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,對飲水機(jī)的性能要求也不斷提高。為了滿足人們對飲水機(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。它還具有過熱保護(hù)及防干燒功能等。
隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,單片機(jī)技術(shù)已成為計算機(jī)技術(shù)中的一個獨特的分支,單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)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(jīng)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(dāng)大一部分可以用單片機(jī)予以實現(xiàn),傳統(tǒng)的電路設(shè)計方法已演變成軟件和硬件相結(jié)合的設(shè)計方法。在實際應(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),以實現(xiàn)系統(tǒng)的自動檢測與控制。
本文所設(shè)計的智能飲水機(jī)就是單片機(jī)結(jié)合傳感器的一個簡單應(yīng)用。該系統(tǒng)設(shè)計綜合單片機(jī)以及電子技術(shù)理論,從生活實際出發(fā),完善了飲水機(jī)的功能。整個設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)三個功能,即加熱、對溫度上下限的控制和定時加熱。與傳統(tǒng)的飲水機(jī)相比,由于采用了自動檢測和控制的電子設(shè)計技術(shù),可較好地實現(xiàn)對水溫的測量和控制,具有較廣泛的應(yīng)用前景。
目錄
隨著“信息時代”的到來,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)域越來越廣泛,對其要求越來越高,需求越來越迫切。傳感器技術(shù)已成為衡量一個國家科學(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)量和生物量等信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺沟萌藗兛梢岳糜嬎銠C(jī)實現(xiàn)自動測量、信息處理和自動控制,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)過適當(dāng)?shù)慕涌陔娐氛{(diào)整才能滿足信號的處理、顯示和控制的要求,而且只有通過對傳感器應(yīng)用實例的原理和智能傳感器實例的分析了解,才能將傳感器和信息通信和信息處理結(jié)合起來,適應(yīng)傳感器的生產(chǎn)、研制、開發(fā)和應(yīng)用。另一方面,傳感器的被測信號來自于各個應(yīng)用領(lǐng)域,每個領(lǐng)域都為了改革生產(chǎn)力、提高工效和時效,各自都在開發(fā)研制適合應(yīng)用的傳感器,于是種類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。
為了提高對傳感器的認(rèn)識和了解,尤其是對溫度傳感器的深入研究以及其用法與用途,基于實用、廣泛和典型的原則而設(shè)計了本系統(tǒng)。本文利用單片機(jī)結(jié)合溫度傳感器加以簡單的按鍵控制及顯示等功能實現(xiàn)了對智能飲水機(jī)的控制,為我們對單片機(jī)系統(tǒng)的學(xué)習(xí)提供了很好的真實素材。
本設(shè)計實用性及綜合性比較強(qiáng),設(shè)計系統(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)境溫度檢測系統(tǒng)、實驗室溫度監(jiān)控系統(tǒng)等等。課題主要任務(wù)是完成水溫檢測并利用單片機(jī)實現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)并加以顯示、報警、鎖定等功能。該系統(tǒng)具有操作方便,控制靈活、實用等優(yōu)點。
本設(shè)計系統(tǒng)包括溫度傳感器,鍵盤輸入模塊,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)動電路等部分。文中對每個部分功能、實現(xiàn)過程作了詳細(xì)介紹。整個系統(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)問世以來,在中國的發(fā)展趨勢逐年增加。飲水機(jī)的使用量逐年增長,隨著人們生活水平的提高,人們對其功能的要求也越來越高,所以,對智能飲水機(jī)的需求就逐漸顯現(xiàn)了出來。
飲水機(jī)是采用瓶裝水或者自來水經(jīng)凈水器凈化作為水源,利用電能對其進(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)具有飲水時尚、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、清潔衛(wèi)生、價廉物美等優(yōu)點。
在飲水機(jī)進(jìn)入高潮的今天,市場十分活躍,然而,消費者對飲水機(jī)的選擇不是停留在過去的眼光,而是高標(biāo)準(zhǔn),不僅實用而且要求外形脫俗,跟上時代潮流步伐,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。
