畢業(yè)論文--多功能飲水機硬件設(shè)計

1、<p><b>　　摘  要</b></p><p>　　隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，單片機技術(shù)已成為計算機技術(shù)中的一個獨特的分支，單片機的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，特別是在工業(yè)控制和儀器儀表智能化中扮演著極其重要的角色。過去經(jīng)常采用模擬電路、數(shù)字電路實現(xiàn)的電路系統(tǒng)，現(xiàn)在相當(dāng)大一部分可以用單片機予以實現(xiàn)，傳統(tǒng)的電路設(shè)計方法已演變成軟件和硬件相結(jié)合的設(shè)計方法。在實際應(yīng)用中，單片機經(jīng)常

2、要與各種傳感器相結(jié)合組成一定的應(yīng)用系統(tǒng)，以實現(xiàn)系統(tǒng)的自動檢測與控制。</p><p>　　本文所設(shè)計的智能飲水機就是單片機結(jié)合傳感器的一個簡單應(yīng)用。該系統(tǒng)設(shè)計綜合單片機以及電子技術(shù)理論，從生活實際出發(fā)，完善了飲水機的功能。設(shè)計方案中，主要采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20組成測溫系統(tǒng)作為檢測單元，并運用了AT89C52作為主機單元、 X5045EEPROM作為存儲單元、HD7279芯片來管理鍵盤和顯示器。整個設(shè)計系

3、統(tǒng)實現(xiàn)三個功能，即加熱、對溫度上下限的控制和定時加熱。與傳統(tǒng)的飲水機相比，由于采用了自動檢測和控制的電子設(shè)計技術(shù)，可較好地實現(xiàn)對水溫的測量和控制，具有較廣泛的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞： 溫度采集，89C52，X5045，HD7279.</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘  要I</b></p>

4、;<p>　　AbstractII</p><p>　　第1章 緒 論1</p><p><b>　　1.1引言1</b></p><p>　　1.2 研究的目的與意義1</p><p>　　1.3 本次設(shè)計的工作2</p><p>　　第2章 總體設(shè)計3<

5、/p><p>　　2.1 設(shè)計任務(wù)3</p><p>　　2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計3</p><p>　　2.2.1電路原理和器件選擇3</p><p>　　2.2.2系統(tǒng)框圖及說明4</p><p>　　第3章 硬件設(shè)計6</p><p>　　3.1 主板設(shè)計6</p>

6、<p>　　3.1.1主機單元6</p><p>　　3.1.2 存儲單元7</p><p>　　3.1.3 人機接口單元9</p><p>　　3.2 副板設(shè)計14</p><p>　　3.2.1 溫度采集單元14</p><p>　　3.2.2時鐘單元15</p>&l

7、t;p>　　3.3 控制單元17</p><p>　　3.4 原理圖的繪制設(shè)計17</p><p>　　第4章 軟件設(shè)計19</p><p>　　4.1 主程序設(shè)計19</p><p>　　4.1.1 主程序和中斷程序流程圖19</p><p>　　4.1.2 變量和常量說明20</p&g

8、t;<p>　　4.2 人機接口單元軟件設(shè)計22</p><p>　　4.2.1 鍵處理程序流程圖及說明22</p><p>　　4.2.2變量和常量說明23</p><p>　　4.2.3 各按鍵功能及其子程序說明24</p><p>　　4.3 DS1302的軟件設(shè)計24</p><p&g

9、t;　　4.4 DS18B20的軟件設(shè)計25</p><p>　　第5章 系統(tǒng)的調(diào)試和問題總結(jié)28</p><p>　　5.1 系統(tǒng)硬件調(diào)試28</p><p>　　5.2 系統(tǒng)軟件調(diào)試28</p><p><b>　　結(jié)束語30</b></p><p><b>　　致

10、 謝31</b></p><p><b>　　參考文獻32</b></p><p>　　附錄一 系統(tǒng)原理圖33</p><p>　　附錄二 系統(tǒng)PCB圖35</p><p>　　附錄三 元件列表36</p><p>　　第1章 緒 論</p>&

11、lt;p><b>　　1.1引言</b></p><p>　　信息技術(shù)快速發(fā)展的今天，單片機技術(shù)的貢獻是不可缺少的。生產(chǎn)中使用的智能儀表、分布式控制系統(tǒng)總線、智能家電和智能辦公設(shè)備都可以見到單片機的身影。日常生活中使用的電子產(chǎn)品如MP3、手機、智能洗衣機、智能飲水機等都是以單片機為核心的。本文所設(shè)計的多功能飲水機就是單片機結(jié)合傳感器的一個簡單應(yīng)用。</p><p&g

12、t;　　1.2 研究的目的與意義</p><p>　　單片機在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛, 在很多電子產(chǎn)品中也用到了溫度檢測和溫度控制。</p><p>　　目前廣泛使用的飲水機，具有價格低廉，制造簡便等優(yōu)點。但是隨著用戶長時間使用，這些飲水機功能單一、能耗較大、長時間飲用飲水機的水對健康不利等缺點逐漸暴露出來。</p><p>　　傳統(tǒng)的飲水機的局限性一般體現(xiàn)

13、在以下幾個方面：第一,功能相對簡單。只有簡單的溫度控制，而且用戶還不能自己根據(jù)自己的喜好設(shè)定溫控參數(shù)。第二,能耗較大。在沒有人使用的時候飲水機也處在開機狀態(tài)無疑會造成能源的大量浪費，在能源緊缺的今天這個方面亟待解決。第三, 長期飲用飲水機里的水會對健康不利。由于廣泛使用的飲水機燒水不能完全沸騰，長期飲用這種水會對身體造成較大的傷害。</p><p>　　本此設(shè)計的基于AT89C52的多功能飲水機, 采用DS18B

