单片机课程设计（论文）-智能家用电热水器设计.doc

课 程 设 计 任 务 书分院信息科学与工程学院专业自动化学生姓名学号0803010204设计题目智能家用电热水器设计课程设计内容及要求：内容： 1设计电路，选择器件 2 利用Proteus画原理图 3 编程，调试 4 焊接电路，调试要求： 1 单片机能够控制电热水器自动加热和保温 2 系统的灵敏 3 系统稳定无误差进度及安排：（10天） 1查资料（2天） 2设计电路画电路图（2天） 3编程与调试（2天） 4焊接硬件电路并调试（2天） 5写报告（2天）指导教师（签字）： 年 月 日分院院长（签字）： 年 月 日 摘要现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。本设计利用51单片机和温度传感器18b20设计了一个简单的智能家用电热水器.当水温达到80度就自动切断电源停止加热,水温低于50度就会自动连接电源开始加热。这样既能保持家中有热水用又节约电能，方便省时。关键词：智能家用电热水器，51单片机，18b20温度传感器目录1绪论.12硬件设计.22.1单片机简介.22.2 18b20简介.82.3 74hc595简介.112.4硬件主设计.122.4硬件主设计.122.5硬件制作.143软件设计.143.1电路功能模块.143.2电路主流程图.153.3主程序设计.16总结.27致谢.28参考文献.291.绪 论 二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。它的出现是近代计算机技术发展史上的一个重要里程碑，因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在这个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。 单片机具有体积小、功能强、应用面广等优点，目前正以前所未见的速度取代着传统电子线路构成的经典系统，蚕食着传统数字电路与模拟电路固有的领地。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。 现在，这种单片机的使用领域已十分广泛。彩电、冰箱、空调、录像机、VCD、遥控器、游戏机、电饭煲等无处不见单片机的影子，单片机早已深深地融入我们每个人的生活之中。单片机能大大地提高这些产品的智能性，易用性及节能性等主要性能指标，给我们的生活带来舒适和方便的同时，在工农业生产上也极大地提高了生产效率和产品质量。2.硬件设计2.1单片机简介2.1.1 80C51单片机的内部结构 图2-1为80C51单片机功能结构框图 80C51 芯片内部集成了 CPU、RAM、ROM、定时/计数器和I/O口等各功能部件，并由内部总线把这些不见连接在一起。80C51单片机内部包含以下一些功能部件：(1) 一个8位CPU；(2) 一个片内振荡器和时钟电路；(3) 4KB ROM（80C51有4KB掩膜ROM，87C51有4KB EPROM，80C31片内有无ROM）；(4) 128B内RAM；(5) 可寻址64KB的外ROM和外RAM控制电路；(6) 两个16位定时/计数器；(7) 21个特许功能寄存器；(8) 4个8位并行I/O口，共32条可编程I/O端线；(9) 一个可编程全双工串行口；(10) 5个中断源，可设置成2个优先级。振荡器及时序 OSC8051CPU程序存储器4KB ROM数据存储器256B2个16位定时器/计数器64K总线扩展控制器可编程I/O可编程全双工串行口外时钟源 外部事件计数 中断 控制 并 行 口 串行通信 图2-1 80C51单片机功能结构框图2.1.2 80C51单片机的引脚功能 80C51单片机一般采用双列直插DIP封装，共40个引脚，图2-2a为引脚排列图。图2-2b为逻辑符号图。40个引脚大致可分为4类：电源、时钟、控制和I/O引脚。1.电源 (1)Vcc芯片电源，接+； (2)Vss接地端。2.时钟 XTAL1、XTAL2晶体振荡电路反相输入端和输出端。使用内部振荡电路时外接石英晶体。3.控制线 控制线共有4根，其中3根是复用线。所谓复用线是指具有两种功能，正常使用时是一种功能，在某种条件下是另一种功能。 (1)ALE/PROG地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。 ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址。 80C51在并行扩展外存储器（包括并行扩展I/O口）时，P0口用于分时传送低8位地址和数据信号，且均为二进制数。那么如何区分是低8位地址还是8位数据信号呢？当ALE信号有效时，P0口传送的是低8位地址信号；ALE信号无效时，P0口传送的是8位数据信号。在ALE信号的下降沿，锁定P0口传送的内容，即低8位地址信号。 需要指出的是，当CPU不执行访问外RAM指令（MOVX）时，ALE以时钟振荡频率1 / 6的固定频率输出，因此ALE信号也可作为外部芯片CLK时钟或其他需要。但是，当CPU执行MOVX指令时，ALE将跳过一个ALE脉冲。 ALE端可驱动8个LSTTL门电路。 PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。 (2)PSEN外ROM读选通信号。 80C51读外ROM时，没个机器周期内PSEN两次有效输出。PSEN可作为外ROM芯片输出允许OE的选通信号。在读内ROM或读外RAM时，PSEN无效。 PSEN可驱动8个LSTTL门电路。 (3) RST/Vpd复位/备用电源。 正常工作时，RST（Reset）端为复位信号输入端，只要在该引脚上连续保持两个机器周期以上高电平，80C51芯片即实现复位操作，复位后一切从头开始，CPU从0000H开始执行指令。 Vpd功能：在Vcc掉电情况下，该引脚可接上备用电源，由Vpd向片内供电，以保持片内RAM中的数据不丢失。 (4) EA/Vpp 内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 EA功能：正常工作时，EA为内外ROM选择端。