基于51單片機(jī)的測(cè)溫并遙控控制繼電器的設(shè)計(jì)論文

目錄

摘要

ABSTRACT

第1章 引言

第2章 系統(tǒng)功能需求分析與設(shè)計(jì)方案選擇

2.1 系統(tǒng)功能需求分析

2.2 方案選擇

2.3 本章小結(jié)

第3章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電源電路

3.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)說明

3.3 溫度檢測(cè)電路

3.4 人機(jī)交互電路

3.4.1 鍵盤接口電路

3.4.2 顯示電路

3.5 紅外一體接收模塊

3.6 報(bào)警電路

3.7本章小結(jié)

第4章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 主程序流程圖

4.2 液晶顯示程序設(shè)計(jì)

4.2.1寫操作時(shí)序圖

4.2.2 初始化程序

4.2.3 向LCD1602發(fā)送數(shù)據(jù)程序設(shè)計(jì)

4.3按鍵掃描程序設(shè)計(jì)

4.4溫度控制程序設(shè)計(jì)

4.4.1初始化DS18B20

4.4.2讀取DS18B20當(dāng)前溫度

4.5控制程序策略設(shè)計(jì)

4.6本章小結(jié)

第5章 仿真與調(diào)試

第6章 總結(jié)

致謝

參考文獻(xiàn)

附錄

第1章 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，城鎮(zhèn)居民家庭多數(shù)以更加安全方便的電熱水器代替了燃?xì)鉄崴�器；從前風(fēng)光無限的燃?xì)鉄崴�器因污染原因和安全問題逐漸退出了我們的視線；新興的太陽能熱水器雖然受到安裝條件和天氣原因的限制，但其安全、節(jié)約、環(huán)保的特性廣受消費(fèi)者青睞，發(fā)展態(tài)勢(shì)迅猛。電熱水器相較于燃?xì)鉄崴�器和太陽能熱水器的�?yōu)點(diǎn)：便于安裝，不受外部天氣的影響，不受樓層和供水管道的限制，加熱速度快也更加有安全保障，正是因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)大部分家庭選擇電熱水器。由于技術(shù)在不斷的發(fā)展，對(duì)各種嵌入式設(shè)備的要求也越來越高了，與此同時(shí)熱水器的智能化發(fā)展也非常迅速。人們已經(jīng)不能滿足傳統(tǒng)熱水器非智能的操作方式，再這樣的背景下，本次設(shè)計(jì)將要設(shè)計(jì)一款智能化的熱水器設(shè)備。通過熱水器智能的調(diào)控可以完成自動(dòng)斷電的安全功能，同時(shí)設(shè)置的有紅外遙控的功能，可以滿足用戶的遙感的要求�？旖莘奖�，使人們洗浴時(shí)能放心享受，安全便捷，其性能滿足人們對(duì)現(xiàn)代生活快節(jié)奏的需求。

STC89C51的內(nèi)部資源非常豐富，而且功能強(qiáng)大。STC89C51集成以下功能STC89C52最后一個(gè)字符“1”代表了該存儲(chǔ)芯片的Flash容量大小為4k字節(jié)。同時(shí)它內(nèi)部集成256字節(jié)片內(nèi)RAM，RAM主要用于程序變量的存儲(chǔ)，256字節(jié)可以適用于小型的程序運(yùn)行。32個(gè)數(shù)據(jù)I/O 接口，這些接口在用于普通功能時(shí)用來完成數(shù)據(jù)通信。這些I/O口有的還有復(fù)用功能，這在后面會(huì)介紹到。1個(gè)看門狗定時(shí)器，起到監(jiān)測(cè)程序運(yùn)行狀況的作用。2 個(gè)數(shù)據(jù)指針，一個(gè)堆棧指針，一個(gè)程序PC指針。三個(gè)16位定時(shí)器，大部分要配合中斷來實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能，主要作用是計(jì)時(shí)的。三個(gè)16位計(jì)數(shù)器，用于監(jiān)測(cè)脈沖跳變次數(shù)或者其他計(jì)數(shù)。6個(gè)中斷源，中斷在單片機(jī)的內(nèi)部資源中占有很重要的部分，有了中斷程序可以高效率的執(zhí)行。全雙工串行口，通過串口來和其他主機(jī)通信，起到通訊作用。[1]借助于STC89C51單片機(jī)的強(qiáng)大功能，來控制真?zhèn)�系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運(yùn)行，STC89C51單片機(jī)作為此次系統(tǒng)的控制芯片，通過圍連接顯示模塊以、數(shù)據(jù)輸入模塊，紅外線傳輸模塊以及報(bào)警電路完成此次的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)第一章主要描述了加熱電熱水器控制系統(tǒng)的應(yīng)用背景、目的和意義；第二章是控制系統(tǒng)的需求分析和設(shè)計(jì)方案的選擇，主要包括控制器方面的選擇；第三章介紹了控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)；第四章主介紹了控制系統(tǒng)軟件方面的設(shè)計(jì)；第五章進(jìn)行了控制系統(tǒng)的仿真和測(cè)試；第六章主要是對(duì)該系統(tǒng)存在的問題以及解決的方案進(jìn)行總結(jié)。

