淋浴房控制系统.doc

淋浴房控制系统.txt我是天使，回不去天堂是因为体重的原因。别人装处，我只好装经验丰富。泡妞就像挂QQ，每天哄她2个小时，很快就可以太阳了。url=LED显示屏/url url=LED灯/urlurl=LED十大品牌/url url=LED资源网/urlurl=LED网/url url=LED展会/urlurl=淋浴房十大品牌/url url=淋浴房/url url=淋浴房网/url 本文由babyricky2009贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 摘 要 本文主要设计出了用单片机来控制的淋浴房温度控制系统。随着人们生活水平的提 高，淋浴房已经成为当今社会必不可少的卫浴产品之一，因此淋浴房环境的智能控制的 开发具有实际的意义。本系统以加热器和电风扇为控制对象，以 MCS-51 单片机为控制 核心，进行了软硬件的设计。硬件电路由 protel 设计制作，主要设计了温度数据采集、 LCD1602 显示、温度超限报警提示、升降温控制和温度按键设置五个硬件部分。软件设 计在 Keil 开发平台用 C 语言编写，程序采用模块化设计方案，主要编写了温度数据采 集、液晶显示驱动、温度超限报警、温度上下限按键设置和升降温控制五个部分。 本系统主要面向家用淋浴房进行整体设计，包括硬件和软件两部分。全文以淋浴房 温度控制系统的设计过程为主线展开叙述，详细介绍了淋浴房温度控制系统方案论证到 电路图的设计，从温度控制系统的要求到软件功能的编写的设计过程。通过硬件功能的 实现情况，表明系统运行正常，各功能模块的实现可行，采集温度的数据精确度高，能 满足控制的要求。 关键字：单片机；温度控制系统；淋浴房 I Abstract In this paper, it is designed using Microcontroller to control the bathroom temperature control system. With the improvement of living standards, bathroom has become one of the necessary toilet products in todays society. Therefore, the exploitation of intelligent control bathroom environment, has practical significance. This design with heaters and fans for the control of the object, with Microcontroller to MCS-51 as the control core, was carried out the design of hardware and software. Hardware circuit is designed by protel, central hardware design contains temperature data acquisition, LCD1602 display, temperature overrun alarm, heating and cooling control and temperature setting buttons five parts. Keil-design software development platform in C language used to prepare, process is modular in design, central software design contains temperature data acquisition, LCD1602 display, temperature overrun alarm, heating and cooling control and temperature setting buttons five parts. This system is mainly for domestic bathroom to the overall design of, including hardware and software. software design and base information of software in common use. By the temperature control system of bathroom the design process started describes the main line, described in detail from the temperature control system of the programme demonstrated to the circuit design, temperature control system from the software required to function in the preparation of the design process. Throught