智能家用电热水器控制系统—遥控部分

1深圳大学本科毕业论文（设计）题目智能家用电热水器控制系统遥控部分姓名专业电子科学与技术学院电子科学与技术学院学号指导教师职称讲师20年05月08日2深圳大学本科毕业论文（设计）诚信声明本人郑重声明所呈交的毕业论文（设计），题目遥控式智能家用电热水器控制系统遥控部分是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。除此之外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。本人完全意识到本声明的法律结果。毕业论文（设计）作者签名李浩日期20年05月08日3目录摘要1第一章绪论2第一节课题背景2第二节智能家用电热水器的现状2第三节遥控技术种类3第二章总体设计方案4第一节功能需求分析4第二节遥控式智能家用电热水器控制系统总体方案设计4第三节智能家用电热水器的遥控部分设计方案5第三章系统遥控器器件及开发平台选择9第一节遥控器硬件结构9第二节器件选择9第三节开发平台选择11第四章硬件电路设计13第一节发射电路部分13第二节接收电路部分14第三节原理图设计流程16第五章遥控器软件设计19第一节总体设计19第二节红外遥控系统功能设计204第三节程序说明22第六章调试26第一节软件调试26第二节硬件调试27总结和展望29参考文献30致谢31ABSTRACT311遥控式智能家用电热水器控制系统遥控器部分【摘要】电热水器是一种可供浴室、洗手间及厨房使用的家用电器，市场上传统的机械式电热水器控制精度低、可靠性差。随着人们生活质量的提高，人们对电热水器的要求越来越趋向于智能化和数字化。本论文设计了遥控式智能家用电热水器控制系统，重点研究了红外遥控器部分。该遥控器以AT89S52单片机为核心，加上按键矩阵以及红外收发等简单外围电路模块，能完成开/关、定时、定温等遥控功能。此外设计的遥控器采用低功耗模式，用电池供电既节能又方便，并且考虑到了抗干扰问题。采用无线遥控技术，让电热水器的安装不再受高度限制，另外其45度人性化操控视角更适合人的视觉习惯，因此遥控式智能家用电热水器具有广阔的市场前景。【关键词】电热水器；智能控制；红外发射；红外接收；单片机2第一章绪论第一节课题背景热水器是一种可供浴室，洗手间及厨房使用的家用电器。目前市场上热水器主要品种有电热水器、太阳能热水器、燃气热水器。但太阳能热水器的使用受天气状况的影响比较大,使用范围狭窄；燃气热水器因以石油、天然气为燃料,而燃料的短缺导致供应量不足和价格偏高，难以满足人们的需求，且不利于环境，因此电热水器越来越受到消费者的青睐。根据中国商业联合会之前的统计，电热水器的市场份额在销售数量和销售收入两个方面都已经超过了长期以来占优势的燃气热水器。在国内随着电网的改造成功和人们的生活水平提高，电热水器的市场迅速从大中小城市进入到农村，有着广阔的前景。同时随着科技的发展，智能化技术被广泛的运用于个领域。而无线遥控作为智能控制的一种方法，给人们带来很大方便。因此它越来越受到人们的青睐，在很多领域我们都能见其身影。随着电子技术的飞速发展，新型大规模遥控集成电路的不断出现，使遥控技术有了日新月异的发展。遥控装置的中心控制部件也从早期的分立元件、集成电路逐步发展到现在的单片微型计算机，智能化程度大大提高。近年来，遥控技术在工业生产、家用电器、安全保卫以及人们的日常生活中使用越来越广泛。第二节智能家用电热水器的现状目前市场上智能家用的电热水器种类繁多，功能各异。一种是早期款式的电热水器，这种电热水器直接通过机械式开关按钮控制开/关、加热等功能，这对消费者来说极为不方便，如果碰到漏电的情况，存在很大安全隐患。例如上海冠镭公司的D30SHE电热水器。为了解决这些问题，市场上逐渐出现了通过遥控控制的电热水器。这种热水器可以远程控制，遥控编码大多采用专用编码芯片，这种编码方式也成了它的一个缺点，一款热水器要独立配套一款遥控器，而且遥控器制作成本偏高。在竞争激烈的市场，这种热水器无疑面临挑战，例如美的电热水器。随着人们生活水平的提高，尤其是通信技术的迅猛发展，虽然市场上出现了比较先进的电热水器，例如西门子的E控家智能电热水器DG75360TI，他实现了远程电话遥控，离家时,您只要拨通M56无绳,根据语音提示,随时随地预约热水或关机；自由无线遥控，在家时,可用M56无绳电话作为遥控器,直接设定热水器稳中各项功能；完善扩展组合，您可加配两部M56无绳电话子机和任意电话,实现内部通话并遥控热水器；兼备灵感系列所有功能、接力变容、节能分水器、超厚聚能保温层，电话语音控制等功能。但这种热水器价格昂贵，最低价格都要三千多元人民币，不适合大众的需求。为此我们提出了一种基于单片机的红外遥控器作为热水器的控制装置，以此来提高日益加剧的市场竞争力。