畢業(yè)設計-基于單片機的多功能飲水機設計2

畢業(yè)設計基于單片機的多功能飲水機設計【摘要】隨著計算機技術的發(fā)展，單片機技術已成為計算機技術中的一個獨特的分支，單片機的應用領域也越來越廣泛。本文所設計的智能飲水機就是單片機結合傳感器的一個簡單應用。本設計綜合單片機、電子技術理論，從實際出發(fā)，完善了飲水機的功能。設計方案主要采用數(shù)字溫度傳感器作為檢測單元，并運用了AT89C52作為主機單元、X5045EEPROM作為存儲單元、HD7279芯片來管理鍵盤和顯示器。整個系統(tǒng)實現(xiàn)了加熱、對溫度上下限的控制和定時加熱功能。由于采用了自動檢測和控制的電子設計技術，可較好地實現(xiàn)對水溫的測量和控制，具有較廣泛的應用前景?！娟P鍵詞】：溫度采集，主機單元，存儲單元，控制ABSTRACTWiththedevelopmentofcomputertechnology,computertechnologymicrocontrollertechnologyhasbecomeoneoftheuniquebranch,microcontrollerapplicationfieldofmoreandmorewidely.Thisdesignintelligentwaterdispenserissimplyasingle-chipcombiningsensorapplications.ThesystemdesignintegratedSCMandelectronictechnologytheory,fromlifereality,perfectthefunctionofwaterdispenser.Designscheme,mainlyadoptsdigitaltemperaturesensorDS18B20consistingtemperaturemeasuringsystemasthetestunitandUSESaAT89C52ashostunit,X5045EEPROMasstorageunit,HD7279chiptomanagethekeyboardandscreen.Thewholedesignsystemrealizethreefunctions,namelyheating,forthetemperaturecontroloftheupperandtimingheating.Comparedwiththetraditionalwaterdispenser,asaresultoftheautomaticdetectionandcontrolofelectronicdesigntechnology,canbeachievedfortemperaturemeasurementandcontrol,andhasabroadprospectofapplication.【KEYWORD】:temperaturegathering,thehostunits,storagelocationandcontrol目錄引言 1一、總體設計 1二、硬件設計 2（一）AT89C52單片機 2（二）溫度采集單元 3（三）數(shù)據(jù)采集的設置、控制單元 6（四）人機交互單元 8三、軟件設計 9（一）主程序設計 9（二）人機接口單元軟件 10（三）DS1302的軟件設計 11總結 13附錄一 14附錄二 15附錄三 16參考文獻 19致謝 20引言隨著科技的發(fā)展，單片機技術已經(jīng)滲透到人類生活的方方面面，在家用電器、通訊產(chǎn)品等日用電子設備中都可見到單片機。目前廣泛使用的飲水機，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，這些飲水機的缺點逐漸暴露出來，主要體現(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，用戶不能根據(jù)自己的喜好設定溫度。第二，能耗較大。在無人使用時，飲水機仍處在開機狀態(tài)，造成了能源的大量浪費。第三，長期飲用飲水機里的水會對健康不利。由于廣泛使用的飲水機燒水不能完全沸騰，長期飲用這種水會對身體造成較大的傷害。本論文所設計的飲水機是在單片機控制下進行的溫度控制，并通過顯示器顯示溫度。對單片機及外圍設備為主的系統(tǒng)進行了硬件和軟件設計，并在此設計的基礎上給出相應的原理圖。設計方案中主要采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20組成的測溫系統(tǒng)作為檢測單元，并運用了AT89C52作為主機單元、X5045EEPROM作為存儲單元、HD7279芯片來管理鍵盤和顯示器。