智能型浴室混水閥控制器的設(shè)計畢業(yè)設(shè)計

1、智能型浴室混水閥控制器的設(shè)計中文摘要隨著科技的發(fā)展和社會的進步，高新技術(shù)正在逐漸改變著人們的生活習(xí)慣，其中重要的一個方面就是，使家居呈現(xiàn)智能化。目前的家居生活中，大部分人仍使用著傳統(tǒng)的機械式淋浴系統(tǒng)，這種系統(tǒng)不僅易于損壞，而且由于手動調(diào)溫的不準確性，還易使皮膚燙傷。因此設(shè)計出能夠自動調(diào)節(jié)水溫的家居用品來滿足人們的需求、推進人們的健康生活以實現(xiàn)家居智能化具有重要意義，基于此點，課題設(shè)計了智能型浴室混水閥控制器來滿足這一要求。在此次設(shè)計中，系統(tǒng)以80c51單片機為核心控制器件，由溫度采集模塊、鍵盤模塊、數(shù)碼顯示模塊、步進電機模塊和主控制芯片5個部分組成。使用c語言進行程序的編寫，通過使用prote

2、us進行仿真,經(jīng)過多次的實驗達到了畢業(yè)設(shè)計的基本要求。當系統(tǒng)運行時，由單片機對溫度采集模塊的輸出量進行收集，按下啟動鍵，單片機通過讀取變量和設(shè)定量進行比較，然后把輸出量轉(zhuǎn)換成控制信號，控制步進電機并通過數(shù)碼管顯示設(shè)定水溫和出口水溫。關(guān)鍵字：ds18b20；矩陣鍵盤；80c51；步進電機；proteus；c語言42the design of intelligent bathroom mixing water valve controllerabstractnew technology has entered the house gradually and make household intel

3、ligent in new era. in people's home life, most people still use traditional mechanical shower systems that easily be damaged and temperature can not be regulated accurately and also easily burn the users skin. in a bid to enable the bathroom intelligent, we design the intelligent bathroom mixing

4、 water valve to meet peoples need. this design has much practical significance in pushing forward peoples healthy life and household intelligence. the system of which the single-chip 80c51 is used as centre control part, consists of temperature collection module, keyboard module, digital display mod

5、ule, stepping motor module and main control chip five parts. c language used in the preparation process, through the use of simulation proteus, after a number of experiments designed to meet the basic requirements for graduation.when the system is running, the temperature acquisition by the scm modu

6、le output for the collection, press the start button, read through the scm set of variables and comparisons, and then converted to output control signals, control stepper motor and through the display of digital temperature settings and export the water temperature.keyword:ds18b20；matrix keyboard；80

7、c51；step motor；proteus；c language目 錄第一章 前 言11.1論文的來源及研究背景11.2傳統(tǒng)式機械混水閥11.2.1傳統(tǒng)式機械混水閥的工作原理11.2.2傳統(tǒng)式機械混水閥存在的問題21.3.智能型浴室混水閥21.3.1智能型浴室混水閥控制器基本組成及其工作原理21.3.2 研究內(nèi)容3第二章 系統(tǒng)方案的選擇及論證42.1 系統(tǒng)的功能要求42.2 各模塊方案選擇及論證42.3.1單片機42.3.2鍵盤輸入模塊42.3.3溫度顯示模塊52.3.4溫度采集模塊52.3.5執(zhí)行機構(gòu)52.3.6 系統(tǒng)的硬件框圖6第三章 硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)73.1單片機73.3.1 80

8、c51簡介73.1.2 80c51內(nèi)部結(jié)構(gòu)93.2鍵盤輸入模塊113.2.1鍵盤接線和按鍵功能分配113.2.2鍵盤的掃描原理113.2.3 鍵盤的工作方式123.3溫度顯示模塊133.3.1 led顯示原理133.3.2 串行顯示電路和74ls164簡介143.4溫度采集模塊153.5執(zhí)行機構(gòu)模塊163.5.1步進電機簡介163.5.2步進電機動態(tài)指標及術(shù)語173.5.3 步進電機在控制上的特點173.5.4步進電機細分驅(qū)動器原理183.5.4 l297和l298簡介183.5.5 l297和l298構(gòu)成的驅(qū)動電路20第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計與仿真214.1 軟件開發(fā)與仿真調(diào)試環(huán)境和開發(fā)語言介紹

9、214.2系統(tǒng)軟件設(shè)計思想214.3 子程序描述及其流程圖224.3.1 溫度讀取子程序234.3.2 鍵盤掃描子程序234.3.3 步進電機升降溫控制子程序244.4.4 系統(tǒng)總體仿真圖25總 結(jié)26致 謝27參考文獻28附 錄29第一章 前 言單片機的出現(xiàn)至今已經(jīng)有了30多年的歷史了；單片機嵌入式技術(shù)也經(jīng)歷了幾個發(fā)展階段。進入20世紀90年代后，以計算機和軟件為核心的數(shù)字化技術(shù)取得了迅猛發(fā)展，不僅廣泛滲透到社會經(jīng)濟、軍事、交通、通信等相關(guān)行業(yè)，而且也深入到家電、娛樂、藝術(shù)、社會文化等各個領(lǐng)域，并掀起了一場數(shù)字化技術(shù)革命。作為新型工業(yè)發(fā)展的新型控制器，單片機具有體積小、功耗低、功能強、性價比

