智能水杯软件设计.docx
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智能水杯软件设计
1.前言
随着社会进步与经济发展，人们对生活质量的要求越来越高，每天的饮水量是衡量健康的重要指标。
但有多少人因为忙碌的工作而全天忘记喝水？
当你感到口渴想要喝水的时候，体内的失水已经达到2%，口渴本身其实是体内已经严重缺水的表现，这是造成 “亚健康”状态的致命习惯之一。
同时，越不注意喝水，喝水的欲望就会越低，人就会变得越来越缺水。
研究表明，通常情况下，正常人每次喝水应控制在300ml，间隔时间为30到60分钟。
本课程设计就此设计出一款智能水杯，用来智能显示水温和提醒喝水，既方便了生活，又保持了健康。
本报告针对智能水杯的软件系统进行阐述，软件编程在keil上操作。
2.总体设计框架
2.1实现的功能
硬件结构框架图如图1所示。
图1硬件结构简图
（1）水温检测
使用DS18B20温度传感器，完成水温的时时检测功能。
（2）水温及定时时间显示
使用LCD1602液晶显示屏，完成水温及定时时间的显示功能。
（3）智能提醒
使用定时器0，开启定时器中断，蜂鸣器提醒。
（4）定时时间设置
使用外部中断0扩展电路，用三个按键触发中断，完成对应定时开启和定时时间加减的功能。
2.2总体程序流程图
总体程序流程图分为主程序和中断程序两部分，其中中断程序分为外部中断程序和定时器中断程序。
流程图如下图所示。
图2主程序流程图图3外部按键中断流程图
图4定时器中断程序设计流程图
3.水温采集模块程序设计
3.1DS18B20简介
DS18B20单线数字温度传感器，即“一线器件”，其具有独特的优点：
（1）采用单总线的接口方式，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。
单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。
（2）测量温度范围宽，测量精度高DS18B20的测量范围为-55℃~+125℃；在-10~+85°C范围内，精度为±0.5°C。
（4）持多点组网功能多个DS18B20可以并联在惟一的单线上，实现多点测温。
（5）供电方式灵活DS18B20可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。
因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，可以不接外部电源，从而使系统结构更趋简单，可靠性更高。
（6）测量参数可配置DS18B20的测量分辨率可通过程序设定9~12位。
3.2DS18B20的初始化
主机首先发出一个480－960微秒的低电平脉冲，然后释放总线变为高电平，并在随后的480微秒时间内对总线进行检测，如果有低电平出现说明总线上有器件已做出应答。
若无低电平出现一直都是高电平说明总线上无器件应答。
作为从
图5DS18B20初始化时序图
器件的DS18B20在一上电后就一直在检测总线上是否有480－960微秒的低电平出现，如果有，在总线转为高电平后等待15－60微秒后将总线电平拉低60－240微秒做出响应存在脉冲，告诉主机本器件已做好准备。
若没有检测到就一直在检测等待。
初始化时序图如图5所示。
/****************************************************************
*函数名:
Ds18b20Init
*函数功能:
初始化
*输入:
无
*输出:
初始化成功返回1，失败返回0
****************************************************************/
unsignedcharDs18b20Init（）
{
unsignedinti;
Desport=0;//将总线拉低480us~960us
i=70;
while（i--）;//延时642us
Dsport=1;//然后拉高总线，若DS18B20做出反应会将在15us~60us后将总线拉低
i=0;
while（Desport）//等待DS18B20拉低总线
{
i++;
if（i>50000）//等待>50MS
return0;//初始化失败
}
return1;//初始化成功
}
3.3DS18B20写周期
写周期最少为60微秒，最长不超过120微秒。
写周期一开始做为主机先把总线拉低1微秒表示写周期开始。
随后若主机想写0，则将总线置为低电平，若主机想写1，则将总线置为高电平，持续时间最少60微秒直至写周期结束，然后释放总线为高电平至少1微秒给总线恢复。
而DS18B20则在检测到总线被拉底后等待15微秒然后从15us到45us开始对总线采样，在采样期内总线为高电平则为1，若采样期内总线为低电平则为0。
写周期时序图如图6所示。
图6DS18B20写周期时序图
/****************************************************************
*函数名:
Ds18b20WriteByte
*函数功能:
向18B20写入一个字节
*输入:
com
*输出:
无
****************************************************************/
voidDs18b20WriteByte（unsignedchardat）
{
unsignedinti,j;
for（j=0;j<8;j++）
{
Desport=0;//每写入一位数据之前先把总线拉低1us
i++;
Desport=dat&0x01;//然后写入一个数据，从最低位开始
i=6;
while（i--）;//延时68us，持续时间最少60us