the hardware test to the control system and analysis, we find that the operation of that system is normal, the functional modules function can achieve viable. Key words： Microcontroller；Speed control system；Bathroom II 目 录 绪 1 论 1 系统的总体分析与器件的选择 3 1.1 1.2 本系统的设计方案 3 单片机电路的介绍 3 1.2.1 1.2.2 1.3 单片机的概述 3 STC89 系列单片机 4 温度传感元件的选择 9 1.3.1 1.3.2 温度传感器的选择 9 数字式温度传感器 DS18B20 10 1.4 显示元件的选择 15 1.4.1 1.4.2 液晶显示元件的选择 15 液晶显示元件 1602 16 2 系统硬件结构的设计 19 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 温度数据采集电路的设计 19 液晶显示器电路的设计 20 温度超限报警提示电路的设计 21 升降温控制单元的设计 22 温度按键设置电路的设计 22 3 系统软件程序的设计 24 3.1 3.2 系统的软件总体设计 24 各功能模块的介绍 24 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 系统主程序设计 24 温度数据采集程程序 26 液晶显示驱动程序 27 温度超限报警和升降温程序 27 温度按键设置程序 28 4 系统的调试 29 4.1.1 本系统的调试 29 III 4.1.2 结 致 本系统的编译器和烧录软件 30 论 38 谢 39 参考文献 40 附录 A 41 附录 B 49 附录 C 49 附录 D 57 附录 E 72 IV 沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文 绪 论 随着我国淋浴房市场的发展，淋浴房是近几年兴起的一种高档、时尚、高雅卫浴产 品。淋浴房的技术的研发和市场状况成为业内企业关注的焦点。技术工艺，是衡量一个 企业是否具有先进性， 是否具备市场竞争力， 是否能不断领先于竞争者的重要指标依据。 随着我国淋浴房控制器及相关配件市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技术应用与研 发必将成为业内企业关注的焦点。现在家居体现了智能化控制等方面的特点。目前智能 家居的发展趋势是由集中控制到分布控制，淋浴房是家居的其中一块重要组成部分。随 着科技的不断进步，淋浴房的控制也越趋于智能化发展。 现代家庭对卫浴设施的要求越来越高，人们对卫浴文化的追求也越来越强烈，在卫 生间里设计简约实用的淋浴房，已成为一种时尚。但由于居室卫生空间有限，只能把洗 浴设施与卫生洁具置于一室。而淋浴房则充分利用室内一角，用围栏将淋浴范围清晰地 划分出来，形成相对独立的洗浴空间。选择为一套优质的淋浴房不但可以让我们尽情享 受淋浴的快感，还能避免脏水外溢造成经常做清洁的繁琐。 淋浴房的基本构造是底盘加围栏。底盘质地有陶瓷、压克力、玻璃钢等，围栏上安 有塑料或钢化玻璃门，可以方便进出，玻璃上印有各色喷花或线条。淋浴房内安装有淋 浴喷头，洗浴时将门拉上，水不会溅到外面。淋浴房底盘的尺寸面积大小可以根据自己 的需要确定。市场上销售的淋浴房底盘除常见的方形外，还有多种造型：圆形、届形、 钻石形等。围栏上安装的门也不拘于常见的形式，灵活性较大。有的淋浴房在围栏项部 加有一根与框架同样质地的横梁，横梁两端可以固定在两侧的墙壁上，一方面可增加淋 浴房的稳定性，另一方面还可用来搭挂物品。 淋浴房的颜色多由淋浴房框架上的喷涂颜色而定，现在市场上销售的淋浴房早已突 破单一的白色，增添了许多鲜艳的色彩，与卫生间的色彩融为体，将清洁与装饰的功 能合二为一。 有些淋浴房采用喷砂金或喷砂银的工艺， 色彩华贵， 但价格相对要贵一些。 可以根据自己的喜好择适合的颜色。 温度是表征物体冷热程度的物理量，它在工业自动化、家用电器、环境保护、安全 生产和汽车工业等行业中都是基本的检测参数之一。温度是温度监控系统中最基本、最 为核心的衡量指标，也是测温系统中最为重要的测控参数，因此对温度进行准确的检测 一直是一个重要的研究课题。 因此， 测量温度的仪器在测温系统中占有至关重要的地位。 随着时代的发展，数字化控制无疑是人们追求的目标之一，它给人们带来的方便也 1 沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文 是不可否定的，其中数字温度测量装置就是一个典型的例子，它在信息、电子、物流等 许多领域都有广泛的应用。随着人们对它的要求越来越高，为现代人工作、科研、生活 提供更好、更方便的设施，就需要从单片机技术入手，朝着数字化、智能化控制方向发 展。单片机在工业控制、尖端武器、通信设备、信息处理、家用电器等各测控领域的应 用中独占鳌头。