14、20實現(xiàn)溫度采集，經(jīng)過HD7279管理的LED顯示, 讀數(shù)直觀、準確。并且程序存儲器E2PROM采用了, 可以很容易的實現(xiàn)軟件升級, 從軟件方面提高儀器精度。同時可以對加熱實現(xiàn)基本的控制，從而防止了“千滾水”對身體造成的傷害，滿足生活的需求[2]。</p><p>　　1.3 本次設(shè)計的工作 </p><p>　　(1)查閱大量的國內(nèi)外有關(guān)多功能飲水機方面的文獻資料，剖析了一些飲水機的

15、實際產(chǎn)品，并吸取同類產(chǎn)品的優(yōu)點。 </p><p>　　(2)根據(jù)飲水機的發(fā)展趨勢和現(xiàn)有的設(shè)計條件，提出了多功能飲水機的整體設(shè)計方案和技術(shù)要求。 </p><p>　　(3)完成了系統(tǒng)硬件部分選型、設(shè)計和制作，并進行了調(diào)試。 </p><p><b>　　第2章 總體設(shè)計</b></p><p>　　2.1 設(shè)計任

16、務(wù)</p><p>　　1．設(shè)計題目：多功能飲水機</p><p><b>　　2．儀表功能：</b></p><p>　　1) 對溫度上下限的控制；</p><p>　　2) 定時開機、定時關(guān)機；</p><p>　　3) 對實時溫度進行采集并在LED數(shù)碼管上進行顯示；</p>&

17、lt;p>　　3．儀表操作：用戶可以根據(jù)自己的喜好來設(shè)計不同溫度上下限。上電以后系統(tǒng)將自動運行，顯示的是當(dāng)前水溫，按一次設(shè)定按鍵，可實現(xiàn)顯示溫度控制的上限值，再按增建或減鍵配合左移鍵可以修改這個值，最后按一下確認鍵將新修改的值保存。溫度下限、定時開機時間、定時關(guān)機時間的修改和溫度上限相似，設(shè)定鍵用來切換設(shè)定參數(shù)，溫度上下限，開機時間、關(guān)機時間，以及時鐘時間。用增建、減鍵加上左移鍵可以完成對這些參數(shù)的修改[3]。</p>

18、<p><b>　　2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計</b></p><p>　　2.2.1電路原理和器件選擇</p><p>　　主機單元由AT89C52單片機和相關(guān)的存儲器組成，是儀表的核心。關(guān)鍵部分期間名稱及其在電路中的主要功能如下：</p><p>　　（1）AT89C52:完成監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集過程、采集方式和報警過程的控制。是整個系統(tǒng)

19、的核心處理器，單片機首先把通過傳感器測到的現(xiàn)場溫度與預(yù)先設(shè)置的溫度進行比較，如果大于或小于預(yù)先設(shè)置值,就輸出信號去控制加熱器的工作,從而實現(xiàn)溫度控制。</p><p>　　（2）X5045:看門狗定時器防止系統(tǒng)死機，保證程序正常運行；內(nèi)部EEPROM有掉電數(shù)據(jù)存儲功能，用于保存各采集通道的報警上限。</p><p>　?。?）HD7279:管理鍵盤和LED顯示器，實現(xiàn)人機交互。</p

20、><p>　　（4）DS18B20:單線數(shù)字溫度傳感器，可直接將被測溫度轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號，以供單片機處理。</p><p>　?。?）DS1302:是一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘芯片，它可以對年、月、日、星期、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償功能，工作電壓為2.5~5.5V。</p><p>　　2.2.2系統(tǒng)框圖及說明：</p><p

21、>　　圖2.1 系統(tǒng)框圖</p><p><b>　?。?）電源部分</b></p><p>　　電源給系統(tǒng)各芯片提供工作電壓。本次設(shè)計主要給各個芯片提供+5V電壓。</p><p><b>　?。?）溫度檢測部分</b></p><p>　　本次設(shè)計采用DS18B20采集溫度。&l

22、t;/p><p><b>　　（3）加熱控制部分</b></p><p>　　加熱控制部分由9012三極管、固態(tài)繼電器、加熱電阻組成。實現(xiàn)對水的加熱和溫度控制。</p><p><b>　?。?）鍵盤顯示部分</b></p><p>　　將DS18B20的溫度信號和DS1302時鐘信號以某種方式顯示出來

23、。顯示儀表中常用LED數(shù)碼管顯示測量數(shù)據(jù)。本次設(shè)計用數(shù)碼管顯示實時溫度值、溫度控制上限值、溫度控制上限值，時間、開始時間和關(guān)機時間，每個參數(shù)顯示采用8個LED。同時為了更好的實現(xiàn)系統(tǒng)的功能，還要設(shè)計5個按鍵：設(shè)定鍵、增建、減鍵、左移鍵、確定鍵，使飲水機具有基本的人機交互功能。本次設(shè)計選用HD7279與微處理器接口，可有效實現(xiàn)對按鍵和LED數(shù)碼管的管理。</p><p><b>　?。?）看門狗部分<

24、;/b></p><p>　　該部分實現(xiàn)采用X5045芯片，防止系統(tǒng)死機，保證程序正常運行。另外，X5045有EEPROM保存溫度控制的上下限[4]。</p><p>　　第3章 硬件設(shè)計</p><p>　　本次設(shè)計設(shè)計的多功能飲水機，采用DS18B20實現(xiàn)溫度的實時采集，DS1302時鐘芯片來調(diào)整時間。采用AT89C52單片機作為系統(tǒng)微控制器，實

