溫度及水位控制系統(tǒng)的設(shè)計與制作

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上畢業(yè)設(shè)計(論文)題 目：溫度及水位控制系統(tǒng)的設(shè)計與制作學生姓名周麗娜學 號9專業(yè)班級電子1201二級學院信息工程學院指導(dǎo)教師（職稱）鄭麗君（） 2016 年6 月 專心-專注-專業(yè)誠信承諾書本人謹此承諾，本人所寫畢業(yè)設(shè)計（論文）均由本人獨立撰寫，無任何抄襲行為。凡涉及他人的觀點材料，均作了注釋。如出現(xiàn)抄襲或侵犯他人知識產(chǎn)權(quán)的情況，愿承擔由此引起的任何責任，并接受相應(yīng)的處分。 學生簽名：年 月 日溫度及水位控制系統(tǒng)的設(shè)計與制作【摘要】 本文主要結(jié)合當前溫度及水位檢測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，選用了宏晶公司生產(chǎn)的STC89C51單片機作為主控基礎(chǔ)，并配合DS18B20溫度傳感器、L

2、CD1602液晶屏等模塊設(shè)計了一款單片機控制系統(tǒng)。在硬件上，以C51單片機、復(fù)位電路以及時鐘電路組成單片機最小系統(tǒng)，選擇DS18B20傳感器作為水溫采集模塊，并輔之以其他電路模塊，實現(xiàn)了本系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)。在軟件上，使用C語言描述軟件系統(tǒng)，并通過Altium Designer繪制電路原理圖、Visio繪制軟件流程圖的方式來描述本系統(tǒng)的設(shè)計過程。經(jīng)過多次測試，本系統(tǒng)達到了預(yù)期的設(shè)計目標，并表現(xiàn)出了良好的性能。 【關(guān)鍵詞】 STC89C51單片機，水位檢測，DS18B20溫度傳感器【Abstract】 In this paper, combined with the research status

3、of the temperature and water level detection system, selection of the macro crystal produced the STC89C51 MCU as the main control foundation, and with DS18B20 temperature sensor, LCD1602 LCD module design of a microcomputer control system. In hardware, with C51 monolithic integrated circuit, reset c

4、ircuit and clock circuit composed of MCU minimum system, choose DS18B20 as the temperature acquisition module, and complemented by other circuit module, this system. The hardware system is realized. In the software, use the C language to describe the software system, and through the Altium Designer

5、drawing circuit principle diagram and Visio drawing software flow graph to describe the design process of this system. After repeated testing, the system achieved the desired design goals, and shows good performance.【Key Words】 STC89C51，Water Level Detection，DS18B20 Temperature Sensor目 錄 02234 4 557

6、80233 圖目錄01344567圖5.1 實物圖1 緒 論1.1 溫度及水位控制系統(tǒng)發(fā)展背景溫度參數(shù)是多種行業(yè)都需要檢測的一個重要參數(shù)，是生活和生產(chǎn)上最最基本的物理量，幾乎工業(yè)上的大小環(huán)節(jié)都離不開對溫度的準確控制，它是決定產(chǎn)品質(zhì)量的決定性因素，比如在煙草生產(chǎn)企業(yè)，溫度在烘烤車間是決定煙葉色澤和質(zhì)量的首要保障；而在冶金行業(yè)，溫度是決定化學反應(yīng)效率的重要條件，因此在歷史上產(chǎn)生了多種監(jiān)控溫度的方法（如學習算法、模糊算法以及PID算法等），它們在不同的應(yīng)用場合都能發(fā)揮出很靈活的控制性能。在工業(yè)上，監(jiān)控溫度的控制器主要使用微處理器，如單片機、PLC或者DSP等，隨著單片機技術(shù)的飛速發(fā)展，目前32位單片

7、機（如SST公司的STM32）已經(jīng)在微處理器界大行其道，它優(yōu)異的性能能夠使得過去的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)大幅提高，因此對于溫度參數(shù)的控制，各行各業(yè)也提出了更高的要求，不但要求溫度穩(wěn)定、抑制干擾以及快速到達設(shè)定溫度等，這些要求的實現(xiàn)對于性能優(yōu)越的微處理器是非常容易的?？v觀目前水溫監(jiān)控系統(tǒng)市場現(xiàn)狀，可以發(fā)現(xiàn)已經(jīng)相當成熟，但是許多系統(tǒng)的功能還都停留在近距離控制，隨著以太網(wǎng)技術(shù)、紅外遙控技術(shù)、RFID（射頻通信）系統(tǒng)、GSM技術(shù)以及藍牙技術(shù)的發(fā)展并且低成本化，將這些數(shù)據(jù)進行遠程傳輸已經(jīng)變得可能，這樣將遠程數(shù)據(jù)傳送技術(shù)和溫度控制技術(shù)結(jié)合在一起，就衍生出了一種性能更加完善的水溫監(jiān)控系統(tǒng)，它能使得溫度控制變得遠程化，

8、只要坐在電腦邊、持手機或者拿著遙控就能實現(xiàn)對水溫的靈活監(jiān)控，這將車間人員解放出來，同時也能夠降低高溫對人員的傷害。所謂水位控制系統(tǒng)指的是能夠通過傳感器的液位采集作用而實現(xiàn)也為自動控制的電子控制系統(tǒng)，通常情況下這種系統(tǒng)由微處理器、液位傳感器、水泵、排水裝置、終端按鍵、顯示器以及報警器等部分組成，在這種系統(tǒng)的作用下，工業(yè)生產(chǎn)或者家居生活能夠?qū)崿F(xiàn)在無人管理情況下的自動運行，節(jié)省大量的人力物力，大幅度提高企業(yè)生產(chǎn)效率。傳統(tǒng)的液位控制已經(jīng)延續(xù)了數(shù)百年，在古代的一些作坊或者小型加工廠中能夠常?？吹酵ㄟ^人工的方式實現(xiàn)生產(chǎn)加工中的液位管理，添加水通過水桶加注，換水也是通過人工操作，這就是最為原始的液位管控制系

