电饭煲模糊智能控制 机械工程及其自动化毕业设计.doc

本科毕业设计（论文）说明书本科毕业设计（论文）说明书 电饭煲模糊智能控制电饭煲模糊智能控制 学学 院院 华南理工大学广州学院华南理工大学广州学院 专业班级专业班级 机械工程及其自动化机械工程及其自动化 学生姓名学生姓名 朱伟江朱伟江 指导教师指导教师 姚锡凡姚锡凡 提交日期提交日期 20122012 年 5 5 月 1818 日 华南理工大学广州学院华南理工大学广州学院 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究 所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。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标明。本人完全意识到 本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学广州学院可以将本学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 指导教师签名： 日期： 年 月 日 华华 南南 理理 工工 大大 学学 广广 州州 学学 院院 毕毕 业业 设设 计计 （论文）（论文） 任任 务务 书书 兹发给机械工程及自动化专业 4 班学生朱伟江毕业设计（论文）任务书，内容如下： 1.毕业设计（论文）题目： 电饭煲模糊智能控制 2.应完成的项目： （1） 智能电饭煲控制系统整体方案设计 （2） 智能电饭煲控制系统硬件电路设计（重点） （3） 智能电饭煲控制系统软件程序设计（重点） （4） 在 proteus 中对控制系统进行仿真验证 （5） 完成电路原理图 1 张、软件程序清单 1 份、仿真效果图数张、毕业设计 说明书（论文）1 份 3.参考资料以及说明： （1）at89s51 单片机原理及其应用教材 （2）单片机 c 语言开发环境及使用教材 （3）智能电饭煲控制原理及实现方法等相关资料 （4）模拟电路设计技术教材 （5）数字电路设计技术教材 （6）proteus 仿真环境使用手册 （7）单片机控制系统设计及应用教材 4.本毕业设计（论文）任务书于 2011 年 12 月 20 日发出，应于 2012 年 5 月 18 日前完成，然后提交毕业设计（论文）答辩委员会进行答辩。 专业教研组（系）负责人 审核 2011 年 12 月 20 日 指导教师（导师组） 签发 2011 年 12 月 20 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 ii 日 毕业设计（论文）评语： 毕业设计（论文）总评成绩： 毕业设计（论文）答辩小组负责人签字： 年 月 日 i 摘要摘要 本课题以 at89c51 单片机为核心器件，设计了智能电饭煲控制系统，并在 proteus 环境中对设计进行了仿真验证。 首先，对电饭煲的发展状况进行了阐述，分析了电饭煲的发展趋势，以及智能 电饭煲的发展优势。在此基础上，对智能电饭煲控制系统整体设计方案进行了论证， 并确定了本课题智能电饭煲控制系统整体设计方案。 其次，从实用性、智能化、节约成本、环保节能等角度出发，对智能电饭煲控 制系统的硬件、软件进行了详细设计。按照实现功能对硬件、软件进行了功能划分， 并对各部分的原理、实现方法进行了详细说明。 最后，在 proteus 仿真环境中对该设计进行了仿真验证。仿真结果表明，基于 单片机的智能电饭煲控制系统整体设计方案的可行性，软件和硬件设计的正确性， 整体效果较为满意。 关键词关键词：智能控制，电饭煲，单片机，proteus ii abstract at89c51 mcu was chosen as the core, component to complete the intelligent electric cooker control system design, and validated via simulation in the proteus environment is. firstly, the current situation of the development of electric rice cooker is addressed, and electric rice cooker development trend, and the development advantage of intelligent electric cooker are analyzed. on this basis, the intelligent electric cooker control system overall design scheme is discussed, and confirmed this topic intelligent electric cooker control system overall design scheme confirmed. secondly, in view of practice, intelligence, cost saving, environmental protection and energy conservation, the detailed design of the intelligent electric cooker control system hardware and software were given. according to the functions, hardware and software