25、現(xiàn)與DS1302、DS18B20的控制及對數(shù)據(jù)的處理顯示。采用HD7279管理鍵盤和顯示器,采用X5045實現(xiàn)掉電保護重要參數(shù)功能，看門狗功能，防止系統(tǒng)死機。在硬件電路設(shè)計中主要使用了DS18B20溫度傳感器，DS1302時鐘芯片，單片機AT89C52，鍵盤和顯示器管理芯片HD7279，X5045等。另外，開關(guān)量控制環(huán)節(jié)選用了9012三級管和固態(tài)繼電器實現(xiàn)了弱電對強電的控制。</p><p><b>　

26、　3.1 主板設(shè)計</b></p><p>　　AT89C52、HD7279、X5045和振蕩電路組成了主機單元，是儀表的核心部分。利用X5045EEPROM存儲測量值上下限和開機、關(guān)機時間，并且具有看門狗定時器功能，來進行數(shù)據(jù)采集等過程的設(shè)置和控制，振蕩電路在單片機內(nèi)部產(chǎn)生脈沖信號，C1 、C2為30pf，晶振振蕩頻率為12MHz.</p><p><b>　　3.

27、1.1主機單元</b></p><p>　　AT89C52單片機是ATMEL公司20實際90年代初期推出的增強型單片機,它完全兼容標準型的AT89C51，并在AT89C51的基礎(chǔ)上增加了128B的片內(nèi)RAM,4KBFlash存儲器，T2定時器等功能。</p><p>　　1) 外部引腳及功能： AT89C52與AT89C51的引腳一樣，也有PDIP，PICC，TQFP等多種封裝

28、形式。.如圖3.1，引腳的區(qū)別是由于增加了定時器2而引起的。有區(qū)別的只有P1.0，P1.1兩個引腳，這兩個引腳在不使用定時器2時仍可作為靜態(tài)I/O接口使用，在單片機使用定時器2時，P1.0，P1.1還可能承擔(dān)著外部記數(shù)脈沖輸入,外部觸發(fā)信號輸入,可編程方波輸出等功能 [5] 。 </p><p>　　2) 內(nèi)部增強功能單元 : AT89C52的內(nèi)部功能完全兼容AT89C51的功能，而且在AT89C51的基礎(chǔ)上增加

29、了128B的片內(nèi)RAM，4KBFlash存儲器，T2定時器等功能。關(guān)于新增加的4KBFlash存儲器，只是AT89C52片內(nèi)ROM地址分配變成為0000H-1FFFH,其使用方法與AT89C51的一樣。</p><p>　　圖3.1 AT89C52 引腳配置</p><p>　　3.1.2 存儲單元</p><p>　　X5045是單片機系統(tǒng)電路的一個輔助芯片

30、，它將復(fù)位，電壓檢測，看門狗定時器和塊鎖保護的串行EEPROM功能集合成一個芯片內(nèi)；采用SPI串行外設(shè)接口方式，降低了系統(tǒng)成本并減少了對電路板空間的要求，提高了系統(tǒng)的可靠性。</p><p>　　1. X5045的功能介紹</p><p><b>　?。?）上電復(fù)位</b></p><p>　　當(dāng)器件通電并超過VCC壓時，X5045內(nèi)部的復(fù)位

31、電路將會提供一個約為200ms的復(fù)位脈沖讓微處理器能夠正常復(fù)位。</p><p>　?。?）看門狗定時器</p><p>　　看門狗定時器對微處理器提供了一個因外界干擾而引起程序陷入死循環(huán)或“跑飛”狀態(tài)保護的功能。X5045內(nèi)部的一個控制寄存器中有兩位可編程位決定了定時周期的長短。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，在設(shè)定的時間內(nèi)如果沒有對X5045進行訪問，看門狗定時器以RESET信號作為輸出響應(yīng)，即變

32、為高電平，延時約200ms以后RESET由高電平變?yōu)榈碗娖健?CS的下降沿復(fù)位看門狗定時器。</p><p><b>　?。?）低電壓檢測</b></p><p>　　工作過程中X5045監(jiān)測電源電壓下降并電源電壓跌落到VCC壓以下時，會產(chǎn)生一個復(fù)位脈沖，復(fù)位脈沖保持有效直到電源電壓降1V以下。如果電源電壓在降落到門限電壓后上升，則在電源電壓超過門限電壓后延時約20

33、0ms，復(fù)位信號消失，使得微處理器可以繼續(xù)工作[6]。</p><p>　?。?）串行EEPROM存儲器</p><p>　　X5045的存儲器部分是具有Xicor公司的鎖保護CMOS 4KB串行E2PROM。它被組織8位的結(jié)構(gòu)，由一個四線構(gòu)成的SPI總線方式進行操作，一次最多可寫16B。</p><p>　　2．X5045的引腳與定義：</p>&

34、lt;p>　　1) SO 串行數(shù)據(jù)輸出端。數(shù)據(jù)在SCK的下降沿輸出到SO上。</p><p>　　2) SI 串行數(shù)據(jù)輸入端。所有操作命令、字節(jié)地址及寫入的數(shù)據(jù)在此引腳上輸入，SI線上輸入的數(shù)據(jù)在SCK的上升沿被鎖存。　　　　　　　　　　　　　　　</p><p>　　3) SCK 串行時鐘輸入端，控制數(shù)據(jù)的輸入和輸出。 圖3.2 X5045的引腳圖</p>&l

