畢業(yè)設(shè)計（論文）基于單片機的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設(shè)計

1、<p>　　基于單片機的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設(shè)計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著人們生活水平的提高，各種熱水器的使用已相當普及。與之相配套的控制儀也相繼問世。然而，目前市場上的各種熱水器控制電路還與理想要求相差甚遠。因此我設(shè)計了新型的熱水器水溫水位控制系統(tǒng)來滿足于當今的需求，該熱水器智能控制系統(tǒng)主要由80C51

2、單片機控制、DS18B20溫度傳感器、獨立鍵盤、LED數(shù)碼管和報警系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)能測量并顯示水溫、設(shè)置水溫范圍，若水溫不處于所設(shè)置的水溫范圍則報警，同時還能對水位進行設(shè)置及加水，先設(shè)置好需要加水的水位段數(shù)，單片機會根據(jù)這個數(shù)進行判斷是否加水。通過軟硬件調(diào)試使以上所述功能都能正常實現(xiàn)。</p><p>　　本次設(shè)計是對水溫水位控制系統(tǒng)的智能化改進，采用單片機對其水溫水位參數(shù)進行控制，提高了電器的工作穩(wěn)定性，同時引

3、進了數(shù)字傳感器對水溫進行數(shù)據(jù)采集，這樣也就提高了系統(tǒng)的控制精度，以其自身的控制精度高、穩(wěn)定性好和成本低的獨特優(yōu)點在今后將會由廣泛的實用價值，其基于單片機的改進方法也具用廣泛的應(yīng)用意義。</p><p>　　關(guān)鍵詞：單片機；DS18B20；水溫水位控制</p><p>　　Electric Water Heater Water Temperature-Level Control System

4、 Based on SCM</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the improvement of people's living standard, the use of various water heater is very popular. Control apparatus and the match

5、ed field. However, the current market on the various water heater control circuit and the ideal requirements differ very far.So i design a new type of water heater water level control system to meet the semand in nowdays

6、. The design of solar water heaters intelligent control system is mainly composed of single-chip80C51,DS18B20 temperature sensor,an independent keyboa</p><p>　　For other related parameters, it also has a cer

7、tain 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 pr

8、actical value.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,

9、 and meantime</p><p>　　Keywords: singlechip; water level’s examination; water temperature’s examination</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要1</b></p

10、><p>　　Abstract2</p><p>　　第1章 緒論- 1 -</p><p>　　1.1選題的意義- 1 -</p><p>　　1.2電熱水器發(fā)展現(xiàn)狀- 1 -</p><p>　　1.3課題任務(wù)- 3 -</p><p>　　第2章 系統(tǒng)設(shè)計方案- 4 -</

11、p><p>　　2.1設(shè)計原理- 4 -</p><p>　　2.1.1系統(tǒng)原理- 4 -</p><p>　　2.1.2子系統(tǒng)工作原理- 4 -</p><p>　　2.2設(shè)計方案- 5 -</p><p>　　2.2.1系統(tǒng)設(shè)計方案的選擇- 5 -</p><p>　　2.2.2各部件

12、控制系統(tǒng)方案- 7 -</p><p>　　第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計- 9 -</p><p>　　3.1系統(tǒng)總體設(shè)計- 9 -</p><p>　　3.2各單元電路設(shè)計- 11 -</p><p>　　3.2.1控制單元設(shè)計- 11 -</p><p>　　3.2.2顯示單元設(shè)計- 17 -</p&g

13、t;<p>　　3.2.3檢測單元設(shè)計- 23 -</p><p>　　第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計- 31 -</p><p>　　4.1主程序設(shè)計- 31 -</p><p>　　4.2子程序設(shè)計- 31 -</p><p>　　4.2.1溫度采集- 31 -</p><p>　　4.2.2控制按鍵

14、設(shè)計- 32 -</p><p>　　4.2.3讀溫度- 33 -</p><p>　　第5章 系統(tǒng)調(diào)試- 34 -</p><p>　　5.1硬件調(diào)試- 34 -</p><p>　　5.1.1調(diào)試步驟- 34 -</p><p>　　5.1.2液位檢測- 34 -</p><p>

15、;　　5.1.3溫度檢測- 35 -</p><p>　　5.2 軟件調(diào)試- 35 -</p><p>　　5.2.1 Proteus仿真- 35 -</p><p>　　5.2.2 軟件調(diào)試過程- 36 -</p><p>　　5.3系統(tǒng)聯(lián)調(diào)- 36 -</p><p><b>　　總結(jié)- 40

16、 -</b></p><p>　　參考文獻- 42 -</p><p><b>　　致謝- 43 -</b></p><p><b>　　附錄- 45 -</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><

17、;b>　　1.1選題的意義</b></p><p>　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生，給人們的生活帶來了根本性的變化，如果說微型計算機的出現(xiàn)使現(xiàn)代的科學研究得到了質(zhì)的飛躍，那么可編程控制器的出現(xiàn)則是給現(xiàn)代工業(yè)控制測控領(lǐng)域帶來了一次新的革命。在現(xiàn)代社會中，水位和溫度控制不僅應(yīng)用在工廠生產(chǎn)方面，其作用也體現(xiàn)到了生活的各個方面。</p><p>　　隨著

18、人們生活質(zhì)量的提高，酒店廠房及家庭生活中都會見到水位和溫度控制的影子，水位和溫度控制將更好的服務(wù)于社會目前，單片機控制器在從生活工具到工業(yè)應(yīng)用的各個領(lǐng)域，例如生活工具的電梯、工業(yè)生產(chǎn)中的現(xiàn)場控制儀表、數(shù)控機床等。尤其是用單片機控制器改造落后的設(shè)備具有性價比高、提高設(shè)備的使用壽命、提高設(shè)備的自動化程度的特點。</p><p>　　現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計、工程建設(shè)及日常生活中常常需要用到水位和溫度控制，早期水位和溫度控制主要應(yīng)

19、用于工廠中，例如工廠中的大型鍋爐，必須實時的掌握鍋爐的水位和溫度，確保系統(tǒng)的正常運行。</p><p>　　因此，水溫水位控制在改善人們生活質(zhì)量中起到了非常重要的作用。現(xiàn)在市面上的電器種類繁多，它們都需要對其主要的水位和水溫參數(shù)加以控制，實現(xiàn)電器水溫水位控制的自動化。</p><p>　　早期溫度和水位的參數(shù)控制時通過模擬電路實現(xiàn)的，這種方式不僅電路復雜，成本高，而且誤差大，系統(tǒng)的穩(wěn)定性不