80C51单片机ROM寻址范围为64KB，其中4KB在片内，60KB在片外（80C31芯片无内ROM，全部在片外）。当EA保持高电平时，先访问内ROM，但当PC（程序计数器）值超过4KB（0FFFH）时，将自动转向执行外ROM中的程序。当EA保持低电平时，则只访问外ROM，不管芯片内有否内ROM。对80C31芯片，片内无ROM，因此EA必须接地。 Vpp功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚用于施加编程电源Vpp。 对4个控制引脚，应熟记起第一功能，了解其第二功能。 严格来讲，80C51的控制线还应该包括P3口的第二功能。4. I/O引脚 80C51共有4个8位并行I/O端口,共32个引脚 (1)P0口8位双向I/O口。 在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P0口可用作双向I/O口。 在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P0口可用于分时传送低8位地址(地址总线)和8位数据信号(数据总线)。位结构如图2-4所示。P0口能驱动8个LSTTL门。 VCC地址/数据控制锁存器P0.XDCPQQMUXV1V2P0.X引脚读锁存器写锁存器内部总线读引脚&1图2-4 P0口位结构(2) P1口8位准双向I/O口(“准双向”是指该口内部有固定的上拉电阻)。位结构如图2-5所示。 P1口能驱动为4个LSTTL门。VCC锁存器P1.XDCPQQP1.X引脚读锁存器写锁存器内部总线读引脚内部上拉电阻图 2-5 P1口位结构 (3) P2口8位准双向I/O口。在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P2口可用作双向I/O口。在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P2口可用于传送高8位地址(属地址总线) 。P2口能驱动4个LSTTL门。P2口的位结构如图2-6所示，引脚上拉电阻同P1口。在结构上，P2口比P1口多一个输出控制部分。锁存器P2.XDCPQQ读锁存器写锁存器内部总线读引脚VCCP2.X引脚内部上拉电阻1地址控制MUX图 2-6 P2口位结构 (4) P3口8位准双向I/O口。可作一般I/O口用,同时P3口每一引脚还具有第二功能,用于特殊信号输入输出和控制信号(属控制总线)。P3口驱动能力为4个LSTTL门。 图 2-7 P3口位结构P3口第二功能如下: P3.0RXD:串行口输入端; P3.1TXD:串行口输出端; P3.2INT0:外部中断0请求输入端; P3.3INT1:外部中断1请求输入端 P3.4T0:定时/计数器0外部信号输入端; P3.5T1:定时/计数器1外部信号输入端; P3.6WR:外RAM写选通信号输出端; P3.7RD:外RAM读选通信号输出端。 上述4个I/O口,各有各的用途。 在不并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, 4个I/O口都可作为双向I/O口用。在并行扩展外存储器(包括并行扩展I/O口)时, P0口专用于分时传送低8位地址信号和8位数据信号,P2口专用于传送高8位地址信号。P3口根据需要常用于第二功能,真正可提供给用户使用的I/O口是P1口和一部分未用作第二功能的P3口端线。 2.218b20简介1DS18B20基本知识 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。 2、DS18B20产品的特点 （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。 2.2、DS18B20的引脚介绍 TO92封装的DS18B20的引脚排列见下图1 GND 地信号 2 DQ 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。 3 VDD 可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。3 DS18B20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，主机需启动读时序完成数据接收。数据和命令的传输都是低位在先。 DS18B20的复位时序 DS18B20的读时序 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。 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。 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。2.3 74HC595简介74HC595是硅结构的CMOS器件，兼容低电压的TTL电路。74HC595具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。移位寄存器和存储器是分别得时钟，如果两个时钟连在一起，则移位寄存器比存储器早一个脉冲。移位寄存器有一个串行移位输入（DS）和一个串行输出（Q7）和一个异步的低电平复位。存储寄存器有一个并行8位的具有三态的总线输出，当使能为低电平时，存储器存储的数据输出总线。8位串行输入/输出或则并行输出移位寄存器，具有高阻关断状态。2.4硬件主设计：用protues软件画电路图：打开protues7.4在ISIS界面下找出所用元件：AT89C52单片机一个,74HC595芯片两只,7SEG-MPX4-CA数码管一只，电源VCC,地GROUND，小灯LUMILED两只，DS18B20温度传感器一只，电阻若干只，晶振CRYSTAL一只。然后根据家用电热水器的设计画出主电路图如下：主设计电路解释：数码管显示实际温度51单片机进行控制DS18B20进行温度采集两只LED灯都亮时表示正在加热，当第一只灭第二只亮表示在保温状态2.5 硬件制作根据设计买回相关元件和电路板，在实验室利用相关工具进行焊接。