基于單片機的飲水機溫度控制系統(tǒng)--畢業(yè)設(shè)計

1、*本科畢業(yè)論文題目：基于單片機的飲水機溫度控制系統(tǒng)院（系、部）名 稱 ： 機電工程學(xué)院 專 業(yè) 名 稱： 電子信息工程 學(xué) 生 姓 名： * 學(xué) 生 學(xué) 號： 0414080215 指 導(dǎo) 教 師： 郭秀梅 2012年 4月 5 日*教務(wù)處制 學(xué) 術(shù) 聲 明本人呈交的學(xué)位論文，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作做出貢獻的其他個人和集體，均已在文中以明確的方式標明。本學(xué)位論文的知識產(chǎn)權(quán)歸屬于河北科技師范學(xué)院。本人簽名： 日期： 指導(dǎo)教師簽名： 日

2、期： 摘要單片機在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，在許多電子產(chǎn)品中也用到了溫度檢測和控制，目前廣泛使用的飲水機具有飲水時尚、結(jié)構(gòu)簡單等特點，但隨著用戶的長時間使用，這些飲水機功能單一能耗較大長時間使用飲水機的水對健康不利等缺點逐漸暴露出來。因此，此課題的主要目的是設(shè)計出一個基于單片機的飲水機溫度控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)要可以實時檢測飲水機水箱的水溫，并且可以通過數(shù)碼管顯示水箱水溫度數(shù)，可以通過鍵盤或開關(guān)選擇制冷或加熱，可以任意設(shè)置水溫的上下限，如加熱，當溫度在設(shè)定的范圍內(nèi)時正常工作，當?shù)陀谒疁叵孪迺r控制加熱器加熱；如制冷，當溫度高于水溫上限時控制壓縮機制冷。溫度檢測范圍095ºC，精確度-1

3、+1°C，當溫度超過設(shè)定值時具有示警功能。掌握好對飲水機水溫的智能控制，能夠在一定程度上把我們身邊的水資源充分利用起來，防止了每次加熱都使水沸騰，既節(jié)能又可以更好的滿足人們的更高的需求。關(guān)鍵詞： 飲水機；單片機；溫度傳感器AbstractSCM electronic products has become increasingly widespread, and is also used in many electronic products, temperature measurement and control. Currently widely used in drinking

4、 fountains with drinking water fashion, simple structure and so on. But with the prolonged use of these water fountains, function of single large energy consumption in the prolonged use of drinking fountains on the adverse health and other shortcomings were gradually exposed. Therefore, the main pur

5、pose of this subject is to design a microcontroller - based drinking fountains temperature control system. This system can real-time detect of water dispenser tank water temperature. This system can real-time detection of water dispenser tank water temperature , and digital display water temperature

6、 in degrees cooling or heating , you can select via the keyboard or switch , you can set the water temperature in the upper and lower limits. When the temperature within the limits set by the drinking fountains will work properly. Such as heating, When the water temperature is lower than limit, it c

7、ontrols heater; such as refrigeration compressor cooling, when the temperature is higher than the water temperature limit control. Temperature detection range of 0 95 º C, accuracy of -1 to +1 ° C, has a warning function when the temperature exceeds the set value. To master the intelligent

8、 control of water dispenser water temperature, can be in to a certain degree of water around us to make full use of it.,prevent heat to boil water all every time.already energy-saving and can better satisfy people's higher demand.Keywords: drinking fountain SCM sensor. 目錄摘要Abstract1. 前

9、言2. 方案論證2.1概論2.1.1題目來源2.1.2 題目任務(wù)2.1.3 設(shè)計分析2.2 系統(tǒng)方案設(shè)計3. 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.1 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計3.1.1 單片機選擇3.1.2時鐘電路3.1.3 復(fù)位電路3.2 溫度采集電路設(shè)計3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計3.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器選擇3.4 顯示電路設(shè)計3.5 鍵盤電路設(shè)計3.6 報警電路設(shè)計3.7 控制電路設(shè)計4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 主程序流程圖及簡要說明4.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序4.3 鍵盤子程序4.4 控制子程序4.5 顯示子程序5. 結(jié)論6. 參考文獻7.致 謝附錄1：系統(tǒng)硬件原理圖附錄2：軟件程序清單1. 前言 在人類的生活環(huán)境

10、中，溫度扮演著及其重要的角色。自18世紀工業(yè)革命以來，工業(yè)發(fā)展與是否能掌握溫度有著密切的聯(lián)系。在冶金、鋼鐵、石化、水泥、玻璃、醫(yī)藥等行業(yè)，可以說幾乎80%的工業(yè)部門都得考慮著溫度的因素。溫度控制是無論是在工業(yè)生產(chǎn)過程中，還是在日常生活中都起著非常重要的作用，如電熱水器、自動飲水機等，都要用到水溫控制系統(tǒng)。高校的發(fā)展同樣要求用現(xiàn)代化手段提升現(xiàn)有的實驗設(shè)備，為學(xué)生提供更多更好更現(xiàn)代化的實驗條件。因此我們應(yīng)該應(yīng)用電子專業(yè)知識，實現(xiàn)溫度控制的自動化，提高工業(yè)企業(yè)自動化水平。目前的水溫控制系統(tǒng)大多采用由模擬溫度傳感器、多路模擬開關(guān)、A/D轉(zhuǎn)換器及單片機組成的傳輸系統(tǒng)。這種系統(tǒng)需要布置大量的測溫電纜，才能