20、好，單片機及微型計算機技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用有效地解決了這些缺點，特別是傳感器的發(fā)展，更好的提高了檢測參數(shù)的精度。</p><p>　　選擇基于單片機的水溫水位控制系統(tǒng)，是因為它不僅在人們生活中具有顯著的意義，更重要的是能系統(tǒng)地聚溫度和水位參數(shù)于一身，對于更好的掌握和認識單片機的應(yīng)用和傳感器的應(yīng)用，系統(tǒng)地深刻認識自動控制的實際應(yīng)用，掌握復雜的多子系統(tǒng)地設(shè)計起到了很強的鍛煉作用。</p><p>

21、　　1.2電熱水器發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　經(jīng)過20多年的發(fā)展，整個熱水器行業(yè)已經(jīng)從最初的小而少發(fā)展到現(xiàn)在的大而多，產(chǎn)品類型也隨著技術(shù)不斷成熟，由最初的燃氣熱水器獨領(lǐng)風騷發(fā)展到今天的燃氣式、電熱式、太陽能、空氣源熱泵等多種類型。隨著全球經(jīng)濟快速發(fā)展，中國電器制造業(yè)的迅猛發(fā)展及城市建設(shè)步伐的不斷加快，為熱水科技產(chǎn)業(yè)帶來了無限商機。目前，創(chuàng)新、安全、節(jié)能、高效已成為熱水器行業(yè)間競爭的焦點及發(fā)展趨勢。 </p

22、><p>　　據(jù)調(diào)查，中國熱水器的普及率只有70%左右。目前，46.6%的居民家庭表示要在未來5年中購買或更換熱水器。未來5年內(nèi)我國城市熱水器需求量將平穩(wěn)增長，達到4660萬臺，熱水器行業(yè)即將迎來新一輪的消費高峰。據(jù)國務(wù)院發(fā)展研究中心市場經(jīng)濟研究所推出的“中國城市熱水器市場研究咨詢報告”顯示，未來三年，我國熱水器市場將繼續(xù)保持平穩(wěn)發(fā)展的態(tài)勢，年增長保持在6%左右。 </p><p>　　就中國

23、的具體情況而言，太陽能熱水器由于安裝位置的局限性，只適用于居住在頂樓的居民，且受天氣原因的限制，使用范圍狹窄，燃氣熱水器由于必須分室安裝，且須由專業(yè)人員安裝，并且燃氣熱水器不易調(diào)溫，需定期除垢，在使用中還易產(chǎn)生有害氣體，特別是使用液化石油氣和人工煤氣型的直排式燃氣熱水器，會產(chǎn)生輕度油煙，嚴重時甚至會危及生命。因此燃氣熱水器是一種人命關(guān)天的特殊產(chǎn)品，即使有百分之一的疏忽，帶給用戶的危險將是百分之百。 根據(jù)中國商業(yè)聯(lián)合會前不久的統(tǒng)計，電熱水

24、器的市場份額在銷售數(shù)量和銷售收入兩個方面都已經(jīng)超過了長期以來占優(yōu)勢的燃氣熱水器。該中心預(yù)計，在城市電網(wǎng)更大范圍改造和城市住房市場大規(guī)模啟動的帶動下，今后幾年我國電熱水器市場將呈現(xiàn)強勁增長勢頭。</p><p>　　目前市場上的電熱水器分連續(xù)水流式和貯水式，前者雖具有加熱速度快和體積小的優(yōu)點，但需要的功率大，大多數(shù)家庭供電線路難以承受。而市場上傳統(tǒng)的機械式電熱水器控制功能不完善，而且精度低、可靠性差，生活質(zhì)量的提高

25、使得消費者對電熱水器功能提出延伸至全新的概念層面。熱水器技術(shù)未來將繼續(xù)朝著以下幾個方面發(fā)展： </p><p>　　① 智能化：從最初的手動旋鈕調(diào)節(jié)發(fā)展到如今數(shù)字化調(diào)節(jié)方式 </p><p>　?、?節(jié)能技術(shù)：從最初機械結(jié)構(gòu)上的保溫節(jié)能到控制技術(shù)上的定時加熱或分步加熱技術(shù)轉(zhuǎn)變，由于在水溫很高時熱量流失較快，所以未采用該類技術(shù)的產(chǎn)品需要長時間在高溫區(qū)反復加熱，不僅啟動頻繁，而且耗電量很大，

26、如果用戶可根據(jù)自己的實際需要設(shè)定好規(guī)定時段以進行定時倒計時加熱，則能將保溫耗電降至最低 </p><p>　?、?安全穩(wěn)定性：由于電熱水器不同于一般的家電產(chǎn)品，涉及到人身安全，所以安全問題一直是各大廠家考慮的重點。隨著現(xiàn)在各種安全技術(shù)在電熱水器設(shè)計中的普遍應(yīng)用，用電環(huán)境的日益規(guī)范，以及國家對電熱水器實行強制認證，安全技術(shù)已經(jīng)成為衡量電熱水器的重要標準。其中安全技術(shù)主要體現(xiàn)在能自動檢測熱水器是否處于正常工作狀態(tài)，

27、并具有調(diào)溫、恒溫、防干燒、防超高溫、防漏電等多項自檢功能，使用戶在使用過程中安全更有保障。 此外，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線遠程控制也將是新一代電熱水器的發(fā)展方向，用戶可以通過任何一部雙音頻固定電話或手機遙控熱水器的開/關(guān)、溫度設(shè)定等，并可查詢熱水器的工作狀態(tài)?，F(xiàn)在市場上較為先進的儲水式電熱水器能實現(xiàn)上述等功能，但仍難以滿足人們對現(xiàn)代化家電的使用要求。在現(xiàn)如今眾多的控制手段中，要滿足低價格、高性能、尤其是智能化的要求，采用典型的嵌入式

28、控制系統(tǒng)——單片機為核心的控制器應(yīng)為首選。</p><p><b>　　1.3課題任務(wù)</b></p><p>　　本設(shè)計主要是對市場現(xiàn)有產(chǎn)品的仿制，要能夠?qū)崿F(xiàn)電熱水器的完整功能。以80C51單片機為核心配合傳感器、顯示器件、繼電器、電加熱器、報警器等外圍器件，采集熱水器儲水箱中的水位、水溫信號，通過控制電動機的運轉(zhuǎn)、電加熱器加熱來控制儲水器的水位、溫度。利用鍵盤上開

29、關(guān)按鈕進行調(diào)節(jié)水溫的最大和最小限度，手動控制上水和加熱，設(shè)置水位水溫功能。采集熱水器儲水箱中水位和水溫信號，并完成水位和水溫的顯示，以及缺水報警系統(tǒng)。</p><p>　　第2章 系統(tǒng)設(shè)計方案</p><p><b>　　2.1設(shè)計原理</b></p><p><b>　　2.1.1系統(tǒng)原理</b></p>

