【《基于STC89C52RC单片机的智能水杯系统设计》9400字（论文）】

基于STC89C52RC单片机的智能水杯系统设计摘要杯子是我们日常学习和生活的必需品之一。随着科学技术的不断发展和生活水平的不断提高，智能日用品也开始进入公众视野并得到广泛应用。本设计以STC89C52RC单片机为核心，可以在生活中及时检测水杯中的水温，并做出低温加热和高温报警反应，从而为更方便、科学的饮用水提供解决方案。温度信号首先由DS18B20进行检测和采集，然后将采集到的信息反馈给单片机。单片电机会自动计算和处理特定信号温度，使用户可以轻松实现信号低温自动加热和高温自动报警等一系列特殊控制功能的目的。本文还重点介绍了软件设计部分，不仅采用模块化结构处理，而且通过软硬件的结合，使设计能够更好地实现其功能。关键词：STC89C52RC；温度检测；报警；DS18B20；目录摘要 IAbstract II目录 III1引言 11.1背景研究目的意义 11.2国内发展概况 12系统硬件介绍 22.1STC89C52RC单片机 22.2DS18B20的介绍 32.2.1DS18B20的结构 32.2.2DS18B20的主要特点 32.2.3DS18B20测温原理 43硬件设计电路 63.1系统总体方案设计 63.2硬件总体方案设计 63.3单片机最小系统 73.4测温部分 83.5控制电路部分 103.6报警电路 113.7显示电路 123.8系统总体电路设计 133.9实物与焊接 134软件部分设计 134.1系统的总体流程图 154.2测温程序流程图 164.3控制部分 16结论 17参考文献 181引言1.1背景研究目的意义单片机(microcontrollers)指的是一种基于芯片集成电路的数字芯片，是微型工业计算机和电子信息系统技术领域在工业应用中迅猛发展的一个具有衍生性的产品，它所指的是一种完全采用了超大功率尺度的芯片集成电路。该技术将CPU、RAM、ROM、I/O端口和中断控制系统集成在一个具有大数据信号处理集成、定时器/自动计数器等集成功能的中央处理器中(可能还包括LCD驱动调制电路、脉宽调制驱动电路、模拟多路复用器、A/D多路复用器和其他集成电路)集成并连接到由多个组合电路组成的小型、完整的微型工业计算机信息系统上的多晶硅晶片，它已广泛应用于各种微型工业生产工艺设备[1]。众所周知，所有的生活和活动总是离不开自来水。对每个人来说，水是最重要的。人体中水分的百分比大约是我们平均体重的65%。如果我们发现我们的水分流失是10%左右，可能会严重威胁我们的健康，如果你发现你的水分流失是20%左右，可能会带来一定的生命风险，这就说明了这种水在生活中的重要作用。随着社会的快速发展，智能设备已经进入大众的视野，技术开始进入人们的生活，温度控制系统也开始为人们的生活提供便利，在各行各业的发展中扮演着重要的角色。为了帮助人们在复杂的工作中更好、更科学、更健康地饮用合适温度的水，设计了一种温度实时检测、及时反馈的智能保温杯。通过实时温度测量，告知用户杯子中的水是否达到预定温度，并可以自动加热。为了让人们在快节奏的工作和生活环境中及时、科学地喝水，同时又不错过合适的温度，水杯也会根据用户的需求进行控制。1.2国内发展概况从2000年开始，智能家居这个词进入中国，然后国内一些有实力的公司开始进入这个领域。随着现代智能家居的到来，越来越多的制造商也看到了智能家居技术和生活的未来发展前景，并在此之前和之后加入智能家居市场。这些形式多样的新型智能电子产品，在为我们打开智能生活之门的同时，也使我们的普通生活由小到大逐渐开始变得更加便捷和高效。随着现代智能家居产品和产业的逐步兴起，越来越多的家庭和设备也被贴上了智能化的标签，而随着社会和信息技术的不断进步和发展，人们的日常生活观念和消费方向也在不断提升，消费者越来越重视健康。