基于单片机智能电水壶控制系统设计毕业设计

教学单位教学单位 信息工程系信息工程系 学生学号学生学号 2091234141 本科毕业论文 设计 本科毕业论文 设计 题题 目目 基于单片机智能电水壶控制系统设计基于单片机智能电水壶控制系统设计 学生姓名学生姓名 张俊张俊 专业名称专业名称 电子信息工程电子信息工程 指导教师指导教师 丁么明丁么明 邬小林邬小林 II 2012 年年 12 月月 20 日日 I 基于单片机智能电水壶控制系统设计基于单片机智能电水壶控制系统设计 摘要 摘要 本课题设计介绍了本课题设计介绍了 MCS 51MCS 51 系列单片机为控制芯片 对电热水壶工作进行系列单片机为控制芯片 对电热水壶工作进行 控制的方法 通过电加热电路对水进行加热 并对水的温度进行采样 采样信控制的方法 通过电加热电路对水进行加热 并对水的温度进行采样 采样信 号通过号通过 DS18B20DS18B20 将数字量送入单片机系统 经微机处理后 结合键盘控制实现将数字量送入单片机系统 经微机处理后 结合键盘控制实现 LCD1602LCD1602 显示 并可实现对水的温度的控制和超过水温的报警系统 单片机控显示 并可实现对水的温度的控制和超过水温的报警系统 单片机控 制热水壶的硬件构成包括制热水壶的硬件构成包括 80518051 芯片 芯片 LM393LM393 芯片等组成的单片机控制电路 温芯片等组成的单片机控制电路 温 度检测电路 键盘及显示电路和温度加热电路 整个系统的关键电路是单片机度检测电路 键盘及显示电路和温度加热电路 整个系统的关键电路是单片机 控制电路 完成信号的输入和输出的转换 即可将温度检测电路采样的输入信控制电路 完成信号的输入和输出的转换 即可将温度检测电路采样的输入信 号通过温度传感器进行处理加工后输出到显示器进行显示 并可以通过控制器号通过温度传感器进行处理加工后输出到显示器进行显示 并可以通过控制器 控制温度 同时当水加热超过指定的温度以后 蜂鸣器工作报警 水温低于设控制温度 同时当水加热超过指定的温度以后 蜂鸣器工作报警 水温低于设 定的温度值时 系统又开始自行运行 另外电水壶控制系统可以防止干烧 定的温度值时 系统又开始自行运行 另外电水壶控制系统可以防止干烧 关键字关键字 单片机单片机 温度控制温度控制 控制器控制器 II Based on the SCM smart kettle control system Abstract The design of this project MCS 51 series single chip controller chip control electric kettle work Water through the heating circuit of the electrically heated and the temperature of the water is sampled sampled signal by the DS18B20 will digital quantity fed to the microcontroller system after computer processing combining the keyboard control for LCD1602 display and to achieve the control on the temperature of the water and more than the water temperature alarm system Microcontroller control Kettle hardware configuration including the 8051 LM393 chip microcontroller control circuit temperature detection circuit keyboard and display circuit and temperature heating circuit Key circuit of the entire system is the SCM control circuit and signals the completion of the conversion of the input and output the input signal can be sampled by the temperature detection circuit by the temperature sensor for processing processing output to the display to display and the temperature can be controlled by the controller exceeds the specified temperature when the water was heated at the same time the buzzer alarm and when the water temperature is below the set temperature value the system began to run on its own another Kettle control system can prevent dry 