10、高、易于推廣應(yīng)用等顯著優(yōu)點,在自動化裝置、智能儀器儀表、過程控制、通信、家用電器等許多領(lǐng)域得到了大量應(yīng)用。1.1論文的來源及研究背景21世紀是信息的社會，更是現(xiàn)代化的社會。目前，賓館、家庭以及公共浴室中廣泛使用著機械式混水閥，雖然達到了外形設(shè)計多種多樣、美觀大方的效果，但是使用者對水溫的調(diào)節(jié)都是通過手動控制機械式混水閥中熱水管道與冷水管道閥門的開啟比例來實現(xiàn)。其操作過程往往需要操作者通過肢體觸覺來反映混合后水溫是否合適，不僅使用很不方便，而且容易導(dǎo)致混水閥門的使用壽命縮短，出水忽冷忽熱、不容易調(diào)節(jié)。隨著計算機智能技術(shù)的發(fā)展，特別是微型計算機技術(shù)的發(fā)展，利用單片機開發(fā)智能型浴室混水閥控制器實現(xiàn)對

11、出水口水溫、水流速度以及淋浴頭水流方式的控制具有實際的使用價值，對推進人們的健康生活與家居智能化以及節(jié)水都具有現(xiàn)實意義1。1.2傳統(tǒng)式機械混水閥1.2.1傳統(tǒng)式機械混水閥的工作原理在傳統(tǒng)的浴室供水系統(tǒng)中，機械式混水閥在一般情況下由一個冷水進水口、一個熱水進水口和一個溫水出水口構(gòu)成，而冷、熱水的進水管道都是各自獨立的，通過一個混水閥或兩個混水閥來調(diào)節(jié)水溫，使用者通過調(diào)節(jié)混水閥旋鈕來選擇適合自己洗浴的水溫。如圖1所示：圖1 傳統(tǒng)型控制器1.2.2傳統(tǒng)式機械混水閥存在的問題在日常生活中，使用傳統(tǒng)式機械混水閥洗浴時經(jīng)常出現(xiàn)微弱燙傷，混水閥損壞等事情。這是由于通過機械式混水閥需要手動調(diào)節(jié)并嘗試水溫，隨著

12、冷熱水溫差的波動以及冷熱水管道各自的壓力不同（壓力的不同將導(dǎo)致水流速度的變化），需要不斷的調(diào)試水溫，將給洗浴帶來極大的不便。1.3.智能型浴室混水閥1.3.1智能型浴室混水閥控制器基本組成及其工作原理基本組成智能型浴室混水閥控制器采用單片機作為主控制芯片。總控制電路由溫度采集模塊、溫度顯示模塊、鍵盤輸入模塊、步進電機驅(qū)動模塊、主控制芯片和電源模塊六部分組成。工作原理調(diào)溫時使用者首先按下鍵盤“開始”鍵，輸入淋浴溫度，按下“確定”鍵后，在冷水進水管和熱水進水管兩處的步進電機根據(jù)設(shè)定的溫度及在兩進水管處的溫度傳感器傳回的溫度信息來調(diào)節(jié)兩進水管的進水量來達到調(diào)溫的目的，同時

13、通過溫度顯示模塊將出水口的溫度傳感器檢測的溫水溫度顯示出來。系統(tǒng)運行中由溫水出水管處的溫度傳感器檢測到的溫度反饋到控制芯片，然后和設(shè)定的溫度值進行比較來調(diào)節(jié)步進電機的轉(zhuǎn)動量，進而動態(tài)的控制冷熱水進水管的進水量，以此來達到溫度平衡。使用者淋浴完畢，按下“關(guān)閉”鍵后，單片機控制冷熱水進水管處兩步進電機關(guān)閉冷熱水進水管停止供水。1.3.2 研究內(nèi)容智能型浴室混水閥控制器的設(shè)計要達到一些相關(guān)的指標：第一：每個人對洗浴水溫都會有一個想要的范圍，設(shè)計時要達到一個合適的水溫；第二：設(shè)計時要充分考慮系統(tǒng)所要達到的功能要求，力爭做到硬件和軟件劃分合理；第三：在硬件設(shè)計時要從器件的性能、價格、可擴展性、實用性、編

14、程簡單等一些方面綜合考慮。第四：在設(shè)計一個系統(tǒng)時都要考慮的問題是系統(tǒng)的抗干擾能力，設(shè)計適當?shù)目垢蓴_措施，以保證系統(tǒng)的可靠運行。第二章 系統(tǒng)方案的選擇及論證2.1 系統(tǒng)的功能要求（1）從鍵盤輸入設(shè)定溫度值并顯示；（2）通過溫度傳感器檢測三個水管的溫度，并顯示出水口的溫水溫度；（3）控制器比較設(shè)定溫度和出口溫度是否一致，不一致就控制電機調(diào)節(jié)冷熱水的進水量。2.2 各模塊方案選擇及論證圖2 是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的框圖，包括了六個模塊?，F(xiàn)對其選型做簡要說明。中央處理單元（單片機）鍵盤輸入模塊溫度顯示模塊溫度采集模塊執(zhí)行單元模塊電源模塊圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.3.1單片機目前，生產(chǎn)單片機的公司很多，但技術(shù)成熟、芯片

