温度及水位控制系统的设计与制作

毕业设计毕业设计 论文论文 题 目 温度及水位控制系统的设计与制作 学生姓名学生姓名周丽娜周丽娜 学学 号号 9 专业班级专业班级电子电子 1201 二级学院二级学院信息工程学院信息工程学院 指导教师 职称 指导教师 职称 郑丽君 郑丽君 2016 年 6 月 诚信承诺书 本人谨此承诺 本人所写毕业设计 论文 均由本人独立 撰写 无任何抄袭行为 凡涉及他人的观点材料 均作了注释 如出现抄袭或侵犯他人知识产权的情况 愿承担由此引起的任 何责任 并接受相应的处分 学生签名 年 月 日 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 中文摘要 I 温度及水位控制系统的设计与制作 摘要 本文主要结合当前温度及水位检测系统的研究现状 选用了宏晶公司生 产的 STC89C51 单片机作为主控基础 并配合 DS18B20 温度传感器 LCD1602 液 晶屏等模块设计了一款单片机控制系统 在硬件上 以 C51 单片机 复位电路以及 时钟电路组成单片机最小系统 选择 DS18B20 传感器作为水温采集模块 并辅之以 其他电路模块 实现了本系统的硬件系统 在软件上 使用 C 语言描述软件系统 并通过 Altium Designer 绘制电路原理图 Visio 绘制软件流程图的方式来描述本系统 的设计过程 经过多次测试 本系统达到了预期的设计目标 并表现出了良好的性 能 关键词 STC89C51 单片机 水位检测 DS18B20 温度传感器 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 中文摘要 II 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 英文摘 要 III Abstract In this paper combined with the research status of the temperature and water level detection system selection of the macro crystal produced the STC89C51 MCU as the main control foundation and with DS18B20 temperature sensor LCD1602 LCD module design of a microcomputer control system In hardware with C51 monolithic integrated circuit reset circuit and clock circuit composed of MCU minimum system choose DS18B20 as the temperature acquisition module and complemented by other circuit module this system The hardware system is realized In the software use the C language to describe the software system and through the Altium Designer drawing circuit principle diagram and Visio drawing software flow graph to describe the design process of this system After repeated testing the system achieved the desired design goals and shows good performance Key Words STC89C51 Water Level Detection DS18B20 Temperature Sensor 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 IV 目 录 1 绪 论 1 1 1 温度水位控制系统发展背景 1 1 2 水温控制技术的国内外发展现状 2 1 3 本文主要内容 2 2 方案选择及元器件介绍 3 2 1 主控单片机的对比与选择 3 2 2 STC89C51 单片机芯片 4 2 3 DS18B20 温度传感器概述 4 2 4 LCD1602 液晶屏介绍 5 3 硬件系统设计 7 3 1 系统总体设计 7 3 2 STC89C51 单片机最小系统 7 3 2 1 复位电路 7 3 2 2 晶振电路 8 3 3 DS18B20 电路设计 8 3 4 LCD1602 液晶屏电路设计 9 3 5 水位检测电路设计 9 3 6 继电器及其驱动电路设计 10 