15 Key Words SCM Temperature control Controller III 目目 录录 1 1 引言 引言 1 1 2 2 热水壶控制系统相关技术总体概述 热水壶控制系统相关技术总体概述 3 3 2 12 1 单片机简述单片机简述 3 3 2 1 12 1 1 单片机的组成单片机的组成 3 3 2 1 22 1 2 单片机的特点单片机的特点 3 3 2 1 32 1 3 单片机的应用单片机的应用 4 4 2 22 2 keilkeil 软件语言简介软件语言简介 5 5 2 32 3 方案选择与相关技术方案选择与相关技术 6 6 2 3 12 3 1 系统方案的选择方案与论证系统方案的选择方案与论证 6 6 2 3 22 3 2 单片机芯片选择方案与论证单片机芯片选择方案与论证 6 6 2 3 32 3 3 显示模块的选择方案与论证显示模块的选择方案与论证 7 7 2 3 42 3 4 报警部分选择报警部分选择 7 7 2 3 52 3 5 电源电路选择方案与论证电源电路选择方案与论证 7 7 2 42 4 系统总体设计框图系统总体设计框图 8 8 3 3 电热水壶控制系统的硬件设计 电热水壶控制系统的硬件设计 9 9 3 13 1 电源转换电路电源转换电路 9 9 3 23 2 单片机最小系统单片机最小系统 9 9 3 2 13 2 1 单片机时钟电路单片机时钟电路 9 9 3 2 23 2 2 单片机的复位电路单片机的复位电路 1010 3 2 33 2 3 单片机的最小系统单片机的最小系统 1111 3 33 3 温度采集模块温度采集模块 1212 3 43 4 继电器介绍继电器介绍 1212 IV 3 53 5 键盘及显示电路键盘及显示电路 1313 3 5 13 5 1 键盘输入特点键盘输入特点 1313 3 5 2LCD16023 5 2LCD1602 显示器说明显示器说明 1414 3 63 6 加热电路和报警装置加热电路和报警装置 1515 3 6 13 6 1 加热电路加热电路 1515 3 6 23 6 2 报警装置报警装置 1616 3 73 7 整体电路设计整体电路设计 1818 4 4 单片机的软件设计 单片机的软件设计 1818 4 14 1 总的程序设计框图总的程序设计框图 1818 4 24 2 读出温度子程序读出温度子程序 1919 4 34 3 计算温度子程序计算温度子程序 2121 4 44 4 温度保持在某一设定值子程序温度保持在某一设定值子程序 2222 5 5 系统联合调试 系统联合调试 2424 5 15 1 硬件调试硬件调试 2424 5 25 2 软件调试软件调试 2424 5 35 3 整机调试整机调试 2424 6 6 结论 结论 2525 参考文献参考文献 2626 附录附录 2727 谢谢 辞辞 2828 1 1 1 引言 引言 经过几十年的发展 中国电热壶市场已经进入成熟期 前些日 在网上了经过几十年的发展 中国电热壶市场已经进入成熟期 前些日 在网上了 解到 电热水壶产量的复合增长率为解到 电热水壶产量的复合增长率为 26 36 26 36 产值的复合增长率为 产值的复合增长率为 35 00 35 00 产 产 量 出口量和内销量同步迅速增加 行业内人士预测 量 出口量和内销量同步迅速增加 行业内人士预测 20122012 年国内电热水壶预年国内电热水壶预 计销售量在计销售量在 14001400 万台左右 市场规模将达到万台左右 市场规模将达到 2020 亿元 市场迅猛的增长使电热亿元 市场迅猛的增长使电热 水壶这个本无太多看点的小家电产品开始变的很引人注目水壶这个本无太多看点的小家电产品开始变的很引人注目 2 国内智能热水壶市场中大概有比较智能化热水壶和比较不智能化热水壶两国内智能热水壶市场中大概有比较智能化热水壶和比较不智能化热水壶两 种 比较智能化热水壶一类 通过温度传感器测温 将温度信号传送到单片机种 比较智能化热水壶一类 通过温度传感器测温 将温度信号传送到单片机 中进行处理 单片机根据温度传感器送来的温度信号 做出相应命令 控制热中进行处理 单片机根据温度传感器送来的温度信号 做出相应命令 控制热 水壶的开关 功率等 并具备智能化的声光报警系统等功能 而比较不智能化水壶的开关 功率等 并具备智能化的声光报警系统等功能 而比较不智能化 的智能热水壶一类 通过利用水沸腾时会产生蒸汽这一现象 用蒸汽压力控制的智能热水壶一类 通过利用水沸腾时会产生蒸汽这一现象 用蒸汽压力控制 开关的闭合来实现智能热水壶的控制 智能化程度较低开关的闭合来实现智能热水壶的控制 智能化程度较低 1 对于常规的电热水壶 只要接通电源 就开始加热 直到水沸腾后通过蒸对于常规的电热水壶 只要接通电源 就开始加热 直到水沸腾后通过蒸 汽来产生声音报警 这种设计有下面几个方面的不足 汽来产生声音报警 这种设计有下面几个方面的不足 1 1 如水壶中没水 电源误接通时也会一直加热 容易引起事故 如水壶中没水 电源误接通时也会一直加热 容易引起事故 2 2 当只需要加热到沸点以下某一温度时 不能及时给出声音报警信号 当只需要加热到沸点以下某一温度时 不能及时给出声音报警信号 3 3 当水加热沸腾后不能自动停止工作 当水加热沸腾后不能自动停止工作 针对以上不足 在本设计方案中 用针对以上不足 在本设计方案中 用 MC 51MC 51 单片机作为控制芯片 管理整单片机作为控制芯片 