基于單片機的飲水機溫度控制系統(tǒng)的設計

1、 河北科技師范學院 本科畢業(yè)設計基于單片機的飲水機溫度控制系統(tǒng)的設計院（系、部）名 稱 ： 機電科學與工程系 專 業(yè) 名 稱： 電氣工程及其自動化 學 生 姓 名： 崔 杰 學 生 學 號： 指 導 教 師： 郭秀梅 2012年 5 月 27 日河北科技師范學院教務處制摘要隨著社會的發(fā)展，溫度的測量及控制變得越來越普遍，也越來越重要。溫度是生活與生產(chǎn)過程以及科學實驗中常見的物理參數(shù)。本文利用單片機并結(jié)合傳感器技術(shù)開發(fā)設計了一個溫度監(jiān)控系統(tǒng)。詳細地講述了基于單片機AT89C51和溫度傳感器DS18B20的溫度控制系統(tǒng)的設計方案與軟硬件實現(xiàn)方案。該飲水機設有加熱與制冷兩種模式，然后根據(jù)用戶對溫度的

2、需求，經(jīng)溫度傳感器檢測，由單片機發(fā)出指令使飲水機進入加熱或者制冷狀態(tài)。該飲水機溫度控制系統(tǒng)不僅包括溫度顯示，狀態(tài)提示，而且當熱水槽內(nèi)水量不足時還能發(fā)出報警，以免發(fā)生干燒現(xiàn)象。本系統(tǒng)具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點，本文著重介紹了該系統(tǒng)的方案選擇和硬件設計方法。關(guān)鍵字：單片機，溫度控制，溫度傳感器，飲水機AbstractWith the development of the society,the measurement and control of the temperat ure has become more and more popular and important.The te

3、mperature is the basic and common parameter in the manufacture and life,experiments.This paper designs a temperature control system with the SCM and temperature sensor.It describes the temperature control system based on SCM AT89C51 and temperature sensor DS18B20 in details,including software and ha

4、rdware system design program.The water dispenser has two working models heating and refrigerating.Then according to the needs of the user to the temperature and after the temperature sensor detection, the SCM instruct the water dispense into the heating or refrigerating model. The temperature contro

5、l system not only consists of temperature display,state prompting,but if there is no enough water in the hot water tank ,it will give an alarm in order to aviod the danger.The temperature control system is very convenient and simple and the paper mainly describes the methods of system seletion and t

6、he hardware design.Keywords: SCM, temperature control, temperature sensor, water dispense1 緒論31.1課題研究的目的及意義31.2課題研究現(xiàn)狀分析31.3技術(shù)指標32總體設計42.1系統(tǒng)設計方案42.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖43硬件設計53.1單片機選擇53.1.1 AT89C51單片機的主要性能63.1.2 AT89C51引腳功能說明63.1.3 AT89C51最小應用系統(tǒng)的設計83.2溫度傳感器的選擇93.2.1方案一 應用DS18B20傳感器93.2.2方案二 應用AD590溫度傳感器143.3電源電路的選

7、擇153.3.1方案一 采用串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路153.3.2方案二 采用三端集成穩(wěn)壓器163.4加熱器電路的選擇173.5制冷器電路的選擇173.6水位探測器的選擇183.7顯示電路的選擇183.8報警電路的選擇194軟件設計204.1系統(tǒng)主程序204.2按鍵處理子程序224.3溫度監(jiān)測子程序25結(jié)論26參考文獻26致 謝271 緒論1.1課題研究的目的及意義隨著社會的發(fā)展以及節(jié)能的需求，溫度的測量及控制變得越來越重要。溫度是生產(chǎn)生活過程以及科學實驗中普遍而且重要的物理參數(shù)。在工業(yè)生產(chǎn)過程中對溫度、壓力、流量、速度等進行有效的檢測與控制是實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)，高產(chǎn)，低耗和安全生產(chǎn)的重要條件，其中對溫度的控

8、制需求占有相當大的比例。在工業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)中，為了保證生產(chǎn)過程的穩(wěn)定運行以及提高控制精度，通常采用微電子技術(shù)。它的作用主要是改善勞動條件，節(jié)約能源，防止生產(chǎn)和設備事故，以獲得好的技術(shù)指標和經(jīng)濟效益。本課題采用51單片機來對溫度進行控制，不僅具有控制方便、組態(tài)簡單和靈活性大等優(yōu)點，而且可以大幅度提高被控溫度的技術(shù)指標。作為控制系統(tǒng)中的一個典型實驗設計，單片機溫度控制系統(tǒng)綜合運用了微機原理、自動控制原理、傳感器原理、模擬電子技術(shù)、數(shù)字控制技術(shù)、鍵盤顯示技術(shù)等諸多方面的知識，是對所學知識的一次綜合測試。1.2課題研究現(xiàn)狀分析由于現(xiàn)代工藝越來越多的需要對實時溫度進行監(jiān)測和控制，而且需要的精度越來越高。所

