基于單片機(jī)的智能飲水機(jī)的設(shè)計(jì)論文

目前,大多數(shù)家庭所使用的飲水機(jī)都只有一些基本的功能，例如加熱、保溫。然而，隨著人們物質(zhì)生活的不斷提高，對(duì)飲水機(jī)的性能要求也不斷提高。為了滿足人們對(duì)飲水機(jī)的性能要求，本課題研究智能飲水機(jī)，它主要功能是在溫度達(dá)到100°沸騰，并能在0-100℃之間以5℃為最小溫差進(jìn)行溫度設(shè)定，從而得到任意想要的水溫，非常人性化。它還具有過(guò)熱保護(hù)及防干燒功能等。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)技術(shù)已成為計(jì)算機(jī)技術(shù)中的一個(gè)獨(dú)特的分支，單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)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(guò)去經(jīng)常采用模擬電路、數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的電路系統(tǒng)，現(xiàn)在相當(dāng)大一部分可以用單片機(jī)予以實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)方法已演變成軟件和硬件相結(jié)合的設(shè)計(jì)方法。在實(shí)際應(yīng)用中，單片機(jī)經(jīng)常要與各種傳感器相結(jié)合組成一定的應(yīng)用系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)與控制。

本文所設(shè)計(jì)的智能飲水機(jī)就是單片機(jī)結(jié)合傳感器的一個(gè)簡(jiǎn)單應(yīng)用。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合單片機(jī)以及電子技術(shù)理論，從生活實(shí)際出發(fā)，完善了飲水機(jī)的功能。整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)三個(gè)功能，即加熱、對(duì)溫度上下限的控制和定時(shí)加熱。與傳統(tǒng)的飲水機(jī)相比，由于采用了自動(dòng)檢測(cè)和控制的電子設(shè)計(jì)技術(shù)，可較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的測(cè)量和控制，具有較廣泛的應(yīng)用前景。

目錄

隨著“信息時(shí)代”的到來(lái)，作為獲取信息的手段——傳感器技術(shù)得到了顯著的進(jìn)步，其應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，對(duì)其要求越來(lái)越高，需求越來(lái)越迫切。傳感器技術(shù)已成為衡量一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一。因此，了解并掌握各類(lèi)傳感器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及特性是非常重要的。

由于傳感器能將各種物理量、化學(xué)量和生物量等信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，使得人們可以利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量、信息處理和自動(dòng)控制，但是它們都不同程度地存在溫漂和非線性等影響因素。傳感器主要用于測(cè)量和控制系統(tǒng)，它的性能好壞直接影響系統(tǒng)的性能。因此，不僅必須掌握各類(lèi)傳感器的結(jié)構(gòu)、原理及其性能指標(biāo)，還必須懂得傳感器經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)慕涌陔娐氛{(diào)整才能滿足信號(hào)的處理、顯示和控制的要求，而且只有通過(guò)對(duì)傳感器應(yīng)用實(shí)例的原理和智能傳感器實(shí)例的分析了解，才能將傳感器和信息通信和信息處理結(jié)合起來(lái)，適應(yīng)傳感器的生產(chǎn)、研制、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用。另一方面，傳感器的被測(cè)信號(hào)來(lái)自于各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域都為了改革生產(chǎn)力、提高工效和時(shí)效，各自都在開(kāi)發(fā)研制適合應(yīng)用的傳感器，于是種類(lèi)繁多的新型傳感器及傳感器系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)。溫度傳感器是其中重要的一類(lèi)傳感器。其發(fā)展速度之快，以及其應(yīng)用之廣，并且還有很大潛力。

為了提高對(duì)傳感器的認(rèn)識(shí)和了解，尤其是對(duì)溫度傳感器的深入研究以及其用法與用途，基于實(shí)用、廣泛和典型的原則而設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)。本文利用單片機(jī)結(jié)合溫度傳感器加以簡(jiǎn)單的按鍵控制及顯示等功能實(shí)現(xiàn)了對(duì)智能飲水機(jī)的控制，為我們對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)提供了很好的真實(shí)素材。

本設(shè)計(jì)實(shí)用性及綜合性比較強(qiáng)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)不僅可以作為智能飲水機(jī)的控制系統(tǒng)，如果稍微改裝可以做環(huán)境溫度檢測(cè)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室溫度監(jiān)控系統(tǒng)等等。課題主要任務(wù)是完成水溫檢測(cè)并利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)并加以顯示、報(bào)警、鎖定等功能。該系統(tǒng)具有操作方便，控制靈活、實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)包括溫度傳感器，鍵盤(pán)輸入模塊，輸出控制模塊，數(shù)據(jù)傳輸模塊，溫度顯示模塊和出水驅(qū)動(dòng)電路等部分。文中對(duì)每個(gè)部分功能、實(shí)現(xiàn)過(guò)程作了詳細(xì)介紹。整個(gè)系統(tǒng)的核心是進(jìn)行溫度監(jiān)控及調(diào)節(jié)，完成了課題所有要求。

