基于单片机的水位水温控制系统.doc

编号 淮安信息职业技术学院淮安信息职业技术学院 毕毕业业论论文文 题 目基于单片机的水位水温控制系统基于单片机的水位水温控制系统 学生姓名刘孟孟 学 号41013302 院 系电气工程系 专 业电气自动化 班 级410133 指导教师 李瑞年 顾问教师 宋指宏 二 一五 年 十 月 摘 要 I 摘摘 要要 可编程控制器与单片机的出现大大提高了现代工业的自动化程度 改善了 产品的工作性能 本次设计是对水温水位控制系统的智能化改进 采用单片机 对其水温水位参数进行控制 提高了电器的工作稳定性 同时引进了数字传感 器对水温进行数据采集 这样也就提高了系统的控制精度 对水位的控制结构 简单 易于实现 具有很强的现实应用价值 本设计温度传感器采用 DS18B20 DS18B20 是美国 Dallas 公司生产的一线 数字式温度计芯片 现在已完全取代 DS1820 它具有结构简单 不需要外接元 件 采用一根 I O 数据线既可以供电又可以传输数据 并可以设有用户设置温度 报警界限等特点 此次设计主控制器采用 Philips 公司生产的 P89V51RD2 单片 机 P89V51RD2 是常用的机型 功能强大 性能稳定 该产品可以广泛应用于 各种环境 例如 铁路路基温度无线采集系统 水温实时检测系统 楼宇内温 度监视系统等 虽然是对水温水位控制系统的改进 但是这种智能化的改进方法也可以应 用到工业 生活的各个水温和水位控制的环境中去 对于其他相关参数的控制 改进也具有一定的借鉴意义 此次的基于单片机的水温水位控制系统是一个改 进性的智能化产品 以其自身的控制精度高 稳定性好和成本低的独特优点在 今后将会由广泛的实用价值 其基于单片机的改进方法也具用广泛的应用意义 关键词关键词 单片机 DS18B20 水温水位控制 Abstract II Abstract The appearance of BP PLC and PLC has greatly increased the modern industrial automation and improved the work performance of the product The design of the water temperature control system is to improve the intellectualized A monolithic integrated circuits is to control the level of parameter and improve the stability of the electrical work and meantime it introduced a number of the water temperature sensor for data collection it also increases the control system to control the level of accuracy with a simple structure which is easy to achieve and has great practical value The design temperature sensors used DS18B20 which is a digital thermometer chip produced by the Dallas company and now completely replaced DS1820 It s simple and doesn t need the components Just use a piece of I O data line can not only supply the power but the data transmission Moreover it has a user setting you can use it to set the alarm boundaries The design of master controller used the Philips company s P89V51RD2 monolithic integrated circuits which is the usual type It has a powerful function and reliable performance It can be widely used in various circumstances Such as railway system the temperature of real time testing system the premises of the surveillance system and so on Though it is a way to improve the water temperature control system the intellectualized ways of improvement can also be applied to industrial water and the level control of the environment For other related parameters it also has a certain meaning