9、以溫度控制系統(tǒng)得到國內(nèi)外許多有關(guān)人員的重視，同時取得了十分廣泛的應用，成果顯著。由于單片機微處理器的性能日益提高、價格又不斷降低，使其性能價格比的優(yōu)勢非常明顯。因此，如何將單片微處理器應用到生產(chǎn)生活溫度自動控制領域，為越來越多的人所重視。目前先進國家各種生產(chǎn)生活自動化水平較高，裝備有完善的檢測儀表和計算機控制系統(tǒng)。其計算機控制系統(tǒng)已采用集散系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)的形式，大部分配有先進的控制算法，能夠獲得較好的工藝性能指標。單片微型計算機是隨著超大規(guī)模集成電路的技術(shù)的發(fā)展而誕生的。由于它具有體積小，功能強，性價比高等優(yōu)點，所以廣泛應用于電子儀表，家用電器，節(jié)能裝置，軍事裝置，機器人，工業(yè)控制等諸多領域

10、，使產(chǎn)品小型化，智能化，既提高了產(chǎn)品的功能和質(zhì)量又降低了成本，簡化了設計。1.3技術(shù)指標設計并制作一個基于單片機的溫度控制系統(tǒng)，能夠根據(jù)用戶需要對水溫進行控制并能在水溫變化時實現(xiàn)自動控制。（1）溫度設定范圍為099，最小區(qū)分度為1，溫度控制的誤差1（2）能夠用數(shù)碼管精確顯示當前實際溫度值（3）按鍵控制：設置復位鍵、加熱鍵、冷卻鍵、溫度顯示鍵（4）水量不足時能夠發(fā)出報警2總體設計2.1系統(tǒng)設計方案本設計以AT89C51單片機為控制芯片，采用典型的數(shù)字輸出型集成溫度傳感器DS18B20進行溫度采集，然后直接將DS18B20產(chǎn)生的數(shù)字信號傳給單片機。該飲水機設有加熱與制冷兩種模式。根據(jù)用戶對水溫的需

11、求，按下控制鍵，然后由單片機發(fā)出命令使飲水機進入加熱或者制冷狀態(tài)。當需要溫度顯示時，按下溫度顯示鍵，數(shù)碼管便顯示熱水槽內(nèi)水的溫度。當水溫達到設定值時，有指示燈以及聲音提示。當熱水槽內(nèi)水量不足時，飲水機發(fā)出報警，以免發(fā)生干燒。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)主要包括電源電路模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、單片機控制模塊、驅(qū)動電路、顯示以及報警模塊五個部分。系統(tǒng)框圖如圖1所示。 單片機溫度數(shù)碼顯示電路工作狀態(tài)顯示電路電源電路溫度采集電路控制電路報警電路顯示當前溫度值顯示以及提示當前狀態(tài) 控制加熱器制冷器水量不足時，發(fā)出報警信號按鍵操作圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3硬件設計3.1單片機選擇單片機的選擇在整個系統(tǒng)設計中至關(guān)重要，要滿

12、足大內(nèi)存、高速率、通用性、價格便宜等要求，一個單片機應用系統(tǒng)的硬件電路設計包含有兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴展，即單片機內(nèi)部的功能單元，如ROMRAMI/O口定時/記數(shù)器中斷系統(tǒng)等能量不能滿足應用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當?shù)男酒O計相應的電路。二是系統(tǒng)配置，既按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設備，如鍵盤顯示器打印機A/DD/A轉(zhuǎn)換器等，要設計合適的接口電路。單片機是把那些作為控制應用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器、數(shù)據(jù)存儲器、程序存儲器、并行I/O口、串行口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器。它們都是通過片內(nèi)單

13、一總線連接而成，其基本結(jié)構(gòu)依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。但對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。AT89C51是一種低功耗、高性能的 8位單片機。片內(nèi)帶有一個 4 KB的Flash可編程、可擦除只讀存儲器（EPROM）。它采用了 CMOS工藝和 ATMEL公司的高密度非易失性存儲器（NURAM）技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MSC一51兼容，其引腳如圖2所示。片內(nèi)的Flash存儲器允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲器編程器來編程。因此AT89C51是一種功能強、靈活性高，且價格合理的單片機，可方便地應用在各種控制領域。圖2 AT89C51引腳圖3.1.1

14、 AT89C51單片機的主要性能AT89C51單片機的主要性能有：（1）4 KB可改編程序Flash存儲器（可經(jīng)受1000次的寫入擦除）；（2）全靜態(tài)工作：0 Hz24 MHz；（3）3級程序存儲器保密；（4）1288字節(jié)內(nèi)部RAM；（5）32條可編程IO線；（6）2個16位定時器計數(shù)器；（7）6個中斷源；（8）可編程串行通道；（9）片內(nèi)時鐘振蕩器。另外，AT89C51是用靜態(tài)邏輯來設計的，其工作頻率可下降到0 HZ，并提供兩種可用軟件來選擇的省電方式空閑方式和掉電方式。在空閑方式中，CPU停止工作，而 RAM、定時器計數(shù)器、串行口和中斷系統(tǒng)都繼續(xù)工作。在掉電方式中，片內(nèi)振蕩器停止工作，由于時

