基于STC单片机的直饮水机控制电路设计范文毕业论文.doc

毕 业 论 文（设 计）论文题目 基于STC单片机的直饮水机控制电路设计 摘 要 空气制水机是利用空气湿度制造纯净水，在没有水源的地区，只要电就可以制造出可以饮用的符合国家饮用水标准的冷水或者开水（瞬间加热），其核心部分为一个水分吸收过滤系统，可通过多种方式过滤掉水中的污染物，最终产出符合卫生要求的饮用水。为提高饮用水质量，该机器还会向过滤出的水中加入必要的矿物质，以使其更接近天然淡水。“空气制水机”新一代高科技产品，从空气中炼取水分，再经过微电脑系统处理过滤。完全清除对人体有害物质，制造出活性高氧纯净水。关 键 词 空气制水，单片机，控制电路第一章 绪论5第二章 基本理论介绍72.1 单片机简介72.1.1单片机发展前景72.1.2单片机的分类72.1.3单片机的应用82.2 STC12C5A60S2芯片介绍82.2.1 STC12C5A60S2简介82.2.2指令分类102.2.3指令系统的寻址方式102.2.4定时器/计数器112.2.5中断系统介绍122.3其他相关介绍142.3.1 液晶屏显示介绍142.3.2 可控硅调压原理14第三章 系统硬件设计163.1 系统结构设计163.1.1直饮水机控制设计要求163.1.2电路控制系统框图163.1.3电路系统结构框图173.2 系统硬件模块设计183.2.1时钟电路183.2.2复位电路183.2.3蜂鸣器模块193.2.4电机控制电路193.2.5电源电路203.2.6电源采样调试223.2.7LCD液晶屏驱动电路设计233.2.8触摸电容按键模块233.2.9液晶屏显示及调光模块252.2.10弱上拉模块设计262.2.11 运放电路设计263.3 电路抗干扰设计283.3.1印制电路板（PCB）抗干扰283.3.2集成芯片去耦293.3.3电源线和地线阻抗噪音解决方法30第四章 系统软件设计314.1软件总体设计314.1.1制水模式设计314.1.2制冷模式设计344.1.3化霜模式设计374.1.4外接水源模块设计384.1.5可控硅调压电路404.1.6温度检测电路设计424.1.7按键模块程序设计504.2系统各模块的软件调试534.2.1系统调试工具534.2.2温度调试53结论54结束语55致 谢56参考文献57基于STC单片机的直饮水机控制电路设计第一章 绪论空气制水机让“凭空想象”不是一句笑谈。空气制水机通过机内特设的装置抽取空气，并利用压缩机将空气冷凝、集聚成水，再对集聚起来的水进行机内净化处理，从而生产出可直接饮用的蒸馏水。现在，大气气候异常导致局部地区干旱加剧，水资源紧缺、水污染严重现象普遍，这项技术的广泛应用，能够既节能环保，又属于创新型产品。桶装直饮水机的工作模式非常简单：水加热，而且人机等待的时候长达15分钟，使用起来很不方便，若加热开水后，残留的开水过多，桶装直饮水机将一直处于恒温状态下，使之一直处于100摄氏度，长久以来从能源角度来说，耗电量巨大。水质加热时间过久，这种开水的水质发生变化不利于人体健康。而此直饮水机的设计工作模式有多种选择：空气制水，制冷，加热（急速加热），在使用的同时，可以达到3秒加热的效果，大大减少了人机的等待时间。此直饮水机的加热并非传统的加热，而是而是根据人需求量多少，就加热相应的水量，完全不浪费电能，按键设计的非常巧妙，按键具备功能选择，可以根据人为的需要进行加热，另加一个童锁，可以防止不经意的按到加热键，烫伤自己。从能源的能量守恒考虑，直饮水机瞬间加热使用的电能是比较大的，而桶装直饮水机加热的能量瞬间使用量没有那么大，但考虑到桶装值原设计与直饮水机都从相同的温度加热到100摄氏度的开水，单单考虑水中能量转换是相同的，从长久方面考虑此直饮水机的能源消耗比桶装直饮水机的能源消耗要低很多。空气制水机是一种利用先进技术从空气中液化水分并处理成优质饮用水的高科技产品，它使用多级杀菌，过滤和水分子活化技术，使水质安全可靠，口感甘甜，全面呵护饮水健康。空气制水机能够在环境温度1043，环境湿度25%RH95%RH的环境中使用，其制水量随着湿度的增加而增加。直饮水机与桶装直饮水机对比分析桶装直饮水机直饮水机水质状况放水时空气夹带的细菌和尘埃污染水质；水桶不卫生；捅中水质遭质疑采用先进的逆渗透水处理技术，将水中有害物质充分过滤，提高水质人机等待15分钟加热3秒加热水质来源山泉水空气制水方便程度需提前订购，时有断水的尴尬全自动制水、现制现饮用途因价格因素，仅限于饮用可饮用、泡茶、做饭、煲汤家居安全送水人员不固定，安全系数低健康好睡自己造，安全可靠经济角度长期投资，投资费用大一次性投资，终生受益，小投资长期收益，费用少等第二章 基本理论介绍2.1 单片机简介2.1.1单片机发展前景单片机全称为单片微型计算机,又称微控制器或嵌入式控制器.它是将计算机的基本部件微型化并集成到一块芯片上的微型计算机，通常片内有CPU.ROM.并行I/O.定时器/计数器.中断控制。系统时钟及系统总线等。