时下，家用电器和办公设备的智能化、遥控化、模糊控制化己成为世界 潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现的。采用单片机来对温度进行控制，不仅 具有控制方便、 组态简单和灵活性大等优点， 而且可以大幅度提高被控温度的技术指标， 从而能够大大提高产品的质量和数量。单片机以其功能强、体积小、可靠性高、造价低 和开发周期短等优点，成为自动化和各个测控领域中必不可少且广泛应用的器件，尤其 在日常生活中也发挥越来越大的作用。 本文设计一种淋浴房温度控制系统，从系统总体分析与器件的选择，硬件电路的设 计，系统软件电路的设计和系统调试四个部分来组织全文。该设计控制器使用单片机 STC89C52，测温传感器使用 DS18B20，用 1602LCD 液晶显示实现温度显示，升降温单 元采用加热器和电风扇，报警提示电路采用声光报警。 2 沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文 1 1.1 系统的总体分析与器件的选择 本系统的设计方案 图 1.1 淋浴房控制系统的方框图 从淋浴房控制系统框架图 1.1，可以很清楚的了解整个系统的各个模块，温度采集 模块、键盘调节模块、显示模块、报警模块，本系统设计时各个环节采用了直流+5V 电 压作为电源，也体现了低功耗的原则。 本系统采用简单明了，使用方便的设计思路。首先现场必须要温度测量装置，进行 温度的实时测量。其次，得有显示器对温度进行实时的显示。再次键盘对温度的上下限 温度进行调节，当温度超过了温度上下限的时候的，有声光报警装置进行提示。最后， 当温度不在设定的范围内的时候还得进行升温或者降温处理，以便室内温度达到人体适 应的状态。 1.2 1.2.1 单片机电路的介绍 单片机的概述 单片微型计算机简称单片机，又称微控制器，嵌入式微控制器等，属于第四代电子 计算机。它把中央处理器、存储器、输入/输出接口电路以及定时器/计数器集成在一块 芯片上，从而具有体积小、功耗低、价格低廉、抗干扰能力强且可靠性高等特点，因此， 适合应用于工业过程控制、智能仪器仪表和测控系统的前端装置。正是由于这一原因， 国际上逐渐采用微控制器(MCU)代替单片微型计算机(SCM)这一名称。 “微控制器” 更能 反映单片机的本质，但是由于单片机这个名称已经为国内大多数人所接受，所以仍沿用 3 沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文 “单片机”这一名称。 单片机的主要特点有：具有优异的性能价格比；集成度高、体积小、可靠性高；控 制功能强；低电压，低功耗1； 单片机的主要应用领域： 由于单片机具有上述显著的特点，因此，其应用领域无所不至，在自动化装置、智 能化仪器仪表和家用电器等领域得到日益广泛的应用。 其典型的应用领域有：工业控制；仪器仪表；电信技术；办公自动化和计算机外部 设备；汽车和节能；制导和导航；商用产品；家用电器2。 因此，在本课题设计的温度测控系统中，采用单片机实现温度的控机选用方面，由 子 STC89 系列单片机与 MCS-51 系列单片机兼容，所以本统中的单片机选用 STC 公司 生产的 STC89C52RC 芯片，它是该公司生产的标准型单片机。 1.2.2 STC89 系列单片机 （一）STC89 系列单片机的原理和结构 STC89 系列单片机时 MCS-51 系列单片机的派生品。它们在指令系统、硬件结构和 片内资源上与标准 8051 单片机完全兼容，DIP40 封装系列与 8051 为 pin-to-pin 兼容。 STC89 系列单片机高速（最高时钟频率 90MHz） ，低功耗，在系统中应用可编程（ISP， IAP） ，不占用用户资源。 简单概括来说，单片机应用系统的结构可分为三个层次：第一层是指单片机：通常 指应用系统主处理机，即所选择的单片机器件。第二层是指单片机系统：指按照单片机 的技术要求和嵌入对象的资源要求而构成的基本系统，入时钟电路、复位电路和扩展存 储器于单片机构成了单片机系统。第三层是指单片机应用系统：指能满足嵌入对象的要 求的全部电路系统。 （1）单片机的基本原理 在通用微机中央处理器基础上，将输入/输出（I/O）接口电路、时钟电路以及一定 容量的存储器等部件集成在同一芯片上，在加上必要的外围器件，如晶体振荡器，就构 成了一个较为完整的计算机硬件系统，由于这类计算机系统的基本部件均集成在同一芯 片内，因此被称为单片机控制器（Single-Chip_Micro Control，简称单片机）或微控制单 元（Microcontroller Unit，简称 MCU） 。 （2）STC89C52 系列单片机引脚功能分类单片机引脚结构图如图 1.2 所示： 4 沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文 图 1.2 STC89C52 引脚结构图 STC89C52 是 40 引脚双列直插式封装，由于 DIP40 封装系列与 8051 为 pin-to-pin 兼容，则他管脚功能兼容 8051 的功能。但是 P0 和 P2，既可以做 I/O 输入，也做 AD 信 号输入口。当做 AD 信号输入的时候就不能再做 I/O 输入了，也不能再外围扩张 I/O 口 了。 （二）STC89 系列单片机的主要性能 STC89C52RC 是 STC 公司生产的单片机，它是一款性价比非常高的单片机，内置 8K 字节 Flash，1K 电擦除可编程 EEPROM 片内程序存储器和 512 字节 RAM，片内程 序存储器空间能满足本系统程序存储之需要，可省去片外 EPROM 程序存储器和地址锁 存器，使电路结构简捷。 STC89C52 主要性能和参数3： 它具有低功耗，超低价，高速（090M） ，高可靠性的特点； RC/RD+系列为真正的看门狗，缺省为关闭（冷启动） ，启动后无法关闭可放心省 去外部看门狗； 内部 Flash 擦写次数为 100000 次以上； STC89C52RC/RD+系列单片机出厂时就已完全加密，无法解密，用户程是用 ISP/IAP 机制写入，一边校验一边写，无读出命令，彻底无法解密； 5 沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文 具有 8 个中断源、6 个中断矢量、2 个优先权的中断机构； 低功耗模式有空闲模式和掉电模式； 工作电压是（3.4v5v） ，典型值是 5v。 由于 STC 单片机具有 ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程）功能，无需专用 编程器/仿真器，可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K 程序 3 秒钟即可完成。 所以本设计选用该型号的单片机。 STC89 系列单片机按芯片型号分别有 64/32/16/8K 片内 Flash，分为 2 个 Flash 存储 块： Block0 和 Block1。 个 Flash 存储块在物理上 Block0 在前， 2 Block1 在后。 通过 REMAP 功能可以将 Flash 块重定位。内部 Flash 擦写次数为 100000 次以上。 ISP 是指电路板上的空白器件可以编程写入最终用户程序代码，而不需要从电路板 上取下芯片。已经编程的器件也可以用 ISP 方式擦除或再编程。单片机在“ISP 模式”下， （如 PC 上电时，可以进行 ISP 操作，在 ISP 模式下，单片机通过串行端口与外部主机， 机或终端） 通信。 单片机从主机接收命令和数据， 用于擦除和再编程代码存储区。 ISP 当 操作结束时，应重新配置单片机，这样才能正常进行下一次操作。系统复位时，单片机 检查状态字节中的内容。如果状态字为 0，则转去 0000H 地址开始执行程序；这是用户 程序的正常起始地址。 如果状态字不为 0， 则将引导向量的值作为程序计数器的高 8 位， 低 8 位固定为 00H， 若引导向量为 FCH， 则程序计数器内容为 FC00H， 即程序转到 FC00H 地址开始执行，而 ISP 服务程序就是从 FC00H 处开始的，那么也就是进入了 ISP 状态 了。接下来就可以用 PC 机的 ISP 软件，如 ZLGISP 软件对系统编程了。 STC89C52RC/RD+系列单片机出厂时就已完全加密，无法解密，用户程序是用 ISP/IAP 机制写入，一边校验一边写，无读出命令，彻底无法解密；ISP 主要应用于在线 （或远程）升级，通过执行 ISP 引导码改写用户程序，无须编程，无须亲临现场。STC89 系列单片机在出厂时， 片内已经烧录有 ISP 引导码， 占用 Block1 的程序空间前 2K 字节， 并设置为从 Block1 启动。启动时，首先执行 ISP 引导码，确认是程序下载，还是正常 启动。 无论是程序下载还是正常启动， 引导码最后总是将 REMAP 取消， ISP 恢复 Block0 在前 8K 的地址空间， 进而执行 Block0 中的用户程序， 即用户程序总是放在 Block 的 00H 开始的单元，除非用户自行修改了 ISP 引导码。 IAP 功能就是在应用可编程，利用该功能，就可将本不具有 EEPROM 的单片机具 有相当于 EEPROM 的功能， 而且存储空间远大于 EEPROM。 不能对自身所在的 Block IAP 编程，即当程序运行在 Block1 时，可编程的是 Block0。根据这个特点，通过 REMAP 6 沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文 功能可设置在应用编程的 Flash 的大小。对于 STC89C52 来说， （1）当程序运行于 Block0 时，可拥有 68K 的 Flash EEPROM(一般不使用)； （2）当程序运行于 Block1 时，可拥有近 32K 的 Flash EEPROM（需要技巧或更改 ISP 引导码的用户） ； 技巧：对于想使用 32K 的 Flash EEPROM，又不想更改 ISP 引导码的用户，可以这 样设计程序，在用户程序开始处，通过 REMAP 功能将 Block1 影象到前 8K，并将影象 指令之后的程序烧录在 Block1 中即可。程序流程定位：Block1（ISP 引导码）到 Block0 （用户程序 REMAP 部分）到 Block1（用户程序） 要使用 IAP 功能， 必须启用 IAP 功能。 STC89 的超级 Flash 配置存储器 SFCF 的 bit6 位用来开关 IAP 功能，0 关闭，1 开启，程序启动时默认关闭。 