15、鐘被“凍結(jié)”使一切功能都暫停，故只保存片內(nèi)RAM中的內(nèi)容，直到下一次硬件復位為止。3.1.2 AT89C51引腳功能說明（1）主電源引腳 VCC：電源端。GND：接地端。（2）外接晶體引腳 XTAL1：接外部晶體的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入端。當采用外部振蕩器時，該引腳接收振蕩器的信號，即把此信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：接外部晶體的另一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時，此引腳應懸浮不連接。（3）控制或與其他電源復用引腳RST：復位輸入端。當振蕩器運行時，在該引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使單片機

16、復位。ALE：當訪問外部存儲器時，ALE（地址鎖存允許）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE端仍以不變的頻率（此頻率為振蕩器頻率的16）周期性地出現(xiàn)正脈沖信號。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。然而要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。在對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（）。如果需要的話，通過對專用寄存器（SFR）區(qū)中 SEH單元的 DO位置數(shù)，可禁止 ALE操作。該位置數(shù)后，只有在執(zhí)行一條MOVX或MOVC指令期間，ALE才會被激活。另外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，該設定禁止ALE位無效。：程序存儲允

17、許（）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。當AT89C51由外部程序存儲器取指令（或常數(shù)）時，每個機器周期兩次再完完有效（即輸出2個脈沖）。但在此期間內(nèi)，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的還完完信號將不出現(xiàn)。/VPP：外部訪問允許端。要使CPU只訪問外部程序存儲器（地址為0000H一FFFFH），則端必須保持低電平（接到GND端）。然而要注意的是，如果保密位LB1被編程，復位時在內(nèi)部會鎖存端的狀態(tài)。當端保持高電平（接VCC端）時，CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的程序。在Flash存儲器編程期間，該引腳也用于施加 12 V的編程允許電源 Vpp（如果選用 12 V編程）。（4）輸入輸出引腳P0.

18、0P0.7，P1.0P1.7，P2.0P2.7和P3.0P3.7P0端口（P0.0 P0. 7）： P0是一個8位漏極開路型雙向IO端口。作為輸出口用時，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL輸入。對端口寫l時，又可作高阻抗輸入端用。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，它是分時多路轉(zhuǎn)換的地址（低8位）數(shù)據(jù)總線，在訪問期間激活了內(nèi)部的上拉電阻。在Flash編程時，P0端口接收指令字節(jié)；而在校驗程序時，則輸出指令字節(jié)。驗證時，要求外接上拉電阻。P1端口（P10.一P1.7）：P1是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO端口。P1的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫1時，通過內(nèi)部的上

19、拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。P1作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（IIL）。在對Flash編程和程序校驗時，P1接收低8位地址。P2端口（P2.0P2.7）：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO端口。P2的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式） 4個TTL輸入。對端口寫1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。只作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVXDPTR指令）時，P2送出高8位地址。在訪問8位地址的

20、外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVXRI指令）時，P2口引腳上的內(nèi)容（就是專用寄存器（SFR）區(qū)中P2寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不會改變。在對Flash編程和程序校驗期間，P2也接收高位地址和一些控制信號。P3端口（P3.0P3. 7）：P3是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 IO端口。 P3的輸個緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式） 4個TTL輸入。對端口寫 1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。P3作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（IIL）。在AT89C51中，P3端口還用于一些復用功能，見表1。在對Flash編程或程序校驗時，P

21、3還接收一些控制信號。表1 P3各端口引腳與復用功能表引腳第2功能P3.0 RXD（串行口輸入端）P3.1 TXD（串行口輸出端）P3.2 INT0（中斷0請求輸入端，低電平有效）P3.3 INT1（中段1請求輸入端，低電平有效）P3.4 T0（定時器/計數(shù)器0計數(shù)脈沖端）P3.5 T1（定時器/計數(shù)器1計數(shù)脈沖端）P3.6 WR（數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出端，低電平有效）P3.7 RD（數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號輸出端，低電平有效）3.1.3 AT89C51最小應用系統(tǒng)的設計 80C51是片內(nèi)有ROM/EPROM的單片機，因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單可靠。用80C51單片機構(gòu)成最小應用系統(tǒng)時，只

22、要將單片機接上時鐘電路和復位電路即可， 80C51單片機的最小系統(tǒng)如圖3所示。由于集成度的限制，最小應用系統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。其應用特點：(1) 有可供用戶使用的大量I/O口線。(2) 內(nèi)部存儲器容量有限。(3) 應用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。時鐘電路：89C51雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外部附加電路。80C51單片機的時鐘產(chǎn)生方法有兩種。內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。本設計采用內(nèi)部時鐘方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。本設計采用最常用的內(nèi)部時鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可在1.2MH

