飲水機控制系統(tǒng)的設計畢業(yè)論文

1、鄭州大學本科畢業(yè)論文（設計）題目名稱 飲水機控制系統(tǒng)的設計 指導教師 職稱 講師 學生姓名 學號 專 業(yè) 通信工程 班級 2班 院（系） 電子信息工程學院 完成時間 2012年4月25日 飲水機溫控系統(tǒng)摘 要 論文采用高性價比的AT89C2051單片機作為核心控制芯片，外圍部件由防水數(shù)字溫度傳感器DS18B20，鍵盤電路，水位探測器，LED顯示電路，加熱控制器組成。實現(xiàn)了：(1)能檢測飲水機加熱體中的水量和水溫并能LED數(shù)碼管顯示水溫。 水量低于設定值時禁止加熱;(2)防止干燒。 設定兩種加熱模式;(3)溫水鍵可以把水加熱到60度，開水鍵可以把水加熱到100度并實時顯示水溫。管顯示水溫。水量低

2、于設定值時禁止加熱;(4)系統(tǒng)自動比較水溫和系統(tǒng)設定溫度，當水溫低于設定溫度10度時，加熱器開始加熱，當水溫達到設定溫度時，加熱器停止工作。 飲水機設置溫水鍵、開水鍵對水溫進行控制。接通電源后，系統(tǒng)檢測飲水機加熱體中的水量及水溫，并將水溫清晰地顯示在LED數(shù)碼顯示器上。為防低于系統(tǒng)設置，系統(tǒng)處于待機狀態(tài)，此時溫水鍵和開水鍵無效，待用戶加足水后按鍵功能有效。 本設計中的數(shù)字溫度傳感器采用DS18B20。鍵盤電路由溫水鍵、開水鍵2個獨立式按鈕組成。顯示電路由4位七段碼LED顯示器組成。水深探測器為一根金屬棒。加熱控制器為MOTOROLA公司生產的單片集成光電耦合可控硅驅動器件 MOC3041。關鍵

3、字 溫度/控制/單片機/傳感器DESIGN OF TEMPERATURE CONTROLSYSTEM OF DRINKING MACHINEABSTRACT In this thesis, cost-effective AT89C2051 MCU as a core control chip, the external parts of the waterproof digital temperature sensor DS18B20, keyboard circuit, water level detector, LED show circuit, the heating controlle

4、r. Achieved: 1. Can detect water fountains and water temperature and water temperature can be used LED digital display. 2. The prohibition of water below the set value of heating, to prevent dry. 3. To set two heating mode, warm water key to the water heated to 60 degrees, water key to the water hea

5、ted to 100 degrees and display the water temperature. 4. Comparison of water temperature and the system automatically set the temperature, when the water temperature 10 degrees below the set temperature, the heater began to heat, when water temperature reaches the set temperature, the heater stopped

6、 working. There are two buttons on drinking water temperature control. When powered on,temperature clearly displayed on the LED digital display. To prevent dry damagedheater, heating system uses water level detector to monitor the water level in the body,if the water is lower than the setting, the s

7、ystem is in standby mode, the cursor keysand warm water key is invalid, when the user to add a little water to key functioneffectively. In this design's digit temperature sensor is DS18B20. Key keyboard circuitconsists of warm water, water stand-button key component 2. Display circuit consistsof

8、 four seven segment LED display composition. During the heating controller is themonolithic integrated electro-optic coupling silicon-controlled rectifier whichMOTOROLA Corporation produces actuates MOC3041.KEY WORDS temperature,control,SCM,sensor目 錄中文摘要.英文摘要.1 引言11.1 課題的目的及意義11.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀及研究概況11.3 設

9、計的主要技術指標與參數(shù)21.4 設計的主要內容22 設計要求的分析和方案的確定32.1 設計要求分析32.2 方案的確定43 總體電路的設計53.1 電路組成及工作原理53.1.1 電路的組成53.1.2 電路系統(tǒng)框圖63.2 單元電路的設計與元件選擇73.2.1 主控制單元的設計73.2.2 溫度傳感系統(tǒng)的設計103.2.3 加熱控制系統(tǒng)的設計133.2.4 水位探測系統(tǒng)的設計153.2.5 顯示電路及鍵盤電路的設計173.3 整體電路圖234 系統(tǒng)軟件設計244.1 系統(tǒng)主程序設計244.2 按鍵處理子程序254.3 溫度檢測子程序27結論28致謝29參考文獻.30附錄31IV1引言1.1

10、 課題的目的及意義 隨著計算機技術的發(fā)展，單片機技術已成為計算機技術中的一個獨特的分支，單片機的應用領域也越來越廣泛，特別是在工業(yè)控制和儀器儀表智能化中扮演著極其重要的角色。過去經常采用模擬電路、數(shù)字電路實現(xiàn)的電路系統(tǒng)，現(xiàn)在相當大一部分可以用單片機予以實現(xiàn)，傳統(tǒng)的電路設計方法已演變成為軟件和硬件相結合的設計方法。在實際應用中，單片機經常要與各種傳感器相結合組成一定的應用系統(tǒng)，以實現(xiàn)系統(tǒng)的自動檢測與控制。 單片機在電子產品中的應用已經越來越廣泛，在很多電子產品中也用到了溫度檢測和溫度控制。目前廣泛使用的飲水機，具有價格低廉，制造簡便等優(yōu)點。但是隨著用戶長時間使用，這些飲水機功能單一、能耗較大、長