15、工作穩(wěn)定性好的就少了。主流的生產(chǎn)廠家主要有：intel 公司、atmel 公司、maxim 公司等等。綜合考慮系統(tǒng)使用到的單片機內(nèi)部存儲資源、系統(tǒng)處理信號的種類、處理數(shù)據(jù)的速度、系統(tǒng)的 i/o口開銷，以及系統(tǒng)的可擴展性能，本系統(tǒng)選用了intel公司的80c51單片機芯片。2.3.2鍵盤輸入模塊鍵盤作為數(shù)據(jù)輸入接口，是大部分自動控制系統(tǒng)不可或缺的一部分。而鍵盤的接線方法主要有兩種：獨立式鍵盤和矩陣式鍵盤。在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，為了減少i/o口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形式。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口（如p1口）就可以構(gòu)成4*

16、4=16個按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（9鍵）。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。此次設(shè)計需要用鍵盤進行輸入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的輸入有兩種方法：方法一：使用兩個按鍵，每次按下自動累計加一，進行溫度設(shè)定。其優(yōu)點是使用i/o口較少，但是十分不方便。方法二：使用多個鍵對應(yīng)輸入數(shù)據(jù)，此方法輸入簡單。但是使用多個按鍵輸入需要占用較多的i/o口，通過對上文的了解可知，本次設(shè)計適合選用矩陣式鍵盤2。2.3.3溫度顯示模塊該模塊主要是對出水口的溫水溫度和鍵盤設(shè)定的溫度進行顯示，溫度由兩

17、位數(shù)據(jù)組成。目前的顯示方法有l(wèi)cd顯示、7段數(shù)碼管顯示和vga顯示等等。lcd和vga顯示器件價格都比較昂貴，并且驅(qū)動程序復(fù)雜，而7段數(shù)碼管具有價格便宜、原理簡單、顯示數(shù)字清晰等諸多優(yōu)點，在大型報時屏幕、銀行利率顯示、城市霓虹燈建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。7段數(shù)碼管分為共陰和共陽兩種，它們顯示時主要是顯示代碼不同。在本設(shè)計中就采用7段共陽數(shù)碼管作為顯示器件。2.3.4溫度采集模塊該模塊主要是對兩個進水管、一個出水管的溫度，即冷水、熱水和溫水的溫度進行檢測，然后送到單片機中進行數(shù)據(jù)處理。在溫度采集器件中，有熱電偶、熱敏電阻、ad590、ds18b20等等溫度傳感器。熱電偶和熱敏電阻檢測電路復(fù)雜，實用的是

18、ad590和ds18b20。ad590作為模擬量溫度傳感器，需要a/d轉(zhuǎn)換模塊，將增大系統(tǒng)的設(shè)計難度，而且其價格貴。ds18b20是美國dallas半導(dǎo)體公司繼ds182之后推出的一種改進型智能溫度傳感器，測溫范圍是55125。 最高分辨率可達0.0625°c。這個傳感器可以直接讀出被測溫度值，而且采用三線制與單片機相連，減少了外部的硬件電路，具有成本低和易使用的特點。因此本設(shè)計的溫度傳感器選用了ds18b20。2.3.5執(zhí)行機構(gòu)在系統(tǒng)中，控制對象為冷水管和熱水管的進水量，為了準確的控制進水量，使用步進電機，這種電機是一步一步轉(zhuǎn)動的，不同型號的步進電機的步進角不同，但它們都能精確定位

19、。2.3.6 系統(tǒng)的硬件框圖通過對系統(tǒng)進行選型，確定電源模塊主要是+5v和+36v的兩個電源，溫度采集模塊是ds18b20，鍵盤輸入是4*4矩陣鍵盤，溫度顯示是數(shù)碼管，執(zhí)行單元是步進電機。系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示：圖3 系統(tǒng)硬件框圖第三章 硬件電路的設(shè)計與實現(xiàn)3.1單片機3.3.1 80c51簡介80c51的引腳圖如圖4所示圖4 80c51引腳圖現(xiàn)就各個引腳功能簡要介紹如下：(1)電源引腳：(40):接+5v電源； （20）：接地。(2)i/o總線：p0.0p0.7（p0口）：8位漏極開路型雙向并行i/o口；p1.0p1.7（p1口）：具有內(nèi)部上拉電阻的8位準雙向i/o口；p2.0p2.7（p2

20、口）：8位具有內(nèi)部上拉電阻的準雙向i/o口；p3.0p3.7（p3口）：8位具有內(nèi)部上拉電阻的準雙向i/o口，每一位又具有特殊功能。具體功能見表1。表1 p3口各位的第二功能p3口管腳第二功能p3.0rxd（串行輸入端）p3.1txd（串行輸出端）p3.2int0（外部中斷0輸入端，低電平有效）p3.3int1（外部中斷1輸入端，低電平有效）p3.4t0（定時器/計數(shù)器0外部事件計數(shù)輸入端）p3.5t1（定時器/計數(shù)器1外部事件計數(shù)輸入端）p3.6wr（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號，低電平有效）p3.7rd（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號，低電平有效） (3)時鐘：xtal1（19）：片內(nèi)振蕩器反相放大

21、器的輸入端。xtal2（18）：片內(nèi)振蕩器反相器的輸出端，也是內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。(4)控制總線：rst/vpd（9）：復(fù)位輸入信號，當該引腳上出現(xiàn)2個機器周期以上的高電平時，可實現(xiàn)復(fù)位操作。當引腳為掉電保護后備電源之輸入引腳。ale/（30）：地址鎖存允許/編程信號線。當cpu訪問外部存儲器時，ale用來鎖存p0輸出的地址信號的低8位。它的頻率為振蕩器頻率的1/6。（29）：外接程序存儲器讀選通信號。/（31）：訪問內(nèi)部程序存儲器的控制信號。當=1時，cpu從片內(nèi)rom讀取指令；=0時，cpu從片外rom讀取指令。 (4)復(fù)位電路和晶振電路：為了保證單片機正常工作，必須給單片機系統(tǒng)接上復(fù)

