基于单片机的电饭锅温度监测及控制系统.doc

南华大学电气学院课程设计(论文)题 目 基于单片机的电饭锅设计 专业名称 电气工程及其自动化 指导教师 肖金凤 职 称 副教授 班 级 电力083班 学 号 20084450310 学生姓名 冀凌波 2012年 1 月 6 日目录目录1摘 要：31 绪 论41.1 概 述51.1.1 电饭锅温度控制发展现状及设计意义51.1.2 电饭锅温度控制的设计目的51.2 课题研究的主要内容62 硬件介绍62.1 整体硬件架构62.2 DS18b20工作原理及功能介绍72.2.1 DS18B20 的主要特征72.2.2 DS18B20 的主要功能及控制72.3DS1302功能介绍92.4 LCD1602工作原理及功能介绍11241 液晶显示简介112.4.2 1602LCD的基本参数及引脚功能122.4.3 1602LCD的指令说明及时序132.5 温度监测及控制系统外围电路设计153 温度监测控制的实现193.1 温度监测及控制系统构想193.2 温度监测及控制系统软件部分流程图19温度监测及控制系统软件部分流程图如下图3.1所示。193.3 温度监测及控制系统软件部分各主要子函数说明203.3.1 LCD1602软件部分子函数20参考文献40谢辞41附录42附录一源程序附录二程序调试图附录三实物照片摘 要：本次课程设计实现了电饭锅控制的设计和应用，该系统以STC90C516的单片机为核心实现温度的监测和控制。首先,本文对温度控制的发展现状及设计意义做了介绍，而后对全部的硬件电路进行了详细的讨论，包括DS1302时钟芯片和1Wire总线数字温度传感器DS18B20的控制方式和工作原理，矩阵式键盘的应用等。接着对软件部分也作了仔细的思考，按模块进行结构化程序设计，包括显示、键盘、计时、温度控制和温度传感器的程序说明并画出各子程序流程图等。最后进行了系统整体调试。温度控制系统实现了将温度经过DS18B20检测并传递到单片机中，单片机经过对所传递数据的处理实现了将温度保持在某一确定区间，并能自动控制调整温度。关键词： 水温控制 单片机 DS18B20第1章 绪 论第1.1节 概 述1.1.1 电饭锅温度控制发展现状及设计意义温度是烹饪非常关键的一项物理量，在生活，现代科学研究和各种高新技术的开发和研究中也是一个非常普遍和常用的测量参数。例如米饭制作过程中，按照温度条件的规定保持一定的温度才能保证米饭的质量。对电饭锅进行温度的监控，例如水温监控、水量控制、保温温度等，判 断可能存在的热缺陷，进而能及时发现、处理、预防糊锅的发生。因此研究温度烹饪过称控制仪具有重要的意义。电饭锅温度控制采用单片机设计的全数字仪表，是常规电饭锅的升级产品。本电饭锅温度控制的特点是在同一硬件系统中应用不同的软件，可以得到功能不同的测控仪器。这就可以大大节省产品的开发时间和成本，因此有着广泛的应用前景和市场。需要指出的是，电饭锅温度控制的发展引入单片机之后，有可能降低对某些硬件电路的要求，但这绝不是说可以忽略测试电路本身的重要性，尤其是直接获取被测信号的传感器部分，仍应给予充分的重视，有时提高整台仪器的性能的关键仍然在于测试电路尤其是传感器的改进。现在传感器也正在受着微电子技术的影响，不断发展变化。传感器正朝着小型、固态、多功能和集成化的方向发展。近年来，电饭锅的发展尤为迅速。国内外市场上已经出现了多种多样的先进电饭锅，应用烹调。例如，能够进行模糊控制的电饭锅，智能化仿人脑控制电饭锅。1.1.2 电饭锅温度控制的设计目的进一步深化了对单片机智能控制的理解，对单片机的C语言编程也有了更加深入的体会。加强了单片机与外部电路之间通信的理解，也提高了自己控制单片机与外部电路通信的能力。第1.2节 课题研究的主要内容这是一个综合硬件设计和软件设计于一体的题目，其中各部分的试验我们已经在平时单独做过，现在联合起来形成一个烹调水温控制系统。利用DS18B20监测温度并传递给单片机，单片机通过控制I/O口输出，控制加热和降温系统，本例中，没有加热与降温部件，仅对继电器进行控制，由I/O口P36、P37控制，实现由单片机对烹饪温度的控制和保持，且具有加热结束保温功能。本设计可以实现将烹饪温度设定为固定值，并设定加热时间。对加热结束后进行保温，且保温温度和加热温度下限可调。设定加热温度及加热时间后，按开始键开始加热，加热时间结束后进行保温，直至断电。第2章 硬件介绍第2.1节 整体硬件架构本设计中整体硬件架构图如下图2.1示。 图2.1 硬件架构 第2.2节 DS18b20工作原理及功能介绍温度传感器的种类众多，在应用与高精度、高可靠性的场合时 DALLAS（达拉斯）公司生产的 DS18B20 温度传感 器当仁不让。超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得 DS18B20 更受欢迎。对于我 们普通的电子爱好者来说，DS18B20 的优势更是我们学习单片机技术和开发温度相关的小产品的不二选择。2.2.1 DS18B20 的主要特征DS18B20 的主要特征：全数字温度转换及输出；先进的单总线数据通信；最高 12 位分辨率，精度可达土0.5摄氏度；12位分辨率时的最大工作周期为 750 毫秒；可选择寄生工作方式；检测温度范围为55C +125C (67F +257F)内置 EEPROM，限温报警功能；64位光刻ROM，内置产品序列号，方便多机挂接，多样封装形式，适应不同硬件系统。