3第三节遥控技术种类常见的遥控方式一般有声控、光控、无线电遥控、红外遥控等等。声控就是用声音去控制对象动作，一般采用驻极体话筒或压电陶瓷片作为传感元件来拾取声音，通过电路放大驱动后级电子开关动作。光控方式是利用光敏管受光以后内阻发生变化使电子开关的状态发生变化，从而控制电路工作。无线电遥控电路比起声控或光控电路相对复杂，但控制距离也更远是它的主要特点，光控、声控电路一般仅有几米到十几米的作用距离，而无线电遥控视不同的应用场合近可以是零点几米，远则可以超越地球到达太空它由发射电路和接收电路2部分组成，当接收机收到发射机发出的无线电波以后驱动电子开关电路工作。所以它的发射频率与接收频率必须是完全相同的。根据其发射的高频波形有等幅、调幅、调频、数字脉冲发射机。红外遥控方式就是把红外线作为载体的遥控方式。由于红外线的波长远小于无线电波的波长，因此在采用红外遥控方式时，不会干扰其他电器的正常工作，也不会影响临近的无线电设备。同时，由于采用红外线遥控器件时，工作电压低，功耗小，外围电路简单，因此它在日常工作生活中的应用越来越广泛。4第二章总体设计方案第一节功能需求分析目前市场上的电热水器有连续水流式和贮水式，前者虽具有加热速度快和体积小的优点，但需要的功率大，大多数家庭供电线路难以承受。而市场上传统的机械式电热水器控制功能不完善,而且精度低、可靠性差，生活质量的提高使得消费者对电热水器要求越来越趋向于智能化和数字化，因此我们采用ATMEL单片机作为控制中心设计了一款智能家用电热水器控制系统。由于考虑到热水器对单片机的特殊要求，我们采用了ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造的AT89S52单片机1作为控制中心它具有抗干扰能力强,工作可靠稳定,自带FLASH闪存等特点,完全满足高性能的电热水器的控制要求同时考虑到家电业的激烈竞争，节约生产成本，我们用尽量简单的器件实现这些功能，并充分利用内外围功能，以提高产品的性价比，稍加改进，便能以较低成本应用于实际批量生产中。基于以上考虑,本设计将实现如下的功能对温度精确控制采用高性能的DS18B20实时采集热水器内水温,将温度信号转变为电压信号后送单片机处理,可用高清晰度的数码管进行实时显示。可靠的水位采集电路，实时采集水位供查询时进行显示，当水位过低时给出提示并停止加热，防止干烧。开机方式有立即开机和定时开机两种24小时内任意设定开机时间用省时节能的方式准时加热到特定温度，既可免去等待烧水的时间,又避开用电高峰,节约电费。自动检测热水器是否处于正常工作状态，并具有调温、恒温、防干烧、防超高温、防漏电等多项自检功能，使用户在使用过程中安全更有保障。配备遥控器，操作更加方便。第二节遥控式智能家用电热水器控制系统总体方案设计系统设计硬件原理结构如图21所示。系统以AT89S52单片机为核心，由温度检测电路、水位检测电路、控制电路、显示电路、报警电路组成了整个控制电路。温度部分通过DS18B20温度传感器采集直接输出为数字信号控制单片机引脚；水位部分通过电阻的变化经A/D转化后给单片机；定时、定温通过遥控器控制实现；最后经单片的控制，通过调用子程序，响应相应的报警及显示。5第三节智能家用电热水器的遥控部分设计方案一、方案一利用专用红外编码芯片遥控电路，红外信号的发射采用专用编码芯片、振荡电路及外围电路组成，运用普遍。具体发射接收方案如图22所示。红外发射的原理如图22A所示，当按下遥控按钮时编码芯片产生相应编码，再经振荡电路产生的方波调制后由红外发发光二极管发射出去。红外接收的原理如图22B所示，当红外接收器接收到遥控信号后，通过单片机解码然后控制相应功能电路。AT89S52电源温度检测AD转换水位采集漏电检测电路红外接收电路遥控器报警器温度显示时间显示加热电路保护电路水位显示图图21系统硬件结构图编码芯片振荡电路按键红外发射（A）红外发射部分6二、方案二利用单片机编码遥控电路，红外信号的发射由单片机、简单外围电路组成。具体发射接收方案如图23所示。红外发射的原理如图23A所示，按键值通过单片机编码，经38K波调制后由红外发光二极管发射。红外接收部分原理如图23（B）所示，当红外接收器接收到遥控信号后，通过单片机解码然后控制相应功能电路。单片机红外一体化接收头受控电路B红外接收部分图22利用专用红外编码芯片的遥控方案单片机红外一体化接收头受控电路（B）红外接收部分单片机按键红外发射（A）红外发射部分图23利用单片机编码的遥控方案7三、方案三利用单片机编码遥控电路。此方案在方案二的基础上，在发射部分增加了液晶显示模块，可以实时显示键值。具体发射接收方案如图24所示。红外发射的原理如图24A所示，按键值通过单片机编码，经38K波调制后由红外发光二极管发射，同时键值可在显示部分实时显示。