9、統(tǒng)。幾百年后隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，自來水進入了千家萬戶方便了人們的日常生活，在工業(yè)活動中對于液位控制作業(yè)也享受到了自來水管道的便利，因為工人們再也不用提著水桶去完成加水放水的勞累體力活了，只需要在現(xiàn)場看緊也為高度，管理好自來水龍頭的開關(guān)，防止水溢出來。再到后來出現(xiàn)了現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)，此時電子技術(shù)以及微處理器技術(shù)廣泛發(fā)展，涌現(xiàn)除了一大批用于輔助工業(yè)活動的電子控制系統(tǒng)，在水塔水位控制系統(tǒng)中，最為著名的就是采用PLC作為主控核心的也為管理系統(tǒng)，由于采用了PLC作為控制器，因此基本實現(xiàn)液位高低的自動管理，基本無需人為干預(yù)，通過液位傳感器來實現(xiàn)水箱中液位的采集，將采集到的信息傳送到PLC進行處理，接著PLC

10、根據(jù)也為情況來相應(yīng)的啟閉水泵或者排水閥的工作，以此來達到液位的自動化管理。這種PLC系統(tǒng)用在干擾情況較為嚴重的工控場合能夠表現(xiàn)出非常高的穩(wěn)定度，內(nèi)部程序在運行過程中基本不會出現(xiàn)運行錯誤等情況，因此成本也非常高。近幾年來的單片機技術(shù)日益完善，單片機控制系統(tǒng)逐漸滲透到工業(yè)領(lǐng)域的各個角落，單片機的穩(wěn)定性跟過去相比已經(jīng)取得了質(zhì)的飛躍，在水位控制系統(tǒng)方面，目前市面上已經(jīng)出現(xiàn)了多種類型的以單片機作為主控核心的自動控制系統(tǒng)，這些產(chǎn)品主要分為超聲波探測式、電磁波探測式、激光探測式以及機械浮子式幾類，根據(jù)液位探測的精度以及準確度區(qū)分，激光探測式性能最佳，而已使用廣泛度以及成本來看，機械浮子式數(shù)第一。由于單片機的

11、成本遠低于PLC系統(tǒng)，并且目前單片機的性能和穩(wěn)定度在不斷提升，已經(jīng)有和PLC持平的趨勢，因此如果采用單片機作為也為控制系統(tǒng)的主控器，那么將大幅度降低其生產(chǎn)成本。1.2 水溫控制技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀遠程水溫監(jiān)控技術(shù)目前正朝著網(wǎng)絡(luò)化、更遠距離化的方向發(fā)展，在網(wǎng)絡(luò)化方面，很多研究者正在不斷地將以太網(wǎng)模塊、互聯(lián)網(wǎng)總線植入到水溫監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)，有了以太網(wǎng)模塊，多個水溫監(jiān)控系統(tǒng)就可以組成一個小網(wǎng)絡(luò)，多個小網(wǎng)絡(luò)就可以組成一個大網(wǎng)絡(luò)，從而進行集中管理、監(jiān)視和維護。麻省理工大學的一個研究小組開發(fā)了一款能夠手機對水溫進行監(jiān)控的系統(tǒng)，它的智能之處在于這個系統(tǒng)不但在手機上設(shè)計了水溫的監(jiān)控界面，同時能夠?qū)⒍囗梾?shù)（如溫度、

12、濕度以及氣壓等）通過GPRS模塊發(fā)送給手機持有者，這樣企業(yè)人員在給自己的手機上下載這個系統(tǒng)后，就能夠在辦公室內(nèi)輕松的檢測車間的水溫情況，省去了現(xiàn)場監(jiān)管的麻煩。而國內(nèi)的研究者也在這方面取得了很大的成果，他們將以太網(wǎng)植入了水溫控制系統(tǒng)中，通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)實現(xiàn)了對水溫的靈活監(jiān)控。1.3 本文主要內(nèi)容本文以基于單片機的溫度及水位控制系統(tǒng)為研究目標，設(shè)計了一款能夠?qū)崿F(xiàn)溫度和水位自動測量的電子控制系統(tǒng)，在文章第一章，主要對系統(tǒng)的發(fā)展背景和國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進行了描述，第二章對系統(tǒng)的設(shè)計方案以及元器件進行了選擇和介紹，文章的第三章對硬件系統(tǒng)進行了設(shè)計，第四章主要對軟件系統(tǒng)進行了設(shè)計。2 方案選擇及元器件介紹2.1

13、主控單片機的對比與選擇方案一：選擇8位的51內(nèi)核單片機作為主控核心，由于51單片機進入中國學生的視野比較早，它通常作為高校里單片機課程的主要教學題材，因此具有廣泛可使用的資料和現(xiàn)成例程，其庫函數(shù)目前也比較豐富，因此在使用時比較容易上手，尤其是對剛開始邁進單片機大門的學生來說。目前使用最廣泛的AT89C51和STC89C51同是采用經(jīng)典51內(nèi)核的8位單片機，這兩者的區(qū)別是AT89C51是單片機巨頭ATMEL公司研發(fā)的，STC89C51是國內(nèi)的宏晶公司推出的，兩者相互兼容，另外最基本的C51單片機采用串口下載程序，不需要昂貴的仿真器，因此成本非常低。但是其缺點也非常明顯，由于C51單片機比較基礎(chǔ)，