30、<p>　　利用熱敏傳感器和水位傳感器檢測水溫和水位，并加以顯示。根據(jù)水位情況進行手動和自動上水控制。當水位從高到低，出現(xiàn)缺水狀態(tài)時，蜂鳴器報警，缺水指示燈亮，繼電器開始工作，熱水器容器上水，水位上升超過“低”水位后，缺水指示燈熄滅，蜂鳴器停止報警。水位至預(yù)置水位后繼電器關(guān)閉，停止上水；當水溫低于設(shè)定最低溫度時，加熱繼電器工作，當溫度加熱高于設(shè)定最高溫度的時候繼電器停止工作。</p><p>　　此系

31、統(tǒng)是為多子系統(tǒng)的綜合性控制系統(tǒng)，設(shè)計過程中也是分塊實現(xiàn)設(shè)計調(diào)試，最后進行綜合實現(xiàn)，以下就從各子系統(tǒng)的工作原理進行分別進行說明。</p><p><b>　　圖2.1系統(tǒng)原理圖</b></p><p>　　2.1.2子系統(tǒng)工作原理</p><p><b>　　1、溫度控制系統(tǒng) </b></p><p>

32、;　　該子系統(tǒng)利用低功耗單線數(shù)字溫度傳感器DS18B20實現(xiàn)溫度采樣，將采樣的溫度值通過單片機的P3.3口送入單片機處理，然后實現(xiàn)水溫的控制,利用按鍵對水溫的值進行設(shè)置，當溫度高于上限或者低于下限后蜂鳴器報警，使之保持溫度在一定范圍內(nèi)的穩(wěn)定。</p><p>　　本控制系統(tǒng)可以時時采集熱水器內(nèi)部水溫通過LED顯示水溫，由于太陽能熱水器實際溫度不會超過100攝制度，所以本系統(tǒng)采用兩位顯示，測量范圍為00~99攝氏度

33、，溫度可以精確到小數(shù)點后兩位。</p><p><b>　　2、水位控制系統(tǒng)</b></p><p>　　該子系統(tǒng)能進行水位的控制，利用自制的3根導線對水位的信息進行采集，并通過單片機的P2口送入給單片機處理加工，通過發(fā)光二極管顯示器顯示，共有3個水位擋，沒水或者系統(tǒng)出錯后，蜂鳴器都報警，使系統(tǒng)的水位保持在一定的范圍內(nèi)。</p><p>　　本

34、系統(tǒng)需顯示水位，水位分低、中、高三檔，均用發(fā)光二極管來指示。</p><p>　　實驗證明，純凈水幾乎是不導電的，但自然界存在的以及人們?nèi)粘Ｊ褂玫乃紩幸欢ǖ腗g2+、Ca2+等離子，它們的存在使水導電。本控制裝置就是利用水的導電性來完成的。 </p><p>　　當水位未達到a時，即h<a時、這時傳感器的總阻值R為3R，對應(yīng)，系統(tǒng)處于缺水狀態(tài)。 </p>&l

35、t;p>　　當a<h<b時，傳感器電阻阻值R為2R，對應(yīng)，系統(tǒng)處于30%水位。 </p><p>　　當b<h<c時，傳感器電阻阻值R為R，對應(yīng)，系統(tǒng)處于50%水位。 </p><p>　　當h=c時，傳感器電阻阻值R為0，對應(yīng)，系統(tǒng)處于100%水位。 </p><p>　　其中，環(huán)形振蕩器產(chǎn)生的方波周期T（或f）可通過單片機的兩個

36、定時/計數(shù)器（T0、T1）來確定，T1用來計數(shù)，T0用來定時。</p><p><b>　　3、報警系統(tǒng)</b></p><p>　　該系統(tǒng)利用蜂鳴器報警，系統(tǒng)故障報警和水溫水位信息報警，以便及時掌握水溫水位控制系統(tǒng)的工作狀況，系統(tǒng)自己不能處理的就可以人工輔助處理，這樣能讓系統(tǒng)更好的運行在穩(wěn)定狀況下。</p><p><b>　　2.

37、2設(shè)計方案</b></p><p>　　2.2.1系統(tǒng)設(shè)計方案的選擇</p><p>　　方案一：PIC16C72單片機為控制器件的智能電熱水器 PIC16C72是美國微芯(Microchip)公司推出的8/11位單片機，采用寬字節(jié)單周期指令，哈佛雙總線和RISC結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)吞吐量最高可達6MIPS，這幾乎是其它大多數(shù)8位微控制器速度的4倍128腳封裝的PIC16C72單片機內(nèi)

38、集成了以下主要功能：2KB片內(nèi)ROM程序存儲器，128KB數(shù)據(jù)存儲器；22位I/O線；5路8位A/D轉(zhuǎn)換器，2個8位，1個16位多功能計數(shù)器/定時器，1個捕捉/比較/脈寬調(diào)制(CCP)部件。 </p><p>　　以PIC16C72為控制芯片的電熱水器，雖然功能很強大，但是存在一些很需要改進的地方：中斷的現(xiàn)場保護是中斷應(yīng)用中一個很重要的部分由PIC16C72的指令系統(tǒng)中沒有專門的PUSH(入棧)和POP(出棧)指

39、令，所以要用一段程序來實現(xiàn)該功能。對可能用到的W寄存器和STATUS寄存器內(nèi)容進行現(xiàn)場保護1然后在中斷服務(wù)程序中對馬達，繼電器進行控制1漏電檢測報警在中斷里給出，而每50ms進入一次中斷，所以發(fā)生漏電時最多50ms即可切斷電源1入口→中斷保護→控制馬達→控制繼電器如果用直流對電機進行控制，其轉(zhuǎn)速太快，過調(diào)量太大，容易引起震蕩。</p><p>　　方案二:根據(jù)控制系統(tǒng)要求，首先確定PLC的控制模塊，估算出所需要的

40、I/O點數(shù)（數(shù)字輸入/輸出量、模擬輸入/輸出量），再增加10%~20%的備用量，以便隨時增加控制功能，保證系統(tǒng)投入運行后能夠替換個別故障點或彌補遺漏的點數(shù)，統(tǒng)計出I/O總點數(shù)后饑渴確定PLC的控制規(guī)模，從而確定存儲器（用于存儲用戶程序和數(shù)據(jù)）的容量，存儲器容量除了根據(jù)PLC的控制規(guī)模確定。也可以按照如下方法計算，再增加25%~30%的備用量，以便隨時增加用戶程序。</p><p>　　一種方法是根據(jù)編程實際使用的