红外接收部分原理如图24（B）所示，当红外接收器接收到遥控信号后，通过单片机解码然后控制相应功能电路。四、方案比较综上所述，通过比较三套方案，方案一采用专用编码芯片，技术成熟，但是电路相对复杂，需要独立的振荡电路，成本较高；方案二和方案三采用了单片机进行编码，电路简单，易实现，但对于本设计，目的是针对电热水器的控制，功能不是很复杂。考虑到热水器部分已经有显示电路，为了避免不必要的资源浪费，在遥控部分便不再设置显示部分，具体的控制显示由热水器部分实现。这样既不影响所需功能又能节省成本，除此还可大大简化电路缩短设计周期。因此本设计采用方案二作为设计蓝本。按键显示单片机红外发射（A）红外发射部分单片机红外一体化接收头受控电路（B）红外接收部分图24利用单片机编码并带显示的遥控方案8第三章系统遥控器器件及开发平台选择第一节遥控器硬件结构遥控器的总设计原理结构如图31所示。矩阵键盘为各功能按键，单片机实现键值编码调制，其余为红外的发射及接收解调。第二节器件选择一、单片机选择本设计所用的单片机可以用AT89C5152，AT89S5152等多种系列的单片机来实现。但是根据手中现有的开发工具，编写程序所需存储空间，及其他所需资源的总体分析，我们决定选用AT89S52单片机来完成设计，其引脚图如图32所示。AT89S52单片机既方便也很实用（实际生产运用中考虑到遥控器一般用电池供电，避免单片机大材小用我们可选用AT89C52的低电平系列单片机）。单片机矩阵键盘红外信号发送红外信号接收图31遥控器硬件结构图9图32AT89S52管脚图AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机。片内含8KBYTESISPINSYSTEMPROGRAMMABLE的可反复擦写1000次的FLASH只读程序存储器。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS51指令系统及80C51管脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFLASH存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S52具有如下特点240个管脚，8KBYTESFLASH片内程序存储器，256BYTES的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。其设计和配置了振荡频率可为0HZ并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，管脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在FLASH编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。10对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的管脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，P10和P12分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P10/T2）和时器/计数器2的触发输入（P11/T2EX）。在FLASH编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的管脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR）时，P2口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVXRI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在FLASH编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的管脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用。在FLASH编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。二、按键控制方式选择由于本设计所控制的电热水器的功能不是很多，所以不需要用外接扩充键盘，直接使用单片机上的接口，便可实现8个点触式开关。第三节开发平台选择一、PC机开发平台因为PROTEL99SE软件不适宜在VISTA系统下运行，故选用微软的WINDOWSXP系统进行开发。