電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)的研究畢業(yè)論文

1、<p>　　電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)的研究</p><p>　　Research on Control System of Electric Water Heater Temperature and Water Level</p><p>　　院（部）名稱： 電子信息與電氣工程 </p><p>　　專業(yè)班級： 自動化（專升本）20

2、11級 </p><p>　　學生姓名： </p><p>　　學 號： </p><p>　　指導教師姓名： </p><p>　　指導教師職稱： <

3、/p><p>　　2013年 5 月</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要：I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　引言1</b></p><

4、p>　　第一章 系統(tǒng)方案設計3</p><p>　　1.1水溫水位控制系統(tǒng)的設計任務和要求3</p><p>　　1.2 系統(tǒng)總體方案的選擇3</p><p>　　1.3溫度傳感器的選擇4</p><p>　　1.4水位傳感器的選擇5</p><p>　　第二章 元器件介紹及硬件電路設計6</p

5、><p>　　2.1 元器件介紹6</p><p>　　2.1.1 溫度傳感器6</p><p>　　2.1.2 單片機AT89C528</p><p>　　2.1.3 LCD1602液晶屏9</p><p>　　2.1.4 超聲波測距儀10</p><p>　　2.1.5 鍵盤11&l

6、t;/p><p>　　2.2 硬件電路設計11</p><p>　　2.2.1 溫度采集電路11</p><p>　　2.2.2 溫度控制電路12</p><p>　　2.2.3 LCD1602液晶顯示電路12</p><p>　　2.2.4水位監(jiān)測電路13</p><p>　　2.2.5

7、鍵盤電路14</p><p>　　2.2.6水位控制電路14</p><p>　　2.2.7語音播報電路15</p><p>　　第三章 系統(tǒng)軟件設計17</p><p>　　3.1程序結構說明17</p><p>　　3.2程序流程圖17</p><p>　　3.2.1主程序17

8、</p><p>　　3.2.2 LCD1602顯示程序流程圖19</p><p>　　3.2.3 溫度采集處理程序20</p><p>　　3.2.4超聲波測距程序20</p><p>　　3.2.5鍵盤程序21</p><p>　　3.3操作指引22</p><p>　　第四章 實

9、驗測試24</p><p>　　4.1 LCD1602顯示“ABCD1234”24</p><p>　　4.2鍵盤及數字顯示結合24</p><p>　　4.3整機調試24</p><p><b>　　結論26</b></p><p><b>　　致謝27</b>

10、</p><p><b>　　參考文獻28</b></p><p><b>　　附錄A29</b></p><p><b>　　附錄B30</b></p><p>　　電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)的研究</p><p>　　摘要：本設計介紹了一種以AT

11、89C52單片機為控制核心、以一種新型的可編程溫度傳感器（DS18B20）為溫度采集器件來實現(xiàn)水溫水位控制系統(tǒng)。文章著重介紹核心器件的選擇、各部分電路及軟件的設計。AT89C52單片機完善的內部結構、優(yōu)良的性能和強大的中斷處理能力，決定了該控制系統(tǒng)的特點：電路結構簡單、程序簡短、系統(tǒng)可靠性高等。水位以AT89C52單片機檢測缺水溢流，實現(xiàn)自動控制，溫度檢測采用新型的可編程溫度傳感器（DS18B20），不需要復雜的信號調理電路和A/D轉換

12、電路，能直接與單片機完成數據的采集和處理，采用LCD1602液晶實時顯示溫度值，并由語音模塊實時播報。實現(xiàn)方便、簡單。本系統(tǒng)根據不同需要可用于各種場合。</p><p>　　關鍵詞：單片機； DS18B20；LCD1602 ；語音播報；控制</p><p>　　Research on Control System of Electric Water Heater Temperature a

13、nd Water Level</p><p>　　Abstract：This design introduces a AT89C52 MCU as the control core, a new programmable temperature sensor (DS18B20) for the temperature acquisition device to achieve the water temperat

14、ure control system. The design of this article mainly introduces the core device of choice, each part of the circuit and software. AT89C52 microcontroller perfect internal structure, excellent performance and powerful in

15、terrupt processing ability, determines the characteristics of the control system: the circuit str</p><p>　　Key words：microcontroller ；DS18B20 ； LCD1602 ；voice broadcast；control；</p><p><b>

16、　　引 言</b></p><p>　　自70年代以來，由于工業(yè)過程控制的需要，特別是在電子技術的迅猛發(fā)展，以及自動控制理論和設計方法的推動下，國外溫度控制系統(tǒng)發(fā)展迅速，并在智能化自適應參數自整定等方面取得了優(yōu)異成果。在這方面日本、美國、德國、瑞典等國技術處于領先地位，并且都生產出了一批商品化性能優(yōu)異的溫度控制器及儀器儀表，并在各行業(yè)廣泛應用。 </p><p>　　目前，國

17、外溫度控制系統(tǒng)及儀器儀表正朝著高精度、智能化、小型化等方面快速發(fā)展。 溫度控制系統(tǒng)在國內各行各業(yè)的應用雖然已經十分廣泛，但從國內生產的溫度控制器來講，總體發(fā)展水平仍然不高，同日本、美國、德國等技術先進的國家相比，仍然有著較大的差距。目前，我國在這方面總體技術水平處于20世紀80年代中后期水平。成熟產品主要以“點位”控制及常規(guī)的PID控制器為主，它只能適應一般溫度系統(tǒng)控制，難于控制滯后復雜時變溫度系統(tǒng)控制，而且應用于較高控制場合的智能化、