22、位電路和晶振電路。復(fù)位電路復(fù)位電路是當系統(tǒng)需要重新啟動時，使程序從頭開始執(zhí)行。復(fù)位電路接在80c51單片機的9號引腳（rst/vpd），具體接線如圖5所示：圖5 復(fù)位電路晶振電路晶振電路是給系統(tǒng)提供時鐘頻率，晶振頻率越高，系統(tǒng)的運行速度越快。單片機的晶振輸入端可以有兩種輸入方式：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。內(nèi)部時鐘方式如圖6所示。外部時鐘方式用得很少，當要使用時，將xtal1接地，xtal2接外部振蕩器就行。這種接法對外部振蕩信號無特殊要求，人們一般采用頻率低于12mhz的方波信號。在本系統(tǒng)中使用的晶振頻率為12mhz，這對于處理的數(shù)據(jù)不是太多的系統(tǒng)來講，已經(jīng)夠用了。電容為兩個30pf瓷片電容

23、。圖6 晶振電路3.1.2 80c51內(nèi)部結(jié)構(gòu)該單片機是在一塊芯片中集成了cpu、ram、rom、定時器/計數(shù)器和多功能i/o口等一臺計算機所需要的基本功能部件。其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示，包括：圖7 80c51 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖一個8位cpu；4kb rom或eprom；128字節(jié)ram數(shù)據(jù)存儲器；21個特殊功能寄存器sfr；4個8位并行i/o口，其中p0、p2為地址/數(shù)據(jù)線，可尋址64kb rom和64kb ram；一個可編程全雙工串行口；具有5個中斷源，兩個優(yōu)先級，嵌套中斷結(jié)構(gòu)；兩個16位定時器/計數(shù)器；一個片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。i/o口介紹：p0、p1、p2、p3p0口（p0.0 - p0.7

24、）是一個8位漏極開路型雙向i/o口，在訪問外部存儲器時，它是分時傳送的低字節(jié)地址和數(shù)據(jù)總線，p0口能以吸收電流的方式驅(qū)動八個lsttl負載。p1口（p1.0 - p1.7）是一個帶有內(nèi)部提升電阻的8位準雙向i/o口，能驅(qū)動(吸收或輸出電流)四個lsttl負載。p2口（p2.0 - p2.7）是一個帶有內(nèi)部提升電阻的8位準雙向i/o口，在訪問外部存儲器時，它輸出高8位地址。p2口可以驅(qū)動(吸收或輸出電流)四個lsttl負載。p3口（p3.0 - p3.7）是一個帶有內(nèi)部提升電阻的8位準雙向i/o口，能驅(qū)動(吸收或輸出電流)四個lsttl負載3。3.2鍵盤輸入模塊3.2.1鍵盤接線和按鍵功能分配根

25、據(jù)前一章的分析可知，采用4×4的矩陣式鍵盤是最有效的。不但節(jié)省單片機的i/o口資源，而且價格便宜，操作簡單，實用美觀，其具體接線如圖8所示。圖8 按鍵連線圖根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，我們將鍵盤分配為數(shù)字鍵（0、1、2、3、4、5、6、7、8、9）、功能鍵（開始、關(guān)閉）和待定鍵四個。數(shù)字鍵用于輸入設(shè)定的淋浴溫度，功能鍵用于系統(tǒng)的輸入設(shè)定溫度后的確認和關(guān)閉。3.2.2鍵盤的掃描原理 識別按鍵的方法很多，其中，最常見的方法是掃描法。行掃描法 行掃描法又稱為逐行（或列）掃描查詢法，是一種最常用的按鍵識別方法，介紹過程如下。1、判斷鍵盤中有無鍵按下將全部行線置低電平，然后檢測列線的狀態(tài)。只要有一列的

26、電平為低，則表示鍵盤中有鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與4根行線相交叉的4個按鍵之中。若所有列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。2、判斷閉合鍵所在的位置 在確認有鍵按下后，即可進入確定具體閉合鍵的過程。其方法是：依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時，其它線為高電平。在確定某根行線位置為低電平后，再逐行檢測各列線的電平狀態(tài)。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵。3.2.3 鍵盤的工作方式在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤掃描只是cpu的工作內(nèi)容之一。cpu對鍵盤的響應(yīng)取決于鍵盤的工作方式，鍵盤的工作方式應(yīng)根據(jù)實際應(yīng)用系統(tǒng)中cpu的工作狀況而定，其選取的原則是既要保證

27、cpu能及時響應(yīng)按鍵操作，又不要過多占用cpu的工作時間。通常，鍵盤的工作方式有三種，即編程掃描、定時掃描和中斷掃描。1）編程掃描方式編程掃描方式是利用cpu完成其它工作的空余調(diào)用鍵盤掃描子程序來響應(yīng)鍵盤輸入的要求。在執(zhí)行鍵功能程序時，cpu不再響應(yīng)鍵輸入要求，直到cpu重新掃描鍵盤為止。鍵盤掃描程序一般應(yīng)包括以下內(nèi)容： （1）判別有無鍵按下。 （2）鍵盤掃描取得閉合鍵的行、列值。 （3）用計算法或查表法得到鍵值。 （4）判斷閉合鍵是否釋放，如沒釋放則繼續(xù)等待。 （5）將閉合鍵鍵號保存，同時轉(zhuǎn)去執(zhí)行該閉合鍵的功能。2）定時掃描方式:定時掃描方式就是每隔一段時間對鍵盤掃描一次，它利用單片機內(nèi)部的

