隨著社會的發(fā)展和人類生活水平的提高，浴室逐漸普及化，另外一些公共場合、公共浴室耶相當(dāng)普遍，但現(xiàn)有浴室中的淋浴裝置存在一定的問題：舊式的淋浴器水溫不太穩(wěn)定，調(diào)節(jié)不方便，從而給人們洗澡造成了一些不便，也存在一定的浪費現(xiàn)象。隨著微機測量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，以單片機為核心的溫度采集與控制系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用在很大程度上提高了生產(chǎn)生活中對溫度的控制水平。 本方案主要論述了一種以STC89C52單片機為主控制單元，以DS18B20為溫度傳感器的溫度控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)以加熱器和電風(fēng)扇為控制對象，以MCS-51單片機為控制核心，進行了軟硬件的設(shè)計。
硬件電路由PROTEL設(shè)計制作，主要設(shè)計了溫度數(shù)據(jù)采集、LCD1602顯示、溫度超限報警提示、升降溫控制和溫度按鍵設(shè)置五個硬件部分。軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方案，主要編寫了溫度數(shù)據(jù)采集、液晶顯示驅(qū)動、溫度超限報警、溫度上下限按鍵設(shè)置和升降溫控制五個部分。該設(shè)計控制器使用單片機STC89C52，測溫傳感器使用DS18B20，用1602LCD液晶顯示實現(xiàn)溫度顯示，升降溫單元采用加熱器和電風(fēng)扇，報警提示電路采用聲光報警。
本設(shè)計實現(xiàn)的主要功能如下： ①顯示當(dāng)前水溫 ②通過按鍵調(diào)節(jié)水溫 ③當(dāng)溫度超過了溫度上下限的時候的，有聲光報警裝置進行提示
本設(shè)計可以分為以下幾個模塊： 溫度采集模塊、鍵盤調(diào)節(jié)模塊、顯示模塊、報警模塊以及單片機最小系統(tǒng)。
系統(tǒng)設(shè)計框圖如下圖1所示：
圖1 系統(tǒng)設(shè)計框架
三、具體實現(xiàn)方案 1、溫度數(shù)據(jù)采集電路 目前，在工業(yè)、民用業(yè)控制的很多領(lǐng)域，溫度監(jiān)控普遍是利用熱敏電阻組成的測溫電路，經(jīng)過A/D與D/A轉(zhuǎn)換后實現(xiàn)測溫，但是由于熱敏電阻的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致測溫易受外界干擾、且精度不高。DS18B20數(shù)字溫度傳感器是Dallas公司生產(chǎn)的1-Wire，即單總線器件，具有線路簡單、體積小的特點。因此用它組成一個測溫系統(tǒng)，具有線路簡單，通過1根通信線可以掛很多這樣的數(shù)字溫度傳感器，十分方便。 本系統(tǒng)選擇的溫度傳感元件是美國DALLAS公司推出的智能化數(shù)字式溫度傳感器DS18B20。采用外接電源供電方式對DS18B20進行供電。溫度測量電路如圖2所示。 圖2 溫度測量電路 DS18B20采用外部供電方式，為保證在有效的DS18B20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，接了一個4.7kΩ的上拉電阻。當(dāng)DS1SB20處于寫存儲器操作和溫度A/D轉(zhuǎn)換操作時，必須有上拉電阻，上拉開啟時間最大為10us。DS18B20在空閑時，其DQ口由一個4.7kΩ的上拉電阻置為高電平。本系統(tǒng)采用封裝為TO-92的DS18b20。DS1SB20只有3根外部引線：共用地線GND；單線的數(shù)據(jù)傳輸端口DQ；外部供電的電源線VCC。