18、自適應控制儀表國內的技術還不十分成熟，形成商品化并廣泛應用的控制儀表較少。現(xiàn)在，我國在溫度等控制儀表業(yè)與國外還有著一定的差距。</p><p>　　溫度、壓力，流量和液位是四種最常見的過程變量，其中溫度是一個非常重要的過程變量，因為它直接影響燃燒、化學反應、發(fā)酵、烘烤、煅燒、蒸餾、濃度、擠壓成形，結晶以及空氣流動等物理和化學過程。溫度控制在工業(yè)領域應用非常廣泛，由于其具有工況復雜、參數多變、運行慣性大、控制滯后等

19、特點,它對控制調節(jié)器要求較高。溫度控制不好就可能引起生產安全，產品質量和產量等一系列問題。盡管溫度控制很重要，但是要控制好溫度常常會遇到意想不到的困難。</p><p>　　隨著嵌入式系統(tǒng)開發(fā)技術的快速發(fā)展及其在各個領域的廣泛應用，人們對電子產品的小型化和智能化要求越來越高，作為高新技術之一的單片機以其體積小、價格低、可靠性高、適用范圍大、本身的指令系統(tǒng)等諸多優(yōu)勢，在各個領域、各個行業(yè)都得到了廣泛應用。</

20、p><p>　　本文主要介紹以單片機控制水溫、水位的系統(tǒng)設計過程，其中涉及系統(tǒng)結構設計、元器件的選取、程序的調試和系統(tǒng)參數的整定。在系統(tǒng)構建時選取了AT89C52芯片作為該控制系統(tǒng)的核心，溫度信號由新型的可編程溫度傳感器（DS18B20）提供。通過軟件實現(xiàn)對水溫的控制，使用繼電器作執(zhí)行部件對水位的自動控制。系統(tǒng)控制對象為水箱。水溫可以在一定范圍內由人工設定，并能在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動控制，以保持設定的溫度基本不變,

21、具有較好的快速性與較小的超調。該系統(tǒng)為一實驗系統(tǒng)，要求系統(tǒng)有控制能力，實現(xiàn)對主要可變參數的實時監(jiān)控。使用軟件編程既減少了系統(tǒng)設計的工作量，又提高了系統(tǒng)開</p><p>　　發(fā)的速度，使用軟件還可以提高所設計系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p>　　第一章 系統(tǒng)方案設計</p><p>　　1.1水溫水位控制系統(tǒng)的設計任務和要求</p><p>　

22、　該系統(tǒng)為一實驗系統(tǒng)，系統(tǒng)設計任務：</p><p>　　設計一個水溫水位自動控制系統(tǒng)，控制對象為水杯。水位實現(xiàn)自動加水和自動溢出控制，水溫可以在一定范圍內由人工設定，并能在環(huán)境溫度降低時實現(xiàn)自動調整，以保持設定的溫度基本不變。</p><p>　　利用AT89C52單片機實現(xiàn)對水溫水位的智能控制，使水溫水位在設定范圍內控制溫度和水位恒定。利用儀器讀出水溫，并在此基礎上將參數調節(jié)到我們通過

23、鍵盤輸入的范圍之內，而且能夠將溫度顯示在LCD1602液晶上并由語音模塊實時播報。</p><p><b>　　系統(tǒng)設計具體要求：</b></p><p>　?。?）由鍵盤設定溫度，設定范圍為0一99℃，最小區(qū)分度為l℃，標定溫差＜1。</p><p>　?。?）溫度低于設定溫度值時加熱，溫度高于設定值時降溫</p><p&

24、gt;　?。?）用LCD1602液晶實時顯示水的實際溫度。</p><p>　?。?）實現(xiàn)容器中水位低于設定下限時自動加水,，防止燒干；高于設定上限時自動抽水，從而使水位恒定。</p><p>　　1.2 系統(tǒng)總體方案的選擇</p><p>　　（1）方案一 （如圖1.1）此方案是傳統(tǒng)的二位式模擬控制方案，其基本思想與方案采用上下限比較電路，控制精度比較高。這種方法

25、還是模擬控制方法，因此也不能實現(xiàn)復雜的控制算法使控制溫度做的更精確。而且不能用數碼管顯示和鍵盤設定。</p><p><b>　　圖1.1模擬電路</b></p><p>　?。?）方案二 （如圖1.2）此方案采用AT89C52單片機系統(tǒng)來實現(xiàn)。單片機軟件編程</p><p>　　靈活，自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。單片機系

26、統(tǒng)可用數碼管顯示水溫的實際值，能用鍵盤輸入設定值等功能。本方案選用了AT89C52芯片，不需要外擴展存儲器，可使系統(tǒng)整體結構更為簡單。</p><p>　　方案論證 方案一是傳統(tǒng)的模擬控制方式，而模擬控制系統(tǒng)難以實現(xiàn)復雜控制規(guī)律，控制方案的修改也較麻煩。而方案二是采用以AT89C52為控制核心的單片機控制系統(tǒng)，尤其對溫度控制，可以達到模擬控制所達不到的控制效果，并且可以實現(xiàn)顯示、鍵盤設定，報警等功能。大大提高系

27、統(tǒng)的智能化，也使得系統(tǒng)所測結果的精度大大提高了。所以本次設計采用方案二。</p><p>　　圖1.2 控制系統(tǒng)框圖</p><p>　　1.3溫度傳感器的選擇</p><p>　　本設計方案的選擇主要是感溫元件的選擇,經查閱資料,IC式感溫器在市場上應用比較廣泛的有以下幾種：</p><p>　　1．AD590：電流輸出型的測溫組件,溫度每

