基于at89c51单片机的智能饮水机的设计

摘要在饮水机进入高潮的今天，市场十分活跃，然而，消费者对饮水机的选择不是停留在过去的眼光，而是高标准。不仅实用而且要求外形脱俗，跟上时代潮流步伐，要求适应两种水源，水质质量智能化显示，多功能一机多用，在某种功能要有新的突破。当前绝大多数厂家生产的饮水机虽然很多都已实现智能化控制，但基本上仍采用按键控制，已经很难满足消费者不断提高的要求。本设计正是针对这一要求，采用更人性化的人机界面触摸屏加以控制。触摸屏控制操作简单、便捷，其必将成为人机互动的最佳界面而迅速普及。本设计采用AT89C51单片机，利用温度传感器DS18B20进行温度的检测和控制，通过触摸屏进行系统的控制。饮水机的控制系统主要内容包括系统方案、理论分析、硬件设计、软件编写、系统调试及主要技术性能参数等。设计的饮水机除触摸屏控制之外，还具有防干烧、定温定量、灭菌等功能。关键词触摸屏；单片机；温度传感器；饮水机目录摘要IABSTRACTII第1章绪论311课题研究的背景312国内外研究现状综述3121国内外产品研究现状3122智能饮水机存在的问题分析413课题研究的目的和意义414本课题主要研究内容415本章小结5第2章智能饮水机的总体设计方案621设计目标622智能饮水机的组成结构623智能饮水机的设计方案7231主控系统7232输入输出部分8233传感器部分8234其他功能电路部分924本章小结10第3章智能饮水机的硬件结构设计1131智能饮水机的总体设计1132主控系统1133触摸屏（输入）控制15331触摸屏原理15332ADS7846触摸屏控制器16333ADS7846与触摸屏的连接18334单片机与ADS7846的连接1834液晶显示（输出）部分19341液晶显示电路图19342液晶显示控制器SED133519343液晶显示屏PDA32024021344八D锁存器74LS3732134传感器（温度控制）部分22341智能（数字）温度传感器DS18B2022342DS18B20与单片机的连接2435其他功能电路部分24351防干烧电路24352定温定量、制冷加热电路26353灭菌装置电路2736本章小结27第4章智能饮水机的软件设计2841系统存储空间的分配2842主程序设计2843温度检测程序设计3144DS18B20各时序3345显示子程序3546触摸键扫描和分析子程序3647中断服务程序3848其他相关程序4049本章小结40第5章调试及性能分析4151硬件调试4152软件调试4153性能分析4254本章小结42结论43致谢44参考文献45附录146附录257第1章绪论11课题研究的背景饮水机是采用瓶装水或者自来水经净水器净化作为水源，利用电能制冷和加热，一年四季提供常温水、热水（8595）、冰水（515）的饮水电器。饮水机基本能满足人们日常的饮水、泡茶、冲咖啡、即食食品以及调制冷饮的各种需要。饮水机具有饮水时尚、外形新颖、结构简单、操作方便、清洁卫生、价廉物美等优点。在饮水机进入高潮的今天，市场十分活跃，然而，消费者对饮水机的选择不是停留在过去的眼光，而是高标准，不仅实用而且要求外形脱俗，跟上时代潮流步伐，要求适应两种水源，水质质量智能化显示，多功能一机多用，在某种功能要有新的突破。当前绝大多数厂家生产的饮水机虽然很多都已实现智能化控制，但基本上仍采用按键控制，已经很难满足消费者不断提高的要求。目前触摸屏的应用范围从以往的银行自动柜员机、工控计算机等小众商用市场，迅速扩展到手机、PDA、GPS全球定位系统、MP3，甚至平板电脑UMPC等大众消费电子领域。展望未来，触控操作简单、便捷，人性化的触摸屏有望成为人机互动的最佳界面而迅速普及1。应用触摸控制饮水机已是饮水机发展的大势所趋。12国内外研究现状综述121国内外产品研究现状可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。饮水机也不例外。单片机按其应用范围可分为通用型和专用型两类。家用电器多采用专用型单片机，如日本NEC公司开发的7500系列和75X00系列4位单片机、美国国家半导体公司的COP400系列4位单片机，以及日本松下公司的MN1400系列、美国ZILOG公司的Z8系列以及日本富士通公司的MB88系列等专用型单片机。家用电器所采用的通用型单片机，主要是INTEL公司的MCS系列产品。目前饮水机基本上都采用单片机控制，但各厂家生产的饮水机单片机控制所达到的功能确各不相同。智能化，多功能必定是发展趋势。饮水机现今主要还是按键控制，触摸控制的的饮水机相对比较少。安吉尔立式饮水机A780LXQN7就是触摸饮水机其中之一。操作简单、便捷，人性化的触摸屏必将成为未来饮水机发展的趋势。122智能饮水机存在的问题分析目前饮水机生产厂家生产的产品所达到的功能各不相同，虽大多已实现智能化控制，但基本上仍采用按键控制，已经很难满足消费者不断提高的要求。本课题研究的智能饮水机的控制系统改良设计，智能饮水机除需要满足人们日常饮水要求之外，还需符合人们日益提高的要求。本设计针对以上问题，提出采用更加人性化的触摸控制，以满足人们的要求。本设计可以实现以下功能（1）触摸控制（2）精确的温度设定和可预先设定出水水量，取水轻松简单（3）可预约定时唤醒、定时休眠、定时关机（4）智能双重防干烧技术更安全（5）紫外线、臭氧消毒，卫生又健康，安全又放心（6）采用食品级材料和一次性煮沸，健康安全（7）制冷加热（8）温度等数码显示13课题研究的目的和意义采用单片机控制的饮水机，比用模拟电路、数字电路、专用芯片所做成的控制系统，在功能和整体性能上有很大提高。