41、節(jié)點數(shù)計算，即編完程序之后，根據(jù)節(jié)點數(shù)計算出實際使用容量。另一種方法是估算法，只有開關(guān)量時，所需內(nèi)存總數(shù)=開關(guān)量（輸入/輸出）總數(shù)*10；只有模擬量輸入時，所需內(nèi)存總數(shù)=模擬量路數(shù)*120。在模擬量輸入、輸出同時存在時，所需內(nèi)存總數(shù)=模擬量路數(shù)*250；同時，應(yīng)考慮PLC提供的內(nèi)部繼電器和寄存器的數(shù)量，以便節(jié)省資源。</p><p><b>　　系統(tǒng)控制框圖如下：</b></p>

42、<p>　　圖2.2系統(tǒng)控制框圖</p><p>　　這種設(shè)計方法，需要使用節(jié)點數(shù)來計算一些數(shù)據(jù)比較繁瑣。所以不采用這種方法。</p><p>　　方案三：單片機具有結(jié)構(gòu)簡單、控制能力強、可靠性高、體積小、價格低等優(yōu)點，在許多行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用.通過三極管的導通截止特性來判斷液位的位置，并且可以通過按鍵切換檢測壓力。但是在過程中只能檢測三點，雖然可以擴展，但是占了太多的I

43、/O口，容易造成資源的浪費。而且僅顯示單元就占用了12個I/O口，同樣屬于資源浪費。在電機電路設(shè)計方面，采用的三極管的導通截止來控制點擊的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，雖然設(shè)計簡單，但是過多的使用三極管以及二極管類的元器件，也會使成本升高。而且，既然是熱水器的自動控制裝置，那么必不可少的就是溫度的檢測，而其他方案中卻忽略了這點，造成了最大的殘缺。</p><p>　　通過以上三種設(shè)計方法的比較來看，實現(xiàn)電熱水器的智能控制可以有很多

44、種方法?？梢圆捎每删幊绦蚩刂破鱌LC，各種單片機來實現(xiàn)。相比PIC和PLC，單片機技術(shù)新、先進、體積小、精度高、功能擴展極其方便，且衡量之下它的成本較之其它方案要低些。除此之外單片機的外圍電路也非常的簡單,系統(tǒng)緊湊,對于這種小規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng),單片機具備了最佳的價格和最簡單的電路。再考慮到成本控制和軟硬件實現(xiàn)難度，采用方案三的控制系統(tǒng)設(shè)計，可以進一步提高電熱水器的智能作用，能夠保證持續(xù)的熱水供應(yīng)，并能夠在異常情況下自動斷電，可以滿足人們?nèi)?/p>

45、常生活的需要，提高了人們生活的質(zhì)量。</p><p><b>　　1、單片機的選擇</b></p><p>　　方案一：采用AT89C2051芯片，它具有體積小、功耗小。含有中斷、定時/計數(shù)器。但IO口數(shù)和存儲空間相對較少，所以此芯片不利于系統(tǒng)的工作和系統(tǒng)功能的擴展。</p><p>　　方案二：采用AT89C51芯片，它具有AT89C2051

46、芯片的所有功能，且IO口數(shù)相對較多，價錢相對也比較便宜，但存儲空間不是非常大。</p><p>　　方案三：采用80C51芯片，它具有AT89C2051和AT89C51芯片的所有功能，且IO口數(shù)非常多，比AT89C2051和AT89C51多，價錢雖然比AT89C2051和AT89C51昂貴，但存儲空間非常大，可以到達8K。</p><p>　　綜上所述，我選擇80C51芯片作為本次設(shè)計的主

47、控芯片，主要因為這個芯片的存儲空間比較大，可以運用很多場所，與本設(shè)計也相符。</p><p>　　2.2.2各部件控制系統(tǒng)方案</p><p>　　1、溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計方案討論</p><p>　　如果采用熱電阻，電路需接A/D轉(zhuǎn)換電路，由單片機換算出實際溫度，電路結(jié)構(gòu)復雜，而且也精度不高，DS18B20可直接與單片機的1位I/O相接，電路結(jié)構(gòu)簡單，占用單片機的口

48、線資源少，精度高，而且成本低，DS18B20以其各方面優(yōu)點作為溫度傳感器進行溫度采樣應(yīng)用于此水溫水位控制系統(tǒng)中實在是當仁不讓。</p><p>　　2、水位控制系統(tǒng)的設(shè)計方案討論</p><p>　　此系統(tǒng)要進行水溫水位控制，馬上想到的是水溫水位的兩個參數(shù)的控制，在溫度傳感器采用DS18B20之后，對于水位的控制不假思索的想到要運用水位傳感器，經(jīng)過幾天的資料搜集，發(fā)現(xiàn)水位的傳感器是通過壓力

49、傳感器變換過來的，看到最多的是浮球式液位傳感器，而且此傳感器的適用溫度范圍和測試精度也適合該設(shè)計系統(tǒng)，但此方案的缺點是價格非常昂貴；后來又考慮采用應(yīng)用于電子秤中的數(shù)字壓力傳感器，去測得整個容器中水的變化和容器中液位的換算關(guān)系，此想法基于電子秤能夠測得一張紙的重量，但是在實際應(yīng)用中，考慮到容器的氧化，容器內(nèi)部的水垢增多，而且容器的外置也會產(chǎn)生整個容器重量的變化，從而造成液位采集的不準確，此壓力傳感器的市場價格也比較昂貴，應(yīng)用于此控制模型中

50、也是一種浪費；因此我自制了3根線將容器中的液位分成了3個水位擋，通過和電源正極的結(jié)合，利用水導電的特性，通過9012三極管等元件構(gòu)成的驅(qū)動電路的電平轉(zhuǎn)換，將液位數(shù)據(jù)輸入P2口，通過單片機換算轉(zhuǎn)換成液位數(shù)據(jù)存入一個存儲器單元，隨時讀取。</p><p>　　3、數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)的設(shè)計方案討論</p><p>　　為了能構(gòu)造一個適合的人機界面，在諸多的顯示器件中數(shù)碼管的液晶字符性顯示器非常適合運用

51、于此控制系統(tǒng)當中的，它的功能特性也完全適用于此設(shè)計系統(tǒng)的功能要求，也不會造成資源的浪費，所以就確定數(shù)碼管作為本此設(shè)計系統(tǒng)的顯示器件。為了配合顯示器件，就需設(shè)置按鍵，根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和單片機的口線資源，為系統(tǒng)配制了3個獨立式鍵盤，用來調(diào)節(jié)溫度報警值。</p><p>　　第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計</p><p><b>　　3.1系統(tǒng)總體設(shè)計</b></p>