28、升高1 攝氏度K (凱式溫度)，電流增加1μA，溫度測量范圍在一55℃ ～150℃之間。其所采集到的數據需經A/D 轉換，才能得到實際的溫度值。</p><p>　　2．DS18B20：除了測量溫度外，它還可以把溫度值以數字的方式(9 B i t ) 送出，溫度送出的精度為0.5℃，溫度測量范圍在-55℃ — 125℃ 之間，可以做恒溫控制。</p><p>　　3. SMARTEC感溫組

29、件:這是一只3個管腳感溫IC，溫度測量范圍在-45℃ ～ 13℃，誤差可以保持在0.7℃ 以內。</p><p>　　本設計選用DS18B20感溫IC，這是因其性能參數符合設計要求，接口簡單，內部集成了A/D 轉換，測溫更簡便，精度較高，反應速度快，且經過市場考察，該芯片易購買，使用方便。</p><p>　　1.4水位傳感器的選擇</p><p>　　本設計過程中

30、，主要對一下三種傳感器進行了比較選擇。</p><p>　　方案一：浮子式水位計</p><p>　　浮子式水位計利用液體浮力測液位的原理，靠浮力隨水面升降的位移反映水位變化。漂浮通過繩索經滑輪與編碼器相連，編碼器的數字輸出即為水位高度。但是由于技術比較落后，不予采用。</p><p><b>　　方案二：壓力傳感器</b></p>

31、<p>　　目前的液位壓力傳感器大部分是投入式靜壓液位變送器，而投入式靜壓液位傳感器只有參考大氣壓才能進行準確測量，然而連接電纜中的通氣會受到環(huán)境的影響，造成氣管內壁冷凝，結露。露水滴到電子器件和傳感器上，會影響精度或者輸出漂移。同時，結露過快，變送器的使用壽命也會大大縮短。此壓力傳感器容易受到環(huán)境的影響而造成測量不準確，并且安裝不方便。</p><p>　　方案三：超聲波傳感器</p>

32、<p>　　超聲波傳感器是工業(yè)領域內第一款在產品上帶有按鍵設定功能和自診斷功能的小型傳感器。它雖然體積小，但是具有其他大型傳感器所具有的功能，安裝使用方面而且不受被測物體的顏色影響，有許多特設功能，如：具有自診斷LED顯示和按鍵設定功能，溫度補償功能，可選擇模擬量或開關量輸出等；氣供電電壓為10~30V，測量范圍為30mm~300mm，輸出電壓0V~10V，輸出電流為4mA~20mA，最小負載阻抗2.5歐，精度可達到0.5

33、mm,外形分為直線型和直角形。感應口徑為18mm。此傳感器只需要提供一個10us以上脈沖觸發(fā)信號，該模塊內部將發(fā)出8個40kHz周期電平并檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號。回響信號的脈沖寬度與所測的距離成正比。由此通過發(fā)射信號到收到的回響信號時間間隔可以計算得到距離。</p><p>　　本設計選用超聲波傳感器監(jiān)測水位，因為它具有接線操作簡單、獨立性適應性強、精確度高、反應靈敏等特點。</p&g

34、t;<p>　　第二章 元器件介紹及硬件電路設計</p><p><b>　　2.1 元器件介紹</b></p><p>　　2.1.1 溫度傳感器</p><p>　　溫度傳感器選用可編程溫度傳感器（DS18B20）芯片。DS18B20是DALLAS公司生產的1－Wire，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點。它在測溫精度、

35、轉換時間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進， 給用戶使用帶來了更多方便。</p><p>　?。?）DS18B20產品的特點</p><p>　　（a）單線接口：僅需一根線與單片機相連；</p><p>　?。╞）由用總線提供電源，也可用數據線供電，電壓范圍：3.0～5.5V；</p><p>　?。╟）測溫范圍為-55℃～

36、+125℃，在-10～85℃時，精度為0.5℃；</p><p>　　（d）可編程的分辨率為9～12位，對應的分辨率為0.5～0.0625℃；</p><p>　?。╡）用戶可編程的溫度報警設置；</p><p>　　（f）12位分辨率時最多在750ms內把溫度值轉換為數字量。</p><p>　?。?）DS18B20的引腳介紹</p&

37、gt;<p>　　DS18B20可編程溫度傳感器有3個管腳。GND為接地線，DQ為數據輸入輸出接口，通過一個較弱的上拉電阻與單片機相連。VDD為電源接口，既可由數據線提供電源，又可由外部提供電源，范圍3．O～5．5 V。本文使用外部電源供電。 </p><p>　?。?）DS18B20的內部結構</p><p>　　DS18B20內部功能模塊主要由4部分組成：64位光刻R0M

38、、溫度傳感器、非易失性的溫度報警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。R0M 中的64位序列號是出廠前被光刻好的，他可以看作是該DSISB20的地址序列碼，每個DSI8B20的64位序列號均不相同。高低溫報警觸發(fā)器TH 和TL，配置寄存器均由一個字節(jié)的E2PROM組成，使用一個存儲器功能命令可對 TH，TL或配置寄存器寫入。配置寄存器中R1，R0決定溫度轉換的精度位數：R1R0＝’00’,9位精度，最大轉換時間為93.75 ms；R1R0 =

39、‘01’,10位精度，最大轉換時間為187.5 ms；R1R0 = ‘10’,11位精度，最大轉換時間為375 ms；R1R0 =’11’,12位精度，最大轉換時間為750 ms；未編程時默認為12位精度。</p><p>　?。?）DS18B20的使用方法</p><p>　　由于DS18B20采用的是1－Wire總線協(xié)議方式，即在一根數據線實現(xiàn)數據的雙向傳輸，而對AT89C52單片機來