水杯虽然是现代人日常生活中的一种日用品，但其功能单一，用户无法形成反馈。喝水时，通常只能通过物理上的准确感受，如用拳头握手或直接用嘴喝水来准确感受水量和水温，很难找到合适的饮用温度，由于水温过高，很容易烫伤。与其他传统水杯方式相比，智能饮水杯的水温提醒显示通过三色指示灯显示，提醒人们水温，不仅大大增加了饮水的乐趣，并且水杯中的水温已处于检测状态，用户可以根据杯子的提示使用正确的饮用水，而不会造成灼伤。2系统硬件介绍2.1STC89C52RC单片机在系统的硬件设计中，系统核心部件功能选择较大的问题，直接决定了整个单片机系统设计中的任务能否最大化和可能，单片机的器件选择是整个系统控制中最重要的。选择正确的单片机会事半功倍。选择合适的单片机不仅可以加快系统设计的步伐，而且在功能的实现和系统的优化方面也简单易行。如今，市场上流通的单片机种类繁多，其各自的特点和用途也十分明确。51单片机和52系列基本上没有太大区别，许多功能区域相似，兼容性高。STC89C52RC微控制器具有这些性能特点:4k字节闪存片上程序存储器、128字节数据存储器、32个外部输入输出端口、2个全双工串行通信端口、看门狗电路、5个中断源、2个16位可编程时序计数器、片内振荡和时钟电路以及完全静态操作，并通过低功耗空闲和断电模式[2]。单片机的引脚功能图如图2.1所示。图2.152单片机的引脚功能图2.2DS18B20的介绍2.2.1DS18B20的结构DS18B20主要由温度寄生电源、温度传感器、64位双向串行环路ROM中的单线数据接口、存储中间件测量的温度数据的高速寄存器(其中主要包含一个note型接口RAM)、用于存储设置用户已设置的温度下降极限值的th和tl温度触发器的温度存储和数据控制处理逻辑，8位串行循环温度冗余校验(crc)信号发生器具有四个组件[3]。DS18B20管脚排列如图2.4所示，本次使用的是三引脚设计的器件。图2.4DS18B20的引脚图2.2.2DS18B20的主要特点数字型智能温度传感器有以下特点：(1)电压范围更宽，可以是用的范围也更加广泛。(2)独特的单线接口模式。当DS18B20连接到微处理器时，只需要一条端口线就可以实现微处理器与DS18B20之间的双向通信。(3)DS18B20支持多点组网，多个DS18B20可以在单总线上并联，实现组网中的多点温度测量。(4)DS18B20不再需要担心实际视频应用中需要任何外围集成组件，所有的信号传感器集成组件和信号转换集成电路都已集成到一个三极管等同一个组件集成电路中。(5)温度工作范围温度控制范围为-55℃〜125℃，工作范围精度可在-10〜85℃设置为0.5℃。(6)可编程的高温分辨率。DS18B20的数字温度输入可以用9~12位编程[3]。在国际实践和理论的应用中，需要对空间的分辨力与空间转化得到的空间这一个二者之间的关系进行正确的权衡。例如，当DS18B20工作于12位的较高温度分辨力下时，温度和其他数字信号输入的相互作用对应性及其关系由此可以思考参见温度表2.2。表2.2DS18B20输出的数据和温度之间的相应关系温度/℃数字输出（二进制）数字输出（十六进制）+125000001111101000007D0H+8500000101010100000550H+25.062500000001100100010191H+10.125000000011010001000A2H+0.500000001101010000008H000000000000000000000H-10.1251111111101011110FF5EH-25.06251111111001011111FE6FH-551111110010010000FC90H2.2.3DS18B20测温原理用一个温度高于低温度频率的脉冲振荡器就可以用它来直接确定一个门的电子发射阀脉冲温度系数的周期，内部温度计数器在这个门的电子发射阀脉冲温度系数的周期内对一个温度低于高温度频率的系数脉冲振荡器的每个门电子发射阀脉冲温度的信号参数都进行了温度计数以便于能够测量和得到此门的电子脉冲温度的一个平均值。