基于单片机的智能饮水机的设计毕业设计(论文).doc
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本科毕业设计（论文）
题目基于单片机的智能饮水机的设计
摘要
目前,大多数家庭所使用的饮水机都只有一些基本的功能，例如加热、保温。
然而，随着人们物质生活的不断提高，对饮水机的性能要求也不断提高。
为了满足人们对饮水机的性能要求，本课题研究智能饮水机，它主要功能是在温度达到100°沸腾，并能在0-100℃之间以5℃为最小温差进行温度设定，从而得到任意想要的水温，非常人性化。
它还具有过热保护及防干烧功能等。
随着计算机技术的发展，单片机技术已成为计算机技术中的一个独特的分支，单片机的应用领域也越来越广泛，特别是在工业控制和仪器仪表智能化中扮演着极其重要的角色。
过去经常采用模拟电路、数字电路实现的电路系统，现在相当大一部分可以用单片机予以实现，传统的电路设计方法已演变成软件和硬件相结合的设计方法。
在实际应用中，单片机经常要与各种传感器相结合组成一定的应用系统，以实现系统的自动检测与控制。
本文所设计的智能饮水机就是单片机结合传感器的一个简单应用。
该系统设计综合单片机以及电子技术理论，从生活实际出发，完善了饮水机的功能。
整个设计系统实现三个功能，即加热、对温度上下限的控制和定时加热。
与传统的饮水机相比，由于采用了自动检测和控制的电子设计技术，可较好地实现对水温的测量和控制，具有较广泛的应用前景。
关键词：
智能饮水机AT89S52单片机温度采集功能设计
Abstract
Currently,mosthouseholdsareusingdrinkingfountainsareonlysomebasicfunctions,suchasheating,insulation.However,withthecontinuousimprovementofmateriallife,people,performancerequirementsofthedrinkingfountainsalsorising.Tomeettheperformancerequirementsfordrinkingfountains,drinkingfountainsoftheintelligenceresearch,whichmainfunctionisintheboilingtemperaturereaches100°,andcanbebetween0-100℃at5℃temperaturedifferencefortheminimumtemperaturesetting,youwanttogetanywater,veryhuman.Italsohasthermalprotectionandanti-dryfunctions.
Withthedevelopmentofcomputertechnology,singlechiptechnologyhasbecomethecomputertechnologyinauniquebranchofmicrocontrollerapplicationsareincreasinglybeingusedespeciallyinintelligentindustrialcontrolandinstrumentationplaysaveryimportantrole.Usedtoanalogcircuits,digitalcircuitscircuitsystem,andnowalargepartofthemicrocontrollercanbeachieved,thetraditionalmethodofcircuitdesignhasevolvedintoacombinationofsoftwareandhardwaredesign.Inpracticalapplications,themicrocontrollerwithavarietyofsensorsoftencomposedofsomecombinationoftheapplicationsystemtoachieveautomaticdetectionandcontrolsystem.
Intelligentdesigninthispaperdispenserisasimplemicrocontrollerwithsensorapplications.Thesystemdesignofintegratedmicrocontrollersandelectronicstheory,therealityoflife,improvethefunctionofthedrinkingfountains.Thewholedesignsystemtoachievethreefunctions,namely,heating,temperaturecontrolandtimerupperandlowerheat.Comparedwiththeconventionaldrinkingfountains,theuseofautomaticdetectionandcontrolofelectronicdesigntechniquestoachievebettermeasurementandcontrolofwatertemperature,haveawiderapplication.