可以這樣說,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,無所不在。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用型兩類。家用電器多采用專用型單片機(jī),如日本NEC公司開發(fā)的7500系列和75X00系列4位單片機(jī)、美國國家半導(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Zilog公司的Z8系列以及日本富士通公司的MB88系列等專用型單片機(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。
單片機(jī)在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛, 在很多電子產(chǎn)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(jī),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(jī)功能單一、能耗較大、長時間飲用飲水機(jī)的水對健康不利等缺點逐漸暴露出來。
傳統(tǒng)的飲水機(jī)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。在沒有人使用的時候飲水機(jī)也處在開機(jī)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(jī)里的水會對健康不利。由于廣泛使用的飲水機(jī)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。
本此設(shè)計的基于AT89S52的多功能飲水機(jī), 采用DS18B20實現(xiàn)溫度采集,經(jīng)過LED顯示, 讀數(shù)直觀、準(zhǔn)確。并且程序存儲器E2PROM可以很容易的實現(xiàn)軟件升級, 從軟件方面提高儀器精度。同時可以對加熱溫度進(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)計的智能飲水機(jī)具有過熱保護(hù)防干燒、加熱至沸騰、設(shè)置溫度加熱、超溫報警提示、安全鎖定、電動機(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)控制開始加熱和停止加熱;③鎖定鍵:按下鎖定鍵,其他按鍵無效;④切換健:按下后開始設(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,電源燈點亮;②加熱指示燈(黃色):按下加熱鍵,加熱指示燈點亮,表示燒水開始工作。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超溫報警燈(紅色):燈點亮表示水已經(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:響起后說明水以沸騰并停止加熱。
該設(shè)計的主要內(nèi)容主要包括設(shè)計方向的選擇、設(shè)計題目的確定、設(shè)計方法的研究與比較,選擇最優(yōu)方案后開始進(jìn)行硬件設(shè)計和軟件設(shè)計以及最終的仿真調(diào)試。其中硬件設(shè)計包括器件的選定,各模塊功能的設(shè)計與實現(xiàn),以及最終各功能模塊與單片機(jī)的連接構(gòu)成一個整體系統(tǒng)并能滿足設(shè)計要求;軟件設(shè)計主要是通過編寫C語言程序?qū)纹瑱C(jī)進(jìn)行控制使其按照程序運行從而實現(xiàn)各模塊的功能滿足設(shè)計的要求;最終通過Keil uVision2編譯軟件將寫好的程序編譯成為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)計的正確性。
2 智能飲水機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1 智能飲水機(jī)的總體設(shè)計整個硬件系統(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,包括對鍵盤的信息的接收和控制,對其他功能電路的控制等,通過軟件編程實現(xiàn)預(yù)定功能;傳感器部分即檢測子系統(tǒng),主要是進(jìn)行飲水機(jī)中水的溫度檢測和控制,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)討論每個功能模塊的設(shè)計思想和硬件電路的實現(xiàn)。
主機(jī)單元由AT89S52單片機(jī)和相關(guān)的存儲器組成,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)采集過程、采集方式和報警過程的控制。是整個系統(tǒng)的核心處理器,單片機(jī)首先把通過傳感器測到的現(xiàn)場溫度與預(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,就輸出信號去控制加熱器的工作,從而實現(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,可直接將被測溫度轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號,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)完成各項功能。