23、Z到12MHZ之間選擇。電容值無嚴格要求，但電容取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響，CX1、CX2可在20pF到40pF之間取值。本設計中，振蕩晶體選擇12MHz,電容選擇30pF。復位電路:89C51的復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的。復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。最簡單的上電自動復位電路中上電自動復位是通過外部復位電路的電容充電來實現(xiàn)的。只要Vcc的上升時間不超過1ms,就可以實現(xiàn)自動上電復位。時鐘頻率用12MHZ時C取22uF,R取1K。除了上電復位外，有時還需要按鍵手動復位。本設計就是用的按鍵手動復位。按鍵手動復位有電平方式和脈沖方式兩種。其中

24、電平復位是通過RST端經(jīng)電阻與電源Vcc接通而實現(xiàn)的。時鐘頻率選用12MHZ時，C取22uF,R2取4.7K，R1取1K。圖3 最小工作系統(tǒng)3.2溫度傳感器的選擇3.2.1方案一 應用DS18B20傳感器本系統(tǒng)采用DALLAS半導體公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20采集溫度數(shù)據(jù)，DS18B20屬于新一代適配微處理器的智能溫度傳感器,可廣泛用于工業(yè)、民用、軍事等領域的溫度測量及控制儀器、測控系統(tǒng)和大型設備中。它具有體積小，接口方便，傳輸距離遠等特點。 DS18B20的管腳排列和封裝如圖4所示。 圖4 DS18B20的管腳排列和封裝3.2.1.1 DS18B20的性能特點（1）用單總線專

25、用技術(shù)，既可通過串行口線，也可通過其它I/O口線與微機接口，無須經(jīng)過其它變換電路，直接輸出被測溫度值（9位二進制數(shù)，含符號位），（2）測溫范圍為-55-+125，測量分辨率為0.0625（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，實現(xiàn)多點測溫，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（4）在使用中不需要任何外圍元件（5）工作電源: 35V/DC3.2.1.2 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20主要由四部分組成：64位光刻ROM,溫度傳感器,非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL,高速暫存器，如圖5所示。ROM和單線接口電源檢測存儲器和控制

26、器高速緩存存儲器CRC生成器溫度靈敏元件高溫觸發(fā)器TH低溫觸發(fā)器TL配置寄存器圖5 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.2.1.3 DS18B20的存儲器DS18B20 共有三種形態(tài)的存儲器資源，它們分別是：（1）ROM 只讀存儲器，用于存放DS18B20ID編碼，其前8 位是單線系列編碼（DS18B20 的編碼是19H），后面48 位是芯片唯一的序列號，最后8 位是以上56 位的CRC 碼（冗余校驗）。數(shù)據(jù)在出廠時設置不由用戶更改。DS18B20 共64 位ROM。（2）RAM 數(shù)據(jù)暫存器，用于內(nèi)部計算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)在掉電后丟失，DS18B20 共9 個字節(jié)RAM，每個字節(jié)為8 位。如圖6 所示

27、。第1、2 個字節(jié)是溫度轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)值信息，第3 和第4 字節(jié)是高溫觸發(fā)器TH 和低溫觸發(fā)器TL 的易失性拷貝，第5 個字節(jié)為配置寄存器，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)換為相應精度的溫度數(shù)值。以上字節(jié)內(nèi)容每次上電復位時被刷新。低5位一直為1，TM是工作模式位，用于設置DS18B20在工作模式還是在測試模式，DS18B20 出廠時該位被設置為0，用戶不要去改動；R1 和R0 用來設置分辨率，決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)。如表2 所示。圖6 DS18B20字節(jié)定義表 2 DS18B20溫度轉(zhuǎn)換時間表R1 R0 分辨率/位 溫度最大轉(zhuǎn)向時間/ms 0 0

28、9 93.750 1 10 187.510 11 37511 12 7503.2.1.4 DS18B20的溫度轉(zhuǎn)換以12位轉(zhuǎn)化為例說明溫度高低字節(jié)存放形式及計算：12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在18B20的兩個高低兩個8位的RAM中，二進制中的前面5位是符號位。如果測得的溫度大于0，這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625才能得到實際溫度。表3為溫度高低字節(jié)的存放形式。表3 溫度高低字節(jié)存放形式高8位 S S S S S 26 25 24 低8位 23 22 21 20 2-1 2-2 2-3 2-4