整個設計系統(tǒng)實現(xiàn)了加熱、對溫度上下限的控制和定時加熱的功能。采用的自動檢測和控制的電子設計技術，可較好地實現(xiàn)對水溫的測量和控制，具有較廣泛的應用前景。用戶可根據(jù)自己實際情況來設定不同的溫度上限。上電后系統(tǒng)將自動運行，顯示的是當前的水溫，按一次設定按鍵可實現(xiàn)溫度控制的上限值。溫度下限、定時開關機步驟同上相似。用增鍵、減鍵、左右鍵來完成對應的參數(shù)設置。一、總體設計多功能飲水機總體框圖如圖1.1所示。本系統(tǒng)主要由單片機、溫度傳感器、控制電路、LED顯示、鍵盤、電源電路組成。系統(tǒng)以AT89C52單片機為核心，數(shù)字溫度傳感器將采集到的溫度數(shù)據(jù)送入單片機處理，再將處理好的數(shù)據(jù)送到HD7279，進行按鍵和數(shù)碼管的管理。程序采用E2PROM存儲器，可以很容易的實現(xiàn)軟件升級，從軟件方面提高準確度。同時，可以對加熱實現(xiàn)基本的控制，有效防止“千滾水”對身體造成的傷害。圖1.1總體框圖二、硬件設計（一）AT89C52單片機1.AT89C52單片機特點：兼容MCS51指令系統(tǒng)；8k可反復擦寫(>1000次）FlashROM；32個雙向I/O口；256x8bit內(nèi)部RAM；3個16位可編程定時/計數(shù)器中斷；時鐘頻率0-24MHz；2個串行中斷；可編程UART串行通道；2個外部中斷源；共6個中斷源；2個讀寫中斷口線；3級加密位；低功耗空閑和掉電模式；軟件設置睡眠和喚醒功能。2.AT89C52的硬件結構(1)數(shù)據(jù)存儲器AT89C52有256個字節(jié)的內(nèi)部RAM，高128字節(jié)的RAM和特殊功能寄存器的地址是相同的，但物理上它們是分開的。當一條指令訪問7FH以上的內(nèi)部地址單元時，指令中使用的尋址方式是不同的。如果指令是直接尋址方式則為訪問特殊功能寄存器。(2)中斷系統(tǒng)AT89C52共有6個中斷向量：兩個外中斷（INT0和INT1），3個定時器中斷（定時器0、1、2）和串行口中斷。(3)定時器此部分由3個16位可編程定時器：定時器0、定時器1和定時器3組成。(4)串行口P0口：是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也是地址/數(shù)據(jù)總線復用口。P1口：是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。P2口：是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。P3口：是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。3.外部引腳及功能(1)AT89C52各引腳總體介紹（如圖2.1所示）圖2.1AT89C52引腳配置1)電源引腳VCC（40腳）和VSS（20腳）為供電端口，分別接+5V電源的正負端。2)時鐘引腳XTAL1（19腳）和XTAL2（18腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接12MHz晶振。3)RST復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平，使單片機復位。4)PSEN程序儲存允許PSEN輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C52由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。5)EA/VPP外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器(地址為0000H-FFFFH),EA端必須保持低電平(接地）。如果加密位LBI被編程，復位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。（二）溫度采集單元1.溫度傳感器(1)DS18B20溫度傳感器的特點本單元選用DS18B20溫度傳感器來進行溫度數(shù)據(jù)的采集，其特點如下：①單線結構，只需一根信號線和CPU相連。②不需要外部元件，直接輸出串行數(shù)據(jù)。③不需要外部電源，直接通過信號線供電，電源電壓范圍為3.3V～5V。④測溫精度高，測溫范圍為：-55℃～125℃，在-10℃～85℃范圍內(nèi)，精度為±O.5℃。⑤測溫分辨率高，當選用12位轉換位數(shù)時，溫度分辨率可達0.