Desport=1;//然后释放总线，至少1us给总线恢复时间才能接着写入第二个数值
dat>>=1;
}
}
3.4DS18B20读周期
读周期是从主机把单总线拉低1微秒之后就得释放单总线为高电平，以让
DS18B20把数据传输到单总线上。
作为从机DS18B20在检测到总线被拉低1微秒后，便开始送出数据，若是要送出0就把总线拉为低电平直到读周期结束。
若要送出1则释放总线为高电平。
主机在一开始拉低总线1微秒后释放总线，然后在包括前面的拉低总线电平1微秒在内的15微秒时间内完成对总线进行采样检测，采样期内总线为低电平则确认为0。
采样期内总线为高电平则确认为1。
完成一个读时序过程至少需要60微秒才能完成。
其读周期的时序图如图7所示。
图7DS18B20读周期时序图
/*******************************************************************
*函数名:
Ds18b20ReadByte
*函数功能:
读取一个字节
*输入:
com
*输出:
无
****************************************************************/
unsignedcharDs18b20ReadByte（）
{
unsignedcharbyte,bi;
unsignedinti,j;
for（j=8;j>0;j--）
{
Dsport=0;//先将总线拉低1us
i++;
Dsport=1;//然后释放总线
i++;
i++;//延时6us等待数据稳定
bi=Dsport;//读取数据，从最低位开始读取
byte=（byte>>1）|（bi<<7）;/*将byte左移一位，然后与上右移7位后的bi，注意移动之后移掉那位补0。
*/
i=4;//读取完之后等待48us再接着读取下一个数
while（i--）;
}
returnbyte;
}
3.5温度读取程序
简单的读取温度值的步骤如下：
跳过ROM操作---发送温度转换命令---跳过ROM操作---发送读取温度命令---读取温度值
（1）温度转换指令：
/************************************************************
*函数名:
Ds18b20ChangTemp
*函数功能:
让18b20开始转换温度
*输入:
com
*输出:
无
************************************************************/
voidDs18b20ChangTemp（）
{
Ds18b20Init（）;
Delay1ms
（1）;
Ds18b20WriteByte（0xcc）;//跳过ROM操作命令
Ds18b20WriteByte（0x44）;//温度转换命令
Delay1ms（100）;
}
（2）温度读取指令
/************************************************************
*函数名:
Ds18b20ReadTempCom
*函数功能:
发送读取温度命令
*输入:
com
*输出:
无
************************************************************/
voidDs18b20ReadTempCom（）
{
Ds18b20Init（）;
Delay1ms
（1）;
Ds18b20WriteByte（0xcc）;//跳过ROM操作命令
Ds18b20WriteByte（0xbe）;//发送读取温度命令
}
（3）读取温度：
/*************************************************************************
*函数名:
Ds18b20ReadTemp
*函数功能:
读取温度
*输入:
com
*输出:
无
*************************************************************************/
intDs18b20ReadTemp（）
{
unsignedinttemp=0;
unsignedchartmh,tml;
Ds18b20ChangTemp（）;//先写入转换命令
Ds18b20ReadTempCom（）;//然后等待转换完后发送读取温度命令
tml=Ds18b20ReadByte（）;//读取温度值共16位，先读低字节
tmh=Ds18b20ReadByte（）;//再读高字节
temp=tmh;
temp<<=8;
temp|=tml;
returntemp;
}
4.显示模块程序设计
4.1LCD1602初始化
表1LCD1602指令表
指令码
功能
00001DCB
D=1开显示；D=0关显示
C=1显示光标；C=0不显示光标
B=1光标闪烁；B=0光标不显示
000001NS
N=1当读或写一个字符后地址指针加一，且光标加一
N=0当读或写一个字符后地址指针减一，且光标减一
S=1当写一个字符时，整屏显示左移（N=1）或右移（N=0），以得到光标不移动而屏幕移动的效果
S=0当写一个字符，整屏显示不移动
01H
显示清屏：
所有显示清零
80H+地址码（0-27H，40H-67H）
设置数据地址
/****************************************************************
*函数名:
LcdInit（）
*函数功能:
初始化LCD屏
*输入:
无
*输出:
无
****************************************************************/
voidLcdInit（）//LCD初始化子程序
{
LcdWriteCom（0x38）;//设置显示模式