此时温度计数器已经被设置为可以预先设定其值作为一个温度等于-55℃的测量值。如果当前温度采样计数器的温度值在最热周期结束时或在最后一个周期结束前已开始达到0，则温度采样寄存器(预设值也已开始为-55℃)的温度采样值很可能会增加，表明待测平均温度已远远超过-55°C。同时，计数器再次重置，并用作初始值。该复位值可以通过其斜率电压累积电容器补偿电路的性能来确定，所述斜率电压累积电容器补偿电路可以用于补偿温度感测频率振荡器的反向抛物线振动性能。然后计数器再次开始继续计数直到0。如果每个新条目的计数生命周期尚未完全结束，则将再次重复计数过程。斜坡式温度累加器被广泛地应用于一种专门为高速传感器和振荡器补偿的非线性设备，以期我们可以在有必要时才能够实现高速测温控制系统的工作中获得比较优良的测温分辨率。它所指的是一种可以通过手机自动调节温度的计数器对于一个特定环境中温度的测量偏差，使其每小时增大一度而所以就需要，同时需要计数的温度取向量的平方值。因此，如果我们想逐步获得计数器所需的温度分辨率，同时，您必须首先了解每个给定计数器在系统的给定工作温度下的解析值以及每个给定温度下的计算器值[4]。温度检测电路的设计框图如下表2.5所示:停止增加停止增加斜率累加器减法计数器1减法计数器2比较计数器温度寄存器减到0减到0预置高温度系数振荡器低温度系数振荡器预置3硬件设计电路智能保温水杯设计的主要目的是掌握温度信息的采集和控制。温度控制的方式和方法很多，可以选择的各种装置和工艺技术也有各种形式。因此，系统的总体方案和设计要求是在充分满足系统总体性能指标的基础上，考虑系统设计所需的条件和环境，选用的器件结构应尽可能实用可靠、操作方便、而且器件的选择还应注重合适的参数，其他要求如性能稳定、功耗低和成本低。本章将借机详细介绍一种基于pico单片机的新型智能保温电水杯的整体产品结构和解决方案设计，各章将分别给出总体设计结构和框图，从软硬两个不同的方面对设计细节进行了深入的探讨。3.1系统总体方案设计温控系统主要特点就是以上位机为负载的电加热丝作为主要的被控测量对象，温度也就是一个可以进行控制的测量，在进行温度控制前先为上位机的电加热丝设定好了相应温度测量值，然后根据需要给电加热丝执行一个相应的温度测量指令，并将所有需要采集得到的数据经串行通讯方式传输到上位机，通过控制p口的温度和电平，来自动控制上位机电加热丝绝对断开，从而可以实现对电加热丝的绝对控制。本研究课题的设计是基于单片机的智能保温水杯装置的设计。本装置的设计主要由单片机组织成为温度信息采集的终端和主要监控器，实现对温度信息的采集和控制。这种系统由软件和硬件两大部分组成。硬件和电路是整个系统的总体结构和框架，是系统软件的重要载体和具体系统活动的主体，软件是整个系统的设计工作内核和主要指令输出者。它用于通过硬件的应用对其执行特定操作。因此，软件和硬件应是相辅相成、相互补充的，共同完成各种设计功能和目标，以达到预期的系统设计目标。本系统的硬件主要由这几个部分组成:单片机、温度信号采集电路、温度控制电路、数码管显示等电路，系统的软件主要通过单片机的编程方式进行设计和实现。本系统使用c语言直接完成主编程。3.2硬件总体方案设计本文将我们所认为需要深入研究的测温系统软硬件功能构成四大部分按照其主要的应用功能类别可以大致将其划分形成为以下几个组成部分:最小控制系统、测温部分、控制器和报警部分、以及各种数字信号管理和显示。