管理整 个电热水壶的工作情况 构成了一个闭环控制系统 而且增加了三个按键和个电热水壶的工作情况 构成了一个闭环控制系统 而且增加了三个按键和 LCD1602LCD1602 显示 它的工作情况和常规的热水壶相比 有下面几个方面的特点 显示 它的工作情况和常规的热水壶相比 有下面几个方面的特点 1 1 有三个按键 可用来设置希望加热到的温度即报警的温度 上电复位后 有三个按键 可用来设置希望加热到的温度即报警的温度 上电复位后 设置温度初值为设置温度初值为 3030 度 每按一下度 每按一下 K2K2 按键 温度设置值就会增加按键 温度设置值就会增加 5 5 度 每按一度 每按一 下下 K3K3 按键 温度设置值就会减少按键 温度设置值就会减少 1 1 度 度 2 K1 2 K1 这个按键还具有启动电热水壶开始工作的作用 当每次电源接通后 这个按键还具有启动电热水壶开始工作的作用 当每次电源接通后 只有按键按下过之后 电热水壶才开始加热 这样 可以防止电源误接通时电只有按键按下过之后 电热水壶才开始加热 这样 可以防止电源误接通时电 热水壶一直加热 引发事故 热水壶一直加热 引发事故 3 3 当加热到设置温度时 单片机会控制停止加热 并通过蜂鸣器给出声音当加热到设置温度时 单片机会控制停止加热 并通过蜂鸣器给出声音 提示 提示 4 LCD1602 4 LCD1602 在设置温度操作时显示当前设置的温度在设置温度操作时显示当前设置的温度 13 2 目前 单片机在工业控制 智能仪表 自动化设置 通信系统 信号处理目前 单片机在工业控制 智能仪表 自动化设置 通信系统 信号处理 等领域以及家用电器 高级玩具 办公自动化设备等方面均得到广泛的应用 等领域以及家用电器 高级玩具 办公自动化设备等方面均得到广泛的应用 本文设计了一种以本文设计了一种以 MCS 51MCS 51 系列单片机为控制芯片 对电热水壶工作进行控制的系列单片机为控制芯片 对电热水壶工作进行控制的 方法 方法 单片机具有体积小 成本低 应用灵活的特点 能方便地组成各种智单片机具有体积小 成本低 应用灵活的特点 能方便地组成各种智 能化的设备和仪器 以能化的设备和仪器 以 MCS 51MCS 51 系列单片机为控制芯片制作的智能电热水壶可靠系列单片机为控制芯片制作的智能电热水壶可靠 性高 抗干扰性强 适用温度范围广 在各种恶劣的环境下都能可靠的工作 性高 抗干扰性强 适用温度范围广 在各种恶劣的环境下都能可靠的工作 实时控制功能强 能对电热水壶温度传感器采样来的数据快速做出响应及处理 实时控制功能强 能对电热水壶温度传感器采样来的数据快速做出响应及处理 将实时水温送到将实时水温送到 LEDLED 上显示并控制加热电路和报警 上显示并控制加热电路和报警 3 2 2 热水壶控制系统相关技术总体概述 热水壶控制系统相关技术总体概述 2 12 1 单片机简述单片机简述 单片机 亦称单片微电脑或单片微型计算机 它是把中央处理器单片机 亦称单片微电脑或单片微型计算机 它是把中央处理器 CPU CPU 随 随 机存取存储器机存取存储器 RAM RAM 只读存储器 只读存储器 ROM ROM 输入 输入 输出端口输出端口 I O I O 等主要计算机功等主要计算机功 能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机 这种微型计算机因其制作能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机 这种微型计算机因其制作 在一块芯片上而被称为单片机 单片机是大规模集成电路技术发展的产物 单在一块芯片上而被称为单片机 单片机是大规模集成电路技术发展的产物 单 片机具有性能高 速度快 体积小 价格低 稳定可靠 应用广泛 通用性强片机具有性能高 速度快 体积小 价格低 稳定可靠 应用广泛 通用性强 等突出优点 等突出优点 单片机的设计目标主要是增强单片机的设计目标主要是增强 控制控制 能力 满足实时控制 就是快速反能力 满足实时控制 就是快速反 应 方面的需要 因此 它在硬件结构 指令系统 应 方面的需要 因此 它在硬件结构 指令系统 I OI O 端口 功率消耗及可端口 功率消耗及可 靠性等方面均有其独特之处 其最显著的特点之一就是具有非常有效的控制功靠性等方面均有其独特之处 其最显著的特点之一就是具有非常有效的控制功 能 因此 单片机又常常被人称为微控制器能 因此 单片机又常常被人称为微控制器 2 1 12 1 1 单片机的组成单片机的组成 单片机是微型机的一个主要分支 在结构上的最大特点是把单片机是微型机的一个主要分支 在结构上的最大特点是把 CPU 存储器 存储器 定时器和多种输入定时器和多种输入 输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上 就其组输出接口电路集成在一块超大规模集成电路芯片上 就其组 成和功能而言 一块单片机芯片就是一台计算机 成和功能而言 一块单片机芯片就是一台计算机 单片机是通过内部总线把计算机的各主要部件结为一体 其内部总线地址单片机是通过内部总线把计算机的各主要部件结为一体 其内部总线地址 总线 数据总线和控制总线 其中 地址总线的作用是在进行数据交换时提供总线 数据总线和控制总线 其中 地址总线的作用是在进行数据交换时提供 地址 地址 CPU 通过它们将地址输出到存储器或通过它们将地址输出到存储器或 