40、說，硬件上并不支持單總線協(xié)議，因此，我們必須采用軟件的方法來模擬單總線的協(xié)議時序來完成對DS18B20芯片的訪問?！　S18B20是在一根I/O線上讀寫數據，因此，對讀寫的數據位有著嚴格的時序要求。DS18B20有嚴格的通信協(xié)議來保證各位數據傳輸的正確性和完整性。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備，單總線器件作為從設備。而每一次命令和數據的傳輸都是從主機主動啟動寫時序開始，如果要求單

41、總線器件回送數據，在進行寫命令后，主機需啟動讀時序完成數據接收。數據和命令的傳輸都是低位在先。</p><p>　?。?）DS18B20的讀時序</p><p>　　對于DS18B20的讀時序分為讀0時序和讀1時序兩個過程。其工作原理如圖2.1所示。</p><p>　　對于DS18B20的讀時序是從主機把單總線拉低之后，在15us之內就得釋放單總線，以讓DS18B

42、20把數據傳輸到單總線上。DS18B20要完成一個讀時序過程，至少需要60us才完成。</p><p>　　圖2.1 DS18B20的讀時序圖</p><p>　?。?）DS18B20的寫時序</p><p>　　對于DS18B20的寫時序仍然分為寫0時序和寫1時序兩個過程。工作原理圖如圖2.2所示。</p><p>　　對于DS18B20寫

43、0時序和寫1時序的要求不同，當要寫0時序時，單總線要被拉低至少60us，保證DS18B20能夠在15us到45us之間能夠正確地采樣IO總線上的“0”電平，當要寫1時序時，單總線被拉低之后，在15us之內就得釋放單總線。</p><p>　　圖2.2 DS18B20的寫時序圖</p><p>　　2.1.2 單片機AT89C52</p><p>　　本設計使用的是A

44、T89C52的單片機。它是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含8k bytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統(tǒng)，片內置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，AT89C52單片機在電子行業(yè)中有著廣泛的應用。內置功能強大的微型計算機的AT89C52提供了高性價比的解決方案。<

45、/p><p>　　單片機晶振電路設計：</p><p>　　引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與回饋組件的片外石英晶體或陶瓷諧振器構成一個自激振蕩器。外接晶體以及電容C5和C6構成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容值雖然沒有嚴格的要求，但是電容的大小多少會影響振蕩器頻率的高低、蕩器的穩(wěn)定性、震的快速性和溫度穩(wěn)定性。本設計c5和c6采用的電容值約為

46、30PF，晶振電路如圖2.3所示：</p><p>　　圖2.3 晶振電路圖</p><p>　　單片機復位電路的設計：</p><p>　　復位電路的實現(xiàn)可以有很多種方法，但是從功能上一般分為兩種：一種是電源復位，即外部的復位電路在系統(tǒng)通上電源之后直接使單片機工作，單片機的起停通過電源控制；另一種方法是在復位電路中設計按鍵開關，通過按鍵開關觸發(fā)復位電平，控制單片機

47、的復位。本設計使用了第一種方法，其電路圖如圖2.4所示。</p><p><b>　　圖2.4 復位電路</b></p><p>　　2.1.3 LCD1602液晶屏</p><p>　　本設計中由于要對溫度進行顯示，所以選擇液晶顯示屏1602模塊作為輸出。1602字符型LCD通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線

48、。它可以顯示兩行，每行16個字符，采用單+5V電源供電，外圍電路配置簡單，價格便宜，具有很高的性價比。1602液晶模塊內部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)已經存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數字、英文字母的大小寫、常用的符號、和日文假名等，每一個字符都有一個固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時模塊把地址41H中的點陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。 管腳功能如表2.

49、1所示：</p><p>　　表2.1 LCD1602引腳功能</p><p>　　LCD1602主要管腳介紹：V0為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產生鬼影使用時可以通過一個10K的電位器調整對比度。RS為寄存器選擇端，高電平時選擇數據寄存器，低電平時選擇指令寄存器。R／W為讀寫信號線端，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R

50、／W共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址；當RS為高電平R／W 為低電平時可以寫入數據。E為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。 </p><p>　　2.1.4 超聲波測距儀</p><p>　　此模塊目標是利用HC-SR04超聲波測距模塊測量距離。通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中遇到障礙物就立即返回來，超聲波

51、接收器接收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為c（本次設計默認值為340m/s），從超聲波信號發(fā)送到接收器接收到返回信號所用的時間為t，由此可以計算出超聲波發(fā)射點距障礙物的距離s。計算公式：s=(c×t)/2其中，s為被測物與測距儀的距離，c為聲速，t為聲波往返所用的時間。要設計出超聲波測距儀，首先超聲波傳感器發(fā)射部分發(fā)射超聲波信號的同時要讓定時器0開始計時；再要讓超聲波傳感器接受部分接受超聲波信號的同時讓定時器

52、停止計時；最后要使計時的時間轉換為測量的距離，并且要達到一定的精度。這個設計中，在發(fā)射超聲波信號的同時打開了總中斷，用定時器0計時，接收超聲波信號的同時，用外部中斷0關閉總中斷，這時定時器0中斷停止計時，定時器0中斷定時時間定為294us（超聲波傳播經過0.1m所需要的時間）來計數。這樣可以把測量的時間轉化為測量的距離值，又可以使測量達到所需要的精度。</p><p>　　超聲波測距儀的軟件設計主要由主程序、定時

53、子程序、計算子程序及顯示子程序組成。設計中單片機內的程序開了定時器0中斷和外部中斷0，使定時器工作在方式1狀態(tài)，使THO=00H，TL0=00H，每過294us（超聲波傳播0.1m所需要的時間）中斷一次,到到對測量距離計數,外部中斷0接受到超聲波回波時。外部中斷0產生中斷,使定時器0停止計時。電氣參數如表2.2所示。</p><p>　　表2.2 HC-SR04超聲波模塊的電氣參數</p><