11、把現(xiàn)場傳感器的信號送到采集卡上，安裝和拆卸復(fù)雜，成本也高。同時線路上傳送的是模擬信號，易受干擾和損耗，測量誤差也比較大，不利于控制者根據(jù)溫度變化及時做出決定。在這樣的形式下，開發(fā)一種實時性高、精度高，能夠綜合處理多點溫度信息的系統(tǒng)就很有必要。近年來，單片機以其功能強、體積小、使用方便、性能價格比較高等優(yōu)點,在實時控制、自動測試、智能儀表、計算機終端、遙測通訊、家用電器等許多方面得到了廣泛的應(yīng)用。用單片機對溫度進行實時檢測和控制來解決工業(yè)及日常生活中對溫度的及時自動控制，是現(xiàn)代溫控系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。2. 方案論證2.1概論2.1.1題目來源隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生，給人們的生

12、活帶來了根本性的變化，如果說微型計算機的出現(xiàn)使現(xiàn)代的科學(xué)研究得到了質(zhì)的飛躍，那么單片機技術(shù)的出現(xiàn)則給現(xiàn)代工業(yè)控制測控領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。特別是其中的C51系列單片機的出現(xiàn)，由于它具有極好的穩(wěn)定性，更快和更準確的運算精度。因此，它的出現(xiàn)不但推動了工業(yè)的生產(chǎn)，也影響著人們的工作和學(xué)習(xí)。溫度控制系統(tǒng)在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計、工程建設(shè)及日常生活中的應(yīng)用越來越廣泛，早起的溫度控制主要應(yīng)用于工廠中，例如鋼鐵的水溶溫度控制，不同等級的鋼鐵要通過不同溫度的鐵水來實現(xiàn)，這樣就可能有效的利用溫度控制來掌握所需要的產(chǎn)品了。在日常人們的生活中，溫度控制系統(tǒng)的應(yīng)用和作用也體現(xiàn)到了各個方面，隨著人們生活質(zhì)量的提高，酒店廠房及

13、家庭生活中都會見到溫度控制的影子，溫度控制將更好的服務(wù)于社會。2.1.2 題目任務(wù) 設(shè)計一個基于單片機的飲水機溫度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實時檢測飲水機水箱的水溫，并且可以通過數(shù)碼管顯示飲水機水箱水溫度數(shù)，可以通過鍵盤或開關(guān)選擇制冷或加熱，可以人為設(shè)置水的溫度的上下限，如加熱，當溫度在設(shè)定的范圍內(nèi)時正常工作，當?shù)陀谒疁叵孪迺r控制加熱器加熱；如制冷，當溫度高于水溫上限時控制壓縮機制冷，溫度檢測范圍095°C，精度-1+1°C，當溫度超過設(shè)定值時具有示警功能。2.1.3 設(shè)計分析 該系統(tǒng)要完成飲水機水箱的水溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計。要達到題目設(shè)計的要求，設(shè)計時需要解決以下幾個方面的問題：

14、一、如何實現(xiàn)095°C的溫度檢測范圍和精度為1°C的溫度測量；二、如何將水箱的溫度控制在設(shè)定的范圍內(nèi)；三、如何選擇器件及設(shè)計電路使整個系統(tǒng)穩(wěn)定、有效的工作。2.2 系統(tǒng)方案設(shè)計方案一：傳統(tǒng)的一位式模擬控制方案，方案原理框圖如圖2.1所示。其選用的是模擬電路，用電位器設(shè)定給定值，和反饋的溫度值比較后，決定加熱或不加熱。其特點是電路簡單，易于實現(xiàn)，但是系統(tǒng)所測得的結(jié)果精度不高，并且調(diào)節(jié)動作頻繁，系統(tǒng)誤差大，不穩(wěn)定。系統(tǒng)受環(huán)境的影響大，不能實現(xiàn)繁雜的控制算法，不能用數(shù)碼管顯示，不能用鍵盤設(shè)定。傳感器信號放大溫度設(shè)置比較器信號放大固態(tài)繼電器負載 圖2.1方案一原理框圖方案二：傳統(tǒng)的

15、二位式模擬控制方案，方案原理框圖如圖2.2所示。其基本思想與方案一相同，但是由于采用上下限比較電路，所以控制精度有所提高，這種方法還是模擬控制方式，因此也不能實現(xiàn)繁雜的控制算法，而且仍不能用數(shù)碼管顯示和鍵盤設(shè)定。傳感器信號放大與設(shè)置的溫度上限比較與設(shè)置的溫度下限比較信號處理固態(tài)繼電器負載 圖2.2方案二原理框圖方案三：以單片機為核心的控制方案，其原理圖如圖2.3所示。本方案通過溫度傳感器將溫度信號轉(zhuǎn)換為電流信號，信號放大后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器將進來的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后送到單片機處理，并將采集的溫度與鍵盤設(shè)定的溫度值進行比較，根據(jù)比較的結(jié)果，單片機輸出相應(yīng)的信號來控制外部設(shè)施