第2章 系統(tǒng)功能需求分析與控制方案選擇

根據(jù)預(yù)想所要達(dá)到的控制要求有：（1）用LCD1602液晶顯示水溫、設(shè)置上下限和定時(shí)時(shí)間。（2）水溫檢測(cè)顯示范圍為00～99℃，精度為±1℃。（3）溫度設(shè)置區(qū)間為0度到99度，系統(tǒng)不斷檢測(cè)當(dāng)前水溫，如果水溫高于用戶設(shè)定的數(shù)值，則系統(tǒng)自動(dòng)斷電，不在加熱。如果水溫低于用戶設(shè)定的數(shù)值，則系統(tǒng)不會(huì)斷電，繼續(xù)加熱。(4）設(shè)置4個(gè)程序按鍵。分別為設(shè)置按鍵、加鍵、減鍵、確定鍵。（5）可以紅外遙控，通過紅外一體接收探頭接收遙控器信號(hào)，執(zhí)行與主板按鍵同等功能。由此可以確定兩種方案進(jìn)行比較選擇。

在此次的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要是通過溫度傳感器測(cè)得的數(shù)據(jù)，通過和單片機(jī)的連接引腳完成數(shù)據(jù)的傳輸。單片機(jī)通過采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度值的判斷，來控制加熱器的運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)顯示使用的是LCD1602液晶顯示屏，來顯示實(shí)時(shí)溫度的數(shù)值。報(bào)警指示燈（黃）：當(dāng)熱水器出現(xiàn)異常情況時(shí)，該指示燈被點(diǎn)亮。

系統(tǒng)在通電之后，單片機(jī)內(nèi)部的PC指針指向程序運(yùn)行的區(qū)域，首先開始的是溫度傳感器的初始化，在完成溫度初始化任務(wù)之后，系統(tǒng)就處于檢測(cè)判斷狀態(tài)。檢測(cè)按鍵的發(fā)生以及溫度是否超出設(shè)定區(qū)域。首先進(jìn)行溫度數(shù)值的判斷，接著繼續(xù)檢測(cè)溫度按鍵，若無按鍵，則接著上一步的執(zhí)行（以新的設(shè)定值開始工作）。若有按鍵，則重新設(shè)定溫度范圍，如此循環(huán)。

方案一：以STC89C51單片機(jī)為控制中心的智能電熱水器。

主控模塊在整個(gè)系統(tǒng)中是最中心的部分，承擔(dān)著統(tǒng)籌的作用，需要檢測(cè)鍵盤等各種參數(shù)，以及驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的顯示。[2]在本次設(shè)計(jì)中我選用了51系列單片機(jī)中的STC89C51單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片。因?yàn)閱纹瑱C(jī)功能強(qiáng)大，應(yīng)用廣，從小的電子產(chǎn)品到大的工業(yè)控制都有很廣泛的應(yīng)用。

STC89C系列單片機(jī)兼容性很好。除了單片機(jī)內(nèi)部擴(kuò)展資源不同之外，其余資源都相同。比如說52類型的單片機(jī)比51類型的單片機(jī)E2PROM擴(kuò)大了2倍，以及內(nèi)部隨機(jī)數(shù)存儲(chǔ)器RAM增大些之外，其余功能全部一樣。也就是說STC89S系列單片機(jī)基礎(chǔ)功能都具備，并且引腳位置，中斷地址，以及定時(shí)器方式都是一樣的，唯一不同的是擴(kuò)展的功能。由于單片機(jī)在不同場(chǎng)合控制的復(fù)雜度不一樣，所以對(duì)單片機(jī)內(nèi)部資源配置也不同。以便于適應(yīng)于多種場(chǎng)合使用，而且選擇合適的單片機(jī)型號(hào)，可以節(jié)約成本。當(dāng)然，資源豐富的單片機(jī)價(jià)格也要稍貴一些。   

此類單片機(jī)以EEPROM電可檫除和Flash技術(shù)為主導(dǎo)的存儲(chǔ)器單片機(jī)以FLASH作為存儲(chǔ)器的好處很明顯，F(xiàn)lash可擦出次數(shù)多，一般很少因?yàn)椴脸�程序超出擦除Flash次數(shù)而損害單片機(jī)的。單片機(jī)的存儲(chǔ)器除了可以存儲(chǔ)程序，還可以運(yùn)行程序，但是不能存儲(chǔ)程序中的某些變量。這樣可以加快程序的執(zhí)行速度，提高單片機(jī)的效率。STC89系列的單片機(jī)具有以下特性：

（1）單片機(jī)引出的多個(gè)I/O口，使數(shù)據(jù)交換更加方便。

（2）采用靜態(tài)時(shí)鐘模式。單片機(jī)外部連接晶振電路，通過晶振里面的震蕩電路給單片機(jī)提供時(shí)鐘脈沖。時(shí)鐘脈沖為單片機(jī)的程序執(zhí)行提供了時(shí)鐘節(jié)拍，在一個(gè)時(shí)鐘節(jié)拍下，單片機(jī)的PC指針取一個(gè)指令執(zhí)行，從而完成程序的順序執(zhí)行。

（3）可以應(yīng)用于較小系統(tǒng)設(shè)計(jì)，或者定制用于專用的系統(tǒng)控制器，對(duì)需要控制的系統(tǒng)提供一種便捷的處理方法。

（4）通過定時(shí)器和計(jì)數(shù)器，可以設(shè)置時(shí)間間隔和記錄電壓變化次數(shù)。

（5）可以使用匯編語言設(shè)計(jì)的程序，其執(zhí)行的效率更加高效。以達(dá)到節(jié)約單片機(jī)內(nèi)部寶貴的資源為目的。

（6）單片機(jī)的品種多，可以選用不同內(nèi)部資源部處理器，達(dá)到節(jié)約成本的目的。

下面具體介紹STC89C51芯片的參數(shù)：

STC89C51是一個(gè)8位微控制器，芯片內(nèi)部已經(jīng)集成4K字節(jié)存儲(chǔ)區(qū)域的Flash,可以直接運(yùn)行程序。STC89S51采用的是51系列的內(nèi)核它與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。單片機(jī)的P0口。如果要改變P0口的輸出電平值時(shí)，要在在單片機(jī)的相應(yīng)寄存器里寫入數(shù)據(jù)1時(shí)，單片機(jī)就會(huì)把相對(duì)應(yīng)的端口輸出高電平。如果在相應(yīng)的寄存器里面寫入0，單片機(jī)就會(huì)在相對(duì)應(yīng)的端口輸出定電平。比如在P0的寄存器地址上寫入P0=0x01，則P0.1口位置就會(huì)輸出高電平；如果P0=0x00，則P0口位置就會(huì)輸出低電平。同理，外部線路提供低電壓則可以通過該引腳讀出低電壓，單片機(jī)內(nèi)部對(duì)該位的寄存器就會(huì)被寫入0。由于P0口輸出電流較小，所以需要上拉電阻來提供驅(qū)動(dòng)電流。