54、p><b>　　2.1.5 鍵盤</b></p><p>　　鍵盤選用輕觸開關，只用三個鍵來輸入，它們的功能分別為“加一”，“減一”和“設定”三個功能按鍵，詳細電路和程序見后面章節(jié)。</p><p>　　2.2 硬件電路設計</p><p>　　2.2.1 溫度采集電路</p><p>　　DS18B20為單總線器

55、件，接口電路簡單，如下圖2.5所示。</p><p>　　圖2.5 溫度采集電路</p><p>　　2.2.2 溫度控制電路</p><p>　　本設計由于考慮到了系統(tǒng)工作時的安全性，故使用功率較小的電阻來實現(xiàn)水溫的加熱。并用IRF640來驅動電路工作，其mos管開關電路中要用到MOS場效應管來代替開關，場效應管有三個極：源極S、漏極 D和控制極G.當在給源極和漏

56、極之間加上正確極性和大小的電壓（因為管型而異）后，再給G極和源極之間加上控制電壓，就會有相應大小的電流從源極流向漏極 ，如果信號電壓夠大，這個電路就能瞬間飽和而成為一個開關了。GS間加電壓，DS間就可以導通，從而電阻絲的工作電路導通。來實現(xiàn)加熱的效果。 其接線如圖2.6所示。</p><p>　　圖2.6 溫度控制電路</p><p>　　2.2.3 LCD1602液晶顯示電路</p

57、><p>　　將L1602的RS端和P2.5，R/W端和P2.6, E 端和P2.7相連，當RS=0時，對LCD1602寫入指令；當RS=1時，對LCD1602寫入數據。當R/W端接高電平時芯片處于讀數據狀態(tài)，反之處于寫數據狀態(tài)，E端為使能信號端。當R/W為高電平,E端也為高電平，RS為低電平時，液晶顯示屏顯示需要顯示的示數。圖2.7為1602液晶顯示屏與單片機的硬件連接圖。</p><p>

58、　　圖2.7 LCD1602顯示電路</p><p>　　2.2.4水位監(jiān)測電路</p><p>　　HC--SR04 超聲波測距模塊可提供 2CM--44000CM 的非接觸式距離感測功能，測距精度</p><p>　　可達 3MM;模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。</p><p><b>　　基本工作原理：</b&

59、gt;</p><p>　　（1）采用 IO 口 TRIG 觸發(fā)測距，給至少 10US 的高電平信號；</p><p>　?。?）模塊自動發(fā)送 8 個 40KHz 的方波，自動檢測是否有信號返回；</p><p>　?。?）有信號返回，通過 IO 口 ECH0 輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。</p><p>　

60、　由通過發(fā)射信號到收到的回響信號時間間隔可以計算得到距離。公式：距離=高電平時間*聲速（340m/s）/2，其硬件連接圖如圖2.8所示。</p><p>　　圖2.8 水位監(jiān)測電路</p><p><b>　　2.2.5鍵盤電路</b></p><p>　　本鍵盤電路采用獨立鍵設計，三個鍵接到單片機的三個中斷源上。當按下時為低電平。</p

61、><p>　　其中S2為“確認”鍵、S3為“減一”鍵、S4為“加一”鍵。接線圖如圖2.9所示。</p><p><b>　　圖2.9 鍵盤電路</b></p><p>　　2.2.6水位控制電路</p><p>　　本設計的水位控制模塊采用由L9110芯片驅動的齒輪泵來實現(xiàn)抽水，注水動作。L9110是為控制和驅動電機設計的兩

62、通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路集成在單片IC之中，使外圍器件成本降低，整機可靠性提高。該芯片有兩個TTL/CMOS兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性；兩個輸出端能直接驅動電機的正反向運動，它具有較大的電流驅動能力，每通道能通過800mA的持續(xù)電流，峰值電流能力可達1.5A；同時它具有較低的輸出飽和壓降；內置的鉗位二極管能釋放感性負載的反向沖擊電流，使它在驅動繼電器、直流電機、步進電機或開關功率管的使用上安全可靠。管腳定義

63、如表2.3所示。</p><p>　　表2.3 L9110管腳定義</p><p>　　芯片L9110的IB引腳連接單片機的P3.1引腳。IA接P3.2。并通過判斷IA,IB兩處極性來控制電機的轉動，當IA,IB極性相同的時候電動機不轉，反之則反轉；若A路電平高于B，則電機正轉，反之則反轉。從而實現(xiàn)抽水、注水的過程，達到自動控制液位的目的。其原理圖如圖2.10所示。</p>

64、<p>　　圖2.10 水位控制電路</p><p>　　2.2.7語音播報電路</p><p>　　NY3P035是一款具有 PWM 輸出的 OTP 語音標準芯片。共有 3 個 IO 口，外圍</p><p>　　最低僅需要一個 104 電容就可以穩(wěn)定的工作。</p><p><b>　　性能優(yōu)點：</b>

65、</p><p>　　工作電壓 2.2-5.5V，適用范圍很寬。輸出方式：PWM有 8PIN，DIP8 或者 SOP8 封裝片，或者裸片可以選擇，可以燒錄裸片出貨的 OTP 語音芯片，喇叭是 8 歐-16 歐范圍內的任何喇叭。此芯片是特定的固定標準模塊，可以通過單片機最少一個 IO 口控制多達 32 段聲音任意調用和組合的語音標準芯片。通常最常用的控制方式是 3 個 IO，芯片基本腳位。其電路圖如圖2.11所示。