35、t;p>　　4) /CS芯片選擇輸入端（片選）。當(dāng)CS/為低電平時，X25045能工作。CS/的電平變化將復(fù)位看門狗定時器</p><p>　　5) VCC 電源電壓。</p><p>　　6) /WP寫保護輸入端，當(dāng)WP/為低電平時，對芯片的寫操作被禁止，其他功能仍正常。WP/為高電平時，寫操作允許，其他功能仍然正常。</p><p>　　7) /RESET

36、 復(fù)位輸入端，漏極開路輸出方式，高電平有效。用于電源檢測和看門狗超時輸出。</p><p>　　8) GND 電源地。</p><p>　　3．X5045與單片機的接口電路</p><p>　　本次設(shè)計如圖3.3所示，89C52的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3腳分別與X5045的片選端1腳(/CS)、串行輸入2腳(SO)、串行時鐘6腳（SCK）和串行輸出5腳

37、(SI)相連，二者的RESET引腳相連。P1.0作為芯片選擇輸入端（片選）負責(zé)X25045是否選通，當(dāng)89C52訪問X25045時將/CS置低電平。/CS信號一般不通過P2口選通，因為P2口工作于地址總線時，其輸出是脈沖方式，呈現(xiàn)高電平，不能保證片選持續(xù)有效，也就不能對其進行任何操作。在這里不使用/WP信號，直接接+5V。</p><p>　　5045與單片機引腳連接和相關(guān)地址的分配如下</p>&

38、lt;p>　　/CS:片選端，低電平有效，與P1.0相連；</p><p>　　CLK:串行時鐘輸入端，與P1.2相連；</p><p>　　SO:串行數(shù)據(jù)輸出端，與P1.1相連；</p><p>　　SI:串行數(shù)據(jù)輸入端，與P1.3相連；RESET：復(fù)位端,與單片機的復(fù)位引腳RESET相連。</p><p>　　圖3.3 X5

39、045與單片機的接口電路</p><p>　　3.1.3 人機接口單元</p><p>　　HD7279是管理鍵盤和LED顯示器的專用智能控制芯片，該芯片采用串行接口方式，可同時驅(qū)動8位共陰極LED數(shù)碼管或者64位獨立LED發(fā)光二極管，同時能對多達8×8的鍵盤矩陣進行監(jiān)視，具有自動消除鍵抖動并識別按鍵代碼的功能。從而可以提高CPU的工作效率，同時其串行接口方式又可以簡化CPU接口

40、電路的設(shè)計。</p><p>　　1. HD7279的主要特點：</p><p>　　(1)與CPU間采用串行接口方式,僅占用4根端口線；</p><p>　　(2)內(nèi)部含有譯碼器，可直接接收BCD碼或16進制碼，同時具有兩種譯碼器方式，實現(xiàn)LED數(shù)碼管位尋址和段尋址，消隱和閃爍性等多種控制指令，編程靈活；</p><p>　　(3)循環(huán)左移

41、和循環(huán)右移指令；</p><p>　　(4)內(nèi)部含有驅(qū)動器,無需外圍元件可直接驅(qū)動LED； </p><p>　　(5)具有極聯(lián)功能,可方便的實現(xiàn)多于8位顯示或多于64鍵的鍵盤接口；</p><p>　　(6)具有自動消除抖動并識別按鍵鍵值的功能。</p><p>　　2 . HD7279的引腳說明</p><p>　

42、　HD7279為28引腳標準雙列直插式封裝(DIP)，單一的+5V供電,其引腳排列如圖3.4所示。</p><p>　　DIG0-DIG7分別為8個LED數(shù)碼管的位驅(qū)動輸出端。SA-SG分別為LED數(shù)碼管的A-G的輸出端。DP為小數(shù)點的驅(qū)動輸出端。HD7279與微處理器僅需4條接口線，其中非CS為片選信號(低電平有效)。RC引腳用于連接HD7279的外接振蕩元件，其典型值為R=1.5千歐，,C=15pF。非RES

43、ET為復(fù)位端。該端由低電平變成高電平并且保持25ms即復(fù)位結(jié)束。通常，該端接+5V即可[7]。 圖3.4 HD7279的引腳</p><p>　　表3.1 HD7279引腳說明</p><p>　　3. AT89C52與HD7279接口</p><p>　　本次設(shè)計采用5按鍵和8個LE

44、D顯示，所用的是HD7279串行接口8位LED數(shù)碼管及64鍵盤智能控制芯片。HD7279與微處理器僅需4條接口線。在設(shè)計中將/CS接P1.4，CLK接P1.5,DATA接P1.6,/KEY接P1.7，當(dāng)P1.4清零時，選中HD7279，可對其作相應(yīng)的操作。</p><p>　　如圖3.5所示，89C52的P1.4、P1.5、P1.6、P1.7分別與HD7279A的6腳(/CS)、7腳(CLOCK)、8腳(DATA

45、)和9腳(/KEY)相連。P1.4作為片選線，負責(zé)HD7279A是否選通，是8位準雙向I/O口，可帶4個LSTTL負載。當(dāng)89C52訪問HD7279A（寫入指令、顯示數(shù)據(jù)、位地址、段地址或讀出鍵值）時，將/CS置低電平。DATA為串行數(shù)據(jù)，當(dāng)89C52向HD7279A發(fā)送數(shù)據(jù)時，DATA為輸入端；當(dāng)89C52從HD7279A讀入數(shù)據(jù)時，DATA為輸出端。CLK為數(shù)據(jù)串行傳送的同步時鐘輸入端，時鐘的上升沿將數(shù)據(jù)寫入HD7279A或從HD7