二、单片机开发平台ME300B单片机开发系统3将单片机实验板，编程器，仿真器，ISP下载线集成到统一系统中如图33所示。使用仿真模块与KEILC51调试软件VISION2配合可直接对实验板上的资料进行在线仿真。ME300B自带CPU，配合控制软件可以直接对AT89S52进行编程，利用板上的紧锁座，实现编程和仿真共用，烧写完毕即可自动演示。ME300B开发学习系统的硬件资源和接口比较丰富，它有8路LED，8路LCD，一路继电器，蜂鸣器，44矩阵键盘，4个独立按键，一体化红外接收头，配有32键遥控器，1602字符型LCD接口，12864图形LCD接口，I2C总线接口，SPI接口DS1302，单线串行温度检测芯片DS18B20接口，MAX232串口通信电路，40PIN仿真外扩接口。内置MCU实现完善的过载、短路保护功能。11图33ME300B开发学习系统根据各功能模块定形后，焊接必须的外扩电路，定义单片机各管脚使用功能，然后对各功能模块编写程序，并在线仿真，验证程序与电路的正确性，为下一步制作PCB做好准备。三、单片机编程环境的选择使用C51高级语言开发单片机应用程序比使用汇编语言开发有许多优点，例如C51模块化程序设计思想使得应用程序的开发过程大大的简化，可以用不同的程序员分别开发不同的功能模块，最后整合成完整的程序；C51程序的移植性和修改相对容易；C51提供了大量的函数库，可以方便的调用，使得程序开服更加简便。另外，本装置需要完成大量运算，用C51比用汇编简单多。KEILC514是美国KEILSOFTWARE公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。KEILC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全WINDOWS界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到KEILC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。C51工具包的整体结构，如图34所示，其中UVISION与ISHELL分别是C51FORWINDOWS和FORDOS的集成开发环境IDE，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件HEX，以供调试器PROTEUS使用进行源代码级仿真调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。12第四章硬件电路设计用单片机制作一个红外电热水器遥控器，可以控制电源的开关，并且可以对电热水器进行定时、定温操作。常用的红外遥控系统一般分发射和接收两个部分。发射部分的主要元件为红外发光二极管。它实际上是一只特殊的发光二极管；由于其内部材料不同于普通发光二极管，因而在其两端施加一定电压时，它便发出的是红外线而不是可见光。目前大量的使用的红外发光二极管发出的红外线波长为940MM左右，外形与普通5发光二极管相同，只是颜色不同。红外发光二极管一般有黑色、深蓝、透明三种颜色。判断红外发光二极管好坏的办法与判断普通二极管一样；用万用表电阻挡量一下红外发光二极管的正、反向电阻即可。红外发光二极管的发光效率要用专门的仪器才能精确测定，而业余条件下只能用拉锯法来粗略判判定。接收部分的红外接收管是一种光敏二极管。在实际应用中要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作，亦即红外接收二极管在电路中应用时是反向运用，这样才能获得较高的灵敏度。红外发光二极管一般有圆形和方形两种。由于红外发光二极管的发射功率一般都较小（100MW左右），所以红外接收二极管接收到的信号比较微弱，因此就要增加高增益放大电路。前些年常用PC1373H、CX20106A等红外接收专用放大集成电路。最近几年不论是业余制作还是正式产品，大多都采用成品红外接收头。成品红外接收头的封装大致有两种一种采用铁皮屏蔽；一种是塑料封装。均有三只引脚，即电源正（VDD）、电源负（GND）和数据输出（VO或OUT）。红外接收头的引脚排列因型号不同而不尽相同，可参考厂家的使用说明。成品红外接收头的优点是不需要复杂的调试和外壳屏蔽，使用起来如同一只三极管，非常方便。但在使用时注意成品红外接收头的载波频率。红外遥控常用的载波频率为38KHZ这是由发射端所使用的455KHZ晶振来决定的。在发射端要对晶振进行整数分频，分频系数一般取12，所以455KHZ12379KHZ38KHZ。也有一些遥控系统采用36KHZ、40KHZ、56KHZ等，一般由发射端晶振的振荡频率来决定。