14、因此其內(nèi)部資源非常貧乏，只集成了UART、定時器等模塊，中斷資源比較少，只有P3.2和P3.3兩個管腳能夠進入管腳中斷，其他管腳無中斷能力，因此在開發(fā)大型的復(fù)雜項目時將顯得非常遜色，如果需要使用AD轉(zhuǎn)換或者DA轉(zhuǎn)換等功能時，需要在片外擴展相關(guān)芯片，因此電路形式將顯得復(fù)雜。方案二：選擇美國德州儀器（TI）公司研發(fā)的MSP430系列單片機作為主控核心，這種單片機進入市場的最大優(yōu)勢是其低功耗性能，該公司曾用一個新鮮檸檬的汁液進行處理來給430單片機供電，以此來展示其低功耗的優(yōu)勢。430單片機采用了RISC精簡指令系統(tǒng)，另外430是一種16位單片機，該系列單片機的高端型號的主頻能夠達到40M，處理速度

15、相對于經(jīng)典的8位單片機來說非?？?。430單片機中大多數(shù)芯片具有JTAG口，這使得用戶能夠通過專用的仿真器來設(shè)置斷點來分析程序的運行現(xiàn)象，方便查看相關(guān)的寄存器值，給程序調(diào)試帶來了極大的方便，為項目的成功帶來了極大的保障，然而這種仿真器的成本相對昂貴，給學生實驗帶來諸多不便。在優(yōu)勢方面，430單片機的內(nèi)部資源相對豐富，大多數(shù)型號都集成了AD、DA、硬件IIC、定時器以及UART等資源，在使用時配置比較方便。然而其缺點也非常明顯，由于低功耗的430單片機主要應(yīng)用在一些手持設(shè)備上，用戶主要是一些手持儀器研發(fā)公司，因此對于430單片機的開發(fā)資料學生不能方便觸及到，給學生學習帶來諸多不利。綜上所述各種常用

16、單片機的優(yōu)缺點，考慮到自身的學習經(jīng)歷以及知識掌握度，對于51單片機非常熟悉，雖然上文說到其內(nèi)部沒有集成AD轉(zhuǎn)換或者硬件IIC等模塊，但是在片外擴展這些模塊也非常容易，網(wǎng)上相關(guān)的程序和資料相當?shù)亩?，并不會給設(shè)計過程帶來極大的阻礙。考慮到成本方面，上述所說的幾種單片機就成本來說只有51單片機的價格最低，并且非常容易買到，這給設(shè)計的成功性帶來了極大的保障，因此本系統(tǒng)選用51單片機作為主控核心。到底什么是單片機呢，相信很多學過單片機學生或者專業(yè)人士也很難對它下一個很清晰的定義，其實所謂單片機就是單片微型機的簡稱，在結(jié)構(gòu)上主要是將CPU、各種存儲器、定時器以及功能強大的輸入輸出結(jié)構(gòu)或者現(xiàn)場總線等部分都被

17、集成在同一個小型的硅片中的芯片，很多電子類專業(yè)的學生在接觸學習單片機之前通常會因為“單片機“三個字就望文生義以為它是一種很龐大的機械設(shè)備，其實不然，它只是一種一元硬幣大小的芯片而已（早期由于集成電路技術(shù)還不發(fā)達，面積比現(xiàn)在的芯片大得多）。實現(xiàn)單片機技術(shù)離不開集成電路技術(shù)的成熟，因為集成電路越成熟，單片機的體積就會越小并且成本就會越低，這是因為集成硅片的成本和其面積成正比。單片機在國外被稱為Single Chip Microcomputer，簡稱SCM，然而這只是它最早期的英文名稱，隨著它的不斷發(fā)展和人們對它的不斷認識，因此它被改名為MCU，即Microcontroller Unit。從最初的最

18、基本最簡單的單片機誕生開始一直到目前的功能強大處理性能猛增的32位單片機，其中經(jīng)歷了1位到4位、8位以及16位等發(fā)展過程，這里所說的幾位幾位單片機是指它的總線寬度，也就是它能夠并行處理多少位數(shù)據(jù)，例如我們平常經(jīng)常使用到的51單片機，它就是一種8位單片機，而目前較為流行的基于ARM內(nèi)核的STM32單片機就是一種32位單片機，它能夠同時并行處理32位數(shù)據(jù)，這是它能夠海量處理數(shù)據(jù)的根本原因。在單片機的實用范圍上，可以將所有的單片機分成兩類，即專用型單片機和通用型單片機，所謂通用型是指用戶可以通過自己編程和修改等來完成單片機應(yīng)用系統(tǒng)的構(gòu)建，這種類型的單片機對用戶開放較多的GPIO口管腳，內(nèi)部通常集成了

19、很多外圍模塊（如AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器模塊、DA數(shù)模轉(zhuǎn)換器模塊以及UART串口模塊等）；而專用型單片機是指在生產(chǎn)這種單片機前，用戶就已經(jīng)指定好該單片機的具體規(guī)格，如IO口的數(shù)量、管腳排列、定時器數(shù)量等，這都是為了專門的設(shè)計而生產(chǎn)的，因此通常在別處不可使用。另外可以根據(jù)單片機是否向外提供并行總線來將所有的單片機分成總線型和非總線型單片機，所謂總線型是指單片機對用戶提供數(shù)據(jù)總線和地址總線，并引出相應(yīng)的控制管腳，比如常用的51單片機它就屬于一種總線型單片機；而非總線單片機和總線型正相反。2.2 STC89C51單片機芯片本課題選用了宏晶公司推出的STC89C51單片機作為主控芯片，這款芯片是一款內(nèi)置經(jīng)典MC