29、 本設計用到的溫度有8,16,80，96。用二進制碼分別表示為0000 0000 1000 0000,0000 0001 0000 0000,0000 0101 0000 0000,0000 0110 0000 0000。3.2.1.5 DS18B20的控制指令DS18B20有六條控制命令，如表4所示。表4 DS18B20控制命令指 令約定代碼操 作 說 明溫度轉(zhuǎn)換讀暫存器寫暫存器復制暫存器重新調(diào)E2RAM讀電源供電方式44HBEH4EH48HB8HB4H啟動DS18B20進行溫度轉(zhuǎn)換讀暫存器9個字節(jié)內(nèi)容將數(shù)據(jù)寫入暫存器的TH、TL字節(jié)把暫存器的TH、TL字節(jié)寫到E2RAM中把E2RAM中的T

30、H、TL字節(jié)寫到暫存器TH、TL字節(jié)啟動DS18B20發(fā)送電源供電方式的信號給主CPUCPU對DS18B20的訪問流程是：先對DS18B20初始化，再進行ROM操作命令，最后才能對存儲器操作，數(shù)據(jù)操作。DS18B20每一步操作都要遵循嚴格的工作時序和通信協(xié)議。如主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換這一過程，根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，須經(jīng)三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進行復位，復位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對DS18B20進行預定的操作。（1）DS18B20的讀時序DS18B20的讀時序分為讀O時序和讀1時序。DS18B20讀時序是從主機把單總線拉低之

31、后，在15秒之內(nèi)釋放總線后讓DS18B20把數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇偩€上。DS18B20完成一個讀時序過程，至少需要60us。（2）DS18B20的寫時序DS18B20的寫時序仍然分為寫0時序和寫1時序。DS18B20寫0時序和寫1時序的要求不同，當要寫0時序時，單總線要被拉低至少60us，保證DS18B20能夠在15us至lJ45us之間能夠正確地采樣總線上的低電平，當要寫1時序時，總線被拉低之后，在15us之內(nèi)就需釋放總線。在硬件上，DS18B20與單片機的連接有兩種方法，一種是Vcc接外部電源，GND接地，I/O與單片機的I/O線相連；另一種是用寄生電源供電，此時UDD、GND接地，I/O接單片機I

32、/O。無論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電，I/O口線要接5K左右的上拉電阻。DS18B20與單片機相連接的電路圖見圖7。圖7 DS18B20與單片機連接電路圖3.2.2方案二 應用AD590溫度傳感器AD590傳感器是美國AD公司研制的一種電流式集成溫度傳感器。其直流工作電壓為+4 V到+30 V，當電源電壓由+5V向+10V變化時，其電流變化僅為0.2mA/V；最佳使用溫度范圍(-55150)，在此測溫范圍內(nèi)，測量誤差為士0.5，測量分辨率為0.1。溫度采樣電路采用了AD590電流型溫度敏感型器件其穩(wěn)定度和線性度均較好。在0時AD590的電流為273.2A，溫度每增加1 ，電流增加1A。該電流轉(zhuǎn)

33、換為電壓信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC0809、AT89C51單片機實現(xiàn)溫度的監(jiān)測和轉(zhuǎn)換，如圖8所示。圖8 應用AD590的溫度采樣電路雖然兩種溫度傳感器都能進行溫度檢測，但是AD590還需要進過A/D轉(zhuǎn)換裝置，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，而且DS18B20單總線能夠接好多測溫點，溫度檢測電路簡單。同時考慮到成本問題本設計選用DS18B20進行溫度檢測與轉(zhuǎn)換。3.3電源電路的選擇飲水機溫度控制系統(tǒng)安全穩(wěn)定的工作離不開一個性能良好的電源，電源性能的好壞直接影響到系統(tǒng)能否正常運行。在本系統(tǒng)中，我們需要一個能輸出5V直流電壓，且輸出電流較大的直流穩(wěn)壓電源。5V的小功率穩(wěn)壓電源由220V轉(zhuǎn)換而來。由電源變壓器、整

34、流、濾波和穩(wěn)壓電路四部分組成。電源變壓器是將交流電網(wǎng)220V的電壓變?yōu)樗枰碾娫粗?，然后通過整流電路將交流電壓變成脈動的直流電壓。由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動（一般有10%左右的波動）、負載和溫度的變化而變化。因而，在整流濾波電路之后，還需接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當電網(wǎng)電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。3.3.1方案一 采用串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路為克服穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路輸出電流較小,輸出電壓不可調(diào)的缺點。引入串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。串聯(lián)型穩(wěn)壓電路以穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路為基礎,利用晶體管的電流放大作用增大負載

35、電流,并在電路中引入深度電壓負反饋使輸出電壓穩(wěn)定,通過改變網(wǎng)絡參數(shù)使輸出電壓可調(diào)。一般可以將串聯(lián)式穩(wěn)壓電路分成由基準電壓、比較放大、取樣電路和調(diào)整元件四部分組成。電路圖如圖9。R10R1RWRES-VART1NPNR30R1R0R1R20R1RL0R1UDIODE-SCT2NPN圖9 串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路圖3.3.2方案二 采用三端集成穩(wěn)壓器電子設備中常使用輸出電壓固定的集成穩(wěn)壓器。由于它只有輸入、輸出和公共引出端，故稱之為三端式穩(wěn)壓器。三端式穩(wěn)壓器由啟動電路、基準電壓、取樣比較放大電路、調(diào)整電路和保護電路等部分組成。圖7是7805作為輸出電壓5V的典型電路圖，正常工作時，輸入輸出電壓差是23V