of the system was divided, and principle, realization method was described in detail. finally, in the proteus simulation environment the design was verified by simulation. the simulation results show that the intelligent control scheme based on single chip microcomputer for the electric cooker is feasible, software and hardware design is correct, and the overall performance is satisfactory. key words: intelligent control; electric cooker; single chip microcomputer; proteus iii 目目 录录 摘要摘要i abstractabstract.ii 第一章第一章 绪论绪论.1 1.1 背景及发展 1 1.2 课题任务及意义 1 第二章第二章 智能电饭煲控制系统整体设计方案智能电饭煲控制系统整体设计方案.2 2.1 智能电饭煲控制系统简介 2 2.2 智能电饭煲控制系统电路组成 3 2.3 本章小结 3 第三章第三章 智能电饭煲控制系统硬件设计智能电饭煲控制系统硬件设计.4 3.1 控制系统单片机最小系统工作电路 4 3.1.1 at89c51 单片机的引脚及其排列.4 3.1.2 at89c51 单片机时钟电路.6 3.1.3 at89c51 单片机复位电路.7 3.1.4 控制系统单片机最小系统电路设计.8 3.2 控制系统电源电路 9 3.2.1 稳压器件 78l05 简介.9 3.2.2 电源电路设计11 3.3 按键输入电路 .11 3.3.1 按键分类11 3.3.2 按键结构与特点11 3.3.3 按键输入电路设计 .12 3.4 温度传感器电路 .13 3.4.1 ds18b20 简介13 3.4.2 ds18b20 的使用方法14 3.4.3 温度传感器电路设计16 3.5 led 状态指示电路16 3.5.1 led 简介16 3.5.2 状态指示电路设计 .17 3.6 lcd 显示电路17 3.6.1 lcd-1602 简介.18 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 iv 3.6.2 lcd 显示电路设计18 3.7 电饭锅加热电路 .19 3.8 本章小结 .20 第四章第四章 智能电饭煲控制系统软件设计智能电饭煲控制系统软件设计21 4.1 软件整体结构设计 .21 4.2 子程序设计 .22 4.2.1 系统工作模式控制流程22 4.2.2 定时功能控制流程 .23 4.2.3 加热功能控制流程 .25 4.3 本章小结 .26 第五章第五章 智能电饭煲控制系统的仿真验证智能电饭煲控制系统的仿真验证27 5.1 本章小结 .30 结束语结束语.31 致致 谢谢.32 参考文献参考文献.33 附附 录录.34 附录 1：智能电饭煲控制系统电路原理图 .34 附录 2：智能电饭煲控制系统软件源程序清单 .35 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 背景背景及发展及发展 在科学技术进步、日新月异的今天，节能、高效、环保的观念逐渐深入人心， 人们对家电智能化的要求也越来越高。在今天，电饭煲已经成了家庭必备的电器之 一。电饭煲最初是机械式控制，这种控制方式具有结构简单、技术门槛低、价格便 宜等优点，但同时也有功能单一、控制方式不灵活等不足之处。 自从 1965 年美国的控制论专家 l.a.zadeh 教授创立了模糊集合论以来，将模糊 集合理论运用于自动控制而形成的模糊控制理论，在近年得到了迅速的发展。随着 计算机及其相关技术的发展，模糊控制也由最初的经典模糊控制发展到自适应模糊 控制、专家模糊控制和基于神经网络的自学习模糊控制。近年来，随着电子技术的 发展，元器件的制造成本不断下降，电饭煲也迎来了智能化的春天。智能电饭煲修 改过去功能简单的煮饭模式，将煮食这一事件细分为煮饭、煲汤、煮粥等多种任务 模式，此外还具有预约定时，自动保温等功能，提升了产品的人性化设计，使得煮 食过程更加方便、快捷，满足了人们的需求。 1.2 课题任务及意义课题任务及意义 本课题是以 at89c51 单片机为核心控制器件，对智能电饭煲控制系统进行了设 计，并在 proteus 环境中对设计进行了仿真验证。 本设计将电饭煲的煮食这一过程细分为煮饭、煲汤、保温等多种工作模式。控 制系统可对电饭煲的温度进行实时监测，并以此灵活调节火力大小，自动完成煮食 过程。控制系统支持对煮饭时间进行提前预约，定时时间到后自动进行煮饭，煮饭 结束后自动转入保温模式。此系统提高了电饭煲煮食自动化水平，提升了产品的人 性化设计，使电饭煲具有“煮饭好吃、预约定时、多种功能”三大特点，满足了人 们不断增长的物质文化需求。 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 2 第二章第二章 智能电饭煲控制系统整体设计方案智能电饭煲控制系统整体设计方案 2.1 智能电饭煲控制系统简介智能电饭煲控制系统简介 该控制系统是以单片机为核心控制器件，结合按键、温度传感器等输入电路， 以及加热、状态指示等输出电路，实现对电饭煲的智能控制。 