AT89S52具有8k字節(jié)Flash閃速存儲器,256字節(jié)內(nèi)部RAM,32個I/O口線,3個16位定時/計數(shù)器,一個6向量兩級中斷結(jié)構(gòu),一個全雙工串行通信口,片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時,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?臻e方式停止CPU的工作,但允許RAM,定時/計數(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)下一個硬件復(fù)位。
2.3.1 AT89S52功能特性描述
(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存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(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,看門狗定時器,2個數(shù)據(jù)指針,一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu),全雙工串行口,片內(nèi)晶振及時鐘電路。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?臻e模式下,CPU停止工作,允許RAM、定時器/計數(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,直到一個中斷或硬件復(fù)位為止。
(3)AT89S52有40個引腳,32個外部雙向輸入/輸出(I/O)端口,同時內(nèi)含8個中斷口,3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口,2個讀寫口線。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存儲器結(jié)合在一起,可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。
2.3.2 AT89S52晶振電路的設(shè)計每個單片機(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)所必須的時鐘頻率,單片機(jī)的一切指令的執(zhí)行都是建立在這個基礎(chǔ)上的,晶振的提供的時鐘頻率越高,那單片機(jī)的運行速度也就越快。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精度可達(dá)百萬分之五十,高級的精度更高。
晶振電路中的兩個電容叫做負(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,晶振的頻率就是在它提供的負(fù)載電容下測得的,能最大限度的保證頻率值的誤差。也能保證溫漂等誤差。兩個電容的取值都是相同的,或者說相差不大,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)計中XTAL1和XTAL2端外接石英晶體作為定時元件,內(nèi)部反向放大器自激振蕩,產(chǎn)生時鐘。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。
2.4 測溫電路的設(shè)計
DS18B20的外形及管腳排列圖如下圖2-3所示。
(1)GND 地信號
(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,此引腳必須接地。
2.4.2 DS18B20主要性能
(1)獨特的單線接口方式,DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊;
(2)測溫范圍 -55℃~+125℃,固有測溫分辨率0.5℃;
(3)支持多點組網(wǎng)功能,多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上,最多只能并聯(lián)8個,如果數(shù)量過多,會使供電電源電壓過低,從而造成信號傳輸?shù)牟环(wěn)定,實現(xiàn)多點測溫;
(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。
2.4.3 DS18B20功能特性描述DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存RAM和一個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)的存儲器,結(jié)構(gòu)如表2-1所示。前兩個字節(jié)包含測得的溫度信息,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,可用來檢驗數(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試模式,DS--18B20出廠時該位被設(shè)置為0,用戶可改動,R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù),來設(shè)置分辨率。
字節(jié)數(shù) | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
存儲信息 | LSB | MSB | TH 1 | TL 2 | 配置寄存器 | 保留 | 保留 | 保留 | CRC |
R1 | R0 | 分辨率/位 | 溫度最大轉(zhuǎn)換時間/ms |
0 | 0 | 9 | 93.75 |
0 | 1 | 10 | 187.5 |
1 | 0 | 11 | 375 |
1 | 1 | 12 | 750 |
TM | R1 | R0 | 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