Keywords:
intelligentwaterdispenser，AT89S52microcontroller，temperatureacquisition，FunctionalDesign
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目录
前言 6
1绪论 8
1.1课题研究的背景 8
1.2市场饮水机现状 8
1.3课题研究的目的和意义 9
1.4智能饮水机的主体功能 9
1.5课题设计的主体内容 10
2智能饮水机的硬件结构设计 11
2.1智能饮水机的总体设计 11
2.2元器件选择 12
2.3AT89S52的主要性能 12
2.3.1AT89S52功能特性描述 13
2.3.2AT89S52晶振电路的设计 13
2.4测温电路的设计 15
2.4.1DS18B20的引脚图及方框图 15
2.4.2DS18B20主要性能 16
2.4.3DS18B20功能特性描述 16
2.4.4DS18B20供电方式 18
2.5主控系统 19
2.6输入控制 20
2.7显示部分 21
2.8其他功能部分 23
3智能饮水机的软件设计 25
3.1系统分配方式 25
3.2主程序设计 25
3.3各模块程序设计 28
3.3.1温度检测程序设计 28
3.3.2显示程序设计 30
3.3.3键盘扫描程序 31
3.3.4延时程序 34
4调试及性能分析 35
4.1软件调试 35
4.1.1新建工程 35
4.1.2新建文本 35
4.1.3添加文本 36
4.1.4程序编译 37
4.2硬件调试 37
4.2.1电源电路的仿真 37
4.2.2出水电路模块的仿真 38
4.2.3加热模块电路的仿真 39
4.2.4显示模块电路的仿真 39
4.2.5报警电路的仿真 40
4.3性能分析 41
结论 42
致谢 43
参考文献 44
参考文献 44
附录1 45
附录2 46
附录3 47
前言
随着“信息时代”的到来，作为获取信息的手段——传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。
传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。
因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。
由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制，但是它们都不同程度地存在温漂和非线性等影响因素。
传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。
因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制的要求，而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例的分析了解，才能将传感器和信息通信和信息处理结合起来，适应传感器的生产、研制、开发和应用。
另一方面，传感器的被测信号来自于各个应用领域，每个领域都为了改革生产力、提高工效和时效，各自都在开发研制适合应用的传感器，于是种类繁多的新型传感器及传感器系统不断涌现。
温度传感器是其中重要的一类传感器。
其发展速度之快，以及其应用之广，并且还有很大潜力。
为了提高对传感器的认识和了解，尤其是对温度传感器的深入研究以及其用法与用途，基于实用、广泛和典型的原则而设计了本系统。
本文利用单片机结合温度传感器加以简单的按键控制及显示等功能实现了对智能饮水机的控制，为我们对单片机系统的学习提供了很好的真实素材。
本设计实用性及综合性比较强，设计系统不仅可以作为智能饮水机的控制系统，如果稍微改装可以做环境温度检测系统、实验室温度监控系统等等。
课题主要任务是完成水温检测并利用单片机实现温度调节并加以显示、报警、锁定等功能。
该系统具有操作方便，控制灵活、实用等优点。
本设计系统包括温度传感器，键盘输入模块，输出控制模块，数据传输模块，温度显示模块和出水驱动电路等部分。
文中对每个部分功能、实现过程作了详细介绍。
整个系统的核心是进行温度监控及调节，完成了课题所有要求。
1绪论
1.1课题研究的背景
从饮水机问世以来，在中国的发展趋势逐年增加。
饮水机的使用量逐年增长，随着人们生活水平的提高，人们对其功能的要求也越来越高，所以，对智能饮水机的需求就逐渐显现了出来。
饮水机是采用瓶装水或者自来水经净水器净化作为水源，利用电能对其进行加热，一年四季提供常温水或热水的饮水电器。
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、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，尤其在其功能方面要有更高的要求。
当前绝大多数厂家生产的饮水机都采用智能化控制。
因此，智能饮水机已是饮水机发展的必然趋势。
1.2市场饮水机现状
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各不相同。
智能化，多功能必定是发展趋势。
1.3课题研究的目的和意义
单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛,在很多电子产品中也用到了温度检测和温度控制。
目前广泛使用的饮水机，具有价格低廉，制造简便等优点。
但是随着用户长时间使用，这些饮水机功能单一、能耗较大、长时间饮用饮水机的水对健康不利等缺点逐渐暴露出来。
传统的饮水机的局限性一般体现在以下几个方面：
第一,功能相对简单。