4 软件系统设计 12 4 1 主程序流程设计 12 4 2 DS18B20 温度转换流程设计 13 4 3 LCD1602 液晶屏工作流程图设计 14 4 3 1 写数据流程图 14 4 3 2 写指令流程图 15 4 4 加热模块工作流程设计 15 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 V 结 论 17 参考文献 18 附 录 A 19 附 录 B 20 附 录 C 22 附 录 D 23 致 谢 33 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 VI 图目录 图 2 1 STC89C51 单片机 4 图 2 2 DS18B20 温度传感器 5 图 2 3 LCD1602 液晶屏 6 图 3 1 硬件框图 7 图 3 2 复位电路 8 图 3 3 晶振电路 8 图 3 4 DS18B20 电路设计 9 图 3 5 LCD1602 液晶屏电路 9 图 3 6 水位测量模块 10 图 3 7 继电器及其驱动电路 11 图 4 1 主程序流程图 13 图 4 2 DS18B20 工作流程设计 14 图 4 3 写数据流程图 14 图 4 4 写指令流程图 15 图 4 5 加热模块工作流程设计 16 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 VII 图 5 1 实物图 17 图 5 1 实物图 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 2 1 绪 论 1 1 温度及水位控制系统发展背景 温度参数是多种行业都需要检测的一个重要参数 是生活和生产上最最基本的 物理量 几乎工业上的大小环节都离不开对温度的准确控制 它是决定产品质量的 决定性因素 比如在烟草生产企业 温度在烘烤车间是决定烟叶色泽和质量的首要 保障 而在冶金行业 温度是决定化学反应效率的重要条件 因此在历史上产生了 多种监控温度的方法 如学习算法 模糊算法以及 PID 算法等 它们在不同的应用 场合都能发挥出很灵活的控制性能 在工业上 监控温度的控制器主要使用微处理 器 如单片机 PLC 或者 DSP 等 随着单片机技术的飞速发展 目前 32 位单片机 如 SST 公司的 STM32 已经在微处理器界大行其道 它优异的性能能够使得过去 的传统控制系统大幅提高 因此对于温度参数的控制 各行各业也提出了更高的要 求 不但要求温度稳定 抑制干扰以及快速到达设定温度等 这些要求的实现对于 性能优越的微处理器是非常容易的 纵观目前水温监控系统市场现状 可以发现已经相当成熟 但是许多系统的功 能还都停留在近距离控制 随着以太网技术 红外遥控技术 RFID 射频通信 系 统 GSM 技术以及蓝牙技术的发展并且低成本化 将这些数据进行远程传输已经变 得可能 这样将远程数据传送技术和温度控制技术结合在一起 就衍生出了一种性 能更加完善的水温监控系统 它能使得温度控制变得远程化 只要坐在电脑边 持 手机或者拿着遥控就能实现对水温的灵活监控 这将车间人员解放出来 同时也能 够降低高温对人员的伤害 所谓水位控制系统指的是能够通过传感器的液位采集作用而实现也为自动控制 的电子控制系统 通常情况下这种系统由微处理器 液位传感器 水泵 排水装置 终端按键 显示器以及报警器等部分组成 在这种系统的作用下 工业生产或者家 居生活能够实现在无人管理情况下的自动运行 节省大量的人力物力 大幅度提高 企业生产效率 传统的液位控制已经延续了数百年 在古代的一些作坊或者小型加 工厂中能够常常看到通过人工的方式实现生产加工中的液位管理 添加水通过水桶 加注 换水也是通过人工操作 这就是最为原始的液位管控制系统 几百年后随着 工业技术的发展 自来水进入了千家万户方便了人们的日常生活 在工业活动中对 于液位控制作业也享受到了自来水管道的便利 因为工人们再也不用提着水桶去完 成加水放水的劳累体力活了 只需要在现场看紧也为高度 管理好自来水龙头的开 关 防止水溢出来 再到后来出现了现代化工业生产 此时电子技术以及微处理器 技术广泛发展 涌现除了一大批用于辅助工业活动的电子控制系统 在水塔水位控 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 3 制系统中 最为著名的就是采用 PLC 作为主控核心的也为管理系统 由于采用了 PLC 作为控制器 因此基本实现液位高低的自动管理 基本无需人为干预 通过液 位传感器来实现水箱中液位的采集 将采集到的信息传送到 PLC 进行处理 接着 PLC 根据也为情况来相应的启闭水泵或者排水阀的工作 以此来达到液位的自动化 管理 这种 PLC 系统用在干扰情况较为严重的工控场合能够表现出非常高的稳定度 内部程序在运行过程中基本不会出现运行错误等情况 