using The revivification of the water control system is an intelligent product To its own control of high precision stability and low cost of the advantages in the future there will be a wide range of practical value What s more its based on single ways of improvement have wide application meaning Keywords singlechip water level s examination water temperature s examination 目 录 III 目目 录录 摘摘 要要 I AbstractAbstract IIII 第一章第一章 系统设计方案讨论与选择系统设计方案讨论与选择 1 1 1 引 论 1 1 2 系统设计方案的选择 1 1 3 系统总体设计方框图 2 1 4 水位控制系统的设计方案讨论 3 1 5 水温控制系统的设计方案讨论 3 1 6 数据显示系统的设计方案讨论 4 1 7 报警系统的设计方案讨论 4 第二章第二章 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 5 2 1 单片机最小系统 5 2 1 1 时钟电路 7 2 1 2 复位电路 8 2 1 3 串行下载口电路 8 2 1 4 串行通信接口电路图 9 2 2 显示系统设计 9 2 2 1 TC1602A 简介 9 2 2 2 LCD1602 与单片机的连接图 11 2 3 水位检测系统设计 11 2 4 水温检测系统设计 12 2 4 1 单线数字温度计 DSl8B20 介绍 12 2 4 2 温度计算 13 2 4 3 DSl820 工作过程及时序 14 2 4 4 DS18B20 与单片机的硬件连接图 16 2 5 报警系统设计 17 2 6 继电器驱动电路设计 17 2 7 电源电路 18 目 录 IV 第三章第三章 系统软件设计系统软件设计 19 3 1 系统硬件开机自检程序设计 19 3 2 系统自动上水程序设计 20 3 3 水温水位交替显示流程图设计 21 3 4 系统按键程序设计 22 第四章第四章 系统调试系统调试 23 4 1 硬件调试 23 4 1 1 调试步骤 23 4 1 2 液位检测 23 4 1 3 温度检测 24 4 2 软件调试 24 4 2 1 Proteus 仿真 24 4 2 2 软件调试过程 25 4 3 系统联调 25 结结 论论 28 致致 谢谢 29 参考文献参考文献 30 附录附录 31 第一章 系统设计方案讨论与选择 1 第一章第一章 系统设计方案讨论系统设计方案讨论与选择与选择 1 11 1 引引 论论 随着电子技术的发展 人们生活质量的提高 在现代社会中 水位和温度 控制不仅应用在工厂生产方面 也体现到了生活的各个方面 酒店厂房及家庭 生活中都会见到水位和温度控制的影子 水位和温度控制将更好的服务于社会 目前 单片机控制器在从生活工具到工业应用的各个领域 例如生活工具的电 梯 工业生产中的现场控制仪表 数控机床等 特别是随着大规模集成电路的 产生 给人们的生活带来了根本性的变化 如果说微型计算机的出现使现代的 科学研究得到了质的飞跃 那么可编程控制器的出现则是给现代工业控制测控 领域带来了一次新的革命 尤其是用单片机控制器改造落后的设备具有性价比 高 提高设备的使用寿命 提高设备的自动化程度的特点 现代工业设计 工程建设及日常生活中常常需要用到水位和温度控制 早 期水位和温度控制主要应用于工厂中 例如工厂中的大型锅炉 必须实时的掌 握锅炉的水位和温度 确保系统的正常运行 现行的水位和温度控制也已应用 于生活当中 如人们日常烧水用的电热水器 当水位到一定限度或温度到达所 需值时 它都会给出相应的提示以告诉人们 因此 水温水位控制在改善人们 生活质量中起到了非常重要的作用 现在市面上的电器种类繁多 它们都需要 对其主要的水位和水温参数加以控制 实现电器水温水位控制的自动化 早期温度和水位的参数控制时通过模拟电路实现的 这种方式不仅电路复 杂 成本高 而且误差大 系统的稳定性不好 单片机及微型计算机技术的发 展和应用有效地解决了这些缺点 特别是传感器的发展 更好的提高了检测参 数的精度 选择基于单片机的水温水位控制系统 是因为它不仅在人们生活中具有显 著的意义 更重要的是能系统地聚温度和水位参数于一身 对于更好的掌握和 认识单片机的应用和传感器的应用 系统地深刻认识自动控制的实际应用 掌 握复杂的多子系统地设计起到了很强的锻炼作用 1 21 2 系统设计方案的选择系统设计方案的选择 本系统是为电热水器水温水位控制系统而设计的 在电热水器温控系统中 水温和水位传感器起着举足轻重的作用 系统的分析了耐高温电容式液位传感 器分别检测水温和水位的原理 以 AT89S51 单片机为核心 实现对水温和水位 淮安信息职业技术学院毕业设计 2 上水测量 显示 报警等功能 并以电磁阀 继电器为阀门开关全自动加热 上 水 整个系统精度高 耐高温性强 易于调整 测试方便 测试结果表明 误 差小于 2 达到设计要求 方案 采用单片机控制 结构简单 使用方便 成本低 性能稳定 温度 误差只有 0 5 