由表2-2可見,DS18B20分辨率越高,所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間越長。當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后,開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后,溫度值就以16位帶符號的二進(jìn)制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第1、2字節(jié)。單片機(jī)可以通過單線接口讀出該數(shù)據(jù),讀數(shù)據(jù)時低位在先,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溫度的測量,以12位轉(zhuǎn)化為例。其中S為符號位。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)符號位S=0時,表示測得的溫度值為正值,可以直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制;當(dāng)符號位S=1時,表示測得的溫度值為負(fù)值。表2-5是部分溫度值對應(yīng)的二進(jìn)制度數(shù)據(jù)。
溫度℃ | 二進(jìn)制表示 | 十六進(jìn)制表示 |
+125 | 0000011111010000 | 07D0H |
+85 | 0000010101010000 | 0550H |
+25.0625 | 0000000110010000 | 0191H |
+10.125 | 0000000010100001 | 00A2H |
+0.5 | 0000000000000010 | 0008H |
0 | 0000000000001000 | 0000H |
-0.5 | 1111111111110000 | FFF8H |
-10.125 | 1111111101011110 | FF5EH |
-25.025 | 1111111001101111 | FE6FH |
2.4.4 DS18B20供電方式
(1)DS18B20寄生電源供電方式電路
DS18B20采用寄生電源供電時,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DS18B20在溫度轉(zhuǎn)換期間工作電流達(dá)到1mA,當(dāng)幾個溫度傳感器掛在同一根I/O線上進(jìn)行多點測溫時,靠上拉電阻是無法提供足夠的能量,會造成無法轉(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,會使測量的誤差變大。
(2)DS18B20的外部電源供電方式
DS18B20采用外部供電時,I/O線不需要強(qiáng)上拉電壓,同時在總線上可以掛接多個DS18B20傳感器,組成多點測溫系統(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,否則仿真錯誤。
比較上述兩種供電方式后認(rèn)為外部電源供電方式對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)位和手動復(fù)位電路。
AT89S52是美國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)擦寫的只讀程序存儲器(PEROM)和128B的隨機(jī)存取數(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(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存儲單元,功能強(qiáng)大AT89S52單片機(jī)可為您提供許多高性價比的應(yīng)用場合,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74LS373的通斷進(jìn)行按鍵信號的傳輸,當(dāng)74LS373被鎖定時,按鍵信號不能傳入單片機(jī),從而達(dá)到按鍵的鎖定作用。
LED數(shù)碼管實際上是由七個發(fā)光管組成8字形構(gòu)成的,加上小數(shù)點就是8個。這些段分別由字母a、b、c、d、e、f、g、p來表示。當(dāng)數(shù)碼管特定的段加上電壓后,這些特定的段就會發(fā)亮,以形成我們眼睛看到的字樣了。如:顯示一個“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)碼管的顯示筆畫常用一個發(fā)光二極管組成,而大尺寸數(shù)碼管是由二個或多個發(fā)光二極管組成,一般情況下,單個發(fā)光二極管的管壓降為1.8V左右,電流不超過30mA。發(fā)光二極管的陽極連接到一起連接到電源正極稱為共陽極數(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。 顯示電路見圖2-7。
LED數(shù)碼管引腳共陰和共陽兩種方式:
電源VCC通過1個1K的排阻與LED相連,VCC串接個電阻后和GND接在任意2個腳上,組合有很多,但總有一個LED會發(fā)光的,找到一個就夠了,然后GND不動,VCC(串電阻)逐個碰剩下的腳,如果有多個LED(一般是8個),那它就是共陰。相反用VCC不動,GND逐個碰剩下的腳,如果有多個LED(一般是8個),那它就是共陽。也可以直接用數(shù)字萬用表,將檔位撥到二極管通斷性測試檔,這時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)行逐個測試,以確定是共陽還是共陰。一般十個引腳分別為7個段加2個公共加一個小數(shù)點。公共端一般在中間或在兩邊,兩排,一排一個對稱。至于其他引腳的排序你可以自己量出來。