该系统可使电饭煲工作在“保温” 、 “煲汤” 、 “煮饭”三种工作模式，每种工作 模式下，控制系统结合盖顶温度传感器，自动调整火力大小，并将电饭煲限制在设 定的最高温度之内，煮饭结束后自动转入保温状态。 控制系统结合单片机的定时功能，可对煮食时间进行预约设定，设定时间到后 自动转入预定的工作模式进行煮饭。 控制系统可结合 led 实时指示电饭煲工作状态，结合 lce 液晶显示器可显示 更多信息。包括定时时间、工作状态、故障报警等信息。 智能电饭煲控制系统控制面板设计如图 2-1 所示，主要包括显示屏、状态指示、 输入按键等几部分。该控制系统使电饭煲提高了自动化、智能化、人性化设计水平， 具有操作方便，安全可靠的特点。 显示屏 + on offmodel- ok 智能电饭煲 显示屏 电源定时 保温煲汤 煮饭 图 2-1 智能电饭煲控制系统操作面板效果图 第二章 智能电饭煲控制系统电路组成 3 2.2 智能电饭煲控制系统电路组成智能电饭煲控制系统电路组成 该控制系统主要由电源电路、单片机输入电路、单片机输出电路三类电路组成， 如图 2-2 所示。 电源电路将 220v 交流电转为直流 5v，作为控制系统的电源。 单片机输入电路有按键输入电路、顶盖温度传感器输入电路、复位电路以及时 钟电路。 单片机输出电路包括 lcd 显示电路、led 工作状态指示电路以及用于电饭煲 加热的加热电路。 at89c51 单片机 按键操作输入电路 顶盖温度传感器 复位电路 时钟电路 220vac-dc5v电源 lcd显示电路 led工作状态指示电路 加热电路 图 2-2 智能电饭煲控制系统组成结构图 2.3 本章小结本章小结 本章从整体出发，首先确定电饭煲的模糊智能控制系统由单片机为核心控制器 件，结合按键，温度传感控制器等硬件设计电饭煲实现“保温”、“煲汤”、“煮 饭”等功能。 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 4 第三章第三章 智能电饭煲控制系统硬件设计智能电饭煲控制系统硬件设计 智能电饭煲控制系统硬件电路按照功能可划分为七个组成部分，即控制系统单 片机最小系统工作电路、控制系统电源电路、按键输入电路、温度传感器电路、led 状态指示电路、lcd 显示电路以及电饭锅加热电路。 3.1 控制系统单片机最小系统工作电路控制系统单片机最小系统工作电路 本设计选用 at89c51 单片机作为核心控制芯片。 at89c51 是一种带 4k 字节闪存可编程可擦除只读存储器 (fperom)的低 电压、高性能 cmos 8 位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可 以反复擦除 1000 次。该器件采用 atmel 高密度非易失存储器制造技术制造，与 工业标准的 mcs-51 指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8 位 cpu 和闪烁 存储器组合在单个芯片中， 因此 at89c51 是一种高效微控制器。 at89c 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 本设计选择 at89c51 单片机作为智能电饭煲控制系统核心控制芯片，兼顾了经 济性和实用性的需求。 3.1.1 at89c51at89c51 单片机的引脚及其排列单片机的引脚及其排列 at89c51 具有 40 只引脚，其中 32 个是可编程输入输出口。 at89c51 有三 种封装形式，即 plcc、tqfp 和 pdip 三种。其中最为常见的封装是 pdip，其外 形及引脚配置如图 3-1 所示。 vcc：供电电压。 gnd：接地。 p0 口：p0 口为一个 8 位漏级开路双向 i/o 口，每引脚可吸收 8ttl 门电流。 当 p0 口的管脚第一次写 1 时，被定义为 高阻输入。p0 能够用于外部程序数据 存储器，它可以被定义为数据 /地址的第八位。在 fiash 编程时，p0 口作为原 码输入口，当 fiash 进行校验时， p0 输出原码，此时 p0 外部必须被拉高。 p1 口：p1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p1 口缓冲器能 接收输出 4ttl 门电流。p1 口管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， p1 口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 flash 编程和校验时， p1 口作为第八位地址接收。 第三章 智能电饭煲控制系统硬件电路设计 5 p2 口：p2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 口缓冲器可接收， 图 3-1 at89c51pdip 封装外形及其引脚 输出 4 个 ttl 门电流，当 p2 口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且 作为输入。并因此作为输入时， p2 口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由 于内部上拉的缘故。 当 p2 口用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器 进行存取时， p2 口输出地址的高八位。在给出地址 “1”时，它利用内部上拉 优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时， p2 口输出其特殊功能寄存器 的内容。