16、，達到控制加熱器加熱或壓縮機制冷的目的。還具有顯示、報警等功能。 負載傳感器A/D轉(zhuǎn)換信號放大單片機顯示鍵盤報警加熱或制冷繼電器受控對象 2.3方案三原理框圖 方案一和方案二是傳統(tǒng)的模擬控制方式，而模擬控制系統(tǒng)是難以實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，控制方案的修改也較麻煩。而方案三是采用以單片機為核心的控制系統(tǒng)，尤其對溫度控制，它可達到模擬控制所打不到的控制效果，并且可實現(xiàn)顯示，鍵盤設(shè)定，報警等功能，大大提高了系統(tǒng)的智能化，也使得系統(tǒng)的測量結(jié)果精度大大提高。同時，以單片機為核心的控制系統(tǒng)，它的軟件編程比較靈活，易于實現(xiàn)。根據(jù)本論文的要求，經(jīng)過對三種方案的比較分析，本論文采用方案三。3. 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.

17、1 單片機最小系統(tǒng)設(shè)計本論文設(shè)計最小系統(tǒng)如圖3.1所示，由主控器AT89C51、時鐘電路和復(fù)位電路三部分組成。單片機AT89C51作為核心控制器控制著整個系統(tǒng)的工作，而始終電路負責(zé)產(chǎn)生單片機工作所必須的時鐘信號，復(fù)位電路使得單片機能夠正常、有序、穩(wěn)定地工作。 圖3.1單片機最小系統(tǒng)3.1.1 單片機選擇AT89C51單片機是ATMEL公司的AT89系列中的一種，該系列是當今世界上最新型的電擦寫八位單片機之一，和51系列完全兼容，低電壓、低電流、低功耗，價格低廉，很受到用戶歡迎。其管腳圖如圖3.2所示。 圖3.2 AT89C51管腳圖AT89C51的引腳功能說明： ·Vcc：電源電壓

18、·GND：地 ·P0 口：P0 口是一組8 位漏極開路型雙向I/O 口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8 個TTL 邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash 編程時，P0 口接受指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。 ·P1 口：P1 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上

19、拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作為輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。Flash 編程和程序校驗期間，P1 接受低8 位地址。 ·P2 口：P2 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作為輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或16 位四肢的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR指令）時，P2 口送出高8 位地址

20、數(shù)據(jù)，在訪問8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX RI 指令）時，P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中R2 寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。Flash 編程和程序校驗時，P2 也接收高位地址和其他控制信號。 ·P3 口：P3 是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8 位雙向I/O 口，P3 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個TTL 邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作為輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。P3 口還接收一些用于Flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控

21、制信號。 ·RST：復(fù)位輸入。當振蕩器工作時，RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。 ·ALE/PROG：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8 位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE 仍以時鐘振蕩頻率的1/6 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE 脈沖。對Flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH 單元D0 位置位，可禁止ALE 操作。該位置位后，只有一條MOVX

22、 和MOVC 指令A(yù)LE 才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE 無效。 ·PSEN：程序存儲允許輸出是外部程序存儲器的讀選通型號，當89C51 由外部存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的PSEN 信號不出現(xiàn)。 ·EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為 0000HFFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA 端狀態(tài)。如EA 端為高電平（接Vcc 端），CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程

23、序存儲器中的指令。Flash 存儲器編程時，該引腳加上+12v 的編程允許電源Vpp，當然這必須是該器件使用12v 編程電壓Vpp。 ·XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 ·XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。鑒于AT89C51單片機所具有的特性及本論文設(shè)計控制的復(fù)雜性和兼顧顯示、報警、鍵盤控制等較高要求，本論文設(shè)計選用AT89C51單片機作為中心控制器。3.1.2時鐘電路時鐘電路用于產(chǎn)生AT89C51單片機工作時所必需的時鐘信號。其電路與AT89C51的連接如圖3.1所示。AT89C51單片機本身就是一個復(fù)雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現(xiàn)

24、，AT89C51單片機應(yīng)在唯一的時鐘信號控制下，嚴格按時序執(zhí)行指令進行工作，而時序所研究的是指令執(zhí)行中各個信號的關(guān)系。在執(zhí)行指令時，CPU首先要到指令存儲器中取出需要執(zhí)行的指令操作碼，然后譯碼，并由時序電路產(chǎn)生一系列控制信號去完成指令所規(guī)定的操作。CPU發(fā)出的時序信號有兩種，一是用于片內(nèi)對各個功能部件的控制。另一種是對片外存儲器或I/O口的控制，這種時序?qū)τ诜治觥⒃O(shè)計硬件接口電路至關(guān)重要。這也是單片機應(yīng)用設(shè)計者最關(guān)心的問題。時鐘是單片機的心臟，單片機各個功能部件的運行都是以時鐘頻率為基準，有條不紊地工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。AT89C