36、。電路中接入電容C1、C3用來實現(xiàn)頻率補償，防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激震蕩和抑制電路引入的高頻干擾，C2是電解電容，以減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。D是保護二極管，當輸入端短路時，給輸出電容器C3一個放電通路，防止C3兩端電壓作用于調(diào)整管的be結(jié)，造成調(diào)整管be結(jié)擊穿而損壞。圖7 三端集成穩(wěn)壓器電路圖3.4加熱器電路的選擇MOC3041是MOTOROLA公司生產(chǎn)的單片機成光耦合可控硅驅(qū)動器，內(nèi)部集成了雙向可控硅、發(fā)光二極管、過零觸發(fā)電路等器件，它由輸入和輸出兩部分組成。MOC3041與飲水機的加熱器相連，實現(xiàn)對加熱器對的驅(qū)動和控制。本系統(tǒng)用單片機的P1.6口與MOC3041連接，當P

37、1.6口輸出低電平時，加熱指示燈亮，MOC3041輸入部分的發(fā)光二極管導通，發(fā)出足夠強的紅外光去觸發(fā)輸出部分，控制可控硅導通，從而打開加熱器；當P1.6口輸出高電平時，MOC3041輸入部分的發(fā)光二極管截止，可控硅斷開，關(guān)閉加熱器。當溫度加熱到96度時，P1.6為高電平，加熱器停止加熱。P2.0口變?yōu)榈碗娖剑刂甘緹袅?。同時P2.1為低電平，發(fā)出提示音，提示水已燒好，3秒后P2.1變?yōu)楦唠娖酵Ｖ拱l(fā)聲。當水溫低于80度時，P1.6變?yōu)榈碗娖?，加熱器繼續(xù)加熱。電路圖如圖8所示。圖8 加熱控制電路圖3.5制冷器電路的選擇由于飲水機的冷水槽容積比較小，而壓縮機主要適用于大型制冷設備,所以目前飲水機一

38、般采用電子制冷片制冷。目前半導體制冷主要是根據(jù)帕爾貼效應，電荷載體在導體中運動形成電流，由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級，當它從高能級想低能級運動時，就會釋放出多余的熱量。反之，就需要從外界吸收熱量（即表現(xiàn)為制冷）。所以，半導體電子制冷的效果就主要取決于電荷載體運動的兩種材料的能級差，即熱電勢差。純金屬的導電導熱性能好，但制冷效率極低（不到1%）。半導體材料具有極高的熱電勢，可以成功的用來做小型的熱電制冷器。電子制冷的原理是：把一個N型和P型半導體的粒子用金屬連接片焊接而成一個電偶對。當直流電流從N極流向P極時產(chǎn)生吸熱現(xiàn)象，而由P極流向N極時產(chǎn)生放熱現(xiàn)象。由于一個電偶所能產(chǎn)生熱效應比較

39、小，所以在實際應用中是將幾十或上百對電偶聯(lián)成的熱電堆。這樣，一塊制冷片通電后一邊是冷的，而另一邊是熱的，如果要取得較佳的制冷效果則要在熱端加上散熱片甚至要加裝通風風扇強制散熱。若熱端散熱不好熱量越聚越多的話，那制冷片基本上是沒有什么制冷效果的，甚至還會有燒毀的危險，所以散熱效果一定要好。另外，電子制冷的效率雖然不高，大約只有50-60%左右，但考慮到飲水機的體積，制冷片的價格等因素，我依舊選用了制冷片。電子制冷片供電電壓，是要根據(jù)型號而定的，本文為了能夠通用直流電源選用了工作電壓為5V的04903型號。制冷電路圖如圖9所示。圖9 制冷電路圖 當按下制冷鍵，P1.7變?yōu)榈碗娖?，制冷片開始動作，同

40、時與P2.3連接的制冷指示燈亮，當冷卻到8度時，P2.1變?yōu)榈碗娖?，飲水機發(fā)出提示音，提醒冷水已好。同時P1.7變?yōu)楦唠娖?，飲水機停止制冷。待溫度高于16度時，飲水機繼續(xù)制冷。3.6水位探測器的選擇該系統(tǒng)采用一根不銹鋼的水位探測棒作為探測器，探測棒的一端與單片機的P3.0口相連，另一端浸入飲水機的加熱體中。當加熱體水量充足時，探測棒浸入水中，由于水具有導電性，且加熱體接地，從而使輸入到單片機P3.0口的信號為低電平；當加熱體中水量不足時，探測棒懸空，使輸入到單片機的輸入信號為高電平。單片機根據(jù)水位探測器的輸入信號執(zhí)行相應操作，可有效地防止飲水機干燒。3.7顯示電路的選擇本設計中的顯示電路是由7