2.2.2 DS18B20 的主要功能及控制DS18B20 的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。其一个工作周 期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。在讲解其工作流程之前我们有必要了解18B20的内 部存储器资源。18B20 共有三种形态的存储器资源，它们分别是：ROM 只读存储器，用于存放DS18B20ID编码，其前8位是单线系列编码（DS18B20的编码是19H），后面48位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上 56 的位的CRC码（冗余校验）。数据在 出产时设置不由用户更改。DS18B20共64位ROM。RAM 数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20 共9个字节 RAM，每个字节为8位。第1、2个字节是温度转换后的数据值信息，第 3、4个字节是用户EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。在上电复位时其值将被刷新。第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像。第6、7、8个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样 也是内部温度转换、计算的暂存单元。第9个字节为前8个字节的CRC码。EEPROM非易失性 记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，DS18B20共3位EEPROM， 并在RAM都存在镜像，以方便用户操作。控制器对18B20操作流程：1，复位：首先我们必须对DS18B20芯片进行复位，复位就是由控制器（单片机）给DS18B20单总线至少480uS的低电平信号。当18B20接到此复位信号后则会在1560uS后回发一个芯片的存在脉冲。2，存在脉冲：在复位电平结束之后，控制器应该将数据单总线拉高，以便于在 1560uS后接 收存在脉冲，存在脉冲为一个60240uS的低电平信号。至此，通信双方已经达成了基本的协议，接下来将会是控制器与18B20间的数据通信。如果复位低电平的时间不足或是单总线的电路断路 都不会接到存在脉冲，在设计时要注意意外情况的处理。3，控制器发送ROM指令：双方打完了招呼之后最要将进行交流了，ROM 指令共有5条，每 一个工作周期只能发一条，ROM指令分别是读ROM数据、指定匹配芯片、跳跃ROM、芯片搜索、报警芯片搜索。ROM指令为8位长度，功能是对片内的 64位光刻ROM进行操作。其主要目的是为了分辨一条总线上挂接的多个器件并作处理。诚然，单总线上可以同时挂接多个器件，并通过每个器件上所独有的ID号来区别，一般只挂接单个18B20芯片时可以跳过ROM指令（注意：此处指的跳过ROM指令并非不发送ROM指令，而是用特有的一条“跳过指令”）。ROM 指令在下文有详细的介绍。4，控制器发送存储器操作指令：在ROM指令发送给18B20之后，紧接着（不间断）就是发送存储器操作指令了。操作指令同样为8位，共6条，存储器操作指令分别是写RAM数据、读RAM数据、将RAM数据复制到EEPROM、温度转换、将EEPROM中的报警值复制到RAM、工作 方式切换。存储器操作指令的功能是命令18B20作什么样的工作，是芯片控制的关键。5，执行或数据读写：一个存储器操作指令结束后则将进行指令执行或数据的读写，这个操作要视存储器操作指令而定。如执行温度转换指令则控制器（单片机）必须等待18B20执行其指令，一般转换时间为500uS。如执行数据读写指令则需要严格遵循18B20的读写时序来操作。数据的 读写方法将有下文有详细介绍。若要读出当前的温度数据我们需要执行两次工作周期，第一个周期为复位、跳过ROM指令、执行 温度转换存储器操作指令、等待500uS温度转换时间。紧接着执行第二个周期为复位、跳过ROM指令、执行读RAM的存储器操作指令、读数据（最多为9个字节，中途可停止，只读简单温度值则读前2个字节即可）。其它的操作流程也大同小异，在此不多介绍。第2.3节DS1302功能介绍DS1302是 DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片内含有一个实时时钟/日历和 31字节静态 RAM可通过简单的串行接口与单片机进行通信。可提供：秒分时日日期月年的信息；每月的天数和闰年的天数可自动调整；可通过AM/PM指示决定采用24或12小时格式。 图2.2 DS1302各引脚的功能为：Vcc1：主电源；Vcc2：备份电源。当Vcc2Vcc1+0.2V时，由Vcc2 向DS1302供电，当Vcc2 Vcc1时，由Vcc1向DS1302供电。SCLK：串行时钟，输入，控制数据的输入与输出；I/O：三线接口时的双向数据线；CE：输入信号，在读、写数据期间，必须为高。