⑥數(shù)字量的轉換精度及轉換時間可通過簡單的編程來控制,9位精度的轉換時間為93.75ms,10位精度的轉換時間187.5ms,12位精度的轉換時間750ms。⑦具有非易失性上、下限報警設定的功能，用戶可方便地通過編程修改上、下限的數(shù)值。⑧可通過報警搜索命令識別哪片DS18820采集的溫度超越上、下限。(2)DS18B20內(nèi)部結構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、配置寄存器。①64位光刻ROM:使每一個出廠的DS18820地址序列號都各不相同，這樣，就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18820。②溫度傳感器:完成對溫度的測量，輸出格式為16位符號擴展的二進制補碼。③低溫觸發(fā)器TL、高溫觸發(fā)器TH：用于設置低溫、高溫的報警數(shù)值。DS18820完成一個周期的溫度測量后，將測得的溫度值和TL、TH相比較，如果小于TL，或大于TH，則表示溫度越限，將該器件內(nèi)的告警標志位置位，并對主機發(fā)出的告警搜索命令，作出響應。修改上、下限溫度值時，只需使用一個功能命令即可對TL、TH寫入。④配置寄存器：R0、R1組成，其值決定溫度轉換的精度位數(shù)、轉換時間等。(3)DS18B20與單片機接口電路如圖2.2所示，DQ為溫度傳感器的數(shù)據(jù)輸入/輸出端，接到單片機的P2.0口。GND接地，VCC接電源。DS18B20溫度傳感器將感受到的水溫由DQ端口輸出，通過單片機P2.0端口送入單片機進行處理與控制。圖2.2DS18B20與單片機接口電路2.時鐘單元本次設計選用DS1302芯片作為副板的核心單元。(1)芯片引腳DS1302的引腳排列圖如圖2.3所示，Vcc1是后備電源，Vcc2是主電源。主電源關閉時，時鐘能連續(xù)運行。當Vcc2>Vcc1＋0.2V時，Vcc2給DS1302供電。當Vcc2<Vcc1時，Vcc1給DS1302供電。X1和X2外接32.768kHz晶振。RST是復位/片選線，通過把RST輸入驅動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。當RST為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對DS1302進行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，在Vcc≥2.5V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)，SCLK為時鐘輸入端。圖2.3DS1302引腳(2)DS1302與單片機的接口電路如圖2.4所示，腳RST是復位端，接到89C52的P2.4引腳。GND引腳接地，VCC接電源。SCLK是串行時鐘輸入端，接到89C52的P2.5引腳。I/O是數(shù)據(jù)輸入/輸出端，接到單片機的P2.3口，X1、X2是32.768MHz晶振輸入/輸出端。圖2.4DS1302與單片機的接口電路3.控制單元本控制器由9012三極管、固態(tài)繼電器、加熱電阻組成，如圖2.5所示。9012三極管與固態(tài)繼電器結合起到開關的作用，實現(xiàn)對水的加熱處理。圖2.5開關量控制環(huán)節(jié)（三）數(shù)據(jù)采集的設置、控制單元利用X5045EEPROM存儲測量值上下限和開機、關機時間，并且具有看門狗定時器功能，來進行數(shù)據(jù)采集等過程的設置和控制。1.X5045芯片引腳引腳定義如圖2.6所示。圖2.6X5045的引腳圖①SO:串行數(shù)據(jù)輸出端，數(shù)據(jù)在SCK的下降沿輸出到SO上。②SI:串行數(shù)據(jù)輸入端，所有操作命令、字節(jié)地址及寫入的數(shù)據(jù)在此引腳上輸入，SI線上輸入的數(shù)據(jù)在SCK的上升沿被鎖存。③SCK:串行時鐘輸入端，控制數(shù)據(jù)的輸入和輸出。④/CS:芯片選擇輸入端（片選）。當CS/為低電平時，X25045能工作。CS/的電平變化將復位看門狗定時器。⑤VCC:電源電壓。⑥/WP:寫保護輸入端，當WP/為低電平時，對芯片的寫操作被禁止，其他功能仍正常。WP/為高電平時，寫操作允許，其他功能仍然正常。⑦/RESET:復位輸入端，漏極開路輸出方式，高電平有效。用于電源檢測和看門狗超時輸出。⑧GND:電源地。2.X5045的功能(1)上電復位當器件通電并超過Vcc時，X5045內(nèi)部的復位電路將會提供一個約為200ms的復位脈沖讓微處理器能夠正常復位。