41、4HC4511七段顯示譯碼器驅(qū)動兩位數(shù)碼管。74HC4511七段顯示譯碼器部分引腳的功能：（1）燈測試輸入LT:當LT=0時，無論其他輸入端是什么狀態(tài)，所有各段輸出ag均為1，顯示字形為8。該輸入端常用于檢查譯碼器本身及顯示器各段的好壞。（2）滅燈輸入BL：當BL=0,并且LT=1時，無論其他輸入端是什么電平，所有各段輸出ag均為0，所以字形熄滅。（3）鎖存使能輸入LE：在BL=LT=1的條件下，當LE=0時，鎖存器不工作，譯碼器的輸出隨輸入碼的變化而變化；當LE由0跳變1時，輸入碼被鎖存，輸出值只取決于鎖存器的內(nèi)容，不再隨輸入的變化而變化。所以必須保證74HC4511的BL和LT為高電平，L

42、E為低電平時，譯碼器才能正常譯碼。當系統(tǒng)上電后，溫度傳感器便開始進行溫度采集與傳輸。當需要溫度顯示時，按下溫度顯示鍵時，數(shù)碼管便顯示當前水的溫度。為了簡化電路的設計，該數(shù)碼管采用兩位一體的，這樣既節(jié)省了空間，又節(jié)省了成本。由于本設計中水溫不會超過100度，所以只需顯示十位與個位即可。圖 10 顯示電路3.8報警電路的選擇當飲水機內(nèi)熱水槽內(nèi)水量不足時，飲水機發(fā)出報警。報警電路如圖所示。圖11 蜂鳴器電路圖4軟件設計系統(tǒng)軟件主要包括主程序、按鍵處理子程序和溫度檢測子程序。4.1系統(tǒng)主程序系統(tǒng)上電復位初始化后，啟動DS18B20。若水量不足時，飲水機發(fā)出報警。若水量充足時，則檢測是否有按鍵按下，有則

43、進行相應的操作。主程序流程圖見圖12所示。開始系統(tǒng)初始化水位探測器監(jiān)測水量啟動DS18B20是否有足量水是否有按鍵按下發(fā)出報警按鍵處理讀溫度與計算溫度YYNLED顯示、狀態(tài)提示圖12 主程序流程圖4.2按鍵處理子程序當主程序檢測到有按鍵按下時，就轉(zhuǎn)到按鍵處理子程序進行按鍵判斷，根據(jù)判斷結(jié)果進入加熱或者制冷模式。在兩種模式中，首先判斷當前水溫與系統(tǒng)設定值的大小。當飲水機處在加熱狀態(tài)時，當溫度大于96度時，加熱器停止加熱，當溫度小于80度時，飲水機繼續(xù)加熱，如此反復。當飲水機處在制冷狀態(tài)時，當溫度小于8度時，飲水機停止制冷，當溫度高于16度，飲水機繼續(xù)制冷。有鍵按下是否有足量水加熱鍵水溫是否高于9

44、6度水溫是否低于80度返回主程序加熱停止加熱YNYNY圖13 加熱子程序流程圖有鍵按下制冷鍵水溫是否低于8度水溫是否高于16度返回主程序制冷停止制冷YNYN圖14 制冷子程序流程圖4.3溫度監(jiān)測子程序主機發(fā)出初始脈沖有鍵按下DS18B20發(fā)響應脈沖信號DS18B20是否準備好轉(zhuǎn)換是否完成讀DS18B20溫度傳感器啟動溫度轉(zhuǎn)化主機發(fā)ROM 命令YNYN讀出溫度值圖15 溫度監(jiān)測子程序結(jié)論本文詳細介紹了基于單片機AT89S51的溫度控制系統(tǒng)的設計方案與軟硬件實現(xiàn)。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集模塊，單片機控制模塊，顯示模塊和溫度設置模塊，驅(qū)動電路五個部分。文中對每個部分功能、實現(xiàn)過程作了詳細介紹。完成了課題既定

45、的任務，達到了預期的目標。系統(tǒng)具有如下特點：.采用智能溫度傳感器DS18B20采集溫度數(shù)據(jù)，簡化了硬件電路設計，溫度采集數(shù)據(jù)更加精準；.AT89S51單片機的采用，有利于功能擴展；.電路設計充分考慮了系統(tǒng)可靠性和安全性。本系統(tǒng)沒有增加外部存儲器，設定溫度不能保存，斷電復位后必須重新設置溫度；采用靜態(tài)顯示方式，從而使用了較多的驅(qū)動芯片，增加了硬件電路的復雜性；只使用兩位顯示，即顯示溫度的十位、個位，沒有充分發(fā)揮DS18B20的特性。本課題軟件和硬件相結(jié)合，有相當大的難度，同時也有很大的實用性。在做畢業(yè)設計的過程中，我的理論和實踐水平都有了較大的提高。在本課題的設計中，我熟練掌握了單片機硬件設計和