從飲水機(jī)問(wèn)世以來(lái)，在中國(guó)的發(fā)展趨勢(shì)逐年增加。飲水機(jī)的使用量逐年增長(zhǎng)，隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)其功能的要求也越來(lái)越高，所以，對(duì)智能飲水機(jī)的需求就逐漸顯現(xiàn)了出來(lái)�！�

飲水機(jī)是采用瓶裝水或者自來(lái)水經(jīng)凈水器凈化作為水源，利用電能對(duì)其進(jìn)行加熱，一年四季提供常溫水或熱水的飲水電器。飲水機(jī)基本能滿足人們?nèi)粘５娘嬎�、泡茶、沖咖啡、即食食品以及調(diào)制冷飲的各種需要。飲水機(jī)具有飲水時(shí)尚、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、清潔衛(wèi)生、價(jià)廉物美等優(yōu)點(diǎn)。  

在飲水機(jī)進(jìn)入高潮的今天，市場(chǎng)十分活躍，然而，消費(fèi)者對(duì)飲水機(jī)的選擇不是停留在過(guò)去的眼光，而是高標(biāo)準(zhǔn)，不僅實(shí)用而且要求外形脫俗，跟上時(shí)代潮流步伐，尤其在其功能方面要有更高的要求。

當(dāng)前絕大多數(shù)廠家生產(chǎn)的飲水機(jī)都采用智能化控制。因此，智能飲水機(jī)已是飲水機(jī)發(fā)展的必然趨勢(shì)。

可以這樣說(shuō)，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單片機(jī)控制，從電飯煲、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、彩電、其他音響視頻器材、再到電子秤設(shè)備，五花八門(mén)，無(wú)所不在。飲水機(jī)也不例外。

單片機(jī)按其應(yīng)用范圍可分為通用型和專(zhuān)用型兩類(lèi)。家用電器多采用專(zhuān)用型單片機(jī)，如日本NEC公司開(kāi)發(fā)的7500系列和75X00系列4位單片機(jī)、美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的COP400系列4位單片機(jī)，以及日本松下公司的MN1400系列、美國(guó)Zilog公司的Z8系列以及日本富士通公司的MB88系列等專(zhuān)用型單片機(jī)。家用電器所采用的通用型單片機(jī)，主要是Intel公司的MCS系列產(chǎn)品。

目前飲水機(jī)基本上都采用單片機(jī)控制，但各廠家生產(chǎn)的飲水機(jī)單片機(jī)控制所達(dá)到的功能各不相同。智能化，多功能必定是發(fā)展趨勢(shì)。

單片機(jī)在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越廣泛, 在很多電子產(chǎn)品中也用到了溫度檢測(cè)和溫度控制。

目前廣泛使用的飲水機(jī)，具有價(jià)格低廉，制造簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。但是隨著用戶長(zhǎng)時(shí)間使用，這些飲水機(jī)功能單一、能耗較大、長(zhǎng)時(shí)間飲用飲水機(jī)的水對(duì)健康不利等缺點(diǎn)逐漸暴露出來(lái)。

傳統(tǒng)的飲水機(jī)的局限性一般體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一,功能相對(duì)簡(jiǎn)單。只有簡(jiǎn)單的溫度控制，而且用戶還不能自己根據(jù)自己的喜好設(shè)定溫控參數(shù)。第二,能耗較大。在沒(méi)有人使用的時(shí)候飲水機(jī)也處在開(kāi)機(jī)狀態(tài)無(wú)疑會(huì)造成能源的大量浪費(fèi)，在能源緊缺的今天這個(gè)方面亟待解決。第三, 長(zhǎng)期飲用飲水機(jī)里的水會(huì)對(duì)健康不利。由于廣泛使用的飲水機(jī)燒水不能完全沸騰，長(zhǎng)期飲用這種水會(huì)對(duì)身體造成較大的傷害。