因此成本也非常高 近几年 来的单片机技术日益完善 单片机控制系统逐渐渗透到工业领域的各个角落 单片 机的稳定性跟过去相比已经取得了质的飞跃 在水位控制系统方面 目前市面上已 经出现了多种类型的以单片机作为主控核心的自动控制系统 这些产品主要分为超 声波探测式 电磁波探测式 激光探测式以及机械浮子式几类 根据液位探测的精 度以及准确度区分 激光探测式性能最佳 而已使用广泛度以及成本来看 机械浮 子式数第一 由于单片机的成本远低于 PLC 系统 并且目前单片机的性能和稳定度 在不断提升 已经有和 PLC 持平的趋势 因此如果采用单片机作为也为控制系统的 主控器 那么将大幅度降低其生产成本 1 2 水温控制技术的国内外发展现状 远程水温监控技术目前正朝着网络化 更远距离化的方向发展 在网络化方面 很多研究者正在不断地将以太网模块 互联网总线植入到水温监控系统内 有了以 太网模块 多个水温监控系统就可以组成一个小网络 多个小网络就可以组成一个 大网络 从而进行集中管理 监视和维护 麻省理工大学的一个研究小组开发了一 款能够手机对水温进行监控的系统 它的智能之处在于这个系统不但在手机上设计 了水温的监控界面 同时能够将多项参数 如温度 湿度以及气压等 通过 GPRS 模块发送给手机持有者 这样企业人员在给自己的手机上下载这个系统后 就能够 在办公室内轻松的检测车间的水温情况 省去了现场监管的麻烦 而国内的研究者 也在这方面取得了很大的成果 他们将以太网植入了水温控制系统中 通过网络数 据实现了对水温的灵活监控 1 3 本文主要内容 本文以基于单片机的温度及水位控制系统为研究目标 设计了一款能够实现温 度和水位自动测量的电子控制系统 在文章第一章 主要对系统的发展背景和国内 外发展现状进行了描述 第二章对系统的设计方案以及元器件进行了选择和介绍 文章的第三章对硬件系统进行了设计 第四章主要对软件系统进行了设计 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 4 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 3 2 方案选择及元器件介绍 2 1 主控单片机的对比与选择 方案一 选择 8 位的 51 内核单片机作为主控核心 由于 51 单片机进入中国学 生的视野比较早 它通常作为高校里单片机课程的主要教学题材 因此具有广泛可 使用的资料和现成例程 其库函数目前也比较丰富 因此在使用时比较容易上手 尤其是对刚开始迈进单片机大门的学生来说 目前使用最广泛的 AT89C51 和 STC89C51 同是采用经典 51 内核的 8 位单片机 这两者的区别是 AT89C51 是单片 机巨头 ATMEL 公司研发的 STC89C51 是国内的宏晶公司推出的 两者相互兼容 另外最基本的 C51 单片机采用串口下载程序 不需要昂贵的仿真器 因此成本非常 低 但是其缺点也非常明显 由于 C51 单片机比较基础 因此其内部资源非常贫乏 只集成了 UART 定时器等模块 中断资源比较少 只有 P3 2 和 P3 3 两个管脚能够 进入管脚中断 其他管脚无中断能力 因此在开发大型的复杂项目时将显得非常逊 色 如果需要使用 AD 转换或者 DA 转换等功能时 需要在片外扩展相关芯片 因 此电路形式将显得复杂 方案二 选择美国德州仪器 TI 公司研发的 MSP430 系列单片机作为主控核 心 这种单片机进入市场的最大优势是其低功耗性能 该公司曾用一个新鲜柠檬的 汁液进行处理来给 430 单片机供电 以此来展示其低功耗的优势 430 单片机采用 了 RISC 精简指令系统 另外 430 是一种 16 位单片机 该系列单片机的高端型号的 主频能够达到 40M 处理速度相对于经典的 8 位单片机来说非常快 430 单片机中 大多数芯片具有 JTAG 口 这使得用户能够通过专用的仿真器来设置断点来分析程 序的运行现象 方便查看相关的寄存器值 给程序调试带来了极大的方便 为项目 的成功带来了极大的保障 然而这种仿真器的成本相对昂贵 给学生实验带来诸多 不便 在优势方面 430 单片机的内部资源相对丰富 大多数型号都集成了 AD DA 硬件 IIC 定时器以及 UART 等资源 在使用时配置比较方便 然而其 缺点也非常明显 由于低功耗的 430 单片机主要应用在一些手持设备上 用户主要 是一些手持仪器研发公司 因此对于 430 单片机的开发资料学生不能方便触及到 给学生学习带来诸多不利 综上所述各种常用单片机的优缺点 考虑到自身的学习经历以及知识掌握度 对于 51 单片机非常熟悉 虽然上文说到其内部没有集成 AD 转换或者硬件 IIC 等模 块 但是在片外扩展这些模块也非常容易 网上相关的程序和资料相当的多 并不 会给设计过程带来极大的阻碍 考虑到成本方面 上述所说的几种单片机就成本来 说只有 51 单片机的价格最低 