p2 口在 flash 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 p3 口：p3 口管脚是 8 个有内部上拉电阻的双向 i/o 口，可接收输出 4 个 ttl 门电流。 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 6 当 p3 口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入， 由于外部下拉为低电平， p3 口将输出电流 (ill)这是由于上拉的缘故。 p3 口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 rst：复位输入。 当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有 效，用以完成单片机的复位初始化操作。 ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的 地位字节。在 flash 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时， ale 端以 不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作 对外部输出的脉冲或用于定时目的。 然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale 脉冲。如 想禁止 ale 的输出可在 sfr8eh 地址上置 0。此时， ale 只有在执行 movx，movc 指令是 ale 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在 外部执行状态 ale 禁止，置位无效。 /psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指令期间，每 个机器周期两次 /psen 有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的 /psen 信号将不出现。 /ea/vpp：当/ea 保持低电平时，则在此期间外部程序存储器 有效，不管是 否有内部程序存储器。注意加密方式1 时，/ea 将内部锁定为 reset；当/ea 端 保持高电平时，此间内部程序存储器 有效。在 flash 编程期间，此引脚也用于 施加 12v 编程电源 (vpp)。 xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 xtal2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性 : xtal1 和 xtal2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为 片内振荡器。 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件， xtal2 应不接。有余输入 到内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部 时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 3.1.2 at89c51at89c51 单片机时钟电路单片机时钟电路 xtal1 和 xtal2 分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为 片内振荡器。 石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件， 第三章 智能电饭煲控制系统硬件电路设计 7 xtal2 应不接。有余输入 接至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外 部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 电路结构如图 3-2 所示。 xtal2 xtal1 at89c 51 c1 c2 cys xtal2 xtal1 at89c 51 +5v vss ttl 外部时钟源 图 3-2 at89c51 时钟电路 3.1.3 at89c51at89c51 单片机复位电路单片机复位电路 at89c51 单片机的复位引脚为施密特出发输入。当振荡器起振以后，在 rst 引 脚上输入连续两个机器周期的高电平，器件便进入复位状态。根据 at89c51 的复位 特性，设计复位电路如图 3-3 所示。 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 8 图 3-3 at89c51 单片机复位电路 电路中将 c1、r1 串联后接入 rst 引脚，在上电之初，电容通过电阻充电，在复 位引脚上出现充电的正脉冲，只要正脉冲宽度足够宽，就可以使单片机复位。本设 计中单片机选用 24m 晶振，故复位电路中选用 10uf 电容和 10k 电阻可以满足 at89c51 的复位要求。 3.1.4 控制系统单片机最小系统电路控制系统单片机最小系统电路设计设计 根据以上分析，本设计中单片机最小系统如图 3-4 所示。 复位电路采用较为常用且结构简单的阻容复位电路，可为 at89c51 单片机提供 大于 10ms 的高电平复位脉冲。