單片機(jī)的P1口。P1口外部不用設(shè)置上拉電阻，P1口的能夠提供20MA的驅(qū)動(dòng)電流，所以可以直接對(duì)P1口的寄存器寫值。P1口一般沒有復(fù)用接口，在STC其他的單片機(jī)中有P1口的復(fù)用引腳，用來設(shè)置定時(shí)器PWM波的輸出，或者單片機(jī)內(nèi)部AD電壓值的采集端口。在本次心率計(jì)的設(shè)計(jì)中，并沒有用到PWM的功能，所以選擇的芯片為傳統(tǒng)的51內(nèi)核單片機(jī)。在沒有復(fù)用功能的單片機(jī)引腳，只有引腳的高電平和低電平輸入輸出功能，以及對(duì)單片機(jī)引腳的電壓值讀取功能。功能類似于P0口，如果要控制P1口的電平輸出值，就要對(duì)P1口的地址寄存器寫入數(shù)據(jù)。

P2口可以作為普通I/O功能也可以用作第二功能。當(dāng)P2口作為普通I/O口輸入輸出時(shí)，同P0、P1口一樣，只是對(duì)該位的引腳輸出高電平和低電平的操作。當(dāng)P2口作為第二功能使用時(shí)，P2口作為外部存儲(chǔ)區(qū)域的高八位地址線。當(dāng)單片機(jī)的內(nèi)部存儲(chǔ)區(qū)的容量不夠時(shí)，就要采取外部連接存儲(chǔ)芯片的辦法來擴(kuò)充單片機(jī)的存儲(chǔ)容量。[3]由于單片機(jī)的程序存儲(chǔ)區(qū)域可以直接運(yùn)行程序，單片機(jī)的內(nèi)部可以直接尋址找到程序所在的地址，在連接單片機(jī)外部外部存儲(chǔ)芯片時(shí)，要和芯片的讀取地址相對(duì)應(yīng)，所以外部存儲(chǔ)的連接位置是不可改變的，從而確定P2作為復(fù)用引腳的地址位置。通過對(duì)P2口地址的訪問，可以讀取外部存儲(chǔ)芯片中的數(shù)據(jù)，也可以對(duì)相應(yīng)的地址為寫入數(shù)據(jù)。外部連接的存儲(chǔ)芯片的大小可以選擇，通常選用的標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)程序的大小來決定的。

P3口是一個(gè)可復(fù)用的端口。P3口的第一功能是作為數(shù)據(jù)的輸入輸出，通過對(duì)P3口的地址寫入數(shù)據(jù)，從而控制高低電平的變化。當(dāng)單片機(jī)設(shè)置了第二功能是，單片機(jī)的第一功能就不再工作，兩種模式只能選用其中的一種。

另外P3口還可以設(shè)置第二功能。STC89C51單片機(jī)內(nèi)部集成了6個(gè)中斷。中斷的作用是使程序更高效的執(zhí)行，其中兩個(gè)外部中斷通過外部引腳進(jìn)行觸發(fā)，提供感知外部的電壓變化進(jìn)入中斷。定時(shí)器一共有3個(gè)中斷，這些中斷是單片機(jī)的內(nèi)部中斷，根據(jù)設(shè)置相關(guān)的寄存器來觸發(fā)定時(shí)器中斷。[4]中斷的相應(yīng)與設(shè)置的相應(yīng)中斷標(biāo)志位有關(guān)，一旦中斷響應(yīng)，就立即進(jìn)入用戶寫的中斷程序中。另外一個(gè)是串口中斷，來檢測(cè)串口接收或者發(fā)送數(shù)據(jù)的。串口對(duì)于單片機(jī)來說是一個(gè)與外界通訊的接口。有了串口，可以完成單片機(jī)對(duì)PC的通訊，或者單片機(jī)對(duì)單片機(jī)的通訊。通過串口傳輸數(shù)據(jù)，完成對(duì)單片機(jī)的控制任務(wù)。

通過上面所述，可以知道STC89C51單片機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制能力強(qiáng)、可靠性高、體積小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。下圖為以STC89C51單片機(jī)為控制芯片的系統(tǒng)連接圖：

方案二：PIC16C72單片機(jī)為控制器件的智能電熱水器。

PIC16C72是一款8位芯片。它的片內(nèi)資源要比51單片機(jī)豐富，它的片機(jī)集成A/D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)有大容量的程序存儲(chǔ)器以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)。但是它的成本比較貴。通過上面的綜合考慮，這次設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，并不需要處理器片內(nèi)豐富的資源，這次寫入的程序較小，普通的51單片機(jī)就足以應(yīng)付這次的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但考慮到成本控制和軟硬件實(shí)現(xiàn)難度，采用方案一的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較方便快捷，可以進(jìn)一步提高電熱水器的智能作用，能夠保證持續(xù)的熱水供應(yīng)，并可以滿足人們?nèi)粘Ｉ�活的需要，提高了人們生活的質(zhì)量。