它利用单片机这一智能器件,通过硬件和软件的综合设计,使控制系统达到了性能稳定、反应速度快，可靠性高，达到所需要的功能设置。触摸屏控制的饮水机更符合人机工程，更符合人们日益提高的要求。目前触摸屏的应用范围从以往的银行自动柜员机、工控计算机等小众商用市场，迅速扩展到手机、PDA、GPS全球定位系统、MP3，甚至平板电脑UMPC等大众消费电子领域。展望未来，触控操作简单、便捷，人性化的触摸屏有望成为人机互动的最佳界面而迅速普及。应用触摸控制饮水机已是饮水机发展的大势所趋。14本课题主要研究内容本课题是基于单片机的饮水机控制系统的改良设计，采用AT89C51单片机。该单片机主要完成温度传感器信号的采集，触摸屏的触摸信息的接收，定时定量等功能。并通过软件编程实现预定功能。主要工作如下（1）控制系统的技术功能设计（2）控制系统的总体设计（3）控制系统硬件部分的设计控制用单片机的选用和根据功能要求对输入/输出端口的分配温度控制电路的设计触摸屏电路的设计单片机外围电路的设计（4）控制系统软件部分的设计（5）控制系统的电路仿真和检测（6）控制系统的调试和修改15本章小结本课题针对目前市面上已不能满足人们日益提高的要求的按键操作饮水机，专门对智能饮水机进行改良设计，采用未来发展的大趋势，人机互动的最佳界面触摸控制。第2章智能饮水机的总体设计方案21设计目标此智能饮水机的总体设计目标是利用人性化的触摸控制，达到人们的需求。针对目前市场上饮水机以按键操作为主，本设计采用触摸控制，通过触摸触摸屏，把数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对饮水机的智能控制。另外本设计利用温度传感器进行温度的检测和控制。本课题设计的智能饮水机还具有定温定量，防干烧，灭菌，定时开关机等功能，多方位满足人们的要求。22智能饮水机的组成结构图21智能饮水机电路框图智能饮水机虽是智能化，但还是离不开饮水机最重要的要求，也就是温度控制。饮水机的控制系统,主要由单片机、温度控制电路、触摸屏电路等构成,本设计的控制核心采用AT89C51单片机。单片机外围电路主要由出水电路、防干烧电路、定温定量电路等组成。该单片机主要完成温度传感器信号的采集，触摸屏的触摸信息的接收和控制，定问定量等功能。并通过软件编程实现预定功能。智能饮水机由以下几部分组成主控制系统部分、输入输出部分、传感器部分、其他功能电路部分和电源部分。主控系统使用单片机控制，包括对触摸屏的信息的接收和控制，对传感器的响应，对其他功能电路的控制等，通过软件编程实现预定功能；输入输出部分是本次设计的改良部分，单片机通过触摸屏控制芯片ADS7843对触摸屏的信息进行接收和控制；传感器部分即检测子系统，主要是进行饮水机的温度检测和控制，采用智能温度传感器DS18S20；其他功能电路部分包括定温定量，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。23智能饮水机的设计方案231主控系统控制系统在智能饮水机系统中占有重要地位，是饮水机的核心部分，它决定饮水机控制性能的优劣，直接关系到饮水机的功能设置。控制系统是以单片机为核心的智能控制系统。单片机是微电子技术与计算机技术的结晶，现已成为集成电路INTEGRATEDCIRCUIT大家族中的重要成员。单片机是单片微型计算机SINGLE一CHIPMICROCOMPUTER的简称，是在一块芯片上集成了CPU、RAM、RAM或EPROM、时钟、定时/计数器和多种功能的串行和并行I/0接口。单片机共同的特点是它们在一块芯片上集成了一台微机最基本的部分，只要辅以少量的外部电路或外部设备即可构成一个微机系统。单片机具有体积小、功能强、价格低廉等优点。因此我们的控制系统采用单片机为核心的系统。根据饮水机需要实现的诸多功能来选择单片机，主控器既要方便地控制各个子系统，也要接收和控制触摸信息，温度的检测和控制。因而主控器需要有多个中断源，多个I/O口，多个PWM控制通道，同时程序存储容量大，存储内容掉电不丢失等等。本设计采用ATMEL公司的AT89C51单片机。ATMEL公司的AT89C51单片机是一种低功耗、高性能的8位单片机，片内的FLASH存储器允许在系统内改写程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程，是一座功能强、灵活性高且价格合理的单片机。其片内含4KB的EEPROM，不需要外扩展存储器，可使系统整体结构简单。利用AT89C51串行口输出工作方式，使AT89C51的利用率大大提高，外部电路得以简化。在串行传输数据时，频率可达到1MHZ，完全能达到要求。AT89C51引脚和指令系统都与MCS51兼容。单片机系统结构如图22所示2。图22单片机系统结构框图232输入输出部分饮水机的输入控制有以下2种方式1、按键控制；振荡器和时序OSC程序存储器4KBROM数据存储器128BRAM定时/计数器2个16位CPU64KB总线扩展控制器并行I/O接口4个串行I/O接口1个内部总线内中断外中断控制P0P1P2P3串行输出串行输入外部时钟源外部事件计数2、触摸控制。饮水机的输出显示有以下2种方式1、LED数码管显示；2、LCD液晶显示。按键控制已越来越不能满足人们日益提高的要求，而作为人性化的人机界面触摸控制必将是未来饮水机发展的趋势。