20、S-51內(nèi)核的單片機，內(nèi)部集成的CPU與市面上流行的AT89C51單片機同出一轍。STC89C51單片機為FLASH型器件，它支持高達一萬次的可重復(fù)性燒寫，具有4k字節(jié)的程序容量。在RAM方面，STC89C51能夠?qū)崿F(xiàn)256字節(jié)的內(nèi)存性能，在一些小型系統(tǒng)中，這種配置已經(jīng)足夠使用，而在一些大型系統(tǒng)中，用戶需要自己在片外擴展存儲器，下圖2-1為STC89C51單片機的芯片圖。圖2.1 STC89C51單片機宏晶公司在STC89C51單片機片內(nèi)集成了一個高性能的UART串口，其數(shù)據(jù)收發(fā)管腳TXD和RXD被分別映射到P3.0和P3.1兩個IO管腳；兩個高達16位的計數(shù)器，具有定時和計數(shù)兩種工作模式；兩

21、個外部中斷管腳EX0和EX1，被分別映射到P3.2和P3.3兩個IO管腳。2.3 DS18B20溫度傳感器概述本系統(tǒng)的測溫單元采用的是當前市場上非常暢銷一種溫度采集傳感器，它的體積非常的小因此能夠適應(yīng)很多場合的應(yīng)用，比如說管裝待測物體，這樣DS18B20就能夠很輕易的被安置到物體內(nèi)部，DS18B20的多種封裝中都是只有三個管腳，一個電源管腳和一個接地管腳，另外剩下一個就是單線串行數(shù)據(jù)線，無論是單片機發(fā)送的時鐘信號還有數(shù)據(jù)信號或是DS18B20發(fā)送給單片機的時鐘信號還有數(shù)據(jù)信號，都是通過這條串行總線傳送，這樣就使得系統(tǒng)的硬件開銷非常小，只占用到單片機的一個IO管腳，由于信號的輸送距離很短所以它的

22、抗干擾能力非常的強，使得DS18B20的測溫性能精度非常高。DS18B20的典型特點就是驅(qū)動方便硬件消耗只有一個IO口，這全得益于美國DALLS公司研發(fā)的這種單線總線接線方式。為了適應(yīng)不同應(yīng)用場合的不同環(huán)境情況，DS18B20被開發(fā)出多種封裝形式，比如LTM8877和LTM8874以及使用最多的SOT-23封裝形式，使得DS18B20看起來像是一個普通的小型三極管，如此多的封裝使得DS18B20能夠在汽車測溫、電纜測溫、水溫測溫以及機房測溫等多種需要測溫的環(huán)境中得到試用。DS18B20溫度傳感器是DS1820的一個改進品，由于很多用戶在使用DS1820時常常抱怨其轉(zhuǎn)換溫度長達2s之多，很難達到

23、實時的測溫效果，因此DALLS公司改革升級了DS1820，推出了這款一上市就取得廣泛市場占有量的DS18B20溫度傳感器。DS18B20的轉(zhuǎn)換精度可以由軟件配置，由9、10、11以及12四種轉(zhuǎn)換精度可以選擇，四種轉(zhuǎn)換精度下的轉(zhuǎn)換時間各不相同，在配置為9位時，溫度分辨率為0.5攝氏度，轉(zhuǎn)換時間93.75毫秒；而在配置為12位后，溫度分辨率為0.0625攝氏度，轉(zhuǎn)換時間為750毫秒，因此可以看出轉(zhuǎn)換精度和轉(zhuǎn)換時間是不可兼得的，必須折中進行選擇。DS18B20的測溫范圍從-55攝氏度一直到+125攝氏度，另外在-10攝氏度至+85攝氏度之間的測溫精度高達±0.5攝氏度，而DS1820的測溫

24、精度只有±2攝氏度，這種性能是使得DS18B20贏得市場占有率的必要因素。DS18B20的另外一個優(yōu)點是可以不用給其VDD管腳供電而使用寄生電源就可以讓其正常工作，通過軟件的配置，單片機的IO口可以通過數(shù)據(jù)線給DS18B20內(nèi)部的集成電源供電，這主要依靠DS18B20內(nèi)部的大電容的存電效應(yīng)，通過DO數(shù)據(jù)線流進DS18B20的電流能夠給這個大電容充電而為DS18B20內(nèi)部的RAM、ROM以及AD轉(zhuǎn)換器模塊供電，這樣在遠程使用時，就節(jié)省了電源線，為DS18B20的使用帶來了更大的方便和簡潔性，下圖2-2為DS18B20傳感器實物圖。圖2.2 DS18B20溫度傳感器2.4 LCD1602

25、液晶屏介紹 本系統(tǒng)選用LCD1602型液晶屏作為顯示器，用于顯示系統(tǒng)運行過程中的一些重要參數(shù)，它是一種經(jīng)典的點陣型液晶顯示器，所謂點陣型就是指屏幕內(nèi)部由一列列的小方格液晶組成，當要顯示一個字符時，通過各個小方格的顯示和不顯示來構(gòu)成一個形象的字符形狀，由于液晶本身不能夠發(fā)光，因此大部分液晶顯示器都需要使用背景燈來照亮液晶顯示出來的字符，LCD1602也不例外，它有一個專門的背景燈電源，當給這個管腳施加+5V直流電壓時就可以將其背景燈打開，下圖為LCD1602液晶屏的實物圖。圖2.3 LCD1602液晶屏在字符顯示效果方面，LCD1602分為上下兩排，每排最多能夠顯示16個英文字符（1602不能夠