28、定時器產(chǎn)生一定時間（例如10ms）的定時，當定時時間到就產(chǎn)生定時器溢出中斷，cpu響應(yīng)中斷后對鍵盤進行掃描，并在有鍵按下時識別出該鍵，再執(zhí)行該鍵的功能程序。3）中斷掃描方式采用上述兩種鍵盤掃描方式時，無論是否按鍵，cpu都要定時掃描鍵盤，而單片機應(yīng)用系統(tǒng)工作時，并非經(jīng)常需要鍵盤輸入，因此，cpu經(jīng)常處于空掃描狀態(tài)，為提高cpu工作效率，可采用中斷掃描工作方式。其工作過程如下：當無鍵按下時，cpu處理自己的工作，當有鍵按下時，產(chǎn)生中斷請求，cpu轉(zhuǎn)去執(zhí)行鍵盤掃描子程序，并識別鍵號。3.3溫度顯示模塊 顯示模塊要完成設(shè)定溫度和溫水溫度的顯示，并且溫水的溫度要實時顯示出來。為此我們選擇動態(tài)顯示模式，

29、led選擇共陽的7段數(shù)碼管，并且使用單片機的串口p3.0（rxd）和p3.1（txd）進行顯示?；谶@種顯示方式，我們需要選擇串行數(shù)據(jù)輸入、并行數(shù)據(jù)輸出的驅(qū)動芯片74ls164來驅(qū)動led。3.3.1 led顯示原理 led顯示器由7條發(fā)光二極管組成顯示字段，有的還帶有一個小數(shù)點dp。將7段發(fā)光二極管陰極連在一起，稱為共陰接法，當某個字段的陽極為高電平時，對應(yīng)的字段就點亮，如圖9所示。點亮led顯示器有兩種方法：靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是顯示某一字符時，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定的導(dǎo)通或截止，這種方式，每一顯示位都需要一個8位的輸出口控制，占用的硬件資源較多，一般僅用于顯示位數(shù)校少的場合

30、。所謂動態(tài)顯示，就是一位一位地輪流點亮各位顯示器。對每一位顯示器而言，每隔一段時間點亮一次。顯示位的亮度跟導(dǎo)通電流有關(guān)，也和點亮?xí)r間與間隔時間的比例有關(guān)。為了顯示字符，要給led顯示器提供顯示段碼（或字型代碼），段碼位對應(yīng)關(guān)系如下：表2 段碼位對應(yīng)表段碼位d7d6d5d4d3d2d1d0顯示位dpgfedcba下表為十六進制數(shù)、h、p、u和-的顯示段碼：表3 段碼顯示對應(yīng)表字型共陽極段碼共陰極段碼字型共陽極段碼共陰極段碼0c03fa88771f906b837c2a45bcc6393b04fda15e49966e86795926df8e716827dh89767f807p8c738807fuc1

31、3e9906f-bf403.3.2 串行顯示電路和74ls164簡介串行顯示電路由4個共陽的7段數(shù)碼管和4片74ls164芯片組成。其工作原理基本情況如下：單片機的p3.1引腳不斷地發(fā)出時鐘脈沖，存在數(shù)據(jù)緩沖區(qū)sbuf里的數(shù)據(jù)從p3.0口一位一位的移出，只要來一個脈沖，就輸出一位數(shù)據(jù)，并且對于單片機，串行移位輸出的方式是從低位開始，即先移出低位數(shù)據(jù)d0，最后移出高位數(shù)據(jù)d7。為了實時顯示設(shè)定溫度和溫水溫度，使用1s顯示一次數(shù)據(jù)的方式。共陽數(shù)碼管串行顯示電路如圖9所示。圖9 共陽管串行顯示74ls164介紹：74ls164為8位數(shù)據(jù)串行輸入、并行輸出移位寄存器，采用dip14引腳封裝。其引腳圖如

32、圖10所示，功能表如表4所示。引腳a、b接在一起作為數(shù)據(jù)輸入端，移位脈沖接8號引腳clock，到分別接數(shù)碼管的a到dp。當需要顯示多位數(shù)據(jù)時，將下一位的數(shù)據(jù)輸入端接上一個芯片的。表4 74ls164 對應(yīng)表輸入輸出清除時鐘a b lxx xl l lhlx x hh hh hl xl hx ll 圖10 74ls164引腳圖3.4溫度采集模塊在設(shè)計中，有三處的溫度需要進行快速采集：冷水進水管處、熱水進水管處和溫水出水管處。日常生活中人們淋浴的溫度大約為20到50，在設(shè)計系統(tǒng)時，設(shè)計溫度范圍為0到99。經(jīng)過前一章分析，這個模塊中要使用ds18b20進行溫度采集，交給單片機處理。具體模擬如圖11。

33、圖11 ds18b20仿真連接圖3.5執(zhí)行機構(gòu)模塊3.5.1步進電機簡介步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機就轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變得非常的簡單。但它的控制電路必須由雙環(huán)形脈沖信號和功率驅(qū)動電路組成。步進電機可分為三種類型：（1）反應(yīng)式步進電機（vr）反應(yīng)式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為1.5°，但噪聲和振動都很大，目