11、時間飲用飲水機的水對健康不利等缺點逐漸暴露出來。 傳統(tǒng)的飲水機的局限性一般體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，功能相對簡單。只有簡單的溫度控制，而且用戶還不能根據(jù)自己的喜好設定溫控參數(shù)。第二，能耗較大。在沒有人使用的時候飲水機也處在開機狀態(tài)無疑會造成能源的大量浪費，在能源緊缺的今天這個方面亟待解決。第三，長期飲用飲水機里的水會對健康不利。由于廣泛使用的飲水機燒水不能完全沸騰，長期飲用這種水會對身體造成較大的傷害。 此次設計是基于單片機的溫度控制系統(tǒng)。整個設計過程將使我鞏固所學的本專業(yè)基礎理論、專業(yè)知識和基本技能，增強綜合運用所學知識與技術獨立分析問題解決問題的能力；對飲水機的工作原理、元器件選擇及電子儀

12、器的常用設計方法等有比較深入的了解；進而掌握應用計算機進行電子線路設計的基本思想和方法。 本設計完全面向實際的思想可以使我全面的了解電子設計的基本過程和基本工藝，并且對成本的考慮也使得此次設計變的更加有意義。1.2 國內外發(fā)展現(xiàn)狀及研究概況 當今社會，隨著科技的進步，電子技術得到了飛速的發(fā)展與應用，數(shù)字系統(tǒng)的設計也有了很大的進步，如今運行速度快、在功能更加強大的基礎上更加便于使用攜帶也成了發(fā)展的方向。60 年代以來，在半導體器件和計算機技術發(fā)展的基礎上，智能控制變的越來越簡單，70年代單片機產生使世界進入高智能，高效，以及高可靠性的電子時代。 單片機是采用超大規(guī)模集成電路技術把具有數(shù)據(jù)處理能力

13、的中央處理器CPU 隨機存儲器 RAM、只讀存儲器 ROM、多種 I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能（可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路）集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。單片機是隨著超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展而誕生的。隨著技術的發(fā)展，單片機片內集成的功能越來越強大，并朝著SoC（片上系統(tǒng)）方向發(fā)展。單片機有著體積小、功耗低、功能強、性能價格比高、易于推廣應用等顯著優(yōu)點，所以廣泛應用于電子儀表、家用電器、節(jié)能裝置、機器人、工業(yè)控制等諸多領域，使產品小型化、 智能化，既提高了產品的功能和質量，又降低了成本，簡化了設計。把單片機應用于溫度控

14、制中，采用單片機做主控單元，無觸點控制，可完成對溫度的采集和控制的要求。 現(xiàn)代單片機可靠性及應用水平越來越高，和互聯(lián)網連接已是一種明顯的走向。 所集成的部件越來越多；NS（美國國家半導體）公司的單片機已把語音、圖像部件也集成到單片機中，也就是說，單片機的意義只是在于單片集成電路，而不在于其功能了；如果從功能上講它可以講是萬用機。原因是其內部已集成上各種應用電路。 功耗越來越低和模擬電路結合越來越多。 現(xiàn)如今單片機的發(fā)展日新月異，各種新功能，新器件，新思想不斷涌現(xiàn)。在國內外依舊以做嵌入式控制內核為主，而本文也是采用這樣的一種智能控制思想來實現(xiàn)飲水機的智能控制的，從而實現(xiàn)飲水機溫度可控，節(jié)能，可視

15、化等設計指標。1.3 設計的主要技術指標與參數(shù)(1) 能檢測飲水機加熱體中的水量和水溫并能用LED數(shù)碼管實時顯示水溫。(2) 水量低于設定值時禁止加熱，防止干燒。(3) 設定兩種加熱模式，溫水鍵可以把水加熱到60度，開水鍵可以把水加熱到 100 度并實時顯示水溫。(4) 系統(tǒng)自動比較水溫和系統(tǒng)設定溫度，當水溫低于設定溫度10度時，加熱器開始加熱，當水溫達到設定溫度時，加熱器停止工作。1.4 設計的主要內容(1) 方案比較及論證，查閱相關資料，找到設計電路的基本思路。(2) 基本測量原理。(3) 工作原理、框圖及單元電路設計。(4) 系統(tǒng)實現(xiàn)，選擇元器件。(5) 繪電路原理圖，列元件明細表，整理

16、及分析有關數(shù)據(jù)。(6) 結論。2 設計要求的分析和方案的確定2.1 設計要求分析 在硬件設計上，家用飲水機溫控系統(tǒng)要求能檢測加熱體中的水溫并實時的顯示在LED顯示器上，這就要求在加熱體中設置溫度傳感器，并能用單片機將傳感器的數(shù)據(jù)傳送給LED顯示模塊，為防止干燒還需在加熱體中加入水位測量裝置，此裝置只需對加熱體中的水進行定性測量有無水即可，不需定量細致的測量水位因此可以采用較簡單的設計，這樣也可以減少設計成本。因為飲水機存在兩種加熱模式所以要設計至少存在兩個按鍵的鍵盤電路。 首先來分析設計要求的核心內容，按照設計要求來看，本次設計的飲水機以智能節(jié)能控制為核心內容，從而我們應該選擇一種既能滿足設計