26、對中文漢字進行顯示）。它共有16個直插引腳，采用并口形式進行驅(qū)動。3 硬件系統(tǒng)設(shè)計3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計本章主要對系統(tǒng)的硬件電路進行設(shè)計，在對硬件原理圖進行設(shè)計前，首先通過系統(tǒng)的整體硬件框圖3-1來描述本系統(tǒng)的硬件連接關(guān)系：AT89C51單片機是整個控制系統(tǒng)的核心，它負責檢測按鍵模塊、驅(qū)動報警器模塊、驅(qū)動液晶屏以及啟閉繼電器；溫度傳感器采用DS18B20，它內(nèi)部集成了感溫模塊以及AD模塊，采集到溫度后通過模擬轉(zhuǎn)換電路將溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過單總線將數(shù)字信號傳送給51單片機。當水溫超過設(shè)定溫度時，報警模塊用于發(fā)出報警信號；顯示模塊用于顯示當前溫度、實際溫度等參數(shù)；繼電器模塊用于驅(qū)動加熱器；溫度

27、傳感器用于檢測當前水溫；水位檢測模塊用于檢測當前的水位值，當水位值低于設(shè)定水位時，單片機打開水泵進行加水。圖3-1 硬件框圖3.2 STC89C51單片機最小系統(tǒng)最小系統(tǒng)時單片機系統(tǒng)的核心部分，它通常由單片機芯片、復(fù)位電路和晶振電路組成，下面對復(fù)位電路和晶振電路進行設(shè)計。3.2.1 復(fù)位電路圖3-2為復(fù)位電路原理圖，由復(fù)位按鍵、電容以及電阻組成，它所要完成的功能是：當單片機上電的一瞬間，電阻兩端的電壓為VCC，此時RST在高電平作用下，單片機系統(tǒng)將被復(fù)位，為接下來的正式工作做準備。當用戶需要在單片機工作中途復(fù)位時，可按下復(fù)位按鍵，按鍵被按下后，電容將被短路，電阻兩端電壓再次回到高電平VCC，R

28、ST管腳在高電平作用下，單片機被復(fù)位，這就是復(fù)位電路的工作原理。圖3-2 復(fù)位電路 3.2.2 晶振電路 圖3-3為晶振電路原理圖，由兩個30pF電容和一個12M晶振組成，它所要完成的功能是向51單片機的XTAL1和XTAL2兩個管腳輸入12MHz的時鐘信號。 圖3-3 晶振電路3.3 DS18B20電路設(shè)計下圖3-4為DS18B20溫度傳感器的電路設(shè)計，根據(jù)上文對DS18B20的管腳介紹可知它是一個具有一線總線特點的數(shù)字傳感器器件，也就是只需要將它的GND管腳接地，VDD管腳接上+3.3V+5V的直流電源（本系統(tǒng)采用了+5V直流電源）即可讓它工作，它的DO管腳接51單片機的P2.1管腳，由于

29、在51單片機驅(qū)動DS18B20工作的過程中會涉及到讀取由傳感器傳來的數(shù)據(jù)，因此必須P2.1管腳的上拉電阻才能使信號正常傳送，但是根據(jù)51單片機的管腳介紹中可知，51單片機的P2口內(nèi)部集成了10K的上拉電阻，因此再設(shè)計系統(tǒng)時就無需在外部配置上拉電阻了，這樣就簡化了DS18B20的硬件消耗。圖3-4 DS18B20電路設(shè)計3.4 LCD1602液晶屏電路設(shè)計LCD1602液晶屏的外圍電路設(shè)計相對簡單，只需要額外用到兩個電阻即可實現(xiàn)其正常工作。如下圖所示，LCD1602的1和2號管腳為液晶電源管腳，為其施+5V直流電壓，3號管腳為對比度調(diào)節(jié)管腳，通過一個10k和一個1.5k的電阻對5V電壓進行分壓，

30、為3號管腳提供1.1V左右的直流電壓，即可實現(xiàn)LCD1602最佳的對比度；46三個管腳為液晶屏的控制管腳，與51單片機的P2.5P2.6三個IO管腳直接相連；713號管腳為液晶屏的數(shù)據(jù)管腳，與51單片機的P0口八個IO管腳直接相連；14和15兩個管腳為液晶屏背景燈電源管腳，本系統(tǒng)為了將背景燈打開，為其施加+5V直流電壓。圖3-5 LCD1602液晶屏電路3.5 水位檢測電路設(shè)計下圖為水位測量模塊原理圖，其工作原理為：當水箱中沒有水時，由于P1.4P1.7三個管腳被10k的電阻上拉，因此全為高電平。當水箱中的水位觸及到LOW端時，由于水箱中的水被接地，因此LOW端觸及到水后，P1.7管腳電位被拉

31、低，P1.4P1.7三個管腳的電平分別為高高低；以此類推，當水達到中等水位，三個管腳分別為高低低，高等水位時，三個管腳分別為低低低。單片機對這三個管腳的電平狀況進行檢測，即可檢測到水箱中的水位情況。圖3-6 水位測量模塊3.6 繼電器及其驅(qū)動電路設(shè)計下圖3-7所示的電路即為由繼電器模塊組成的加熱模塊電路，下圖中的MOS管的作用主要是擴大51單片機的P1.6管腳的輸出電流，因為P1.6的最大輸出電流非常微弱，不足以使HRS1H-S-DC5V產(chǎn)生動作，驅(qū)動電路的電路形式非常簡單，只使用了一個N型MOS管，本系統(tǒng)選用了SI2302型MOS管，由于MOS管是一種壓控晶體管，uA級的基極電流就可將其導(dǎo)通