红外遥控的特点是不影响周边环境的、不干扰其他电器设备。由于其无法穿透墙壁，故不同房间的家用电器可使用通用的遥控器而不会产生相互干扰；电路调试简单，只要按给定电路连接无误，一般不需任何调试即可投入工作；编解码容易，可进行多路遥控。红外发射部分一般有许多按键，代表不同的控制功能。当发射端按下某一按键时，相应地接收端有不同地输出状态。接收端地输出状态大致可分为脉冲、电平、自馈、互锁、数据五种形式。“脉冲”输出是当按发射端按键时，接收端对应输出端输出一个“有效脉冲”，宽度一般在100MS左右。“电平”输出是指发射端按下键时，接收端对应输出端输出“有效电平”消失。此处的“有效脉冲”和“有效电平”，可能是高、也可能是低，取决于相应输出脚的静态状况，如静态时为低，则“高”为有效；如静态时为高，则“低”为有效。大多数情况下“高”为有效。“自锁”输出是指发射端每按一次某一个键，接收端对应输出端改变一次状态，即原来为高电平变为低电平，原来低电平变为高电平。此种输出适合用作电源开关、静音控制等。有时亦称这种输出形式为“反相”。“互锁”输出是指多个输出互相清除，在同一时间内只有一个输出有效。电视机的选台就属此种情况，其他如调光、调速、音响的输入选择等。“数据”输出是指把一些发射键编上号码，利用接收端的几个输出形成一个二进制数，来代表不同的按键输入。一般情况下，接收端除了几位数据输出外，还应有一位“数据有效”输出端，以便以后适时地来取数据。13第一节发射电路部分本发射电路采用一个221184MHZ的晶体振荡器，产生相对应受控开关的脉冲频率，通过红外发射管发射出去。发射电路图如41所示。图41红外发射电路图图中第9脚（RST）所接的是一个最简单的RC上电复位电路。P33接一个红外发光二级管作为红外信号发射的介质，控制信以红外光脉冲的形式发射出去。由接收电路再进行放大，解调，信号还原。其中第21脚至第26脚接6个点触式的开关，第21脚用来遥控电热水器电源的开/关，第22脚为电热水器的定温设置按键，第23脚为电热水器的定时设置按键，第24脚和25脚分别为、按钮，当按下第24脚开关时，设置，当按下第25脚开关时设置，第26脚为定时/定温设置的取消按键。第9脚为单片机的复位脚，采用简单的RC上复位电路，13脚作为红外线遥控码的输出口，用于输出38KHZ载波编码，18,19脚接221184MHZ晶振。晶体三极管主要用于放大电路中起放大作用，本设计采用的是一个NPN型的三级管90135，为了得到更大的放大倍数，采用了类似共射级接法。因为从P33口出来的为高电压，而三级管9013不能承受此电压，所以采用了一个阻值较大的电阻来起分压作用，从而缓冲了加到三级管9013上的电压。14在25下工作特性如表41和表42所示。极限值表41三极管9013工作特性电特性表42三极管9013工作特性参数名称符号测试条件最小值最大值单位集电极基极截止电流ICBOVCB40V，IE0150NA发射极基极截止电流IEBOVEB5V，IC0150NA共发射极正向电流传输比的静态值HFEVCE1V，IC50MA64300集电极发射极饱和电压VCESATIC500MA，IB50MA06V基极发射极饱和电压VBESATIC500MA，IB50MA12V红外发射管的工作电压一般为15V至17V，不能直接用5V的电压加在上面，所以又接了一个39的电阻，起分流作用，以保证红外发射管正常工作。第二节接收电路部分一、红外遥控接收器的的接收过程参数名称符号额定值单位最高集电极发射极电压VCEO20V最高集电极基极电压VCBO40V最高发射极基极电压VEBO5V最大集电极电流IC500MA耗散功率PC625MW最高结温TJ150贮存温度TSTG55150红外接收前置放大指令解调存储、驱动执行相应子程序图42红外接收过程15由上述可见，红外遥控系统中的指令信号接收后要经解调的过程，因为码分制系统编码脉冲的频率极低，为超低频，如果不用解调电路，外界突然的光线变化可能会对接收电路造成干扰，产生误动作，系统的抗干扰能力及可靠性就难以保证。同时为了简化电路，在设计中我们采用红外一体化接收头HS00386实现红外的接收解调。HS0038具体参数如表43及表44。极限值（T25）表43HS0038特性参数符号值电源电压VS0360V电源电流IS5MA输出电压VO0360V输出电流IO5MA结点温度TJ100保存温度范围TSTG2585工作温度范围TAMB2585功耗PTOT50MW焊接温度TSD260基本特性（T25）表44HS0038特性参数符号最小值标准值最大值ISD08MA11MA15MA电流ISH14MA电压VS45V45V传输距离D35M输出低电平VOL250MV发光EMIN02MW/04MW/接收角度1/2454516二、遥控接收部分原理图图43接收电路原理图图中U11为HS0038，它是集红外线信号接收放大为一体的接收器。