單片機(jī)的連接有兩種方法，一種是vcc接外部電源，gnd接地，i/o與單片機(jī)的

32、i/o線相連；另一種是用寄生電源供電，此時(shí)udd、gnd接地，i/o接單片機(jī)i/o。無論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電，i/o口線要接5k左右的上拉電阻。ds18b20與單片機(jī)相連接的電路圖見圖7。圖7 ds18b20與單片機(jī)連接電路圖3.2.2方案二 應(yīng)用ad590溫度傳感器ad590傳感器是美國(guó)ad公司研制的一種電流式集成溫度傳感器。其直流工作電壓為+4 v到+30 v，當(dāng)電源電壓由+5v向+10v變化時(shí)，其電流變化僅為0.2ma/v；最佳使用溫度范圍(-55150)，在此測(cè)溫范圍內(nèi)，測(cè)量誤差為士0.5，測(cè)量分辨率為0.1。溫度采樣電路采用了ad590電流型溫度敏感型器件其穩(wěn)定度和線性度均較好

33、。在0時(shí)ad590的電流為273.2a，溫度每增加1 ，電流增加1a。該電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換adc0809、at89c51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度的監(jiān)測(cè)和轉(zhuǎn)換，如圖8所示。圖8 應(yīng)用ad590的溫度采樣電路雖然兩種溫度傳感器都能進(jìn)行溫度檢測(cè)，但是ad590還需要進(jìn)過a/d轉(zhuǎn)換裝置，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，而且ds18b20單總線能夠接好多測(cè)溫點(diǎn)，溫度檢測(cè)電路簡(jiǎn)單。同時(shí)考慮到成本問題本設(shè)計(jì)選用ds18b20進(jìn)行溫度檢測(cè)與轉(zhuǎn)換。3.3電源電路的選擇飲水機(jī)溫度控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定的工作離不開一個(gè)性能良好的電源，電源性能的好壞直接影響到系統(tǒng)能否正常運(yùn)行。在本系統(tǒng)中，我們需要一個(gè)能輸出5v直流電壓，且輸出電

34、流較大的直流穩(wěn)壓電源。5v的小功率穩(wěn)壓電源由220v轉(zhuǎn)換而來。由電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路四部分組成。電源變壓器是將交流電網(wǎng)220v的電壓變?yōu)樗枰碾娫粗担缓笸ㄟ^整流電路將交流電壓變成脈動(dòng)的直流電壓。由于此脈動(dòng)的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)（一般有10%左右的波動(dòng)）、負(fù)載和溫度的變化而變化。因而，在整流濾波電路之后，還需接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)電網(wǎng)電壓波動(dòng)、負(fù)載和溫度變化時(shí)，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。3.3.1方案一 采用串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路為克服穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路輸出電流較小,輸出電壓不可調(diào)的缺點(diǎn)。引入串聯(lián)型穩(wěn)

35、壓電路。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路以穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路為基礎(chǔ),利用晶體管的電流放大作用增大負(fù)載電流,并在電路中引入深度電壓負(fù)反饋使輸出電壓穩(wěn)定,通過改變網(wǎng)絡(luò)參數(shù)使輸出電壓可調(diào)。一般可以將串聯(lián)式穩(wěn)壓電路分成由基準(zhǔn)電壓、比較放大、取樣電路和調(diào)整元件四部分組成。電路圖如圖9。r10r1rwres-vart1npnr30r1r0r1r20r1rl0r1udiode-sct2npn圖9 串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路圖3.3.2方案二 采用三端集成穩(wěn)壓器電子設(shè)備中常使用輸出電壓固定的集成穩(wěn)壓器。由于它只有輸入、輸出和公共引出端，故稱之為三端式穩(wěn)壓器。三端式穩(wěn)壓器由啟動(dòng)電路、基準(zhǔn)電壓、取樣比較放大電路、調(diào)整電路和保護(hù)電路等部分組成。