34、前這種電機已被淘汰；（2）永磁式步進電機（pm）永磁式步進電機一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進角有7.5°、15°和30°；（3）混合式步進電機（hb）混合式步進電機兼具了永磁式和反應(yīng)式兩種電機的優(yōu)點。它可以分為兩相和五相兩種，兩相的步進角一般為1.8°，而五相的步進角一般為0.72°。五相步進電機控制角較佳、加減速時間較短、動態(tài)慣性較低。它廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域中，我們也選擇二相的混合式步進電機作為執(zhí)行機構(gòu)。同時，選擇應(yīng)用廣泛的步進電機驅(qū)動芯片l297和l298來驅(qū)動步進電機。3.5.2步進電機動態(tài)指標及術(shù)語步距角精度：步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的

35、實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應(yīng)在5%之內(nèi)，八拍運行時應(yīng)在15%以內(nèi)。失步：電機運轉(zhuǎn)時運轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。失調(diào)角：轉(zhuǎn)子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉(zhuǎn)必存在失調(diào)角，由失調(diào)角產(chǎn)生的誤差，采用細分驅(qū)動是不能解決的。最大空載起動頻率：電機在某種驅(qū)動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。最大空載的運行頻率：電機在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉(zhuǎn)速頻率。運行矩頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關(guān)系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要

36、的，也是電機選擇的根本依據(jù)。3.5.3 步進電機在控制上的特點1.步進電機的輸出角與輸入的脈沖個數(shù)嚴格成正比，故控制輸入步進電機的脈沖個數(shù)就能控制位移量；2.步進電機的轉(zhuǎn)速與輸入的脈沖頻率成正比，只要控制脈沖頻率就能調(diào)節(jié)步進電機的轉(zhuǎn)速；3.步進電機有保持力矩，當停止輸入脈沖時，只要維持繞組內(nèi)電流不變，電動機軸可以保持在某固定位置上，不需要機械制動裝置；4.改變通電相序即可改變電動機轉(zhuǎn)向；5.步進電機相鄰齒之間存在誤差，但是不會產(chǎn)生累計誤差；6.步進電機轉(zhuǎn)動慣量較小，使得它能夠較快的起動和停止；7.步進電機的確定是效率較低，帶負載能力較差，調(diào)速范圍較小。3.5.4步進電機細分驅(qū)動器原理步進電機控

37、制中已蘊含了細分的機理。如三相步進電機按abc的順序輪流通電，步進電機為整步工作。而按aacccbbbaa的順序通電，則步進電機為半步工作。以ab為例，若將各相電流看作是向量，則從整步到半步的變換，就是在與之間插入過渡向量，因為電流向量的合成方向決定了步進電機合成磁勢的方向，而合成磁勢的轉(zhuǎn)動角度本身就是步進電機的步進角度。顯然，的插入改變了合成磁勢的轉(zhuǎn)動大小，使得步進電機的步進角度由變?yōu)?.5 ，從而也就實現(xiàn)了2步細分。由此可見，步進電機的細分原理就是通過等角度有規(guī)律的插入電流合成向量，從而減小合成磁勢轉(zhuǎn)動角度，達到步進電機細分控制的目的。在三相步進電機的a相與b相之間插入合成向量ab，則實現(xiàn)

38、了2步細分。要再實現(xiàn)4步細分，只需在a與ab之間插入3個向量，使得合成磁勢的轉(zhuǎn)動角度，就實現(xiàn)了4步細分。但4步細分與2步細分是不同的，由于 3個向量的插入是對電流向量的分解，故控制脈沖已變成了階梯波。細分程度越高，階梯波越復(fù)雜4。3.5.4 l297和l298簡介l298為步進電機的驅(qū)動芯片，對于混合式二相四線的步進電機，用l298來驅(qū)動是行得通的。l298的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖12所示。圖12 l298內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖l297作為l298的輔助芯片，共同構(gòu)成二相或四相步進電機的驅(qū)動電路。對電機進行控制時，只需要控制l297的cw/ 和兩個端口，前者為正反轉(zhuǎn)控制，后者為步進脈沖頻率，改變頻率可以改變電機的

39、速度；改變占空比可以改變電機的加速度。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖13所示:圖13 l297內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.5.5 l297和l298構(gòu)成的驅(qū)動電路單片機的p3.3和p3.5控制第一臺步進電機，p3.2和p3.7控制第二臺步進電機。p3.2、p3.3接cw/ ，p3.5、p3.7接。其具體接線圖如圖14所示。圖14 l297和l298構(gòu)成的驅(qū)動電路第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計與仿真4.1 軟件開發(fā)與仿真調(diào)試環(huán)境和開發(fā)語言介紹對于單片機系統(tǒng)的開發(fā)最早是處于匯編級的開發(fā)階段，雖然單片機和普通計算機的指令系統(tǒng)非常相似，但擁有自己的特殊的指令。在單片機的開發(fā)中逐漸引入了高級語言，c語言就是其中一種，對于習(xí)慣匯編語言的人來說

40、，高級語言的可控性不好。但是匯編語言可讀性以及可維護性不強，特別是當沒有進行很好標注時，往往自己寫過的程序，在自己以后看時，也是看不懂啊！而且再次寫程序時還要對每個模塊進行編寫，沒有很好的可重用性。而使用c語言進行單片機系統(tǒng)的開發(fā)，就能很好的解決這些問題。c語言具有良好的模塊化，容易閱讀和維護的優(yōu)點5。對于模塊化而言，我們很容易把c語言的程序進行移植，功能化的代碼很容易從一個工程移植到另一個工程，從而減少了系統(tǒng)開發(fā)員開發(fā)系統(tǒng)的時間。而且，使用c語言編寫的程序更符合人們的思考習(xí)慣，更容易閱讀。c語言編程還有一個特點是使程序員盡量減少對硬件的操作。   keilc51