I O 接口 数据总线的作用是在接口 数据总线的作用是在 CPU 与存储器与存储器 I O 接口之间 或存储器与外围设备之间交换数据 控制总线包接口之间 或存储器与外围设备之间交换数据 控制总线包 括括 CPU 发出的控制信号线和外部送入发出的控制信号线和外部送入 CPU 的应答信号线等 的应答信号线等 2 1 22 1 2 单片机的特点单片机的特点 4 由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺 使其具有很多显著由于单片机的这种结构形式及它所采取的半导体工艺 使其具有很多显著 的特点 因而在各个领域都得到了迅猛的发展 单片机主要有如下特点 的特点 因而在各个领域都得到了迅猛的发展 单片机主要有如下特点 1 1 有优异的性能价格比有优异的性能价格比 2 2 集成度高 体积小 有很高的可靠性 单片机把各功能部件集成在一块集成度高 体积小 有很高的可靠性 单片机把各功能部件集成在一块 芯片上 内部采用总线结构 减少各芯片之间的连线 大大提高了单片机的可芯片上 内部采用总线结构 减少各芯片之间的连线 大大提高了单片机的可 靠性与抗干扰能力 另外 其体积小 对于强磁场环境易于采取屏蔽措施 适靠性与抗干扰能力 另外 其体积小 对于强磁场环境易于采取屏蔽措施 适 合在恶劣环境下工作 合在恶劣环境下工作 3 3 控制功能强 为了满足工业控制的要求 一般单片机的指令系统中均有控制功能强 为了满足工业控制的要求 一般单片机的指令系统中均有 极丰富的转移指令 极丰富的转移指令 I OI O 口得逻辑操作以及位处理功能 单片机的逻辑控制功口得逻辑操作以及位处理功能 单片机的逻辑控制功 能及运行速度高于同一档次的微机 能及运行速度高于同一档次的微机 4 4 低功耗 低电压 便于生产便携式产品 低功耗 低电压 便于生产便携式产品 5 5 外部总线增加了外部总线增加了 ICIC Inter IntegratedInter Integrated CircuitCircuit 及 及 SPISPI SerialSerial PeripheralPeripheral InterfaceInterface 等串行总线方式 进一步缩小了体积 简化了结构 等串行总线方式 进一步缩小了体积 简化了结构 6 6 单片机的系统扩展和系统配置交典型规范 容易构成各种规模的应用系单片机的系统扩展和系统配置交典型规范 容易构成各种规模的应用系 统 统 2 1 32 1 3 单片机的应用单片机的应用 由于单片机具有显著的优点 它已成为科技领域的有力工具 人类生活的由于单片机具有显著的优点 它已成为科技领域的有力工具 人类生活的 得力助手 它的应用遍及各个领域 主要表现在一下几个方面 得力助手 它的应用遍及各个领域 主要表现在一下几个方面 1 1 单片机在智能仪表中的应用单片机在智能仪表中的应用 单片机广泛地用于各种仪器仪表 是仪器仪表智能化 并可以提高测量的单片机广泛地用于各种仪器仪表 是仪器仪表智能化 并可以提高测量的 自动化程度 简化仪器仪表的硬件结构 提高其性能价格比 自动化程度 简化仪器仪表的硬件结构 提高其性能价格比 2 2 单片机在机电一体化中的应用单片机在机电一体化中的应用 机电一体化是机械工业发展的方向 机电一体化产品是指集成机械技术 机电一体化是机械工业发展的方向 机电一体化产品是指集成机械技术 微电子技术 计算机技术一体化 具有智能化特征的机电产品 例如微机控制微电子技术 计算机技术一体化 具有智能化特征的机电产品 例如微机控制 机床等 单片机作为产品中的控制器 能充分发挥它们的体积小 可靠性高 机床等 单片机作为产品中的控制器 能充分发挥它们的体积小 可靠性高 功能强等优点 可大大提高机械的自动化 智能化程度 功能强等优点 可大大提高机械的自动化 智能化程度 3 3 单片机在实时控制中的应用单片机在实时控制中的应用 单片机广泛地应用于各种实时控制系统中 例如 在工业测控 航空航天 单片机广泛地应用于各种实时控制系统中 例如 在工业测控 航空航天 尖端武器 机器人等各种实时控制系统中 都可以用单片机作为控制器 单片尖端武器 机器人等各种实时控制系统中 都可以用单片机作为控制器 单片 5 机的实时数据处理能力和控制能力 可使系统保持在最佳工作状态 提高系统机的实时数据处理能力和控制能力 可使系统保持在最佳工作状态 提高系统 的工作效率和产品的质量 的工作效率和产品的质量 4 4 单片机在分布式多机系统中的应用单片机在分布式多机系统中的应用 在比较复杂的系统中 常采用分布式多机系统 多机系统一般有若干台功在比较复杂的系统中 常采用分布式多机系统 多机系统一般有若干台功 能各异的单片机组成 各自完成特定的任务 它们通过串行通信相互联系 协能各异的单片机组成 各自完成特定的任务 它们通过串行通信相互联系 协 调工作 单片机在这种系统中往往作为终端机 安装在系统的某些节点上 对调工作 单片机在这种系统中往往作为终端机 安装在系统的某些节点上 对 现场信息进行实时的测量和控制 单片机的高可靠性和强干扰能力 使它可以现场信息进行实时的测量和控制 单片机的高可靠性和强干扰能力 使它可以 置于恶劣环境的前段工作 置于恶劣环境的前段工作 5 5 单片机在人类生活中的应用单片机在人类生活中的应用 自从单片机诞生以后 它就步入了人类生活 如洗衣机 电冰箱 电子玩自从单片机诞生以后 它就步入了人类生活 如洗衣机 