17、要求又盡量能降低設計成本的一款單片機。我們可以結合實際設計中引腳的使用情況來選擇一款簡化版的單片機。 溫度傳感的選擇應該本著便于和在此之前所選的單片機相通信的原則，在這里我們也要盡量考慮成本的問題，模數(shù)轉換的問題也應該充分的考慮到，如果傳感器可以集成模數(shù)轉換器可以在較大的程度上降低設計成本，簡化設計過程。 顯示電路我們可以采用LED顯示器也可以采用LCD顯示器但是應該著重考慮用戶使用的方便性，綜合考慮各種利弊，以及設計的簡便性。在如今的各種顯示設計中LED顯示器無疑占有很高的比例，這種成熟的成品較多應當仔細分析比較。 水位探測裝置應該盡量考慮節(jié)省成本的問題因為此次的探測要求僅是定性的判斷加熱體

18、中水的有無，所以應該盡量采用簡潔的設計方案，降低和單片機的連接、編程等設計的工作量。 在軟件設計上，在系統(tǒng)主程序的基礎上應該再設計上按鍵處理子程序和溫度檢測子程序。其中主程序還要承擔檢測水位的任務。盡可能的將程序流程做的簡潔實用。2.2 方案的確定 經過以上對設計要求的分析我們可以基本確定下設計方案的雛形，即以單片機為核心，外圍圍繞溫度傳感器，水位探測器，加熱控制器，鍵盤電路和顯示電路等。通過軟件編程實現(xiàn)對各硬件的控制和通信，進而實現(xiàn)對加熱器的控制，實現(xiàn)設計要求。 在此我們可以選用AT89C2051單片機，此單片機是一種精簡型的51單片機。完全可以滿足設計要求并能節(jié)省設計成本。 我們選用數(shù)字溫

19、度傳感器DS18B20，首先此款傳感器自身具有模數(shù)轉換功能所以在使用的過程中不需考慮模數(shù)轉換的問題并且易于和單片機進行通信以及數(shù)據(jù)交換，再次，DS18B20 具有非常高的市場普及率，有各種各樣的封裝形式所以適合我們的選用。 在顯示電路上我們選用LED顯示器，LED雖然發(fā)光亮度較低但完全可以滿足用戶在夜間使用的要求，這一點是普通LCD顯示器所不能比擬的，所以在此我們選用LED顯示器。 水位探測裝置我們僅選用一根不銹鋼棒即可滿足設計要求。 另外我們還可以使用簡易的溫控系統(tǒng)，這也是現(xiàn)在絕大多數(shù)低端飲水機采用的溫度控制系統(tǒng)，它一般使用像“紐扣”大小的“溫度繼電器”，內部是由雙金屬片制成的溫度敏感“開關

20、”，溫度到達一定值時會斷開電路。元件一般裝在金屬“水膽”外壁上。 這種“溫度繼電器”成本低廉，易更換，但控制精度差，一般有上下23 度的誤差。另外飲水機一般都是有兩個溫度繼電器，一個是控制熱水溫度的，大概在90左右度，是自動斷電自動復位的，另一個是極限溫度控制器，大概在100左右度，斷電后是手動復位的，此溫度繼電器主要用來防止加熱體干燒。這種控制方式簡單，溫度傳感器經過譯碼器可直接與顯示器相連。但此方法智能控制水平較低不能體現(xiàn)出設計的核心思想，所以在這里我們一提而過，在具體設計中將采用我們的第一種設計方案。3 總體電路的設計3.1 電路組成及工作原理3.1.1 電路的組成 家用飲水機溫度控制系

21、統(tǒng)由傳感器，模數(shù)轉換器，水位探測器，LED顯示電路，鍵盤電路，加熱控制器等組成。 單片機：完成監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集過程、采集方式的控制。是整個系統(tǒng)的核心處理器，單片機首先把通過傳感器測到的現(xiàn)場溫度與預先設置的溫度進行比較，如果大于或小于預先設置值，就輸出信號去控制加熱器的工作，從而實現(xiàn) 溫度控制與此同時將溫度數(shù)據(jù)傳輸給LED顯示器，并對水位探測器的反饋信號進行處理從而實現(xiàn)防止干燒的發(fā)生。 溫度傳感器：溫度傳感器將加熱體中的溫度采集，經過模數(shù)轉換變換成數(shù)字數(shù)據(jù)供單片機使用，在設計過程中盡量采用集成模數(shù)轉換功能的傳感器，這樣一來可以極大的減少設計工作量，并且可靠性也將會有比較大的提高，這種傳感器在實際

22、生產中有這很廣泛的應用。 水位探測器：水位探測器主要是用來防止加熱體干燒，在設計過程中可以根據(jù)需求將其簡化成能定性測量水位是否足夠即可，在這里我們要盡量的簡化設計。 鍵盤電路：鍵盤電路用來設置加熱模式，與單片機通信，加熱模式控制信號傳送給單片機供其與溫度傳感器所提供的數(shù)據(jù)進行比較決定是否繼續(xù)或停止加熱。顯示電路：實時顯示加熱體內水溫，要求多位顯示，在滿足水溫顯示的條件下還要對加熱狀態(tài)等進行顯示。 加熱控制器：弱電低壓信號驅動強電220V電流對加熱體內水進行加熱控制，是整個設計的與加熱體相結合的重要模塊，設計方案要遵循安全可靠的要求。3.1.2 電路系統(tǒng)框圖圖3-1系統(tǒng)框圖 從系統(tǒng)框圖可以看的出