25、51單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反相放大器的輸入端為芯片引腳X1，輸出引腳X2。這兩個引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。雖然AT89C51有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外接元件。外接晶體以及X1和X2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路。電容的大小會影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。除使用晶體振蕩器外，如對時鐘頻率要求不高，還可以用陶瓷振蕩器來代替。電路中的電容容值通常選擇為30PF左右，本電路選擇的是20PF，這并不影響系統(tǒng)的工作和控制的結(jié)果。晶體的振蕩的頻率的范圍通常是在1.2MH到12MH之間。晶體的頻率越高，則系

26、統(tǒng)的時鐘頻率就越高，單片機的運行速度也就越快。但反過來運行速度越快對存儲器的速度要求就越高，對印刷電路板的工藝要求也高。AT89C51單片機常選擇振蕩頻率6MH或12MH的石英晶體，隨著集成電路制造工藝技術(shù)的發(fā)展，單片機的時鐘頻率也在逐步提高，現(xiàn)在的高速單片機芯片的時鐘頻率已經(jīng)達到40MH?？紤]到本設(shè)計所用的各種器件對時鐘頻率的要求及整體電路的簡潔性，本課題選用的是振蕩頻率為6MH的石英晶體。3.1.3 復(fù)位電路 AT89C51的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。單片機復(fù)位電路設(shè)計的好壞，直接影響到整個系統(tǒng)工作的可靠性。許多用戶在設(shè)計完單片機系統(tǒng)，并在實驗室調(diào)試成功后，在現(xiàn)場卻出現(xiàn)了“死機”、“

27、程序走飛”等現(xiàn)象，這主要是單片機的復(fù)位電路設(shè)計不可靠引起的。因此選用一個適合本系統(tǒng)的復(fù)位電路極其重要。常用的復(fù)位電路有四種方式：（1）上電復(fù)位電路（2）按鍵復(fù)位電路（3）脈沖復(fù)位電路（4）兼有上電復(fù)位與按鍵復(fù)位的電路。由于考慮到結(jié)構(gòu)和成本等原因，在很多設(shè)計里面，復(fù)位電路通常采用上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種。根據(jù)本系統(tǒng)的特性，決定選用最簡單的上電復(fù)位電路。上電復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實現(xiàn)的。只要Vcc的上升時間不超過10ms，就可以實現(xiàn)自動上電復(fù)位。當時鐘頻率選用6MH，電容C選用22mF，電阻R選用1KW。該復(fù)位電路工作原理為：在通電瞬間，在RC電路充電過程中，RST端出現(xiàn)正脈沖，保證RS

28、T引腳出現(xiàn)10 ms以上穩(wěn)定的高電平，從而使單片機復(fù)位。3.2 溫度采集電路設(shè)計本設(shè)計中的溫度采集系統(tǒng)由DS18B20傳感器負責(zé)。其型號如圖3.2.1所示： 圖3.2.1 DS18B20工作原理為DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時的延時時間由2s 減為750ms。 DS18B20測溫原理如圖3.2.2所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振 隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在55所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計

29、數(shù)器1對 低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器1重 新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。圖3.2.2中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預(yù)置值。 停止斜率累加器比較預(yù)置計數(shù)器1計數(shù)器2溫度寄存器低溫度系數(shù)晶振高溫度系數(shù)晶振預(yù)置=0=0LSB置位/清除加1圖3.2.2 DS18B20測溫原理圖 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3.2.3所示：64位ROM和單線接口高速緩沖存儲

30、器存儲器和控制器8位CRC生成器電源檢測溫度靈敏元件低溫觸發(fā)器TL高溫觸發(fā)器TH配置寄存器3.2.3 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu) 3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 A/D轉(zhuǎn)換部分電路的功能主要是將采集部分采集來的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后輸送到單片機進行數(shù)據(jù)處理。主要器件有ADC0809、74LS02、74LS74等。ADC0809與AT89C51連接電路如圖3.3所示。 圖3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路 A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809共有八路模擬輸入端，由于溫度采集只有兩路，因此只用到兩路模擬輸入端，其輸入通道為IN0、IN1。這兩個通道的數(shù)據(jù)分別是溫度采集電路的輸出信號V01、V02，也就是轉(zhuǎn)換為電壓值的飲水

31、機兩個水箱水的溫度值。選擇這兩個通道需要通過設(shè)置ADC0809的ADDA、B、C的值，因為它對應(yīng)的是八路模擬信號，而本系統(tǒng)只有兩路模擬信號輸入，因此，只需要將低位ADDA連到AT89C51的P2.2口，并根據(jù)P2.2口的電壓是低電平或高電平來選擇要檢測哪個通道，當ADDA值為0時選的是IN0通道，當ADDA為1時選的是IN1通道。而ADDB、ADDC只需接地即可。3.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器選擇A/D轉(zhuǎn)換器的功能是將連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成一個離散的數(shù)字量。每一個數(shù)字量都是數(shù)字代碼的按位組合，每一位數(shù)字代碼都是一定的“權(quán)”，對應(yīng)一定大小的模擬量。為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量應(yīng)該將其每一位都轉(zhuǎn)換成響應(yīng)的模