只有简单的温度控制，而且用户还不能自己根据自己的喜好设定温控参数。
第二,能耗较大。
在没有人使用的时候饮水机也处在开机状态无疑会造成能源的大量浪费，在能源紧缺的今天这个方面亟待解决。
第三,长期饮用饮水机里的水会对健康不利。
由于广泛使用的饮水机烧水不能完全沸腾，长期饮用这种水会对身体造成较大的伤害。
本此设计的基于AT89S52的多功能饮水机,采用DS18B20实现温度采集，经过LED显示,读数直观、准确。
并且程序存储器E2PROM可以很容易的实现软件升级,从软件方面提高仪器精度。
同时可以对加热温度进行控制，从而防止了每次加热都使水沸腾，既节能又能更好的满足人们的需求。
1.4智能饮水机的主体功能
（1）智能饮水机的主体功能：
本课题设计的智能饮水机具有过热保护防干烧、加热至沸腾、设置温度加热、超温报警提示、安全锁定、电动机出水功能等。
（2）智能饮水机的按键功能：
①出水键：
控制饮水机出水和停止出水；②加热键：
负责控制开始加热和停止加热；③锁定键：
按下锁定键，其他按键无效；④切换健：
按下后开始设定用户想要的温度；⑤温度设定键：
按一下温度增加5℃，温度可在0℃到100℃之间循环。
（3）智能饮水机的显示功能：
①电源灯（绿色）：
接通电源，电源灯点亮；②加热指示灯（黄色）：
按下加热键，加热指示灯点亮，表示烧水开始工作。
再次按下加热键，指示灯熄灭，表示烧水停止；③锁定键指示灯（蓝色）：
锁定其他按键功能，灯亮表示其他按键均不可用；④超温报警灯（红色）：
灯点亮表示水已经达到设定的加热温度或已沸腾并停止加热；⑤数码管：
显示当前水温或用户设定的温度。
⑥蜂鸣器：
响起后说明水以沸腾并停止加热。
1.5课题设计的主体内容
该设计的主要内容主要包括设计方向的选择、设计题目的确定、设计方法的研究与比较，选择最优方案后开始进行硬件设计和软件设计以及最终的仿真调试。
其中硬件设计包括器件的选定，各模块功能的设计与实现，以及最终各功能模块与单片机的连接构成一个整体系统并能满足设计要求；软件设计主要是通过编写C语言程序对单片机进行控制使其按照程序运行从而实现各模块的功能满足设计的要求；最终通过KeiluVision2编译软件将写好的程序编译成为16进制文件，使之能够在proteus仿真软件中和硬件电路一起进行仿真调试，从而确保设计的正确性。
2智能饮水机的硬件结构设计
2.1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，包括对键盘的信息的接收和控制，对其他功能电路的控制等，通过软件编程实现预定功能；传感器部分即检测子系统，主要是进行饮水机中水的温度检测和控制，采用智能温度传感器DS18B20；其他功能电路部分包括恒温，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。
整体框图如图2-1所示。
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。
温度检测电路
晶振电路
复位电路
其他功能电路
功能显示
报警电路
键盘
单片机
AT89S52
数码显示
电源电路
图2-1智能饮水机电路框图
2.2元器件选择
主机单元由AT89S52单片机和相关的存储器组成，是仪表的核心。
关键部分期间名称及其在电路中的主要功能如下：
（1）AT89S52:
完成监控系统数据采集过程、采集方式和报警过程的控制。
是整个系统的核心处理器，单片机首先把通过传感器测到的现场温度与预先设置的温度进行比较，如果大于或小于预先设置值,就输出信号去控制加热器的工作,从而实现温度控制。
（2）数码管:
用于显示当前水温及设定的水温。
（3）DS18B20:
单线数字温度传感器，可直接将被测温度转化为串行数字信号，以供单片机处理。
（4）各色LED及蜂鸣器:
用于提示用户饮水机的各种状态。
（5）按键：
输入模块，用于控制单片机完成各项功能。
2.3AT89S52的主要性能
AT89S52具有8k字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89S52可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作指导下一个硬件复位。
2.3.1AT89S52功能特性描述
（1）AT89S52是一种低功耗，高性能CMOS工艺的8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统提供高灵活，超有效的解决方案。
（2）AT89S52具有以下标准功能：
8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0KHZ静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机停止工作，直到一个中断或硬件复位为止。
（3）AT89S52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含8个中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线。
AT89S52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。
2.3.2AT89S52晶振电路的设计
每个单片机系统里都有晶振，全称是叫晶体震荡器，在单片机系统里晶振的作用非常大，它结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。
晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。