23、溫度傳感器信號，鍵盤電路信號，水深探測器信號均為飲水機溫控系統(tǒng)的輸入信號而顯示電路信號，加熱控制信號則為飲水機溫控系統(tǒng)的輸出信號。 系統(tǒng)框圖也充分的體現(xiàn)出了單片機作為整個系統(tǒng)的核心部件的這一理念。所有的外圍的設備圍繞單片機作為單片機的功能模塊與單片機進行信息交換和通信。核心部件單片機對所有的外圍設備數(shù)字溫度傳感器、鍵盤電路、水位探測器等器件反饋的信息在軟件的設定下進行綜合分析，發(fā)出指令信號控制加熱控制器和LED顯示器的工作狀態(tài)。 設計框圖作為整個設計方案的靈魂將自始至終的指導設計的全過程，在以后的設計中將完全按照框圖所列的模塊進行分模塊設計。這樣一來使整個設計簡化為六部分，各部分又可以單獨的進

24、行設計，這樣一來通過對各個模塊的多種方案進行分析比較確定最佳選擇并將其作為最終選擇，最后將各模塊的最佳方案進行組合得到我們的最終設計方案。3.2 單元電路的設計與元件選擇3.2.1 主控制單元的設計 主控制電路是以單片機為核心的控制電路。我們在這里選用AT89C2051單片機， AT89C2051是美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能CMOS 8位單片機，片內含2k bytes的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128bytes的隨機數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，

25、功能強大 AT89C2051單片機多使用于高性價比的應用場合。圖3-2AT89C2051管腳圖 由管腳圖我們也可以看出AT89C2051雖然是一個功能強大的單片機，但它只有20個引腳。15個雙向輸入/輸出（I/O）端口，其中P1是一個完整的8位雙向I/O 口，兩個外中斷口，兩個16位可編程定時計數(shù)器,兩個全雙向串行通信口，一個模擬比較放大器。相比于傳統(tǒng)的8051芯片AT89C2051減少了兩個對外端口（即 P0、P2 口），使它最大可能地減少了對外引腳，因而芯片尺寸也有所減少。其引腳介紹如下：(1) 主電源引腳（2 根）VCC(Pin20)：電源輸入，接5V電源。GND(Pin10)：接地線。

26、(2) 外接晶振引腳（2根）XTAL1(Pin5)：片內振蕩電路的輸入端。XTAL2(Pin4)：片內振蕩電路的輸出端。(3) 控制引腳（1根）RST/VPP(Pin1)：復位引腳，引腳上出現(xiàn)2個機器周期的高電平將使單片機復位。(4) 可編程輸入/輸出引腳（15根）P1 口：8位準雙向I/O口線，P1.0P1.7，共8根P3 口：8位準雙向I/O口線，P3.0P3.5、P3.7，共7根另外P3口還可以實現(xiàn)AT89C2051的其他各種功能如下表 3-1： 表3-1 P3口的復用功能 AT89C2051有以下特性：與MCS-51產品指令系統(tǒng)完全兼容，2k字節(jié)可重擦寫閃速存儲器，1000次擦寫周期，

27、2.7V6V 的工作電壓范圍，全靜態(tài)操作：0Hz24MHz，兩級加密程序存儲器，128×8字節(jié)內部 RAM，15個可編程IO口線，2個l6位定時計數(shù)器，6個中斷源，可編程串行 UART 通道，可直接驅動LED的輸出端口，內置一個模擬比較器，低功耗空閑和掉電模式。 AT89C2051還帶有2K 字節(jié)閃速可編程可擦除只讀存儲體(EEPROM)的低電壓, 高性能8位CMOS微型計算機。它采用 ATMEL 的高密非易失存儲技術制造并和工業(yè)標準MCS51指令集和引腳結構兼容。通過在單塊芯片上組合通用的CPL1和閃速存儲器,ATMEL AT89C2051是一強勁的微型計算機，它對許多嵌入式控制應

28、用提供一高度靈活和成本低的解決辦法。AT89C2051可以采用下面2種方法開發(fā)應用系統(tǒng)。 （1）由于AT89C2051內部程序存貯器為Flash，所以修改它內部的程序十分方便快捷，只要配備一個可以編程89C2051的編程器即可。調試人員可以采用程序編輯-編譯-固化-插到電路板中試驗這樣反復循環(huán)的方法，對于熟練的MCS-51程序員來說，這種調試方法并不十分困難。不過這種調試不能夠了解片內RAM的內容和程序的走向等有關信息。 （2）將普通 8031/80C31仿真器的仿真插頭中P1.0P1.7和P3.0P3.6引出來仿真 2051,這種方法可以運用單步、斷點的調試方法，但是仿真不夠真實，比如，20

29、51的內部模擬比較器功能，P1口、P3口的增強下拉能力等等。 在設計過程中我們還考慮過其他的單片機，現(xiàn)代電子設計領域應用最廣泛的八位單片機首推 Intel 的51系列，由于產品硬件結構合理，指令系統(tǒng)規(guī)范，加之生產歷史“悠久”，有先入為主的優(yōu)勢。世界有許多著名的芯片公司都購買了51芯片的核心專利技術，并在其基礎上進行性能上的擴充，使得芯片得到進一步的完善，形成了一個龐大的體系，直到現(xiàn)在仍在不斷翻新，把單片機世界炒得沸沸揚揚。51系列優(yōu)點之一是它從內部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統(tǒng)，被稱為“位處理器”，或“布爾處理器”。它的處理對象不是字或字節(jié)而是位。它不僅僅只能對片內某些特殊功能寄存器的某

