现代控制理论大作业-智能控温饮水机

智能控温饮水机 （河南科技大学 信息工程学院 河南省 洛阳市 ）摘要：普通饮水机都只有一些基本的功能。例如加热、保温。然而，随着人们的物质生活的不断提高，对饮水机的性能要求也不断提高。为了满足人们对饮水机的性能要求。本课题研究智能饮水机控制系统。它主要功能是在温度达到100沸腾，并能在0100之间以5为最小温差进行温度设定。从而得到任意想的水温。非常人性化，它还具有过热保护及防干烧功能等。 随着计算机技术的发展，单片机技术已成为计算机技术中的一个独特的分支，单片机的应用领域也越来越广泛，特别是在工业控制和仪器仪表智能化中扮演着极其重要的角色。过去经常采用模拟电路、数字电路实现的电路系统，现在相当大一部分可以用单片机予以实现，传统的电路设计方法已演变成软件和硬件相结合的设计方法。在实际应用中，单片机经常要与各种传感器相结合组成一定的应用系统，以实现系统的自动检测与控制。本文所设计的智能饮水机就是单片机结合传感器的一个简单应用。该系统设计综合单片机以及电子技术理论，从生活实际出发，完善了饮水机的功能。整个设计系统实现三个功能，即加热、对温度上下限的控制和定时加热。与传统的饮水机相比，由于采用了自动检测和控制的电子设计技术，可较好地实现对水温的测量和控制，具有较广泛的应用前景。关键字: 智能饮水机 单片机 温度采集 功能设定1.1引言单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛, 在很多电子产品中也用到了温度检测和温度控制。目前广泛使用的饮水机，具有价格低廉，制造简便等优点。但是随着用户长时间使用，这些饮水机功能单一、能耗较大、长时间饮用饮水机的水对健康不利等缺点逐渐暴露出来。传统的饮水机的局限性一般体现在以下几个方面：第一,功能相对简单。只有简单的温度控制，而且用户还不能自己根据自己的喜好设定温控参数。第二,能耗较大。在没有人使用的时候饮水机也处在开机状态无疑会造成能源的大量浪费，在能源紧缺的今天这个方面亟待解决。第三, 长期饮用饮水机里的水会对健康不利。由于广泛使用的饮水机烧水不能完全沸腾，长期饮用这种水会对身体造成较大的伤害。本此设计的智能饮水机, 采用DS18B20实现温度采集，经过LED显示, 读数直观、准确。并且程序存储器E2PROM, 可以很容易的实现软件升级, 从软件方面提高仪器精度。同时可以对加热实现基本的控制，从而防止了“千滚水”对身体造成的伤害，满足生活的需求。1.2 智能饮水机的主体功能(1)智能饮水机的主体功能：本课题设计的智能饮水机具有过热保护防干烧、加热至沸腾、设置温度加热、超温报警提示、安全锁定、电动机出水功能等。(2)智能饮水机的按键功能：出水键：控制饮水机出水和停止出水；加热键：负责控制开始加热和停止加热；锁定键：按下锁定键，其他按键无效；切换健：按下后开始设定用户想要的温度；温度设定键：按一下温度增加5，温度可在0到100之间循环。(3)智能饮水机的显示功能：电源灯(绿色)：接通电源，电源灯点亮；加热指示灯(黄色)：按下加热键，加 热指示灯点亮，表示烧水开始工作。再次按下加热键，指示灯熄灭，表示烧水停止；锁定键指示灯(蓝色)：锁定其他按键功能，灯亮表示其他按键均不可用；超温报警灯(红色)：灯点亮表示水已经达到设定的加热温度或已沸腾并停止加热；数码管：显示当前水温或用户设定的温度。蜂鸣器：响起后说明水以沸腾并停止加热。2.1 单片机概念分析单片机是指一个集成在一块芯片上的完整的计算机系统。虽然它的大部分功能都集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件（如：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存）。同时集成：通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。2.2 单片机的种类单片机根据目前发展情况，从不同角度大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。 通用型/专用型 这是按单片机适用范围来区分的。例如，80C51是通用型单片机，它不是为某种专用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。 总线型/非总线型 这是按单片机是否提供并行总线来区分的。总线型单片机普遍设置有并行地址总线、数据总线、控制总线，这些引脚用于扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减少封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。 控制型/家电型 这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。一般而言，工控型寻址范围大，运算 能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。 显然，上述分类并不是惟一的和严格的。例如，80C51类单片机既是通用型又是总线型，还可以作为工控用。2.3单片机的引脚介绍 1) 主电源引脚（2根）VCC(P40)：电源输入，接5V电源 GND(P20)：接地线2) 外接晶振引脚（2根）XTAL1(P19)：片内振荡电路的输入端XTAL2(P20)：片内振荡电路的输出端3) 控制引脚（4根）RST/VPP(P9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG(P30)：地址锁存允许信号PSEN(P29)：外部存储器读选通信号EA/VPP(P31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。 4) 可编程输入/输出引脚（32根） AT89S51单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。每一根引脚都可以编程，比如用来控制电机、交通灯、霓虹灯等，开发产品时就是利用这些可编程引脚来实现我们想要的功能，尽情发挥你的想象力吧，实现你想要的：） 强大无比。 PO口（P39P32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0P0.7 P1口（P1P8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7 P2口（P21P28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7 P3口（P10P17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.73.1 智能饮水机的总体设计整个硬件系统由主控制系统、输入输出模块、传感器、其他功能电路和电源部分组成。