66、</p><p>　　圖2.11 語音播報電路</p><p>　　第三章 系統(tǒng)軟件設計</p><p><b>　　3.1程序結構說明</b></p><p>　　任何一個系統(tǒng)的軟件設計都離不開硬件電路的連接，所以本次硬件設計的高度模塊化決定了軟件設計的模塊化。</p><p>　　其程序結構應

67、包括：主控程序模塊、鍵盤掃描及處理子程序、數據采集處理子程序、顯示等子程序幾個部分。 主控程序模塊在整個結構中充當管理者，管理所有子程序的調用。它主要負責初始化各個I/O口，等待鍵盤事件的發(fā)生，并做出相應的處理。并在適當的時候調用數據采集程序，并將采集到的數據與鍵盤設定值比較。再通過計算后用于控制繼電器的通斷，從而控制電機等，來達到水溫水位的調整。</p><p><b>　　3.2程序流程圖</

68、b></p><p><b>　　3.2.1主程序</b></p><p>　　程序按照模塊化設計，所有功能都可通過調用子程序完成，主程序較簡單，流程圖如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 主程序流程</p><p>　　3.2.2 LCD1602顯示程序流程圖</p><p>　

69、　顯示程序流程圖如圖3.2。流程圖分析：首先對1602顯示屏進行初始化（初始化大約持續(xù)10ms左右），然后檢查忙信號，若BF=0，則獲得顯示RAM的地址，寫入相應的數據顯示；若BF=1，則代表模塊正在進行內部操作，不接受任何外部指令和數據，直到BF=0為止。</p><p>　　圖3.2 顯示流程圖</p><p>　　3.2.3 溫度采集處理程序</p><p>

70、　　讀取溫度DS18B20模塊的流程圖如圖3.3所示，DS18B20溫度傳感器的內部存儲器包括一個高速暫存RAM （便箋式的內部存儲器）和一個非易失性的可電擦除的EEPROM，后者存放高溫和低溫觸發(fā)器TH，TL和結構寄存器。便箋存儲器包含了9個連續(xù)字節(jié)（0～8），前兩個字節(jié)是測得的溫度信息，字節(jié)0的內容是溫度的低8位，字節(jié)1是溫度的高8位，字節(jié)2是TH（溫度上限報警），字節(jié)3是TL（溫度下限報警），字節(jié)4是配置寄存器，用于確定輸出分辨率

71、9到12位。第5、6、7個字節(jié)是預留寄存器，用于內部計算。字節(jié)8是冗余檢驗字節(jié)，校驗前面所有8個字節(jié)的CRC碼，可用來保證通信正確。</p><p>　　圖3.3 溫度采集處理流程圖</p><p>　　3.2.4超聲波測距程序</p><p>　　具體工作原理說明：超聲波發(fā)射部分主要受單片機控制發(fā)射超聲波，超聲波接收部分接收已發(fā)射的超聲波。單片機AT89C52中的

72、程序可控制在超聲波傳感器發(fā)射超聲波的同時單片機內的定時器開始計時，在超聲波傳感器接收到返回的超聲波時，停止單片機內的定時器計時，并且把記錄的超聲波傳播時間轉換為測距儀測量的電路與前方障礙物的距離值，最后通過LCD1602顯示出來。其程序框圖如圖3.4所示：</p><p>　　圖3.4 超聲波測距程序</p><p><b>　　3.2.5鍵盤程序</b></p

73、><p>　　由于機械觸點有彈性，在按下或彈起按鍵時會出現(xiàn)抖動，從最初按下到接觸穩(wěn)定要經過數毫秒的彈跳時間，如圖3.5所示。為了保證按鍵識別的準確性，必須消除抖動。消抖處理有硬件和軟件兩種方法：硬件消抖是利用加去抖動電路濾避免產生抖動信號；軟件消抖是利用數字濾波技術來消除抖動。我們采用軟件的方法，利用主程序循環(huán)掃描，主程序每循環(huán)一次掃描到的鍵值相同時，則說明是某鍵按下。</p><p>　　圖

74、3.5 鍵按下的過程</p><p>　　其流程圖如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 鍵盤處理流程圖</p><p><b>　　3.3操作指引</b></p><p><b>　　按鍵功能：</b></p><p>　?。?）、Enter —— P1.7（S2）

75、</p><p>　?。?）、Down —— P1.6（S3）</p><p>　?。?）、Up —— P1.5（S4）</p><p><b>　　顯示溫度：</b></p><p>　　（1）、沒有DS18B20存在時，LCD1602屏幕中間顯示DS18B20 ERROR</p><p>　　

76、（3）、有DS18B20存在時，LCD1602第一行顯示當前溫度now temp:xx.x</p><p>　?。?）、LCD1602第二行顯示設定溫度settemp:xx ,初始值為20。</p><p><b>　　設定溫度：</b></p><p>　?。?）、按下Enter，LCD1602第二行顯示set temp:xx，xx同時閃爍。

77、</p><p>　　（2）、這時可以按Up和Down來調節(jié)設定溫度。</p><p>　　（3）、調節(jié)好后，再按Enter退出。這時數字不閃爍，執(zhí)行相應指令動作。</p><p><b>　　第四章 實驗測試</b></p><p>　　4.1 LCD1602顯示“ABCD1234”</p><p&

78、gt;　　編一段小程序，在液晶屏上實現(xiàn)顯示“ABCD1234”。源程序略。</p><p>　　4.2鍵盤及數字顯示結合</p><p>　　編一段小程序，實現(xiàn)鍵盤及數字顯示結合。先設定某個定值作為初始值，當按下鍵S2時，進入數值設定狀態(tài)，這時可通過按下鍵S3、S4來加減所設定的初始值。源程序略。</p><p>　　經過調式，可達到預期效果。</p>