并且非常容易买到 这给设计的成功性带来了极大的 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 4 保障 因此本系统选用 51 单片机作为主控核心 到底什么是单片机呢 相信很多学过单片机学生或者专业人士也很难对它下一 个很清晰的定义 其实所谓单片机就是单片微型机的简称 在结构上主要是将 CPU 各种存储器 定时器以及功能强大的输入输出结构或者现场总线等部分都被 集成在同一个小型的硅片中的芯片 很多电子类专业的学生在接触学习单片机之前 通常会因为 单片机 三个字就望文生义以为它是一种很庞大的机械设备 其实不 然 它只是一种一元硬币大小的芯片而已 早期由于集成电路技术还不发达 面积 比现在的芯片大得多 实现单片机技术离不开集成电路技术的成熟 因为集成电路 越成熟 单片机的体积就会越小并且成本就会越低 这是因为集成硅片的成本和其 面积成正比 单片机在国外被称为 Single Chip Microcomputer 简称 SCM 然而这只是它最 早期的英文名称 随着它的不断发展和人们对它的不断认识 因此它被改名为 MCU 即 Microcontroller Unit 从最初的最基本最简单的单片机诞生开始一直到目前的功能强大处理性能猛增 的 32 位单片机 其中经历了 1 位到 4 位 8 位以及 16 位等发展过程 这里所说的 几位几位单片机是指它的总线宽度 也就是它能够并行处理多少位数据 例如我们 平常经常使用到的 51 单片机 它就是一种 8 位单片机 而目前较为流行的基于 ARM 内核的 STM32 单片机就是一种 32 位单片机 它能够同时并行处理 32 位数据 这是它能够海量处理数据的根本原因 在单片机的实用范围上 可以将所有的单片机分成两类 即专用型单片机和通 用型单片机 所谓通用型是指用户可以通过自己编程和修改等来完成单片机应用系 统的构建 这种类型的单片机对用户开放较多的 GPIO 口管脚 内部通常集成了很 多外围模块 如 AD 模数转换器模块 DA 数模转换器模块以及 UART 串口模块等 而专用型单片机是指在生产这种单片机前 用户就已经指定好该单片机的具体规格 如 IO 口的数量 管脚排列 定时器数量等 这都是为了专门的设计而生产的 因此 通常在别处不可使用 另外可以根据单片机是否向外提供并行总线来将所有的单片机分成总线型和非 总线型单片机 所谓总线型是指单片机对用户提供数据总线和地址总线 并引出相 应的控制管脚 比如常用的 51 单片机它就属于一种总线型单片机 而非总线单片机 和总线型正相反 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 4 2 2 STC89C51 单片机芯片 本课题选用了宏晶公司推出的 STC89C51 单片机作为主控芯片 这款芯片是一 款内置经典 MCS 51 内核的单片机 内部集成的 CPU 与市面上流行的 AT89C51 单 片机同出一辙 STC89C51 单片机为 FLASH 型器件 它支持高达一万次的可重复性 烧写 具有 4k 字节的程序容量 在 RAM 方面 STC89C51 能够实现 256 字节的内 存性能 在一些小型系统中 这种配置已经足够使用 而在一些大型系统中 用户 需要自己在片外扩展存储器 下图 2 1 为 STC89C51 单片机的芯片图 图 2 1 STC89C51 单片机 宏晶公司在 STC89C51 单片机片内集成了一个高性能的 UART 串口 其数据收 发管脚 TXD 和 RXD 被分别映射到 P3 0 和 P3 1 两个 IO 管脚 两个高达 16 位的计 数器 具有定时和计数两种工作模式 两个外部中断管脚 EX0 和 EX1 被分别映射 到 P3 2 和 P3 3 两个 IO 管脚 2 3 DS18B20 温度传感器概述 本系统的测温单元采用的是当前市场上非常畅销一种温度采集传感器 它的体 积非常的小因此能够适应很多场合的应用 比如说管装待测物体 这样 DS18B20 就 能够很轻易的被安置到物体内部 DS18B20 的多种封装中都是只有三个管脚 一个 电源管脚和一个接地管脚 另外剩下一个就是单线串行数据线 无论是单片机发送 的时钟信号还有数据信号或是 DS18B20 发送给单片机的时钟信号还有数据信号 都 是通过这条串行总线传送 这样就使得系统的硬件开销非常小 只占用到单片机的 一个 IO 管脚 由于信号的输送距离很短所以它的抗干扰能力非常的强 使得 DS18B20 的测温性能精度非常高 DS18B20 的典型特点就是驱动方便硬件消耗只有一个 IO 口 这全得益于美国 DALLS 公司研发的这种单线总线接线方式 为了适应不同应用场合的不同环境情况 DS18B20 被开发出多种封装形式 比如 LTM8877 和 LTM8874 以及使用最多的 SOT 23 封装形式 使得 DS18B20 看起来像是一个普通的小型三极管 