总管我们现在生活的各个领域，从导弹的导航设置，到飞机上的各个仪表的控制，到计算机的网络通信与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活广泛使用的智能IC卡.电子宠物等，这些都离不开单片机。以前没有单片机时这些东西也能做，但是只是使用复杂的模拟电路，难而这些做出来的产品不仅体积大，而且成本高并且由于长期使用，元器件不断的老化，控制的精度达不到了。所以他的魔力不仅仅在于现在，在将来会有更多的人接受它，使用它。据统计，我国的单片机容量已达3亿片，且每年大约以20%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。特别是沿海地区的玩具厂等生产产品多数用到单机，并不断地辐射到内地。所以学习单片机在我国是有着广泛前景的。2.1.2单片机的分类通常按单片机数据总线的位数将单片机分为4位.8位.16位.32位。1. 四位单片机四位单片机适合用于各种规模较小的家电类消费产品。一般的单片机厂家均有自己的四位单片机产品，有OKL公司的MSM64164C.MSM644181,NEC公司的75006X系列，EPSON公司的SMC62系列等。2. 八位单片机八位单片机是目前产品最为丰富。应用最为广泛的单片机,有着体积小.功耗低.能强.性能价格比高.易于推广应用等显著优点。目前主要分为MCU-51系列及其兼容机型和非MCU-51系列单片机。 MCS-51因开发工具及软硬件资源齐全而占主导地位，ATMEL.philps.INBOND是MCS-51单片机生产的老牌厂家.CYGNAL及ST也推出新的产品,其中ST的新推出的PSD系列片内有大量FLASH(128/256KB).8/32KB的SRAM.集成A/D.看门狗.上电复位电路.两路UART.支持在系统编程ISP及在应用中的编程IAP等诸多先进特性,迅速被广大51单片机爱好者接受。非51系列单片机在中国应用较广的有MOTOROLA68HC05/08系列.MICROCHIP的PIC单片机以及ATMEL的AVR单片机。3. 十六位单片机十六位单片机操作速度及数据吞吐能力在性能上比8位机有较大提高。目前以INTEL的MCS96/196系列.TI的MSP430系列及MOTOROLA的68HC11系列为主。4. 三十二位单片机三十二位单片机是单片机的发展趋势，随着技术发展及开发成本和产品价格的下载将会与78位机并驾齐驱。生产32位单片机的厂家与8位机的厂家一样多。MOTOROAL.TOSHIBA.HITACH.NEC.EPSON.MITSUBISHI.SAMSUNG群雄割据，其中以32位单片机及MOTOROLA的MC683XX.68K系列应用相对广泛。基于ARM核的单片机占据了2001年的32位单片机73%份额。2.1.3单片机的应用单片机广泛应用于仪器仪表.家用电器.医用设备.航空航天.专用设备的智能管理及过程控制等领域，大致可分为如下几个范畴：1. 在智能仪器仪表上的应用单片机具有体积小.功耗低.控制功能强.扩展灵活.微型化和使用方便等优点，广应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压，功率.频率.湿度.流量.速度.厚度.角度.长度.硬度.元素.压力等物理量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化.智能化.微型化.且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如 精密的测量设备（功率计，示波器，各种析议）。2.在工业控制中的应用用单片机可以构成形式多样的控制系统,数据采集系统。例如工程流水线的智能化管理，电梯的智能化控制，各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统。3.在家用电器中的应用可以这么说，现在的家用电器上基本采用单片机控制，从电饭煲.洗衣机.电冰箱.彩电.其他音响视频器材.再到电子称量设备，五花八门，无所不在。4. 在计算机网络和通信领域中的应用现在的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机.电话机.楼宇自动交换机. 楼宇自动通信呼叫系统.列车无线通信.再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。5.单片机在医用设备领域中的应用单片机在医用设备中的用途亦相当广泛。例如医用呼吸器，各种分析仪，监护仪.超声诊断设备及病床呼叫系统等等。此外在工商，金融，科研，教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。2.2 STC12C5A60S2芯片介绍2.2.1 STC12C5A60S2简介STC12C5XXX系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容于普通的8051，但速度快812倍内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S），针对电机控制，强抗干扰场合。