本设计采用触摸控制，配已触摸屏控制芯片ADS7846，LCD液晶显示,采用SED1335液晶显示控制器。233传感器部分传感器是饮水机温度检测和控制的主要来源，是饮水机智能化的一部分，在整个系统中占有重要的地位。饮水机主要是应用到温度传感器。方案一用晶体管PN结作温度传感器,用集成电路ICL7135等作A/D转换器,以AT89C51为控制器。利用晶体三极管3DG6C的基极与集电极之间正向电压降UBC随温度T呈线性变化的关系作为温度传感器,以OP07构成放大器,以4位A/D转换器ICL7135作A/D转换器设计成温度检测和控制电路。温度信号由数据采集电路中的温度传感器转换为电信号,经放大电路后,送入A/D转换器,转换后,以BCD码形式送入CPU,再由程序控制其输出显示,键盘完成各项设置。方案二系统的采集模块采用温度传感器DS18B20作为测温组件，用单片机AT89C51控制，使整个系统具有集成度高、可靠性强、抗干扰性强（串行通信特点）、灵敏性强、可扩展性强（可利用识别序列号组成多点测量）、体积小、功耗低等特点。系统可以预先设置多个需要控制的温度值，然后由系统自动完成预置的任务，同时系统的显示模块可以实时显示系统当前的温度。其中AT89C51单片机是整个饮水机控制系统的核心部件，温度传感器DS18B20置于被加热系统中。通过软件同时对传感器信号进行抗干扰滤波和非线性补偿处理，最终提高了水体温度控制质量和自动化水平。温度传感器DS18B20为智能数字传感器，不需要再进行A/D转换。方案选择综上所述，目前大多数传感器系统都采用放大传输数模转换这种处理模式。这种模式一般要占用数条数据/控制线，限制了单片机功能的扩展。方案一使用了这种处理模式，使电路的复杂性大大增加。方案二使用温度传感器DS18B20的一线总线技术很好地解决了占用多条数据/控制线的问题，另外DS18B20不需要进行A/D转换，电路得以简化。经论证最终确定方案二中为使用方案，选用的DS18B20温度传感器。234其他功能电路部分其他功能电路部分包括防干烧电路，灭菌装置，定温定量电路等。2341防干烧电路3饮水机加热系统包括加热电路和加热装置，为了防止饮水机在无水状态下加热，通常在加热系统上安装有防干烧装置，防干烧装置有的采用串联在加热电路中的机械温控器，也有的在加热装置内增设水位开关。采用这样的方案，虽然在一定程度上能达到防干烧的目的，但在使用过程中发现前者在断开加热电路时，其加热装置内的温度却已非常高了，因此仍存在着安全隐患。而后者的防干烧装置通常由干簧管、安装干簧管的中空塑料导杆和带有磁铁的发泡浮球组成。可这样的装置结构复杂、体积大、成本高；同时还无法安装在无热胆饮水机的加热容器壁；再者，干簧管在运输过程中容易破裂；浮球使用久了容易进水，不能可靠的上浮浮球和塑料导杆因加热、长时间浸泡于水中，容易断裂而出现漏水现象，同时还造成水质的二次污染。因此目前机械温控器所组成的防干烧电路，还不能真正地达到防干烧目的。而由水位开关组成的防干烧装置又不能长时间的可靠使用，所以本课题设计的饮水机的防干烧装置不采用这两种方式。本设计采用可编程的单片机、电子元件构成的硬件电路和金属管组成的检测装置，利用水通过各金属管后，使电源正极依次通过第一电阻、第一金属管、水、第二金属管、开关后与电源负极之间形成电流通路，再利用单片机的信号检测端所获取的电压信号来判断饮水机是否缺水，并按照检测结果做出相应的动作。此法成本低，性能稳定，使用安全、可靠，同时安装又方便，还能有效地保证水质不被污染，在各类饮水机中应用广泛。AT89C51为单片机，1为插座图23防干烧电路图单片机采用型号为AT89C51的芯片，开关采用三极管Q，上述的第一金属管分别与第一电阻R1的另一端和单片机AT89C51的信号检测端相电气连接，并通过瓷片电容C接地。而第二金属管则与三极管Q的集电极相连，三极管Q的发射极与电源的负极相连，三极管Q的基极通过第二电阻R2连于所述的单片机AT89C51的控制信号输出端。2342定温定量电路现有的饮水机的出水量一般都是不定量的，一般采用手控制开关或按钮，凭眼睛观察水杯，决定需要的出水量，当给众多客人泡茶或冲制各种饮料，就难免有的杯子水多一些，有的杯子水少一些，给人一种不舒服的感觉。本课题也解决了这一问题，设计成能定量出水的饮水机。24本章小结本章介绍了智能饮水机的总体设计目标，并划分了几个部分，结合其总体框图分别阐述了每个部分需要实现的功能、选择的器件以及初步的实现方法，为智能饮水机的硬件和软件设计提供了相关的依据。第3章智能饮水机的硬件结构设计31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，包括对触摸屏的信息的接收和控制，对传感器的响应，对其他功能电路的控制等，通过软件编程实现预定功能；输入输出部分是本次设计的改良部分，单片机通过触摸屏控制芯片ADS7846对触摸屏的信息进行接收和控制；传感器部分即检测子系统，主要是进行饮水机的温度检测和控制，采用智能温度传感器DS18S20；其他功能电路部分包括定温定量，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。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。图31智能饮水机电路框图32主控系统主控系统采用单片机控制。