时钟电路采用外接晶振方式，由一只 24m 晶振和 2 只 30pf 电容组成的振荡电路。 由于 p0 口的特殊结构，本电路中 po 口中部分接口线是用于数据输出，故本设 计中采用 10k 电阻作为上拉电阻。 第三章 智能电饭煲控制系统硬件电路设计 9 图 3-4 智能电饭煲控制系统单片机最小系统电路 3.2 控制系统电源电路控制系统电源电路 智能电饭煲控制系统需要 5v 直流供电电源。本设计中，5v 电源由 220v 交流电 源变压、整流、稳压后得到。其中，核心期间为三端稳压器件 78l05。 3.2.1 稳压器件稳压器件 78l0578l05 简介简介 7805 是常用的三端稳压器件，顾名思义 05 就是输出电压为 5v，7805 输出波纹 很小，其输出电源品质能满足大多数器件需求。 稳压器的工作指标是指稳压器能够正常工作的工作区域，以及保证正常工作所 必须的工作条件，这些工作参数取决于构成稳压器的组件性能。 (1)、输出电压范围 符合稳压器工作条件情况下，稳压器能够正常工作的输出电压范围，该指标的 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 10 上限是由最大输入电压和最小输入-输出电压差所规定，而其下限由稳压器内部的基 准电压值决定。 (2)、最大输入-输出电压差 该指标表征在保证稳压器正常工作条件下稳压器所允许的最大输入输出之间 的电压差值，其差值主要取决于于稳压器内部调整晶体管的耐压指标。 (3)、最小输入-输出电压差 该指标表征在保证稳压器正常工作条件下，稳压器所需的最小输入输出之间 的电压差值。 (4)、输出负载电流范围 输出负载电流范围又称为输出电流范围，在这一电流范围内，稳压器应能保证符合 指标规范征所给出的指标。 三端固定集成稳压电路的输出电压是固定的，常用的是 cw7800/cw7900 系列。 w7800 系列输出正电压，其输出电压有 5、6、7、8、9、10、12、15、18、20 和 24v 共 11 个档次。该系列的输出电流分 5 档，7800 系列是 1.5a，78m00 是 0.5a，78 l00 和是 0.1 a，78t00 是 3a，78h00 是 5a。 w7900 系列与 w7800 系列所不同的是 输出电压为负值。 三端稳压器的工作原理与前述串联反馈式稳压电源的工作原理基本相同，只有 三个引出端子： 输入、输出和公共端。输入端接整流滤波电路，输出端接负载；公 共端接输入、输出的公共连接点。为使它工作稳定，在输入和输出端与公共端之间 并接一个电容。使用三端稳压器时注意一定要加散热器，否则是不能工作到额定电 流。 7805 的典型应用电路如图 3-5 所示。在其输入端口和输出端口分别有 0.33uf、0.1uf 的无极性电容，以优化输出电源品质。 第三章 智能电饭煲控制系统硬件电路设计 11 图 3-5 7805 典型应用电路 3.2.2 电源电路设计电源电路设计 本设计中，控制系统电源电路设计如图 3-6 所示。 220v 交流电源由 j1 接入电路，后经变压器 t1 将 220v 降压为 8.5v 交流电压， 该低交流电压经 n1 进行全波整流，变为脉动直流，最后，该脉动直流经过低压差稳 压芯片 78l05 稳定为纹波系数较小的 5v 直流电源。 图 3-6 控制系统电源电路 3.3 按键输入电路按键输入电路 3.3.1 按键分类按键分类 按键按照结构原理可分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电 橡胶式开关等；另一类是无触点式开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。前者 造价低，后者寿命长。目前，微机系统中最常见的是触点式开关按键。 本设计中采用触点式开关按键，其电路原理图常见符号如图 3-7 所示。 图 3-7 触点式开关按键 3.3.2 按键结构与特点按键结构与特点 键盘通常使用机械触点式按键开关，其主要功能是把机械上的通断转换成为电 气上的逻辑关系。也就是说，它能提供标准的 ttl 逻辑电平，以便与通用数字系统 的逻辑电平相容。 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 12 机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间 的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。其抖动过程如下图所示，抖动时间的长 短与开关的机械特性有关，一般为 510ms。 图 3-8 为触点式按键开关机械抖动示意图。 图 3-8 触点式按键开关机械抖动示意图 在触点抖动期间检测按键的通与断状态，可能导致判断出错，即按键一次按下 或释放被错误地认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。为了克服按键触点机 械抖动所致的检测误判，必须采取去抖动措施。这一点可从硬件、软件两方面予以 考虑。在键数较少时，可采用硬件去抖，当按键数较多时，采用软件去抖。单片机 工作时有外接键盘输入信号，当检测到有哪一个键被按下时，单片机内部执行相应 的工作程序。 3.3.3 按键输入电路设计按键输入电路设计 该系统的键盘由 5 个独立键盘构成，包括一个中断键盘单元。来完成智能电饭 煲的手动控制。键盘的一脚接在单片机的 p1.0 至 p1.5 脚上，另外一脚接在电源地 上，当有键盘按下时对应的键盘就会有一低电平送进单片机内部。为消除触点式按 键开关的机械抖动，单片机内部有程序进行消抖处理，然后确定那一个键盘被按下 后来执行程序完成该系统的指定工作。 