本此設(shè)計(jì)的基于AT89S52的多功能飲水機(jī), 采用DS18B20實(shí)現(xiàn)溫度采集，經(jīng)過(guò)LED顯示, 讀數(shù)直觀、準(zhǔn)確。并且程序存儲(chǔ)器E2PROM可以很容易的實(shí)現(xiàn)軟件升級(jí), 從軟件方面提高儀器精度。同時(shí)可以對(duì)加熱溫度進(jìn)行控制，從而防止了每次加熱都使水沸騰，既節(jié)能又能更好的滿足人們的需求。

(1)智能飲水機(jī)的主體功能：

本課題設(shè)計(jì)的智能飲水機(jī)具有過(guò)熱保護(hù)防干燒、加熱至沸騰、設(shè)置溫度加熱、超溫報(bào)警提示、安全鎖定、電動(dòng)機(jī)出水功能等。

(2)智能飲水機(jī)的按鍵功能：

①出水鍵：控制飲水機(jī)出水和停止出水；②加熱鍵：負(fù)責(zé)控制開(kāi)始加熱和停止加熱；③鎖定鍵：按下鎖定鍵，其他按鍵無(wú)效；④切換�。喊聪潞箝_(kāi)始設(shè)定用戶想要的溫度；⑤溫度設(shè)定鍵：按一下溫度增加5℃，溫度可在0℃到100℃之間循環(huán)。

(3)智能飲水機(jī)的顯示功能：

①電源燈(綠色)：接通電源，電源燈點(diǎn)亮；②加熱指示燈(黃色)：按下加熱鍵，加熱指示燈點(diǎn)亮，表示燒水開(kāi)始工作。再次按下加熱鍵，指示燈熄滅，表示燒水停止；③鎖定鍵指示燈(藍(lán)色)：鎖定其他按鍵功能，燈亮表示其他按鍵均不可用；④超溫報(bào)警燈(紅色)：燈點(diǎn)亮表示水已經(jīng)達(dá)到設(shè)定的加熱溫度或已沸騰并停止加熱；⑤數(shù)碼管：顯示當(dāng)前水溫或用戶設(shè)定的溫度。⑥蜂鳴器：響起后說(shuō)明水以沸騰并停止加熱。

該設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容主要包括設(shè)計(jì)方向的選擇、設(shè)計(jì)題目的確定、設(shè)計(jì)方法的研究與比較，選擇最優(yōu)方案后開(kāi)始進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)以及最終的仿真調(diào)試。其中硬件設(shè)計(jì)包括器件的選定，各模塊功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，以及最終各功能模塊與單片機(jī)的連接構(gòu)成一個(gè)整體系統(tǒng)并能滿足設(shè)計(jì)要求；軟件設(shè)計(jì)主要是通過(guò)編寫(xiě)C語(yǔ)言程序?qū)�單片機(jī)進(jìn)行控制使其按照程序運(yùn)行從而實(shí)現(xiàn)各模塊的功能滿足設(shè)計(jì)的要求；最終通過(guò)Keil uVision2編譯軟件將寫(xiě)好的程序編譯成為16進(jìn)制文件，使之能夠在proteus仿真軟件中和硬件電路一起進(jìn)行仿真調(diào)試，從而確保設(shè)計(jì)的正確性。

整個(gè)硬件系統(tǒng)由主控制系統(tǒng)、輸入輸出模塊、傳感器、其他功能電路和電源部分組成。主控系統(tǒng)使用單片機(jī)控制，包括對(duì)鍵盤(pán)的信息的接收和控制，對(duì)其他功能電路的控制等，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能；傳感器部分即檢測(cè)子系統(tǒng)，主要是進(jìn)行飲水機(jī)中水的溫度檢測(cè)和控制，采用智能溫度傳感器DS18B20；其他功能電路部分包括恒溫，防干燒，出水等電路，達(dá)到功能多樣化；電源部分為智能飲水機(jī)提供必要的電能，保證飲水機(jī)能夠正常的工作。整體框圖如圖2-1所示。以下詳細(xì)討論每個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)思想和硬件電路的實(shí)現(xiàn)。

   

主機(jī)單元由AT89S52單片機(jī)和相關(guān)的存儲(chǔ)器組成，是儀表的核心。關(guān)鍵部分期間名稱及其在電路中的主要功能如下：

(1)AT89S52:完成監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集過(guò)程、采集方式和報(bào)警過(guò)程的控制。是整個(gè)系統(tǒng)的核心處理器，單片機(jī)首先把通過(guò)傳感器測(cè)到的現(xiàn)場(chǎng)溫度與預(yù)先設(shè)置的溫度進(jìn)行比較，如果大于或小于預(yù)先設(shè)置值,就輸出信號(hào)去控制加熱器的工作,從而實(shí)現(xiàn)溫度控制。