30、位進行處理，如傳送、置位、清零、測試等，還能進行針對位的邏輯運算，其功能十分完備，使用起來得心應手。雖然其他種類的單片機也具有位處理功能，但能進行位邏輯運算的實屬少見。 系列在片內RAM 區(qū)間還特別開辟了一個雙重功能的地址區(qū)間，51十六個字節(jié)，單元地址20H2FH，它既可作字節(jié)處理，也可作位處理（作位處理時，合128個位，相應位地址為00H7FH），使用極為靈活。這一功能無疑給使用者提供了極大的方便，因為一個較復雜的程序在運行過程中會遇到很多分支，因而需建立很多標志位，在運行過程中，需要對有關的標志位進行置位、清零或檢測，以確定程序的運行方向。而實施這一處理（包括前面所有的位功能），只需用一條

31、位操作指令即可。 51系列的I/O腳的設置和使用非常簡單，當該引腳作輸入腳使用時，只須將該引腳設置為高電平（復位時，各I/O口均置高電平）。當該腳作輸出腳使用時，則為高電平或低電平均可。低電平時，吸入電流可達20mA，具有一定的驅動能力；而為高電平時，輸出電流僅數(shù)十A甚至更?。娏鲗嶋H上是由腳的上拉電流形成的），基本上沒有驅動能力。其原因是高電平時該腳也同時作輸入腳使用，而輸入腳必須具有高的輸入阻抗，因而上拉的電流必須很小才行。作輸出腳使用，欲進行高電平驅動時，得利用外電路來實現(xiàn)，I/O腳不通，電流經R驅動LED發(fā)光；低電平時，I/O腳導通，電流由該引腳入地，LED滅（I/O腳導通時對地的電壓

32、降小于1V，LED 的域值1.51.8V）。 一些簡裝的51產品也相應出現(xiàn)，Atmel公司的AT89C1051、如AT89C2051、AT89C4051等（閃速存儲器分別為1K、2K、4K等，但不能外接數(shù)據(jù)存儲器），指令系統(tǒng)與AT89C51完全兼容，但引腳均為20腳，不光體積小，而且價格低廉。在本設計中就是采用這種簡裝的單片機AT89C2051可以完全達到設計要求并且可以節(jié)省成本從軟件編程角度來考慮也同樣完全兼容我們常規(guī)的51單片。 在本設計中我們對管腳做如下分配：P1.0P1.3作為4個數(shù)碼管的位選信號控制，P1.4P1.7接到譯碼器7447上輸出數(shù)碼管的顯示數(shù)據(jù)。P3.0用于連接水位探測器

33、，P3.1用于控制加熱器電路的通斷，P3.2和P3.3分別用來連接溫水鍵和開水鍵，實現(xiàn)對飲水機加熱模式的選擇，P3.4用來連接DS18B20數(shù)字溫度傳感器。3.2.2 溫度傳感系統(tǒng)的設計 在本次設計中對溫度檢測范圍是0100，最好能集成模數(shù)轉換器從而方便通信，因為是直接測試水溫所以必須采用防水封裝的溫度傳感器。在這里我們綜合考慮各種因素選擇防水封裝的DS18B20。 DS18B20是美國DALLAS公司生產的一種可組網的單線數(shù)字式溫度傳感器，它采用單線總線結構，集溫度測量和A/D轉換于一體，直接輸出數(shù)字量，用一根I/O 線就可以傳送數(shù)據(jù)與命令，并可兼作電源線，其溫度測量范圍為- 55+125，

34、精度為±0.5；使用中無需外部器件，可以利用數(shù)據(jù)線或外部電源提供電能，供電電壓范圍為3.35.5V；通過編程可實現(xiàn)912位分辨率讀出溫度數(shù)據(jù)。除此之外還有以下特點：DS18B20支持多點組網功能，多DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網多點測溫。DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉換電路集成在形如一只三極管的集成電路內。編程的分辨率為912時，對應的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實現(xiàn)高精度測溫。在9位分辨率時最多在93.75ms內把溫度轉換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內把溫度值轉換為數(shù)字，速度更快。） 測量結果直

35、接輸出數(shù)字溫度信號，以"一線總線"串行傳送給CPU，同時可傳送CRC校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。負壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。 DS18B20內部結構主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL配置寄存器。該裝置信號線高的時候，內部電容器 儲存能量通由1線通信線路給片子供電，而且在低電平期間為片子供電直至下一個高電平的到來重新充電。DS18B20的電源也可以從外部3V-5.5V的電壓得到。 DS18B20的讀寫時序和測溫原理與DALLAS公司生產的另一種溫度傳感器 DS1820相同，只是得到的溫度值

36、的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉換時的延時時間由2s減為750ms。傳感器內部的低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產生固定頻率的脈沖信號送給傳感器內部計數(shù)器 1。高溫度系數(shù)晶振 隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產生的信號作為內部計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預置在55所對應的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1的預置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預置將重新被裝入，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。斜率累加器