如此多的封 装使得 DS18B20 能够在汽车测温 电缆测温 水温测温以及机房测温等多种需要测 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 5 温的环境中得到试用 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 5 DS18B20 温度传感器是 DS1820 的一个改进品 由于很多用户在使用 DS1820 时常常抱怨其转换温度长达 2s 之多 很难达到实时的测温效果 因此 DALLS 公司 改革升级了 DS1820 推出了这款一上市就取得广泛市场占有量的 DS18B20 温度传 感器 DS18B20 的转换精度可以由软件配置 由 9 10 11 以及 12 四种转换精度 可以选择 四种转换精度下的转换时间各不相同 在配置为 9 位时 温度分辨率为 0 5 摄氏度 转换时间 93 75 毫秒 而在配置为 12 位后 温度分辨率为 0 0625 摄氏 度 转换时间为 750 毫秒 因此可以看出转换精度和转换时间是不可兼得的 必须 折中进行选择 DS18B20 的测温范围从 55 摄氏度一直到 125 摄氏度 另外在 10 摄氏度至 85 摄氏度之间的测温精度高达 0 5 摄氏度 而 DS1820 的测温精度只有 2 摄氏度 这种性能是使得 DS18B20 赢得市场占有率的必要因素 DS18B20 的另外一个优点 是可以不用给其 VDD 管脚供电而使用寄生电源就可以让其正常工作 通过软件的 配置 单片机的 IO 口可以通过数据线给 DS18B20 内部的集成电源供电 这主要依 靠 DS18B20 内部的大电容的存电效应 通过 DO 数据线流进 DS18B20 的电流能够 给这个大电容充电而为 DS18B20 内部的 RAM ROM 以及 AD 转换器模块供电 这 样在远程使用时 就节省了电源线 为 DS18B20 的使用带来了更大的方便和简洁性 下图 2 2 为 DS18B20 传感器实物图 图 2 2 DS18B20 温度传感器 2 4 LCD1602 液晶屏介绍 本系统选用 LCD1602 型液晶屏作为显示器 用于显示系统运行过程中的一些重 要参数 它是一种经典的点阵型液晶显示器 所谓点阵型就是指屏幕内部由一列列 的小方格液晶组成 当要显示一个字符时 通过各个小方格的显示和不显示来构成 一个形象的字符形状 由于液晶本身不能够发光 因此大部分液晶显示器都需要使 用背景灯来照亮液晶显示出来的字符 LCD1602 也不例外 它有一个专门的背景灯 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 6 电源 当给这个管脚施加 5V 直流电压时就可以将其背景灯打开 下图为 LCD1602 液晶屏的实物图 图 2 3 LCD1602 液晶屏 在字符显示效果方面 LCD1602 分为上下两排 每排最多能够显示 16 个英文字符 1602 不能够对中文汉字进行显示 它共有 16 个直插引脚 采用并口形式进行驱 动 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 7 3 硬件系统设计硬件系统设计 3 1 系统总体设计 本章主要对系统的硬件电路进行设计 在对硬件原理图进行设计前 首先通过 系统的整体硬件框图 3 1 来描述本系统的硬件连接关系 AT89C51 单片机是整个控 制系统的核心 它负责检测按键模块 驱动报警器模块 驱动液晶屏以及启闭继电 器 温度传感器采用 DS18B20 它内部集成了感温模块以及 AD 模块 采集到温度 后通过模拟转换电路将温度值转换成数字信号 通过单总线将数字信号传送给 51 单 片机 当水温超过设定温度时 报警模块用于发出报警信号 显示模块用于显示当 前温度 实际温度等参数 继电器模块用于驱动加热器 温度传感器用于检测当前 水温 水位检测模块用于检测当前的水位值 当水位值低于设定水位时 单片机打 开水泵进行加水 AT89C51 报警模块显示模块 水位检测 按键模块继电器模块 温度传感器 图 3 1 硬件框图 3 2 STC89C51 单片机最小系统 最小系统时单片机系统的核心部分 它通常由单片机芯片 复位电路和晶振电 路组成 下面对复位电路和晶振电路进行设计 3 2 1 复位电路 图 3 2 为复位电路原理图 由复位按键 电容以及电阻组成 它所要完成的功 能是 当单片机上电的一瞬间 电阻两端的电压为 VCC 此时 RST 在高电平作用 下 单片机系统将被复位 为接下来的正式工作做准备 当用户需要在单片机工作 中途复位时 可按下复位按键 按键被按下后 电容将被短路 电阻两端电压再次 回到高电平 VCC RST 管脚在高电平作用下 单片机被复位 这就是复位电路的工 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 