电冰箱 电子玩 具 收录机等家用电器配上单片机后 提高了智能化程度 增加了功能 备受具 收录机等家用电器配上单片机后 提高了智能化程度 增加了功能 备受 人们喜爱 单片机使人类生活更加方便 舒适 丰富多彩 人们喜爱 单片机使人类生活更加方便 舒适 丰富多彩 由由 ATMELATMEL 公司生产的公司生产的 AT89C51AT89C51 是一种低功耗 高性能是一种低功耗 高性能 CMOS8CMOS8 位微控制器 位微控制器 具有具有 4K4K 在系统可编程在系统可编程 FlashFlash 存储器 存储器 AT89C51AT89C51 有有 4040 个引脚 个引脚 3232 个外部双向输个外部双向输 入入 输出 输出 I OI O 端口 同时内含 端口 同时内含 2 2 个外中断口 个外中断口 2 2 个个 1616 位可编程定时计数器 位可编程定时计数器 2 2 个全双工串行通信口 片上个全双工串行通信口 片上 FlashFlash 允许程序存储器在系统可编程 亦适于常允许程序存储器在系统可编程 亦适于常 规编程器 其将通用的微处理器和规编程器 其将通用的微处理器和 FlashFlash 存储器结合在一起 特别是可反复擦存储器结合在一起 特别是可反复擦 写的写的 FlashFlash 存储器可有效地降低开发成本 其芯片引脚图如图存储器可有效地降低开发成本 其芯片引脚图如图 1 1 所示 所示 6 图图 1 1 AT89C51AT89C51 引脚图引脚图 2 22 2 keilkeil 软件软件语言简介语言简介 KeilKeil C51C51 是美国是美国 KeilKeil SoftwareSoftware 公司出品的公司出品的 5151 系列兼容单片机系列兼容单片机 C C 语言软语言软 件开发系统 与汇编相比 件开发系统 与汇编相比 C C 语言在功能上 结构性 可读性 可维护性上有语言在功能上 结构性 可读性 可维护性上有 明显的优势 因而易学易用 明显的优势 因而易学易用 KeilKeil C51C51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集软件提供丰富的库函数和功能强大的集 成开发调试工具 全成开发调试工具 全 WindowsWindows 界面 另外重要的一点 只要看一下编译后生成界面 另外重要的一点 只要看一下编译后生成 的汇编代码 就能体会到的汇编代码 就能体会到 KeilKeil C51C51 生成的目标代码效率非常之高 多数语句生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 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 下面详细介绍下面详细介绍 KeilKeil C51C51 开发系统各部分功能和使用 开发系统各部分功能和使用 KeilKeil C51C51 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 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 容易理解 在开发大型软件时更能体现高级语言的优势 2 32 3 方案选择与相关技术方案选择与相关技术 2 3 12 3 1 系统方案的选择方案与论证系统方案的选择方案与论证 方案一方案一 集成电路构成方案 特点是对整机逻辑结构了解的全面透彻 但电集成电路构成方案 特点是对整机逻辑结构了解的全面透彻 但电 路结构比较复杂 元器件比较多 装配用时长且成本高 调试难 故障率高 路结构比较复杂 元器件比较多 装配用时长且成本高 调试难 故障率高 7 方案二方案二 可编程可编程 FPGA CPLDFPGA CPLD 方案 目前的发展方向有广阔的应用前景 它的方案 目前的发展方向有广阔的应用前景 它的 功能强大 功能部件集成在芯片内部 自动产生时钟等相关功能 这种方案硬功能强大 功能部件集成在芯片内部 自动产生时钟等相关功能 这种方案硬 件成本相对较高 但软件编程简单 通常用在对时间精度要求较高的场合 件成本相对较高 但软件编程简单 通常用在对时间精度要求较高的场合 方案三方案三 单片机编程 用单片机设计电路 由于使用软硬结合的方式 所以单片机编程 用单片机设计电路 由于使用软硬结合的方式 所以 电路结构简单 调试电路结构简单 调试 C C 也比较方便 系统的功能一般与软件设计相关 采用软也比较方便 系统的功能一般与软件设计相关 采用软 件编程实现电子秤称量 通常用在对时间精度要求不高的场合 件编程实现电子秤称量 通常用在对时间精度要求不高的场合 综上所述 我选择第三种方案进行设计 因为单片机从根本上改变了传统综上所述 我选择第三种方案进行设计 因为单片机从根本上改变了传统 的控制系统设计思想和设计方法 单片机代替了模拟电路或数字电路实现的大的控制系统设计思想和设计方法 单片机代替了模拟电路或数字电路实现的大 部分功能 现在已能通过软件方法来实现 使用软硬结合的方式 更好的实现部分功能 现在已能通过软件方法来实现 使用软硬结合的方式 更好的实现 数字中的设计 数字中的设计 2 3 22 3 2 单片机芯片选择方案与论证单片机芯片选择方案与论证 本设计使用单片机作为系统的主控制器 而且以单片机为主控制器的设计 本设计使用单片机作为系统的主控制器 而且以单片机为主控制器的设计 