37、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的預置值 使用時，將DS18B20的數(shù)據(jù)信號線DQ與單片機的一位具有三態(tài)功能的雙向口相連接，就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。DS18B20采用兩種供電方式:外部電源供電(VDD 接電源)和數(shù)據(jù)線供電(VDD和GND接地)方式。為保證在有效的S18B20時鐘周期內提供足夠的電流，采用外部電源單獨供電時，需在數(shù)據(jù)線上加1個4.7k的上拉電阻；若采用數(shù)據(jù)線供電，除了加一個4.7k上拉電阻外還要加一個MOSFET管來完成對總線的上拉。本系統(tǒng)采用DS18B20的外部供電方式。圖3-3 DS18B20管腳圖 由管腳圖3-3我們可以看出DS18B20有著非常簡潔的

38、管腳設置，DS18B20引腳定義：管腳 1：GND為電源地； 管腳 3：VCC為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）；管腳 3：VCC為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）； DS18B20雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點，但在實際應用中也應注意以下幾方面的問題： 較小的硬件開銷需要相對復雜的軟件進行補償，由于DS18B20與微處理器間采用串行數(shù)據(jù)傳送，因此 ，在對 DS18B20進行讀寫編程時，必須嚴格的保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結果。在使用PL/M等高級語言進行系統(tǒng)程序設計時，DS18B20C對操作部分最好采用匯編語言實現(xiàn)；在DS182

39、0的有關資料中均未提及單總線上所掛DS18B20數(shù)量問題，容易使人誤認為可以掛任意多個DS18B20，在實際應用中并非如此。當單總線上所掛DS18B20超過8個時，就需要解決微處理器的總線驅動問題，這一點在進行多點測溫系統(tǒng)設計時 要加以注意；連接DS18B20的總線電纜是有長度限制的。試驗中，當采用普通信號電纜傳輸長度超過50m時，讀取的 測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離可達150m，當采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，正 常通訊距離進一步加長。這種情況主要是由總線分布電容使信號波形產生畸變造成的。因此，在用DS18B20進行長距離測溫系統(tǒng)設計時要充

40、分考 慮總線分布電容和阻抗匹配問題；在DS18B20測溫程序設計中，向 DS18B20發(fā)出溫度轉換命令后，程序總要等待DS18B20的返回信號，一旦某個 DS18B20接觸不好或斷線，當程序讀該DS18B20時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)。這一點在進行DS18B20硬件連接和軟件設計時也要給予一定的重視。 在最初考慮元件時曾考慮過使用DS1822，DS1822與DS18B20軟件兼容，是 DS18B20的簡化版本。省略了存儲用戶定義報警溫度、分辨率參數(shù)的EEPROM，精度降低為±2°C，適用于對性能要求不高，成本控制嚴格的應用，是經濟型產品。 但考慮到精度問題以及兩種產

41、品在市場上的普及率最終還是選擇的DS18B20。3.2.3 加熱控制系統(tǒng)的設計本次設計的中連接加熱器體的加熱控制器將采用光耦合器（optical coupler，英文縮寫為OC）亦稱光電隔離器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間

42、互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計算機數(shù)字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計算機工作的可靠性。 光耦合器的主要優(yōu)點是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩(wěn)定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。光耦合器是70年代發(fā)展起來產新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉換、級間耦合、驅動電路、開關電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離 、脈沖放

43、大電路、數(shù)字儀表、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設備及微機接口中。在單片開關電源中，利用線性光耦合器可構成光耦反饋電路，通過調節(jié)控制端電流來改變占空比，達到精密穩(wěn)壓目的。 本文具體采用MOC3041，MOC3041是MOTOROLA公司生產的單片集成光電耦合可控硅驅動器件，內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與飲水機的加熱器相連，實現(xiàn)對加熱器的驅動和控制。本系統(tǒng)用單片機的 P3.1口與MOC3041連接，當P3.1口輸出低電平時，MOC3041輸入部分的發(fā)光二極管導通，發(fā)出足夠強度的紅外光去觸發(fā)輸出部分，

44、控制可控硅導通，從而打開加熱器；當 P3.1口輸出高電平時，MOC3041輸入部分的發(fā)光二極管截止，可控硅斷開關閉加熱器。圖3-4 MOC3041管腳圖MOC3041 有六個管腳其中有兩個管腳為空管腳。具體功能如下：管腳 1：ANODE（陽極）管腳 2：CATHODE（陰極）管腳 3：NC管腳 4：MAIN TERMINAL（主輸出）管腳 5：SUBSTRATE DO NOT CONNECT管腳 6：MAIN TERMINAL（主輸出）圖3-5 MOC3041原理圖 在初始設計時曾考慮另外一種方案，選用了9012三極管和固態(tài)繼電器實現(xiàn)了弱電對強電的控制。 9012PNP型三極管應用廣泛，在收音

45、機等常用家電中可以經?？匆娝纳碛啊?012三極管在此作為開關量環(huán)節(jié)，起到了放大電流的作用，與固態(tài)繼電器結合，從而實現(xiàn)了開關的作用。 與此對應所選用的固態(tài)繼電器是百特公司的產品，該型號的固態(tài)繼電器是直流輸入控制，交流過零導通，過零關斷輸出型無觸點繼電器。它常用與控制電路的導通和斷開，是控制一般家用電器，如電動機、加熱器、白熾燈的首選器件。具體電路圖如下： 但是考慮到更好的和單片機連接以及比較高的集成度我們選擇了(1)方案。圖3-6備選方案的開關量控制環(huán)節(jié)3.2.4 水位探測系統(tǒng)的設計 在飲水機加熱體中無水或水量極少的情況下繼續(xù)對其加熱將會產生干燒這種現(xiàn)象。飲水的干燒是非常危險的。根據(jù)用戶的反饋