单片机电路如图32所示，单片机选用的是ATMEL公司的AT89C51的8位单片机，晶体振荡器选12MHZ,、为22PF石英电容，与晶体振荡器构成时钟电路。电容，1C23C电阻、和按键构成上电复位和手动复位电路。1R2S图32单片机电路AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含4KBYTES的可反复擦写的只读程序存储器PEROM和128BYTES的随机存取数据存储器RAM,器件采用ATMEL公司的高密度,非易失性存储技术生产,兼容MCS51指令系统,片内置通用8位中央处理器CPU和FLASH存储单元,功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合,可灵活应用于各种控制领域。主要性能参数与MCS51产品指令系统完全兼容4K字节可重擦写FLASH闪速存储器1000次擦写周期全静态操作0HZ24MHZ三级加密程序存储器1288字节内部RAM32个可编程I/O口线2个16位定时/计数器6个中断源可编程串行UART通道低功耗空闲和掉电图33PDIP封装的AT89C51的引脚图图34PQFP/TQFP封装、PLCC封装的AT89C51的引脚图AT89C51单片机各引脚的功能说明VCC电源电压。GND接地。P0口P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1“可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址低8位和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在FIASH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。P1口P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑门电路。对端口写“1“,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流IIL。FIASH编程和程序校验期间,P1接收低8位地址。P2口P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4个TTL逻辑门电路。对端口写“1“,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流IIL。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MOVXDPTR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如执行MOVXRI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。P3口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。作输入端时,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,更重要的用途是它的第二功能,如表31所示表31P3口第二功能P3口还接收一些用于FLASH闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST复位输入当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE地址锁存允许输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器,ALE仍以时钟振荡频率的L/6输出固定的正脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲。如有必要,可通过对特殊功能寄存器SFR区中的8EH单元的DO位置位,可禁止ALE操作该位置位后,只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE无效。程序储存允许输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C51由外部程序存储器取指令或数据时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲。在此期间,当访问外部数据存储器,这两次有效的PSEN信号不出现。EA/VPP外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器地址为0000HFFFFH,EA端必须保持低电平接地。需注意的是如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平接VCC端,CPU则执行内部程序存储器中的指令。FLASH存储器编程时,该引脚加上12V的编程允许电源VPP,当然这必须是该器件是使用12V编程电压VPP。XTAL1振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。XTAL2振荡器反相放大器的输出端。33触摸屏（输入）控制触摸屏作为基本的输入设备，而显示屏作为输出设备。本设计采用SED1335液晶显示控制器对液晶屏读写数据，用ADS7846对四线式电阻触摸屏采集数据。