摄氏度 1 3 系统总体设计方框图系统总体设计方框图 为实现系统的水位水温控制 根据系统的设计功能要求 构造总体方框图 如图 1 1 所示 P89V51RB2 单片机 控制中心 TC1602 数据 显示 独立式键 盘 温度采集 水位采集 报警系统 温度补偿 水位补偿 图 1 1 总体系统方案图 单片机的控制电路接 5V 的直流电压源 继电器的功率电路接另一个正五 伏的直流电压源 当电源接好后 就可以按下系统总电源开关 系统开始运行 首先系统进行硬件电路开机自检 主要是检查 DS18B20 工作是否正常 显示器 是否正常工作 报警系统是否正常 在此同时 TC1602 显示器同步显示系统状态 在此过程中用户可以预置水位和水温 接下来开始检测容器中水位 是否低于 下限水位 如果低于下限水位则开始自动上水至默认水位 1000ml 然后进入水 温水位交替显示正常状态 此时用户可通过四个独立式按键进行水温水位设置 按下 K4 键 系统进入菜单式选择状态 显示器上光标闪烁引导用户进行选择操 作 K2 K3 键用来选择设置项目 选择按下 K1 确认键后 开始进入自定义水 温或水位设置 设置完成后系统开始自动补偿水温或水位 完成任务后又进入 水温水位交替显示正常状态 系统这是会自动检测容器中的水温水位 同时比 较水温水位的下限 进行及时的水温水位补偿 如果容器中处于水位低而温度 第一章 系统设计方案讨论与选择 3 高的状态 系统则会进行加水来降低水温的温控上水的动作 完成后自动进入 水温水位交替显示状态 每一次系统动作都配合听觉和视觉感受 使整个系统 实现了人性化设计 方便实用 通俗易懂 此系统是为多子系统的综合性控制系统 设计过程中也是分块实现设计调 试 最后进行综合实现 1 4 水位控制系统的设计方案讨论水位控制系统的设计方案讨论 此系统要进行水温水位控制 马上想到的是水温水位的两个参数的控制 在温度传感器采用 DS18B20 之后 对于水位的控制想到要运用水位传感器 而 水位的传感器是通过压力传感器变换过来的 最多的是浮球式的液位传感器 而且此传感器的适用温度范围和测试精度也适合该设计系统 但此方案的缺点 是价格非常昂贵 后来又考虑采用应用于电子秤中的数字压力传感器 去测得 整个容器中水的变化和容器中液位的换算关系 此想法基于电子秤 它能够测 得一张纸的重量 但是在实际应用中 考虑到容器的氧化 容器内部的水垢增 多 而且容器的外置也会产生整个容器重量的变化 从而造成液位采集的不准 确 此压力传感器的市场价格也比较昂贵 应用于此控制模型中也是一种浪费 因此我自制了八根线将容器中的液位分成了八个水位挡 通过和电源正极的结 合 利用水导电的特性 通过 9012 三极管等元件构成的驱动电路的电平转换 将液位数据输入 P2 口 通过单片机换算转换成了液位数据存入一个存储器单元 随时读取 该子系统能进行水位的控制 利用自制的八根导线对水位的信息进行采集 并通过单片机的 P2 口送入给单片机处理加工 通过显示器显示 共有 8 个水位 挡 从 600ml 到 1300ml 100ml 一个挡 可通过按键对水位进行设置 确定后 通过驱动继电器启动小型水泵给予加水到自定义的水位同时检测下限水位 反 馈水位信息给单片机进行处理并及时调整 使系统的水位保持在一定的范围内 1 5 水温控制系统的设计方案讨论水温控制系统的设计方案讨论 如果采用热电阻 电路需接 A D 转换电路 由单片机换算出实际温度 电 路结构复杂 而且也精度不高 图 1 2 是 DS18B20 4 的结构图 它只有三个引 脚 一个数据引脚 另外两个引脚分别是接电源脚和地脚 它的数据引脚可直 接与单片机的 1 位 I O 相接 电路结构简单 占用单片机的资源少 精度高 而且成本低 并且防水 并且数据线自带的电源可以供电而不需要外部电源 淮安信息职业技术学院毕业设计 4 而如图 1 2 所示的温度传感器外扩了很长的导线更方便测量水位 所以 DS18B20 以其各方面优点作为温度传感器进行温度采样应用于此水温水位控制 系统中很合适 图 1 2 DS18B20 温度传感器 防水 该子系统利用低功耗单线数字温度传感器 DS18B20 实现温度采样 将采样 的温度值通过单片机的 P0 7 口送入单片机处理 然后实现水温的控制 利用按 键对水温的值进行设置 按确定键后 通过驱动电路驱动继电器启动电热丝对 水进行加温 能自动补偿温度到自定义温度 正常状况下显示水温的同时检测 下限温度 反馈温度信息并及时调整 使之保持温度在一定范围内的稳定 1 6 数据显示系统的设计方案讨论数据显示系统的设计方案讨论 为了能构造一个适合的人机界面 在诸多的显示器件中 TC1602 的液晶字符 性显示器非常适合运用于此控制系统当中的 它的功能特性也完全适用于此设 计系统的功能要求 也不会造成资源的浪费 所以就确定 TC1602 作为本此设计 系统的显示器件 为了配合显示器件 就需设置按键 根据系统的功能要求和 单片机的口线资源 为系统配制了四个独立式键盘 K1 键为确定键 K2 和 K3 键作为光标的移动和数据的增减 K4 键作为设置键 水位水温系统采用 TC1602 液晶显示起能实时的显示水温水位信息 按键操 作时 采用菜单提示性显示 引导用户进行操作 界面分辨率可调 字符清晰 1 7 报警系统的设计方案讨论报警系统的设计方案讨论 作为一个完整的系统 免不了要设置报警装置 处于系统模型化的考虑 采用蜂鸣器和二极管的结合 伴随着系统故障的产生和动作的产生 给予人以 