该引脚有两个功能：CE开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；CE 提供结束单字节或多字节数据传输的方法。图2.3 DS1302 内部结构DS1302 内部包括：Power control:电源控制模块Input shift registers：输入移位寄存器Command and control logic：通讯与逻辑控制器Oscillator and divider：晶体振荡器及分频器DS1302 的内部主要组成部分虽然有：移位寄存器、控制逻辑、振荡器、实时时 钟以及 RAM。虽然数据分成两种，但是对单片机的程序而言，其实是一样的， 就是对特定的地址进行读写操作。第2.4节 LCD1602工作原理及功能介绍241 液晶显示简介液晶显示原理液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。液晶显示器的分类液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（Simple Matrix）和主动矩阵驱动（Active Matrix）三种。液晶显示器各种图形的显示原理:线段的显示：点阵图形式液晶由MN个显示单元组成，假设LCD显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共168=128个点组成，屏上6416个显示单元与显示RAM区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由RAM区的000H00FH的16字节的内容决定，当（000H）=FFH时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3FFH）=FFH时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000H）=FFH，（001H）=00H，（002H）=00H，（00EH）=00H，（00FH）=00H时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。这就是LCD显示的基本原理。字符的显示：用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由68或88点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。这样一来就组成某个字符。但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。汉字的显示：汉字的显示一般采用图形的方式，事先从微机中提取要显示的汉字的点阵码（一般用字模提取软件），每个汉字占32B，分左右两半，各占16B，左边为1、3、5右边为2、4、6根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数可找出显示RAM对应的地址，设立光标，送上要显示的汉字的第一字节，光标位置加1，送第二个字节，换行按列对齐，送第三个字节直到32B显示完就可以LCD上得到一个完整汉字。2.4.2 1602LCD的基本参数及引脚功能1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图10-54所示：图2.4 1602LCD图1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表10-13所示:表2.1：引脚接口说明表：编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W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R/W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R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W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15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。2.4.3 1602LCD的指令说明及时序1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表10-14所示：表2.2：控制命令表序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM）10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容（说明：1为高电平、0为低电平）指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。指令7：字符发生器RAM地址设置。指令8：DDRAM地址设置。指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据。