其中心接收频率为38KZH，输出为TTL电平，平时输出高电平，当收到码信号后，输出低电平。第三节原理图设计流程一、原理图设计（一）新建工作组文件在进入SCH设计系统之前，首先要构思好原理图，必须明确了解每个器件的DATASHEET，必须知道所设计的项目需要哪些电路模块来完成，如本次设计就应该包括以下的电路模块DS18B20测温模块、电源电路模块、单片机系统模块、数据存储模块、键盘电路模块、液晶显示模块、报警电路模块、串口通讯模块等，然后根据电路模块的要求完善具体模块电路。确定好后就可以在PROTEL99SE中，建立工作组文件，然后再在工作组文件下面建立项目文件和SCH、PCB文件。（二）设置工作环境根据实际电路的复杂程度来设置图纸的大小。在电路设计的整个过程中，图纸的大小都可以不断地调整。（三）放置元件，布局，设定属性从元件库中选取元件，布置到图纸的合适位置，并对元件的名称、封装进行定义和设定，根据元件之间的走线等联系对元件在工作平面上的位置进行调整和修改使得原理图美观而且易懂，必要时采用NET对原理图进行连线。器件若找不到相应的库文件，如AT89S52，需要根据器件的DATASHEET去创造库文件，包括元件符号模型，元件管脚放置，元件管脚定义、属性等。17元器件的布局，由于本装置是围绕AT89S52进行操作的，首先确定单片机位置，再从电源出发，逐步补充其他模块，布局的目的是方便后续原理图布线的步骤，同时清晰器件功能。设定元器件名称属性，布局完成后，在元器件符号的上面一般都有个号，在问号处修改元件名称，在COMMENT处修改元件的值，并且修改元件的封装。（四）原理图的布线根据实际电路的需要，利用SCH提供的各种工具、指令进行布线，将工作平面上的器件用具有电气意义的导线、符号连接起来，构成一幅完整的电路原理图，若遇到连线妨碍了整体布局，可以通过放置网络标号NET的方法连接原理图的各个I/O口。（五）建立网络表完成原理图的布线以后，需要生成一个网络表文件，因为网络表包括了原理图设计的所有网络信息，网络表是电路板和电路原理图之间的重要纽带。（六）原理图的电气检查当完成原理图布线后，需要设置项目选项来编译当前项目，利用PROTEL99SE提供的错误检查报告修改原理图。经过修改，通过了电气检查。（七）编译和调整原理图通过电气检查，把原理图编译好，方便后面导入PCB。（八）存盘和报表输出PROTEL99SE提供了利用各种报表工具生成的报表（如网络表、元件清单等），同时可以对设计好的原理图和各种报表进行存盘和输出打印，买好各个器件，PCB的设计和制作做好准备。二、电路PCB主要设计步骤（一）PCB布局首先在原理图上生成网络表（DESIGNCREATENETLIST），之后在PCB图上导入网络表（DESIGNLOADNETS）。按如下原则进行布局1、同一个电路模块的器件，尽量靠近放置，并调整各元器件以保证连线最为简洁，减少电路板的过孔数量；2、晶振要尽量靠近单片机；3、考虑元器件的实际尺寸大小和高度，如AT89S52的大小和引脚，保证AT89S52有足够的位置放置，并要求不会影响其他器件的焊接；4、器件的放置必须考虑便捷性，如键盘，适当修改器件的摆放，使之整齐美观，同样的器件要摆放整齐、方向一致。5、为了防止布线靠边，在KEEPOULAYER层四个内边再放置一个小框，等布线好后再撤销；在电路板四个角落加入四个孔，方便电路板焊接后架起，避免直接接触物体表面。（二）PCB布线181、首先设置布线规则，如线宽，拐角等；2、先利用PROTEL99SE的自动布线功能布线，再合理的修改过密的布线，对布线进行优化；3、考虑本装置没有强干扰源和模拟信号，不实行覆铜与其他设置。19第五章遥控器软件设计第一节总体设计统软件由主程序，中断服务程序及若干功能模块子程序组成。其中主控制器子程序包括温度采集，A/D转换子程序（水位），键盘处理及显示子程序，加热控制子程序（使用输出比较功能），红外信号接收子程序，漏电、干烧保护子程序，数据保存子程序，延时子程序等组成。中断主要有定时中断，键盘输入中断，红外接收中断，模块中断等。遥控器子程序主要有按键处理子程序，红外信号发射子程序，中断有定时中断，按键中断，模块中断等。遥控信号处理子程序。发送当遥控器按键按下，设置标志位，并通过动态扫描方式读取键号，之后按标志位及键号利用输出比较进行编码发送。接收利用输入捕捉功能获得建好，接受成功后设标志位并读取键号供主程序进行处理,流程图如图51所示。上电复位初始化键盘检测调温度采集和A/D子程序调显示子程序有故障否短时加热否关加热并报警设定定时模式否加热控制短时加热置短时加热标志到预定时间否加热控制图51系统软件流程图NYYN20第二节红外遥控系统功能设计红外遥控系统功能部分主要实现遥控键值的编码、发射及解码，其流程图分别如图52，53所示。