视觉和听觉的提示 使之能通过多种方式掌握系统的状态 而且此报警装置也 比较经济实惠 第一章 系统设计方案讨论与选择 5 该系统利用蜂鸣器和同步工作的发光二极管实现能给予人视觉和听觉上的 系统故障报警和水温水位信息报警 以便及时掌握水温水位控制系统的工作状 况 系统自己不能处理的就可以人工辅助处理 这样能让系统更好的运行在稳 定状况下 第二章 系统硬件电路设计 6 第二章第二章 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 2 1 单片机最小系统单片机最小系统 本设计采用 P89V51RD2 单片机作为主控制芯片 P89V51RD2 单片机介绍如 下 P89V51RD2 是 Philips 公司生产的一款 80C51 微控制器 包含 64KB Flash 和 1024 字节的数据 RAM P89V51RD2 的典型特性是它的 X2 方式选项 利用该特 性 设计者可使应用程序以传统的 80C51 时钟频率 每个机器周期包含 12 个时 钟 或 X2 方式 每个机器周期包含 6 个时钟 的时钟频率运行 选择 X2 方式 可在相同时钟频率下获得 2 倍的吞吐量 从该特性获益的另一种方法是将时钟 频率减半来保持特性不变 这样可以极大地降低 EMI Flash 程序存储器支持并 行和串行在系统编程 ISP ISP 允许在软件控制下对成品中的器件进行重复 编程 应用固件的产生 更新能力实现了 ISP 的大范围应用 5V 的工作电压 操作频率为 0 40MHz P89V51RD2 单片机最小系统框图如图 2 1 所示 2 1 单片机最小系统框图 第二章 系统硬件电路设计 7 单片机 它由 CPU 存储器 包括 RAM 和 ROM I O 接口 定时 计数器 中断控制 功能等均集成在一块芯片上 片内各功能通过内部总线相互连接起来 图 2 2 为 AT89C52 的引脚图 7 图 2 2 单片机引脚图 输入 输出引脚 P0 P1 P2 P3 的功能介绍 1 P0 口 P0 0 P0 7 P0 口是一个 8 位漏极开路型双向 I O 端口 在访 问片外存储器时 它分时作低 8 位地址和 8 位双向数据总线用 在 EPROM 编程 时 由 P0 输入指令字节 而在验证程序时 则输出指令字节 验证程序时 要 求外接上拉电阻 P0 能以吸收电流的方式驱动 8 个 LSTTL 负载 在 Flash 编程 时 P0 口接收指令字节 而在程序校验时 输出指令字节 校验时 要求外接 上拉电阻 2 P1 口 P1 0 P1 7 1 8 脚 P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 在 EPROM 编程和验证程序时 由它输入低 8 位地址 P1 能驱动 4 个 LSTTL 负载 在 AT89C52 中 P1 0 还相当于专用功能端 T2 即定时器的计数触 发输入端 P1 1 还相当于专用功能端 T2EX 即定时器 T2 的外部控制端 Flash 编程和程序校验期间 P1 接收低 8 位地址 3 P2 口 P2 0 P2 7 21 28 脚 P2 也是一个带内部上拉电阻的 8 位双 向 I O 口 P2 口的输出缓冲级可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 淮安信息职业技术学院毕业论文设计 8 对端口写 1 通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平 在访问外部存储器时 由它输出高 8 位地址 在对 EPROM 编程和程序验证时 由它输入高 8 位地址 P2 驱动 4 个 LSTTL 负载 在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储 器 例如执行 MOVX DPTR 指令 时 P2 口送出高 8 位地址数据 在访问 8 位 地址的外部数据存储器 例如执行 MOVX RI 指令 时 P2 口线上的内容 也 即特殊功能寄存器 SFR 区中 R2 寄存器的内容 在整个访问期间不改变 Flash 编程或校验时 P2 亦接收高位地址和其它控制信号 4 P3 口 P3 0 P3 7 10 17 脚 P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位 双向 I O 口 P3 口输出缓冲级可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对 P3 口写入 1 时 它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口 此时 被 外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流 IIL P3 口除了作为一般的 I O 口 线外 P3 口还接收一些用于 Flash 闪速存储器和程序校验的控制信号 重要的 用途是的第二功能 如表 2 1 表 2 1 AT89C52 的 P3 口特殊功能 口管脚备选功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 P3 2 INT0 外部中断 0 P3 3 INT1 外部中断 1 P3 4 T0 定时 计数器 0 外部输入 P3 5 T1 定时 