本章主要對(duì)此次設(shè)計(jì)的家用電熱水器控制系統(tǒng)的控制器方案選擇上做了決定，最終決定使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制能力強(qiáng)、可靠性高、體積小、價(jià)格低的STC89C51單片機(jī)作為控制器。

第3章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本章節(jié)的硬件設(shè)計(jì)主要是系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)以及為控制芯片的外圍電路設(shè)計(jì)。下面首先介紹系統(tǒng)電源電路的設(shè)計(jì)：

下圖為系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)流程圖：

系統(tǒng)供電電壓各部分簡(jiǎn)介：

（1）對(duì)電壓降壓

由于市電的電壓值較高，單片機(jī)不能直接使用，所以在進(jìn)行電壓處理之前應(yīng)先進(jìn)行電壓的降壓操作。

（2）整流濾波電路

電壓進(jìn)過變壓器的電壓轉(zhuǎn)化之后電壓值雖然穩(wěn)定在5V左右，但是輸出的是交流電。需要把交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟�，這一步就需要設(shè)計(jì)整流濾波電路。

（3）穩(wěn)壓電路

當(dāng)電流經(jīng)過整流濾波之后電壓并不穩(wěn)定，單片機(jī)需要一個(gè)穩(wěn)定的電源這是的電源對(duì)單片機(jī)的系統(tǒng)穩(wěn)定性不利。所以需要通過一個(gè)穩(wěn)壓芯片把電壓穩(wěn)定下拉。[5]本次設(shè)計(jì)采用的芯片是7805。通過這個(gè)芯片可以控制電壓的穩(wěn)定輸出。下圖為穩(wěn)壓芯片的電路連接圖：

圖3.2 可調(diào)穩(wěn)壓電路原理圖

圖3.3 7805三端穩(wěn)壓電源電路

需要特別注意的是，單片機(jī)需要輸入較為穩(wěn)定的電壓波形，雖然穩(wěn)壓器7805輸出電壓波形比較穩(wěn)定，但是為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，防止突發(fā)事件的產(chǎn)生，需要在其輸入端與輸出端加濾波電容，濾除不需要波形，防止燒壞系統(tǒng)器件，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

下面主要介紹單片機(jī)最小系統(tǒng)的兩個(gè)外圍電路：

時(shí)鐘電路：晶振電路是單片機(jī)程序運(yùn)行的基礎(chǔ)，晶振振動(dòng)頻率決定單片機(jī)的程序執(zhí)行速率。晶振作為單片機(jī)的時(shí)鐘節(jié)拍。有兩種時(shí)鐘產(chǎn)生方式，一種成為內(nèi)部時(shí)鐘，另一種稱為外部時(shí)鐘。為了使單片機(jī)的功耗消耗較小，本系統(tǒng)使用的是外部時(shí)鐘電路。片機(jī)內(nèi)部集成了一個(gè)震蕩電路，在X1和X2引腳連接晶振，并且在晶振的兩端加上電容，給單片機(jī)上電，就可以完成單片機(jī)晶振起振，本系統(tǒng)選擇的晶振是12MHZ。

復(fù)位電路：復(fù)位電路，負(fù)責(zé)單片機(jī)的程序復(fù)位。當(dāng)程序運(yùn)行到某個(gè)內(nèi)存區(qū)域時(shí)，使用者不愿意程序繼續(xù)執(zhí)行下去，選擇復(fù)位引腳，使程序恢復(fù)到0地址存儲(chǔ)區(qū)域執(zhí)行。當(dāng)復(fù)位電路中的按鍵按下時(shí)，會(huì)給兩個(gè)電容充電，使RST引腳的電壓升高時(shí)間長(zhǎng)達(dá)單片機(jī)的一個(gè)時(shí)鐘周期，就可以完成單片機(jī)程序的復(fù)位。

圖3.4 單片機(jī)最小系統(tǒng)

溫度傳感器DS18B20體積特別小，硬件開銷相對(duì)較低，測(cè)量精度比較高，而且抗干擾能力特別強(qiáng)。DS18B20是全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出，單總線數(shù)據(jù)通信，最高能達(dá)到12位分辨率，檢測(cè)的溫度范圍大，是開發(fā)有關(guān)溫度產(chǎn)品的極佳選擇。[6]其主要功能特性如下：

（1）獨(dú)特的1-Wire總線接口僅需要一個(gè)管腳來通信。

（2）具有多路采集的能力使得對(duì)于分布式溫度的采集和應(yīng)用更加簡(jiǎn)便。

（3）無需其他外部器件。

（4）能夠通過數(shù)據(jù)線進(jìn)行供電，供電范圍為3.0V至5.5V。

（5）待機(jī)時(shí)無損耗。

（6）可測(cè)量溫度的范圍為：-55℃至+125℃（-67℉至+257℉）。

（7）溫度以9 位數(shù)字量讀出

（8）如果測(cè)量溫度的范圍超過-10℃至85℃之外時(shí)，具有+-0.5℃的精度。

（9）使用者用于對(duì)溫度報(bào)警功能的設(shè)置。

（10）使用者設(shè)置警報(bào)溫度的溫度值，用于報(bào)警功能。

DS18B20芯片內(nèi)部有一個(gè)測(cè)量溫度的傳感器，它是溫度傳輸?shù)幕�礎(chǔ)；一個(gè)存儲(chǔ)芯片的固有信息的ROM區(qū)；用于存儲(chǔ)芯片的ID等信息；一個(gè)RAM存儲(chǔ)區(qū)，用于芯片的溫度數(shù)據(jù)以及一些寄存器數(shù)值的存放；還有一個(gè)警報(bào)電路。其工作原理為：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(hào)送給計(jì)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(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。                           