(2)看門狗定時器看門狗定時器對微處理器提供了一個因外界干擾而引起程序陷入死循環(huán)或“跑飛”狀態(tài)保護的功能。X5045內(nèi)部的一個控制寄存器中有兩位可編程位，決定了定時周期的長短。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，在設定的時間內(nèi)如果沒有對X5045進行訪問，看門狗定時器以RESET信號作為輸出響應，即變?yōu)楦唠娖?，延時約200ms后，RESET由高電平變?yōu)榈碗娖健?CS的下降沿復位看門狗定時器。(3)低電壓檢測工作過程中X5045監(jiān)測電源電壓下降，電源電壓跌落到Vcc以下時，會產(chǎn)生一個復位脈沖，復位脈沖保持有效到電源電壓降1V以下。如果電源電壓在降落到門限電壓后上升，則在電源電壓超過門限電壓后延時約200ms，復位信號消失，使得微處理器可以繼續(xù)工作。3.X5045與單片機的接口電路接口電路如圖2.7所示，89C52的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3腳分別與X5045的片選端1腳(/CS)、串行輸入2腳(SO)、串行時鐘6腳（SCK）和串行輸出5腳(SI)相連，二者的RESET引腳相連。P1.0作為芯片選擇輸入端（片選）負責X25045是否選通，當89C52訪問X25045時將/CS置低電平。/CS信號一般不通過P2口選通，因為P2口工作于地址總線時，其輸出是脈沖方式，呈現(xiàn)高電平，不能保證片選持續(xù)有效，也就不能對其進行任何操作。在這里不使用/WP信號，直接接+5V。X5045與單片機引腳連接和相關地址的分配如下：/CS:片選端，低電平有效，與P1.0相連；CLK:串行時鐘輸入端，與P1.2相連；SO:串行數(shù)據(jù)輸出端，與P1.1相連；SI:串行數(shù)據(jù)輸入端，與P1.3相連RESET：復位端,與單片機的復位引腳RESET相連。圖2.7X5045與單片機的接口電路（四）人機交互單元該單元采用HD7279芯片來進行鍵盤和LED顯示器的管理，該芯片采用串行接口方式，可以同時驅動8位共陰極LED數(shù)碼管或64位獨立LED發(fā)光二極管，同時能對多達8×8的鍵盤矩陣進行監(jiān)視，具有自動消抖并識別按鍵代碼的功能。1.HD7279的引腳介紹其引腳排列如圖2.8所示，電源采用+5V供電,DIG0-DIG7分別為8個LED數(shù)碼管的位驅動輸出端。SA-SG分別為LED數(shù)碼管的A-G的輸出端。DP為小數(shù)點的驅動輸出端。HD7279與微處理器接口線只需要4條，其中非CS為片選信號(低電平有效)。RC引腳用于連接HD7279的外接振蕩元件，其典型值為R=1.5千歐，C=15pF。RESET為復位端。該端由低電平變成高電平并且保持25ms即復位結束。通常，該端接+5V即可。圖2.8HD7279的引腳2.AT89C52與HD7279接口如圖2.9所示，89C52的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7分別與HD7279A的6腳(/CS)、7腳(CLOCK)、8腳(DATA)和9腳(/KEY)相連。P1.4作為片選線，負責HD7279A是否選通，是8位準雙向I/O口，可帶4個LSTTL負載。當89C52訪問HD7279A（寫入指令、顯示數(shù)據(jù)、位地址、段地址或讀出鍵值）時，將/CS置低電平。DATA為串行數(shù)據(jù)，當89C52向HD7279A發(fā)送數(shù)據(jù)時，DATA為輸入端；當89C52從HD7279A讀入數(shù)據(jù)時，DATA為輸出端。CLK為數(shù)據(jù)串行傳送的同步時鐘輸入端，時鐘的上升沿將數(shù)據(jù)寫入HD7279A或從HD7279A中讀出數(shù)據(jù)。KEY為按鍵信號輸出端，在無鍵按下時為高電平，有鍵按下時為低電平，并一直保持到按鍵釋放為止。3.鍵盤控制單元利用HD7279的10腳作為行線，18腳—22腳作為列線組成5鍵的鍵盤，完成對鍵盤的譯碼和鍵值分別為20H、18H、10H、08H、00H。根據(jù)鍵值就可以確定是哪個鍵按下，具體見圖2.10。圖2.9AT89C52與HD7279A接口電路圖2.10HD7279與LED、鍵盤接口電路4.LED數(shù)碼單元HD7279A是的串行控制芯片，能同時驅動8位共陰極LED數(shù)碼管，在這里我們只用到了8位共陰極LED數(shù)碼管。HD7279A是動態(tài)循環(huán)顯示方式。