32、擬量，然后求和即可得到與數(shù)字量成正比的模擬量。 目前，市面上有很多類型的A/D轉(zhuǎn)換器，如：ADC0804、ADC0809、AD574等，根據(jù)本控制的特點，選用ADC0809作為A/D轉(zhuǎn)換器。ADC0809八位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器是一種單片CMOS器件，包括8位的模/數(shù)轉(zhuǎn)化器，8通道多路轉(zhuǎn)換器和與微處理器兼容的控制邏輯。8通道多路轉(zhuǎn)換器能直接連通8個單端模擬信號中的任何一個。片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬多路開關(guān)，可以對8路05V的輸入模擬電壓信號分時進行轉(zhuǎn)換，片內(nèi)具有多路開關(guān)的地址譯碼和鎖存電路、比較器、256RT型網(wǎng)絡(luò)、樹狀電子開關(guān)、逐次逼近寄存器SAR、控制與時序電路等。輸出具有TTL三態(tài)鎖

33、存緩沖器，可以直接連接到單片機數(shù)據(jù)總線上。1. ADC0809功能如下：（1）分辨率為8位。（2）最大不可調(diào)誤差小于1LSB。（3）單一+5V供電，模擬輸入范圍05V（4）具有鎖存控制的8路模擬開關(guān)。（5）可鎖存三態(tài)輸出，輸出與TTL兼容。（6）功耗為15mW。（7）不必進行零點和滿度調(diào)整。（8）轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的時鐘頻率。時鐘頻率范圍：101280KHZ，當CLK=500kHZ時，轉(zhuǎn)換速度為128mS。2. ADC0809管腳及功能 A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809的引腳圖如圖3.3.1所示。 圖3.3.1 ADC0809引腳圖 IN0IN7：8路輸入通道的模擬量輸入端口。2-12-8：8位數(shù)字

34、量輸出端口。START，ALE：START為啟動控制輸入端口，ALE為鎖存控制信號端口。這兩個信號端可連接在一起，當通過軟件輸入一個正脈沖，便立即啟動模/數(shù)轉(zhuǎn)換。EOC，OE：EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號脈沖輸出端口，OE為輸出允許控制端口。這兩個信號也可連接在一起表示模/數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束。OE端的電平由低變高，打開三態(tài)輸出鎖存器，將轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。REF（+），REF（-），Vcc，GND：REF（+）和REF（-）為參考電壓輸入端，Vcc為主電源輸入端，GND為接地端。一般REF（+）與Vcc連接在一起，REF（-）與GND連接在一起。CLK：時鐘輸入端口。ADDA，B，C：8路模擬開

35、關(guān)的三位地址選通輸入端，以選擇對應(yīng)的輸入通道。其地址碼與對應(yīng)通道關(guān)系如表3.3所示。表3.3 地址碼與輸入通道對應(yīng)關(guān)系表強調(diào)說明一點：ADC0809雖然有八路模擬通道可以同時輸入八路模擬信號，但每一個瞬間只能轉(zhuǎn)換一路模擬信號，各路之間的切換由軟件變換通道地址實現(xiàn)。A/D轉(zhuǎn)換器采用的轉(zhuǎn)換方法主要有逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換、并行A/D轉(zhuǎn)換、串-并行A/D轉(zhuǎn)換等，其中逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換既照顧了轉(zhuǎn)換的速度，又具有一定的精度，本系統(tǒng)中，傳輸數(shù)據(jù)的頻率不高，對精度的要求也不是很高，因此，我們選用了常用的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換ADC0809。3.4 顯示電路設(shè)計 大多數(shù)的單片機應(yīng)用系統(tǒng)，都要

36、配置輸入設(shè)備和輸出設(shè)備。本系統(tǒng)的輸出設(shè)備是顯示器，根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計特點，采用七段LED數(shù)碼管作為顯示器。而本系統(tǒng)設(shè)計要求溫度檢測范圍095，精度±1。數(shù)碼管只需顯示兩位即可達到要求，因此，顯示部分電路采用兩個一位的LED數(shù)碼管來組成顯示器，沒有要求顯示小數(shù)點，LED數(shù)碼管的dp腳懸空。本設(shè)計顯示電路的應(yīng)用有兩點，一是實時顯示引水機水箱的水溫值，另一個是顯示鍵盤設(shè)定的溫度上、下限值。其電路連接如圖3.4所示。 圖3.4顯示部分電路通過一個74LS47連接7個100歐姆的電阻來驅(qū)動數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管的VCC腳分別連接到兩個三極管的共射極，而三極管的共基極連到一起接到+5V電源上。共集極分

37、別連接兩個4.7K的電阻接到單片機AT89C51的P1.4、P1.5管腳。LED顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件。在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中應(yīng)用非常普遍，通常使用的是七段LED，這種顯示器有共陽極和共陰極兩種，本設(shè)計選用的是共陽極。共陽極LED顯示器的發(fā)光二極管的陽極連接在一起，通常此公共陽極接正電壓5V。當某個發(fā)光二極管的陰極接低電平時，發(fā)光二極管被點亮，相應(yīng)的段被顯示。使用LED顯示器時，為了顯示數(shù)字或符號，要為LED顯示器提供代碼，因為這些代碼是通過各段亮與滅來為顯示不同字型的。7段發(fā)光二極管，再加上一個小數(shù)點位，共計8段。因此提供給LED顯示器的段碼正好一個字節(jié)。各字節(jié)中對應(yīng)關(guān)系如表3.