32、，因此當P1.6輸出高電平時SI2302將瞬間被導(dǎo)通，從而HRS1H-S-DC5V繼電器的3和4之間的線圈將有電流流過，從而使得繼電器內(nèi)部的觸頭產(chǎn)生動作；在P1.6輸出低電平時，由于SI2302的漏極和柵極之間沒有壓差，因此不能夠?qū)I2302導(dǎo)通，所以HRS1H-S-DC5V繼電器的3和4之間的線圈沒有電流流過，這樣繼電器內(nèi)部的觸頭將不能產(chǎn)生動作，這就是HRS1H-S-DC5V繼電器和驅(qū)動電路的工作原理和過程。當需要加熱時，P1.6管腳輸出高電平，從而立即將MOS管道通，繼電器的線圈得電將5和6兩個管腳接通，從而加熱器獲得220V電源，加熱器開始工作對水進行加熱。當不需要加熱時，P1.6輸出

33、低電平，MOS管截止，繼電器線圈沒有電流流過，從而5和6兩個管腳斷開，所以加熱器不工作。圖3-7 繼電器及其驅(qū)動電路4 軟件系統(tǒng)設(shè)計4.1 主程序流程設(shè)計本章主要通過流程圖的方式來闡述軟件系統(tǒng)的設(shè)計，通過主程序流程設(shè)計、LCD1602顯示流程設(shè)計、紅外遙控系統(tǒng)工作流程設(shè)計以及DS18B20溫度檢測流程設(shè)計等部分，詳細的描述了本設(shè)計的軟件設(shè)計過程。下圖4-1是本遠程水文控制系統(tǒng)的主流程圖設(shè)計，可以將它描述為：系統(tǒng)上電后首先進入系統(tǒng)初始化過程，在這個階段主要是將主控核心51單片機的各寄存器清零、DS18B20寄存器清零以及紅外遙控系統(tǒng)初始化等，在初始化過程結(jié)束后，使用者就可以通過紅外遙控或者按鍵設(shè)

34、置水溫了（紅外遙控的詳細工作過程將在后文介紹）。水溫設(shè)置完畢，系統(tǒng)就進入正式的工作過程了，通過DS18B20傳感器來檢測水中的溫度，并通過單總線的方式將帶水溫信息的數(shù)據(jù)傳送給51單片機，單片機在接收到數(shù)據(jù)后進行相關(guān)處理，以此判斷當前水溫是否超過了設(shè)定溫度，如果超過則立即啟動報警模塊發(fā)出報警信號，并同時關(guān)閉繼電器（關(guān)閉繼電器即關(guān)閉加熱模塊）；當水溫低于設(shè)定溫度時，開啟繼電器，將加熱模塊打開，對水進行加熱。與此同時，51單片機驅(qū)動LCD1602顯示當前水溫等數(shù)據(jù)。圖4-1 主程序流程圖4.2 DS18B20溫度轉(zhuǎn)換流程設(shè)計下圖4-2為DS18B20溫度采集軟件流程設(shè)計，在系統(tǒng)上電后DS18B20的

35、內(nèi)部RAM、ROM以及AD模塊會開始進行初始化工作，包括對RAM的清零以及AD的自動校準等過程，初始化完成后DS18B20就開始進行正常的采溫過程了，首先DS18B20內(nèi)部由熱敏電阻組成的測溫電橋會在溫度發(fā)生改變時輸出電壓發(fā)生改變這就是圖中的“溫度采集”過程；接著DS18B20內(nèi)部的高精度低誤差的AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器就開始工作了，首先AD會在軟件配置的位數(shù)下進行轉(zhuǎn)換，測溫電橋的直流輸出電壓直接連接到AD模塊的輸入端，從而AD能夠直接將反映溫度大小的直流電壓轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，這就是所謂的“數(shù)據(jù)處理”階段；最后，處理后的數(shù)據(jù)會儲存在DS18B20內(nèi)部的ROM中，并在DO管腳通過單總線方式發(fā)送出去，將數(shù)據(jù)傳

36、送給外部的單片機等處理器圖4-2 DS18B20工作流程設(shè)計4.3 LCD1602液晶屏工作流程圖設(shè)計對于LCD1602液晶屏的工作流程設(shè)計，主要分為寫指令以及寫數(shù)據(jù)三個部分，下面對；兩個子程序流程進行設(shè)計。4.3.1 寫數(shù)據(jù)流程圖下圖為51單片機向LCD1602寫數(shù)據(jù)的流程圖，首先51單片機先將液晶屏的RS管腳拉高，接著將8位數(shù)據(jù)通過P0口傳送到液晶屏的DB0DB7八個管腳，然后將液晶屏的使能管腳EN拉高，小段延時后，再將EN拉低，這樣就完成了51單片機向液晶屏的數(shù)據(jù)發(fā)送。圖4-3 寫數(shù)據(jù)流程圖4.3.2 寫指令流程圖下圖為51單片機向LCD1602寫數(shù)據(jù)的流程圖，與寫數(shù)據(jù)過程唯一不同的是在

37、發(fā)送指令前要先將RS、RW以及EN三個管腳同時拉高，接著將8位指令代碼通過P0口傳送到液晶屏的DB0DB7八個管腳，然后將液晶屏的使能管腳EN拉高，小段延時后，再將EN拉低，這樣就完成了51單片機向液晶屏的指令發(fā)送。圖4-4 寫指令流程圖4.4 加熱模塊工作流程設(shè)計加熱模塊主要由繼電器組成，通過繼電器來啟閉加熱器，因此加熱模塊的工作流程主要是繼電器的工作流程。繼電器的工作流程非常簡單，在需要加熱時，將繼電器所控制的電路閉合時，單片機的P1.6管腳輸出高電平即可；而不需要加熱時，單片機的P1.6管腳輸出低電平，由于繼電器的輸出只有兩種狀態(tài)，即閉和斷，因此其工作的流程可以用下面的流程圖來描述，即當