一、遥控码的编码格式现有的红外遥控编码方式7很多，常用的包括三种方式FSK（移频键控）方式，PWM（脉冲宽度调制）和PPM（脉冲位置调制）。其中后两种形式编码的代表分别为NEC和PHILIPS的RC5、RC6以及将来的RC7。FSK（移频键控）方式用两种不同的脉冲频率分别表示二进制数的“0”和“1”，其波形图如图54所示。PWM（脉冲宽度调制）方式以发射红外载波的占空比代表“0”和“1”。为了节省能量，一0101图54FSK编码波形图有按键否读取键号按键编码及发送入口返回图52红外发射流程图YN中断入口接收信号延时时消抖解码中断返回图53红外接收流程图YN21般情况下，发射红外载波的时间固定，通过改变不发射载波的时间来改变占空比。例如常用的电视遥控器，使用NECUPD6121，其“0”为载波发射056MS,不发射056MS；其“1”为载波发射056MS,不发射168MS；此外，为了解码的方便，还有引导码，UPD6121的引导码为载波发射9MS，不发射45MS。UPD6121总共的编码长度为108MS。其波形图如图55所示。PPM（脉冲位置调制）方式以发射载波的位置表示“0”和“1”。从发射载波到不发射载波为“0”，从不发射载波到发射载波为“1”。其发射载波和不发射载波的时间相同，都为068MS，也就是每位的时间是固定的。波形图如图56所示。图56脉冲位置调制波形图本设计中采用PWM调制编码，以脉宽为0565MS、间隔056MS、周期为1125MS的组合表示二进制的“0”；以脉宽为0565MS、间隔1685MS、周期为225MS的组合表示二进制的“1”，其波形如图57所示。01图55PWM编码波形图A”0”编码波形（B）”1”编码波形图57“0”和“1”编码波形22二、遥控码的发射采用PWM编码方式下，当遥控器的某个按键被按下时单片机先读出键值,然后根据键值设定遥控码的脉冲个数,再调制成38KHZ的方波由红外线发光管发射出去。发射电路的第13脚的输出调制波形形式为先产一个9MS低电平和45MS高电平的起始码，紧接着是26位系统码，此系统码能区别不同的电器设备，防止不同机种遥控码互相干扰，接下来是8位数据码和8位数据反码，间隔23MS的高电平后，再发一个与启始码完全一样的结束码。例如当遥控器的按键“1”按下时，产生的编码格式如下。图58键码“1”编码格式第三节程序说明一、在软件的设计中用到的主要函数有延时函数DELAY（）按键扫描函数VOIDKEYSCANVOID定时器初始化函数VOIDINIT_TIMER定时中断函数VOIDTIMER0VOIDINTERRUPT1（一）延时在按键的扫描过程中，最重要的是延时消抖得问题，可以通过反汇编，看到不同的延时程序不同的汇编代码。经实验，以下DELAYUCHARZ函数延时1US精确度最高。VOIDDELAYUINTZ/延时1MS，晶振221184M23UINTX,YFORXZX0XFORY225Y0Y另外由于红外的发射是通过定时器的控制产生中断完成的，因此了解中断和定时器的初始化及方式选择很重要。（二）中断当紧要事件发生时，CPU应暂停当前正在执行的程序，先转去处理紧要事件的子程序；紧急事件处理结束后，恢复原来的状态，再继续执行原来的程序。这种对紧要事件的处理方式，称为程序中断（INTERRUPT）控制方式，简称中断控制或中断8。8051单片机的5个中断源是外部中断请求0，由INTO（P32）输入；外部中断请求1，由INT1（P33）输入；片内定时器/计数器0溢出中断请求；片内定时器/计数器1溢出中断请求；片内串行口发送/接收中断请求；这些中断源请求标志位分别由特殊功能寄存器TCON和SCON的相应位锁存。1、定时器/计数器控制寄存器TCOND7D6D5D4D3D2D1D0TF1TF0IE1IT1IE0IT0表中IT0，IT1为外部中断0、1触发方式选择位，由软件设置。1为下降沿触发方式，0为电平触发方式。2、串行口控制寄存器SCOND7D6D5D4D3D2D1D0TIRI表中RI为串行口接收中断请求标志位。当串行口接收完一帧数据后请求中断时，由硬件置位（RI1）。RI必须由软件清零。TI为串行口发送中断请求标志位。当串行口接收完一帧数据后请求中断时，由硬件置位（TI1）。TI必须由软件清零。3、中断允许寄存器IED7D6D5D4D3D2D1D1EAET2ESET1EX1ET0EX0表中EX0，EX1为外部中断0、1的中断允许位，为1时外部中断0、1开中断，为0时外部中断0、1关；ET0，ET1为定时器/计数器0、1（T/C0、T/C1）溢出中断允许位，为1时开中断，为0时关中断；ES为串口中断允许位，为1时开中断，为0时关中断；ET2定时器/计数器242溢出中断允许位，1时开中断，0时关中断；EA为CPU开/关中断控制，1开中断，0关中断。