46、，飲水機干燒輕則產生異味影響飲水機的正常使用，嚴重甚至可能損壞電線的外層塑膠皮引發(fā)短路進而可能引起火災。所以在設計過程中防干燒系統(tǒng)顯得尤為重要。下面我們來討論使用較多的幾種防干燒設計方案。 (1)方案：飲水機加熱體可以設計為排水口的位置高于發(fā)熱管，就算怎么燒也無所謂，因為里面的液體始終沒排完（排水口的位置始終高于發(fā)熱管），而且內膽是密封的，水蒸汽無處排，再且，當加熱到一定溫度時，電路會自動停止加熱，所以相當一段時間內不會燒干。這種方法設計簡單可行，但如果出現(xiàn)這種情況會反復加熱浪費能源。 (2)方案：如果不考慮成本的話可以采用“液位開關”來檢測水位，“液壓開關”就是用來控制液位的開關。從形式上主

47、要分為接觸式和非接觸式。非接觸式的如電容式液位開關；接觸式的例如：浮球式液位開關；電極式液位開關，電子式液位開關電容式液位開關也可以采用接觸式方法實現(xiàn)。工業(yè)市場上有很多飲水機專用的“液壓開關”，所以如果選用“液壓開關”也是一種不錯的選擇。 (3)方案：另外一些低端的飲水機一般會采用“突跳式溫控器”，該種溫控器是雙金屬片溫控器的新型產品，主要作為各種電熱產品具過熱保護時，通常與熱熔斷器串接使用，突跳式溫控器作為一級保護。熱熔斷器則在突跳式溫控器失效導致電熱元件超溫時，作為二級保護，有效地防止燒壞電熱元件以及由此而引起的火災事故。所以將突跳式溫控器運用到飲水機中可以簡單的實現(xiàn)防止干燒的目的。 以上

48、我們介紹了多種在實際中使用較多的防干燒方案，它們在現(xiàn)實工業(yè)設計中均有廣泛的使用，在本次設計中我們考慮到我們定性測量要求以及方便與單片機相連接以及水的導電性等各種因素，我們將采用另外的一種方法來實現(xiàn)對加熱體內水位的定性檢測。 口相連，另一端浸入飲水機的加熱體中。當加熱體中水量達到系統(tǒng)設定值時，系統(tǒng)采用一根不銹鋼水位探測棒作為探測器，探測棒一端與單片機的P3.0探測棒浸入水中，由于水具有導電性，且加熱體接地，從而使輸入到單片機P3.0口的信號為低電平；當加熱體中水量不足時，探測棒懸空，使輸入到單片機P3.0口的信號為高電平。單片機根據(jù)水位探測器的輸入信號執(zhí)行相應操作，可有效地防止飲水機“干燒”。這

49、種設計與單片機的連接及其的簡單并且可以將加熱體中缺水的信號通過單片機顯示到LED顯示模塊上，方便用戶及時發(fā)現(xiàn)缺水信息并及時解決。圖3-7加熱體及水位控制器示意圖3.2.5 顯示電路及鍵盤電路的設計 根據(jù)設計要求我們要為飲水機設計人機對話設備。目前，在一般的智能儀器中都采用鍵盤和七段顯示器，在示波器，頻譜儀，邏輯分析器或其他功能較完善的智能儀器中采用LCD或CRT顯示器，少數(shù)儀器還附有微型打印機或繪圖儀等，新型的儀器還有語音輸出，在此我們討論最常見的鍵盤，LED顯示器這兩種最常用的輸入輸出設備。 首先我們來討論飲水機的輸出設計，在這里我們使用LED顯示器。發(fā)光二極管LED是一種簡單而常用的輸出設

50、備，智能儀器常用它來顯示測量的結果或儀器的工作狀態(tài)等信息。它的優(yōu)點是價格低，壽命長，對電流、電壓的要求低及容易實現(xiàn)多路等；但具有亮度較低、溫度依賴性較大等缺點。LED適宜也脈沖工作狀態(tài)，在平均電流相同的情況下，脈沖工作狀態(tài)可產生比直流工作狀態(tài)較強的亮度。一般其每秒可導通100 次500次，每次為幾毫秒。LED有單個、七段及點陣等類型。 七段LED有共陰極與共陽極兩種。對共陰極型LED數(shù)碼管來說，公共陰極接地，當陽極上的信息為“1”時，段就被點亮；信息為“0”時，段就不亮。對共陽極型LED數(shù)碼管來說，公共陽極接到電壓合適的電源上，當陰極上的信息為“1”時，段就不亮；信息為“0”時，段就點亮。 為

51、了七段LED上顯示字符，必須向LED顯示器輸入相應的字形碼（或稱為段碼），完成字符代碼到段代碼的轉換稱為譯碼。一般有硬件譯碼和軟件譯碼兩種方法。 在該設計中我們使用硬件譯碼我們所采用的譯碼器是7447譯碼器。常用的BCD七段顯示器譯碼器 TTL 的7446、7447、7448、7449與CMOS的4511等等。其中7446、7447必須使用共陽極七段顯示器，7448、7449、4511等則使用共陰極七段顯示器。下圖為7447集成電路譯碼器還有引腳圖。在正常操作時，當輸入 DCBA=0010則輸出 abcdefg=0010010。故使顯示器顯示“2”。當輸入DCBA=0110時，輸出 abcde