46、279A中讀出數(shù)據(jù)。KEY為按鍵信號輸出端，在無鍵按下時為高電平，有鍵按下時為低電平，并一直保持到按鍵釋放為止。</p><p>　　圖3.5 AT89C52與HD7279A接口電路</p><p>　　7279與單片機引腳連接和相關(guān)地址的分配如下</p><p>　　/CS:片選端，低電平有效，與P1.4相連</p><p>　　CLK:

47、串行時鐘輸入端，與P1.5相連</p><p>　　DATA:串行數(shù)據(jù)輸出/輸入端，與P1.6相連</p><p>　　KEY:按鍵有效信息端，與P1.7相連</p><p>　　實際應(yīng)用電路中（具體見附錄主板原理圖），8只下拉電阻和8只位選電阻應(yīng)遵從一定的比例關(guān)系，下拉電阻應(yīng)大于位選電阻的5倍而小于其50倍，典型值為10倍。在本次設(shè)計中，我選用了100K的下拉電阻

48、，10K的位選電阻。</p><p>　　100K/10K=10 滿足比例關(guān)系</p><p>　　在不影響顯示的前提下，下拉電阻應(yīng)盡可能地取較小的值，這樣可以提高鍵盤部分的抗干擾能力[8]。</p><p>　　4. HD7279與鍵盤接口</p><p>　　利用HD7279的10腳作為行線，18腳—22腳作為列線組成5鍵的鍵盤，完成

49、對鍵盤的譯碼和鍵值分別為20H、18H、10H、08H、00H。根據(jù)鍵值就可以確定是哪個鍵按下，具體見圖3.6。</p><p>　　5 HD7279與LED數(shù)碼管接口</p><p>　　HD7279A是的串行控制芯片，能同時驅(qū)動8位共陰極LED數(shù)碼管，在這里我們只用到了8位共陰極LED數(shù)碼管。HD7279A是動態(tài)循環(huán)顯示方式。HD7279A的10腳--17腳分別與8位LED數(shù)碼管的g

50、、f、e、d、c、b、a、dp段相連，18腳--25腳為LED數(shù)碼管的位驅(qū)動輸出端，負責(zé)LED每一位的亮與滅，如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 HD7279與LED、鍵盤接口電路</p><p><b>　　3.2 副板設(shè)計</b></p><p>　　本次副版設(shè)計選用DS18B20數(shù)字式溫度傳感器作為溫度采集元件、DS1302

51、時鐘芯片副版的核心單元。同時選用9012PNP型三極管和固態(tài)繼電器作為開關(guān)量環(huán)節(jié)實現(xiàn)弱電對強電的控制。</p><p>　　3.2.1 溫度采集單元</p><p>　　本次設(shè)計選用DS18B20溫度傳感器作為溫度采集元件。DS18B20是由美國DALLAS公司生產(chǎn)的單線數(shù)字溫度傳感器芯片。與傳統(tǒng)的熱敏電阻有所不同，DS18B20可直接將被測溫度轉(zhuǎn)化為串行數(shù)字信號，以供單片機處理，它還具有

52、微型化、低功率、高性能、抗干擾能力強等優(yōu)點。通過編程，DS18B20可以實現(xiàn)9~12位的溫度讀數(shù)。信息經(jīng)過單線接口送入DS18B20或從DS18B20送出，因此從微處理器到DS18B20僅需連接一條信號線和地線。讀、寫和執(zhí)行溫度變換所需的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供，而不需要外部電源。</p><p>　　DS18B20可用引腳只有三個，如圖3.7所示。引腳功能和接線方法隨芯片采用的供電方式不同而不同。DS18B20

53、有兩種供電方式,寄生電源模式和外部電源模式。工作于寄生電源模式時, VDD和GND 都與地相接, DS18B20 從數(shù)據(jù)線上供電。當(dāng)總線為高電平時,DS18B20從總線上供電,同時內(nèi)部電容充電, 當(dāng)總線變?yōu)榈碗娖綍r, 電容放電為DS18B20供電。DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）。</p><p>　　圖3.7 DS18B20引腳 </p&

54、gt;<p><b>　　1. 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。</p><p>　　光刻ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位是產(chǎn)品類型標號，接著的

55、48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼。光刻ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的[9]。</p><p>　　2. DS18B20與單片機接口電路</p><p>　　如圖3.8，DQ為溫度傳感器的數(shù)據(jù)輸入/輸出端，接到單片機的P2.0口。GND 接地,VCC接電源。</p>

56、<p>　　圖3.8　DS18B20與單片機接口電路</p><p><b>　　時鐘單元</b></p><p>　　DS1302是DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘芯片，它可以對年、月、日、星期、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償功能，工作電壓為2.5~5.5V。DS1302采用三線接口，與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式

57、一次傳送多個字節(jié)的時間數(shù)據(jù)或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個31×8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM存儲器。</p><p>　　1. 芯片引腳說明：</p><p>　　如圖3.8，為DS1302的引腳排列圖，其中Vcc1為后備電源，VCC2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當(dāng)Vcc2大于Vcc1＋0.2

58、V時，Vcc2給DS1302供電。當(dāng)Vcc2小于Vcc1時，DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。RST是復(fù)位/片選線，通過把RST輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng)RST為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對DS1302進行操作。如果在傳送過程中RST置為低

59、電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，在Vcc≥2.5V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)，后面有詳細說明。SCLK為時鐘輸入端[10]。 </p><p>　　圖3.8 DS1302 引腳</p><p>　　2. DS1302與單片機的接口電路</p><p&g