1.增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051工作电压：5.5V3.3V2.工作频率：035MHz相当于普通8051：0420MHz。3.用户应用编程空间 8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节4.片上集成1280字节RAM5.通用I/O口（36/40/44个）复位后为：准双向口/弱拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输出/高阻，开漏每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大电流不得超过55mA。6.ISP/IAP，在系统可编程/在引用可编程，无需编程器/仿真器。可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片。7.有EEPROM功能8.看门狗9.内部集成MAX810专用复位电路（外部晶振12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地10.外部掉电检测电路：在P4.6口有个低压门槛比较器5V单片机为1.32V误差为+/-5%,3.3V单片机误差为+/-311.时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部RC振荡器（温漂为+/-5%到+/-10%以内） 用户在下载程序时，可选择使用内部RC振荡器还是外部晶体/时钟 常温下内部RC振荡器频率为：5.0V单片机为11MHz15MHz 3.3V单片机为8MHz12MHz12.共4个16位定时器 两个与传统8051兼容的定时器/计数器，16位定时器T0/T1,没有定时器2，但有独立波特率发生器做串口通讯的波特率发生器，再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器。132个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1溢出在P3.5/T1输出时钟14外部中断I/O口共7路，传统的下降沿中断或低电平触发中断，并新增支持上升沿中断的PCA模块，power down 模式可由外部中断唤醒， INT0/P3.2，INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,Rxd/P3.0 CCP0/P1.3(也可以通过寄存器设置到P4.2),CCP1/P1.4(也可以通过寄出去设置到P4.3)15.PWM（2路）/PCA（可编程阵列，2路） -也可以当2路D/A使用 -也可用来再实现2个定时器 -也可以用来再实现2个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持16，A/D转换，10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S（每秒钟可达25万次）17，通用全双工异步串行口（UART）,由于STC12系列是高速的8051，可用定时器或PCA软件实现多串口18，STC12C5xxx系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2(可通过寄出去设置到P4.2)，TxD2/P1.3（可通过寄存器设置到P4.3）19,工作温度范围:-40+8520，封装为LQFR-44 I/O口不够用时，可用2到3根普通I/O口线外接 74HC164/165/595(均可级联)来扩展I/O口，还可以用A/D做按键扫描来节约I/O口，或用爽CPU，三线通信，还多了串口。2.2.2指令分类MCS-51共111条指令， 指令分类 1、按指令所占的字节来分： (1)单字节指令（49条） 如MOV A，R2，(机器码11101010) (2)双字节指令（46条） 如MOV A，#0BH，(机器码74H， 0BH) (3)三字节指令（16条） 如MOV 0BH, #0BH ,(机器码75H, 0BH,0BH) 2、按指令的执行时间来分：（1个机器周期为12个时钟周期） (1) 1个机器周期（64条） ，如MOV A，R2 MOV A，#0BH， (2) 2个机器周期（45条） ，如MOV 0BH, #0BH (3) 4个机器周期（2条） ，乘、除指令。 3、按操作码和操作数分： 1、操作码：用来规定指令进行什么操作 如MOV A，#0BH，(机器码74H，0BH) 其中74H为操作码，指明“将立即数送入ACC”这种操作； 2、操作数：则是指令操作的对象,有可能是数据,也可能是地址 如MOV A，#0BH，其中#0BH为操作数。