38、4.1所示。表3.4.1 各段與字節(jié)中各位的對應(yīng)關(guān)系表代碼位D7D6D5D4D3D2D1D0顯示段dp Gfedcba將單片機I/O口的8位線與顯示塊的發(fā)光二極管的引出端（adp）相連，共陽極高電平有效，選通有效后8位并行輸出口輸出不同的數(shù)據(jù)就點亮相應(yīng)的發(fā)光二極管，獲得不同的數(shù)字或字符。共陽極7段顯示器顯示數(shù)字對應(yīng)的段碼關(guān)系如表3.4.2所示。表3.4.2 7段LED數(shù)字與段碼對應(yīng)關(guān)系表顯示數(shù)字0123456789共陽極段碼C0HF9HA4HB0H99H92H82HF8H80H90H3.5 鍵盤電路設(shè)計鍵盤在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機輸入數(shù)據(jù)、傳送命令功能，是人工干預(yù)單片機的主要手段。鍵盤

39、實質(zhì)上是一組按鍵開關(guān)集合。通常鍵盤所用開關(guān)為機械彈性開關(guān)，均利用了機械觸點的合、斷作用。鍵的閉合與否，反映在輸出電壓是呈現(xiàn)高電平或低電平，如果高電平表示斷開的話，那么低電平則表示鍵閉合，所以通過對電平高低狀態(tài)的檢測，便可確認按鍵按下與否。為了確保CPU對一次按鍵動作只確認一次按鍵，必須消除抖動的影響，這樣才能使鍵盤在單片機系統(tǒng)中的使用得更加穩(wěn)定。常用的鍵盤接口分為獨立式按鍵接口和矩陣式鍵盤接口。根據(jù)本系統(tǒng)的設(shè)計特點及要求，鍵盤的功能主要是用來設(shè)置溫度上下限，因此本設(shè)計采用獨立式鍵盤來完成這一功能要求。其電路連接如圖3.5.1所示。 圖3.5.1 獨立式鍵盤與AT89C51連接圖1、鍵盤電路及其

40、說明獨立式按鍵就是各個按鍵相互獨立，每個按鍵各接一根輸入線，一根輸入線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。因此，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)就可以很容易的判斷出是哪一個按鍵按下了。獨立式按鍵電路配置靈活，軟件簡單。但每一個按鍵需占用一根輸入口線，在按鍵數(shù)量較多時學(xué)要較多的輸入口線且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故此種鍵盤適用與按鍵較少或操作速度較高的場合。本設(shè)計，采用四按鍵鍵盤，所以在四個I/O口上接四個按鍵組成一個四按鍵的簡易式鍵盤。各線通過電阻接+5V，當鍵盤上沒有鍵閉合時，所有的線斷開，呈高電平狀態(tài)。當鍵盤上某一個鍵閉合時，該鍵所對應(yīng)的線與連接單片機的線短路。例如：當S1號按鍵閉合時，它所在的線

41、與連接線短路，使P3.2口為低電平，通過軟件里對P3口查尋，如果只有P3.2口為低電平，那么就可以確定是S1鍵按下了，通過在軟件里的設(shè)定，行使S1鍵的功能。如果同時有多個P3口為低電平，則報警顯示，然后檢查是否有多個鍵按下，直到只有一個P3口為低電平時，停止報警，那個低電平的P3口上連接的按鍵則為按下的鍵，在軟件里執(zhí)行他應(yīng)該達到的功能。2、鍵盤功能說明S1：模式設(shè)置鍵，按一下進入到加熱系統(tǒng)設(shè)置狀態(tài)，再按一下切換到制冷系統(tǒng)設(shè)置狀態(tài)。S2：步進加鍵，每按一下，要設(shè)置的限制值加1。S3：步進減鍵，每按一下，要設(shè)置的限制值減1。S4：確定鍵，確定前面所設(shè)的溫度值。當S1鍵按1下，進入加熱或制冷模式后，