41、是美國keil software公司出品的51系列兼容單片機c語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。keilc51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全windows界面。另外重要的一點，通過查看編譯后生成的匯編代碼，我們就能體會到keilc51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。當前較好的c語言編譯系統(tǒng)的編譯效率已經(jīng)基本達到中高級程序開發(fā)人員的水平，尤其是用于開發(fā)較為復(fù)雜的單片機應(yīng)用系統(tǒng)時更具優(yōu)勢6。proteus是英國labcenter electronics公司研發(fā)的eda工具軟件。proteus不僅是模擬電路、數(shù)字電路、

42、模/數(shù)混合電路的設(shè)計與仿真平臺，更是目前世界上最先進、最完整的多種型號微控制器系統(tǒng)的設(shè)計與仿真平臺。它真正實現(xiàn)了在計算機上完成了從原理圖設(shè)計、電路分析與仿真、單片機代碼級調(diào)試與仿真、系統(tǒng)測試與功能驗證到形成pcb的完整的電子設(shè)計、研發(fā)過程7。此軟件與 keilc51結(jié)合使用是設(shè)計更加簡單方便，因此選用proteus本次畢業(yè)設(shè)計的仿真軟件。4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計思想根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容，對系統(tǒng)的功能要求做出如下結(jié)論：1.從鍵盤輸入設(shè)定的溫度值并顯示。2.通過溫度傳感器檢測到三個水管的溫度，并顯示出口溫水溫度。3.通過單片機，比較設(shè)定的溫度和出口溫水溫度是否一致，不一致就控制步進電機調(diào)節(jié)冷

43、熱水的進水量。對此要求進行系統(tǒng)的總體設(shè)計：當系統(tǒng)啟動時，對系統(tǒng)進行初始化，然后設(shè)定所需的溫度并通過數(shù)碼管顯示出來，然后對系統(tǒng)的出口水溫進行檢測并顯示出來，把設(shè)定溫度和出口檢測溫度的數(shù)據(jù)送到單片機處理單元進行處理，對溫差進行判斷，根據(jù)溫差的情況進行調(diào)整系統(tǒng)的運行情況，看看是否要對混水閥門進行調(diào)整。依次思想進行循環(huán)。直至檢測到系統(tǒng)停止信號，推出程序?？傮w系統(tǒng)流程圖如圖15：圖15 系統(tǒng)總體流程圖4.3 子程序描述及其流程圖根據(jù)要完成的功能，其系統(tǒng)子程序包括：溫度讀取子程序、按鍵掃描子程序、步進電機驅(qū)動控制子程序（升、降溫控制）、溫差判斷子程序以及單片機的頭文件定義。其總系統(tǒng)程序見附錄1。4.3.1

44、 溫度讀取子程序設(shè)計中需要采用3個ds18b20溫度傳感器進行溫度的檢測，并傳送到單片機進行數(shù)據(jù)的處理。程序見附錄3。讀取ds18b20流程圖如圖16：圖16 讀取ds18b20 流程圖4.3.2 鍵盤掃描子程序本程序主要是為了獲取設(shè)定所需要的溫度，以及啟動和復(fù)位程序的按鍵。對按鍵進行掃描。其流程分為按鍵掃描和判定程序。程序見附錄3。按鍵掃描程序其流程圖如圖17：判斷是否有鍵按下延時并消抖判斷按鍵位置再次判斷是否有鍵按下nnyy開始返回圖17 鍵盤掃描流程圖4.3.3 步進電機升降溫控制子程序升溫控制子程序：該程序用于當設(shè)定溫度高于出水口水溫溫度時，要想達到希望的溫度必需增加熱水的進水量（或者

45、減少冷水的進水量），通過調(diào)節(jié)熱水閥的步進電機來增大熱水或者通過調(diào)節(jié)冷水閥的步進電機來減少冷水進水量來提高出水口水溫。降溫控制子程序：該程序用于當設(shè)定溫度低于出水口水溫溫度時，要想帶到希望的溫度必需減少熱水的進水量（或者增大冷水的進水量），通過調(diào)節(jié)熱水閥的步進電機來減少熱水或者冷水閥的步進電機來增加冷水進水量來降低出水口水溫。 步進電機正轉(zhuǎn)表示減少進水量，反轉(zhuǎn)表示增加進水量。其流程圖如圖18所示：冷水步進電機是否反轉(zhuǎn)熱水步進電機是否正轉(zhuǎn)冷水步進電機轉(zhuǎn)動給定量熱水步進電機轉(zhuǎn)動給定量nnnyy升溫控制子程序降溫控制子程序開始開始退出程序熱水步進電機是否反轉(zhuǎn)冷水步進電機是否正轉(zhuǎn)熱水步進電機轉(zhuǎn)動給定量冷