有单字节指令、双字节指令、三字节不同长度的指令，格式不同： （1）单字节指令：操作码、操作数同在一个字节中。 （2）双字节指令：操作码+操作数。 （3）三字节指令：操作码+操作数+操作数。2.2.3指令系统的寻址方式一、操作数在寄存器中； 如MOV A，Rn ；(Rn)A，n=07 1、4组工作寄存区，共32个工作寄存器。 2、部分特殊功能寄存器，例如A、B 及DPTR等。 二、访问片外数据存储器 (1)用R0或R1作为间址寄存器，寻址范围为片外低256个字节； (2)用DPTR作为间址寄存器，寻址范围为片外64K。 a) MOVX A，Ri ；i=0或1 若(Ri)=70H，把外部RAM中70H单元的内容送到A b) MOVX A，DPTR 若(DPTR)=2000H，把外部RAM中2000H单元的内容送到A 三、堆栈操作指令访问堆栈区 堆栈专用操作指令PUSH（压栈）和POP（出栈）使用堆栈 指针（SP）作间址寄存器 指令PUSH(压栈)和POP(出栈)，无前缀标志“” 立即(数)寻址方式 操作数在指令中直接给出,需在操作数前面加前缀标志“#”。 如MOV A，#40H，此时立即数在程序存储单元中。 四、基址寄存器加变址寄存器间址寻址方式 1、以DPTR或PC作基址寄存器，以累加器A作为变址寄存器； 2、基址寄存器+变址寄存器形成操作数地址； 3、本寻址方式专门针对程序存储器，寻址范围可达到64KB。 4、本寻址方式的指令只有3条： MOVC A，A+DPTR MOVC A，A+PC JMP A+DPTR 前2条又称查表指令，将程序存储器单元内容给ACC；后1条为散转指令，属于转移类指令。 五、位寻址方式 89C51有位处理功能，可以对数据位进行操作， 如MOV C，40H是把位40H的值送到进位位C。 寻址范围：1、内部RAM中的位寻址区（20H2FH），有2种表示方法。（1）直接给出位地址，如MOV C，40H； (2) 单元地址加位数，如MOV C，(28H).0，指的是28H单元中的最低位。 2、SFR中的可寻址位（70HFFH，共83位），有4种表示方法。 (1) 直接给出位地址，如MOV C，0D5H(PSW.5的位地址)； (2) 直接写位名称，如MOV C，F0； (3) 单元地址加位数，如MOV C， (0D0H).5； (4) SFR符号加位数，如MOV C， PSW.5。 六、相对寻址方式 在相对寻址的转移指令中，给出了地址偏移量“rel”，即目的地址=转移指令所在的地址+ 转移指令的字节数+ rel.2.2.4定时器/计数器 STC12C5A60S2系列单片机有4个定时器，其中定时器1有二个16位定时器，与传统8051的定时器完全兼容，也可以设置为1T模式，当在定时器1做波特率发生器时，定时器0可以当二个8位定时器用（另外2路PCA/PWM可以再实现2个16位定时器）。 STC12C5A60S2系列单片机单片机内部设置为二个十六位定时器/计数器T0和T1都具有计数方式和定时方式二种工作。对每个定时器/计数器（T0和T1），在特殊功能寄存器TMOD中都有一控制位C/T来选择T0和T1为定时器还是计数器。定时器/计数器的核心部件是一个加法（也有减法）的计数器，其本质是对脉冲进行计数。只是技术脉冲饿来源不同;如果计数脉冲来自于系统时钟，则为定时方式，此时定时器/计数器每12份额时钟或者每1个时钟得到一个计数脉冲，计数值加1；如果计数脉冲来自单片机外部引脚（T0为P3.4，T1为P3.5），则为计数方式，每来一个脉冲加1. 当定时器/计数器工作在定时模式时，特殊功能寄存器AXUR中的T0x12和T1x12分别决定是系统时钟/12还是系统时钟/1（不分频）后让T0和T1进行计数。当定时器/计数器工作在计数模式时，对外部脉冲计数不分频。 定时器/计数器0有4种工作模式，模式0（12位定时器/计数器），模式1（16位定时器/计数器），模式2（8位自动重装模式），模式3（二个8位定时器/计数器）。定时器/计数器除模式3外，其他工作模式与定时器.计数器0相同，T1在模式3时无效，停止计数。 表2.1 定时器/计数器的相关寄存器定时/计数器应用编程，在通常情况下，设置顺序大致如下所示：1）工作方式控制字（TMOD,T2CON）的设置；2）计数初值的计数并装入THX,TLX.RCAP2H.RCAP2L;3）中断允许ETX。EA的设置，使主机开放中断；4）启/停TRX的设置等2.2.5中断系统介绍 中断系统是为使PCU具有对外界紧急事件处理能力而设置的。当中央处理器CPU正在处理末件事情的时候发生了紧急事件请求，要求CPU暂停当前的工作，转而去处理这个紧急事情，处理完以后，再回到原来被中断的地方，继续原来的工作，这样的过程称为中断。实现这种功能的部件称为中断系统，请示CPU中断的请求源称为中断源。微型机的中断系统一般允许多个中断源，当几个中断源同时向PCU请求中断，要求为它服务的时候，这就存在CPU优先响应哪一个中断源请求的问题。通常根据中断源的轻重缓急排队，优先处理最紧急的中断请求源，即规定每一个中断源有一个优先级别。