指令11：读数据。读写操作时序如图10-55和10-56所示：图2.5 读操作时序图2.6 写操作时序第2.5节 温度监测及控制系统外围电路设计如图2.7所示为单片机系统电路。图2.7单片机系统如图2.8所示为DS1302电路。 图2.8 DS1302电路图如图2.9所示为DS18B20电路。 图2.9 DS18B20电路图如图2.10所示为LCD1602电路图。 图2.10 LCD1602电路第3章 温度监测控制的实现第3.1节 温度监测及控制系统构想本设计基于STC90C516RD+单片机与DS18B20温度检测芯片。系统中运用到了温度检测、数据传输、单片机的通信和控制、DS1302实时时间及LCD1602液晶显示。首先由矩阵键盘设定DS1302初始时间，由单片机进行控制和写入，程序启动后，由软件实现单片机对各芯片的初始化。系统正常运行后，由DS18B20进行温度的检测，并传递到单片机中进行处理和显示，再由单片机对所接收到的数据进行分析和处理，以达到控制温度的目的。第3.2节 温度监测及控制系统软件部分流程图温度监测及控制系统软件部分流程图如下图3.1所示。 图3.1 软件部分流程图第3.3节 温度监测及控制系统软件部分各主要子函数说明 程序开始运行后，通过矩阵键盘及独立按键设置初始时间及温度控制报警范围。3.3.1 LCD1602软件部分子函数延时子函数：void delay()int i,j;for(i=0; i=10; i+)for(j=0; j=2; j+);void delayxms(uchar x)int i,j;for(i=x; i0; i-)for(j=120; j0; i-)T_IO = ACC0;T_CLK = 1;T_CLK = 0;ACC = ACC 1;uchar uc_RTOutputByte(void) uchar i;T_RST = 1;for(i=8; i0; i-)ACC = ACC 1;T_IO=1;ACC7 = T_IO;T_CLK = 1;T_CLK = 0;return(ACC);void v_W1302(uchar ucAddr, uchar ucDa)T_RST = 0;T_CLK = 0;T_RST = 1;v_RTInputByte(ucAddr); _nop_();_nop_();v_RTInputByte(ucDa); T_CLK = 1;T_RST = 0;uchar uc_R1302(uchar ucAddr)uchar ucDa;T_RST = 0;T_CLK = 0;T_RST = 1;v_RTInputByte(ucAddr); _nop_();_nop_();ucDa = uc_RTOutputByte(); T_CLK = 1;T_RST = 0;return(ucDa);void v_BurstW1302T(uchar *pSecDa)uchar i;v_W1302(0x8e, 0x00); T_RST = 0;T_CLK = 0;T_RST = 1;v_RTInputByte(0xbe); for(i=8; i0; i-) v_RTInputByte(*pSecDa); pSecDa+;T_CLK = 1;T_RST = 0;void v_BurstR1302T(uchar *pSecDa)uchar i;T_RST = 0;T_CLK = 0;T_RST = 1;v_RTInputByte(0xbf); /0xbf:时钟多字节读命令for(i=8; i0; i-)*pSecDa = uc_RTOutputByte(); /读1Byte数据pSecDa+;T_CLK = 1;T_RST = 0;void v_BurstW1302R(uchar *pReDa)uchar i;v_W1302(0x8e,0x00); /控制命令,WP=0,写操作T_RST = 0;T_CLK = 0;T_RST = 1;v_RTInputByte(0xfe); /0xbe:时钟多字节写命令for(i=31; i0; i-) /31Byte 寄存器数据v_RTInputByte(*pReDa); /写1Byte数据pReDa+;T_CLK = 1;T_RST = 0;void v_BurstR1302R(uchar *pReDa)uchar i;T_RST = 0;T_CLK = 0;T_RST = 1;v_RTInputByte(0xff); /0xbf:时钟多字节读命令for(i=31; i0; i-) /31Byte 寄存器数据*pReDa = uc_RTOutputByte(); /读1Byte数据pReDa+;T_CLK = 1;T_RST = 0;void v_Set1302(uchar *pSecDa)uchar i;uchar ucAddr = 0x80;v_W1302(0x8e, 0x00); /控制命令,WP=0,写操作for(i=7; i0; i-)v_W1302(ucAddr, *pSecDa); / 秒 分 时 日 月 星期 年pSecDa+;ucAddr += 2;v_W1302(0x8e, 0x80); /控制命令,WP=1,写保护void v_Get1302(uchar