隨著社會(huì)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(chǎng)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(fèi)現(xiàn)象。隨著微機(jī)測(cè)量和控制技術(shù)的迅速發(fā)展與廣泛應(yīng)用，以單片機(jī)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(duì)溫度的控制水平。
本方案主要論述了一種以STC89C52單片機(jī)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(duì)象，以MCS-51單片機(jī)為控制核心，進(jìn)行了軟硬件的設(shè)計(jì)。
硬件電路由PROTEL設(shè)計(jì)制作，主要設(shè)計(jì)了溫度數(shù)據(jù)采集、LCD1602顯示、溫度超限報(bào)警提示、升降溫控制和溫度按鍵設(shè)置五個(gè)硬件部分。軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，主要編寫了溫度數(shù)據(jù)采集、液晶顯示驅(qū)動(dòng)、溫度超限報(bào)警、溫度上下限按鍵設(shè)置和升降溫控制五個(gè)部分。該設(shè)計(jì)控制器使用單片機(jī)STC89C52，測(cè)溫傳感器使用DS18B20，用1602LCD液晶顯示實(shí)現(xiàn)溫度顯示，升降溫單元采用加熱器和電風(fēng)扇，報(bào)警提示電路采用聲光報(bào)警。
本設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)候的，有聲光報(bào)警裝置進(jìn)行提示
本設(shè)計(jì)可以分為以下幾個(gè)模塊：
溫度采集模塊、鍵盤調(diào)節(jié)模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊以及單片機(jī)最小系統(tǒng)。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如下圖1所示：
圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框架
三、具體實(shí)現(xiàn)方案
1、溫度數(shù)據(jù)采集電路
2、單片機(jī)的最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路：
（1）單片機(jī)的選型：本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)。STC89系列單片機(jī)是MCS?51系列單片機(jī)的派生品。它們?cè)谥噶钕到y(tǒng)、硬件結(jié)構(gòu)和片內(nèi)資源上與標(biāo)準(zhǔn)8051單片機(jī)完全兼容，DIP40封裝系列與8051為pin-to-pin兼容。STC89系列單片機(jī)高速（最高時(shí)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(jī)引腳功能分類單片機(jī)引腳結(jié)構(gòu)圖如下：
圖3 STC89C52引腳結(jié)構(gòu)圖
（2）、時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)
MCS-51系列單片機(jī)HMOS器件內(nèi)含有一個(gè)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(jī)的時(shí)鐘電路原理圖
振蕩器的振蕩頻率主要取決于晶體；電容對(duì)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(jī)芯片。
（3）、復(fù)位電路的設(shè)計(jì)
單片機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)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(jī)的復(fù)位（RST）引腳上只要出現(xiàn)了10ms以上的高電平，單片機(jī)就實(shí)現(xiàn)復(fù)位。復(fù)位的功能是把程序計(jì)數(shù)器PC值初始化為0000H，使單片機(jī)從0000H單元開始執(zhí)行程序。除此之外，復(fù)位操作還對(duì)一些特殊功能寄存器的值有影響。
MCS-51系列單片機(jī)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(jī)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(jī)進(jìn)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(jī)進(jìn)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(jī)的復(fù)位電路原理圖
上電時(shí)，+5V電源立即對(duì)單片機(jī)芯片供電，同時(shí)經(jīng)R對(duì)電容C充電。C上電建立的過程就是負(fù)脈沖的寬度，經(jīng)過倒相后，RST上出現(xiàn)正脈沖使單片機(jī)實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。
當(dāng)按鈕S0按下時(shí)，RST上同樣出現(xiàn)高電平，實(shí)現(xiàn)復(fù)位。
（4）、單片機(jī)的最小系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
由單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路和電源等就組成了能使單片機(jī)實(shí)現(xiàn)基本功能的電路就叫做單片機(jī)的最小系統(tǒng)。如下圖6所示
圖6 單片機(jī)的最小系統(tǒng)
3、溫度傳感器
由于DS18B20具有獨(dú)特的單總線接口方式在淋浴房測(cè)溫時(shí)有明顯的優(yōu)勢(shì)，占用單片機(jī)的I/O引腳資源少，和單片機(jī)的連接電路比較簡單，成本較低，傳輸距離遠(yuǎn)，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(cè)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(chǔ)器、溫度傳感器、非易失性電可擦寫溫度報(bào)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(jī)接口的每個(gè)I/O口可掛接多個(gè) DS18B20器件。DS18B20是DS1820的升級(jí)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(hào)等點(diǎn)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(jì)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(gè)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(shí)物如圖10所示。
圖10 LCD1602實(shí)物圖
5、溫度超限報(bào)警設(shè)計(jì)
在某些時(shí)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(shí)進(jìn)行處理，避免不必要的事故產(chǎn)生，往往需要有某種能對(duì)人們提起警覺的報(bào)警信號(hào)產(chǎn)生，這種報(bào)警信號(hào)通常有三種類型：閃光報(bào)警、鳴音報(bào)警、語音報(bào)警。本系統(tǒng)采用簡單易行的聲光報(bào)警電路。
圖11 報(bào)警環(huán)節(jié)的電路原理圖
在本系統(tǒng)中設(shè)置了單路報(bào)警信號(hào)，蜂鳴器報(bào)警和紅色LED亮燈報(bào)警信號(hào)都由單片機(jī)的P1.6口接入，由于接入的信號(hào)較小，就用PNP型三極管（型號(hào)為S8550）將輸入信號(hào)放大，具體如圖2.3所示。其報(bào)警的過程為：當(dāng)水溫值超過設(shè)定的上下限時(shí)，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(bào)警，同時(shí)LED3也亮燈報(bào)警，相關(guān)人員注意到報(bào)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(cè)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(shí)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(jìn)行排風(fēng)操作來達(dá)到降溫的目的，由于器材的有限，就暫時(shí)用兩個(gè)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(jì)
系統(tǒng)需對(duì)室溫上下限的值進(jìn)行設(shè)定，這就需要應(yīng)用按鍵來實(shí)現(xiàn)。按鍵鍵盤有獨(dú)立式按鍵和矩陣式鍵盤兩種形式。根據(jù)實(shí)際情況，本系統(tǒng)采用獨(dú)立式鍵盤設(shè)計(jì)。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(gè)接觸式開關(guān)控制溫度上下限的調(diào)節(jié)。三個(gè)開關(guān)分別和單片機(jī)的P1.1、P1.2、P3.2相連。采用中斷掃描方式識(shí)別按鍵。在初始化系統(tǒng)時(shí)，首先是將固化在存儲(chǔ)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(yùn)算修改數(shù)據(jù)緩存變量，并送LCD進(jìn)行顯示。若按下復(fù)位按鍵時(shí)即顯示初始設(shè)置值。開關(guān)控制是低電平有效，單片機(jī)的P1.1、P1.2、P3.2的三個(gè)端均為高電平，當(dāng)其中任意一個(gè)按鈕按下是，則按鈕對(duì)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(gè)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(dòng)鍵。
S2：作為溫度上下限值的調(diào)節(jié)按鍵。
S3：作為進(jìn)入調(diào)節(jié)狀態(tài)啟動(dòng)鍵。
淋浴溫度控制器.doc
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