计数器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 2 1 1 时钟电路时钟电路 时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号 单片机本身就是一个复 杂的同步时序电路 为了保证同步工作方式的实现 电路应在唯一的时钟信号 控制下严格地按时序进行工作 在 MCS 51 芯片内部有一个高增益反相放大器 其输入端为芯片引脚 XTAL1 输出端为引脚 XTAL2 在芯片的外部跨接晶体振荡器和微调电容 形成 反馈电路 就构成了一个稳定的自激振荡器 此电路采用 6MHz 的石英晶体 时钟电路如下图 2 3 第二章 系统硬件电路设计 9 图 2 3 时钟电路 2 1 2 复位电路复位电路 复位是单片机的初始化操作 除了进入系统的正常初始化之外 当由于程 序运行出错或操作错误是系统处于死锁状态时 为摆脱困境 也需要按复位键 以重新启动 RST 引脚是单片机复位信号的输入端 复位信号是高电平有效 其有效时 间应持续 24 个振荡周期 即 2 个机器周期 以上 若使用频率为 12MHz 的晶振 则复位信号持续时间应超过 4 s 才能完成复位操作 复位操作有上电自动复位 和按键手动复位两种方式 上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实 现的 按键电平复位是通过使复位端经电阻与 Vcc 电源接通而实现的 在本设 计中采用了按键电平复位方式 其复位电路如下图 2 4 图 2 4 复位电路 2 1 3 串行下载口电路串行下载口电路 为了将软件程序下载到单片机中 必须为之设计一种串行接口电路 在此 电路中采用 MAX232 芯片 MAX232 片内含有一个电容性发生器以便在 5V 电源供 电时提供 EIA TIA 232 E 电平 每个接收器将 EIA TIA 232 E 电平输入转为 5V TTL COMS 输入电平转换为 EIA TIA 232 E 电平 淮安信息职业技术学院毕业论文设计 10 C1 1 V 2 C1 3 C2 4 C2 5 V 6 T2out 7 R2in 8 R2out 9 T2in 10 T1in 11 R1out 12 R1in 13 T1out 14 GND 15 VCC 16 CP2 MAX232 1 6 2 7 3 8 4 9 5 DB9COM C8 0 01 F C9 0 01 F C10 0 01 F C11 0 01 F VCC 1 2 J2 2 1 4 串行通信接口电路图串行通信接口电路图 在串行接口电路设计中 MAX232 主要用于数据的串行通讯 对电子钟程序的 下载调试 应用结构图如图 2 5 所示 图 2 5 MAX232 应用结构图 2 22 2 显示系统设计显示系统设计 2 2 1 TC1602A 简介简介 该系统的显示部分采用 TC1602 字符液晶显示器 TC1602A 是一种 16 字 2 行的字符型液晶显示模块 其显示面积为 64 5 13 8mm2 TC1602A 的引脚排 列如图 2 6 所示 图 2 6 TC1602A 的引脚排列 第二章 系统硬件电路设计 11 它有 16 个引脚可与外界相连 其中 1 脚 Vss 接地 2 脚 Vdd 接 5V 电源 3 脚 VO 对比度调整端 LCD 驱动电压范围为 Vdd VO 当 VO 接地时 对比度最强 4 脚 RS 寄存器选择端 RS 为 0 选择命令寄存器 IR RS 为 1 选择数 据寄存器 DR 5 脚 R W 读写控制端 R W 为 1 选择读出 R W 为 0 时 则选择写入 6 脚 E Enable 使能控制端 E 为 1 时 使能 E 为 0 禁止 7 脚 14 脚 D0 D7 数据总线 15 脚 LED 背景光源 接 5V 16 脚 LED 背景光源 接地 其指令系统 TC1602A 内有 2 个寄存器 一个是命令寄存器 另一个是数据寄存器 所 有对 TC1602A 的操作必须先写命令字 再写数据 指令系统如表 2 2 表 2 2 指令系统 控制信 号 指令代码 R S R WD7D6D5D4D3D2D1D0 功 能 0000000001清屏 000000001 软复位 00000001I DS内部方式设置 0000001DCB显示开关控制 000001S CR L 位移控制 00001DLNF 系统方式设置 0001ACGCGRAM 地址设置 001ADD显示地址设置 01BFAC忙状态检查 10写数据MCU LCD 11读数据LCD MCU 1000 0000 080H 为第一行显示起始地址 即为第一行第 1 列 081H 08FH 淮安信息职业技术学院毕业论文设计 12 为第 2 列到第 15 列 1100 0000 0C0H 为第二行显示起始地址 即为第二行第 1 列 0C1H 0CFH 为第 2 列到第 15 列 此指令设置 DD RAM 地址指针的值 此后就可以将要显示的数据写入到 DD RAM 中 在 HD44780 控制器中由于内嵌有大量的常用字符 这些字符都集成在 CG ROM 中 当要显示这此点阵字符时 只需把该字符所对应的字符代码送给指 定的 DD RAM 中即可 2 2 22 2 2 LCD1602LCD1602 与单片机的连接图与单片机的连接图 图图 2 72 7 LCD1602LCD1602 与单片机的连接图与单片机的连接图 2 3 水位检测系统设计水位检测系统设计 水位检测是充分运用了水的导电性 