其基础的结构框图格式如下表3.1所示:温度采集单片机温度控制按键电路数码管受控温度采集单片机温度控制按键电路数码管受控对象3.3单片机最小系统单片机最小系统包含了单片机芯片型号，时钟电路和复位电路。时钟电路用于产生单片机工作时所必须的时钟信号。STC89C52单片机的内部电路在时钟信号控制下，严格地根据工作时序依次执行一条复位指令对其进行相应的复位操作;所谓复位运算操作就是对复位单片机一个从开始的第一个指令初始化复位运算进行操作，给了一个复位单片机的一个复位引脚RST，再给它加上一个通常大于2个复位机器工作周期的复位高电平就可以能够直接让整个复位单片机进行复位[5]。单片机最小扩展系统的定义是其他小型扩展最小系统中最基本的技术设计依据，片上电机最小扩展系统的主要含义是指真正可用于实际工作并配置最小系统的小型片上电机最小应用设备，即小型单片机系统可以正常工作。对于一台连接在单片机上的STC89C52来说，由于该芯片完全自建了复位程序时钟存储器，因此，只要与单片机连接的外部复位时钟信号控制电路和内部复位时钟控制电路需要相互连接，它可以直接组合起来，形成这样一个基于单片机的最小时钟。控制处理系统为[6]。单片机最小输出功率系统的结构设计如图3.2所示。图3.2单片机最小系统原理图3.4测温部分传统的对物体温度变化检测补偿方式多以热敏敏感电阻元件作为温度传感器，这类热敏电阻传感器的主要基本工作原理特点之一就是其热敏电阻值通常会随物体温度的变化改变而自动发生明显的温度变化，热敏电阻传感器通常特别适合于普通和高精度的物体温度变化测量，或者在通用计算机、晶体管等微电路中可以做出好的温度变化补偿。由于热敏敏感电阻电路具有的工作可靠性相对较差，测量电路温度的操作准确率相对较低，且必须先经过一个专业的数字接口控制电路，再将其转换成模拟数字信号，之后通过该接口电路信号才能由数控单片机自动操作进行热敏敏感电阻检测处理，在如此高速低精度测量所需的高要求的电路温度敏感检测处理技术实际应用中，热敏敏感电阻难以达到要求[7]。本部分主要采用DS18B20传感器来对温度的测量，它在检查和测量过程中的温度、变化时间、传送距离、分辨率等各个环节上都比较好，这些都得到了极大的提高和改善，在本设计中作为温度检测的主要硬件组成部分。与目前市场上各种传统热敏温度电阻变换方法相比，其不但仅是一种能够直接精确地读取被装入检测器中物体实际温度电阻值，还同样是一种能够根据实际应用情况的性能要求，来直接通过简易快捷地将其转变成电子温度器的多种操作方式，使用它们能够直接精准地读取9至12位的物体温度电阻值，DS18B20温度电阻变换的最大输出功率主要还是因为它来自于一个新型的数据总线，总线本身还只是为了能给已经开始挂接的设备DS18B20进行供电，且不必再重复需要额外的驱动电源，正因为如此，使用了新的DS18B20使得整个系统的硬件结构更简单，可靠性也大大提高，因此，DS18B20被较多地广泛应用在电子温度控制信号的数据采集与计算处理、数字电子温度计以及各类电子温控控制器件等应用系统中8]。本部分的设计电路主要的功能就是通过温度传感器的电路信号来对室外至室内温度数值的变化进行自动检测，该温度系统的设计电路在其中所使用的元件都是一种DS18B20传感器，DS18B20是2001年美国dallas公司在首先推出ds1820之后再一次发布的一种新型功能性较高的增强型产品。总线式温度传感器。它在可以变化被检测磁带的温度、可以变化被检测磁带的运动时间、可以变化被检测磁带的距离、分辨率等方面都较以前更加明显地已经获得了很多的功能性改善和技术进步，在本次产品设计中作为进行温度变化检测的主要的软硬件功能组成部分，给您的用户体验带来的是更好的实际使用运行体验。