38、需要對水進行加熱時，單片機的P1.6管腳輸出高電平從而將加熱器打開；否則P1.6輸出低電平，關(guān)閉繼電器。圖4-5 加熱模塊工作流程設(shè)計5 實物制作與系統(tǒng)調(diào)試我們電子信息工程學科重點學的就是偏硬件方面的東西，所以畢業(yè)設(shè)計實物是非常有必要的，實物能更好更形象的展示出我們所要表達的東西。在制作實物的時候經(jīng)常會遇到一些問題，在通過遇到問題查找問題解決問題的過程中，提高我對實物制作的設(shè)計能力和動手能力，可以很好的把以前課本遇到的問題具象化。鞏固深化以前所學的知識。下面是對實物制作的過程中出現(xiàn)的主要問題進行總結(jié)和歸納，下圖5.1為實物圖照片，采用PCB制板以及手工焊制，最終實下圖的實物效果。圖5.1 實物

39、圖5.1 實物焊接在實物制作過程中，焊接工作是必不可少的，焊接不僅要求要把元器件焊在板子上而且要焊的美觀。就比如板子正面元器件要排設(shè)合理盡量每個元器件都不重疊，在板子的背面也要焊的美觀盡量少出現(xiàn)蒙古包，或用導(dǎo)線連接的情況。在焊接過程中經(jīng)常會出現(xiàn)這類情況，電烙鐵一不小心在板子上多待了一會就會把銅片焊出來，銅片掉出之后這個孔就得用導(dǎo)線來連接這樣即麻煩又不美觀，所以我在正式焊接前先在以前上課留下來的板子上先做練習，等熟練在再在好的板子上焊接。所以我的板子看上去會干凈美觀許多。5.2實物調(diào)試實物調(diào)試是整個制作工序最后一道也是最關(guān)鍵的一道。在實物調(diào)試過程中我把測水位的板子放到熱水中LCD顯示屏并沒有顯示

40、溫度的改樣，一開始我很困惑為什么會這樣，不知道問題在哪，多嘗試幾次發(fā)現(xiàn)我用的都是陶瓷杯（陶瓷杯導(dǎo)熱性差），我把傳導(dǎo)溫度的發(fā)卡貼在杯壁自然不會顯示真實的溫度，發(fā)現(xiàn)這個問題之后改用鐵杯，問題就解決了。在實物調(diào)試的過程中還會出現(xiàn)水位顯示不正確的現(xiàn)象，剛出現(xiàn)這個問題的時候我一直以為是線路的問題， 一直在檢查線路以及元器件，總以為是線路焊接錯誤或者是元器件失靈壞掉。直到有一天回過頭去看程序，發(fā)現(xiàn)我問題出現(xiàn)在程序里，程序關(guān)于判斷水位模塊中的寫錯了，本來應(yīng)該是寫if(S_low=0)&&(S_med=0)&&(S_high=0)中，我把high=0寫成了high=1，改完之后

41、再調(diào)試就沒有出現(xiàn)上述問題了。所以很多時候不知道問題在哪里可以把程序看一下，沒準我呢體出在程序里。結(jié) 論畢業(yè)設(shè)計的時間真的過得很快，轉(zhuǎn)眼四個月已經(jīng)過去了，通過這次畢業(yè)設(shè)計我將大學四年所學到的知識又重新的復(fù)習鞏固了一下，到最后基本是對一些重點科目做了一個徹底的總結(jié)、歸納和提升。在一開始時我拿到課題很迷茫不知道從何著手，到后來面對程序不知道如何編寫和修改時我憑借著自己對這個課題的一點了解和老師每次的認真指導(dǎo)，我一點一點的把每個問題每個難題攻克了?？傊詈笫窃诤顾c辛勞、迷茫與探索中完成了在畢業(yè)設(shè)計最初制定的所有目標，以我們所學過的Keil軟件開發(fā)環(huán)境作為設(shè)計平臺，結(jié)合Protel以及Proteus等

42、軟件，實現(xiàn)了這款以單片機作為微處理器的溫度及水位檢測控制系統(tǒng)，為大學學習和生活畫上了一個圓滿的句號。本次畢業(yè)設(shè)計構(gòu)建的這款溫度及水位檢測系統(tǒng)，選用的是成本最低的51系列單片機作為控制系統(tǒng)的微處理器，51單片機無論是在處理速度還是穩(wěn)定性上，都稱得上是一款性價比較高的器件，因此由其作為主控核心的控制系統(tǒng)，能夠表現(xiàn)出令人滿意的結(jié)果。本系統(tǒng)的成功之處就是在另一方面是由選用的高度集成化硬件模塊帶來的，如LCD1602液晶屏內(nèi)部不但集成了液晶控制芯片更自帶字庫，這樣就不用自己配置專門的字庫了，而且給系統(tǒng)的硬件布局帶來電路結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高的優(yōu)點，更簡化了軟件的設(shè)計。本次畢業(yè)設(shè)計雖然在設(shè)計制作的過程中有一些小的坎