HD7279A的10腳-17腳分別與8位LED數(shù)碼管的g、f、e、d、c、b、a、dp段相連，18腳-25腳為LED數(shù)碼管的位驅動輸出端，負責LED每一位的亮與滅，如圖2.10所示。三、軟件設計（一）主程序設計1.主程序和中斷流程圖主程序主要完成系統(tǒng)的初始化功能，流程圖如圖3.1所示，其中包括內(nèi)部變量清零、看門狗定時器初始化、鍵盤/顯示芯片初始化、時鐘芯片初始化，完成初始化功能后，系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)，可減少功耗和提高抗干擾能力，由各種中斷喚醒，執(zhí)行完中斷服務程序后，重新進入休眠狀態(tài)，系統(tǒng)的各任務在T0中斷服務程序中執(zhí)行，中斷服務程序流程圖如圖3.2所示。3.1主程序流程圖3.2中斷服務程序流程圖（二）人機接口單元軟件1.鍵處理程序流程圖首先判斷有無鍵按下，有鍵按下時，KEY-OK標志位置0；無鍵按下時，KEY_OK標志位置1。判斷鍵有無處理過，處理過則返回，未處理過，則KEY-FIG位置0，且讀出鍵值，根據(jù)鍵值的不同調(diào)用相應的子程序，從而保證每個按鍵只處理了一次，如圖3.3所示。圖3.3鍵處理程序流程圖2.各按鍵功能和子程序說明本系統(tǒng)有五個按鍵功能如表3-1所述。表3-1按鍵功能及鍵碼表按鍵功能鍵碼意義設定設置參數(shù)鍵20H每按下一次，就顯示一個設定參數(shù)值增建增加18H每按一下，設定參數(shù)加一減鍵減少10H每按一下，設定參數(shù)減一左移左移08H每按一下，LEFT加一確認確認鍵00H每次修改完參數(shù)后，按下此鍵，即可將修改后的參數(shù)存入內(nèi)存中保存起來（三）DS1302的軟件設計采用DS1302作為記錄測控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)記錄，其軟硬件設計簡單，時間記錄準確，既避免了連續(xù)記錄的大工作量，又避免了定時記錄的盲目性，給連續(xù)長時間的測量、控制系統(tǒng)的正常運行及檢查都來了很大的方便，可廣泛應用于長時間連續(xù)的測控系統(tǒng)中。圖3.4為DS1302流程圖。圖3.4DS1302流程圖總結通過對整個設計的了解，為以后我在這方面的深入學習打下基礎，讓我更深刻的體會到“學以致用”的道理。同時也提高了我解決實際問題的能力，培養(yǎng)了自我創(chuàng)新意識。在設計中我必須首先熟悉和掌握單片機的結構及工作原理，單片機的接口技術及相關外圍芯片的外特性，控制方法。以單片機核心的電路設計的基本方法和技術了解有關電路參數(shù)的計算方法。通過這次畢業(yè)設計，無論從選題到定稿，從理論到實踐都使我學到了很多東西，它不僅可以鞏固以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。同時也明白了理論與實踐相結合的重要性，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結合起來，從理論中得到實踐。附錄一主板原理圖附錄二副板原理圖附錄三溫度傳感器程序#include<reg52.h>#include<math.h>#include<INTRINS.H>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitDQ=P1^3;//ds18b20端口ucharTemp_Integer=0;ucharTemp_Decimal=0;ucharfg=0;voiddelay2(uintus){while(us--);}ucharInit_DS18B20(void){ucharx=0;DQ=1;//DQ復位delay2(8);//稍做延時DQ=0;//單片機將DQ拉低delay2(80);//精確延時大于480usDQ=1;//拉高總線delay2(10);x=DQ;//稍做延時后如果x=0則初始化成功x=1則初始化失敗delay2(5);returnx;}ucharReadOneChar(void)//讀一個字節(jié),"LSB"{uchari=0;uchardat=0;for(i=8;i>0;i--){DQ=0;//給脈沖信號dat>>=1;DQ=1;//給脈沖信號if(DQ)dat|=0x80;delay2(5);}return(dat);}voidWriteOneChar(unsignedchardat)//寫一個字節(jié){uchari=0;for(i=8;i>0;i--){DQ=0;DQ=dat&0x01;delay2(5);DQ=1;dat>>=1;