331触摸屏原理4触摸屏的基本原理是用手指或其他物体触摸安装在显示器前端的触摸屏，所触摸的位置（以坐标形式）由触摸屏控制器检测，并通过接口（如RS232串行口）送到CPU，从而确定输入的信息。触摸屏输入系统由触摸屏、触摸屏控制器和微控制器三部分组成。图35示出了一个实际的触摸屏输入系统，系统中触摸屏采用四线电阻式触摸屏，触摸屏控制器采用TIBB公司的ADS7846。图35触摸屏输入系统的组成触摸屏附着在显示器的表面，与显示器相配合使用，如果能测量出触摸点在屏幕上的坐标位置，则可根据显示屏上对应坐标点的显示内容或图符获知触摸者的意图。触摸屏按其技术原理可分为五类矢量压力传感式、电阻式、电容式、红外线式、表面声波式，其中电阻式触摸屏在嵌入式系统中用的较多。电阻触摸屏是一块4层的透明的复合薄膜屏图36，最下面是玻璃或有机玻璃构成的基层，最上面是一层外表面经过硬化处理从而光滑防刮的塑料层，中间是两层金属导电层，分别在基层之上和塑料层内表面，在两导电层之间有许多细小的透明隔离点把它们隔开。当手指触摸屏幕时，两导电层在触摸点处接触。触摸屏的两个金属导电层是触摸屏的两个工作面，在每个工作面的两端各涂有一条银胶，称为该工作面的一对电极，若在一个工作面的电极对上施加电压，则在该工作面上就会形成均匀连续的平行电压分布。如图38所示，当在X方向的电极对上施加一确定的电压，而Y方向电极对上不加电压时，在X平行电压场中，触点处的电压值可以在Y或Y电极上反映出来，通过测量Y电极对地的电压大小，便可得知触点的X坐标值。同理，当在Y电极对上加电压，而X电极对上不加电压时，通过测量X电极的电压，便可得知触点的Y坐标。电阻式触摸屏有四线和五线两种。四线式触摸屏的X工作面和Y工作面分别加在两个导电层上，共有四根引出线，分别连到触摸屏的X电极对和Y电极对上。五线式触摸屏把X工作面和Y工作面都加在玻璃基层的导电涂层上，但工作时，仍是分时加电压的，即让两个方向的电压场分时工作在同一工作面上，而外导电层则仅仅用来充当导体和电压测量电极。因此，五线式触摸屏的引出线需要5根。图36触摸屏的触摸示意图332ADS7846触摸屏控制器5各种类型的触摸屏均有其相应的控制器，如ADS7846是四线式触摸屏的控制器，而ADS7845是五线式触摸屏的控制器。控制器的主要功能是分时向X、Y电极对施加电压，并把测量电极上的电压信号转换为相应触摸点的X、Y坐标。ADS7846是美国BURRBROWN公司推出的新一代4线制触摸屏控制器，它在与触摸屏连用时，一旦笔或手指点触摸在屏上，可迅速得到该点的位置信号，从而达到在触摸屏表面上寻址的目的。ADS7846是典型的逐步逼近寄存器型A/D变换器，其结构以电容再分布为基础，包含了取样/保持功能。ADS7846的引脚与以前品ADS7843的引脚完全兼容，只是增加了片内温度测量、触摸压力测量和电池电压测量三个功能。ADS7846可广泛用于有触摸屏的应用中，如个人数字助理（PDA）、笔记本电脑等。ADS7846具有TSSOP16和SSOP16两种封装形式，它的引脚排列如图37所示，表32为各引脚的功能说明。图37ADS7846的引脚排列表32ADS7846引脚功能描述ADS7846芯片由6路通道选择器、逐步逼近式寄存器（SAR）、25V参考电压、电容式D/A转换器（CDAC）、温度传感器等部分构成。ADS7846工作时需要一个外部参考（VREF引脚）和一个外部时钟（DCLK引脚）。其中外部基准电压的范围是1VVCC,由它可以直接设定A/D输入通道的输入范围，其平均基准输入电流取决于变换速率。外部时钟主要用于控制SAR变换过程和同步串行数据I/O。ADS7846与单片机之间通过标准的SPI口相连，由单片机启动3次SPI传送来完成转换，如图38所示。第一次SPI传送由单片机向ADS7846发控制字，包括起始位、通道选择、8/12位模式、差分/单端选择和掉电模式选择，接下来的两次SPI传送则是单片机从ADS7846取A/D转换结果数据最后四位自动补零，完成触摸屏控制器和单片机之间的一次通信。图38转换时序333ADS7846与触摸屏的连接ADS7846连接触摸屏的示意图如图39所示。图39ADS7846和触摸屏连接图334单片机与ADS7846的连接单片机和触摸屏控制器连接ADS7846如图310所示，PB1CLK为SPI时钟，PB2MOSI为SPI主机输出从机输入,PB3MISOSPI主机输入从机输出。这三根线为SPI总线。图310单片机和触摸屏控制器连接图34液晶显示（输出）部分341液晶显示电路图图311液晶显示电路图342液晶显示控制器SED1335图312SED1335结构图SED1335是日本SEIKOEPSON公司生产的液晶显示控制器,它在同类产品中是功能最强的。其结构如图312所示。SED1335硬件结构可分成接口部分、内部控制部分和驱动液晶模块LCM的驱动部分。接口部分由指令输入缓冲器、数据输入缓冲器、数据输出缓冲器和标志寄存器组成。这些缓冲器通道的选择是由引脚A0和读、写操作信号联合控制。SED1335接口部所属的引脚如下DB0DB7三态，数据总线，可直接挂在MPU数据总线上。CS输入，片选信号、低有效。当MPU访问SED1335时，将其置低。A0输入，I/O缓冲器选择信号，A01写指令代码和读数据，A00时写数据参数和读忙标志。RD输入，8080系列MPU接口读操作信号；6800系列MPU接口使能信号。