该控制系统键盘接入电路如图 3-9 所示。 第三章 智能电饭煲控制系统硬件电路设计 13 图 3-9 控制系统键盘输入电路 3.4 温度传感器电路温度传感器电路 3.4.1 ds18b20ds18b20 简介简介 ds18b20 数字温度计是 dallas 公司生产的 1wire，即单总线器件，具有线路 简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信 线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。 ds18b20 是一款功能独特的产品，其特点如下： (1)、只要求一个端口即可实现通信。 (2)、在 ds18b20 中的每个器件上都有独一无二的序列号。 (3)、实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。 (4)、测量温度范围在55。c 到125。c 之间。 (5)、数字温度计的分辨率用户可以从 9 位到 12 位选择。 (6)、内部有温度上、下限告警设置。 ds18b20 有两种封装形式，即 to92 封装和 8-pinsoic 封装。每种封装的样式 及引脚排列见图 3-10，其引脚功能描述见表 3-1。 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 14 图 3-10 ds18b20 的引脚排列 表 3-1 ds18b20 详细引脚功能描述 序号名称引脚功能描述 1gnd地信号 2dq数据输入/输出引脚。开漏单 总线接口引脚。当被用着在 寄生电源下，也可以向器件 提供电源。 3vdd可选择的 vdd 引脚。当工 作于寄生电源时，此引脚必 须接地。 3.4.2ds18b20ds18b20 的使用方法的使用方法 由于 ds18b20 采用的是 1wire 总线协议方式，即在一根数据线里实现数据的 双向传输，而对 at89s51 单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必 须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对 ds18b20 芯片的访问。 由于 ds18b20 是在一根 i/o 线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的 时序要求。ds18b20 有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该 协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机 作为主设备，单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动 启动写时序开始，如果要求单总线器件回送数据，在进行写命令后，主机需启动读 第三章 智能电饭煲控制系统硬件电路设计 15 时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。 (1)、ds18b20 的复位时序如图 3-11 所示 图 3-11 ds18b20 的复位时序 (2)、ds18b20 的读时序如图 3-12 所示 对于 ds18b20 的读时序分为读 0 时序和读 1 时序两个过程。 对于 ds18b20 的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在 15 秒之内就得释放单总 线，以让 ds18b20 把数据传输到单总线上。ds18b20 在完成一个读时序过程，至少 需要 60us 才能完成。 图 3-12 ds18b20 的读时序 (3)、ds18b20 的写时序 对于 ds18b20 的写时序仍然分为写 0 时序和写 1 时序两个过程，如图 3-13 所示。 图 3-13 ds18b20 的写时序 对于 ds18b20 写 0 时序和写 1 时序的要求不同，当要写 0 时序时，单总线要被 拉低至少 60us，保证 ds18b20 能够在 15us 到 45us 之间能够正确地采样 io 总线上 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 16 的“0”电平，当要写 1 时序时，单总线被拉低之后，在 15us 之内就得释放单总线。 3.4.3 温度传感器电路设计温度传感器电路设计 根据 ds18b20 温度传感器的特点，本设计中将温度传感器电路设计为图 3-14 样式。采用电源直接为 ds18b20 供电的方式，为增强对 ds18b20 的读写能力，减少 通信传输错误，设置 r7 作为上拉电阻。 图 3-14 温度传感器电路 3.5 ledled 状态指示电路状态指示电路 本设计中，led 状态指示电路用于实时指示智能电饭煲的工作状态。 3.5.1 ledled 简介简介 led，亦即发光二极管，是利用化合物材料制成 pn 结的光电器件。它具有 pn 结 结型器件的电学特性，即 i-v 特性。 i-v 特性是表征 led 芯片 pn 结制备性能主要参数。led 的 i-v 特性具有非线性、 整流性质，单向导电性，即外加正偏压表现低接触电阻，反之为高接触电阻。 一般 led 的 i-v 特性曲线如图 3-15 所示，具有以下特点： (1)、正向死区：a 点对于 v0 为开启电压，当 vva 时，外加电场尚克服不少 因载流子扩散而形成势垒电场，此时 r 很大。开启电压对于不同 led 其值不同， gaas 为 1v，红色 gaasp 为 1.2v，gap 为 1.8v，gan 为 2.5v。 (2)、正向工作区：电流 if 与外加电压呈指数关系，if=is(e qvf/kt-1)is 为 反向饱和电流 。v0 时，vvf 的正向工作区 if 随 vf 指数上升。 (3)、反向死区：v0 时 pn 结加反偏压 v=-vr 时，反向漏电流 ir(v=-5v)时， gap 为 0v，gan 为 10ua。 (4)、反向击穿区 v- vr，vr 称为反向击穿电压；vr 电压对应 ir 为反向漏电 第三章 智能电饭煲控制系统硬件电路设计 17 流。当反向偏压一直增加使 v-r 时，则出现 ir 突然增加而出现击穿现象。由于所 用化合物材料种类不同，各种 led 的反向击穿电压 vr 也不同。 图 3-15 led 的 i-v 特性 3.5.2 状态指示电路设计状态指示电路设计 根据 led 的 i-v 特性可知，led 一旦充分导通电流将会急剧增大。因此使用过 程中需对 led 增加限流电阻。状态指示电路设计如图 3-16 所示，图中共有五只 led 指示灯，分别标志智能电饭煲的电源开关状态、定时状态，以及保温、煲汤、煮饭 三种工作模式。其中 r9 至 r13 为限流电阻，其值选取为 5.1k。 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 18 图 3-16 控制系统状态指示电路 3.6 lcdlcd 显示电路显示电路 本设计中选用 lcd-1602 作为显示器件，用于向用户传递更多的信息，包括定时 时间显示、工作模式显示、故障提示等信息。 3.6.1 lcd-1602lcd-1602 简介简介 液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，本设 计中选用的字符型液晶模块是一种用 5x7 点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据 显示的容量可以分为 1 行 16 个字、2 行 16 个字、2 行 20 个字等等，本设计中选用 常用的 2 行 16 个字的 1602 液晶模块。 lcd-1602 共有引脚 16 个，各引脚的功能如下： 第 1 脚：vss 为地电源 第 2 脚：vdd 接 5v 正电源 第 3 脚：v0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时 对比度最高。 第 4 脚：rs 为寄存器选择，高电平选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第 5 脚：rw 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 rs 和 rw 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 rs 为低电平 rw 为高电平时可 以读忙信号，当 rs 为高电平 rw 为低电平时可以写入数据。 第 6 脚：e 端为使能端，当 e 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第 714 脚：d0d7 为 8 位双向数据线。 第 1516 脚： bla(bl1)：led 背光正极。需要背光时，bla 串接一个限流电阻接 vdd，blk 接 地，实测该模块的背光电流为 50ma 左右,一般接一个几十欧姆的电阻。 blk(bl2)：led 背光地端。 3.6.2 lcdlcd 显示电路设计显示电路设计 本设计中 lcd 显示电路设计如图 3-17 所示。 p0.0 于 lcd-1602 的寄存器选择端(rs)连接，p0.1 与 lcd-1602 的读写选择端 第三章 智能电饭煲控制系统硬件电路设计 19 (rw)连接，p0.2 和 lcd-1602 的使能端(e)连接。p2 口作为并行数据端口分别于 lcd-1602 的 d0-d7 引脚相连。 由于 p0 口是准输入输出口，内部没有上拉电阻，故需在 p0.0-p0.3 引脚上添加 上拉电阻。本电路中选用 10k 上拉电阻，即图中的 r3-r5。 图 3-17 lcd 显示电路设计 3.7 电饭锅加热电路电饭锅加热电路 电饭煲采用加热盘作为加热部件，加热盘需要直接与 220v 交流电压相连接， 而且功率一般在 1500 瓦以上，因此其工作电流也比较大。因此控制系统需要专门设 计驱动加热盘的电路，如图 3-18 所示 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 20 图 3-18 加热盘 本设计中采用继电器驱动加热盘与 220v 交流电源接通。 原因有二，一是继电器具有驱动电流大，控制简单，稳定可靠的优点，适合电 饭煲中开关频率不高的应用场合。二是继电器的线圈与输出节点之间有天然的隔离 作用，无需另外添加光耦等隔离器件。 本电路中加热盘驱动电路如图 3-19 所示。单片机引脚通过驱动 npn 三极管间接 驱动继电器。当与之相连的单片机引脚电平为高时，三极管处于导通状态，继电器 线圈中有电流流过，从而触电吸合。电路中将继电器触点通过插接器件引出，方便 将加热盘与电源串接起来。 其中，r8 为限流电阻，阻值定为 3.3k。d1 为二极管，在此电路中起到对继电 器线圈续流作用，避免线圈感生高电压击穿三极管。 图 3-19 控制系统热盘驱动电路 3.8 本章小结本章小结 第三章 智能电饭煲控制系统硬件电路设计 21 本章主要设计电饭煲的模糊智能控制系统的硬件，智能电饭煲控制系统硬件电 路按照功能可划分为七个组成部分，即控制系统单片机最小系统工作电路、控制系 统电源电路、按键输入电路、温度传感器电路、led 状态指示电路、lcd 显示电路以 及电饭锅加热电路，其中还对 at89c51 单片机的引脚功能进行细致分析。 