溫度傳感器接單片機(jī)時(shí)只需要用到一個(gè)I/O口，連接單片機(jī)的I/O口時(shí)沒有特殊的要求，當(dāng)芯片連接單片機(jī)時(shí)，單片機(jī)通過單總線協(xié)議，從這一個(gè)I/O口里讀取或者寫入數(shù)據(jù)。但是不管是哪種方法，I/O口都要接上4.7kΩ左右的上拉電阻。下圖為溫度傳感器的電路連接圖：

圖3.5 測(cè)溫模塊

按鍵的設(shè)計(jì)常用的有兩種，一個(gè)按鍵連接一個(gè)I/O，這是獨(dú)立按鍵，另一種是矩陣排布。各有優(yōu)點(diǎn)，首先，獨(dú)立按鍵可以直接連接到中斷引腳。這樣設(shè)置好單片機(jī)的相應(yīng)中斷位，就可以用按鍵來觸發(fā)中斷。這樣做的好處是：程序可以很快的去執(zhí)行所需要的功能，對(duì)按鍵的相應(yīng)速度很快�？梢赃_(dá)到按下按鍵就可以觸發(fā)相應(yīng)的事件。另外獨(dú)立按鍵可以減少程序負(fù)擔(dān)，不用掃描相應(yīng)的位置，這樣可以加快程序的執(zhí)行，相對(duì)來說，對(duì)程序的編寫難度也會(huì)有所下降。如果使用矩陣連接鍵盤的方法，它的好處是節(jié)約微控制器的I/O資源。比如說25個(gè)按鍵可以連接5個(gè)接口就可以。用程序的掃描辦法，是可以實(shí)現(xiàn)的。比如說用到的按鍵數(shù)量較少，當(dāng)然選用獨(dú)立按鍵的辦法，這樣可以減少程序復(fù)雜度，也不會(huì)浪費(fèi)單片機(jī)的I/O資源。[7]當(dāng)然如果按鍵較多，那就必須使用矩陣按鍵要不然，單片機(jī)只能連接幾個(gè)按鍵，而其他外設(shè)就連接不上。

按鍵的使用也需要注意。因?yàn)楝F(xiàn)在用的大多數(shù)按鍵用的是輕觸按鍵。當(dāng)按下之后按鍵兩端的電路接通。當(dāng)松開之后，按鍵的兩端電路斷開。這樣就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)抖動(dòng)現(xiàn)象。因?yàn)閱纹瑱C(jī)采集速度較快，當(dāng)按下按鍵到按鍵彈起這段時(shí)間內(nèi)可能會(huì)產(chǎn)生多次跳動(dòng)。對(duì)數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生不可預(yù)估的變動(dòng)。這要通過程序做相應(yīng)的延時(shí)來消除機(jī)械抖動(dòng)。在本次設(shè)計(jì)中所使用的是四個(gè)獨(dú)立的按鍵，接口電路如下圖所示：

圖3.6 鍵盤電路

本次設(shè)計(jì)的顯示模塊使用的是LCD1602，下面介紹這款液晶顯示器以及接口電路。

（1）顯示原理介紹

1602顯示屏可以顯示16×2個(gè)單元，每個(gè)單元有8×8=64的點(diǎn)組成。其中8為Y坐標(biāo)的點(diǎn)數(shù)，8為X坐標(biāo)的點(diǎn)數(shù)，根據(jù)點(diǎn)數(shù)的亮滅組成相應(yīng)的圖形。把需要點(diǎn)亮的點(diǎn)數(shù)寫入顯示屏內(nèi)部寄存器中，顯示器自動(dòng)在屏幕上打印出預(yù)想的圖像。

（2）字符的顯示

用LCD顯示一個(gè)字符時(shí)，字符顯示對(duì)應(yīng)一個(gè)顯示單元，因?yàn)橐粋�(gè)字符由8×8點(diǎn)陣組成的圖形，所以可以顯示相應(yīng)簡(jiǎn)單的字符。如果想要在顯示屏上顯示一個(gè)字符就要在相應(yīng)的點(diǎn)上寫1，這樣對(duì)應(yīng)的點(diǎn)就點(diǎn)亮，根據(jù)點(diǎn)的排列，就顯示出了字符。比較方便的是控制器里面自帶有字符存儲(chǔ)器，寫字符時(shí)，可以直接讀取這些字符的存儲(chǔ)位置，就可以得到相應(yīng)的字符顯示。字符存儲(chǔ)器里面存儲(chǔ)了160個(gè)字符，字符種類豐富，可以顯示一些簡(jiǎn)單的界面。

（3）漢字的顯示

漢字的顯示要用到電腦上面的取模軟件，先對(duì)漢字取模（就是對(duì)各個(gè)點(diǎn)的顯示，形成一些編碼，復(fù)制到程序的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)區(qū)），之后把用取模軟件得到的數(shù)據(jù)寫到LCD的CGRAM中，讀取相應(yīng)的位置，就可以在屏幕上打印出所需要的漢字。LCD1602顯示屏內(nèi)部集成了地址命令，這些地址命令控制顯示字符圖像的位置。通過寫命令寫入地址，就可以在顯示屏的地址的位置寫入數(shù)據(jù)，[8]把數(shù)據(jù)寫入CGRAM，就可以在液晶顯示字符圖像。

在對(duì)液晶顯示屏寫數(shù)據(jù)和寫命令之前，要先對(duì)液晶顯示屏進(jìn)行初始化，初始化是通過命令表查得想要初始化的功能來設(shè)置的。初始化操作包括液晶的顯示位置、光標(biāo)是否打、屏幕是否左右移動(dòng)、是否指針每讀一位自動(dòng)加一、是否清屏等等命令。