46、接口技術(shù)，同時對溫度傳感器的原理及應用有了一定的了解，掌握了各種控制電路及其相關(guān)元器件的使用。通過這次畢業(yè)設計，我不僅學會如何將所學專業(yè)知識運用到實際生活中，還學會如何克服未知的困難，解決難題的方法。參考文獻1康華光. 電子技術(shù)基礎模擬部分M.第五版.北京：高等教育出版社.2006.12康華光. 電子技術(shù)基礎數(shù)字部分S.第五版.北京：高等教育出版社.2006.13趙淑范. 電子技術(shù)實驗與課程設計M.北京：清華大學出版社.2006.159-1624李萬臣. 模擬電子技術(shù)基礎實驗與課程設計M.哈爾濱工程大學出版社20015胡漢才. 單片機原理及其接口技術(shù). 北京：清華大學出版社，19666林德杰.

47、電氣測試技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，2008.17邱關(guān)源電路第五版北京：高等教育出版社，2006.38于鳳明單片機原理及接口技術(shù)北京：中國輕工業(yè)出版社，1997；3013139中國電子學會編傳感器與執(zhí)行器大全北京：電子工業(yè)出版社，1998；45045510胡壽松自動控制原理北京：國防工業(yè)出版社，2000；10312411童長飛C8051F系列單片機開發(fā)與C語占編程 M 北京：北京航空航天大學出版社，200512陳紅燕，飲水機主要技術(shù)介紹及點評J.現(xiàn)代家電,2008，(12)：525213農(nóng)靜.單總線數(shù)字溫度傳感器DSl8B20 原理及應用J.貴州師范大學學報（自然科學版），2007， 120-

48、122.14李葉紫，等.MCS-51 單片機應用教程M.北京：清華大學出版社，2004.15周月霞，孫傳友DSl8820 硬件連接與軟件編程J.傳感器世界，2001（12）：25-29.16何立民.單片機應用系統(tǒng)設計M.北京：北京航空航天大學出版社，1995.17葉丹.基于單片機的自適應溫度控制系統(tǒng)J.傳感器技術(shù)，2002，21（3）：27-30.18張培仁.MCS-51 單片機原理與應用M.北京：清華大學出版社，2003.19孫清偉，薛冰. 基于單片機的缺水微弱電位監(jiān)控系統(tǒng)設計J.微計算機信息，2008，2-2：83-84.20李廣第，朱月秀，冷祖祁.單片機基礎(第3 版)M.北京:北京航空

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50、人民郵電出版社，200628張軼群，向永芬 飲水機對大桶飲用水微生物消長影響的研究J.中國公共衛(wèi)生管理，2002，18(4)：343344 致 謝四年的本科學習生涯即將結(jié)束,在本人做畢業(yè)設計中，得到了我的導師郭秀梅老師的悉心指導和無私幫助。她嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度和謙和的為人給我留下了深刻的印象。雖然公務繁忙，教學任務重，但在我做畢業(yè)設計的每個階段，從查閱資料到設計草案的確定和修改，中期檢查，后期詳細設計，實物制作等整個過程中都給予了我悉心的指導。其次要感謝大學四年來所有的授課老師，為我們打下電子專業(yè)知識的基礎；同時還要感謝所有的同學們，正是因為有了你們的支持和鼓勵。此次畢業(yè)設計才會順利完成。最后我要

51、深深地感謝我的家人，正是他們含辛茹苦地把我養(yǎng)育成人，在生活和學習上給予我無盡的愛、理解和支持，才使我時刻充滿信心和勇氣，克服成長路上的種種困難，順利的完成大學學習。還有許許多多給予我學業(yè)上鼓勵和幫助的師長、朋友，在此無法一一列舉，在此也表示忠心地感謝！大學生活的結(jié)束，也是我人生新的生活起點，我將謹記老師們的教誨，將自己的所學奉獻給社會。內(nèi)部資料僅供參考9JWKffwvG#tYM*Jg&6a*CZ7H$dq8KqqfHVZFedswSyXTy#&QA9wkxFyeQ!djs#XuyUP2kNXpRWXmA&UE9aQGn8xp$R#͑GxGjqv$UE9wEwZ#QcUE%&qYpEh5

52、pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu#KN&MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwcvR9CpbK!zn%Mz849GxGjqv$UE9wEwZ#QcUE%&qYpEh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu#KN&MuWFA5uxGjqv$UE9wEwZ#QcUE%&qYpEh5pDx2zVkum&gTXRm6X4NGpP$vSTT#&ksv*3tnGK8!z89AmYWpazadNu#KN&MuWFA5uxY7JnD6YWRrWwcvR9CpbK!

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