(2)數(shù)碼管:用于顯示當(dāng)前水溫及設(shè)定的水溫。

(3)DS18B20:單線數(shù)字溫度傳感器，可直接將被測(cè)溫度轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號(hào)，以供單片機(jī)處理。

(4)各色LED及蜂鳴器:用于提示用戶飲水機(jī)的各種狀態(tài)。

(5)按鍵：輸入模塊，用于控制單片機(jī)完成各項(xiàng)功能。

AT89S52具有8k字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，256字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89S52可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作指導(dǎo)下一個(gè)硬件復(fù)位。

(1)AT89S52是一種低功耗，高性能CMOS工藝的8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)提供高靈活，超有效的解決方案。

(2)AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8K字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門(mén)狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52可降至0KHZ靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)停止工作，直到一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。

(3)AT89S52有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含8個(gè)中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫(xiě)口線。AT89S52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，可反復(fù)擦寫(xiě)的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。

每個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，全稱是叫晶體震蕩器，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振的作用非常大，它結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機(jī)所必須的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個(gè)基礎(chǔ)上的，晶振的提供的時(shí)鐘頻率越高，那單片機(jī)的運(yùn)行速度也就越快。晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對(duì)精度可達(dá)百萬(wàn)分之五十，高級(jí)的精度更高。

晶振電路中的兩個(gè)電容叫做負(fù)載電容。一般單片機(jī)的晶振工作于并聯(lián)諧振狀態(tài)，也可以理解為諧振電容的一部分。它是根據(jù)晶振廠家提供的晶振要求負(fù)載電容選值的，換句話說(shuō)，晶振的頻率就是在它提供的負(fù)載電容下測(cè)得的，能最大限度的保證頻率值的誤差。也能保證溫漂等誤差。兩個(gè)電容的取值都是相同的，或者說(shuō)相差不大，如果相差太大，容易造成諧振的不平衡，容易造成停振或者干脆不起振。

在本設(shè)計(jì)中XTAL1和XTAL2端外接石英晶體作為定時(shí)元件，內(nèi)部反向放大器自激振蕩，產(chǎn)生時(shí)鐘。所用石英晶體的振蕩頻率為12MHZ，電容C1，C2常為20pF~40pF內(nèi)，如圖2-2所示。

DS18B20的外形及管腳排列圖如下圖2-3所示。

(1)GND  地信號(hào)

(2)DQ    數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。用在寄生電源下，可以向器件提供電源。

(3)VDD   可選擇的VDD引腳。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。

(1)獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊；

(2)測(cè)溫范圍 －55℃～＋125℃，固有測(cè)溫分辨率0.5℃；

(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)，如果數(shù)量過(guò)多，會(huì)使供電電源電壓過(guò)低，從而造成信號(hào)傳輸?shù)牟环�(wěn)定，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫；

(4)工作電源: 直流3~5V；

(5)在使用中不需要任何外圍元件；

(6)測(cè)量結(jié)果以9~12位數(shù)字量方式串行傳送；

(7)不銹鋼保護(hù)管直徑 Φ6 ；

(8)適用于DN15~25， DN40~DN250各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設(shè)備測(cè)溫；

(9)標(biāo)準(zhǔn)安裝螺紋 M10X1， M12X1.5， G1/2”任選；

(10)PVC電纜直接出線或德式球型接線盒出線，便于與其它電器設(shè)備連接。

DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器還包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的EERAM。高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為9字節(jié)的存儲(chǔ)器，結(jié)構(gòu)如表2-1所示。前兩個(gè)字節(jié)包含測(cè)得的溫度信息，第3和第4字節(jié)TH和TL的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時(shí)被刷新。高速暫存RAM的第6、7、8字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯第9字節(jié)讀出前面所有8字節(jié)的CRC碼，可用來(lái)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。第5字節(jié)為配置寄存器，見(jiàn)表2-3，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。該字節(jié)各位的定義如表2-3所示。低5位都為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，DS--18B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶可改動(dòng)，R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來(lái)設(shè)置分辨率。

由表2-2可見(jiàn)，DS18B20分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開(kāi)始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后，溫度值就以16位帶符號(hào)的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的第1、2字節(jié)。單片機(jī)可以通過(guò)單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時(shí)低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625℃／LSB形式表示。DS18B20中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以12位轉(zhuǎn)化為例。其中S為符號(hào)位。DS18B20的溫度值格式如表2-4所示。