79、<p><b>　　4.3整機調試</b></p><p>　　編譯好主程序和個模塊子程序，燒寫進單片機AT89C51中，連接好各部分硬件電路。打開電源，電路自動復位，首先不要接入DS18B20，此時屏幕中間只顯示DS18B20ERROR，然后接入DS18B20，但讓其處于無水狀態(tài)，此時屏幕中間顯示錯誤ERROR，并且語音發(fā)出報警聲。接著讓DS18B20處于有水狀態(tài)，此時LCD1

80、602液晶顯示DS18B20所讀到水的當前溫度T1，用溫度計測量水的當前溫度T2，對比T1與T2的值，結果如表4.1。通過按鍵設定某個值，并使這個值大于當前溫度值，當退出“確認”按鍵 時，觀察到繼電器1能夠吸合。再次通過按鍵設定一個值，并使這個值小于當前溫度值，所測數據如表4.2。在原理上基本能達到預期效果。</p><p>　　表4.1 測量T1、T2的溫度</p><p>　　由于元器

81、件DS18B20讀溫度時有延時，并且讀溫度計所測溫度時人為的視覺誤差，以及周圍環(huán)境影響等原因，T1，T2有較小的差別。</p><p>　　表4.2 DS18B20測量設定前后的溫度</p><p>　　由于在實驗過程中，當加熱裝置達到所設定的溫度時，繼電器斷開后，加熱裝置仍有余熱，所以水的溫度仍然會上升一定的溫度。所以本系統(tǒng)設定的允許溫差為＜1℃。</p><p>

82、;<b>　　結論</b></p><p>　　本系統(tǒng)以單片機為核心部件的控制系統(tǒng)，利用軟件編程，最終基本實現(xiàn)了各項設計要求。由于數據采集、顯示的實時性要求不是很高，而單片機的執(zhí)行速度相對于這些過程要快得多，若分時選通各個采樣或顯示通道，雖然單片機對各個通道的處理是依次進行的，但是只要這一過程大到一定速度，總的來看幾乎同時執(zhí)行，不斷重復這一過程，就產生了循環(huán)掃描的思想，它在單片機系統(tǒng)設計中得

83、到了廣泛的應用。</p><p>　　在當今越來越趨向于自動化的社會，該系統(tǒng)的可用性及簡易性更能取得廣泛的應用。通過這次畢業(yè)設計使我從中學到了許多東西，了解到在電子制作方面的很多經驗，同時也學到了那種堅決不放棄的制作精神，做任何學問都要一絲不茍，對出現(xiàn)的任何問題和偏差都不能輕視，要找方法去解決，做事情的時候要有耐心和毅力，不要一遇到困難就打退堂鼓，只要堅持下去就能找到解決問題的思路和辦法。自己的求學之路還很長，以

84、后更應該在工作實踐中不斷學習，努力使自己成為一個對社會有所貢獻的人。</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　這次畢業(yè)設計得到了很多老師、同學的幫助，其中我的指導老師xx老師對我的關心和支持尤為重要，感謝xx老師一直以來對我畢業(yè)設計的建議和指導。</p><p>　　這次畢業(yè)論文能夠最終順利完成，歸功于各位任課老師兩年間的

85、認真負責，使我能夠很好的掌握專業(yè)知識，并在畢業(yè)論文中得以體現(xiàn)。也正是你們長期不懈的支持和幫助才使得我的畢業(yè)論文最終順利完成。最后，向自動化專業(yè)的全體老師們再次表示衷心感謝：謝謝你們，謝謝你們兩年的辛勤栽培！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 蘇家健，等.單片機原理及應用技術[M].北京：高等教育出版社，2004，26-55.&l

86、t;/p><p>　　[2] 石宗義.電路原理圖與電路板設計教程Protel 99SE[M].北京：北京希望電子出版社，2002，65-80.</p><p>　　[3] 江曉安，等.數字電子技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，1993，50-70.</p><p>　　[4] 鄭長勇，徐勇.單片機在溫度檢測與控制中的應用[J].電子質量報，2005，1

87、2：011.</p><p>　　[5] 王任遠，沈占彬.數字式智能溫度控制器的研究[J] .工礦自動化報，2008，02：049.</p><p>　　[6] 全國大學生電子設計競賽組委會. 全國大學生電子設計競賽獲獎作品匯編[M]. 北京：北京理工大學出版社，2004.</p><p>　　[7] DS18B20官方英文文檔 . DS18B20官方英文站點下載.

88、</p><p>　　[8] 常君，劉坤，等.基于LPC2132和DS18B20的單總線數字測溫系統(tǒng)設計[J].電子測試報，2008，04：014.</p><p>　　[9] 陶志東.基于C8051F系列單片機字符顯示器的開發(fā)[D].華中科技大學，2006.</p><p>　　[10] 李元斌.DS18B20數字傳感器溫度檢測顯示系統(tǒng)[J].2008，01：03

89、0</p><p>　　[11] 劉剛，秦永左. 單片機原理及應用. 北京：北京大學出版社，2006，35-76.</p><p>　　[12] 胡漢才.單片機原理及其接口技術.北京：清華大學出版社，2004，10-33.</p><p>　　[13] 蔡美琴、張為民.MCS-51 系列單片機系統(tǒng)及其應用（第二版）.高等教育出版社，2004.，26-40.</