八根导线等份依次排列在容器中 作 为检测水位用 从最底下的一根开始 即换成水位为 600ml 开始 100ml 一个 水位挡 直到最上面的一根导线 即 1300ml 为止 在容器的最底部放了一根 5V 电源的正极导线 当电源通电后 随着水位的变化 水将淹没一些导线 这 时候这些导线将会和电源正极连通 如果通过驱动电路将其电平进行转换 进 入单片机的将会是对应于水位的数据信号 其水位于数据信号的对应关系如表 第二章 系统硬件电路设计 13 2 3 所示 表 2 3 水位于数据信号的对应关系 0FEH600ml0E0H1000ml 0FCH700ml0C0H1100ml 0F8H800ml080H1200ml 0F0H900ml00H1300ml 为使电平进行转换 必须设计八个并行的电平转换电路 由于是由高电平 转换成低电平 所以选择 NPN 的三极管 在此我选择是的 8050NPN 的三极管 为了减小干扰 滤除干扰信号 在水位端加了一个 1 F 的电解电容 经测试效 果很 好 水位数据信号原本选择的是 P0 口输入 在调试过程中发现没有 P2 口理想 所以就选择了 P2 口 检测水位部分模型如图 2 8 所示 水位数据的单根电平转 换电路如图 2 9 所示 图 2 8 检测水位模型 图 2 9 水位数据单根电平转换电路 2 4 水温检测系统设计水温检测系统设计 2 4 1 单线数字温度计单线数字温度计 DSl8B20DSl8B20 介绍介绍 DSl8B20 数字温度计提供 9 位 二进制 温度读数 指示器件的温度 信息 经过单线接口送入 DSl8B20 或从 DSl8B20 送出 因此从主机 CPU 到 DSl8B20 仅 需一条线 和地线 DSl8B20 的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源 因为每一个 DSl8B20 在出厂时已经给定了唯一的序号 因此任意多个 DSl8B20 淮安信息职业技术学院毕业论文设计 14 可以存放在同一条单线总线上 这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件 DSl8B20 的测量范围从 55 摄氏度到 125 摄氏度 增量值为 0 5 摄氏度 可在 ls 典型值 内把温度变换成数字 每一个 DSl8B20 包括一个唯一的 64 位长的序号 该序号值存放在 DSl8B20 内部的 ROM 只读存贮器 中 开始 8 位是产品类型编码 DSl8B20 编码均为 10H 接着的 48 位是每个器件唯一的序号 最后 8 位是前面 56 位的 CRC 循环冗余校 验 码 DSl8B20 中还有用于存储测得的温度值的两个 8 位存贮器 RAM 编号为 0 号和 1 号 1 号存贮器存放温度值的符号 如果温度为负 摄氏度 则 1 号存 贮器 8 位全为 1 否则全为 0 0 号存贮器用于存放温度值的补码 LSB 最低位 的 1 表示 0 5 摄氏度 将存贮器中的二进制数求补数然后再转换成十进制数并除 以 2 就得到被测温度值 55 摄氏度 125 摄氏度 每只 DS18B20 都可以设置成 两种供电方式 即数据总线供电方式和外部供电方式 采取数据总线供电方式 可以节省一根导线 但完成温度测量的时间较长 采取外部供电方式则多用一 根导线 但测量速度较快 2 4 2 温度计算温度计算 1 DS18B20 用 9 位存贮温值度 最高位为符号位 如表 2 4 为 DS18B20 的温 度存储方式 负温度 S 1 正温度 S 0 如 00AAH 为 85 摄氏度 0032H 为 25 摄氏度 FF92H 为 55 摄氏度 表 2 4 18B20 用 9 位的温度存储方式 2 DS18B20 用 12 位存贮温值度 最高位为符号位 如表 2 5 为 DS18B20 的 温度存储方式 负温度 S 1 正温度 S 0 如 0550H 为 85 摄氏度 0191H 为 25 0625 摄氏度 FC90H 为 55 摄氏度 表 2 5 DS18B20 用 12 位的温度存储方式 第二章 系统硬件电路设计 15 2 4 3 DSl820 工作过程及时序工作过程及时序 DSl8B20 工作过程中的协议如下 初始化 ROM 操作命令 存储器操作命令 处理数据 1 初始化 单总线上的所有处理均从初始化开始 2 ROM 操作命令 总线主机检测到 DSl8B20 的存在 便可以发出 ROM 操作命令之一 这些命 令 如 指令代码 Read ROM 读 ROM 33H Match ROM 匹配 ROM 55H Skip ROM 跳过 ROM CCH Search ROM 搜索 ROM F0H Alarm search 告警搜索 ECH 3 存储器操作命令 指令代码 Write Scratchpad 写暂存存储器 4EH Read Scratchpad 读暂存存储器 BEH Copy Scratchpad 复制暂存存储器 48H Convert Temperature 温度变换 44H Recall EPROM 重新调出 B8H Read Power supply 读电源 B4H 4 时序 主机使用时间隙 time slots 来读写 DSl8B20 的数据位和写命令字的位 1 初始化 时序见图 2 10 主机总线 to 时刻发送一个复位脉冲 最短为 480us 的低电 平信号 接着在 t1 时刻释放总线并进入接收状态 DSl8B20 