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 22 第四章第四章 智能电饭煲控制系统软件设计智能电饭煲控制系统软件设计 4.1 软件整体结构设计软件整体结构设计 电饭煲模糊智能控制系统软件整体结构设计如图 4-1 所示。 开始 对电饭煲工作模式、加热控制、lcd 工作方式等初始化 控制温度传感器进行温度转换及数据读取 对数据进行处理 输出显示工作模式、温度等信息 按键扫描及处理 模式切换控制 加热控制 循环 定时时间累计及其处理 图 4-1 主程序结构图 第四章 智能电饭煲控制系统软件设计 23 由主程序流程图可以看出，单片机开始运行后首先进行控制系统的初始化操作。 初始化操作包括对电饭煲初始工作状态、加热状态、以及 lcd-1602 的工作方式进行 设置。本设计中，系统上电运行后，智能电饭煲工作状态被初始化为保温模式， lcd-1602 初始化为两行十六字符无光标显示的工作模式。 初始化工作完成后，程序进入 main()循环函数。在该函数中，程序依次调用多 项子程序，分时对系统的各项输入输出进行处理。 main()函数中处理的内容包括：控制传感器进行温度转换及数据读取、对读入 的温度数据进行处理、输出显示工作模式温度等信息、按键扫描及处理、定时时间 累计及处理、模式切换控制、加热控制等几项内容。 4.2 子程序设计子程序设计 4.2.1 系统工作模式控制流程系统工作模式控制流程 智能电饭煲有保温、煲汤、煮饭四种工作模式，每种模式分别对应不同的控制 方法以及控制温度。如图 4-2 所示用软件实现对电饭煲工作模式的控制与自动切换。 按下 model 保温模式 煲汤模式 煮饭模式 温度到达65度 温度到达98度 温度到达110度 初始化操作 按下 model 按下 model 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 24 图 4-2 系统工作模式控制流程 如图 4-2 所示，系统工作后电饭煲首先进入保温模式，之后每当 model 按键 按下一次，工作状态就会切换一次，状态的切换次序是“保温模式煲汤模式 煮饭模式保温模式” 。 在保温模式下，电饭煲温度将会被控制在 65 摄氏度。当温度低于 65 摄氏度时， 控制系统自动接通加热盘电路进行加热，当温度低于 65 摄氏度时，控制系统断开加 热盘电路，停止加热，因此可将电饭煲锅内温度控制在 65 摄氏度。 在煲汤模式下，当锅内温度高于 98 摄氏度时，控制系统自动断开加热盘电路， 停止加热，之后自动转入保温工作模式。 在煮饭模式下，锅内温度高于 110 摄氏度时，控制系统断开热盘电路停止加热， 自动转入保温工作模式。 4.2.2 定时功能控制流程定时功能控制流程 本设计中智能电饭煲控制系统支持用户预约定时，定时时间到后电饭煲自动进 入用户预先设定的工作模式，进行煮饭、煲汤或者保温。定时时间可设定在 0 至 12 小时之间的任意数值。 软件实现该功能的流程如图 4-3 所示。 系统运行后，若按下“set”按键，系统即可进入预设定时时间状态，此时“时” 位数值开始闪烁，表示“时”位数值处于可设定状态。此时按下“add”键，预定时 间的小时数将累加 1，若按下“dec”键，预定时间的小时数减 1。 本控制系统支持最大定时 12 小时，当小时数超出 12 后会溢出为 0。即置“时” 位数值时，若当前示数为 12，且按下“add”键，则小时数由 12 变为 0 时 0 分。 小时数设定完成后，按下“ok”键，进入设定“分”状态，同时“分”位数值 开始闪烁。此时按下“add”键，预定时间的分钟数加 1，若按下“dec”键，则预 定时间的分钟数减 1。 若当前的分钟数为 59，且按下“add”键，则分钟数溢出为 0，同时小时数加 1；若当前分钟数为 0，且按下“dec”键，则分钟数溢出为 59，同时小时数减少 1。 分钟数设定完成后，再次按下“ok”键，系统则保存用户设定的定时时间并退 出定时时间设定状态。 第四章 智能电饭煲控制系统软件设计 25 随后系统暂停所处的工作模式，进入倒计时程序。定时时间到，系统自动进入 预定的工作模式，或煮饭或煲汤或保温。 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 26 进入预约时间设定状态。可设定 “时”，且“时”位数字闪烁提示 按下 set/ok 进入设定“分”状态，且“分”数字 闪烁提示 “时”位数值增加1（减少1） 按下add键 （dec键）一次 按下 set/ok “分”位数值增加1（减少1） 按下add键 （dec键）一次 开始 保存设定数值，并退出设定状态 按下 set/ok 定时时间到？ 进入预设工作模式 倒计时程序 是 否 图 4-3 定时功能控制流程 第四章 智能电饭煲控制系统软件设计 27 4.2.3 加热功能控制流程加热功能控制流程 智能电饭煲控制系统对电饭煲加热与否需要根据当前锅内温度以及所处的工作 模式做出选择。其软件控制流程如图 4-4 所示。 控制器先通过置于盖顶的温度传感器获得当前锅内温度，根据所处的工作模式， 得到需要到达的目标温度。若当前锅内温度小于目标温度，则控制器接通加热盘加 热，否则断开加热盘，停止加热。 开始 当前温度=目标温度？ 停止加热 结束 是 否 是 否 图 4-4 加热功能控制流程图 华南理工大学广州学院本科毕业设计(论文)说明书 28 4.3 本章小结本章小结 本章主要