先假設(shè)是共陰極或共陽極,假設(shè)中間那個就是公共端,用數(shù)字萬用表逐個判斷即可,如果判斷錯誤不亮,就更改假設(shè),繼續(xù)判斷。直到假設(shè)正確,也就是說判斷正確,那么引腳的順序和位置就出來。
數(shù)碼管所使用的電流與電壓
(1)電流:靜態(tài)時,推薦使用10-15mA;動態(tài)時,16/1動態(tài)掃描時,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,使用1.9V乘以每段的芯片串聯(lián)的個數(shù);當(dāng)綠色時,使用2.1V乘以每段的芯片串聯(lián)的個數(shù)。
(1)出水控制
當(dāng)MOT輸出低電平時,三極管處于截至區(qū),集電極和發(fā)射極導(dǎo)通,接觸器常開觸點閉合,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,三極管處于截至區(qū),集電極和發(fā)射極導(dǎo)通,接觸器常開觸點閉合,線圈通電加熱。見圖2-9。
在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計時,除了系統(tǒng)硬件設(shè)計外,大量的工作就是如何根據(jù)每個生產(chǎn)對象的實際需要設(shè)計應(yīng)用程序。因此,軟件設(shè)計在微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計中占重要地位。對于本系統(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、過程控制兩個基本類型。數(shù)據(jù)處理包括:數(shù)據(jù)的采集、標(biāo)度變換等。過程控制程序主要是使單片機(jī)按一定的方法進(jìn)行計算,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)計時,通常把整個過程分成若干個部分,每一部分叫做一個模塊。所謂“模塊”,實質(zhì)上就是所完成一定功能,相對獨立的程序段,這種程序設(shè)計方法叫模塊程序設(shè)計法。
模塊程序設(shè)計法的主要優(yōu)點是:
(1)單個模塊比起一個完整的程序易編寫及調(diào)試;
(2)模塊可以共存,一個模塊可以被多個任務(wù)在不同條件下調(diào)用;
(3)模塊程序允許設(shè)計者分割任務(wù)和利用已有程序,為設(shè)計者提供方便。
本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu),由主程序、溫度檢測程序、顯示子程序、延時程序和其他相關(guān)程序等組成。
程序的初始化主要包括三個環(huán)節(jié):
(1)實現(xiàn)各種設(shè)置堆棧指針、定時器/計數(shù)器0初始化、以及開中斷、定時器/計數(shù)器啟動;
(2)實現(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,如沒有按鍵按下,則返回顯示;如有按鍵按下,則根據(jù)所按鍵實現(xiàn)相應(yīng)的操作。
人機(jī)對話功能鍵設(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:
溫度檢測運用DS18B20芯片,因為其功能全面且精度高,完全可以滿足設(shè)計要求,它將檢測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時水溫顯示出來。其程序流程圖如下:
其程序段如下:
顯示程序是負(fù)責(zé)點亮4支數(shù)碼管,并根據(jù)單片機(jī)送出的數(shù)據(jù)及時更新顯示的數(shù)據(jù),其程序流程圖如下:
其程序段如下:
鍵盤掃描程序的任務(wù)是在程序運行過程中始終不停的檢測是否有按鍵被按下,如果檢測到有按鍵被按下,則進(jìn)入與該按鍵對應(yīng)的程序運行;若該按鍵沒有被按下,則繼續(xù)檢測下一個按鍵,如此循環(huán),從而完成每一個按鍵所對應(yīng)的功能。該設(shè)計中第四個按鍵為鎖定鍵,當(dāng)檢測到鎖定鍵被按下時,其他按鍵均無效,只有當(dāng)檢測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對程序編譯的過程如下。
4.1.1 新建工程在Keil uVision2中新建一個工程,使用AT89C52系列,如圖4-1所示。
在Keil uVision2中新建一個文本并保存,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)去的文本中輸入寫好的程序后編譯,顯示無誤后自動生成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仿真軟件對硬件電路進(jìn)行仿真,將編譯好的程序放入單片機(jī)中開始運行程序。并通過按鍵檢驗各個功能的實現(xiàn),從而完成設(shè)計中所有要求的仿真。
以下演示各模塊電路的proteus仿真。
4.2.1 電源電路的仿真當(dāng)飲水機(jī)通電后,電源指示燈亮,此時各模塊均通電,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,電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動,表示飲水機(jī)開始出水,如圖4-6所示。
在通電狀態(tài)下按下加熱鍵,飲水開始加熱,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)計采用4個LED來顯示當(dāng)前的水溫或設(shè)定的水溫,當(dāng)前水溫由DS18B20檢測到的溫度決定,如圖4-8所示。此時顯示溫度為55℃。