2、單片機的最小系統(tǒng)設(shè)計思路： （1）單片機的選型：本設(shè)計采用STC89C52單片機。STC89系列單片機是MCS?51系列單片機的派生品。它們在指令系統(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源上與標(biāo)準(zhǔn)8051單片機完全兼容，DIP40封裝系列與8051為pin-to-pin兼容。STC89系列單片機高速（最高時鐘頻率90MHz），低功耗，在系統(tǒng)中應(yīng)用可編程（ISP，IAP），不占用用戶資源。 STC89C52系列單片機引腳功能分類單片機引腳結(jié)構(gòu)圖如下： 
圖3 STC89C52引腳結(jié)構(gòu)圖 （2）、時鐘電路的設(shè)計 MCS-51系列單片機HMOS器件內(nèi)含有一個高增益的反相放大器，通過XTAL1、XTAL2外接作為反饋元件的晶體后，構(gòu)成自激振蕩器。 接法如圖所示 
圖4 單片機的時鐘電路原理圖 振蕩器的振蕩頻率主要取決于晶體；電容對振蕩頻率有微調(diào)作用，通常在30pF左右。電容的安裝位置應(yīng)盡量靠近單片機芯片。 （3）、復(fù)位電路的設(shè)計 單片機在啟動運行時都需要復(fù)位，以便CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于某一確定的初始狀態(tài)，并從該狀態(tài)開始工作。MCS-51系列單片機的復(fù)位（RST）引腳上只要出現(xiàn)了10ms以上的高電平，單片機就實現(xiàn)復(fù)位。復(fù)位的功能是把程序計數(shù)器PC值初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。除此之外，復(fù)位操作還對一些特殊功能寄存器的值有影響。 MCS-51系列單片機系統(tǒng)常常有上電復(fù)位和操作復(fù)位兩種方法。上電復(fù)位是指單片機上電瞬間，要在RST引腳上出現(xiàn)寬度大于10ms的正脈沖，才能使單片機進入復(fù)位狀態(tài)。操作復(fù)位是指用戶按下“復(fù)位”按鈕使單片機進入復(fù)位狀態(tài)[4]。本系統(tǒng)中這兩種復(fù)位電路（如圖5）都體現(xiàn)出來了。 
圖5 單片機的復(fù)位電路原理圖 上電時，+5V電源立即對單片機芯片供電，同時經(jīng)R對電容C充電。C上電建立的過程就是負脈沖的寬度，經(jīng)過倒相后，RST上出現(xiàn)正脈沖使單片機實現(xiàn)上電復(fù)位。 當(dāng)按鈕S0按下時，RST上同樣出現(xiàn)高電平，實現(xiàn)復(fù)位。
（4）、單片機的最小系統(tǒng)總體設(shè)計 由單片機、時鐘電路、復(fù)位電路和電源等就組成了能使單片機實現(xiàn)基本功能的電路就叫做單片機的最小系統(tǒng)。如下圖6所示 
圖6 單片機的最小系統(tǒng)
3、溫度傳感器 由于DS18B20具有獨特的單總線接口方式在淋浴房測溫時有明顯的優(yōu)勢，占用單片機的I/O引腳資源少，和單片機的連接電路比較簡單，成本較低，傳輸距離遠，和其他數(shù)字溫度傳感器相比，它更適合本系統(tǒng)，所以，本系統(tǒng)選用DS18B20為溫度測量的傳感器。 DS18B20主要由四部分組成：64位光刻ROM數(shù)據(jù)存儲器、溫度傳感器、非易失性電可擦寫溫度報警觸發(fā)器TH、TL以及非易失性電可擦寫設(shè)置寄存器。 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖所示： 
圖7 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu) 如圖7所示，該器件只有3根外部引腳，其中VDD和GND為電源引腳，另一根DQ線則用作I/O總線，因此稱為一線式數(shù)據(jù)總線。與單片機接口的每個I/O口可掛接多個 DS18B20器件。DS18B20是DS1820的升級產(chǎn)品，一般封裝為TO- 92，比DS1820的PR-35封裝更小。DS18B20只有三根外部引線：單線數(shù)據(jù)傳輸端口DQ、共用地線GND、外供電源線VDD。 