WR输入，8080系列MPU接口写操作信号；4点阵图形液晶显示模块SED1335控制器使用手册6800系列MPU接口写操作信号。RES输入，复位信号，低有效，当重新启动SED1335时也需用指令SYSTEMSET。SEL1,SEL2输入,接口时类型选择信号。控制部分是SED1335的核心，它由振荡器、功能逻辑电路、显示RAM管理电路、字符库及其管理电路以及产生驱动时序的时序发生器组成，振荡器工作频率可在110MHZ范围内选择。SED1335能在很高的工作频率下迅速解译MPU发来的指令代码，将参数置入相应的寄存器内，并触发相应的逻辑功能电路运行。控制部分可以管理64KB显示RAM，管理内藏的字符发生器及外扩的字符发生器CGRAM或EXCGROM。SED1335控制部所属的引脚如下XG，XD内部振荡器的输入和输出。可接1M10MHZ的晶振。VA015输出，管理显示RAM的地址总线。VD07三态，显示RAM的数据总线。VR/W0时为输出状态。VR/W输出，显示RAM的读、写操作信号。VR/W0为写显示RAM。VCE输出，显示RAM的片选信号。VDD逻辑电源5V。VSS逻辑电源GND。驱动部分具有各显示区的合成显示能力，传输数据的组织功能及产生液晶显示模块所需要的时序脉冲信号。SED1335驱动部所属引脚功能如下XD03输出，列驱动器数据线；XSCL输出，列驱动器的位移时钟信号，负责将E1335发出的列数据组逐次地移入列驱动器内。XECL输出，列驱动器使能信号；LP输出，数据锁存信号；WF输出，交流驱动波形；YSCL输出，行驱动器的移动脉冲信号；YD输出，帧信号；YDIS输出,液晶显示驱动电源关信号。343液晶显示屏PDA320240本次设计采用的显示屏是由北京蓬远公司生产的液晶显示屏PDA320240A。PDA320240A液晶显示屏是一种精度高的点阵型显示器，具有体积小，重量轻，显示灵活等优点。它具有两种显示方式文本显示和图形显示。为了向用户提供更为简单的操作界面，许多显示屏的辅助功能模块都已经集成化，对于PDA320240A只需要对18根信号线进行操作引脚定义如表33所列，就可以完成相应的显示功能。表33PDA320240A液晶显示屏引脚功能344八D锁存器74LS373图313外部管脚图引出端符号D0D7数据输入端OE三态允许控制端（低电平有效）LE锁存允许端O0O7输出端34传感器（温度控制）部分传感器是饮水机温度检测和控制的主要来源，是饮水机智能化的一部分，在整个系统中占有重要的地位。饮水机主要是应用到温度传感器。341智能（数字）温度传感器DS18B2067温度是工业控制对象中主要的被控参数之一。在温度控制中，由于受到温度被控对象特性如惯性大、滞后大、非线性、强耦合等的影响，使得控制性能难以提高。本次设计采用集成温度传感器DS18B20，其具有较高的精度和重复性，不需辅助电源，线性好，使用方便，可实现远距离测量和多片采集，便于微机系统远程测控。其详细介绍如下DS18B20的主要特征全数字温度转换及输出。先进的单总线数据通信。最高12位分辨率，精度可达05摄氏度。12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒。可选择寄生工作方式。检测温度范围为55C125C67F257F内置EEPROM，限温报警功能。64位光刻ROM，内置产品序列号，方便多机挂接。多样封装形式，适应不同硬件系统。DALLAS最新单线数字温度传感器DS18B20简介DALLAS半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。DS18B20测量温度范围为55C125C，在1085C范围内,精度为05C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。该产品支持3V55V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。图314DS18B20芯片封装结构DS18B20内部结构主要由四部分组成64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚为1脚接电源地GND，2脚接数字信号输入/输出端DQ，3脚接外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）VDD。根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换经过三个步骤每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待1660微秒，后发出60240微秒的存在低脉冲，CPU收到此信号表示复位成功。DS18B20操作过程中的协议1初始化2ROM操作命令3存储器操作命令4处理数据1初始化单总线上的所有处理均从初始化开始2ROM操作命令总线上的所有检测到DS18B20的存在便可以发出ROM操作命令之一，这些命令为表34ROM操作命令指令约定代码功能读ROM33H读DS18B20ROM中的编码（即读64位地址）符合ROM55H发出此命令之后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码相对应的DS18B20使之作出响应，为下一步的DS18B20的读写作准备。