(1)當(dāng)水加熱至沸騰后,飲水機(jī)報警電路工作,使其自動停止加熱并蜂鳴器響起、紅燈亮表示報警,如圖4-9;
(2)當(dāng)水加熱至設(shè)定溫度時,報警電路工作,使其自動停止加熱并紅燈亮報警,如圖4-10。此時設(shè)定溫度為35℃。
DS18B20的測溫精度為0.5℃,其精度完全能滿足飲水機(jī)的測溫需求,其測溫范圍是-55℃~+125℃,但在此次設(shè)計中只要求顯示的水溫范圍是0℃~100℃,因為水溫達(dá)到100℃時沸騰自動停止加熱。
通過軟件和硬件的仿真,各部分電路均能按照設(shè)計要求運行,實現(xiàn)了設(shè)計的所有要求,說明本設(shè)計完全符合設(shè)計要求,實現(xiàn)了預(yù)期的目的,設(shè)計成功。
本次智能飲水機(jī)的控制系統(tǒng)改良設(shè)計,主要是針對目前市面上飲水機(jī)某些方面的不足進(jìn)行改良設(shè)計。本文主要是針對目前絕大多數(shù)飲水機(jī)只具有一般的加熱、保溫功能,已經(jīng)很難滿足消費者不斷提高的要求,所以我們有必要對其進(jìn)行改良設(shè)計,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、硬件系統(tǒng)設(shè)計、軟件系統(tǒng)設(shè)計以及調(diào)試方法。通過不斷的設(shè)計調(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。設(shè)計的飲水機(jī)除按鍵控制之外,還具有防干燒、設(shè)定溫度、故障報警等功能。
在這次畢業(yè)設(shè)計的過程中,我發(fā)現(xiàn)自己許多不足的地方。不過通過邊學(xué)習(xí)邊做畢業(yè)設(shè)計使我掌握了單片機(jī)的軟、硬件基礎(chǔ)知識,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,分析問題、解決問題的能力的同時也考驗了我們借助互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)搜集、查閱相關(guān)書籍資料,和組織材料的綜合能力;在學(xué)習(xí)新知識時,從基礎(chǔ)學(xué)起。在這次設(shè)計的學(xué)習(xí)、設(shè)計、制作與調(diào)試過程中,遇到了不少麻煩和困難,通過不斷的查閱資料分析解決,另外自己解決不了的問題向指導(dǎo)老師請教, 使我能順利完成這次畢業(yè)設(shè)計!
畢業(yè)設(shè)計是對我們知識運用能力的一次全面的考核, 也是對我們進(jìn)行科學(xué)研究基本功的訓(xùn)練, 培養(yǎng)我們綜合運用所學(xué)知識獨立地分析問題和解決問題的能力, 為以后撰寫專業(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,但卻不是個人智慧的產(chǎn)品,沒有導(dǎo)師的指引和幫助,沒有父母和朋友的幫助和支持,我在大學(xué)的學(xué)術(shù)成長肯定會大打折扣。本次設(shè)計能夠順利完成,首先我要感謝我的母校——河南理工大學(xué)萬方科技學(xué)院,是他為我們提供了學(xué)習(xí)知識的沃土,使我們在這里茁壯成長;其次我要感謝電氣工程及其自動化學(xué)院的老師們,他們不僅教會我們專業(yè)方面的知識,而且教會我們做人做事的道理;尤其要感謝在本次設(shè)計中給與我大力支持和幫助的李輝老師,每有問題,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各界人士, 感謝您們?yōu)槲覀兲峁┮粋良好的環(huán)境,使本次設(shè)計圓滿完成。
再次由衷感謝答辯組的各位老師對學(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母校的培育之情,爭取使自己的人生對社會產(chǎn)生些許積極的價值!
元件名 | 型號 | 數(shù)量 |
電阻 | 7WATT3R9 | 若干 |
數(shù)碼管 | 7SEG-MPX2-CA | 1 |
二極管 | 1N914 | 6 |
穩(wěn)壓器 | 7805 | 1 |
單片機(jī) | AT89S52 | 1 |
按鍵 | BUTTON | 5 |
蜂鳴器 | BUZZER | 1 |
電容 | CAP | 5 |
晶振 | CRYSTAL | 1 |
繼電器 | RLY-SPNO | 2 |
發(fā)光二極管(紅) | LED-RED | 1 |
發(fā)光二極管(黃) | LED-YELLOW | 1 |
發(fā)光二極管(綠) | LED-GREEN | 1 |
發(fā)光二極管(藍(lán)) | LED-BLUE | 1 |
三極管 | FZT790A | 3 |
電阻排 | RESPACK-8 | 2 |
變壓器 | TRAN-2P2S | 1 |
導(dǎo)線 | 2.5平方厘米 | 若干 |
電機(jī) | 1 |
tigerlyt 發(fā)表于 2019-4-26 18:33
很好的作品,支持。
zealous 發(fā)表于 2019-4-28 17:39
請問有人做出來了嗎 我照著樓主的代碼和仿真圖做 沒有現(xiàn)象 不知道是哪個地方出問題了
宋小寶寶 發(fā)表于 2019-5-22 02:46
程序不夠吧
火云邪神X 發(fā)表于 2018-4-11 15:09
好帖子呀,學(xué)習(xí)了
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