经过一个下午的焊接终于完成。3. 系统软件与流程图在系统软件与流程图里主要论述了，软件结构，软件设计等。3.1 电路功能模块由总体设计框图3.1，本热水器由以下几部分功能模块组成，采集温度电路、ADC转换电路、显示电路等电路组成。程序中的子程序 功能模块主要分成4个，延时、采集温度、温度转换、和显示，延时子程序在整个程序中多次被调用，ADC转换则是每次测量都会需要用到的，当进行测量时，18b20将被测量转换为2进制数发给单片机然后单片机根据软件协议送显示，显示子程序则包括一个4位字节的发送程序。开关电路温度采集ADC输入被测量显示加热控制ADC使能控制89c51图3.1 功能模块设计框图3.2主程序流程图3.3程序设计设计程序如下：#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define on 1#define off 0sbit powcon=P10;sbit dq=P33;uchar ms;uchar temps4;uchar temph;uchar templ;uchar code seg17=0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6,0xee,0x3e,0x9c,0x7a,0x9e,0x8e,0x00;uint temp;uchar temp_buff9;uchar id_buff8;uchar *p;uchar crc_data;uchar code crctable256=0,94,188,226,97,63,221,131,194,156,126,32,163,253,31,65,157,195,33,127,252,162,64,30,95,1,127,189,62,96,130,220,35,125,159,193,66,28,254,160,225,191,93,3,128,222,60,98,190,224,2,92,223,129,99,61,124,34,192,158,29,67,161,255,70,24,250,164,39,121,155,197,132,218,56,102,229,187,89,7,219,133,103,57,186,228,6,88,25,71,165,251,120,38,196,154,101,59,217,135,4,90,184,230,167,249,27,69,198,152,122,36,248,166,68,26,153,199,37,123,58,100,134,216,91,5,231,185,140,210,48,110,237,179,81,15,78,16,242,172,47,113,147,205,17,79,173,243,112,46,204,146,211,141,111,49,178,236,14,80,175,241,19,77,206,144,44,109,51,209,143,12,82,176,238,50,108,142,208,83,13,239,177,240,174,76,18,145,207,45,115,202,148,118,40,171,245,23,73,8,86,180,234,105,55,213,139,87,9,235,181,54,104,138,212,149,203,41,119,244,170,72,22,233,183,85,11,136,214,52,106,43,117,151,201,74,20,246,168,116,42,200,150,21,75,169,247,182,232,10,84,215,137,107,53;void delay(uchar tt)uchar i;for(;tt0;tt-)for(i=0;i2000;i+);void led(uchar d1,uchar d2)INT0=0;SBUF=d2;while(!TI);TI=0;SBUF=d1;while(!TI);TI=0;INT0=1;void led_disp(uchar *dis_buf)led(segdis_buf0,0xef);delay(2);led(segdis_buf1,0xdf);delay(2);led(segdis_buf2|0x01,0xbf);delay(2);led(segdis_buf3,0x7f);delay(2);void tempdelay(uchar us)while(us-);void init18b20(void)/18b20初始化kdq=1;_nop_();dq=0;tempdelay(86);_nop_();dq=1;tempdelay(14);_nop_();_nop_();_nop_();tempdelay(20);_nop_();_nop_();dq=1;void writebyte(uchar wr)/向18b20写入一个字节节kuchar i;for(i=0;i=1;uchar readbyte(void)/读18b20的一个字节节uchar i,u=0;for(i=0;i=1;dq=1;if(dq=1)u|=0x80;tempdelay(4);_nop_();return(u);void read_bytes(uchar j)/读18b20uchar i;for(i=0;ij;i+)*p=readbyte();p+;uchar crc(uchar j)/crc校验uchar i,crc_data=0;for(i=0;i=8) /如果水温大于80度 if (rps()=off) /加热电源关断 P0=0xfe; /第一个小灯亮 delay(200); /延迟一段时间 else /如果电源没有关断 powcon=1; /加热电源被切断P0=0xfe; delay(200); if(temps1=5) /如果水温小于50度 if (rps()=on) / 加热电源导通 P0=0xfc; /两只小灯都亮 delay(200); else /如果