CPU总是先响应优先级别最高的中断源请求。 当CPU正在处理一个中断请求的时候（执行相应的中断服务程序），发生了另外一个优先级更高的中断请求源.如果CPU能够暂停当前的工作，转而去处理这个紧急事件处理完以后，再回到原低级中断服务程序，这样的过程称为中断嵌套。这样的中断系统称为多级中断系统，没有中断嵌套功能的中断系统称单级中断系统。 XTC12C5A60S2系统单片机提供了10个中断请求源，它们分别是：外部中断0.定时器0中断.外部中断1.定时器1中断.串口1中断.A/D转换中断.低压检测中断.PCA中断.串口2中断及SPI中断。所有的中断都具有4个中断优先级。用户可以用关中断允许来使CPU响应中断的允许位来屏蔽所有的中断请求，也可以用打开相应的中断允许位来使CPU响应相应的中断请求；每一个中断源可以用软件独立地控制为开中断或关中断状态；每一个中断的优先级均可用软件设置。高优先级的中断请求可以打断低优先级的中断，反正，低优先级的中断不能打断搞优先级及通优先级的中断。当两个相同优先级的中断同事产生时，将由查询次序来决定系统先响应哪个中断。STC12C5A60S2系列的单片机的各个中断查询次数如下表所示：表2.2 中断查询2.3其他相关介绍2.3.1 液晶屏显示介绍从液晶显示器的结构来看，LCD由两块玻璃板构成，厚约1mm，其间由包含有液晶材料的5m均匀间隔隔开。因为液晶材料本身并不发光，所以在显示屏两边都设有作为光源的灯管，而在液晶显示屏背面有一块背光板（或称匀光板）和反光膜，背光板是由荧光物质组成的可以发射光线，其作用主要是提供均匀的背景光源。 背光板发出的光线在穿过第一层偏振过滤层之后进入包含成千上万液晶液滴的液晶层。液晶层中的液滴都被包含在细小的单元格结构中，一个或多个单元格构成屏幕上的一个像素。在玻璃板与液晶材料之间是透明的电极，电极分为行和列，在行与列的交叉点上，通过改变电压而改变液晶的旋光状态，液晶材料的作用类似于一个个小的光阀。在液晶材料周边是控制电路部分和驱动电路部分。当LCD中的电极产生电场时，液晶分子就会产生扭曲，从而将穿越其中的光线进行有规则的折射，然后经过第二层过滤层的过滤在屏幕上显示出来。 液晶显示技术也存在弱点和技术瓶颈，与CRT显示器相比亮度、画面均匀度、可视角度和反应时间上都存在明显的差距。其中反应时间和可视角度均取决于液晶面板的质量，画面均匀度和辅助光学模块有很大关系。 对于液晶显示器来说，亮度往往和他的背板光源有关。背板光源越亮，整个液晶显示器的亮度也会随之提高。而在早期的液晶显示器中，因为只使用2个冷光源灯管，往往会造成亮度不均匀等现象，同时明亮度也不尽人意。一直到后来使用4个冷光源灯管产品的推出，才有很大的改善。 信号反应时间也就是液晶显示器的液晶单元响应延迟。实际上就是指的液晶单元从一种分子排列状态转变成另外一种分子排列状态所需要的时间，响应时间愈小愈好，它反应了液晶显示器各像素点对输入信号反应的速度，即屏幕由暗转亮或由亮转暗的速度。响应时间越小则使用者在看运动画面时不会出现尾影拖拽的感觉。2.3.2 可控硅调压原理1. 可控硅(晶闸管)交流调压电路的原理方框图如图1所示。图2.3 交流可控硅调压电路原理方框图（1）整流电路采用桥式整流,将220伏,50赫兹交流电压变为脉动直流电。 （2）抗干扰电路为普通电源抗干扰电路。（3）可控硅控制电路采用可控硅和降压电阻组成。（4）张弛振荡器由单结晶体管和电阻组成。（5）冲放电电路有电阻和可变电阻及电容组成。2 可控硅(晶闸管)交流调压电路原理图图2.4 交流可控硅调压电路的原理图3. 可控硅(晶闸管)交流调压电路工作原理图中TVP抗干扰普通电源电路。采用双向TVP管子。它对于电网的尖脉冲电压和雷电叠加电压等等干扰超过去额定的数值量,都能有效的吸收。整流电路采用桥式整流,由4只二极管组成,D1,D2,D3,D4组成。双基极二极管组成张弛真振荡器作为可控硅的同步触发电路。当调压器接上市电后220伏交流电通过负载电阻Rc,二极管D1到D4整流,在可控硅SCH的A ,K两极形成一个脉动的直流电压。该电压由电阻R1降压后作为触发电路的直流电源。在交流的正半周时,整流电路通过电阻R1,可变电阻W1对电容充电。当充电电压T1管的峰值电压Up时,管子由截止变为导通。于是电容C通过T1管的e1,b1结和R2迅速的放电,结果在R2上获得一个尖脉冲。这个脉冲作为控制信号送到可控硅SCR的控制极,使可控硅导通。可控硅导通后的管压降很低,一般小于1伏,所以张弛振荡器停止工作。当交流电通过0点时,可控硅自行关断。当交流电在负半周时C又重新充电周而复始。改变可变电阻的阻值可改变电容的冲放电时间,从而改变可控硅的导通时刻,来改变负载上的的输出电压。 第三章 系统硬件设计3.1 系统结构设计3.1.1直饮水机控制设计要求（1）设计出3路不同电压转变为直流电的整流模块，即为12VCC,12VCC,24VCC交流输出。（2）设计出调试方便的控制系统。（3）设计出具备光耦隔离，抗干扰强的直饮水机电路板。