搜索ROM0F0H用于确定挂接在同一总线上的DS18B20的个数和识别64位ROM地址，为操作各器件作准备。跳过ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS18B20发出读温度变换指令，适合用于单片工作。告警搜索命令0ECH执行后，只有温度超过设定上限或下限的片子才做出响应。3存储器操作命令如下表35存储器操作命令指令约定代码功能温度变换44H启动DS18B20进行温度转换，转换最长时间为500MS（典型为200MS），结果存入内部9字节RAM中。读暂存器0BEH读内部RAM中9字节的内容。写暂存器4EH发出向内部RAM中的第3、4字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后是传送2字节的数据。复制暂存器48H将RAM的3、4字节的内容复制到EEPROM中。重测EEPRAM0B8H将EEPROM中的内容恢复到RAM中的第3、4字节。读供电方式0B4H读DS18B20的供电模式，寄生供电时DS18B20发送“0”，外接电源供电时DS18B20发送“1”。4处理数据主机使用时间隙（TIMESLOTS）来读写DS18B20的数据位和写命令字的位。342DS18B20与单片机的连接图315DS18B20与单片机的连接电路35其他功能电路部分其他功能电路部分包括防干烧电路，灭菌装置，定温定量电路等。351防干烧电路本设计采用可编程的单片机、电子元件构成的硬件电路和金属管组成的检测装置，利用水通过各金属管后，使电源正极依次通过第一电阻、第一金属管、水、第二金属管、开关后与电源负极之间形成电流通路，再利用单片机的信号检测端所获取的电压信号来判断饮水机是否缺水，并按照检测结果做出相应的动作。此法成本低，性能稳定，使用安全、可靠，同时安装又方便，还能有效地保证水质不被污染，在各类饮水机中应用广泛。图316防干烧电路图单片机采用型号为AT89C51的芯片，开关采用三极管Q1，上述的第一金属管分别与第一电阻R4的另一端和单片机AT89C51的信号检测端相电气连接，并通过瓷片电容C接地。而第二金属管则与三极管Q的集电极相连，三极管Q的发射极与电源的负极相连，三极管Q的基极通过第二电阻R5连于所述的单片机AT89C51的控制信号输出端。图317防干烧检测装置的结构示意图图318防干烧导线的结构示意图2第一金属管；3第二金属管；4硅胶管；5水管；6导电插片；7插头；8软质导线；9导电接头为了使电气连接更加方便，在此防干烧部分中，还配有软质导线8，该软质导线的两端分别带有导电接头9和插头7，而上述第一金属管2和第二金属管3上分别焊接有与上述导电接头9相插配的导电插片6，固定上述电阻和三极管的电路板上则设有与上述插头7相匹配的插座1。使用时，当水斗加水后，整个管路中充满了水，第一金属管2和第二金属管3分别与水充分接触。当加热系统处于不加热的状态下，单片机AT89C51中的程序输出一个低电平信号，此时，三极管Q1处于截止状态，那么，由电源正极、第一电阻R4、第一金属管2、水、第二金属管3、三极管Q1、电源负极之间形成的电路处于开路状态，电路无电流流过，这样可靠地保证了水质不受长时间电解的影响。而此时，单片机的信号检测端测得电压值在45伏左右理论上应该是5伏，但实测在45伏左右。当加热系统开始加热时，单片机的控制信号输出端和开关信号控制端随即产生一个高电平信号，使三极管Q1进入饱和导通状态，上述电源正极、第一电阻R4、第一金属管2、水、第二金属管3、三极管Q1、电源负极之间形成的电路中就有电流流过。若水位正常时，单片机的信号检测端测得电压值在15伏左右因水质不同，检测到的电压会有所差别，单片机将检测到的电压数值进行分析和数据格式转换，通过程序比较分析，即可得出有水的结论。若在加热过程中，管道内发生无水现象，此时单片机的信号检测端测得的电压值在45伏左右理论上应该是5伏，但实测在45伏左右。同样，单片机将检测到的电压数值进行分析和数据格式转换，通过程序比较分析，即可得出无水的结论。在实际检测时，程序通常反复地对该信号检测端进行电压检测，若在1秒内持续维持在某个电压值时，程序最终判断是否有水。若程序认为无水时，则会自动切掉加热系统的电源，使之完全停止加热，从而达到防止无水干烧的目的。352定温定量、制冷加热电路8定温定量、制冷加热电路图图319定温定量、制冷加热电路图现有的饮水机的出水量一般都是不定量的，一般采用手控制开关或按钮，凭眼睛观察水杯，决定需要的出水量，当给众多客人泡茶或冲制各种饮料，就难免有的杯子水多一些，有的杯子水少一些，给人一种不舒服的感觉。本课题也解决了这一问题，设计成能定量出水的饮水机。单片机通过电阻R10与热水出水电路的三极管Q6的基极相联接，通过电阻R11与冷水出水电路的三极管Q7的基极相联接，触摸屏控制和接收信息。定量出水的时间由单片机电路设定。当触摸触摸屏上的定量热水出水时，单片机电路接口输出一信号加到热水出水电路的三极管Q6的基极，并使其Q6导通，从而使出水电磁阀T1打开而出水，出水量由出水时间长短确定，出水时间由单片机电路设定，如泡茶用热水的水量满杯的60为宜，设定时间为3秒钟，每触摸一次热水出水，经3秒钟就有一杯60的盛水量，3秒钟结束，Q6截止，出水电磁阀T1关闭。当触摸触摸屏上定量冷水出水时，单片机电路接口输出一信号加到冷水出水电路的三极管Q7的基极，并使其Q7导通，从而使出水电磁阀T2打开而出水，如水量80为宜，设定时间为4秒钟，每触摸一次冷水出水，经4秒钟，就有一杯80的盛水量，4秒钟结束，Q7截止，出水电磁阀T2关闭。