LSByte	Bit7	Bit6	Bit5	Bit4	Bit3	Bit2	Bit1	Bit0
MSByte	Bit15	Bit14	Bit13	Bit12	Bit11	Bit10	Bit9	Bit8
	S	S	S	S	S

當(dāng)符號(hào)位S＝0時(shí)，表示測(cè)得的溫度值為正值，可以直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)符號(hào)位S＝1時(shí)，表示測(cè)得的溫度值為負(fù)值。表2-5是部分溫度值對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制度數(shù)據(jù)。

(1)DS18B20寄生電源供電方式電路

DS18B20采用寄生電源供電時(shí)，要想使DS18B20進(jìn)行精確的溫度轉(zhuǎn)換，I/O線必須保證在溫度轉(zhuǎn)換期間提供足夠的能量，由于每個(gè)DS18B20在溫度轉(zhuǎn)換期間工作電流達(dá)到1mA，當(dāng)幾個(gè)溫度傳感器掛在同一根I/O線上進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫時(shí)，靠上拉電阻是無(wú)法提供足夠的能量，會(huì)造成無(wú)法轉(zhuǎn)換溫度或溫度誤差極大。因此，只適用于單一溫度傳感器測(cè)溫，也不宜采用電池供電系統(tǒng)，并且電源電壓必須保證是5V。當(dāng)電源電壓下降時(shí)，會(huì)使測(cè)量的誤差變大。

(2)DS18B20的外部電源供電方式

DS18B20采用外部供電時(shí)，I/O線不需要強(qiáng)上拉電壓，同時(shí)在總線上可以掛接多個(gè)DS18B20傳感器，組成多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)。但要注意在外部供電的方式下，DS18B20的GND引腳不能懸空，否則讀取的溫度總是85℃。但在proteus仿真中VCC和GND均懸空，否則仿真錯(cuò)誤。

比較上述兩種供電方式后認(rèn)為外部電源供電方式對(duì)電源要求比電源供電方式優(yōu)越些且穩(wěn)定性好，故在此設(shè)計(jì)中采用外部電源供電方式供電電路。

仿真電路如下圖2-4：

主控系統(tǒng)采用單片機(jī)控制。

單片機(jī)的晶振與復(fù)位電路如圖2-5所示，單片機(jī)選用的是ATMEL公司的AT89S52的8 位單片機(jī)，晶體振蕩器選12MHZ,C5，C6為22pF石英電容，與晶體振蕩器構(gòu)成時(shí)鐘電路。電容C7，電阻R7、R8和按鍵S1構(gòu)成上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位電路。

AT89S52是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓,高性能CMOS8位單片機(jī),片內(nèi)含4KB的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器(PEROM)和128B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度,非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn),兼容MCS-51指令系統(tǒng),片內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲(chǔ)單元,功能強(qiáng)大AT89S52單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合,可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。

輸入控制如圖2-6所示，采用的按鍵控制，這樣不僅減少的制作成本而且便于做。通過(guò)74LS373的通斷進(jìn)行按鍵信號(hào)的傳輸，當(dāng)74LS373被鎖定時(shí)，按鍵信號(hào)不能傳入單片機(jī)，從而達(dá)到按鍵的鎖定作用。

LED數(shù)碼管實(shí)際上是由七個(gè)發(fā)光管組成8字形構(gòu)成的，加上小數(shù)點(diǎn)就是8個(gè)。這些段分別由字母a、b、c、d、e、f、g、p來(lái)表示。當(dāng)數(shù)碼管特定的段加上電壓后，這些特定的段就會(huì)發(fā)亮，以形成我們眼睛看到的字樣了。如：顯示一個(gè)“2”字，那么應(yīng)當(dāng)是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮p不亮。LED數(shù)碼管有微亮亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸數(shù)碼管的顯示筆畫(huà)常用一個(gè)發(fā)光二極管組成，而大尺寸數(shù)碼管是由二個(gè)或多個(gè)發(fā)光二極管組成，一般情況下，單個(gè)發(fā)光二極管的管壓降為1.8V左右，電流不超過(guò)30mA。發(fā)光二極管的陽(yáng)極連接到一起連接到電源正極稱為共陽(yáng)極數(shù)碼管，發(fā)光二極管的陰極連接到一起連接到電源負(fù)極稱為共陰極數(shù)碼管。

常用LED數(shù)碼管所顯示的數(shù)字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。 顯示電路見(jiàn)圖2-7。