52、<p>　　本課題是基于80C51單片機的智能電熱水器的控制器的設(shè)計，要達到的控制要求有：（1）用4位數(shù)碼管顯示水溫，4位數(shù)碼管顯示預(yù)設(shè)溫度。（2）水溫檢測顯示范圍為00～99℃，精度為±2℃。（3）溫度預(yù)設(shè)范圍為05～60℃，當檢測溫度低于預(yù)設(shè)溫度1℃時，開始加熱；檢測溫度高于預(yù)設(shè)溫度1℃時，停止加熱。（4）電源開啟后，根據(jù)上次設(shè)定的溫度（220V總電源不能關(guān)閉）自動進入工作狀態(tài)。如220V總電源關(guān)閉后再開機，

53、預(yù)設(shè)溫度自動定為27℃。溫度+鍵：每按一次該鍵，預(yù)設(shè)溫度加1℃，長按該鍵（時間超過1秒以上），預(yù)設(shè)溫度快速增加，當預(yù)設(shè)溫度加到38℃時，按該鍵不起作用。溫度－鍵：每按一次該鍵，預(yù)設(shè)溫度減1℃，長按該鍵（時間超過1秒以上），預(yù)設(shè)溫度快速減小，當預(yù)設(shè)溫度減到05℃時，按該鍵不起作用。（5）設(shè)置5個面板指示燈。電源指示燈（紅）：接通220V電源，該指示燈點亮。加水指示燈（繼電器旁的綠），加熱指示燈（繼電器旁的紅）：加熱元件工作時，該指示燈被點

54、亮。報警指示燈（紅）：當缺水情況時，該指示燈被點亮。（6）報警設(shè)置。高溫報警：當檢測溫度高于65℃時，自動報警。低溫報警：當檢測溫度低于0℃時，自動報警。缺</p><p>　　本系統(tǒng)需要完成的控制系統(tǒng)技術(shù)性能大致總結(jié)如下：</p><p>　　使用電源220V AC,功耗小于5W。</p><p>　　水溫顯示，測溫范圍0-99攝氏度；精度正負2攝氏度。</

55、p><p>　　水位分檔顯示，分三檔：低，中，高。</p><p>　　具有低水位上水，手動上水等功能。</p><p>　　缺水報警：出現(xiàn)缺水狀態(tài)時，蜂鳴報警，缺水指示燈亮。高溫報警：當溫度高于設(shè)定溫度時，蜂鳴報警系統(tǒng)開啟。</p><p>　　為了使設(shè)計具有高可靠性，與實際運用的緊密結(jié)合性，從經(jīng)濟、實用的角度出發(fā)，我們對熱水器自動控制系統(tǒng)進行

56、精心的設(shè)計，在設(shè)計過程中，我們綜合多方面的知識進行分析。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：</p><p>　　圖3.1總體設(shè)計方框圖</p><p><b>　　1、單片機最小系統(tǒng)</b></p><p>　　圖3.2 單片機最小系統(tǒng)</p><p>　　單片機9腳接復位電路，可按復位按鈕S1給單片機復位。</p>

57、;<p>　　晶振采用12MHZ。</p><p>　　由于單片機只訪問片內(nèi)Flash ROM并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令，因此單片機的31腳接高電平VCC。</p><p>　　3.2各單元電路設(shè)計</p><p>　　3.2.1控制單元設(shè)計</p><p>　　80C51芯片有40個引腳，4k bytes flash片內(nèi)程序

58、存儲器，128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），32個外部雙向輸入/輸出（i/o）口，5個中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，看門狗（wdt）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。</p><p>　　80C51單片機是一種低功耗高性能的CMOS 8位微控制器，內(nèi)置8KB可在線編程閃存。該器件采用Atmel公司的高密度非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，其指令與工業(yè)標準的80C51指令集兼容

59、。片內(nèi)程序存儲器允許重復在線編程，允許程序存儲器在系統(tǒng)內(nèi)通過SPI串行口改寫或用同用的非易失性存儲器改寫。通過把通用的8位CPU與可在線下載的Flash集成在一個芯片上，80C51便成為一個高效的微型計算機。它的應(yīng)用范圍廣，可用于解決復雜的控制問題，且成本較低。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3.3所示。</p><p>　　圖3.3 80C51結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　圖3.4 80C51 

60、;   此外，80C51設(shè)計和配置了震蕩頻率可為12MHZ并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，cpu暫停工作，而ram定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存ram的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有pdip、tqfp和plcc等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。1、主要功能特性：· 兼容mcs-51指令系統(tǒng) </p

61、><p>　　· 4k可反復擦寫(>1000次）isp flash rom· 32個雙向i/o口 </p><p>　　· 4.5-5.5v工作電壓· 2個16位可編程定時/計數(shù)器 </p><p>　　· 時鐘頻率0-33mhz· 全雙工uart串行中斷口線

62、 </p><p>　　· 128x8bit內(nèi)部ram· 2個外部中斷源 </p><p>　　· 低功耗空閑和省電模式· 中斷喚醒省電模式 </p><p>　　· 3級加密位· 看門狗（wdt）電路 </p><

63、;p>　　· 軟件設(shè)置空閑和省電功能· 靈活的isp字節(jié)和分頁編程 </p><p>　　· 雙數(shù)據(jù)寄存器指針</p><p><b>　　2、引腳功能介紹</b></p><p>　　按照功能，80C51的引腳可分為主電源、外接晶體振蕩或振蕩器、多功能I/O口、控制和復位等。</p>&

64、lt;p><b>　　1.多功能I/O口</b></p><p>　　80C51共有四個8位的并行I/O口：P0、P1、P2、P3端口，對應(yīng)的引腳分別是P0.0 ～ P0.7，P1.0 ～ P1.7，P2.0 ～ P2.7，P3.0 ～ P3.7，共32根I/O線。每根線可以單獨用作輸入或輸出。</p><p>　　①P0端口，該口是一個8位漏極開路的雙向I/O

65、口。在作為輸出口時，每根引腳可以帶動8個TTL輸入負載。當把“1”寫入P0時，則它的引腳可用作高阻抗輸入。當對外部程序或數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P0可用作多路復用的低字節(jié)地址/數(shù)據(jù)總線，在該模式，P0口擁有內(nèi)部上拉電阻。在對Flash存儲器進行編程時，P0用于接收代碼字節(jié)；在校驗時，則輸出代碼字節(jié)；此時需要外加上拉電阻。</p><p>　?、赑1端口，該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口，P1口的輸出緩沖器

66、可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫“1”時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時可用作輸入口。P1口作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。在對Flash編程和程序校驗時，P1口接收低8位地址。</p><p>　　另外，P1.0與P1.1可以配置成定時/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入端（P1.0/T2）與定時/計數(shù)器2的觸發(fā)輸入端（P1.0/T2EX），如表3