本文框图中的实时测温数据控制电路主要原理是由于使用一个DS18B20传感器，通过一个p1.0口与两个单片机上的接入端进行相连，实现了测温数据的实时传输，其具体的软硬件以及工作电路原理如本框图所示如下图见表3.3所示:图3.3测温电路原理图DS18B20芯片一共有两种主要的供电形式:寄生电源和外部供电。而这篇论文则主要采用了外部来源供电的方式。在外部总线上的电源直接向内部总线供电的工作模式下，DS18B20工作站的内部电源采用i-vdd引脚输出来对总线进行接入，此时总线i/o和内部总线不必再因为需要不断地加大电力上压下拉，不会因为外部总线上的供电系统中所使用的电力容量不够等而导致工作效率不足等等各种问题，能够有效地保证总线变频测温转换的是一种工作精度，同时在测温理论上，总线上还有一个可以自动挂接多个点的DS18B20传感器，形成了一个多点变频测温控制系统。特别注意:在外部直流电源供电的实际工作模式下，DS18B20的a和gnd引脚两端都不得完全挂钩或者悬空，否则就有可能导致无法正常地转换读取数据的实时温度，读取数据的实时温度一般系统都会设定是85℃。外部多点电源的温度供电控制模式主要是根据DS18B20的最佳电源运行时和工作环境状态，工作温度持续稳定，抗干扰能力强，而且该供电模式的控制电路简单可靠，能够通过自主自行研制自己设计和自主开发一套简单稳定又可靠的多点电源温度幅值监测控制系统，在外部电源连接整个电源的这种方式下，可以很好地充分发挥其对DS18B20宽范围电源的输入电压温度幅值控制范围的重要特性，即使仅仅是整个电源的外部输出输入端电由VCC已经逐渐下降至达到3v，仍然同样可以轻松实现。确保了高性能温度计的过程测量准确精度高[9]。在实践中不同的地方就是，连接DS18B20的两条总线电缆都是没有使用长度约束的，试验中，当采用普通的信号电缆所需要传输的长度超过50m时，读取后所计算得到的两条总线电路之间的温度和所需要测量的数据将来就会有很多可能性，这样就会直接造成电缆发生畸形，因此当将原来的两条总线通信电缆都进行了修改之后就变成了采用的是双绞线带的并行或者屏蔽型式电缆时，正常情况下总线通讯延长的最高频率距离可以略微地提升一米至150m左右，但是当对于那些采用每米的双绞合通信次数较多的采用双绞线的频带进行屏蔽式的电缆时，通信的延长距离也就可能会进一步有所增加，这种畸形现象的发生原因主要表现有三个第一方面，即由于一个总线内部的分布式内阻电容畸形导致的这使得输入信号的温度波形值在变化中也发生了是因畸形而变所引起的，因此，在用于dDS18B20进行总线测温监控系统的总线长距离通信设计，需要我们充分考虑输入到一个总线的分布式内阻电容与它的阻抗是否相匹配。3.5控制电路部分该中断部分设计可以通过充分利用一个单片硅电机一个p口中断输出的输入电流和接口高低温度电平差等信号资源来自动控制一个固态电源继电器的通电中断，从而可以确定一个电热隔阻丝在一个p口上是否进行连续加热，当一个p口连续输出一个温度低电平时，加热后的电阻就自然会自动通电，周围的环境温度缓慢地上下升高，DS18B20测得的接口温度系数值也同样会随之上下升高;同时当一个p口连续输出一个温度高电平时，加热隔阻电路将来就会自动断开，温度值也会上下回落[10]。该中断部分设计可以通过充分利用一个单片硅电机一个p口中断输出的输入电流和接口高低温度电平差等信号资源来自动控制一个固态电源继电器的通电中断，从而可以确定一个电热隔阻丝在一个p口上是否进行连续加热，当一个p口连续输出一个温度低电平时，加热后的电阻就自然会自动通电，周围的环境温度缓慢地上下升高，DS18B20测得的接口温度系数值也同样会随之上下升高;同时当一个p口连续输出一个温度高电平时，加热隔阻电路将来就会自动断开，温度值也会上下回落[11]。如图3.4所示。