可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起 组成新型的只需要改变可以容易地将计算机技术和测量控制技术结合在一起 组成新型的只需要改变 软件程序就可以更新换代的软件程序就可以更新换代的 智能化测量控制系统 这种新型的智能仪表在测智能化测量控制系统 这种新型的智能仪表在测 量过程自动化 测量结果的数据处理以及功能的多样化方面 都取得了巨大的量过程自动化 测量结果的数据处理以及功能的多样化方面 都取得了巨大的 进展 进展 再则由于系统没有其它高标准的要求 又考虑到本设计中程序部分比较大 再则由于系统没有其它高标准的要求 又考虑到本设计中程序部分比较大 根据总体方案设计的分析 设计这样一个简单的的系统 可以选用带根据总体方案设计的分析 设计这样一个简单的的系统 可以选用带 EPROMEPROM 的的 单片机 由于应用程序不大 应用程序直接存储在片内 不用在外部扩展存储单片机 由于应用程序不大 应用程序直接存储在片内 不用在外部扩展存储 器 这样电路也可简化 在这里选用器 这样电路也可简化 在这里选用 ATMENLATMENL 生产的生产的 AT89CXXAT89CXX 系列单片机 系列单片机 AT89CXXAT89CXX 系列与系列与 MCS 51MCS 51 相比有两大优势 第一 片内存储器采用闪速存储器 相比有两大优势 第一 片内存储器采用闪速存储器 使程序写入更加方便 第二 提供了更小尺寸的芯片 使整个硬件电路体积更使程序写入更加方便 第二 提供了更小尺寸的芯片 使整个硬件电路体积更 小 此外价格低廉 性能比较稳定的小 此外价格低廉 性能比较稳定的 MCPUMCPU 具有 具有 4K 8ROM4K 8ROM 256 8RAM256 8RAM 2 2 个个 1616 位定时计数器 位定时计数器 4 4 个个 8 8 位位 I OI O 接口 这些配置能够很好地实现本仪器的测量接口 这些配置能够很好地实现本仪器的测量 和控制要求 和控制要求 最后选择了最后选择了 AT89C51AT89C51 这个比较常用的单片机来实现系统的功能要求 这个比较常用的单片机来实现系统的功能要求 AT89C51AT89C51 内部带有内部带有 4KB4KB 的程序存储器 基本上已经能够满足需要 的程序存储器 基本上已经能够满足需要 2 3 32 3 3 显示模块的选择方案与论证显示模块的选择方案与论证 数据显示是电水壶的一项重要功能 是人机交换的主要组成部分 它可以数据显示是电水壶的一项重要功能 是人机交换的主要组成部分 它可以 8 将测量电路测得的数据经过微处理器处理后直观的显示出来 数据显示部分可将测量电路测得的数据经过微处理器处理后直观的显示出来 数据显示部分可 以有以下两种方案供选择的组成有以下两种方案可供选择 以有以下两种方案供选择的组成有以下两种方案可供选择 方案一方案一 LEDLED 数码管显示 数码管显示 方案二方案二 LCDLCD 液晶显示 液晶显示 LCDLCD 液晶显示器是一种极低功耗显示器 从电子表到计算器 从袖珍时仪液晶显示器是一种极低功耗显示器 从电子表到计算器 从袖珍时仪 表到便携式微型计算机以及一些文字处理机都广泛利用了液晶显示器 因此最表到便携式微型计算机以及一些文字处理机都广泛利用了液晶显示器 因此最 终选用了终选用了 LCDLCD 液晶显示液晶显示 7 2 3 42 3 4 报警部分选择报警部分选择 智能电水壶一般都具有报警和通讯功能 报警主要用于系统运行出错 当智能电水壶一般都具有报警和通讯功能 报警主要用于系统运行出错 当 实时温度达到预设定值为提醒用户而设置 在本系统中 设置报警的目的就是实时温度达到预设定值为提醒用户而设置 在本系统中 设置报警的目的就是 在实时温度达到预设定值时 发出声报警信号 提示用户 防止损坏器具 在实时温度达到预设定值时 发出声报警信号 提示用户 防止损坏器具 报警电路是由单片机的报警电路是由单片机的 I OI O 口来控制的 当测量的温度超过系统设计所设口来控制的 当测量的温度超过系统设计所设 定的数值时 通过程序使单片机的定的数值时 通过程序使单片机的 I OI O 值 从而三极管导通 使蜂鸣器值 从而三极管导通 使蜂鸣器 SPEAKERSPEAKER 发出报警声 发出报警声 2 3 52 3 5 电源电路选择方案与论证电源电路选择方案与论证 1 1 电源分析电源分析 电源是提供电压的装置 把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源 电电源是提供电压的装置 把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源 电 源是向电子设备提供功率的装置 也称电源供应器 它提供计算机中所有部件源是向电子设备提供功率的装置 也称电源供应器 它提供计算机中所有部件 所需要的电能 电源功率的大小 电流和电压是否稳定 将直接影响电子系统所需要的电能 电源功率的大小 电流和电压是否稳定 将直接影响电子系统 的工作性能和使用寿命 有条件的可以使用电源模块来为系统供电 一般电路的工作性能和使用寿命 有条件的可以使用电源模块来为系统供电 一般电路 的设计电源分为两种 系统自带电源电路 能够从市电中提取电源供设备使用 的设计电源分为两种 系统自带电源电路 能够从市电中提取电源供设备使用 另一种是通过外部电路提供电源 