IAP 的主要功能有：片擦除，块擦除，扇区擦除，字节编程，字节校验 IAP 功能的用途： （1）通过 IAP 功能可以不需要编程器就可以做单片机实验。这对初次学习单片机 的人们，尤其对学校单片机的教学带来极大的方便是一种最低成本的单片机开发手段。 （2）可以对产品升级软件进行升级。不需要外加监控芯片，只是通过串行口便可 将 PC 机内的产品升级软件下载到产品中去，而实现产品软件的升级换代。在自己的实 验室便可通过 Modem 对远方的产品进行软件升级。这将是以后电子产品的必然趋势。 （3）还可以在线对产品参数修改。可实现在线对现场历史数据的存储、曲线参数 的校正等功能。适用于一些需要经常改变数据的应用产品（如计费器、门禁系统及需要 升级的产品等）及需要远距离改变设备参数的产品（遥控设备等） 。 （三）STC89 系列单片机的最小系统 1、单片机的时钟电路 MCS-51 系列单片机 HMOS 器件内含有一个高增益的反相放大器，通过 XTAL1、 XTAL2 外接作为反馈元件的晶体后，构成自激振荡器。接法如图 1.3 所示 7 沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文 图 1.3 单片机的时钟电路原理图 振荡器的振荡频率主要取决于晶体；电容对振荡频率有微调作用，通常在 30pF 左 右。电容的安装位置应尽量靠近单片机芯片。 2、单片机的复位电路 单片机在启动运行时都需要复位，以便 CPU 和系统中的其他部件都处于某一确定 的初始状态，并从该状态开始工作。MCS-51 系列单片机的复位（RST）引脚上只要出 现了 10ms 以上的高电平，单片机就实现复位。复位的功能是把程序计数器 PC 值初始 化为 0000H，使单片机从 0000H 单元开始执行程序。除此之外，复位操作还对一些特殊 功能寄存器的值有影响。 MCS-51 系列单片机系统常常有上电复位和操作复位两种方法。上电复位是指单片 机上电瞬间，要在 RST 引脚上出现宽度大于 10ms 的正脉冲，才能使单片机进入复位状 态。操作复位是指用户按下“复位”按钮使单片机进入复位状态4。本系统中这两种复 位电路（如图 1.4）都体现出来了。 图 1.4 单片机的复位电路原理图 8 沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文 上电时，+5V 电源立即对单片机芯片供电，同时经 R 对电容 C 充电。C 上电建立的 过程就是负脉冲的宽度，经过倒相后，RST 上出现正脉冲使单片机实现上电复位。 当按钮 S0 按下时，RST 上同样出现高电平，实现复位。 3、单片机的最小系统 由单片机、时钟电路、复位电路和电源等就组成了能使单片机实现基本功能的电路 就叫做单片机的最小系统。如下图 1.5 所示 图 1.5 单片机的最小系统 1.3 温度传感元件的选择 传感器是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装 置。通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件是指传感器中能够直接感受被测 量的部分，转换元件指传感器中能将敏感元件输出转换为适于传输和测量的电信号部 分。 有些国家和有些科学领域，将传感器称为变换器、检测器或探测器等。应该说明， 并不是所有的传感器都能明显分清敏感元件与转换元件两个部分，而是二者全为一体。 例如半导体气体、温度传感器等，它们一般都是将感受的被测量直接转换为电信号，没 有中间转换环节5。 1.3.1 温度传感器的选择 测量温度的关键是温度传感器。随着温度传感器智能化、集成化技术的进步，数字 9 沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文 式温度传感器也得到了快速发展，世界上许多公司推出了新型的数字温度传感器系列。 这些产品的出现极大的丰富了设计工程师的选择对象。在如此众多的产品中选择出合适 的器件，应该把握以下几点6：长期稳定性好；能适应系统要求，能使系统真正做到快 速反应和调控环境的高效工作；测量范围应符合淋浴房湿润的环境实际要求；外围电路 应该尽量简单；测温的精度、分辨率要合适，以便减少不必要的电路和软件开发成本； 温度传感器采用的总线负载能力如何；占用单片机的 I/O 引脚数情况如何，因为单片机 的系统资源非常宝贵， 输入通道有限， 温度测量时， 如果测量的点数超过了输入通道时， 就要添加多路复用器，这将增加成本和开发时间，应尽量节约。 由于 DS18B20 具有独特的单总线接口方式在淋浴房测温时有明显的优势，占用单 片机的 I/O 引脚资源少，和单片机的连接电路比较简单，成本较低，传输距离远，和其 他数字温度传感器相比，它更适合本系统，所以，本系统选用 DS18B20 为温度测量的 传感器。 1.3.2 数字式温度传感器 DS18B20 DS18B20 是美国 DALLAS 公司推出的智能化数字式温度传感器，全部传感元件及 转换电路集成在形如一个三极管的集成电路内。