图3.4控制电路部分3.6报警电路通过对一个位于单片控主机上的I/O口需要进行临时控制的一个蜂鸣器，来对它主机进行工作温度控制报警但是当它的工作温度报警值已经低于或者远远大于超出一个单片控主机所定的需要临时设置的工作温度大小时候，单片控主机上的I/O口被自动拉低，这时候这些带有一个电压驱动器和继电器的三极晶体管也就不再需要能够正常活动地进行工作，起到了报警的效果。温度控制系统的主要硬件和集成电路在基本设计确定之后，其主要的工作功能将完全地依靠于软件而言的方式来直接进行和实现，本系统的主要软件工作原理就是直接地完成了对于温度数据的采集并把所有必须采集得到的数据经由串口或者无线通讯发出传递给相应的上位机，同时还使用户可以接收到上位机的命令，达到了对于温度控制的主要目标[12]。如下面框图所示。由于装在单片硅电机接口处输出管脚的直流充电灌注比输出电源容量大，所以该控制电路的主要设计特点是在采用低电平进行输入时会有蜂鸣器嗡嗡作响，高电平则自动跳闸关闭。当pnp3.7脚短路输出一个较大低电平时，pnp型三极集线管8550导线接通，有集线器电极的一个较大电流短路进入，蜂鸣器就会发起较大声音。当新的p3.7脚开始输出一个新的高电平时，三极晶闸管被自动截止，蜂鸣器控制开关<br>被关闭[13]。图3.5报警电路部分3.7显示电路我们最常用的显示器中是七段式和八段式LED数码管，八段比七段多了一个小数点，其他的基本上都大致相同。所谓的八段就是指数码管里有八个小LED发光二极管，通过控制不同的LED的亮灭来显示出不同的字形。其原理图如下。其中引脚两端的结构如图所示，即为下图的两个引脚com端相互联系在一起，是公共端，共阴光伏数码管通常必须根据需求对其进行接地，共阳光伏数码管则通常必须根据需求连接一个正5伏的交流电源。一个八段的八位数码管通常被我们简单地称为一位，多个八段的数码管如果并列在一起就已经完全能够直接组合构成一个多位的八段数码管，它们的段和位所选择的公共端连线(也许我们可以简单地说就是a，b，c，d，e，f，g，dp)紧密地联系在一起，而各自的公共端又被我们简单地称为段和位所选择的公共端连线。所以当每次信号显示时，都从一个段的点选线向每个输出位便器发送信号上的一个相同数码字符串和信号编码，而且每当输出位选中了哪个谁位的段择线，那个新的数码管便器就有机会被自动点亮。数码管的8段，对应一个数码字节的8位，a分别互相对应一个字节的最高位和低位，dp分别互相对应一个字节的最高位[14]。图3.6数码管3.8系统总体电路设计综合上述几大模块，最终可以得到总体原理图电路如下图3-6所示图3.6系统总体电路图3.9实物与焊接4软件部分设计根据自己智能保温水杯硬件而设计好的一个软件流程，实际上就是针对自己所经营设计好的一个管理流程和一个可以控制的流程来进行设计和编写。管理程序主要负责对屏幕上的各个显示单元信号进行动态刷新、控制指示灯、处理按键信号的扫描与反馈等操作;控制的过程就是对受到控制信号在过程中所有信号都进行了采样、数据处理，根据所有控制信号算式而实现信号的计算输入等操作。因为整个控制器的软件体系非常复杂，为了方便后期的开发者进行编写、调试和后期的修改，系统中所有的控制器和软件都是采用一种比较模块化的架构，此外，整个控制器的各种硬件也都实际上是由许多独立的控制器和各种软件模块共同组合构成，它们之间则都是通过相关的软件接口直接地进行相互的连接，主控程序主要有两个部分，如条件自动判断和子程序自动调用等，其中最重要的是关键程序部分[15。在我们需要对微机控制部分进行组装和设计时，设计师必须将所有需要完成和执行的工作任务和相关应用所需要具备的各种功能合理分配到相应的硬件和软件组成部分，不仅需要充分考虑到其成本问题，还需要充分考虑其实用性及工作的进展，做到软硬件结合且协调，为整体设计省时省力。

4.1系统的总体流程图4.2测温程序流程图4.3控制部分