60、t;　　如圖3.9，腳RST是復(fù)位端，接到89C52的P2.4引腳。GND引腳接地,VCC接電源。SCLK是串行時鐘輸入端，接到89C52的P2.5引腳。I/O是數(shù)據(jù)輸入/輸出端，接到單片機的P2.3口，X1、X2是32.768MHz晶振輸入／輸出端。</p><p>　　圖3.9 DS1302與單片機的接口電路</p><p><b>　　3.3 控制單元</b&g

61、t;</p><p>　　本次設(shè)計開關(guān)量控制環(huán)節(jié)選用了9012三極管和固態(tài)繼電器實現(xiàn)了弱電對強電的控制。如圖3.10。</p><p>　　9012PNP型三極管應(yīng)用廣泛，在收音機等常用家電中可以經(jīng)?？匆娝纳碛啊?012三極管在此作為開關(guān)量環(huán)節(jié)，起到了放大電流的作用，與固態(tài)繼電器結(jié)合，從而實現(xiàn)了開關(guān)的作用。</p><p>　　此次選用的固態(tài)繼電器是百特公司的產(chǎn)品

62、，該型號的固態(tài)繼電器是直流輸入控制，交流過零導(dǎo)通，過零關(guān)斷輸出型無觸點繼電器。它常用與控制電路的導(dǎo)通和斷開，是控制一般家用電器，如電動機、加熱器、白熾燈的首選器件。</p><p>　　圖3.10　開關(guān)量控制環(huán)節(jié)</p><p>　　3.4 原理圖的繪制設(shè)計 </p><p>　　EDA技術(shù)是在電子CAD技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的計算機軟件系統(tǒng)，是指以計算機為工作平臺

63、，融合了應(yīng)用電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理及智能化技術(shù)的最新成果，進行電子產(chǎn)品的自動設(shè)計。</p><p>　　此次原理圖的設(shè)計主要包括鍵盤顯示器電路設(shè)計、看門狗，溫度采集電路設(shè)計。原理圖及其PCB圖見附錄。</p><p>　　（1）繪制原理圖步驟： </p><p>　?、傩陆ㄔ韴D，設(shè)定圖紙為A4。</p><p>　?、诜胖迷骷?/p>

64、理調(diào)整它們的位置。</p><p>　?、劾L制各個元器件之間的連線。</p><p>　?、苓M行ERC電檢查。</p><p>　?、莅迅鱾€元件依次編號和封裝。</p><p><b>　　⑥生成網(wǎng)絡(luò)表。</b></p><p><b>　　⑦進行原理圖打印。</b><

65、/p><p>　?。?）生成PCB圖 </p><p>　　根據(jù)已經(jīng)繪制好的原理圖生成的網(wǎng)絡(luò)表設(shè)計PCB電路板，并要認真填寫元件的封裝形式和尺寸大小。</p><p><b>　　制作電路板步驟：</b></p><p>　　①確認網(wǎng)絡(luò)表的封裝形式和尺寸無誤。</p><p>　　②在KeepOut層

66、畫出電路板邊界。</p><p><b>　?、垩b入元件庫。</b></p><p><b>　?、苎b入網(wǎng)絡(luò)表。</b></p><p>　?、菔止υM行布局。</p><p><b>　?、捱M行自動布線。</b></p><p><b>

67、　　⑦手工調(diào)整布線。</b></p><p><b>　　第4章 軟件設(shè)計</b></p><p>　　硬件與軟件是單片機應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)的兩個重要組成部分,本設(shè)計為了充分體現(xiàn)裝置的智能化以及減小硬件電路的體積，軟件部分設(shè)計的重要性就顯得尤為突出了，所以軟件設(shè)計工作在整個設(shè)計中是非常重要的、其工作量也是比較大的。</p><p>　　在

68、擬訂軟件總體設(shè)計方案時，由于實際單片機控制系統(tǒng)的功能復(fù)雜、信息量大和程序較長，這就需要選擇合理的切合實際的程序結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。常用的設(shè)計方法有三種：1、模塊化的程序設(shè)計；2、自頂向下逐步求精程序設(shè)計；3、結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計。在本設(shè)計中采用第一種方法，及模塊化程序設(shè)計，它的設(shè)計思路是把一個復(fù)雜應(yīng)用程序整體功能規(guī)劃成若干相對獨立的程序模塊，各模塊可以單獨設(shè)計、編程、調(diào)試，然后把功能相關(guān)的模塊通過連接程序連在一起調(diào)試，最后各模塊在主程序控制下進行總

69、體調(diào)試，最終成為可完成設(shè)計要求，具有使用價值的程序[11]。</p><p><b>　　4.1 主程序設(shè)計</b></p><p>　　程序設(shè)計采用模塊化設(shè)計，控制時序采用時間觸發(fā)的時間片輪詢調(diào)度法，1s為一個控制周期，分為20個時間片，每個時間片為50ms，將所有的任務(wù)分配在各時間片完成，主程序僅完成初始化，然后進入休眠狀態(tài)。</p><p&g

70、t;　　50ms定時采用89C52內(nèi)部定時器0，工作在方式1，由于晶振為12MHz,1個機器周期為1微秒，所以T1預(yù)裝初始值=65536-50000=15536=3CB0H。X5045看門狗定時器周期設(shè)置為200ms，寫入狀態(tài)寄存器常數(shù)STATUS_REG=20H[12]。 </p><p>　　4.1.1 主程序和中斷程序流程圖</p><p>　　主程序主要完成系統(tǒng)的初始化功能流程圖