36、圖7是7805作為輸出電壓5v的典型電路圖，正常工作時(shí)，輸入輸出電壓差是23v。電路中接入電容c1、c3用來實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償，防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激震蕩和抑制電路引入的高頻干擾，c2是電解電容，以減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。d是保護(hù)二極管，當(dāng)輸入端短路時(shí)，給輸出電容器c3一個(gè)放電通路，防止c3兩端電壓作用于調(diào)整管的be結(jié)，造成調(diào)整管be結(jié)擊穿而損壞。圖7 三端集成穩(wěn)壓器電路圖3.4加熱器電路的選擇moc3041是motorola公司生產(chǎn)的單片機(jī)成光耦合可控硅驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)部集成了雙向可控硅、發(fā)光二極管、過零觸發(fā)電路等器件，它由輸入和輸出兩部分組成。moc3041與飲水機(jī)的加熱器相連，實(shí)

37、現(xiàn)對(duì)加熱器對(duì)的驅(qū)動(dòng)和控制。本系統(tǒng)用單片機(jī)的p1.6口與moc3041連接，當(dāng)p1.6口輸出低電平時(shí)，加熱指示燈亮，moc3041輸入部分的發(fā)光二極管導(dǎo)通，發(fā)出足夠強(qiáng)的紅外光去觸發(fā)輸出部分，控制可控硅導(dǎo)通，從而打開加熱器；當(dāng)p1.6口輸出高電平時(shí)，moc3041輸入部分的發(fā)光二極管截止，可控硅斷開，關(guān)閉加熱器。當(dāng)溫度加熱到96度時(shí)，p1.6為高電平，加熱器停止加熱。p2.0口變?yōu)榈碗娖?，保溫指示燈亮。同時(shí)p2.1為低電平，發(fā)出提示音，提示水已燒好，3秒后p2.1變?yōu)楦唠娖酵Ｖ拱l(fā)聲。當(dāng)水溫低于80度時(shí)，p1.6變?yōu)榈碗娖?，加熱器繼續(xù)加熱。電路圖如圖8所示。圖8 加熱控制電路圖3.5制冷器電路的選擇

38、由于飲水機(jī)的冷水槽容積比較小，而壓縮機(jī)主要適用于大型制冷設(shè)備,所以目前飲水機(jī)一般采用電子制冷片制冷。目前半導(dǎo)體制冷主要是根據(jù)帕爾貼效應(yīng)，電荷載體在導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)形成電流，由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級(jí)，當(dāng)它從高能級(jí)想低能級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)釋放出多余的熱量。反之，就需要從外界吸收熱量（即表現(xiàn)為制冷）。所以，半導(dǎo)體電子制冷的效果就主要取決于電荷載體運(yùn)動(dòng)的兩種材料的能級(jí)差，即熱電勢(shì)差。純金屬的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能好，但制冷效率極低（不到1%）。半導(dǎo)體材料具有極高的熱電勢(shì)，可以成功的用來做小型的熱電制冷器。電子制冷的原理是：把一個(gè)n型和p型半導(dǎo)體的粒子用金屬連接片焊接而成一個(gè)電偶對(duì)。當(dāng)直流電流從n極流向p極

39、時(shí)產(chǎn)生吸熱現(xiàn)象，而由p極流向n極時(shí)產(chǎn)生放熱現(xiàn)象。由于一個(gè)電偶所能產(chǎn)生熱效應(yīng)比較小，所以在實(shí)際應(yīng)用中是將幾十或上百對(duì)電偶聯(lián)成的熱電堆。這樣，一塊制冷片通電后一邊是冷的，而另一邊是熱的，如果要取得較佳的制冷效果則要在熱端加上散熱片甚至要加裝通風(fēng)風(fēng)扇強(qiáng)制散熱。若熱端散熱不好熱量越聚越多的話，那制冷片基本上是沒有什么制冷效果的，甚至還會(huì)有燒毀的危險(xiǎn)，所以散熱效果一定要好。另外，電子制冷的效率雖然不高，大約只有50-60%左右，但考慮到飲水機(jī)的體積，制冷片的價(jià)格等因素，我依舊選用了制冷片。電子制冷片供電電壓，是要根據(jù)型號(hào)而定的，本文為了能夠通用直流電源選用了工作電壓為5v的04903型號(hào)。制冷電路圖如圖