圖3.7 單片機(jī)與LCD1602的應(yīng)用電路

LCD1602液晶顯示器廠家已經(jīng)在CGRAM存儲(chǔ)器里面固化好160個(gè)字符的圖形。如圖2-13所示，看以看出存儲(chǔ)的字符有0~9的數(shù)字、26個(gè)大小寫英文字母、以及一些特殊字符。觀察下圖不難發(fā)現(xiàn)，字符的位置都有一個(gè)相對(duì)的編碼，這個(gè)編碼就是寫入液晶顯示屏的數(shù)據(jù)數(shù)值。比如大寫的英文字母“O”的代碼是01001111（二進(jìn)制），液晶顯示屏就會(huì)把對(duì)應(yīng)地址中的字符打印到屏幕上，就可以看到字母“O”。下表為L(zhǎng)CD1602的引腳功能圖以及和單片機(jī)的接口電路圖：

表3-1 引腳接口說明表

1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令，如表所示：

表3-2 指令說明

發(fā)送的遠(yuǎn)程控制功能指令代碼通常使用多一些二進(jìn)制串行代碼及其編碼規(guī)則:脈沖頭,代碼系統(tǒng),數(shù)據(jù)代碼、數(shù)據(jù)補(bǔ)充和結(jié)束。第一個(gè)脈沖作為一幀命令的起始位置,系統(tǒng)代碼是用來區(qū)分不同類型的電氣設(shè)備,數(shù)據(jù)代碼是用來完成命令的功能。一個(gè)是數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)代碼逆向代碼。[9]

紅外線的一束光的長(zhǎng)度是固定的。而一束紅外光里面有包含著豐富的信息，通過對(duì)這些信息的判斷，可以分析出發(fā)送方要發(fā)送的信號(hào)。紅外通訊的0和1通過不同的編碼來表示。紅外采集電路如圖：

圖3.8 遙控接收模塊

當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到溫度傳感器輸入的溫度值大于當(dāng)前系統(tǒng)設(shè)置的溫度值時(shí)，在蜂鳴器的連接引腳輸出一個(gè)高電平，這是蜂鳴器發(fā)聲，反之，蜂鳴器不發(fā)聲。

圖3.9 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路

本章主要對(duì)系統(tǒng)的應(yīng)用電路進(jìn)行介紹，主要說明了系統(tǒng)電源電路，處理器的外圍電路，加熱電路，以及聲音提示電路和溫度采集電路等部分，電源電路為系統(tǒng)提供+12Ｖ和＋５Ｖ的電源，人機(jī)交互電路負(fù)責(zé)單片機(jī)和外界的信息交流；溫度控制電路實(shí)現(xiàn)控制水溫；聲音提示電路負(fù)責(zé)熱水器在非安全狀態(tài)下工作時(shí)發(fā)出聲響提示用戶。硬件設(shè)計(jì)部分主要是完成以上電路的設(shè)計(jì)，包括各個(gè)電路的理論分析以及各個(gè)電路與單片機(jī)的連接等等。

第4章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)資源分配如表所示，列出了本系統(tǒng)使用STC89C51單片機(jī)的所有I/O口資源，包括了人機(jī)交互模塊，溫度檢測(cè)模塊以及聲音提示模塊等。

表4-1 I/O口資源分配表

本系統(tǒng)采用STC89C51單片機(jī)為核心控制器對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制，其控制過程如下：首先通過人機(jī)交互模塊設(shè)定系統(tǒng)的控制策略，然后通過溫度檢測(cè)模塊檢測(cè)水箱中的溫度，同時(shí)通過溫度控制�？刂葡到y(tǒng)的加熱模塊工作。并將熱水器中的溫度值實(shí)時(shí)的顯示到顯示屏上。[10]系統(tǒng)的主程序主要完成的是對(duì)各全局變量進(jìn)行定義，對(duì)時(shí)鐘與時(shí)間的初始化，調(diào)用子函數(shù)的功能，流程圖如圖4.1所示。

通過閱讀LCD1602的芯片手冊(cè)可以得知，液晶屏：LCD1602的顯示模式一般設(shè)置為16×2顯示，8位數(shù)據(jù)接口顯示狀態(tài)；光標(biāo)顯示可按實(shí)際需求和個(gè)人偏好設(shè)定。

圖4.2是LCD1602寫操作時(shí)序圖，分析可知LCD1602液晶的流程如下：LCD1602顯示屏內(nèi)部集成了地址命令，這些地址命令控制顯示字符圖像的位置。通過寫命令寫入地址，就可以在顯示屏的地址的位置寫入數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)寫入CGRAM，就可以在液晶顯示字符圖像。

圖4.1 xxx主程序流程圖

圖4.2 寫操作時(shí)序圖

LCD1602初始化包括初始化以下寄存器：顯示模式寄存器、光標(biāo)設(shè)置寄存器和移屏寄存器。顯示模式寄存器通常設(shè)置16×2顯示；光標(biāo)設(shè)置可以設(shè)置是光標(biāo)顯示或者是光標(biāo)不顯示方式；整屏移動(dòng)可以設(shè)置整屏移動(dòng)或者不移動(dòng)。LCD1602初始化程序流程圖如圖所示：

圖4.3  LCD1602初始化程序流程圖

通過上面的子程序調(diào)用，可以向LCD1602內(nèi)部輸入一個(gè)8位的地址，之后在調(diào)用一個(gè)寫入數(shù)據(jù)的子函數(shù)，就可以完成在對(duì)應(yīng)地址上寫入一個(gè)字符。