8 作原理 RST GNDVCC S1 传传传传 10K R1 传传 10uF C1 传传 图 3 2 复位电路 3 2 2 晶振电路 图 3 3 为晶振电路原理图 由两个 30pF 电容和一个 12M 晶振组成 它所要完 成的功能是向 51 单片机的 XTAL1 和 XTAL2 两个管脚输入 12MHz 的时钟信号 12 XTAL GND XTAL1 XTAL2 100pF C2 传传 100pF C3 传传 图 3 3 晶振电路 3 3 DS18B20 电路设计 下图 3 4 为 DS18B20 温度传感器的电路设计 根据上文对 DS18B20 的管脚介 绍可知它是一个具有一线总线特点的数字传感器器件 也就是只需要将它的 GND 管脚接地 VDD 管脚接上 3 3V 5V 的直流电源 本系统采用了 5V 直流电源 即 可让它工作 它的 DO 管脚接 51 单片机的 P2 1 管脚 由于在 51 单片机驱动 DS18B20 工作的过程中会涉及到读取由传感器传来的数据 因此必须 P2 1 管脚的上 拉电阻才能使信号正常传送 但是根据 51 单片机的管脚介绍中可知 51 单片机的 P2 口内部集成了 10K 的上拉电阻 因此再设计系统时就无需在外部配置上拉电阻了 这样就简化了 DS18B20 的硬件消耗 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 9 GND DO VDD DS18B20传 传 传 传 传 GND VCC P2 1 图 3 4 DS18B20 电路设计 3 4 LCD1602 液晶屏电路设计 LCD1602 液晶屏的外围电路设计相对简单 只需要额外用到两个电阻即可实现 其正常工作 如下图所示 LCD1602 的 1 和 2 号管脚为液晶电源管脚 为其施 5V 直流电压 3 号管脚为对比度调节管脚 通过一个 10k 和一个 1 5k 的电阻对 5V 电 压进行分压 为 3 号管脚提供 1 1V 左右的直流电压 即可实现 LCD1602 最佳的对 比度 4 6 三个管脚为液晶屏的控制管脚 与 51 单片机的 P2 5 P2 6 三个 IO 管脚直 接相连 7 13 号管脚为液晶屏的数据管脚 与 51 单片机的 P0 口八个 IO 管脚直接 相连 14 和 15 两个管脚为液晶屏背景灯电源管脚 本系统为了将背景灯打开 为 其施加 5V 直流电压 P2 5 P2 6 P2 7 P0 1 P0 2 P0 3 P0 4 P0 5 P0 6 P0 7 P0 0 VCC GND VSS 1 VCC 2 V0 3 RS 4 R W 5 E 6 DB0 7 DB1 8 DB2 9 DB3 10 DB4 11 DB5 12 DB6 13 DB7 14 BLA 15 BLK 16 U1LCD1602 GND VCC GND VCC 10K R1 传传 1 5K R2 传传 图 3 5 LCD1602 液晶屏电路 3 5 水位检测电路设计 下图为水位测量模块原理图 其工作原理为 当水箱中没有水时 由于 P1 4 P1 7 三个管脚被 10k 的电阻上拉 因此全为高电平 当水箱中的水位触及到 LOW 端时 由于水箱中的水被接地 因此 LOW 端触及到水后 P1 7 管脚电位被拉 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 10 低 P1 4 P1 7 三个管脚的电平分别为高高低 以此类推 当水达到中等水位 三个 管脚分别为高低低 高等水位时 三个管脚分别为低低低 单片机对这三个管脚的 电平状况进行检测 即可检测到水箱中的水位情况 10K R2 10K R3 10K R4 VCC LOW MED HIGH P1 7 P1 5 P1 4 图 3 6 水位测量模块 3 6 继电器及其驱动电路设计 下图 3 7 所示的电路即为由继电器模块组成的加热模块电路 下图中的 MOS 管 的作用主要是扩大 51 单片机的 P1 6 管脚的输出电流 因为 P1 6 的最大输出电流非 常微弱 不足以使 HRS1H S DC5V 产生动作 驱动电路的电路形式非常简单 只使 用了一个 N 型 MOS 管 本系统选用了 SI2302 型 MOS 管 由于 MOS 管是一种压 控晶体管 uA 级的基极电流就可将其导通 因此当 P1 6 输出高电平时 SI2302 将瞬 间被导通 从而 HRS1H S DC5V 继电器的 3 和 4 之间的线圈将有电流流过 从而使 得继电器内部的触头产生动作 在 P1 6 输出低电平时 由于 SI2302 的漏极和栅极 之间没有压差 因此不能够将 SI2302 导通 所以 HRS1H S DC5V 继电器的 3 和 4 之间的线圈没有电流流过 这样继电器内部的触头将不能产生动作 这就是 HRS1H S DC5V 继电器和驱动电路的工作原理和过程 当需要加热时 