该电路适用于不太常使用或需要与其他电路另一种是通过外部电路提供电源 该电路适用于不太常使用或需要与其他电路 配合使用的电路中 配合使用的电路中 2 2 电源电路选择 电源电路选择 方案一 采用线性电源电路 该电路设计简单 工作稳定 制作成本低 方案一 采用线性电源电路 该电路设计简单 工作稳定 制作成本低 制作方便但功耗大 体积笨重 有一定的发热量 并切效率较低一般低于制作方便但功耗大 体积笨重 有一定的发热量 并切效率较低一般低于 60 60 方案二 采用开关电源电路 此类电路工作在高频状态 无需体积笨重的方案二 采用开关电源电路 此类电路工作在高频状态 无需体积笨重的 工频变压器 但该电路制作成本高 需要使用专用的高频变压器 此类变压器工频变压器 但该电路制作成本高 需要使用专用的高频变压器 此类变压器 9 需要专门制作 才能完成需要的功能 电源工作效率高 转换率可以达到需要专门制作 才能完成需要的功能 电源工作效率高 转换率可以达到 80 80 以上 此类电源一般工作在需要大功率的工作场合 以上 此类电源一般工作在需要大功率的工作场合 根据本电路的设计目的 需要的供电功率并不大但稳定的电源 而本设计根据本电路的设计目的 需要的供电功率并不大但稳定的电源 而本设计 的主要目的是制作智能电水壶系统 没有必要在这里花费太多的精力 因此电的主要目的是制作智能电水壶系统 没有必要在这里花费太多的精力 因此电 路采用线性电源进行供电路采用线性电源进行供电 5 2 2 4 4 系统总体设计框图系统总体设计框图 单片机控制热水壶的硬件构成包括单片机控制热水壶的硬件构成包括 80518051 芯片 地址锁存器等组成的单片机芯片 地址锁存器等组成的单片机 控制电路 温度检测电路 键盘及显示电路和温度加热电路 整个系统的关键控制电路 温度检测电路 键盘及显示电路和温度加热电路 整个系统的关键 电路是单片机控制电路 是整个控制的核心 完成信号的输入和输出的转换 电路是单片机控制电路 是整个控制的核心 完成信号的输入和输出的转换 即可将温度检测电路采样的输入的信号输出到显示器进行显示 并可以通过键即可将温度检测电路采样的输入的信号输出到显示器进行显示 并可以通过键 盘对温度进行控制 与此同时当水加热超过指定的温度以后 蜂鸣器工作报警盘对温度进行控制 与此同时当水加热超过指定的温度以后 蜂鸣器工作报警 4 硬件设计的总电路连接框图如图硬件设计的总电路连接框图如图 2 2 图图 2 2 件设计的总电路连接框图件设计的总电路连接框图 3 3 电热水壶控制系统的硬件设计 电热水壶控制系统的硬件设计 通过通过 2 42 4 节对电热水壶控制系统框图的总体设计分析 可以把硬件电路分节对电热水壶控制系统框图的总体设计分析 可以把硬件电路分 单片机 AT89C51 报警电路 键盘和显示电路加热电路 温度检测电路 10 成六个子模块 即给芯片供电的成六个子模块 即给芯片供电的 5V 5V 的电源转换电路 单片机最小系统 温度的电源转换电路 单片机最小系统 温度 检测电路 继电器 键盘显示电路以及加热和报警电路 检测电路 继电器 键盘显示电路以及加热和报警电路 3 13 1 电源转换电路电源转换电路 Vin 1 GND 2 5V 3 U12 MC7805T C3 0 1uf C7 0 1uf C2 0 1uf C5 0 1uf T1 TRANS1 D4 D1D2 D5 VCC 1 2 J1 CON2 C4 3300uf C6 3300uf 图图 3 3 源转换电路源转换电路 T1T1 为电为源变压器 它将交流电网电压为电为源变压器 它将交流电网电压 220V220V 变成整流电路要求的交流电变成整流电路要求的交流电 压 电压经过四个二极管两两导通整流滤波后 再经过三端稳压芯片压 电压经过四个二极管两两导通整流滤波后 再经过三端稳压芯片 78057805 就可就可 以将原来交流以将原来交流 220V220V 的电压转换成直流电压为的电压转换成直流电压为 5V 5V 即可以得到报警电路和温度 即可以得到报警电路和温度 检测电路所需要的电压值检测电路所需要的电压值 14 3 23 2 单片机最小系统单片机最小系统 3 2 13 2 1 单片机时钟电路单片机时钟电路 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器 引脚单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器 引脚 X1X1 和和 X2X2 分分 别是此放大器的输入和输出端 在别是此放大器的输入和输出端 在 X1X1 和和 X2X2 两端跨接晶体就构成了稳定的自激两端跨接晶体就构成了稳定的自激 振荡器 其发出的脉冲直接送入内部的时钟电路 振荡器 其发出的脉冲直接送入内部的时钟电路 X1X1 和和 X2X2 两端将晶振 电容两端将晶振 电容 C1C1 和和 C2C2 与内部的反相放大器连接起来组成并与内部的反相放大器连接起来组成并 联谐振电路 图中联谐振电路 图中 C1C1 C2C2 为为 22PF22PF 对频率有微调作用 振荡频率范围在 对频率有微调作用 振荡频率范围在 2 12MHZ2 12MHZ 此设计单片机时钟电路如图此设计单片机时钟电路如图 4 4 示示 11 图图 4 4 单片机的时钟电路单片机的时钟电路 3 2 23 2 2 单片机的复位电路单片机的复位电路 系统开始运行和重新启动靠复位电路来实现 