4、计数寄存器TH和TLT/C是16位的，计数寄存器由TH高8位和TL低8位构成。在特殊功能寄存器（SFR）中，对应T/C0为TH0和TL0；对应T/C1为TH1和TL1。定时器/计数器的初值通过TH1/TH0和TL1/TL0设置。5、定时器/计数器控制寄存器TCOND7D6D5D4D3D2D1D0TR1TR0表中TR1，TR0为T/C0、1启动控制位。为1时启动计数为0时停止计数。6、T/C的方式控制寄存器TMODD7D6D5D4D3D2D1D0GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0T/C1T/C0C/T为计数器或定时器选择位，取1为计数器0为定时器；GATE为门控信号，取1时受双重控制，0时T/C的启动仅受TR0或TR1控制。M0和M1为方式选择位，它有四种工作方式，当M1M0取值00时工作在方式0，此时为13位定时器/计数器，TL锁存低5位，TH锁存高8位。当M1M0取值01时工作在方式1，此时为16位定时器/计数器。当M1M0取值10时工作在方式2，此时为常数自动装入的8位定时器/计数器。当M1M0取值11时工作在方式3，此时仅适用于T/C0，两个8位定时器/计数器。7、计数初值计算由于定时器/计数器的功能是由软件编程确定的，所以一般在使用定时/计数器前都要对其进行初始化，使其按设定的功能工作。初始化8的步骤一般如下（1）确定工作方式（即对TMOD赋值）；（2）预置定时或计数的初值（可直接将初值写入TH0、TL0或TH1、TL1）；（3）根据需要开放定时器/计数器的中断（直接对IE位赋值）；（4）启动定时器/计数器（若已规定用软件启动，则可把TR0或TR1置“1”；若已规定由外中断引脚电平启动，则需给外引脚步加启动电平。当实现了启动要求后，定时器即按规定的工作方式和初值开始计数或定时）。下面介绍一下确定时时/计数器初值的具体方法。因为在不同工作方式下计数器位数不同，因而最大计数值也不同。25现假设最大计数值为M，那么各方式下的最大值M值如下方式0M2138192方式1M21665536方式2M28256方式3定时器0分成两个8位计数器，所以两个M均为256。因为定时器/计数器是作“加1”计数，并在计数满溢出时产生中断，因此初值X可以这样计算（MX）（一个机器周期）定时时间通过以上的了解便可得出本设计中的定时器初始化程序如下VOIDINIT_TIMEREA1TMOD0X02/8位自动重载模式ET01TH00XE8/定时13US,38K红外波，晶振221184TL00XE826第六章调试第一节软件调试在程序代码编写完成后，为了避免重复的烧录，我们可以先对其进行软件仿真，在这里我们选择PROTEUS。它可仿真各种电路IC，并支持单片机，元件库齐全，使用方便，是不可多得的专业的单片机软件仿真系统。该软件的特点全部满足我们提出的单片机软件仿真系统的标准，并在同类产品中具有明显的优势。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、RS一232动态仿真、IC调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统仿真的功能；有各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。目前支持的单片机类型有68000系列、8051系列、AVR系列、PIC12系列、PIC16系列、PIC18系列、Z80系列、HC11系列以及各种外围芯片。支持大量的存储器和外围芯片。总之该软件是一款集单片机和SPICE分析于一身的仿真软件，功能极其强大，可仿真51、AVR、PIC。其界面如图61所示。图61PROTEUS界面在进入软件界面后，先完成电路图的绘制。然后加载HEX文件，如图62所示。27图62加载HEX文件然后点击PLAY按钮进入仿真状态，当有按键按下时在示波器上便能观察到相应的波形，例如当键2按下时观察到的波形（为了便于观察比较，截取结束码前部分波形图）如图63所示。图63按键“2”的波形图当键5按下时观察到的波形图（为了便于观察比较，截取结束码前面部分波形图）如图64所示。图64按键“5”的波形图28通过对波形的分析可以看出，所得波形与理论相符合，接下来我们便可以开始通过ME300B将程序烧入AT89S52单片机中进行硬件调试。第二节硬件调试控制电路板的安装与调试在整个电路的设计中占有重要位置，它是把理论付诸实践的过程，也是把纸面设计转变位实际产品的必经阶段。对试验阶