52、g=1100000，顯示器顯示“6”。 在7447中尚有LT、RBI 與BI/RBO控制腳，其功能分述如下：該電路是由與非門、輸入緩沖器和7個與或非門組成的BCD-7段譯碼器/驅動器。 通常是低電平有效，高的灌入電流的輸出可直接驅動顯示器。7個與非門和一個驅動器成對連接，以產生可用的BCD數(shù)據(jù)及其補碼至7個與或非譯碼門。剩下的與非門和3個輸入緩沖器作為試燈輸入（LT）端、滅燈輸入/動態(tài)滅燈輸出(BI/RBO)端及動態(tài)滅燈輸入(RBI )端。 該電路接受4位二進制編碼十進制數(shù)（BCD）輸入并借助于輔助輸入端狀態(tài)將輸入數(shù)據(jù)譯碼后去驅動一個七段顯示器。輸出結構設計成能承受 7 段顯示所需要的相當高的

53、電壓。驅動顯示器各段所需的高達 24mA 的電流可以由其高性能的輸出晶體管來直接提供。BCD輸入計數(shù)9以上的顯示圖案是鑒定輸入條件的唯一信號。 該電路有自動前、后沿滅零控制（RBI和RBO）。試燈（LT）可在端處在高電平的任何時刻去進行，該電路還含有一個滅燈輸入（BI），它用來控制燈的亮度或禁止輸出。該電路在應用中可以驅動共陽極的發(fā)光二極管或直接驅動白熾燈指示器。7447之輸出系為驅動器設計，其邏輯0之吸入電流高達40mA，故在使用必須加入 330左右電阻加以限流，以免過大電流流經LED而燒毀顯示器。圖3-8集成電路譯碼器7447管腳圖 本設計中的顯示電路由4位七段碼LED顯示器組成，根據(jù)用戶

54、所選模式的不同，LED顯示器的第一位顯示字符“E”（溫水模式）或字符“F”（開水模式）；若系統(tǒng)檢測到水量不足時，顯示器第一位顯示字符“L”。AT89C2051 DS18B20采集到的數(shù)字水溫信號經過處理，P1口輸出段碼和位選控制信號，由通過7447 TTL/BCD 譯碼器譯碼，由其余三位LED顯示器動態(tài)顯示水溫值。這樣一個譯碼器連接多個 LED，每次只選通一位LED顯示，諸位輪流選通，顯示時先顯示第一位，送出第一位要顯示字符代碼到譯碼器和相應的第一位的位選擇信號，持續(xù)一段時間 t 后再顯示第二位，第N位。周而復始，N位顯示一遍需Nt時間，只要Nt時間不超過20ms，人眼就不會感覺閃爍。圖3-9

55、 LED顯示模塊的連接圖 討論完LED顯示電路，現(xiàn)在我們討論鍵盤電路的設計。鍵盤是一組開關的集合，是最常用的輸入設備之一。智能儀器在面板上均使用鍵盤輸入取代各種傳統(tǒng)的開關旋鈕，鍵盤控制有以下優(yōu)點： 改用鍵盤后的按鍵可以復用，只要位數(shù)不多的按鍵就可以完成傳統(tǒng)儀器許多面以少勝多。由于儀器的智能化，功能大大增加。如果按傳統(tǒng)的方法，面板上需要增加很多控制按鈕。這樣不僅增加費用，而且使人眼花繚亂、操作困難。板控制按鈕的作用。 簡單可靠。鍵盤一般使用單觸點瞬間接通式按鍵，或使用電容或電感傳感式無觸點單線通斷鍵。與傳統(tǒng)的多刀多位旋轉開關或琴鍵開關相比，單觸點按鍵的機械結構和裝配工藝都非常簡單，因而其可靠性很

56、高，造價亦低。還可以采用雙觸點按鍵來進一步提高可靠性。 易于修改。在儀器的原型設計中或在儀器的更新改型時，常常需要對面板做些修改。而鍵盤的修改很容易，有時甚至可以完全不必更動面板原有結構，只需修改軟件即可達到目的。 便于遠控。在使用單線通斷鍵時，每個鍵都只有按下和釋放兩種狀態(tài)，可分別對應于邏輯“0”和邏輯“1”狀態(tài)，極易轉換為與面板操作一一對應的遠程控制，并使人工測試的手工程序與自動測試的程控操作統(tǒng)一起來。 此外，面板鍵盤的排列布置不像傳統(tǒng)按鈕那樣受到許多機械上和電氣上的限制或牽連，可以布置的更有條理，更合乎邏輯而便于使用，并使面板更加美觀悅目，這也能減少對操作者的精神壓力，減少操作錯誤。 但是鍵盤接口仍要解決一系列問題。例如，決定是否有鍵按下；如果有按鍵按下，決定是哪一個鍵被按下；確定被按鍵的讀數(shù)；反彈跳；不管一次按鍵持續(xù)的時間多長，都僅采樣一個數(shù)據(jù)；處理同時按鍵等。 鍵盤接口的這些任務可用硬件或軟件來完成，相應地出現(xiàn)了兩大類鍵盤，即編碼鍵盤和非編碼鍵盤。 編碼鍵盤：每按一次鍵，鍵盤自動的提供被按鍵的讀數(shù)，同時產生一個選通脈沖通知微處理器，一般還具有反彈跳和同時按鍵保護功能。這種鍵盤易于使用但硬件比較復雜。 非編碼鍵盤：只簡單的提供鍵盤的行與列矩陣，其他操作如：鍵值的識