考慮到用戶在進(jìn)行按鍵操作時(shí)，按下及松開的瞬間都容易產(chǎn)生抖動(dòng)現(xiàn)象，造成單次按鍵操作時(shí)按鍵端口電平多次跳變。采取按下按鍵延時(shí)判斷或者中斷法都可以克服按鍵的抖動(dòng)與窄脈沖的干擾影響，采取硬件措施加以克服需要增加額外的元件，本設(shè)計(jì)采用軟件措施完成去抖動(dòng)和防干擾處理。[11]本設(shè)計(jì)采用定時(shí)中斷掃描的方式進(jìn)行按鍵檢測(cè)，通過單片機(jī)的定時(shí)中斷，每隔10ms掃描一次按鍵端口狀態(tài)，按鍵檢測(cè)過程中無需一直監(jiān)視按鍵端口或執(zhí)行額外的延時(shí)程序，節(jié)省了單片機(jī)的CPU資源和中斷資源。按鍵掃描程序流程圖如圖所示。

圖4.4 按鍵掃描程序流程圖

溫度傳感器的信號(hào)傳輸，使用的是單總線的產(chǎn)生方法，通過芯片手冊(cè)介紹的時(shí)序以及延時(shí)間隔，可以完成溫度數(shù)據(jù)的采集。

首先要進(jìn)行DS18B20芯片的初始化，通過芯片的初始化，可以設(shè)置本次需要傳輸溫度的精度，以及溫度值的轉(zhuǎn)換的速度。下圖為芯片的初始化時(shí)序圖：

圖4.5 DS18B20初始化時(shí)序圖

圖4.6 DS18B20初始化流程圖

硬件電路連接好以后，只需要按照下面過程操作即可讀出溫度數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中只對(duì)一個(gè)DS18B20進(jìn)行控制。[12]本次選取的溫度精度為11位，由于該芯片內(nèi)部的存儲(chǔ)器是八位的，所以需要分兩次讀取溫度的數(shù)據(jù)。通過溫度的一位運(yùn)算，最終輸出準(zhǔn)確的溫度值。溫度轉(zhuǎn)換流程圖如圖4.7所示。

整個(gè)熱水氣的控制系統(tǒng)主要分為三步來執(zhí)行單片機(jī)內(nèi)部的程序，首先利用溫度傳感器來采集外界的溫度數(shù)值，接著通過單片機(jī)的程序判斷是否達(dá)到溫度的臨界值，通過判斷的結(jié)果來執(zhí)行對(duì)熱水器的加熱裝置的控制。這個(gè)三個(gè)步驟不斷重復(fù)，使整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)所需的控制目標(biāo)。

圖4.7 讀取DS18B20溫度流程圖

下面介紹各個(gè)按鍵的功能：

“功能鍵”用于切換數(shù)值項(xiàng)的可調(diào)狀態(tài)。第一次按下定時(shí)器變?yōu)榭烧{(diào)，再次按下溫度上限變?yōu)榭烧{(diào)，再次按下溫度下限變?yōu)榭烧{(diào)。此為一個(gè)循環(huán)，直至“確認(rèn)鍵”按下，保存當(dāng)前設(shè)置，跳出菜單。

“加鍵”和“減鍵”用來調(diào)整設(shè)定的時(shí)間和溫度。當(dāng)前狀態(tài)為可調(diào)狀態(tài)時(shí)每按一次“加鍵”和“減鍵”，被設(shè)置的數(shù)據(jù)值遞增或遞減。調(diào)整溫度值時(shí)以1℃為調(diào)整單位，調(diào)整時(shí)間時(shí)以1分鐘為調(diào)整單位。

“確定鍵”用于推出當(dāng)前的可調(diào)狀態(tài)，保存當(dāng)前設(shè)定數(shù)值并運(yùn)行程序。

本章根據(jù)電路原理圖進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，對(duì)各個(gè)子程序進(jìn)行了相關(guān)的原理分析。其中，詳細(xì)的介紹了控制策略程序、液晶顯示屏LCD1602操作程序和讀取DS18B20溫度值程序。這樣整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)部分就完成了。

第5章 仿真與調(diào)試

Proteus產(chǎn)品系列包含了革命性的VSM技術(shù)，用戶可以對(duì)基于微控制器的設(shè)計(jì)連同所有的周圍電子器件一起仿真，用戶甚至可以實(shí)時(shí)采用諸如LED/LCD、鍵盤、RS232終端等動(dòng)態(tài)外設(shè)模型來對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行交互仿真。ISIS提供給用戶圖形外觀包括線寬、填充類型、字符等的全部控制，使用戶能夠生成如雜志上看到一樣精美的原理圖，遠(yuǎn)勝過CAD軟件繪制出的稀薄的線條。畫完圖可以以圖形文件輸出，或者拷貝到剪切板以便其他文件使用。[13]這就使得ISIS成為制作技術(shù)文件，學(xué)術(shù)論文，項(xiàng)目報(bào)告的理想工具，也是PCB設(shè)計(jì)的一個(gè)出色的前端，其畫圖的外形由風(fēng)格模板定義。根據(jù)硬件設(shè)計(jì)和軟件編程，可以在Proteus軟件上進(jìn)行仿真，模擬實(shí)際運(yùn)行結(jié)果，下圖為仿真電路圖：