（4）设计具备个性化的按键操作，便于用户简单操作及安全。（5）设计具备报警功能的电路模块。3.1.2电路控制系统框图直饮水机的控制系统分为二部分控制：分别是12VCC控制部分与24VCC控制部分，12VCC控制直饮水机的出水阀，进水阀，过滤泵1，过滤泵2，制冷，自来水，上循环，下循环，下水UV,上水UV以及风等十几部分组成。图3.1单个继电器控制结构框图该设计是由多路继电器组成。每一个继电器控制着每一种工作模式，而R1与D3的设计仅仅为了调试使用，有利于在程序调试阶段，清楚明确的知道那一部分继电器在正常工作运行中，方便于调试的快速进行。另外一部分的控制系统框图是水位传感器，温湿度传感器的控制框图。图3.2传感器控制框图3.1.3电路系统结构框图图3.3 直饮水机电路系统框图该直饮水机的系统结构框图大致可以分为6个部分，分别是液晶屏显示电路，电源模块，继电器控制模块，按键模块，可控硅电路模块以及上拉电阻模块。图3.4单片机STC12C5A60S2引脚示意图3.2 系统硬件模块设计3.2.1时钟电路时钟电路可以简单定义如下： 1.就是产生象时钟一样准确的振荡电路。 2.任何工作都按时间顺序。用于产生这个时间的电路就是时钟电路。时钟电路一般由晶体震荡器、晶震控制芯片和电容组成。直饮水机采用的时钟电路设计方案图如下所示：图3.5 时钟电路模块3.2.2复位电路STC12C5A60S2系列的单片机有五种复位方式：外部RST引脚复位，外部低压检测复位（新增的第二复位引脚RST2复位，实现外部可调复位门槛低压复位），软件复位，掉电模式/上电模式复位（并可选择增加额外的复位延时200mS，也叫MAX810专用复位电路，其实就是上电模式复位后增加一个200ms复位延时），看门狗复位关于复位电路设计：时钟频率低于12MHz时，可以不采用C1,R1接1K电阻到地时钟频率高于12MHz时，建议使用第二复位功能脚（STC12C5A60S2系列在RST/EX_LVD/P4.6口），利用增加的外部检测LVD功能作为外部低压检测复位脚。直饮水机采用的是外部引脚RST复位电路，示意图如下所示：图3.6 时钟复位电路3.2.3蜂鸣器模块蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电供电广泛应用于计算机，打印机，复印机报警器，电子玩具，汽车电子设备，电话机等电子产品中作发声器件。而直饮水机的蜂鸣器模块设计是用于报警模块，蜂鸣器模块设计如下图所示：图3.7 蜂鸣器模块设计3.2.4电机控制电路直饮水机电机控制的原理是小电流控制大电流，而这种控制方法很多。例如：让用单片机的I/O（20ma）控制电磁铁的大电流（1A）左右？可采取多种方法来控制: 用固态继电器,L298N,开关三极管都能实现控制要求，另外还可以采用继电器来控制达到要求？这些方法那些是可以直接把单片机引脚直接接在驱动电路上呢（需不需要加光隔、光耦倒无所谓），单片机的I/O口电流一般不足以驱动继电器，而且像1A这样的电流用三极管或场效应管就足够了，用继电器反而有耗电大、速度慢、寿命短等很多缺点，除非驱动电磁铁是交流电或高电压（例如220V）。如果要隔离电磁铁驱动电源和单片机电源，那就用光耦，否则就不需要。而本设计是用小电流来控制220V的大电流，而采用继电器控制，更能达到要求，若采用IC芯片的I/0直接连接继电器反而会出现一个问题：单片机的引脚输出电流达不到控制要求，因单片机引脚输出的电流不会超过55mA，否则单片机便会烧毁。所以单个引脚输出的电流是非常小的，根本达不到控制继电器的电流要求，因此，此设计必须添加一路光耦隔离芯片PC847以及一款上拉电流的芯片使之单片机能达到控制继电器，这样最终实现小电流控制220V大电流，达到安全可靠的效果。电路设计如下所示：图3.8继电器模块设计3.2.5电源电路直饮水机采用了多路电源电路设计，变压器将220V交流电压变为12V交流电压，经4个IN4007构成的桥式整流电路整流后，把正弦波交流整流为脉动直流电，其波形如图 所示，先进行滤波作用，该直流电通过7805三段稳压芯片稳压后输出5V的直流电，再经过滤波作用，并用此直流电做后续电路的供电电源。交流电采用X7805系列稳压电路，因为它有一系列固定的电压输出，应用非常广泛。每种类型由内部电路限制，以及过热保护和安全区的保护，使他基本不会损坏。如果能提过足够的散热片，题目就能提供大于1.5A的电流，虽然是按照固定电压值设计的，但当ieru适当的外部器件后，就能获得各种不同的电压和电流，X7805的特点有5点：1.最大输出电流为1.5A2.输出电压为5V3.热过载保护4.短路保护5.输出晶体管安全工作区保护图3.9电源电路设计电源电路设计的方法很多，但为了系统更能稳定的工作，对其24VVCC电源电路进行设计处理。下述设计是通过LM2576HV-ADJ进行设计的电源电路，在此设计中特别要注意的一点是多处的GND接点是接到一点的，即GND的设计并不能通过多处的GND连接而设计，若按照各各GND连接设计电路的话，虽能将线路连接通，但这样设计的24VVCC电源电路是不会工作的。 