71、如圖4.1（a)所示，其中包括內(nèi)部變量清零、看門狗定時器初始化、鍵盤/顯示芯片初始化、時鐘芯片初始化，完成初始化功能后，系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)，可減少功耗和提高抗干擾能力，由各種中斷喚醒，執(zhí)行完中斷服務(wù)程序后，重新進入休眠狀態(tài)，系統(tǒng)的各任務(wù)在T0中斷服務(wù)程序中執(zhí)行，中斷服務(wù)程序流程圖如圖4.1(b)所示。</p><p>　　4.1.2 變量和常量說明</p><p>　　相關(guān)的主要變量和常量分

72、配，一邊安排在主程序開始時采用偽指令方式說明，本系統(tǒng)采用的地址分配如下表4-1~4-3所示：</p><p><b>　　表</b></p><p>　　表4-1 片內(nèi)RAM主要變量分配偽指令表</p><p>　　表4-2 X5045主要變量分配偽指令表</p><p>　　表4-3 DS18B20主要變量分配偽指令表

73、</p><p>　　4.2 人機接口單元軟件設(shè)計</p><p>　　4.2.1 鍵處理程序流程圖及說明</p><p>　　鍵盤查詢程序設(shè)計分配在每個時間片內(nèi)完成一次，間隔50ms，通過設(shè)置按鍵標志位，保證按一次鍵響應(yīng)一次[13]。</p><p>　　鍵處理任務(wù)模塊程序流程圖如圖4.2所示，在每個時間片內(nèi)調(diào)度一次，由于查詢按鍵的間隔位

74、50ms,超過了鍵抖動持續(xù)時間（小于20ms），故無需編制按鍵防抖動設(shè)計。</p><p><b>　　程序框圖說明：</b></p><p>　　首先判斷有無鍵按下，有鍵按下時，KEY-OK標志位置0;無鍵按下時，KEY_OK標志位置1。判斷鍵有無處理過，處理過則返回，未處理過，則KEY-FIG位置0，且讀出鍵值，根據(jù)鍵值的不同調(diào)用相應(yīng)的子程序，從而保證每個按鍵只處

75、理了一次。</p><p>　　圖4.2 鍵處理程序流程圖</p><p><b>　　變量和常量說明</b></p><p>　　鍵盤顯示芯片HD7279與AT89C52連接相關(guān)的主要變量如上表4.1所示，地址分配采用偽指令方式說明如表4.4所示：</p><p>　　表4.4 HD7279地址分配偽指令表<

76、/p><p>　　4.2.3 各按鍵功能及其子程序說明</p><p>　　本系統(tǒng)有五個按鍵功能如表4.5所述。</p><p>　　表4.5 按鍵功能及鍵碼表</p><p>　　4.3 DS1302的軟件設(shè)計</p><p>　　采用DS1302作為記錄測控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)記錄，其軟硬件設(shè)計簡單，時間記錄準確，既避免了

77、連續(xù)記錄的大工作量，又避免了定時記錄的盲目性，給連續(xù)長時間的測量、控制系統(tǒng)的正常運行及檢查都來了很大的方便，可廣泛應(yīng)用于長時間連續(xù)的測控系統(tǒng)中[14]。圖4.3為DS1302流程圖。</p><p>　　圖 4.3 DS1302流程圖</p><p>　　4.4 DS18B20的軟件設(shè)計</p><p>　　DS18B20 單線通信功能是分時完成的，他有嚴格的

78、時隙概念，如果出現(xiàn)序列混亂， 1-WIRE 器件將不響應(yīng)主機，因此讀寫時序很重要。系統(tǒng)對 DS18B20 的各種操作必須按協(xié)議進行。根據(jù) DS18B20 的協(xié)議規(guī)定，微控制器控制 DS18B20 完成溫度的轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過以下 4 個步驟 ：</p><p>　　（1）每次讀寫前對 DS18B20 進行復(fù)位初始化。復(fù)位要求主 CPU 將數(shù)據(jù)線下拉 500ms ，然后釋放， DS18B20 收到信號后等待 16ms～6

79、0ms 左右，然后發(fā)出 60ms～240ms 的存在低脈沖，主 CPU 收到此信號后表示復(fù)位成功。[15]</p><p>　?。?）發(fā)送一條 ROM 指令，如下表所示：</p><p>　　DS18B20 的 ROM 指令集</p><p>　　(3)發(fā)送存儲器指令，如下表所示：</p><p>　　DS18B20 的存儲器指令集</

80、p><p>　　(4)進行數(shù)據(jù)通信。</p><p>　　第5章 系統(tǒng)的調(diào)試和問題總結(jié)</p><p>　　系統(tǒng)調(diào)試大體上分為硬件調(diào)試和軟件調(diào)試。兩者之間不能完全分開，時間進度上硬件調(diào)試稍微先于軟件調(diào)試。硬件和軟件要相互配合、匹配，調(diào)試時可能發(fā)生一些功能交互的問題。</p><p>　　在本次設(shè)計中首先軟件進行調(diào)試，尋找程序中的語法和邏輯錯誤。

81、然后把程序?qū)懭胄酒?，?yīng)用到電路板上，看程序是否能達到預(yù)期目標。</p><p>　　5.1 系統(tǒng)硬件調(diào)試</p><p>　　當(dāng)硬件設(shè)計從布線到焊接安裝完成之后,就開始進入硬件調(diào)試階段,本次設(shè)計調(diào)試大體分為以下幾步：</p><p><b>　　(1)排除邏輯故障</b></p><p>　　這類故障往往由于設(shè)計和加