圖5.1 仿真電路

調(diào)試流程如下：按鍵→上電復(fù)位→水溫檢測(cè)→數(shù)碼管顯示→下載程序運(yùn)行。程序調(diào)試分為三個(gè)部分：按鍵調(diào)試，指示燈顯示調(diào)試，及數(shù)碼管顯示調(diào)試。在具體仿真的過程中，按鍵調(diào)試時(shí)，應(yīng)注意按鍵的次序，首先是溫度+鍵，然后測(cè)試溫度-鍵，否則有時(shí)會(huì)出現(xiàn)數(shù)碼管顯示延時(shí)現(xiàn)象，這種情況主要跟程序設(shè)計(jì)有關(guān)。基于編程方面有些薄弱的情況，應(yīng)該嚴(yán)格按照按鍵次序進(jìn)行調(diào)試。指示燈調(diào)試時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)指示燈無顯示或者不明顯、亮度不夠的情況，這是由于指示燈電壓過低造成的，應(yīng)盡量避免。數(shù)碼管顯示時(shí)，只要前兩個(gè)步驟進(jìn)行順利，數(shù)碼管就可以正常顯示。由于本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立式按鍵，主程序調(diào)試結(jié)束后，各部分運(yùn)行正常，能夠顯示水溫結(jié)果。另外，本次設(shè)計(jì)采用的溫度檢測(cè)模塊，檢測(cè)精度不高，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)溫度跳躍式顯示，比如：有時(shí)此時(shí)刻溫度顯示為39攝氏度，下一時(shí)刻會(huì)顯示46攝氏度。此種情況出現(xiàn)的原因是由于溫度檢測(cè)模塊的內(nèi)阻過熱，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果不夠準(zhǔn)時(shí)和準(zhǔn)確。這是硬件方面的問題，暫時(shí)還沒有找到可替換的模塊，所以無法解決，但不影響整體的效果。按此流程對(duì)系統(tǒng)在不同的溫度條件下工作情況進(jìn)行測(cè)試。

本設(shè)計(jì)的控制要求使熱水器內(nèi)部水溫保持在用戶所需要的溫度范圍內(nèi)，仿真設(shè)置溫度范圍為29攝氏度到35攝氏度，當(dāng)前溫度低于29攝氏度時(shí)，加熱電路工作，水溫升高直至35攝氏度，此時(shí)加熱電路停止工作；當(dāng)環(huán)境溫度再次低于29攝氏度時(shí)再次加熱直至35攝氏度，循環(huán)往復(fù)使溫度保持在29攝氏度到35攝氏度之間。設(shè)置當(dāng)前溫度設(shè)置為20攝氏度，低于溫度下限29攝氏度，此時(shí)報(bào)警電路工作，發(fā)出報(bào)警聲音，繼電器閉合，工作指示燈亮起，加熱電路工作。

圖5.2 低于下限溫度運(yùn)行狀況

設(shè)置當(dāng)前溫度為32攝氏度，在29攝氏度到35攝氏度范圍之間，此時(shí)報(bào)警電路不工作，加熱電路不工作。

圖5.3 上下限溫度間運(yùn)行狀況

設(shè)置當(dāng)前溫度為40攝氏度，高于溫度上限35攝氏度，此時(shí)報(bào)警電路工作，發(fā)出報(bào)警聲音，加熱電路不工作。

圖5.4 高于上限溫度運(yùn)行狀況

仿真結(jié)果顯示，熱水器在溫度低于溫度下限時(shí)報(bào)警加熱；溫度高于溫度上限時(shí)報(bào)警不加熱；溫度在溫度上下限之間時(shí)不報(bào)警不加熱；熱水器在各種溫度條件下工作正常，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

第6章 總結(jié)

踉踉蹌蹌地忙碌了兩個(gè)月，畢業(yè)設(shè)計(jì)課題也終將告一段落。電熱水器也基本達(dá)到預(yù)期的功能。但由于能力和時(shí)間的關(guān)系，總是覺得有很多不盡如人意的地方，譬如功能不全、外觀粗糙、做工簡(jiǎn)陋、安全性能較低等問題。但做一件事情，不必過于在乎最終的結(jié)果，可貴的是過程中的收獲。在進(jìn)行此次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，通過多次去圖書館進(jìn)行查閱對(duì)各方面的知識(shí)有了一定的了解，比如單片機(jī)之間紅外通信傳輸、溫度采集和處理；在制作過程中，通過對(duì)元件放置位置選擇、連線選擇和萬用板焊接，動(dòng)手制作的能力大大提升。通過對(duì)單片機(jī)的學(xué)習(xí)和使用，知道了以后發(fā)展的方向和道路，只有真正的去動(dòng)手操作才能把課堂學(xué)習(xí)到的理論知識(shí)去熟練的運(yùn)用和提高，為以后的工作和學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，才能更進(jìn)一步。也希望以后的學(xué)習(xí)工作中可以做的更好，能夠彌補(bǔ)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中所發(fā)現(xiàn)的，不能熟練運(yùn)用學(xué)習(xí)到的理論知識(shí)，思考問題過于片面，動(dòng)手制作能力有待提高等問題，這也是畢業(yè)設(shè)計(jì)的初衷，發(fā)現(xiàn)自己的不足并提高自己的能力，成為一個(gè)各方面全面發(fā)展，對(duì)社會(huì)有貢獻(xiàn)的人。

致謝

感謝老師從選題到最終完成對(duì)我進(jìn)行的幫助，老師細(xì)致嚴(yán)謹(jǐn)、一絲不茍的作風(fēng)一直是我學(xué)習(xí)的榜樣；循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪。這篇論文的每個(gè)細(xì)節(jié)和每個(gè)數(shù)據(jù)，都離不開老師細(xì)心指導(dǎo)。同時(shí)也要感謝室友們對(duì)我的幫助，正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個(gè)一個(gè)的困難和疑惑，直至本文順利的完成

在論文即將完成之際，我的心情無法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的老師、同學(xué)、朋友給了我?guī)椭�和支持，在這里接受我誠(chéng)摯的謝意。

附錄

控制系統(tǒng)總電路圖：