40、9所示。圖9 制冷電路圖 當(dāng)按下制冷鍵，p1.7變?yōu)榈碗娖?，制冷片開始動(dòng)作，同時(shí)與p2.3連接的制冷指示燈亮，當(dāng)冷卻到8度時(shí)，p2.1變?yōu)榈碗娖剑嬎畽C(jī)發(fā)出提示音，提醒冷水已好。同時(shí)p1.7變?yōu)楦唠娖?，飲水機(jī)停止制冷。待溫度高于16度時(shí)，飲水機(jī)繼續(xù)制冷。3.6水位探測(cè)器的選擇該系統(tǒng)采用一根不銹鋼的水位探測(cè)棒作為探測(cè)器，探測(cè)棒的一端與單片機(jī)的p3.0口相連，另一端浸入飲水機(jī)的加熱體中。當(dāng)加熱體水量充足時(shí)，探測(cè)棒浸入水中，由于水具有導(dǎo)電性，且加熱體接地，從而使輸入到單片機(jī)p3.0口的信號(hào)為低電平；當(dāng)加熱體中水量不足時(shí)，探測(cè)棒懸空，使輸入到單片機(jī)的輸入信號(hào)為高電平。單片機(jī)根據(jù)水位探測(cè)器的輸入信號(hào)執(zhí)行

41、相應(yīng)操作，可有效地防止飲水機(jī)干燒。3.7顯示電路的選擇本設(shè)計(jì)中的顯示電路是由74hc4511七段顯示譯碼器驅(qū)動(dòng)兩位數(shù)碼管。74hc4511七段顯示譯碼器部分引腳的功能：（1）燈測(cè)試輸入lt:當(dāng)lt=0時(shí)，無論其他輸入端是什么狀態(tài)，所有各段輸出ag均為1，顯示字形為8。該輸入端常用于檢查譯碼器本身及顯示器各段的好壞。（2）滅燈輸入bl：當(dāng)bl=0,并且lt=1時(shí)，無論其他輸入端是什么電平，所有各段輸出ag均為0，所以字形熄滅。（3）鎖存使能輸入le：在bl=lt=1的條件下，當(dāng)le=0時(shí)，鎖存器不工作，譯碼器的輸出隨輸入碼的變化而變化；當(dāng)le由0跳變1時(shí)，輸入碼被鎖存，輸出值只取決于鎖存器的內(nèi)容

42、，不再隨輸入的變化而變化。所以必須保證74hc4511的bl和lt為高電平，le為低電平時(shí)，譯碼器才能正常譯碼。當(dāng)系統(tǒng)上電后，溫度傳感器便開始進(jìn)行溫度采集與傳輸。當(dāng)需要溫度顯示時(shí)，按下溫度顯示鍵時(shí)，數(shù)碼管便顯示當(dāng)前水的溫度。為了簡(jiǎn)化電路的設(shè)計(jì)，該數(shù)碼管采用兩位一體的，這樣既節(jié)省了空間，又節(jié)省了成本。由于本設(shè)計(jì)中水溫不會(huì)超過100度，所以只需顯示十位與個(gè)位即可。圖 10 顯示電路3.8報(bào)警電路的選擇當(dāng)飲水機(jī)內(nèi)熱水槽內(nèi)水量不足時(shí)，飲水機(jī)發(fā)出報(bào)警。報(bào)警電路如圖所示。圖11 蜂鳴器電路圖4軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件主要包括主程序、按鍵處理子程序和溫度檢測(cè)子程序。4.1系統(tǒng)主程序系統(tǒng)上電復(fù)位初始化后，啟動(dòng)ds18