主控系统使用单片机控制，包括对键盘的信息的接收和控制，对其他功能电路的控制等，通过软件编程实现预定功能；传感器部分即检测子系统，主要是进行饮水机中水的温度检测和控制，采用智能温度传感器DS18B20；其他功能电路部分包括恒温，防干烧，出水等电路，达到功能多样化；电源部分为智能饮水机提供必要的电能，保证饮水机能够正常的工作。整体框图如图3-1所示。以下详细讨论每个功能模块的设计思想和硬件电路的实现。温度检测电路晶振电路复位电路其他功能电路功能显示报警电路键盘单片机AT89S52数码显示电源电路 图3-1 智能饮水机电路框图3.2 元器件选择主机单元由AT89S52单片机和相关的存储器组成，是仪表的核心。关键部分期间名称及其在电路中的主要功能如下：(1)AT89S52:完成监控系统数据采集过程、采集方式和报警过程的控制。是整个系统的核心处理器，单片机首先把通过传感器测到的现场温度与预先设置的温度进行比较，如果大于或小于预先设置值,就输出信号去控制加热器的工作,从而实现温度控制。(2)数码管:用于显示当前水温及设定的水温。(3)DS18B20:单线数字温度传感器，可直接将被测温度转化为串行数字信号，以供单片机处理。(4)各色LED及蜂鸣器:用于提示用户饮水机的各种状态。(5)按键：输入模块，用于控制单片机完成各项功能。3.3 AT89S52的主要性能AT89S52具有8k字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作指导下一个硬件复位。3.4 测温电路的设计3.4.1 DS18B20的引脚图及方框图DS18B20的外形及管脚排列图如下图3-3所示。 (1)GND 地信号(2)DQ 数据输入/输出引脚。用在寄生电源下，可以向器件提供电源。(3)VDD 可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。图3-3 DS18B20外形及引脚排列3.4.2 DS18B20主要性能(1) 独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；(2)测温范围 55125，固有测温分辨率0.5； (3)支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定，实现多点测温； (4)工作电源: 直流35V； (5)在使用中不需要任何外围元件； (6)测量结果以912位数字量方式串行传送； (7)不锈钢保护管直径 6 ；(8)适用于DN1525， DN40DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温； (9)标准安装螺纹 M10X1， M12X1.5， G1/2”任选； (10)PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线，便于与其它电器设备连接。 3.5 主控系统主控系统采用单片机控制。3.6 输入控制输入控制采用的按键控制，这样不仅减少的制作成本而且便于做。通过74LS373的通断进行按键信号的传输，当74LS373被锁定时，按键信号不能传入单片机，从而达到按键的锁定作用。3.7 显示部分LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a、b、c、d、e、f、g、p来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的字样了。如：显示一个“2”字，那么应当是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮p不亮。LED数码管有微亮亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸数码管是由二个或多个发光二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极称为共阳极数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极称为共阴极数码管。常用LED数码管所显示的数字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。LED数码管引脚共阴和共阳两种方式：电源VCC通过1个1K的排阻与LED相连，VCC串接个电阻后和GND接在任意2个脚上，组合有很多，但总有一个LED会发光的，找到一个就够了，然后GND不动，VCC（串电阻）逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那它就是共阴。相反用VCC不动，GND逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那它就是共阳。也可以直接用数字万用表，将档位拨到二极管通断性测试档，这时红表笔代表电源的正极，黑表笔代表电源的负极，然后在引脚上进行逐个测试，以确定是共阳还是共阴。一般十个引脚分别为7个段加2个公共加一个小数点。公共端一般在中间或在两边，两排，一排一个对称。至于其他引脚的排序你可以自己量出来。数码管所使用的电流与电压(1)电流：静态时，推荐使用10-15mA；动态时，16/1动态扫描时，平均电流为4-5mA，峰值电流50-60mA。(2)电压：查引脚排布图，看一下每段的芯片数量是多少？当红色时，使用1.9V乘以每段的芯片串联的个数；当绿色时，使用2.1V乘以每段的芯片串联的个数。4. 主程序设计程序的初始化主要包括三个环节：(1)实现各种设置堆栈指针、定时器/计数器0初始化、以及开中断、定时器/计数器启动；(2)实现LED显示当前水温并能显示预设的水温；(3)不断的进行按键扫描，判断是否有按键按下，如没有按键按下，则返回显示；如有按键按下，则根据所按键实现相应的操作。人机对话功能键设置如下：(1)“出水”键：控制其出水和停止出水；(2)“加热”键：控制其加热和停止加热；(3)“锁定”键：用于锁定其他所有按键；(4)“切换”键：用于将显示器切换至温度设定界面并开始设定温度； (5)“设置温度”键：以5为间隔在0至100之间以递增方式设定水温结 论本次智能饮水机的控制系统改良设计，主要是针对目前市面上饮水机某些方面的不足进行改良设计。本文主要是针对目前绝大多数饮水机只具有一般的加热、保温功能，已经很难满足消费者不断提高的要求，所以我们有必要对其进行改良设计，使他能够满足人们生活水平不断提高的要求。本文主要介绍了按键控制饮水机的总体设计、硬件系统设计、软件系统设计以及调试方法。通过不断的设计调试及改良，选出最优方案，所选方案具有功能强、精度高、可靠性好、稳定性高、抗干扰性强等特点。设计的饮水机除按键控制之外，还具有防干烧、设定温度、故障报警等功能。在这次毕业设计的过程中，我发现自己许多不足的地方。不过通过边学习边做毕业设计使我掌握了单片机的软、硬件基础知识。在不断提高我的自学能力，分析问题、解决问题的能力的同时也考验了我们借助互联网络搜集、查阅相关书籍资料，和组织材料的综合