LED數(shù)碼管引腳共陰和共陽(yáng)兩種方式：

電源VCC通過(guò)1個(gè)1K的排阻與LED相連，VCC串接個(gè)電阻后和GND接在任意2個(gè)腳上，組合有很多，但總有一個(gè)LED會(huì)發(fā)光的，找到一個(gè)就夠了，然后GND不動(dòng)，VCC（串電阻）逐個(gè)碰剩下的腳，如果有多個(gè)LED（一般是8個(gè)），那它就是共陰。相反用VCC不動(dòng)，GND逐個(gè)碰剩下的腳，如果有多個(gè)LED（一般是8個(gè)），那它就是共陽(yáng)。也可以直接用數(shù)字萬(wàn)用表，將檔位撥到二極管通斷性測(cè)試檔，這時(shí)紅表筆代表電源的正極，黑表筆代表電源的負(fù)極，然后在引腳上進(jìn)行逐個(gè)測(cè)試，以確定是共陽(yáng)還是共陰。一般十個(gè)引腳分別為7個(gè)段加2個(gè)公共加一個(gè)小數(shù)點(diǎn)。公共端一般在中間或在兩邊，兩排，一排一個(gè)對(duì)稱。至于其他引腳的排序你可以自己量出來(lái)。

先假設(shè)是共陰極或共陽(yáng)極，假設(shè)中間那個(gè)就是公共端，用數(shù)字萬(wàn)用表逐個(gè)判斷即可，如果判斷錯(cuò)誤不亮，就更改假設(shè)，繼續(xù)判斷。直到假設(shè)正確，也就是說(shuō)判斷正確，那么引腳的順序和位置就出來(lái)。

數(shù)碼管所使用的電流與電壓

(1)電流：靜態(tài)時(shí)，推薦使用10-15mA；動(dòng)態(tài)時(shí)，16/1動(dòng)態(tài)掃描時(shí)，平均電流為4-5mA，峰值電流50-60mA。

(2)電壓：查引腳排布圖，看一下每段的芯片數(shù)量是多少？當(dāng)紅色時(shí)，使用1.9V乘以每段的芯片串聯(lián)的個(gè)數(shù)；當(dāng)綠色時(shí)，使用2.1V乘以每段的芯片串聯(lián)的個(gè)數(shù)。

(1)出水控制

當(dāng)MOT輸出低電平時(shí)，三極管處于截至區(qū)，集電極和發(fā)射極導(dǎo)通，接觸器常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，出水管道導(dǎo)通。如圖2-8所示。

(2)加熱控制

當(dāng)HOT輸出低電平時(shí)，三極管處于截至區(qū)，集電極和發(fā)射極導(dǎo)通，接觸器常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，線圈通電加熱。見(jiàn)圖2-9。

在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)生產(chǎn)對(duì)象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計(jì)在微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占重要地位。對(duì)于本系統(tǒng)，軟件更為重要。

在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過(guò)程控制兩個(gè)基本類(lèi)型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、標(biāo)度變換等。過(guò)程控制程序主要是使單片機(jī)按一定的方法進(jìn)行計(jì)算，然后再輸出，以控制其工作。

為了完成上述任務(wù)，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，通常把整個(gè)過(guò)程分成若干個(gè)部分，每一部分叫做一個(gè)模塊。所謂“模塊”，實(shí)質(zhì)上就是所完成一定功能，相對(duì)獨(dú)立的程序段，這種程序設(shè)計(jì)方法叫模塊程序設(shè)計(jì)法。

模塊程序設(shè)計(jì)法的主要優(yōu)點(diǎn)是：

(1)單個(gè)模塊比起一個(gè)完整的程序易編寫(xiě)及調(diào)試；

(2)模塊可以共存，一個(gè)模塊可以被多個(gè)任務(wù)在不同條件下調(diào)用；

(3)模塊程序允許設(shè)計(jì)者分割任務(wù)和利用已有程序，為設(shè)計(jì)者提供方便。

本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序、溫度檢測(cè)程序、顯示子程序、延時(shí)程序和其他相關(guān)程序等組成。

程序的初始化主要包括三個(gè)環(huán)節(jié)：

(1)實(shí)現(xiàn)各種設(shè)置堆棧指針、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0初始化、以及開(kāi)中斷、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器啟動(dòng)；

(2)實(shí)現(xiàn)LED顯示當(dāng)前水溫并能顯示預(yù)設(shè)的水溫；

(3)不斷的進(jìn)行按鍵掃描，判斷是否有按鍵按下，如沒(méi)有按鍵按下，則返回顯示；如有按鍵按下，則根據(jù)所按鍵實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的操作。