图3.10 24V电源电路设计原理图 图3.11 24V电源电路设计3.2.6电源采样调试在图3.16 24V电源电路设计中可以发现，R14,R18,C39构成的电路是作为反馈作用的，反馈设计示意图如下所示：图3.12电源电路反馈部分设计反馈电路的设计是为了使芯片LM2576更好的工作，而在调试过程中可以发现焊接C39位置的560nF电容后，LM2576达不到斩波的效果，去掉C39位置的560nF电容后，能达到要求，输出24V的VCC电源。3.2.7LCD液晶屏驱动电路设计LCD液晶屏显示其实和单个LED点亮的原理是一样的，给驱动芯片输入相应的代码就点亮液晶屏上相应的字符，HT1621B的驱动信号获取方式为，先将CS至1，在此之后DATA将输入一定的信号，在输入信号的同时，必须要先输入110信号，之后共8位信号将作为二进制的形式被HT1621B获取，并将相应的引脚置为高电平输出。驱动方法示意图如下所示， 图3.13 CS,WR,RD驱动显示模块 图3.14液晶屏控制板设计的LCD驱动电路3.2.8触摸电容按键模块电容式触摸按键原理介绍与传统的机械式按键相比，电容式触摸感应按键美观、耐用、寿命长。电容式触摸感应按键实际只是PCB上的一小块“覆铜焊盘”，与四周“地信号”构成一个感应电容，触摸该按键会影响该电容值。现在检测电容值的方法有很多种，如电流与电压相位差检测、由电容构成的振荡器频率检测、电容桥电荷转换检测。而这里则是利用感应电容与电阻构成的RC回路，检测充放电时间的变化量，不需要专用检测电路。电容式触摸感应按键的基本检测原理如下所示：电容式触摸按键电路的原理构成如图1所示，按键即是一个焊盘，与地构成一个感应电容，在周围环境不变的情况下电容值固定为微小值，具有固定的充放电时间，而当有一个导体向电极靠近时，会形成耦合电容，这样就会改变固有的充放电时间，而手指就是这样的导体。通过测量充放电时间的改变即可检测是否有按键被按下。充放电时间的计算公式如下：式中，t，R，C分别为充放电时间，电阻值，电容值;V1为充放电终止电压值;V2为充放电起始电压值;Vt为充放电t时刻电容上的电压值。图3.15 电容式触摸按键原理首先，开关在断开的状态下该按键被下拉电阻拉低，电势为0 V，这时开关闭合开始对按键充电，等充满电稳定后再断开开关，这时按键开始放电，并用定时器记录这段放电时间为t1，反复该过程。当有手指触碰按键时，放电时间会改变为t2，如图2所示，由此即可判断出手指是否触摸到该按键。 图3.16 电容式触摸按键放电时间触摸电容好比于是一种电子开光，当手去接触触摸电容时，HS04芯片将采集到有小电流通过，并在相对应的引脚输出高电平转达给芯片并做出相应的动作。按键模块由4个触摸式电容按键组成,而手指去接触触摸式电容按键那是具有一定的延时，增加一款采集信号的芯片HS04。 图3.17 按键模块设计3.2.9液晶屏显示及调光模块1，液晶屏背光亮度设置：液晶屏的亮度并不是固定的，而是可以根据需求可调动的，根据电流公式I*R=U，P=I*U,P=I2R,P=U2/R我们可以推算出流过背光屏及触摸式按键的电路大小及亮度及耗电的功率，示意图如下所示: 图3.18 液晶屏显示调光模块上图所示的VCC为5V电压，D2，D4为触摸式电容按键的显示灯，内侧的LED灯为显示屏中的其中二个LED灯，根据公式I*R=U，可以推算出电路中的2个IED灯流过的电流I=5V/510R=10mA，进而调节液晶屏的发光亮度，总而言之，R2,R4,R6,R8的电阻阻值大小决定液晶屏的亮度，电阻值变大，电流变小，液晶屏亮度变小；反之，电阻值变小，电流变大，液晶屏亮度变大。假设：R2,R4,R6,R8的电阻阻值属于可调电阻，那这款液晶屏就是属于可调亮度液晶屏。2,液晶屏显示图案：图3.19 液晶屏显示模块在这款液晶屏显示上，分别显示出当前温度，湿度及水温情况。2.2.10弱上拉模块设计STC单片机的驱动电压为5V，超过5V的电压，STC12C5A60S2单片机就会烧掉，而且通过单片机各个引脚的总电流超过5A也是会烧坏掉，为了防止这一事情，此电路设计采用弱上拉模块,上拉电阻的选择原则有三：一，从节约功耗及芯片的灌电流能力考虑应足够大；电阻大，电流小。二，从确保足够的驱动电流考虑应当足够小，电阻小，电流大。三，对高速电路，过大的上拉电阻可能边缘变平缓。综合考虑以上三点，通常在1K到10K之间选取。下面进行分析此直饮水机所采用到的上拉模块设计图3.20 上拉电阻模块通过电阻R31R37前的电压为5V电压，而电阻后面连接的则是传感器以及芯片的I/O口，而芯片的I/O口最大承受的电流总和不能超过55mA，否则便会烧毁。R31R37的阻值大小决定着通向芯片I/O口引脚以及传感器的电流大小。从上可知流进的电压为5V电压，那可计算出流入芯片的电流=流入的电压/电阻的阻值.在此电路设计的R31R37的电阻阻值为10K的电阻误差为1%。I=U/R=5V/10K=5V/10000R=0.0005A=5mA电流因此，在水位传感器与STC12C5A60S2单片机各个引脚输入的电流为5mA电流。 