在检测到总线的 上升沿之后 等待 15 s 60 s 接着 DS18B20 在 t2 时刻发出存在脉冲 低电 平 持续 60 s 240 s 如图中虚线所示 淮安信息职业技术学院毕业论文设计 16 2 写时间隙 当主机总线 t0 时刻从高拉至低电平时 就产生写时间隙 见图 2 11 图 2 12 从 t0 时刻开始 15 s 之内应将所需写的位送到总线上 DSl8B20 在 t0 后 15 s 60 s 间对总线采样 若低电平 写入的位是 0 见图 2 11 若高电平 写入的位是 1 见图 2 12 连续写 2 位间的间隙应大于 1 s 45 s T0 15 s15 60 s 60 s T1 1 s 15 s 1 s 60 s T0T1 图 2 11 写 0 时序 图 2 12 写 1 时序 T0 400 s 960 s T1T2T3T4 60 s 240 s 480 s15 s 60 s 图 2 10 初始化时序图 第二章 系统硬件电路设计 17 3 读时间隙 见图 2 13 主机总线 to 时刻从高拉至低电平时 总线只须保持低电平 l 7 s 之后在 t1 时刻将总线拉高 产生读时间隙 读时间隙在 t1 时刻后 t2 时 刻前有效 t2 距 t0 为 15 s 也就是说 t2 时刻前主机必须完成读位 并在 t0 后的 60 s 120 s 内释放总线 2 4 4 DS18B20DS18B20 与单片机的硬件连接图与单片机的硬件连接图 用 P0 7 读入温度数据 如图 2 14 所示 图 2 14 DS18B20 与单片机的硬件连接图 主机起作用 DS18B20 起作用 上拉电阻起作用 T0 T1 T2 T3 15 s 60 s 1 s 图 2 13 读时序 淮安信息职业技术学院毕业论文设计 18 2 5 报警系统设计报警系统设计 报警系统是由蜂鸣器和发光二极管构成 其设计的硬件电路如图 2 15 所示 图 2 15 报警系统电路 2 6 继电器驱动电路设计继电器驱动电路设计 为了给容器中水补偿温度和水位 须通过继电器启动 220V 交流电的电热 丝和小型水泵 这样就须考虑设计一个继电器的驱动电路 其硬件电路图如图 2 16 D7 IN4007 R18 1K VCC 12 34 J R19 JIDIANQI 1 2 JP4 HEAD ER 2 1 2 JP5 PANG PANG 业220V C28 470uF U5 OPT OISO1 Q19 9012 R21 1K VCC Q21 PNP R14 1K D7 IN4007 R18 1K VCC 12 34 J R19 JIDIANQI PANG C28 470uF U6 OPT OISO1 Q20 9012 R23 1K VCC Q22 PNP R22 1K 1 2 JP6 JIARE 第二章 系统硬件电路设计 19 图 2 16 继电器驱动电路 2 7 电源电路电源电路 电源电路为整个电路提供电源 是电路设计不可缺少的一部分 电源电路 的稳定性决定整个电路的可靠程度 在本设计中 整个电路需要 5V 电源 电源电路是把市电交流 220V 经过变压器降压为交流 12V 再通过二极管整 流 电容滤波 三端集成稳压器 7805 稳压后输出正 5V 直流电源 电源电路图 如图 2 17 所示 图 2 17 电源电路 第三章系统软件设计 20 第三章第三章 系统软件设计系统软件设计 3 1 系统硬件开机自检程序设计系统硬件开机自检程序设计 为了保证系统的正常运行 当系统开机后 即单片机上电复位开始运行后 需要对硬件各部分进行自动检查 如果正常 系统就可以继续往下执行 如果 不正常就必须出错报警 以便人工修正 为系统的正常运行做好准备 由于该系统主要是由水位检测 水温检测 显示部分组成 对于水位硬件 电路的检测 由于此硬件电路的故障变化性太大 不便于在自检程序中表现 只能在后面的水位显示中表现出来 所以省掉 对于其他部分硬件电路只需要 通过读出 DS18B20 检测到的温度即可表明 通常情况下 DS18B20 如果烧坏后 读出的温度一般为 85 度 如果线路的损坏 则程序不能往下执行 同时显示部 分报错 报警系统响应 根据以上设计思想 自检程序设计框图如图 3 1 所示 开始 1602显示器显示 system is self checking please wait 读出18b20检测的温度 1602显示 system is ok 1602显示 system is orrer Y N 结束 是否为85度 图 3 1 自检程序流程框图 第三章 系统软件设计 21 3 2 系统自动上水程序设计系统自动上水程序设计 当系统开机时须检查容器中的水位是否底于最低水位 600ml 若低于 600ml 则自动上水到默认的 1000ml 自动上水程序框图如图 3 2 所示 开始 读取P0口水位数据 结束 加水至1000ml 显示 水位变化 pumping 是否小于600ml 是否1000ml Y N Y N 图 3 2 自动上水程序框图 第三章 系统软件设计 22 3 3 水温水位交替显示流程图设计水温水位交替显示流程图设计 系统在正常状况下 交替显示水温水位的状况 同时还要不断检测水温是否低于下 限温度和水位是否底于下限水位以及满足温控上水的条件 其程序流程框图如图 3 3 所 示 开始 读取温度 显示温度 读取水位 显示水位 加热 显示 水温变化 heating 加水 显示 水位变化 pumping 结束 温控上水操作 温度是否底于 下限水温 