保护电路，三极管Q3经电阻R7与单片机电路接口相联接，Q3集电极与继电器J3相联接，在J3两端跨接二极管D2，在单片机电路设定时间内不用水，或忘记关掉电源，则J3接通，使串接在电源电路与温控加热电路之间的触点JK1断开，起到保护作用。加温控制电路，三极管Q4的基极通过电阻R8与单片机电路的接口P22相连接，Q4的集电极与继电器J4相连接，继电器J4两端跨接二极管D3，单片机电路接口P22输出一个电平信号，使Q4导通，则继电器J4吸合，并使并接在K9,K10两端的J41、J42触点吸合，加热器RL通电把水加热到沸点。制冷控制电路，由温控器K11,K12，制冷器联接构成，对水制冷。沸水报警电路，三极管Q2基极通过R6与单片机电路接口相联接，Q2的集电极与蜂鸣器DY相联接，DY两端跨接二极管D1,当水达到沸点时，蜂鸣器发出响声。温控加热电路，由二支温控器K9,K10，加热器RL，继电器J4构成，当水温达到温控器K9跳变温度855时，触点K91断开，A点处于高电平，通过信号线加到单片机电路接口P26上时，单片机电路接口P22输出一个电平信号，经电阻R8加到加温控制电路的三极管Q4的基极，并使Q4导通，继电器J4吸合，从而使并接在温控器K9、K10的触点J41、J42闭合，加热器RL通电第二次对水加热，直至达到沸点，由单片机电路内设定加热时间的长短，如设定加热3分钟，即在加热3分钟就使水达到沸点。353灭菌装置电路臭氧发生器产生大量臭氧气体，由气泵供气、吹气，臭氧溶解于水中进行灭菌。通过单片机预先设置，可以设置其工作和间隔工作的时间，如此循环反复工作，保证灭菌同时也节约能源。36本章小结本章主要介绍智能饮水机各部分的硬件结构，对饮水机各功能部分设计及实现原理的阐述。第4章智能饮水机的软件设计911在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。对于本系统，软件更为重要。在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制生产。为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部分叫做一个模块。所谓“模块”，实质上就是所完成一定功能，相对独立的程序段，这种程序设计方法叫模块程序设计法。模块程序设计法的主要优点是单个模块比起一个完整的程序易编写及调试；模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下调用；模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便。本系统软件采用模块化结构，由主程序、温度检测程序、显示子程序、触摸键扫描和分析子程序、中断服务程序等组成。41系统存储空间的分配系统内存的分配在程序设计中和重要，若考虑不周，便会出现所谓“内存打架”这类初学者经常碰到的问题。本系统在运行中所需存储空间并不是很大，所以不再扩展外部数据存储器，只用内部的RAM即可。其中，00H1FH作为通用寄存器，20H作为标志单元使用，30H4FH作为堆栈区使用，70H76H作为时钟缓冲区使用，78H7AH作为显示缓冲区使用，7BH作为触摸键号记忆单元，7FH作为给定值存储单元，7EH作为输出控制值存储单元，50H5FH作为系统运行时的存储单元使用。42主程序设计主程序程序框图如图41所示。包括三个主要环节一是实现各种初始化，包括设置堆栈指针、SED1335芯片初始化、ADS7846芯片初始化、定时器/计数器0初始化、时钟初值输入、以及开中断、定时器/计数器启动等。二是实现显示（按照人机对话功能显示时间或其他各种不同参数）。三是不断的进行触摸键扫描，判断有触摸键按下否如无触摸键按下，则返回显示；如有触摸键按下，则根据所触摸键实现相应的人机对话功能。人机对话功能键设置如下触摸“时间”键，显示时间触摸“温度”键，显示温度触摸“HOT”键，加热触摸“COOL”键，制冷触摸“热水出水”键，定量出热水触摸“冷水出水”键，定量出冷水触摸“定温”键，定温其他触摸键备用触摸扫描，判有否触摸YY触摸扫描，判有否触摸延时20MS触摸分析，得触摸位置触摸“时间”键显示时间触摸“温度”键显示温度触摸“HOT”键加热触摸“COOL“键制冷触摸“热水出水”键热水定量出触摸“冷水出水”键冷水定量出触摸“定温”键定温开始系统初始化显示NN图41主程序流程图转各处理程序流程详见中断服务程序中。参考程序如下ORG0000HLJMPMAINORG000BHLJMPINT中断服务程序ORG0100HMAINMOVSP,2FH置堆栈指针LCALLPSED1335调SED1335初始化子程序LCALLPADS7846调ADS7846初始化子程序LCALLPCTC调定时器/计数器O初始化子程序LCALLPRAM调RAM区初始化子程序LCALLPCLK调时钟初值输入子程序SETBEASETBET0SETBTR0开中断，启动LOP1LCALLDISP调显示子程序LCALLKEY调触摸扫描子程序JZLOP1无触摸，返回LCALLDEL调延时20MS子程序LCALLKEY再调触摸扫描子程序JZLOP1无触摸，返回LCALLKA1有触摸，调触摸分析子程序MOVR2,07H设7个触摸功能键，其余备用MOVDPTR,TAB1CLRA