43、b20。若水量不足時(shí)，飲水機(jī)發(fā)出報(bào)警。若水量充足時(shí)，則檢測(cè)是否有按鍵按下，有則進(jìn)行相應(yīng)的操作。主程序流程圖見圖12所示。開始系統(tǒng)初始化水位探測(cè)器監(jiān)測(cè)水量啟動(dòng)ds18b20是否有足量水是否有按鍵按下發(fā)出報(bào)警按鍵處理讀溫度與計(jì)算溫度yynled顯示、狀態(tài)提示圖12 主程序流程圖4.2按鍵處理子程序當(dāng)主程序檢測(cè)到有按鍵按下時(shí)，就轉(zhuǎn)到按鍵處理子程序進(jìn)行按鍵判斷，根據(jù)判斷結(jié)果進(jìn)入加熱或者制冷模式。在兩種模式中，首先判斷當(dāng)前水溫與系統(tǒng)設(shè)定值的大小。當(dāng)飲水機(jī)處在加熱狀態(tài)時(shí)，當(dāng)溫度大于96度時(shí)，加熱器停止加熱，當(dāng)溫度小于80度時(shí)，飲水機(jī)繼續(xù)加熱，如此反復(fù)。當(dāng)飲水機(jī)處在制冷狀態(tài)時(shí)，當(dāng)溫度小于8度時(shí)，飲水機(jī)停止制

44、冷，當(dāng)溫度高于16度，飲水機(jī)繼續(xù)制冷。有鍵按下是否有足量水加熱鍵水溫是否高于96度水溫是否低于80度返回主程序加熱停止加熱ynyny圖13 加熱子程序流程圖有鍵按下制冷鍵水溫是否低于8度水溫是否高于16度返回主程序制冷停止制冷ynyn圖14 制冷子程序流程圖4.3溫度監(jiān)測(cè)子程序主機(jī)發(fā)出初始脈沖有鍵按下ds18b20發(fā)響應(yīng)脈沖信號(hào)ds18b20是否準(zhǔn)備好轉(zhuǎn)換是否完成讀ds18b20溫度傳感器啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)化主機(jī)發(fā)rom 命令ynyn讀出溫度值圖15 溫度監(jiān)測(cè)子程序結(jié)論本文詳細(xì)介紹了基于單片機(jī)at89s51的溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案與軟硬件實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊，單片機(jī)控制模塊，顯示模塊和溫度設(shè)置模

45、塊，驅(qū)動(dòng)電路五個(gè)部分。文中對(duì)每個(gè)部分功能、實(shí)現(xiàn)過程作了詳細(xì)介紹。完成了課題既定的任務(wù)，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：.采用智能溫度傳感器ds18b20采集溫度數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)化了硬件電路設(shè)計(jì)，溫度采集數(shù)據(jù)更加精準(zhǔn)；.at89s51單片機(jī)的采用，有利于功能擴(kuò)展；.電路設(shè)計(jì)充分考慮了系統(tǒng)可靠性和安全性。本系統(tǒng)沒有增加外部存儲(chǔ)器，設(shè)定溫度不能保存，斷電復(fù)位后必須重新設(shè)置溫度；采用靜態(tài)顯示方式，從而使用了較多的驅(qū)動(dòng)芯片，增加了硬件電路的復(fù)雜性；只使用兩位顯示，即顯示溫度的十位、個(gè)位，沒有充分發(fā)揮ds18b20的特性。本課題軟件和硬件相結(jié)合，有相當(dāng)大的難度，同時(shí)也有很大的實(shí)用性。在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，我的理論和實(shí)踐水平都有了較大的提高。在本課題的設(shè)計(jì)中，我熟練掌握了單片機(jī)硬件設(shè)計(jì)和接口技術(shù)，同時(shí)對(duì)溫度傳感器的原理及應(yīng)用有了一定的了解，掌握了各種控制電路及其相關(guān)元器件的使用。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我不僅學(xué)會(huì)如何將所學(xué)專業(yè)知識(shí)運(yùn)用到實(shí)際生活中，還學(xué)會(huì)如何克服未知的困難，解決難題的方法。參考文獻(xiàn)1康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分m.第五版.北京：高等教育出版社.2006.12康華光.