水位是否低于 下限水位 设置按键 是否按下 是否满足 温控上水条件 按键操作 图 3 3 水温水位交替显示流程框图 第三章 系统软件设计 23 3 4 系统按键程序设计系统按键程序设计 对系统的操作是通过四个按键进行的 K1 为确定键 既当确认加热水温数值或加水 水位数值后在按下此键就可进行相应的操作 K2 K3 为操作方式和数值增减键 K4 为设 置键 其程序流程框图如 3 4 所示 开始 设置键按下 结束 水温调整水位调整 加热加水 菜单选择水温还是水位调整 图 3 4 按键程序流程框图 第四章 系统调试 24 第四章第四章 系统调试系统调试 4 1 硬件调试硬件调试 制造电子产品 可靠性与安全是两个重要因素 而零件的安装对于保证产品的安全 可靠是至关重要的 任何疏忽都可能造成整机工作失常 甚至导致更为严重的后果 元 件安装时我们要保证导通与绝缘的电器性能 保证机械强度 按着传热的要求和安装时 接地与屏蔽要充分利用 为达到产品的可靠与安全 安装时应遵循一些基本的要求与原 则 4 1 1 调试步骤调试步骤 对于整个系统制作完成后 调试工作是非常重要的一个环节 它直接关系到系统能 否正常工作 1 首先对电源部分进行调试 检查印刷电路是否设计正确 元器件位置是否安装正确 特别是二极管 三极管 电容等极性不要装错 观察有没有焊接点短路 虚焊 多余的管脚有没有剪去 保证导通与绝缘的电气特性 电气连接的通与断是安装的核心这里所说的通与断 不仅是安装后能够简单的使用万用表测试 而且要考虑振动 长期工作 湿度等自然条 件变化的环境中 都能保证能够正常运行 保证机械强度 电子产品在使用过程中 不可避免的需要运输和搬动 会发声各种 有意或无意达到振动 冲击 如果机械安装不够牢固 电气连接不够可靠 都有可能因 为加速度的瞬间受力使装置受到损害 保证传热的要求 在安装中 必须考虑某些零部件在传热 电磁方面的要求 安装时接地与屏蔽要充分利用 接地与屏蔽一是消除外力对产品的电磁干扰 二是 消除产品对外力的电磁干扰 三是减少产品内部的相互电磁干扰 2 当检查电路和焊接无误后 就可以将一些比较主要的元器件和主控芯片装上去进 行调试 焊接后的检查 焊接结束后必须检查有无漏焊 虚焊以及由于焊锡流淌造成的元件 短路 虚焊较难发现 可用镊子夹住元件引脚轻轻拉动 如发现摇动应立即补焊 4 1 2 液位检测液位检测 将自制的测水位导线放入水中 通电之后 显示当前的水位 我们把储水箱大致分 为 3 份 水位由潜入热水器的储水箱不同深度的水位电极和潜入储水箱底部的公共电极 导线 进行检测 由单片机依次使各水位电极呈现高电平 由公共电极所接的三极管 第四章 系统调试 25 进行电位转换 水位到达的电极 转换电位为低 0 水位没有到达的电极 转换电位 为高 1 每检测一位便得到一位数据 3 个电极检测一遍以后便得到了 3 个串行数据 然后把这 3 个数据转化为字节一路送发光二极管 在这里我们可以用发光二极管亮的盏 数来显示水位的高低 若没有发光二极管亮则表示箱内没有水或者只有少量的水 若有 一个发光二极管灯亮则表示箱内有三分之一箱的水 以此类推 若有三个发光二极管亮 则表示水箱水是满的 将自制的测水位导线放入水中 通电之后 显示当前的水位 导线分三级 当水位 没有达到最低级时 蜂鸣器响 继电器开始模拟进水的过程 当水位高于最低级时 蜂 鸣器停止 显示中等水位 继电器继续模拟上水 当水位达到最高点时 显示最高水位 的发光二极管亮 继电器停止工作 4 1 3 温度检测温度检测 温度传感器检测到的水温 利用数码管能正确显示出当前的水温 4 2 软件调试软件调试 4 2 1 Proteus 仿真仿真 Proteus 软件是来自英国 Labcenter electronics 公司的 EDA 工具软件 它组合了 高级原理布图 混合模式 SPICE 仿真 PCB 设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计 系统 此系统受益于 15 年来的持续开发 被 电子世界 在其对 PCB 设计系统的比较文 章中评为最好产品 The Route to PCB CAD Proteus 产品系列也包含了我们革命性 的 VSM 技术 用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真 用户甚 至可以实时采用诸如 LED LCD 键盘 RS232 终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真 其功能模块 是一个易用而且功能强大的 ISIS 原理布图工具 PROSPICE 混合模型 SPICE 仿真 ARES PCB 设计 PROSPICE 仿真器的一个扩展 PROTEUS VSM 便于包括所有相 关的器件的基于微处理器设计的协同仿真 此外 还可以结合微控制器软件使用动态的 键盘 开关 按钮 LEDs 甚至 LCD 显示 CPU 模型 支持许多通用的微控制器 如 PIC AVR HC11 以及 8051 最新支持 ARM 交互的装置模型包括 LED 和 LCD 显示 RS232 终端 通用键盘 I2C SPI 器件 强大的调试工具 包括寄存器和存储器 断点 和单步模式 IAR C SPY 和 Keil uVision2 等开发工具的源层调试 应用特殊模型的 DLL 界面 提供有关元件库的全部文件 第四章 系统调试 26 4 2 2 软件调试过程软件调试过程