42、數(shù)碼管顯示為00，00代表溫度設(shè)置起點溫度。再按下按鍵S2數(shù)碼管顯示值將逐步從個位數(shù)往上加，直到想要設(shè)置的溫度值，而按鍵S3是步進減鍵，按鍵每下一次，個位數(shù)減1。S4鍵是確定鍵，通過它來確定前面所設(shè)定的數(shù)值。3、鍵盤的機械抖動若Y0為低電平，S1號鍵閉合一次，圖中t1和t3分別為鍵的閉合和斷開過程中的抖動期（呈現(xiàn)一串負脈沖），抖動時間長短和開關(guān)的機械特性有關(guān)，一般為510ms，t2為穩(wěn)定的閉合期，其時間由按鍵動作所確定，一般為十分之幾秒到幾秒，t0、t4為斷開期。為了保證CPU對鍵盤的閉合僅作一次處理，在軟件中必須去除抖動，在第一次檢測到有按鍵下時，執(zhí)行一段延時10ms的子程序后確認該按鍵電平

43、是否仍保持閉合狀態(tài)電平，如果閉合狀態(tài)電平則確認有按鍵下，從而消除抖動的影響。鍵盤的機械抖動示意圖如圖2.8所示。 圖3.5.2 鍵盤的機械抖動示意圖3.6 報警電路設(shè)計報警電路主要是由發(fā)光二極管和蜂鳴器組成的，具有聲、光報警功能的簡單電路，其電路如圖2.9所示。當溫度超過設(shè)置的上、下限時，P2.2口輸出高電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器工作，發(fā)出聲音。P2.3口輸出高電平時，發(fā)光二極管正向?qū)?，發(fā)光報警。圖3.6 報警電路3.7 控制電路設(shè)計控制部分電路圖如圖3.7所示。 圖3.7 控制電路該電路是由兩個固態(tài)繼電器作為控制開關(guān)，一個繼電器控制加熱裝置，另一個繼電器控制制冷裝置。固態(tài)繼電器是一種無觸點通

44、斷型電子開關(guān)，是四端有源器件，其中兩個端子為控制輸入端，另外兩個為輸出受控端。為了實現(xiàn)輸入與輸出的隔離，器件采用了高耐壓的光耦合器。當輸入信號有效時，電路呈導(dǎo)通狀態(tài)，反之，呈斷開狀態(tài)，可以實現(xiàn)類似電磁繼電器的開關(guān)功能。固態(tài)繼電器將MOSFET、GTR、普通晶閘管等組合在一起與觸發(fā)電路封裝在一個模塊中，而且驅(qū)動電路與輸出電路隔離。固態(tài)繼電器是可控硅過零觸發(fā)器，無觸點，不用調(diào)節(jié)，對電網(wǎng)不會產(chǎn)生波形畸變。因此，非常適合本設(shè)計?？刂齐娐饭ぷ髟恚寒擜T89C51的RXD口輸出一個高電平時，三極管開始工作，驅(qū)動繼電器J1工作，繼電器J1呈導(dǎo)通狀態(tài)，加熱裝置開始工作。同樣，當AT89C51的TXD口輸出一

45、個高電平時，三極管開始工作，驅(qū)動繼電器J2工作，繼電器J2開關(guān)閉合，制冷裝置開始工作。4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計也就是程序設(shè)計，就是在完成了硬件系統(tǒng)德爾基礎(chǔ)上，再編寫相應(yīng)的程序，下載到芯片上，通過執(zhí)行程序指令控制硬件，從而實現(xiàn)各種功能。一般來講，軟件功能分為兩大類。一類是執(zhí)行軟件，它能完成個各種實質(zhì)性的功能，如測量、計算、顯示、打印、輸出控制等。另一類是監(jiān)控軟件，它專門協(xié)調(diào)執(zhí)行模塊和操作者的關(guān)系，在系統(tǒng)中充當組織協(xié)調(diào)的角色。軟件設(shè)計就是用計算機所能接受的形式把解決問題的步驟描述出來。簡單地說，軟件設(shè)計就是編制計算機程序。一個好的程序應(yīng)該完成規(guī)定的任務(wù)，而且應(yīng)該層次清晰、易于閱讀，并盡可能少

46、占內(nèi)存，縮短執(zhí)行時間，但也不要一味的追求少占內(nèi)存，縮短執(zhí)行時間。這樣做可能會使程序的可讀性變差。隨著大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，芯片的內(nèi)存容量也在不斷增加，計算機執(zhí)行命令的時間也大大的縮短。因此，程序的長短和執(zhí)行時間，不再顯得那么重要，而程序的易讀性和程序的開發(fā)周期，顯得越來越重要。另外，在較復(fù)雜的程序設(shè)計中，必須充分考慮程序的可讀性、穩(wěn)定性、可擴展性、兼容性以及容錯性等也是衡量與評價程序的優(yōu)劣的重要指標。由于用匯編語言編寫的程序效率高，占用的內(nèi)存單元和CPU資源少，執(zhí)行速度快，還可直接訪問存儲器、輸入/輸出接口以及擴展的各種芯片，并可直接處理中斷，直接管理和控制硬件設(shè)備，適用于實時控制系