圖8 DS18B20的封裝形式 4、顯示器 字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數(shù)字、符號等點陣式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊，本設(shè)計使用的是長沙太陽人電子有限公司的1602字符型液晶顯示器。顯示容量為16×2個字符；芯片工作電壓是4.5—5.5V；工作電流為2.0mA（5.0V）；模塊最佳工作電壓是5.0V；字符尺寸為2.95×4.35（W×H）mm。 顯示器原理圖部分如下： 
圖9
一般1602字符型液晶顯示器實物如圖10所示。  圖10 LCD1602實物圖
5、溫度超限報警設(shè)計 在某些時刻，系統(tǒng)的控制參數(shù)可能處于某種緊急狀態(tài)或反常狀態(tài)下，為了充分引起人們的注意，以便及時進行處理，避免不必要的事故產(chǎn)生，往往需要有某種能對人們提起警覺的報警信號產(chǎn)生，這種報警信號通常有三種類型：閃光報警、鳴音報警、語音報警。本系統(tǒng)采用簡單易行的聲光報警電路。 
圖11 報警環(huán)節(jié)的電路原理圖 在本系統(tǒng)中設(shè)置了單路報警信號，蜂鳴器報警和紅色LED亮燈報警信號都由單片機的P1.6口接入，由于接入的信號較小，就用PNP型三極管（型號為S8550）將輸入信號放大，具體如圖2.3所示。其報警的過程為：當(dāng)水溫值超過設(shè)定的上下限時，Pl.6輸出為低電平，當(dāng)發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)聲報警，同時LED3也亮燈報警，相關(guān)人員注意到報警情況后就可以做出相應(yīng)的調(diào)整。 6、升降溫控制 當(dāng)系統(tǒng)的檢測到的溫度超過某設(shè)定溫度值或者降低到某設(shè)定值以下的時候，就要做相應(yīng)的處理，用繼電器把溫度提高，或者用風(fēng)扇進行排風(fēng)操作來達到降溫的目的，由于器材的有限，就暫時用兩個發(fā)光二極管代替繼電器和風(fēng)扇。 
圖12 7、溫度按鍵設(shè)計 系統(tǒng)需對室溫上下限的值進行設(shè)定，這就需要應(yīng)用按鍵來實現(xiàn)。按鍵鍵盤有獨立式按鍵和矩陣式鍵盤兩種形式。根據(jù)實際情況，本系統(tǒng)采用獨立式鍵盤設(shè)計。其接口電路如圖2.5所示。溫度上下限按鈕控制部分由三個接觸式開關(guān)控制溫度上下限的調(diào)節(jié)。三個開關(guān)分別和單片機的P1.1、P1.2、P3.2相連。采用中斷掃描方式識別按鍵。在初始化系統(tǒng)時，首先是將固化在存儲器中的初始溫度設(shè)定值賦給定義的數(shù)據(jù)緩存變量。當(dāng)按下S3鍵以后，外部中斷0產(chǎn)生中斷。通過服務(wù)程序掃描P1.1、P1.2口，讀入相應(yīng)按鍵數(shù)據(jù)，經(jīng)過運算修改數(shù)據(jù)緩存變量，并送LCD進行顯示。若按下復(fù)位按鍵時即顯示初始設(shè)置值。開關(guān)控制是低電平有效，單片機的P1.1、P1.2、P3.2的三個端均為高電平，當(dāng)其中任意一個按鈕按下是，則按鈕對應(yīng)的端口接地，高電平變?yōu)榈碗娖健?/p> 
圖13 溫度上下限調(diào)節(jié)電路原理圖 三個按鈕控制功能如下： S1：作為選擇調(diào)節(jié)上限，還是下限的啟動鍵。 S2：作為溫度上下限值的調(diào)節(jié)按鍵。 S3：作為進入調(diào)節(jié)狀態(tài)啟動鍵。
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2019-1-10 03:26 上傳
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