与其它温度传感器相比，DS18B20 具有 以下技术特性7： 具有独特的单总线接口方式， DS1SB20 在与微处理器连接时仅需一条总线就可实 现微处理器与 DS18B20 的双向通信； 支持多点组网功能，一条总线上可以同时挂接多个 DS18B20，很方便地实现多点 温度的检测； 数字信号输出，不需要信号放大和 AD 转换等外围电路； 测温范围-55 +125，在-10 +85时测温准确度为士0.5； 能提供 9 12 位二进制温度值输出，可通过编程决定输出位数； 其工作电源既可采用寄生电源方式产生，也可在远端引入，电源电压范围为 +3.0V +5.5； 用户可自行设定非易失温度报警上下限值 TH 和 TL，DS18B20 在完成温度转换 后，所测得的温度值将自动与贮存在 TH 和 TL 内的触发值相比较，如果测温结果高于 TH 或低于 TL，DS18B20 内部的警告标志就会被置位，表示温度值超出了测量范围，同 时还有报警搜索命令可以识别出温度超限的 DS1SB20。 10 沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文 因为它是数字输出，而且只占用一个 I/O 端口，所以它特别适合于微处理器控制的 各种温度测控系统， 避免了模拟温度传感器与微处理器接口时需要的户 A/D 转换和较复 杂的外围电路。缩小了系统的体积，提高了系统的可靠性。 下面将详细介绍数字式温度传感器 DS18B20。 （一）DS18B20 的内部结构 DS18B20 主要由四部分组成：64 位光刻 ROM 数据存储器、温度传感器、非易失性 电可擦写温度报警触发器 TH、TL 以及非易失性电可擦写设置寄存器。 图 1.6 DS18B20 内部结构 如图 1.6 所示，器件只有 3 根外部引脚，其中 VDD 和 GND 为电源引脚，另一根 DQ 线则用作 I/O 总线，因此称为一线式数据总线。与单片机接口的每个 I/O 口可挂接 多个 DS18B20 器件。DS18B20 的管脚排列如图 1.7 所示。DS18B20 是 DS1820 的升级 产品， 一般封装为 TO- 92， DS1820 的 PR-35 封装更小。 比 DS18B20 只有三根外部引线： 单线数据传输端口 DQ、共用地线 GND、外供电源线 VDD。 图 1.7 DS18B20 的封装形式 11 沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文 每片 DS18B20 含有一个唯一的 64 位 ROM 编码。头八位是产品系列编码，表示产 品的分类编号；接着的 48 位是一个惟一的产品序列号，序列号是一个 15 位的十进制编 码，每个芯片惟一的编码可以通过寻址将其识别出来，最后 8 位是前 56 位的循环冗余 (CRC)校验码，是数据通信中校验数据传输是否正确的一种方法。所以多片 DS1SB20 能 够连接在同一条数据线上而不会造成混乱。这为温度的多点测量带来极大的方便。 DS18B20 传感器的内部数据存储器由 9 个字节组成。第一、二个字节是温度数据 (MSB，LSB)，可以在系统配置寄存器中自行设置数据位数（912 位） ，数据位越多温 度分辨率越高，多余的高位是温度数据的符号扩展位。第三、四字节是温度上下限报警 值(TH，TL)。第五字节是系统配置寄存器，寄存器各位定义如下：第八位用来设置传感 “0”为操作状态，出厂设置为操作功能状态，用户不 器的工作状态， “1”为测试状态， 能修改；第七、六两位是温度转换数据位的设置（00，01，10，01 分别对应 9，10，11， 12 位温度数据） 出厂设置为 12 位温度数据位， ， 用户可根据需要进行修改， 其余位无效。 第 6、7、8 字节保留未用。第 9 个字节是 CRC 校验码，是前面 8 个字节的循环校验码， 用在通信中检验数据传送的正确性。 温度传感器的转换结果以 16 位二进制补码的形式存放在便笺式存储器中，其中第 一个字节（Byte0）存放测温结果的低位（LS Byts） ，第二个字节（Bytel）存放测温结 果的高位 （MS Byts） 为符号位， ，S 其它位为数据位， 温度为负时 S=l； 温度为正时 S=0。 格式如下表 1.2 所示： 表 1.2 用二进制补码表示的 DS18B20 温度数据 Bit7 LSB MSB 23 S Bit6 22 S Bit5 21 S Bit4 Bit3 2-1 S Bit2 2-2 26 Bit1 2-3 25 Bit0 2-4 24 20 S 其中，高位字节中的前 5 位 S 是符号位，若测得的温度大于 0，则这 5 位数据也都 为 0，实际温度也就等于测到的数值与 0.0625（0.0625/LSB）的乘积；若温度小于 0， 则这 5 位数据就都为 1，实际温度就等于测到的数值取反加 l 后再乘以 0.0625。 DS18B20 用 12 位精度测出的数字量（用 16 位二进制补码表达表达） ，如表 1.3 所 示。 如果测量的温度值高于温度报警触发器 TH 或低于 TL 中的值，则 DS18B20 内部的 报警标志位就被置位，表示温度测量值超出范围。 DS18B20 的温度转换位数可以选择 912 位，分别对应的测温分辨率为 0.5， 12 沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文 0.25，0.125，0.0625。