67、.1所示。</p><p>　　表3.1  P1口管腳復用功能</p><p>　　③ P2端口，該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口，P2口的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4個TTL輸入。對端口寫“1”時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時可用作輸入口。P2口作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。</p>

68、<p>　　在訪問外部程序存儲器或16位的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口送出高8位地址，在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2口引腳上的內(nèi)容（就是專用寄存器（SFR）區(qū)中P2寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不會改變。在對Flash編程和程序校驗期間，P2口也接收高位地址或一些控制信號。</p><p>　?、?P3端口，該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口，P3口的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）

69、4個TTL輸入。對端口寫“1”時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時可用作輸入口。P3口作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。</p><p>　　在80C51中，同樣P3口還用于一些復用功能，如表3.2所列。在對Flash編程和程序校驗期間，P3口還接收一些控制信號。</p><p>　　表3.2 P3端口引腳與復用功能表</p>

70、<p><b>　　表3.2（續(xù)）</b></p><p>　　2.RST  復位輸入端。在振蕩器運行時，在此腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使其單片機復位。看門狗定時器（Watchdog）溢出后，該引腳會保持98個振蕩周期的高電平。在SFR AUXR（地址8EH）寄存器中的DISRTO位可以用于屏蔽這種功能。DISRTO位的默認狀態(tài)，是復位高電平輸出功能使能。<

71、/p><p>　　3.ALE/PROG  地址鎖存允許信號。在存取外部存儲器時，這個輸出信號用于鎖存低字節(jié)地址。在對Flash存儲器編程時，這條引腳用于輸入編程脈沖PROG。一般情況下，ALE是振蕩器頻率的6分頻信號，可用于外部定時或時鐘。但是，在對外部數(shù)據(jù)存儲器每次存取中，會跳過一個ALE脈沖。在需要時，可以把地址8EH中的SFR寄存器的0位置為“1”，從而屏蔽ALE的工作；而只有在MOVX或MOVC指令

72、執(zhí)行時ALE才被激活。在單片機處于外部執(zhí)行方式時，對ALE屏蔽位置“1”并不起作用。</p><p>　　4.PSEN  程序存儲器允許信號。它用于讀外部程序存儲器。當80C51在執(zhí)行來自外部存儲器的指令時，每一個機器周期PSEN被激活2次。在對外部數(shù)據(jù)存儲器的每次存取中，PSEN的2次激活會被跳過。</p><p>　　5.EA/Vpp  外部存取允許信號。為了確保單

73、片機從地址為0000H～FFFFH的外部程序存儲器中讀取代碼，故要把EA接到GND端，即地端。但是，如果鎖定位1被編程，則EA在復位時被鎖存。當執(zhí)行內(nèi)部程序時，EA應(yīng)接到Vcc。在對Flash存儲器編程時，這條引腳接收12V編程電壓Vpp。</p><p>　　6.XTAL1  振蕩器的反相放大器輸入，內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。</p><p>　　7.XTAL2  振蕩

74、器的反相放大器輸出。</p><p><b>　　3、復位電路設(shè)計</b></p><p>　　單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包含兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴展，即單片機內(nèi)部的功能單元，如ROM、RAM、I/O、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當?shù)男酒O(shè)計相應(yīng)的電路。二是系統(tǒng)的配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤、顯示器

75、、打印機、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計合適的接口電路。本設(shè)計中只用最小系統(tǒng)加上鍵盤、顯示、ISP接口電路，單片機本身資源可以滿足設(shè)計要求，所以不必對單片機進行擴展。 </p><p>　　復位電路雖然簡單，但其作用非常重要。一個單片機系統(tǒng)能恢復正常運行，首先要檢查是否能復位成功，其中手動復位開關(guān)比較常用，如圖所示：</p><p>　　圖3.5 手動開關(guān)復位電路</p>&

76、lt;p>　　手動開關(guān)未按下之前，電容正極處于充電狀態(tài)，當按鍵按下去后，VCC與GND導通，電容放電，從而實現(xiàn)放電。</p><p><b>　　4、按鍵電路</b></p><p>　　本畢業(yè)設(shè)計的按鍵采用獨立式按鍵，是直接用I/O口線構(gòu)成的單個按鍵電路，其特點是每個按鍵單獨占用一根I/O口線，每個按鍵的工作不會影響其它I/O口線的狀態(tài)。</p>

77、<p>　　當有按鍵被按下時說明用戶要手動上水。按鍵使用上拉電阻方式接入單片機。未按下時對單片機輸入一個高電平，按下后輸入一個低電平。</p><p>　　鍵的閉合與否，反映在行線輸出電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平，如果高電平表示斷開的話，那么低電平則表示閉合，所以通過對行線電平的高低狀態(tài)的檢測，便可以確認按鍵按下與否。為了確保CPU對一次按鍵動作只確認一次按鍵，必須消除抖動的影響。</p>

78、;<p><b>　　圖3.6 按鍵電路</b></p><p>　　報警溫度用按鍵S2，S3，S4來設(shè)置，S2為調(diào)整鍵，按一次可調(diào)整報警上限溫度值，按兩次可調(diào)整報警下限溫度值，按三次數(shù)碼管恢復到正常溫度顯示。</p><p>　　3.2.2顯示單元設(shè)計</p><p><b>　　1、報警電路的設(shè)計</b>

79、</p><p>　　蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機、定時器等電子產(chǎn)品中發(fā)生器。</p><p>　　一、蜂鳴器主要分為（1）壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。多諧振蕩由晶體管或集成電路構(gòu)成。當接通電源后，多諧振蕩器

80、起振，輸出1.5~2.5kHZ的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴器發(fā)聲。壓電蜂鳴器片由鋯鈦酸鉛或鈮鎂酸鉛壓電陶瓷材料制成。在陶瓷片的兩個鍍上銀電極，經(jīng)極化和老化處理后，再與黃銅片或不銹鋼片粘著一起。</p><p>　　電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發(fā)聲。</

81、p><p><b>　　蜂鳴器的驅(qū)動</b></p><p>　　由于自激蜂鳴器是直流電壓驅(qū)動的，不需要利用交流信號進行驅(qū)動，只需對驅(qū)動口輸出驅(qū)動電平并通過三極管放大驅(qū)動電流就能使蜂鳴器發(fā)出聲音，很簡單，這里就不對自激蜂鳴器進行說明了。這里只對必須用1/2duty的方波信號進行驅(qū)動的他激蜂鳴器進行說明。</p><p>　　單片機驅(qū)動他激蜂鳴器的方