P1 6 管脚输 出高电平 从而立即将 MOS 管道通 继电器的线圈得电将 5 和 6 两个管脚接通 从而加热器获得 220V 电源 加热器开始工作对水进行加热 当不需要加热时 P1 6 输出低电平 MOS 管截止 继电器线圈没有电流流过 从而 5 和 6 两个管脚断开 所以加热器不工作 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 11 12 34 56 RELAY HRS1 5V传传传 VCC GND P1 6 MOSFET N 220V 传传传 图 3 7 继电器及其驱动电路 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 12 4 软件系统设计软件系统设计 4 1 主程序流程设计 本章主要通过流程图的方式来阐述软件系统的设计 通过主程序流程设计 LCD1602 显示流程设计 红外遥控系统工作流程设计以及 DS18B20 温度检测流程 设计等部分 详细的描述了本设计的软件设计过程 下图 4 1 是本远程水文控制系 统的主流程图设计 可以将它描述为 系统上电后首先进入系统初始化过程 在这 个阶段主要是将主控核心 51 单片机的各寄存器清零 DS18B20 寄存器清零以及红 外遥控系统初始化等 在初始化过程结束后 使用者就可以通过红外遥控或者按键 设置水温了 红外遥控的详细工作过程将在后文介绍 水温设置完毕 系统就进入 正式的工作过程了 通过 DS18B20 传感器来检测水中的温度 并通过单总线的方式 将带水温信息的数据传送给 51 单片机 单片机在接收到数据后进行相关处理 以此 判断当前水温是否超过了设定温度 如果超过则立即启动报警模块发出报警信号 并同时关闭继电器 关闭继电器即关闭加热模块 当水温低于设定温度时 开启继 电器 将加热模块打开 对水进行加热 与此同时 51 单片机驱动 LCD1602 显示 当前水温等数据 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 13 系统初始化 开始 水温是否 大于阀值 N Y 设置水温 检测水温 发出报警信号 并关闭加热器 关闭报警信号 打开加热器 单片机对数据 进行处理 图 4 1 主程序流程图 4 2 DS18B20 温度转换流程设计 下图 4 2 为 DS18B20 温度采集软件流程设计 在系统上电后 DS18B20 的内部 RAM ROM 以及 AD 模块会开始进行初始化工作 包括对 RAM 的清零以及 AD 的 自动校准等过程 初始化完成后 DS18B20 就开始进行正常的采温过程了 首先 DS18B20 内部由热敏电阻组成的测温电桥会在温度发生改变时输出电压发生改变这 就是图中的 温度采集 过程 接着 DS18B20 内部的高精度低误差的 AD 模数转换 器就开始工作了 首先 AD 会在软件配置的位数下进行转换 测温电桥的直流输出 电压直接连接到 AD 模块的输入端 从而 AD 能够直接将反映温度大小的直流电压 转换为数字信号 这就是所谓的 数据处理 阶段 最后 处理后的数据会储存在 DS18B20 内部的 ROM 中 并在 DO 管脚通过单总线方式发送出去 将数据传送给 外部的单片机等处理器 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 14 开始 结束 温度采集 数据处理 数据发送 图 4 2 DS18B20 工作流程设计 4 3 LCD1602 液晶屏工作流程图设计 对于 LCD1602 液晶屏的工作流程设计 主要分为写指令以及写数据三个部分 下面对 两个子程序流程进行设计 4 3 1 写数据流程图 下图为 51 单片机向 LCD1602 写数据的流程图 首先 51 单片机先将液晶屏的 RS 管脚拉高 接着将 8 位数据通过 P0 口传送到液晶屏的 DB0 DB7 八个管脚 然 后将液晶屏的使能管脚 EN 拉高 小段延时后 再将 EN 拉低 这样就完成了 51 单 片机向液晶屏的数据发送 开始 RS 1 P0 data EN 1 延时 EN 0 结束 图 4 3 写数据流程图 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 15 4 3 2 写指令流程图 下图为 51 单片机向 LCD1602 写数据的流程图 与写数据过程唯一不同的是在 发送指令前要先将 RS RW 以及 EN 三个管脚同时拉高 接着将 8 位指令代码通过 P0 口传送到液晶屏的 DB0 DB7 八个管脚 然后将液晶屏的使能管脚 EN 拉高 小 段延时后 再将 EN 拉低 这样就完成了 51 单片机向液晶屏的指令发送 开始 RS 1 RW 1 EN 1 P0 data EN 1 延时 EN 0 结束 图 4 4 写指令流程图 4 4 加热模块工作流程设计 