不过温度转换位数越大，转换时间也越长。12 位精度的最 大转换时间为 750ms。 表 1.3 DS18B20 输出温度值二进制对照表 温度 +125 +25.0625 +10.125 +0.5 0 -0.5 -10.125 -25.0625 -55 数字量输出（二进制） 0000 0111 1101 0000 0000 0001 1001 0001 0000 0000 1010 0010 0000 0000 0000 1000 0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1000 1111 1111 0101 1110 1111 1110 0110 1111 1111 1100 1001 0000 数字量输出（十六进制） 07D0H 0191H 00A2H 0008H 0000H FFF8H FF5EH FF6FH FC90H DS18B20 的测温范围为-55 +125，温度转换结果以 16 位二进制方式单线输出， 转换的位数可通过写配置寄存器设定，其格式如表 1.4 所示： 表 1.4 配置寄存器设置 Bit7 0 Bit6 R1 Bit5 R0 Bit4 1 Bit3 1 Bit2 1 Bit1 1 Bit0 1 Rl，R0 的设定值与位数、分辨率和最大转换时间的关系如表 1.5 所示，可见位数每 减少一位，分辨率同时减少而转换时间则加快一倍，器件上电时默认分辨率为 12 位。 表 1.5 Rl，R0 的设定值与位数、分辨率和最大转换时间的关系 R1 0 0 1 1 R0 1 0 1 0 分辨率() 0.5 0.25 0.125 0.0625 最大转换时间 ms 93.75 187.5 375.00 750.00 有效位数 9 位（Bit11Bit3） 10 位（Bit11Bit2） 11 位（Bit11Bit1） 12 位（Bit11Bit0） 温度报警触发器和设置寄存器都由非易失性电可擦写存储器（EEPROM）组成，设 置值通过相应命令写入，一旦写入后不会因为掉电而丢失。 （二）DS18B20 测温原理 DS18B20 的温度传感器是通过温度对振荡器的频率影响来测量温度的。如图 1.8 所 13 沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文 示。DS18B20 内部有两个不同温度系数的振荡器。低温系数振荡器输出的时钟脉冲信号 通过由高温系数振荡器产生的门开通周期而被记数，通过该计数值来测量温度。计数器 被预置为与-55对应的一个基数值，如果计数器在高温系数振荡器输出的门周期结束 前计数到零，表示测量的温度高于-55，被预置在-55的温度寄存器的值就增加 1， 同时为了补偿和修正温度振荡器的非线性，计数器被斜率累加器所置定的值进行预置， 时钟再次使计数器计数直至零，如果开门通时间仍未结束，那么重复此过程，直到高温 度系数振荡器的门周期结束为止。这时寄存器中的值就是被测的温度值。这个值以 16 位二进制补码的形式存放在便笺式存储器中。温度值由主机发出读存储器命令读出，经 过取补和十进制转换，得到实测的温度值。 图 1.8 DS18B20 的测温原理 （三）DS18B20 的工作过程 使用 DS18B20 测量温度的过程如下： （1）初始化单总线上所有 DS18B20； （2）如果还没有获得特定 DS18B20 的 ID 号，先只接一个 DS18B20，发送读序列 号命令 （OX33H）然后读取 DS18B20 返回的该芯片自身的 ID 号， ， 将读出的多个 DSl8B20 芯片的 ID 号顺序保存到单片机 EEPROM 的指定位置。 当单总线上接多个 DS18B20 时，用各个芯片的 ID 号选中特定的芯片进行操作。如 果己经获得 ID 号，则先发送寻求匹配命令（OX55H） ，再发送 ID 号，选中特定的 DS18B20； （3）发送命令设置 DS18B20 的工作模式，命令字（OX4EH） ，然后写入 3 个字节。 温度上限、温度下限模式设置字节。R1，R0 分别在该字节的 5 位和 6 位，第 7 位为 0， 14 沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文 其他位为 1。 （该步可以省略，使用 DS18B20 的默认模式，即最高分辨率模式） ； （4）自动温度转换，命令字（OX44H） ； （5）等待转换结束，分辨率不同时，该等待时间也应不同； （6）读取转换结果，发送命令字（OXBEEH） ，然后读取转换结果。为了保证读出 的数据正确，一般情况要读出 DSI8B20 的 RAM 的 9 个字节，并校验读出的数据是否正 确； （7）如果校验正确，将读出的前 2 个字节转换成 10 进制的温度值。 DS18B20 为用户提供了 5 个 ROM 命令和 6 个存储器命令， 而具体命令信息的传送， 则主要通过初始化时序、读时序、写时序三个基本时序单元的组合来实现。 （四）DS18B20 的供电方式 DS18B20 有两种供电方式：一种为数据线供电方式（即寄生电源供电方式） ，此时 VDD 接地，它是通过内部电容在空闲时从数据线获取能量，来完成温度转换，完成温 度转换的时间较长。