复位使系统开始运行和重新启动靠复位电路来实现 复位使 CPUCPU 和其它部件处于和其它部件处于 一个确定的初始状态 从这个状态开始工作 一个确定的初始状态 从这个状态开始工作 此设计单片机的复位电路如图此设计单片机的复位电路如图 5 5 示示 图图 5 5 单片机的复位电路单片机的复位电路 12 在单片机运行期间 利用按键也可以完成复位操作 单片机复位操作使单在单片机运行期间 利用按键也可以完成复位操作 单片机复位操作使单 片机进入初始化状态 复位后 程序计数器片机进入初始化状态 复位后 程序计数器 PC 0000HPC 0000H 因此 程序从 因此 程序从 0000H0000H 地地 址单元开始执行 运行中的复位操作不会改变片内址单元开始执行 运行中的复位操作不会改变片内 RAMRAM 的内容 复位是靠外部的内容 复位是靠外部 电路实现的 电路实现的 3 2 33 2 3 单片机的最小系统单片机的最小系统 所谓最小系统 是指一个真正可用的单片机最小配置系统所谓最小系统 是指一个真正可用的单片机最小配置系统 其作用主要是为其作用主要是为 了保证单片机系统能正常工作 对于单片机内部资源已能满足系统需要的 可了保证单片机系统能正常工作 对于单片机内部资源已能满足系统需要的 可 直接采用最小系统 直接采用最小系统 5151 型片内有型片内有 4K4K 的的 ROM EPROMROM EPROM 因此 只需要外接晶体振荡 因此 只需要外接晶体振荡 器和复位电路就可构成最小系统 器和复位电路就可构成最小系统 本设计的单片机最小系统如图本设计的单片机最小系统如图 6 6 示 示 图图 6 6 单片机最小系统单片机最小系统 在外部振荡电路中 单片机的在外部振荡电路中 单片机的 X1X1 和和 X2X2 管脚分别接至由管脚分别接至由 11 0596MHZ11 0596MHZ 晶振和晶振和 两个两个 22PF22PF 电容构成的振荡电路两侧 为电路提供正常的时钟脉冲 在复位电路电容构成的振荡电路两侧 为电路提供正常的时钟脉冲 在复位电路 中 单片机中 单片机 RESETRESET 管脚一方面经管脚一方面经 10uF10uF 的电容接至电源正极 实现上电自动复位 的电容接至电源正极 实现上电自动复位 另一方面经开关另一方面经开关 S S 接电源 其主要功能是把接电源 其主要功能是把 PCPC 初始化为初始化为 0000H0000H 是单片机从 是单片机从 0000H0000H 单元开始执行程序 除了进入系统的初始化之外 当由于程序出错或者单元开始执行程序 除了进入系统的初始化之外 当由于程序出错或者 操作错误使系统处于死锁状态时 为了摆脱困境 也需要按复位键重新启动 操作错误使系统处于死锁状态时 为了摆脱困境 也需要按复位键重新启动 13 因此 复位电路是单片机系统中不可缺少的一部分因此 复位电路是单片机系统中不可缺少的一部分 10 3 33 3 温度采集模块温度采集模块 温度由温度由 DALLASDALLAS 公司生产的数字温度传感器公司生产的数字温度传感器 DS18B20DS18B20 采集 采集 DS18B20DS18B20 测温测温 范围为范围为 55 55 125 125 测温分辨率可达 测温分辨率可达 0 0625 0 0625 被测温度用符号扩展的 被测温度用符号扩展的 1616 位补码形式串行输出 位补码形式串行输出 CPUCPU 只需一根端口线就能与诸多只需一根端口线就能与诸多 DS18B20DS18B20 通信 占用微通信 占用微 处理器的端口较少 可节省大量的引线和逻辑电路 处理器的端口较少 可节省大量的引线和逻辑电路 DS18B20DS18B20 内部有一个内部有一个 9 9 字节的高速存储器用于存储温度值 其中前两个字字节的高速存储器用于存储温度值 其中前两个字 节是测得的温度数据节是测得的温度数据 第第 1 1 字节的内容是温度的低八位 第字节的内容是温度的低八位 第 2 2 字节是温度的字节是温度的 高八位 第高八位 第 3 3 和第和第 4 4 字节是温度上限字节是温度上限 THTH 与温度下限与温度下限 TLTL 的易失性拷贝 第的易失性拷贝 第 5 5 字字 节是结构寄存器的易失性拷贝 这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新 节是结构寄存器的易失性拷贝 这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新 第第 6 6 7 7 8 8 这三个字节用于内部计算 第这三个字节用于内部计算 第 9 9 个字节是冗余检验字节 可用来保个字节是冗余检验字节 可用来保 证通信的正确性 当温度转换命令发出后 经转换所得的温度值以二字节补码证通信的正确性 当温度转换命令发出后 经转换所得的温度值以二字节补码 形式存放在此存储器的第形式存放在此存储器的第 1 1 和第和第 2 2 个字节 单片机可通过单线接口读到该数据 个字节 单片机可通过单线接口读到该数据 读取时低位在前 高位在后 其中高读取时低位在前 高位在后 其中高 5 5 位是符号位 中间位是符号位 中间 7 7 位是整数位 最低位是整数位 最低 4 4 位是小数位 位是小数位 DS18B20DS18B20 最大的特点是单总线数据传输方式 因此对读写的数据位有着严最大的特点是单总线数据传输方式 因此对读写的数据位有着严 格的时序要求 时