以此设计最终达到弱上拉模块的设计要求。 2.2.11 运放电路设计运算放大器是具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块。由于早期应用于模拟计算机中，用以实现数学运算，故得名“运算放大器”，此名称一直延续至今。运放是一个从功能的角度命名的电路单元，可以由分立的器件实现，也可以实现在半导体芯片当中。随着半导体技术的发展，如今绝大部分的运放是以单片的形式存在。现今运放的种类繁多，广泛应用于几乎所有的行业当中。按照集成运算放大器的参数来分,集成运算放大器可分为如下几类。1通用型运算放大器2高阻型运算放大器3低温漂型运算放大器4高速型运算放大器5低功耗型运算放大器6高压大功率型运算放大器运算放大器是用途广泛的器件，接入适当的反馈网络，可用作精密的交流和直流放大器、有源滤波器、振荡器及电压比较器。在直饮水机中涉及到的运算放大器是属于低功耗型运算放大器。具备二种功能，运算放大倍数，及隔离的作用。设计所示如下：图3.21运算放大电路上述中的运放电路设计，即为A/D转换电路设计，模拟信号的测试离不开A/D转换器，它的性能直接影响到测量精度。高精度，高速度的A/D转换器是实现高精度测量的前提，但从成本和设计要求来看，选择适合的A/D转换器至关重要。A/D转换实际就是模拟信号转换为数字信号，而D/A转换电路就是数字信号转换为模拟信号，列举24V电压输出为例。数模转换示意关系如下中间数模之间转换的关系为 以数字信号0000 0001与0000 0010 为例 （0000 0001）2 / (1111 1111)2*24V=1/255*24V=0.094V (0000 0010）2 / (1111 1111)2*24V=2/255*24V=0.188V3.3 电路抗干扰设计3.3.1印制电路板（PCB）抗干扰PCB及电路抗干扰措施 印制电路板的抗干扰设计与具体电路有着密切的关系,下面仅对PCB抗干扰设计的几项常用措施作说明。1.电源线设计根据印制线路板电流的大小,尽量加租电源线宽度,减少环路电阻。同时、使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致,这样有助于增强抗噪声能力。 2地线设计地线设计的原则是： (1)数字地与模拟地分开。若线路板上既有逻辑电路又有线性电路,应使它们尽量分开。低频电路的地应尽量采用单点并联接地,实际布线有困难时可部分串联后再并联接地。高频电路宜采用多点串联接地,地线应短而租,高频元件周围尽量用栅格状大面积地箔。 (2)接地线应尽量加粗。若接地线用很纫的线条,则接地电位随电流的变化而变化,使抗噪性能降低。因此应将接地线加粗,使它能通过三倍于印制板上的允许电流。如有可能,接地线应在23mm以上。 (3)接地线构成闭环路。只由数字电路组成的印制板,其接地电路布成团环路大多能提高抗噪声能力。 3.退藕电容配置PCB设计的常规做法之一是在印制板的各个关键部位配置适当的退藕电容。退藕电容的一般配置原则是： (1)电源输入端跨接10100uf的电解电容器。如有可能,接100uF以上的更好。 (2)原则上每个集成电路芯片都应布置一个0.01pF的瓷片电容,如遇印制板空隙不够,可每48个芯片布置一个110pF的胆电容。 (3)对于抗噪能力弱、关断时电源变化大的器件,如RAM、ROM存储器件,应在芯片的电源线和地线之间直接接入退藕电容。(4)电容引线不能太长,尤其是高频旁路电容不能有引线。此外,还应注意以下两点：(1在印制板中有接触器、继电器、按钮等元件时操作它们时均会产生较大火花放电,必须采用RC电路来吸收放电电流。一般R取12K,C取2.247UF。(2)CMOS的输入阻抗很高,且易受感应,因此在使用时对不用端要接地或接正电源。 图3.22 印制板抗干扰电路设计3.3.2集成芯片去耦集成芯片去耦的方法有很多，一般都是增加电容器达到去耦的效果，在该电路设计中采用的是104电路和100/1000F电容并联到集成芯片的VCC上，达到去耦的效果，效果示意图如下所示：图3.23 显示板芯片去耦原理图设计任何的集成芯片都是按照上述示意图进行去耦设计的，在PCB板设计的同时，切忌将104电容与16V/100F电容并联的放在集成芯片附件，在足够空间位置的时候，尽可能的靠近集成芯片的引脚处示意图如下：图3.24 显示板芯片去耦印制板设计3.3.3电源线和地线阻抗噪音解决方法根据电路板电流的大小，尽量加粗电源线的宽度，减少环路电流，同时使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。在进行电源设计时，模拟电路和数字电路部分要独立供电，数字地与模拟地分开，遵循“单点”接地的原则。系统中的模拟电源一般由（有噪声的）数字电源产生，可以通过以下方式产生： 一种是数字电源与模拟电源，以及数字地与模拟地之间加铁氧体磁珠或电感构成无源滤波电路，铁氧体磁珠在低频时阻抗很低，而在高频时阻抗很高，可以抑制高频