47、統(tǒng)，因此，本設(shè)計選用匯編語言來編寫程序。4.1 主程序流程圖及簡要說明本設(shè)計的軟件包括主程序A/D轉(zhuǎn)換子程序鍵盤子程序控制子程序及顯示子程序。結(jié)合本系統(tǒng)的功能，程序長度不會超過AT89C51內(nèi)部的程序存儲器，所以硬件上不用外擴程序存儲器。主程序流程如圖4.1所示。本論文描述主程序工作過程為：首先對系統(tǒng)初始化，由于本系統(tǒng)要實現(xiàn)對飲水機的冷熱兩個水箱的檢測與控制，因此先要選擇模式，這主要是經(jīng)過硬件電路的按鍵S1來選擇的。在確定進入加熱或制冷模式后，調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序?qū)Σ杉降哪M量進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完畢保存數(shù)據(jù)后，調(diào)用鍵盤子程序，這個子程序主要完成對溫度上、下限的設(shè)置。完成設(shè)置后，調(diào)用控制子程序1或

48、子程序2，通過對執(zhí)行這個程序，實現(xiàn)報警、加熱或制冷。最后調(diào)用顯示子程序來顯示溫度值。整個系統(tǒng)是一個閉環(huán)水的，系統(tǒng)工作是循環(huán)進行的，這也就實現(xiàn)了實時檢測的設(shè)計要求。開始初始化進入加熱模式？調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序調(diào)用鍵盤子程序調(diào)用鍵盤子程序調(diào)用控制子程序1調(diào)用控制子程序2調(diào)用顯示子程序NY 圖4.1主程序流程圖4.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序 在這模塊的軟件設(shè)計中，主要完成的是將采集電路采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后送到單片機進行處理，從而完成A/D轉(zhuǎn)換部分的最后功能，該部分程序流程如圖4.2所示。根據(jù)設(shè)計的要求，程序先對端口初始化，根據(jù)模式選擇的結(jié)果，選擇其中一路的采集來的數(shù)據(jù)，

49、然后啟動A/D轉(zhuǎn)換功能，在轉(zhuǎn)換一段時間后，判斷一段時間后，判斷轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，如果結(jié)束就自動進入下一路的轉(zhuǎn)換，否則繼續(xù)轉(zhuǎn)換。 開始啟動轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束？取數(shù)據(jù)ADC0809地址加1地址數(shù)小于2？返回YNNY 圖4.2 A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖4.3 鍵盤子程序這部分主要完成溫度上、下限的設(shè)置。其流程圖如圖4.3所示。本系統(tǒng)使用4個單鍵，這使得鍵值得識別問題也比較簡單化。在執(zhí)行程序的時候只需諸位判斷P3.2，P3.3，P3.4，P3.5口是高電平還是低電平，若為高電平，則表示沒有按鍵按下，若為低電平，則表示有按鍵按下。在程序的設(shè)計當中，考慮了鍵的去抖動問題。因為用手按下一個按鍵時，往往會出現(xiàn)所按鍵

50、在閉合位置和斷開位置之間跳動幾下才穩(wěn)定到閉合狀態(tài)的情況。在釋放一個鍵德爾時候，也會出現(xiàn)類似的情況，抖動的時間是不一致的，通常小于10毫秒，若抖動的問題不解決，就會引起閉合鍵的多次讀入。對于鍵的抖動處理，一般采用軟件延時10毫秒的方法。在發(fā)現(xiàn)有按鍵閉合時，不是立即讀入該鍵值，而是延時一段時間以后，再進行鍵閉合與否的判斷，確認此時是否真的有按鍵下，有則進行該按鍵的處理，沒有則不進行處理。Y開始有按鍵下？延時10ms判別鍵號按鍵處理返回N 圖4.3 鍵盤子程序流程圖4.4 控制子程序本部分主要是實現(xiàn)聲光報警和驅(qū)動加熱或制冷功能。由于本系統(tǒng)的控制對象有兩路，一路是控制飲水機的熱水水箱，另一路是控制涼水

51、水箱，因此，有兩個子程序，它們分別為控制子程序1和控制子程序2。控制程序1流程圖如圖4.4所示，控制子程序2流程圖如圖4.5所示。選擇控制模式后，先將采集轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)與設(shè)定的值進行比較，如果是加熱模式，且采集轉(zhuǎn)換的值低于設(shè)定值的下限，置RXD為高電平，加熱器開始加熱;如果是制冷模式，且采集轉(zhuǎn)換的值高于設(shè)定值的上限，則置AT89C51的P2.3、P2.4口為高電平，實現(xiàn)聲光報警，同時，置TXD為高電平，制冷裝置開始工作。開始保存數(shù)據(jù)低于下限？開始加熱取數(shù)據(jù)低于下限？返回高于上限？報警、停止加熱NNNYYY 圖4.4.1 控制子程序1流程圖開始保存數(shù)據(jù)高于上限？開始制冷取數(shù)據(jù)等于上限？返回低于下限？報警、停止制冷NNNYYY 圖4.4.2 控制子程序2流程圖4.5 顯示子程序 此模塊采用的是動態(tài)掃描的方法，這樣各位LED能夠顯示出與本位相應(yīng)的顯示字符。顯示子程序流程圖見圖4.5所示