82、式有兩種：一種是PWM輸出口直接驅(qū)動，另一種是利用I/O定時翻轉(zhuǎn)電平產(chǎn)生驅(qū)動波形對蜂鳴器進行驅(qū)動。</p><p>　　PWM輸出口直接驅(qū)動是利用PWM輸出口本身可以輸出一定的方波來直接驅(qū)動蜂鳴器。在單片機的軟件設(shè)置中有幾個系統(tǒng)寄存器產(chǎn)生符合蜂鳴器要求的頻率的波形之后，只要打開PWM輸出，PWM輸出口就能輸出該頻率的方波，這個時候利用這個波形就可以驅(qū)動蜂鳴器了。</p><p>　　而利用

83、I/O定時翻轉(zhuǎn)電平來產(chǎn)生驅(qū)動波形的方式會比較麻煩一點，必須利用定時器來做定時，通過定時翻轉(zhuǎn)電平產(chǎn)生符合蜂鳴器要求的頻率的波形，這個波形就可以用來驅(qū)動蜂鳴器了。比如為2500Hz的蜂鳴器的驅(qū)動，可以知道周期為400μs，這樣只需要驅(qū)動蜂鳴器的I/O口每200μs翻轉(zhuǎn)一次電平就可以產(chǎn)生一個頻率為2500Hz，占空比為1/2duty的方波，再通過三極管放大就可以驅(qū)動這個蜂鳴器了。</p><p>　　有源蜂鳴器和無源蜂

84、鳴器的差別主要差別為：有源蜂鳴器和無源蜂鳴器的根本區(qū)別是產(chǎn)品對輸入信號的要求不一樣；有源蜂鳴器工作的理想信號是直流電，通常標示為VDC、VDD等。因為蜂鳴器內(nèi)部有一簡單的振蕩電路，能將恒定的電流電轉(zhuǎn)化成一定頻率的脈沖信號，從面實出磁場交變，帶動鉬片振動發(fā)音。但是在某些有源蜂鳴器在特定的交流信號下也可以工作，只是對交流信號的電壓和頻率要求很高，此種工作方式一般不采用。而無源蜂鳴器沒有內(nèi)部驅(qū)動電路。無源蜂鳴器工作的理想信號方波。如果給預(yù)直流

85、信號蜂鳴器是不響應(yīng)的，因為磁路恒定，鉬片不能振動發(fā)音。這里說的“源”不是指電源，而是指振蕩源。</p><p>　　有源蜂鳴器和無源蜂鳴器好像一樣，但仔細看，兩者的高度略有區(qū)別，兩種蜂鳴器的引腳朝上放置事，可以看出有綠色電路板的一種是無源蜂鳴器，沒有電路板而用黑膠封閉的一種有源蜂鳴器。</p><p>　　有源蜂鳴器直接接上額定電源就可以連續(xù)發(fā)聲，而無源蜂鳴器則和電磁揚聲器一樣，需要接在音

86、頻輸出電路中才能發(fā)聲。</p><p><b>　　報警電路</b></p><p>　　圖3.7 蜂鳴器電路</p><p>　　本系統(tǒng)中采用蜂鳴器報警，由于單片機輸出電流較小，所以用三極管9013驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲音。</p><p>　　圖3.8 水位報警電路</p><p>　　當水位比較低

87、的時候，紅燈亮，水位在中間的時候，紅燈和黃燈亮，當水位慢的時候三個燈都亮，出故障的時候三個燈閃。</p><p>　　2、LED數(shù)碼管顯示</p><p><b>　　圖3.9 數(shù)碼管</b></p><p><b>　　數(shù)碼管使用條件：</b></p><p>　　a、段及小數(shù)點上加限流電阻<

88、;/p><p>　　b、使用電壓：段：根據(jù)發(fā)光顏色決定；小數(shù)點：根據(jù)發(fā)光顏色決定</p><p>　　c、使用電流：靜態(tài)：總電流 80mA（每段 10mA）；動態(tài)：平均電流 4-5mA 峰值電流 100mA</p><p>　　上面這個只是七段數(shù)碼管引腳圖，其中共陽極數(shù)碼管引腳圖和共陰極的是一樣的，4位數(shù)碼管引腳圖數(shù)碼管使用注意事項說明：</p>

89、<p>　?。?）數(shù)碼管表面不要用手觸摸，不要用手去弄引角；</p><p>　?。?）焊接溫度：260度；焊接時間：5S</p><p>　?。?）表面有保護膜的產(chǎn)品,可以在使用前撕下來。</p><p>　　這類數(shù)碼管可以分為共陽極與共陰極兩種，共陽極就是把所有LED的陽極連接到共同接點com，而每個LED的陰極分別為a、b、c、d、e、f、g及dp

90、（小數(shù)點）；共陰極則是把所有LED的陰極連接到共同接點com，而每個LED的陽極分別為a、b、c、d、e、f、g及dp（小數(shù)點），如下圖所示。圖中的8個LED分別與上面那個圖中的A~DP各段相對應(yīng)，通過控制各個LED的亮滅來顯示數(shù)字。</p><p>　　圖3.10 共陽數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　圖3.11 共陰數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　對于單個

91、數(shù)碼管來說，從它的正面看進去，左下角那個腳為1腳，以逆時針方向依次為1`10腳，左上角那個腳便是10腳了，上面兩個圖中的數(shù)字分別與這10個管腳一一對應(yīng)。注意，3腳和8腳是連通的，這兩個都是公共腳。 </p><p>　　還有一種比較常用的是四位數(shù)碼管，內(nèi)部的4個數(shù)碼管共用a~dp這8根數(shù)據(jù)線，為人們的使用提供了方便，因為里面有4個數(shù)碼管，所以它有4個公共端，加上a~dp，共有12個引腳，

92、下面便是一個共陰的四位數(shù)碼管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（共陽的與之相反）。引腳排列依然是從左下角的那個腳（1腳）開始，以逆時針方向依次為1~12腳，下圖中的數(shù)字與之一一對應(yīng)。</p><p>　　圖3.12 位共陽數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　?。?）數(shù)碼管編碼說明</p><p>　　4位數(shù)碼管編碼說明，如3.3表所示：</p><p>　　表3.3

93、 控制命令表</p><p><b>　　表3.3（續(xù)）</b></p><p>　?。?）、四位數(shù)碼管顯示電路</p><p>　　圖3.13 數(shù)碼管顯示電路</p><p>　　4位數(shù)碼管為共陽管，由于單片機輸出電流比較小，故用4個PNP型的三極管9015來驅(qū)動數(shù)碼管。單片機輸出低電平時三極管導通，使數(shù)碼管的4各公共