加热模块主要由继电器组成 通过继电器来启闭加热器 因此加热模块的工作 流程主要是继电器的工作流程 继电器的工作流程非常简单 在需要加热时 将继 电器所控制的电路闭合时 单片机的 P1 6 管脚输出高电平即可 而不需要加热时 单片机的 P1 6 管脚输出低电平 由于继电器的输出只有两种状态 即闭和断 因此 其工作的流程可以用下面的流程图来描述 即当需要对水进行加热时 单片机的 P1 6 管脚输出高电平从而将加热器打开 否则 P1 6 输出低电平 关闭继电器 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 16 开始 结束 系统初始化 是否加热 单片机的P1 6管脚输出 高电平 N N Y 单片机的P1 6管脚输出 低电平 图 4 5 加热模块工作流程设计 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 17 5 实物制作与系统调试 我们电子信息工程学科重点学的就是偏硬件方面的东西 所以毕业设计实物是 非常有必要的 实物能更好更形象的展示出我们所要表达的东西 在制作实物的时 候经常会遇到一些问题 在通过遇到问题查找问题解决问题的过程中 提高我对实 物制作的设计能力和动手能力 可以很好的把以前课本遇到的问题具象化 巩固深 化以前所学的知识 下面是对实物制作的过程中出现的主要问题进行总结和归纳 下图 5 1 为实物图照片 采用 PCB 制板以及手工焊制 最终实下图的实物效果 图 5 1 实物图 5 1 实物焊接 在实物制作过程中 焊接工作是必不可少的 焊接不仅要求要把元器件焊在板 子上而且要焊的美观 就比如板子正面元器件要排设合理尽量每个元器件都不重叠 在板子的背面也要焊的美观尽量少出现蒙古包 或用导线连接的情况 在焊接过程 中经常会出现这类情况 电烙铁一不小心在板子上多待了一会就会把铜片焊出来 铜片掉出之后这个孔就得用导线来连接这样即麻烦又不美观 所以我在正式焊接前 先在以前上课留下来的板子上先做练习 等熟练在再在好的板子上焊接 所以我的 板子看上去会干净美观许多 5 2 实物调试 实物调试是整个制作工序最后一道也是最关键的一道 在实物调试过程中我把 测水位的板子放到热水中 LCD 显示屏并没有显示温度的改样 一开始我很困惑为什 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 结论 18 么会这样 不知道问题在哪 多尝试几次发现我用的都是陶瓷杯 陶瓷杯导热性差 我把传导温度的发卡贴在杯壁自然不会显示真实的温度 发现这个问题之后改用铁 杯 问题就解决了 在实物调试的过程中还会出现水位显示不正确的现象 刚出现 这个问题的时候我一直以为是线路的问题 一直在检查线路以及元器件 总以为是 线路焊接错误或者是元器件失灵坏掉 直到有一天回过头去看程序 发现我问题出 现在程序里 程序关于判断水位模块中的写错了 本来应该是写 if S low 0 ds18b20 与单片机连接口 sbit Relay P1 6 sbit BEEP P2 0 sbit RS P2 5 sbit RW P2 6 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 附录 26 sbit EN P2 7 sbit S1 P1 0 sbit S2 P1 1 sbit S3 P1 2 sbit S4 P1 3 sbit WATER P3 7 sbit S low P1 7 sbit S med P1 4 sbit S high P1 5 unsigned char code str1 T1 unsigned char code str2 T2 unsigned char code str3 L unsigned char code str4 M unsigned char code str5 H unsigned char code str6 Date unsigned char code str7 S unsigned char code str8 Empty unsigned char code str9 ON unsigned char code str10 OFF unsigned char b flag 1 uchar data disdata 5 uint tvalue temp 500 温度值 uchar tflag 温度正负标志 void delay1ms unsigned int ms 延时 1 毫秒 不够精确的 unsigned int i j for i 0 i ms i for j 0 j 100 j 浙江工业大学之江学院毕业设计 论文 附录 27 lcd1602 程序 void wr com unsigned char com 写指令 uchar in 0 int i delay1ms 1 RS