82、工制板過程中工藝性錯誤所造成的。主要包括錯線、開路、短路。排除的方法是首先將焊接的電路板認真對照原理圖,看兩者是否一致。特別了注意電源系統(tǒng)檢查,以防止電源短路和極性錯誤,并重點檢查系統(tǒng)總線（地址總線、數(shù)據(jù)總線和控制總線）是否存在相互之間短路或與其它信號線路短路。必要時利用了數(shù)字萬用表的短路測試功能,可以縮短排錯時間。</p><p>　　(2)排除元器件失效</p><p>　　造成這類錯

83、誤的原因有兩個：一個是元器件買來時就已壞了;另一個是由于安裝錯誤,造成器件燒壞。我們采取了檢查元器件與設(shè)計要求的型號、規(guī)格和安裝是否一致。在保證安裝無誤后,用替換方法排除錯誤。</p><p>　　(3)排除電源故障 </p><p>　　在通電前,一定要檢查電源電壓的幅值和極性,否則很容易造成集成塊損壞。在系統(tǒng)通電后我們逐個檢查各插件上引腳的電位,檢查VCC與GND之間電位,若在5V左

84、右屬正常。</p><p>　　5.2 系統(tǒng)軟件調(diào)試</p><p>　　由于本系統(tǒng)是分模塊進行程序設(shè)計的，所以本系統(tǒng)調(diào)試時先分模塊進行調(diào)試。在軟件在各個子程序模塊調(diào)試都正確后，將相互有關(guān)系的模塊逐塊組合起來加以調(diào)試，以解決在程序模塊連接中可能出現(xiàn)的邏輯錯誤。對所有程序模塊的整體組合是在系統(tǒng)聯(lián)機調(diào)試中進行的。由于各個程序模塊通過調(diào)試已排除了內(nèi)部錯誤，所有軟件總體調(diào)試的錯誤就大大減少了，而

85、調(diào)試成功的可能性也大大提高了。</p><p>　　本次調(diào)試的模塊主要分為鍵盤顯示程序，DS18B20程序、DS1302三部分。先將它們寫入星研集成環(huán)境軟件運行、修改直至沒有語法錯誤，然后將鍵盤顯示程序通過譯碼器寫入芯片。根據(jù)看其是否能夠完成預(yù)定的功能，如能，測試通過，否則，修改并反復(fù)測試直到通過。最后再將程序綜合在一起，結(jié)合硬件進行調(diào)試，直至實現(xiàn)預(yù)想功能。</p><p><b&g

86、t;　　結(jié)束語</b></p><p>　　本文分別從硬件和軟件方面論述了多功能飲水機的設(shè)計,圍繞主機芯片AT89C52進行了軟件和硬件的設(shè)計,最后對儀器進行了調(diào)試。整個裝置的設(shè)計突出簡潔，準確等控制特點?？刂浦行牡膯纹瑱C選用AT89C52芯片。另外，軟件程序的設(shè)計包括鍵盤控制程序、顯示程序等等。</p><p>　　目前，軟件程序設(shè)計與硬件電路設(shè)計均已完成調(diào)通。整個裝置基本達

87、到預(yù)期目標。但還有不足之處，測溫精度也不是很高，需要進一步的調(diào)試。由于時間關(guān)系以及能力的有限，本系統(tǒng)在硬件方面還待進一步的完善。</p><p>　　多功能飲水機具有儀表多用的特點，是適合居家使用的家電之一，具有良好的發(fā)展前景。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計按照計劃如期完成，回顧自己在這個過程

88、中的每一點進步，都離不開學(xué)校老師、同學(xué)們關(guān)心和幫助。在此，向他們表示最衷心和誠摯的謝意。</p><p>　　首先感謝我的導(dǎo)師魏立峰教授和劉曉梅教授，本文的工作從選題到設(shè)計的每一階段自始至終都得到了兩位老師的悉心指導(dǎo)。兩位老師理論聯(lián)系實際的工作作風(fēng)，豐富、扎實的工程實踐經(jīng)驗，敏捷、活躍的思維方式以及對學(xué)術(shù)問題準確、深刻的分析和把握，都使我在研究中受益非淺。平易近人，腳踏實地的師者風(fēng)范和對工作忘我的精神為我今后的學(xué)

89、習(xí)和工作樹立了榜樣。在此特向為培養(yǎng)我而付出辛勤勞動的劉老師和魏老師表示衷心的感謝!</p><p>　　其次感謝邢杰老師的幫助和指導(dǎo)。</p><p>　　最后感謝閆靜昆同學(xué)、張偉紅同學(xué)對我的幫助，感謝我的同組人林鴻儒同學(xué)對我的幫助。如果沒有他們的幫助，此次設(shè)計的完成將變得非常困難。 最后還要感謝大學(xué)四年來所有的老師，為我們打下機測控專業(yè)知識的基礎(chǔ)，此次畢業(yè)設(shè)計才會順利完成。

90、</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 魏立峰 ,單片機原理與應(yīng)用技術(shù)[M] .2006年第一版.北京大學(xué)出版社</p><p>　　[2] 王幸之，鐘愛琴，王雷，王閃，AT89系列單片機原理與接口技術(shù)[M] .北京航空航天大學(xué)出版社.2004年5月</p><p>　　[3] 喻華

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95、大學(xué)出版社, 2001</p><p>　　附錄一 系統(tǒng)原理圖</p><p><b>　　1．主板原理圖</b></p><p><b>　　2. 副板原理圖</b></p><p><b>　　附錄三 元件列表</b></p>