在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十，高级的精度更高。
晶振电路中的两个电容叫做负载电容。
一般单片机的晶振工作于并联谐振状态，也可以理解为谐振电容的一部分。
它是根据晶振厂家提供的晶振要求负载电容选值的，换句话说，晶振的频率就是在它提供的负载电容下测得的，能最大限度的保证频率值的误差。
也能保证温漂等误差。
两个电容的取值都是相同的，或者说相差不大，如果相差太大，容易造成谐振的不平衡，容易造成停振或者干脆不起振。
在本设计中XTAL1和XTAL2端外接石英晶体作为定时元件，内部反向放大器自激振荡，产生时钟。
所用石英晶体的振荡频率为12MHZ，电容C1，C2常为20pF~40pF内，如图2-2所示。
图2-2晶振电路
2.4测温电路的设计
2.4.1DS18B20的引脚图及方框图
DS18B20的外形及管脚排列图如下图2-3所示。
（1）GND地信号
（2）DQ数据输入/输出引脚。
用在寄生电源下，可以向器件提供电源。
（3）VDD可选择的VDD引脚。
当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。
图2-3DS18B20外形及引脚排列
2.4.2DS18B20主要性能
（1）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；
（2）测温范围－55℃～＋125℃，固有测温分辨率0.5℃；
（3）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定，实现多点测温；
（4）工作电源:
直流3~5V；
（5）在使用中不需要任何外围元件；
（6）测量结果以9~12位数字量方式串行传送；
（7）不锈钢保护管直径Φ6；
（8）适用于DN15~25，DN40~DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温；
（9）标准安装螺纹M10X1，M12X1.5，G1/2”任选；
（10）PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线，便于与其它电器设备连接。
2.4.3DS18B20功能特性描述
DS18B20温度传感器的内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EERAM。
高速暂存RAM的结构为9字节的存储器，结构如表2-1所示。
前两个字节包含测得的温度信息，第3和第4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。
高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑第9字节读出前面所有8字节的CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。
第5字节为配置寄存器，见表2-3，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。
DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。
该字节各位的定义如表2-3所示。
低5位都为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS--18B20出厂时该位被设置为0，用户可改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。
表2-1高速暂存RAM
字节数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
存储信息
LSB
MSB
TH1
TL2
配置寄存器
保留
保留
保留
CRC
表2-2DS18B20温度转换时间表
R1
R0
分辨率/位
温度最大转换时间/ms
0
0
9
93.75
0
1
10
187.5
1
0
11
375
1
1
12
750
表2-3配置寄存器
TM
R1
R0
1
1
1
1
1
由表2-2可见，DS18B20分辨率越高，所需要的温度数据转换时间越长。
当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。
转换后，温度值就以16位带符号的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。
单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625℃／LSB形式表示。
DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例。
其中S为符号位。
DS18B20的温度值格式如表2-4所示。
表2-4DS18B20温度值格式表
LSByte
Bit7
Bit6
Bit5
Bit4
Bit3
Bit2
Bit1
Bit0
MSByte
Bit15
Bit14
Bit13
Bit12
Bit11
Bit10
Bit9
Bit8
S
S
S
S
S
当符号位S＝0时，表示测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S＝1时，表示测得的温度值为负值。
表2-5是部分温度值对应的二进制度数据。
表2-5部分温度对应值表
温度℃
二进制表示
十六进制表示
+125
000
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