46、水步進電機轉(zhuǎn)動給定量nyy退出程序圖18 步進電機控制流程圖4.4.4 系統(tǒng)總體仿真圖通過對系統(tǒng)各個模塊的選型設(shè)計，在proteus中進行仿真設(shè)計，電路如圖19：圖19 系統(tǒng)總體仿真圖總 結(jié)從本次畢業(yè)設(shè)計了解：一個實際的單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計涉及很多復(fù)雜的內(nèi)容和問題。在進行單片機應(yīng)用系統(tǒng)時應(yīng)從硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分綜合考慮。在進行系統(tǒng)設(shè)計之前，首先應(yīng)該根據(jù)對系統(tǒng)的功能要求及應(yīng)用環(huán)境等確定合理、具體的功能和技術(shù)指標，對應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性、通用性、先進性、可維護性以及成本等進行綜合考慮，以盡量合理并符合單片機性能及開發(fā)工具等因素選擇合適的機型。這次設(shè)計的智能型混水閥控制器具有一定的實際應(yīng)用價值，能夠較

47、好地滿足使用者的需要，并能夠?qū)崿F(xiàn)有效節(jié)水。其不足之處是不能夠?qū)崿F(xiàn)對混水閥出水口溫水壓力及流量的控制，為真正促進智能型浴室混水閥的應(yīng)用，需要采用新器件以實現(xiàn)電路更加緊湊，改進混水閥的機械結(jié)構(gòu)、設(shè)計等方面采取一定的技術(shù)措施，同時增加對混水閥出水口溫水管道的壓力以及淋浴水流方式的自動選擇，是值得探討的問題。在歷經(jīng)半年的畢業(yè)設(shè)計中，我學(xué)會了如何有效地查閱文獻，收集資料，如何更快速地讀懂器件手冊，更進一步鍛煉了分析問題、解決問題的能力。另外，這半年的設(shè)計過程其實也是對我四年所學(xué)知識的一次大檢閱，使我認識到我四年里學(xué)到了什么，還有哪些方面的能力有待提高等等。我堅信通過這半年的學(xué)習(xí)會對我今后的工作和學(xué)習(xí)打下

48、堅實的基礎(chǔ)。參考文獻1 李雙喜. 智能型浴室混水閥控制器的設(shè)計j，微型機與應(yīng)用，2005，no.4：17-19.2 祁偉，鄭巍，莊志惠.單片微型計算機原理與接口技術(shù)教程m，北京，北京航空航天大學(xué)出版社，2007，14-36.3 賴麒文.8051單片機嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用m，科學(xué)出版社，2002，47-88.4 張金波.三相反應(yīng)式步進電機驅(qū)動器的設(shè)計j，自動化技術(shù)與應(yīng)用，2002，136-178.5 賴麟文.8051單片機c語言徹底應(yīng)用m，科學(xué)出版社，2002，233-247.6 張靖武.單片機系統(tǒng)的proteus設(shè)計與仿真m，電子工業(yè)出版社，2007，67-88.7 楊振江.智能儀器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中

49、的新器件及應(yīng)用m，西安，西安電子科技大學(xué)出版社，2001，167-199.8 劉映群，張麗娜，周潤景.proteus入門實用教程m，機械工業(yè)出版社，2007，267-332.9 唐光榮.微機應(yīng)用技術(shù)(數(shù)據(jù)采集與控制技術(shù))m.北京，清華大學(xué)出版社，2000，112-134.10 黃繼昌.傳感器工作原理及應(yīng)用實例m，人民郵電出版社，1998，167-189.11 趙亮，候國銳.單片機c語言編程與實例m，人民郵電出版社，2003，40-47.12 倪志蓮，張怡典.單片機應(yīng)用技術(shù)，北京，北京理工大學(xué)出版社m，2007，272-292.13 周潤景，張麗娜.基于proteus的電路及單片機系統(tǒng)設(shè)計與仿真

50、m，北京，北京航空航天大學(xué)出版社，2006，321-339.附 錄附錄1#include<generaldef.h>#include<ds18b20.h>void main()int i,j=0,k=0;displaytempture();readtempture();displaytempture();inputtemp();cw1=1;cw2=1;while(1)if(tempture2>input+3)if(tempture2<tempture1)coolrun();j+;elsehotrun();k+;else if(tempture2<inp

51、ut-3)if(tempture2<tempture1)hotrun();k+;elsecoolrun();j+;else; readtempture();displaytempture();i=keyscan();if(i=15)poweroff();for(i=0;i<=j;i+)cw2=0;coolrun();for(i=0;i<=k;i+)cw1=0;hotrun();while(1);附錄2reg52.h（系統(tǒng)端口各個位定義）#ifndef _reg52_h_#define _reg52_h_sfr p0 = 0x80;sfr p1 = 0x90;sfr p2 =

52、0xa0;sfr p3 = 0xb0;sfr psw = 0xd0;sfr acc = 0xe0;sfr b = 0xf0;sfr sp = 0x81;sfr dpl = 0x82;sfr dph = 0x83;sfr pcon = 0x87;sfr tcon = 0x88;sfr tmod = 0x89;sfr tl0 = 0x8a;sfr tl1 = 0x8b;sfr th0 = 0x8c;sfr th1 = 0x8d;sfr ie = 0xa8;sfr ip = 0xb8;sfr scon = 0x98;sfr sbuf = 0x99;sfr t2con = 0xc8;sfr rcap2l = 0xca;sfr rcap2h = 0xcb;sfr tl2 = 0xcc;sfr th2 = 0xcd;sbit cy = psw7;sbit ac = psw6;sbit f0 = psw5;sbit rs1 = psw4;sbit rs0 = psw3;sbit ov = psw2;sbit p = psw0; /8052 onlysbit tf1 = tcon7;sbit tr1 = tcon6;sbit tf0 = tcon5;sbit tr0 =