43、坷，遇到一些小問題，但總的來說是順利的，這不但和選用的平臺有直接的關(guān)系。由于大學期間對51系列單片機具有較為系統(tǒng)的學習，不論是在內(nèi)部結(jié)構(gòu)還是寄存器配置上，我都比較了解。另外開發(fā)51單片機的Keil軟件平臺上集代碼編寫、程序調(diào)試以及程序仿真為一體，使得本系統(tǒng)能夠方便的完成從構(gòu)思到成型的各個過程。本文設(shè)計的這款系統(tǒng)雖然完成了預(yù)期設(shè)定的所有指標，但仍然存在許多可以改進和提升的部分，這主要是由于畢業(yè)設(shè)計時間倉促以及自身知識掌握不全造成的，因此我會在以后的工作和學習中去不斷改善我的作品。參考文獻1 蔡朝洋.單片機控制實習與專題制作M.北京：北京航空航天大學出版社，20062 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ) (模擬

44、部分) M. 北京：高等教育出版社， 20003 徐大誠，鄒麗新，丁建強.微型計算機控制技術(shù)及應(yīng)用M.高等教育出版社，20034 杜洋.愛上單片機M.北京:人民郵電出版社,2011.5 彭偉.單片機C語言程序設(shè)計實訓100例M.北京:北京航空航天大學出版社,2010.6 姜志海,趙艷雷.單片機的C語言M.北京:電子工業(yè)出版社,2008.7 夏路易,石宗義.Protell99SE設(shè)計教程M.北京:北京希望電子出版社,2009.8 朱定華.微機原理與接口技術(shù)M.北京:清華大學出版社,2010.9 黃賢武,鄭筱霞.傳感器原理及其應(yīng)用M.成都:電子科技大學出版社, 2010. 10 俞國亮.MCS-5

45、1單片機原理與應(yīng)用M.北京:清華大學出版社,2010.11 沈建華，楊艷琴，MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐M.北京：航空航天大學出版社,2008.7 12 褚振勇，翁木云. FPGA設(shè)計及應(yīng)用M. 西安：西安電子科技大學出版社，2002:7. 13 趙立民，于海雁，胡慶，龐杰. 可編程邏輯器件M. 北京：機械工業(yè)出版社，2003：45. 14 白中英, 主編數(shù)字邏輯與數(shù)字系統(tǒng)M. 科學出版社,2007 15 雷波主編，電子控制及仿真D. 武漢理工大學，2008.附 錄 A附 錄 B附 錄 CCommentDescriptionDesignatorFootprintValue電阻

46、貼片電阻R3, R4, R5, R6160806031K, 10KRes2ResistorR1, R2AXIAL-0.41.5K, 10K電容貼片電容C1, C2, C3C120610uF, 30pFDC-插座DC-1DC-插座STC89C5151單片機U2DIP-40繼電器5V繼電器U4HRS1H-5VLCD1602液晶屏U1LCD1602溫度傳感器溫度傳感器U3PET3XTALCrystal OscillatorY1R3812MN-MOSFETMOS管Q1, Q2SOT23-按鍵SwitchS2, S3SPST-2復(fù)位按鍵SwitchS1SPST-2蜂鳴器蜂鳴器B1蜂鳴器附 錄 D#inc

47、lude<reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit DQ=P21;/ds18b20與單片機連接口sbit Relay=P16;sbit BEEP=P20;sbit RS=P25;sbit RW=P26;sbit EN=P27;sbit S1=P10;sbit S2=P11;sbit S3=P12;sbit S4=P13;sbit WATER=P37;sbit S_low=P17;sbit S_med=P14;sbit S_high=P15;unsigned char code str1=&quo

48、t;T1:"unsigned char code str2="T2:"unsigned char code str3="L " unsigned char code str4="M "unsigned char code str5="H "unsigned char code str6="Date:"unsigned char code str7="S:"unsigned char code str8="Empty!"unsigned char

49、code str9="ON "unsigned char code str10="OFF"unsigned char b,flag=1;uchar data disdata5;uint tvalue,temp=500;/溫度值uchar tflag;/溫度正負標志 void delay1ms(unsigned int ms)/延時1毫秒（不夠精確的） unsigned int i,j; for(i=0;i<ms;i+) for(j=0;j<100;j+); /*lcd1602程序*/void wr_com(unsigned char com)

50、/寫指令/ uchar in=0;int i; delay1ms(1); RS=0; RW=0; EN=0; in|=(com&1);for(i=1;i<8;i+) in<<=1; in|=(1<<i)&com)>>i); P0=in; delay1ms(1); EN=1; delay1ms(1); EN=0; void wr_dat(unsigned char com)/寫數(shù)據(jù)/uchar in=0;int i; delay1ms(1); RS=1; RW=0; EN=0; in|=(com&1);for(i=1;i<8

51、;i+) in<<=1; in|=(1<<i)&com)>>i); P0=in; delay1ms(1); EN=1; delay1ms(1); EN=0; void lcd_init()/初始化設(shè)置/delay1ms(15); wr_com(0x38);delay1ms(5); wr_com(0x08);delay1ms(5); wr_com(0x01);delay1ms(5); wr_com(0x06);delay1ms(5); wr_com(0x0c);delay1ms(5); void display(unsigned char *p)/顯示

52、/while(*p!='0')wr_dat(*p);p+;delay1ms(1); init_play()/初始化顯示 lcd_init(); wr_com(0x80); display(str1); wr_com(0x88); display(str2); wr_com(0xc0); display(str6); /*ds1820程序*/ void delay_18B20(unsigned int i)/延時1微秒 while(i-);void ds1820rst()/*ds1820復(fù)位*/ unsigned char x=0; DQ = 1; /DQ復(fù)位 delay_18B20(4); /延時 DQ = 0; /DQ拉低 delay_18B20(100); /精確延時大于480us DQ = 1; /拉高 delay_18B20(40); uchar ds1820rd()/*讀數(shù)據(jù)*/ unsigned char i=0; unsigned char dat = 0; for (i=8;i>0;i-) DQ = 0; /給脈沖信號 dat>>=1; DQ = 1