94、端1、4、5和12腳為高電平，此時數(shù)碼管的數(shù)據(jù)端輸入低電平后數(shù)碼管被點亮，120歐電阻R12到R19為三極管的限流電阻。</p><p>　　3.2.3檢測單元設(shè)計</p><p><b>　　一、溫度傳感器</b></p><p>　　DS18B20溫度傳感器是美國DALLAS半導體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻等測

95、溫元件相比，它能直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn)9~12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。 </p><p>　　TO－92封裝的DS18B20的引腳排列見圖3.14，其引腳功能描述見表3.4。</p><p>　　圖3.14 DS18B20 （底視圖）</p><p>　　表3.4　DS18B20詳細引腳功能描述</p><p>　

96、　1、DS18B20的性能特點如下：</p><p>　　●獨特的單線接口僅需要一個端口引腳進行通信；</p><p>　　●多個DS18B20可以并聯(lián)在惟一的三線上，實現(xiàn)多點組網(wǎng)功能；</p><p><b>　　●無須外部器件；</b></p><p>　　●可通過數(shù)據(jù)線供電，電壓范圍為3.0~5.5Ｖ；</p

97、><p><b>　　●零待機功耗；</b></p><p>　　●溫度以9或12位數(shù)字；</p><p>　　●用戶可定義報警設(shè)置；</p><p>　　●報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件；</p><p>　　●負電壓特性，電源極性接反時，溫度計不會因發(fā)熱而燒毀，但不能

98、正常工作； </p><p>　　DS18B20采用3腳PR－35封裝或8腳SOIC封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖3.15所示。</p><p>　　圖3.15 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　64位ROM的結(jié)構(gòu)開始8位是產(chǎn)品類型的編號，接著是每個器件的惟一的序號，共有48位，最后8位是前面56位的CRC檢驗碼，這也是多個DS18B20可以采用一線進行通信的原

99、因。溫度報警觸發(fā)器ＴＨ和ＴＬ，可通過軟件寫入戶報警上下限。</p><p>　　DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器還包括一個高速暫存ＲＡＭ和一個非易失性的可電擦除的EERAM。高速暫存RAM的結(jié)構(gòu)為8字節(jié)的存儲器，結(jié)構(gòu)如圖3所示。頭2個字節(jié)包含測得的溫度信息，第3和第4字節(jié)ＴＨ和ＴＬ的拷貝，是易失的，每次上電復位時被刷新。第5個字節(jié)，為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。DS18B20工作時寄存

100、器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如圖3.16所示。低5位一直為1，TM是工作模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測試模式，DS18B20出廠時該位被設(shè)置為0，用戶要去改動，R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置分辨率。</p><p>　　圖3.16 　DS18B20字節(jié)定義</p><p>　　由表3.4可見，DS18B20溫度轉(zhuǎn)換的時間比較長，而且分辨

101、率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間越長。因此，在實際應(yīng)用中要將分辨率和轉(zhuǎn)換時間權(quán)衡考慮。</p><p>　　高速暫存RAM的第6、7、8字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯1。第9字節(jié)讀出前面所有8字節(jié)的CRC碼，可用來檢驗數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。</p><p>　　當DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換完成后的溫度值就以16位帶符號擴展的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲

102、器的第1、2字節(jié)。單片機可以通過單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625℃／LSB形式表示。</p><p>　　當符號位S＝0時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當符號位S＝1時，表示測得的溫度值為負值，要先將補碼變成原碼，再計算十進制數(shù)值。表4.4是一部分溫度值對應(yīng)的二進制溫度數(shù)據(jù)。</p><p>　　表3.5 DS18B20溫度

103、轉(zhuǎn)換時間表</p><p>　　DS18B20的測溫原理是這這樣的,器件中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器１；高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器２的脈沖輸入。器件中還有一個計數(shù)門，當計數(shù)門打開時，DS18B20就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖進行計數(shù)進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將

104、－55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)分別置入減法計數(shù)器１、溫度寄存器中，計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對應(yīng)的一個基數(shù)值。</p><p>　　減法計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當減法計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，減法計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，減法計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器計數(shù)到0時，停止溫度寄存器的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)

105、值就是所測溫度值。其輸出用于修正減法計數(shù)器的預(yù)置值，只要計數(shù)器門仍未關(guān)閉就重復上述過程，直到溫度寄存器值大致被測溫度值。</p><p>　　表3.6　一部分溫度對應(yīng)值表</p><p>　　2、DS18B20溫度傳感器與單片機的接口電路</p><p>　　DS18B20可以采用兩種方式供電，一種是采用電源供電方式，此時DS18B20的1腳接地，2腳作為信號線，3

106、腳接電源。另一種是寄生電源供電方式，如圖3.4 所示單片機端口接單線總線，為保證在有效的DS18B20時鐘周期內(nèi)提供足夠的電流，可用一個MOSFET管來完成對總線的上拉。</p><p>　　當DS18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D轉(zhuǎn)換操作時，總線上必須有強的上拉，上拉開啟時間最大為10us。采用寄生電源供電方式時VDD端接地。由于單線制只有一根線，因此發(fā)送接口必須是三態(tài)的。由于DS18B20是在一根I/O線

107、上讀寫數(shù)據(jù)，因此，對讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴格的時序要求。DS18B20有嚴格的通信協(xié)議來保證各位數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和完整性。該協(xié)議定義了幾種信號的時序：初始化時序、讀時序、寫時序。所有時序都是將主機作為主設(shè)備，單總線器件作為從設(shè)備。而每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始，如果要求單總線器件回送數(shù)據(jù)，在進行寫命令后，主機需啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先。</p><p>　　圖3.17

108、 DS18B20電路</p><p>　　DS18B20的1腳接地，2腳數(shù)據(jù)端接單片機的P3.3，3腳接VCC，為了確保DS18B20工作可靠，2腳要接10K的上拉電阻。</p><p><b>　　水位檢測</b></p><p>　　我們把儲水箱大致分為3份，水位由潛入熱水器的儲水箱不同深度的水位電極和潛入儲水箱底部的公共電極（導線）進行檢

109、測；由單片機依次使各水位電極呈現(xiàn)高電平，由公共電極所接的三極管進行電位轉(zhuǎn)換，水位到達的電極，轉(zhuǎn)換電位為低（0）；水位沒有到達的電極，轉(zhuǎn)換電位為高（1）；每檢測一位便得到一位數(shù)據(jù)，3個電極檢測一遍以后便得到了3個串行數(shù)據(jù)，然后把這3個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為字節(jié)一路送發(fā)光二極管；在這里我們可以用發(fā)光二極管亮的盞數(shù)來顯示水位的高低。（若沒有發(fā)光二極管亮則表示箱內(nèi)沒有水或者只有少量的水，若有一個發(fā)光二極管燈亮則表示箱內(nèi)有三分之一箱的水，以此類推，若有三個發(fā)