人機(jī)對(duì)話功能鍵設(shè)置如下：

(1)“出水”鍵：控制其出水和停止出水；

(2)“加熱”鍵：控制其加熱和停止加熱；

(3)“鎖定”鍵：用于鎖定其他所有按鍵；

(4)“切換”鍵：用于將顯示器切換至溫度設(shè)定界面并開(kāi)始設(shè)定溫度；

(5)“設(shè)置溫度”鍵：以5℃為間隔在0℃至100℃之間以遞增方式設(shè)定水溫。

主程序如下：

主程序程序框圖如圖3-1所示：

溫度檢測(cè)運(yùn)用DS18B20芯片，因?yàn)槠涔δ苋�面且精度高，完全可以滿足設(shè)計(jì)要求，它將檢測(cè)到的水溫送給單片機(jī)，再由單片機(jī)輸出給顯示電路將實(shí)時(shí)水溫顯示出來(lái)。其程序流程圖如下：

其程序段如下：

顯示程序是負(fù)責(zé)點(diǎn)亮4支數(shù)碼管，并根據(jù)單片機(jī)送出的數(shù)據(jù)及時(shí)更新顯示的數(shù)據(jù)，其程序流程圖如下：

其程序段如下：

鍵盤(pán)掃描程序的任務(wù)是在程序運(yùn)行過(guò)程中始終不停的檢測(cè)是否有按鍵被按下，如果檢測(cè)到有按鍵被按下，則進(jìn)入與該按鍵對(duì)應(yīng)的程序運(yùn)行；若該按鍵沒(méi)有被按下，則繼續(xù)檢測(cè)下一個(gè)按鍵，如此循環(huán)，從而完成每一個(gè)按鍵所對(duì)應(yīng)的功能。該設(shè)計(jì)中第四個(gè)按鍵為鎖定鍵，當(dāng)檢測(cè)到鎖定鍵被按下時(shí)，其他按鍵均無(wú)效，只有當(dāng)檢測(cè)到鎖定鍵再次被按下，其他按鍵的功能才恢復(fù)正常。其程序流程圖如下：

其程序段如下：

軟件調(diào)試用Keil uVision2軟件，將寫(xiě)好的程序編譯成16進(jìn)制文件，然后才可以在proteus中將編譯好的程序放入單片機(jī)進(jìn)行仿真，使用Keil uVision2對(duì)程序編譯的過(guò)程如下。

在Keil uVision2中新建一個(gè)工程，使用AT89C52系列，如圖4-1所示。

在Keil uVision2中新建一個(gè)文本并保存，擴(kuò)展名為.c，如圖4-2所示。

將新建的文本添加到所建工程中，如圖4-3所示。

在添加進(jìn)去的文本中輸入寫(xiě)好的程序后編譯，顯示無(wú)誤后自動(dòng)生成16進(jìn)制文件，此文件才可放入proteus中進(jìn)行仿真，如圖4-4所示。

使用proteus仿真軟件對(duì)硬件電路進(jìn)行仿真，將編譯好的程序放入單片機(jī)中開(kāi)始運(yùn)行程序。并通過(guò)按鍵檢驗(yàn)各個(gè)功能的實(shí)現(xiàn)，從而完成設(shè)計(jì)中所有要求的仿真。

以下演示各模塊電路的proteus仿真。

當(dāng)飲水機(jī)通電后，電源指示燈亮，此時(shí)各模塊均通電，才能保證飲水機(jī)的正常工作。如圖4-5所示。

在通電狀態(tài)下按下出水鍵，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，表示飲水機(jī)開(kāi)始出水，如圖4-6所示。

在通電狀態(tài)下按下加熱鍵，飲水開(kāi)始加熱，加熱指示燈(黃色)亮，再次按下加熱鍵則停止加熱，指示燈滅，如圖4-7所示。

本設(shè)計(jì)采用4個(gè)LED來(lái)顯示當(dāng)前的水溫或設(shè)定的水溫，當(dāng)前水溫由DS18B20檢測(cè)到的溫度決定，如圖4-8所示。此時(shí)顯示溫度為55℃。

(1)當(dāng)水加熱至沸騰后，飲水機(jī)報(bào)警電路工作，使其自動(dòng)停止加熱并蜂鳴器響起、紅燈亮表示報(bào)警，如圖4-9；

(2)當(dāng)水加熱至設(shè)定溫度時(shí)，報(bào)警電路工作，使其自動(dòng)停止加熱并紅燈亮報(bào)警，如圖4-10。此時(shí)設(shè)定溫度為35℃。