为了保证在有效的时钟周期内，提供足够的电流，这种情况下，用 一个 MOSFET 管和单片机的一个 I/O 口来完成对 DS18B20 总线的上拉。另一种是外部 供电方式（VDD 接+5V） ，完成温度测量的时间较短。当使用数据总线寄生供电时，供 电端必需接地，同时总线口在空闲的时候必须保持高电平，以便对传感器充电。 但当所测温度超过 100时，DS18B20 的漏电流增大，传感器从 I/O 线上获取的电 流不足以维持 DS1SB20 通讯所需的电流，此时只能选用外部供电方式。比较而言，寄 生电源方式少用一根导线，但它完成温度测量所需的时间较长，而外部电源方式测量速 度则要快些。 寄生电源方式下，DS18B20 的 VDD 端和 GND 端都接地，只用一根单总线和主机 通信及获取电源。单总线上接 4.7k 的上拉电阻，和 DS18B20 芯片的寄生电容形成充 放电电路；外接电源方式下，DS18B20 的 VDD 端外接一个十+3+5V 电源，GND 端接 地。可见寄生电源方式可以省掉一根电源线，大大较低了布线的成本，但是当总线上节 点较多且同时进行温度转换时，容易造成供电不足且所需的转换时间较长。外接电源方 式稳定可靠，测量速度较快。所以本系统采用外接电源供电方式。 1.4 1.4.1 显示元件的选择 液晶显示元件的选择 LCD 液晶显示器，英文名字是 Liquid Crystal Display，缩写为 LCD。它的主要原理 15 沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文 是以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管构成画面。LCD 的构造是在两片 平行的玻璃当中放置液态的晶体，两片玻璃中间有许多垂直和水平的细小电线，透过通 电与否来控制杆状水晶分子改变方向，将光线折射出来产生画面。 液晶显示器（LCD）是平板显示器的一种，具有低电压、微功耗、无辐射、小体积 等特点，被广泛应用于各种嵌入式产品中。常用的因而本设计采用液晶显示器显示淋浴 房环境信息。 嵌入式系统开发中常用的液晶显示器有 12864 液晶和 LCD1602，带中文字库的 12864 液晶是一种具有 4 位/8 位并行、2 线或 3 线串行多种接口方式，内部含有国标一 级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为 12864, 内置 8192 个 16*16 点汉字，和 128 个 16*8 点 ASCII 字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、 方便的操作指令， 可构成全中文人机交互图形界面。 可以显示 84 行 1616 点阵的汉字。 也可完成图形显示。LCD1602 显示模块只能实现 ASCII 字符显示，但是低电压低功耗。 由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结 构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。所以 考虑到淋浴房温度控制显示系统不需要太多的显示内容，从经济实惠的角度考虑。本设 计选用 LCD1602。 1.4.2 液晶显示元件 1602 字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式 LCD，目前常 用 16*1，16*2，20*2 和 40*2行等的模块，本设计使用的是长沙太阳人电子有限公司的 1602 字符型液晶显示器。一般 1602 字符型液晶显示器实物如图 1.9 所示。 图 1.9 LCD1602 实物图 （一）LCD1602 主要技术参数： 16 沈阳理工大学应用技术学院学士学位论文 显示容量为 162 个字符；芯片工作电压是 4.55.5V；工作电流为 2.0mA（5.0V） ； 模块最佳工作电压是 5.0V；字符尺寸为 2.954.35（WH）mm。 （二）引脚功能说明 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 1.6。 表 1.6 1602LCD 引脚接口说明表 编号 1 2 3 4 5 6 7 8 符号 VSS VDD VL RS R/W E D0 D1 引脚说明 电源地 电源正极 液晶显示偏压 数据/命令选择 读/写选择 使能信号 数据 数据 编号 9 10 11 12 13 14 15 16 符号 D2 D3 D4 D5 D6 D7 BLA BLK 引脚说明 数据 数据 数据 数据 数据 数据 背光源正极 背光源负极 其中 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。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。 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。 三、1602LCD 的 RAM 地址映射及标准字库