ucCurtime)uchar i;uchar ucAddr = 0x81;for(i=0; i= 10) dec -= 10; bcd+; bcd 1;data1 += bcd 3; /用位移代替乘法运算return data1;void Write_DS1302Init(void)v_W1302(0x8e,0);v_W1302(0x80,miao); /写入秒v_W1302(0x8e,0);v_W1302(0x82,fen); /写入分v_W1302(0x8e,0);v_W1302(0x84,shi); /写入小时v_W1302(0x8e,0);v_W1302(0x86,ri); /写入日v_W1302(0x8e,0); v_W1302(0x88,yue); /写入月v_W1302(0x8e,0);v_W1302(0x8a,xingqi);/写入星期v_W1302(0x8e,0);v_W1302(0x8c,nian); /写入年void Run_DS1302(void)while(1)v_W1302(0x8f, 0);miao = bcdtodec(uc_R1302(0x81); /读出DS1302中的秒v_W1302(0x8f, 0);fen = bcdtodec(uc_R1302(0x83); /读出DS1302中的分v_W1302(0x8f, 0);shi = bcdtodec(uc_R1302(0x85); /读出DS1302中的小时v_W1302(0x8f, 0);ri = bcdtodec(uc_R1302(0x87); /读出DS1302中的日v_W1302(0x8f, 0);yue = bcdtodec(uc_R1302(0x89); /读出DS1302中的月v_W1302(0x8f, 0);nian = bcdtodec(uc_R1302(0x8d); /读出DS1302中的年L1602_char(2, 1, shi / 10 % 10 + 48);L1602_char(2, 2, shi % 10 + 48);L1602_char(2, 3, -);L1602_char(2, 4, fen / 10 % 10 + 48);L1602_char(2, 5, fen % 10 + 48);L1602_char(2, 6, -);L1602_char(2, 7, miao / 10 % 10 + 48);L1602_char(2, 8, miao % 10 + 48);L1602_char(1, 8, nian / 10 % 10 + 48);L1602_char(1, 9, nian % 10 + 48);L1602_char(1, 10, -);L1602_char(1, 11, yue / 10 % 10 + 48);L1602_char(1, 12, yue % 10 + 48);L1602_char(1, 13, -);L1602_char(1, 14, ri / 10 % 10 + 48);L1602_char(1, 15, ri % 10 + 48);Reset();write_byte(jump_ROM);write_byte(start);Reset();write_byte(jump_ROM);write_byte(read_EEROM);TMPL = read_byte();TMPH = read_byte();temp = TMPL / 16 + TMPH * 16;L1602_char(2, 14, (temp / 10 % 10+48);L1602_char(2, 15, (temp % 10+48);if(temp1=u)HEAT = 1;while(Cmin fen);if(temp1=u) d = u = 0;L1602_char(1, 10, u /10 % 10 + 48);L1602_char(1, 11, u % 10 + 48);L1602_char(1, 12, d /10 % 10 + 48);L1602_char(1, 13, d % 10 + 48);Cmin = fen1 + 1;if(Cmin 60)Cmin = Cmin - 60;DS18B20读写、控制、初始化子函数：void delay_1()int i,j;for(i=0; i=10; i+)for(j=0; j=2; j+);void delay_2(uint N)int i;for(i=0; iN; i+);void Delay_1ms(uint i)/1ms延时uchar x,j;for(j=0;ji;j+)for(x=0;x=148;x+);uchar Reset(void)uchar deceive_ready;DQ = 0;delay_2(29);DQ = 1;delay_2(3);deceive_ready = DQ;delay_2(25);return(deceive_ready);uchar read_bit(void)uchar i;DQ = 0;DQ = 1;for(i=0; i3; i+);return(DQ);void write_bit(uchar bitval)DQ=0;if(bitval=1)DQ=1;delay_2(5);DQ=1;uch