DS18B20的測(cè)溫精度為0.5℃，其精度完全能滿足飲水機(jī)的測(cè)溫需求，其測(cè)溫范圍是-55℃～+125℃，但在此次設(shè)計(jì)中只要求顯示的水溫范圍是0℃～100℃，因?yàn)樗疁剡_(dá)到100℃時(shí)沸騰自動(dòng)停止加熱。

通過(guò)軟件和硬件的仿真，各部分電路均能按照設(shè)計(jì)要求運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的所有要求，說(shuō)明本設(shè)計(jì)完全符合設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的目的，設(shè)計(jì)成功。

本次智能飲水機(jī)的控制系統(tǒng)改良設(shè)計(jì)，主要是針對(duì)目前市面上飲水機(jī)某些方面的不足進(jìn)行改良設(shè)計(jì)。本文主要是針對(duì)目前絕大多數(shù)飲水機(jī)只具有一般的加熱、保溫功能，已經(jīng)很難滿足消費(fèi)者不斷提高的要求，所以我們有必要對(duì)其進(jìn)行改良設(shè)計(jì)，使他能夠滿足人們生活水平不斷提高的要求。

本文主要介紹了按鍵控制飲水機(jī)的總體設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及調(diào)試方法。通過(guò)不斷的設(shè)計(jì)調(diào)試及改良，選出最優(yōu)方案，所選方案具有功能強(qiáng)、精度高、可靠性好、穩(wěn)定性高、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)的飲水機(jī)除按鍵控制之外，還具有防干燒、設(shè)定溫度、故障報(bào)警等功能。

在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我發(fā)現(xiàn)自己許多不足的地方。不過(guò)通過(guò)邊學(xué)習(xí)邊做畢業(yè)設(shè)計(jì)使我掌握了單片機(jī)的軟、硬件基礎(chǔ)知識(shí)，全面的提高了使用proteus軟件進(jìn)行硬件仿真的能力以及使用Keil uVision2軟件進(jìn)行程序編譯的能力。在不斷提高我的自學(xué)能力，分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力的同時(shí)也考驗(yàn)了我們借助互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)搜集、查閱相關(guān)書(shū)籍資料，和組織材料的綜合能力；在學(xué)習(xí)新知識(shí)時(shí)，從基礎(chǔ)學(xué)起。在這次設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)、設(shè)計(jì)、制作與調(diào)試過(guò)程中，遇到了不少麻煩和困難，通過(guò)不斷的查閱資料分析解決，另外自己解決不了的問(wèn)題向指導(dǎo)老師請(qǐng)教， 使我能順利完成這次畢業(yè)設(shè)計(jì)！

畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)我們知識(shí)運(yùn)用能力的一次全面的考核, 也是對(duì)我們進(jìn)行科學(xué)研究基本功的訓(xùn)練, 培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)獨(dú)立地分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力, 為以后撰寫(xiě)專(zhuān)業(yè)學(xué)術(shù)論文和工作打下良好的基礎(chǔ)。

本篇論文雖然凝聚著自己的汗水，但卻不是個(gè)人智慧的產(chǎn)品，沒(méi)有導(dǎo)師的指引和幫助，沒(méi)有父母和朋友的幫助和支持，我在大學(xué)的學(xué)術(shù)成長(zhǎng)肯定會(huì)大打折扣。本次設(shè)計(jì)能夠順利完成,首先我要感謝我的母�！�—河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院,是他為我們提供了學(xué)習(xí)知識(shí)的沃土,使我們?cè)谶@里茁壯成長(zhǎng);其次我要感謝電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)院的老師們,他們不僅教會(huì)我們專(zhuān)業(yè)方面的知識(shí),而且教會(huì)我們做人做事的道理;尤其要感謝在本次設(shè)計(jì)中給與我大力支持和幫助的李輝老師,每有問(wèn)題,老師總是耐心的解答,使我能夠充滿熱情的投入到畢業(yè)設(shè)計(jì)中去;還要感謝我的同學(xué)們,他們熱心的幫助,使我感到了來(lái)自兄弟姐妹的情誼; 最后還要感謝相關(guān)資料的編著者和給予我們支持的社會(huì)各界人士, 感謝您們?yōu)槲覀兲峁┮粋�(gè)良好的環(huán)境,使本次設(shè)計(jì)圓滿完成。

再次由衷感謝答辯組的各位老師對(duì)學(xué)生的指導(dǎo)和教誨，我也在努力的積蓄著力量，盡自己的微薄之力回報(bào)母校的培育之情，爭(zhēng)取使自己的人生對(duì)社會(huì)產(chǎn)生些許積極的價(jià)值！