90、p><p>　　[14]陳龍三編著.8051單片機C語言控制與應用.北京:清華大大學學出版社，1999年8月第一版，4-10.</p><p>　　[15] 萬福君、潘松峰.單片機原理系統(tǒng)設計與應用.科學技術大學出版社，2001.</p><p><b>　　附錄A</b></p><p><b>　　附錄 B&l

91、t;/b></p><p>　　#include <reg51.H> </p><p>　　#include "intrins.h"</p><p>　　#define uint unsigned int</p><p>　　#define uchar unsigned char</p>&

92、lt;p>　　#define ulong unsigned long</p><p>　　#define LCDIO P1</p><p>　　sbit DQ=P3^5;//ds18b20與單片機連接口</p><p>　　sbit rs=P2^5; </p><p>　　sbit rd=P2^6;</p>

93、;<p>　　sbit lcden=P2^7;</p><p>　　sbit key1=P1^0; //設定</p><p>　　sbit key2=P1^1; //加</p><p>　　sbit key3=P1^2; //減</p><p>　　sbit heat=P3^6; //報警輸出</p&

94、gt;<p>　　sbit out1=P3^2;</p><p>　　sbit out2=P3^1;</p><p>　　sbit busy=P2^0;</p><p>　　sbit dat=P2^1;</p><p>　　sbit rest=P2^2;</p><p>　　uchar key;

95、 //設定指針</p><p>　　uchar TL=30,WH=12,WL=8;//水位上下限</p><p>　　sbit RX = P3^4;//模塊引腳</p><p>　　sbit TX = P3^3;</p><p>　　uint Speed=340;</p><p>　　unsigned lon

96、g time=0;</p><p>　　unsigned long S=0;</p><p>　　bit flag =0;</p><p>　　uchar l_disbuff[4] ={ 0,0,0,0,};//顯示緩沖</p><p>　　uchar data disdata[5];</p><p>　　uin

97、t tvalue;//溫度值</p><p>　　uchar tflag;</p><p>　　uchar count,s1num;</p><p>　　uchar code table[]="WH: WL: ";</p><p>　　uchar code table1[]="TL: NO

98、W: ";</p><p>　　uchar dispbuf[3];</p><p>　　ulong temp;</p><p>　　uchar getdata; //獲取ADC轉換回來的值</p><p>　　void delay(uint z)</p><p><b>　　{

99、</b></p><p><b>　　uint x,y;</b></p><p>　　for(x=z;x>0;x--)</p><p>　　for(y=110;y>0;y--);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*****

100、***************************************************報數 程序********************************************************/</p><p>　　uint sound(uint k)</p><p><b>　　{uint i;</b></p>&

101、lt;p>　　while(busy==0);</p><p><b>　　rest=1;</b></p><p><b>　　delay(1);</b></p><p><b>　　rest=0;</b></p><p>　　for(i=k;i>0;i--)<

102、/p><p><b>　　{dat=1;</b></p><p><b>　　delay(1);</b></p><p><b>　　dat=0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　return(1);

103、 </p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*********************************************/</p><p>　　/**********************************************/</p><p>　　void write_

104、com(uchar com)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　rs=0;</b></p><p><b>　　rd=0;</b></p><p><b>　　lcden=0;</b></p><p&g

105、t;<b>　　P0=com;</b></p><p><b>　　delay(5);</b></p><p><b>　　lcden=1;</b></p><p><b>　　delay(5);</b></p><p><b>　　lcden=

106、0;</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*********************************************/</p><p>　　void write_date(uchar date)</p><p><b>　　{</b>&

107、lt;/p><p><b>　　rs=1;</b></p><p><b>　　rd=0;</b></p><p><b>　　lcden=0;</b></p><p><b>　　P0=date;</b></p><p><b&

108、gt;　　delay(5);</b></p><p><b>　　lcden=1;</b></p><p><b>　　delay(5);</b></p><p><b>　　lcden=0;</b></p><p><b>　　}</b>&

109、lt;/p><p>　　/***********************************************/</p><p>　　void init()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　uchar num;</p><p><b>　　lcden=0

110、;</b></p><p>　　write_com(0x38);</p><p>　　write_com(0x0c);</p><p>　　write_com(0x06);</p><p>　　write_com(0x01);</p><p>　　write_com(0x80);</p>&l

111、t;p>　　for(num=0;num<15;num++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　write_date(table[num]);</p><p><b>　　delay(5);</b></p><p><b>　　}</b>&l

112、t;/p><p>　　write_com(0x80+0x40);</p><p>　　for(num=0;num<15;num++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　write_date(table1[num]);</p><p><b>　　delay(5

113、);</b></p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　/********************************************************/</p><p>　　void displayTL()&l

114、t;/p><p>　　{write_com(0xc3);</p><p>　　write_date(TL/10%10+0x30);//溫度上限十位</p><p>　　write_com(0xc4);</p><p>　　write_date(TL%10+0x30);//溫度上限個位</p><p><b>　　

115、}</b></p><p>　　void displayWH()</p><p>　　{write_com(0x83);</p><p>　　write_date(WH/100%10+0x30);</p><p>　　write_date(WH/10%10+0x30);//水位上限十位</p><p>　　

116、write_date(WH%10+0x30);//水位上限個位</p><p><b>　　}</b></p><p>　　void displayWL()</p><p>　　{write_com(0x89);</p><p>　　write_date(WL/10%10+0x30);//水位上限十位</p>

117、<p>　　write_date(WL%10+0x30);//水位上限個位</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/**************************************************/</p><p>　　void delay_18B20(uint i)//延時1微秒<

118、/p><p><b>　　{</b></p><p>　　while(i--);</p><p><b>　　}</b></p><p>　　/**************************************************/</p><p>　　void d