LcdWriteCom（0x0c）;//开显示不显示光标，光标不闪烁
LcdWriteCom（0x06）;//写一个指针加1
LcdWriteCom（0x01）;//清屏
LcdWriteCom（0x80）;//设置数据指针起点
}
4.2LCD1602写周期
时序图如图8所示，RS=0为写命令，RS=1为写数据。
在写周期，R/W=0，E为写数据或命令使能输入。
图8LCD1602写时序图
（1）写命令：
/****************************************************************
*函数名:
LcdWriteCom
*函数功能:
向LCD写入一个字节的命令
*输入:
com
*输出:
无
****************************************************************/
voidLcdWriteCom（unsignedcharcom）//写入命令
{
RS=0;
RW=0;
GPIO_LCD=com;
Delay1ms（10）;
E=1;
Delay1ms（10）;
E=0;
}
（2）写数据
/**************************************************************************
*函数名:
LcdWriteData
*函数功能:
向LCD写入一个字节的数据
*输入:
dat
*输出:
无
**************************************************************************/
voidLcdWriteData（unsignedchardat）//写入数据
{
RS=1;
RW=0;
GPIO_LCD=dat;
Delay1ms（10）;
E=1;
Delay1ms（10）;
E=0;
}
5.定时模块程序设计
定时/计数器实质上是一个加1计数器。
它随着计数器的输入脉冲进行自加1，也就是每来一个脉冲，计数器就自动加1，当加到计数器为全1时，再输入一个脉冲就使计数器回零，且计数器的溢出使相应的中断标志位置1，向CPU发出中断请求（定时/计数器中断允许时）。
如果定时/计数器工作于定时模式，则表示定时时间已到；如果工作于计数模式，则表示计数值已满。
与定时器相关的寄存器如下：
TCON
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
功能
TF1
TR1
TF0
TR0
IE1
IT1
IE0
IT0
TF1和TF0：
T1和T0的溢出标志位，溢出后由硬件自动置1发出定时器中断请求。
中断响应后标志位自动清零。
IE1和IE0：
INT1和INT0的标志位，引脚状态变化后由硬件自动置1发出外部中断请求，中断响应后标志位自动清零。
IT1和IT0：
INT1和INT0的触发方式选择位。
TMOD
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
功能
GATE
C/T
M1
M0
GATE
C/T
M1
M0
GATE：
门控制为0时仅有运行控制位TRx来控制定时/计数器的开启。
为1时由TRx和外部中断脉冲计数。
（用于计算外部中断负跳变的次数）
C/T：
计数器模式和定时器模式选择为0时选择定时器模式，为1时选
为计数器模式。
方式1的计数位数是16位，由TL0作为低8位、TH0作为高8位，组成了16位加1计数器。
如图9所示。
图9定时器模式1示意图
5.1定时器设置
/**************************************************************************
*函数名:
Timer
*函数功能:
设置定时器并开始计时
*输入:
无
*输出:
无
**************************************************************************/
voidTimer（）
{
TMOD=0X01;//定时器选择工作模式1
TH0=0x3C;//定时器赋初值
TL0=0xB0;//定时50ms
EA=1;//开启中断
ET0=1;//开启定时器中断
TR0=1;//启动定时器
}
5.2定时器中断子程序
定时器中断子程序完成的功能有：
（1）定时器重新赋初值；
（2）统计中断次数，并在LCD上显示剩余时间；
（3）判断是否达到定时终点以启动蜂鸣器。
/**************************************************************************
*函数名:
Timer0（）interrupt1
*函数功能:
设置定时器中断执行程序，LCD显示定时剩余时间
*输入:
无
*输出:
无
**************************************************************************/
voidTimer0（）interrupt1
{
TH0=0x3C;
TL0=0xB0;//定时器重新赋值
Time++;
k++;//中断次数计数
if（k==20）//20次中断，即1s
{
LCDwritecom（0xc2）;
LCDwritedat（'0'+（--j）/10）;
LCDwritedat（'0'+（j）%10）;//定时显示剩余时间
k=0;
}
if（Time==full）//判断是否达到定时时间
{
for（i=0;i<100;i++）
{
sound=1;//启用无源蜂鸣器
Delay1ms
（1）;
sound=0;
Delay1ms
（1）;
}
Time=0;
j=full/20;//计数初始化
}
}
6.中断模块程序设计
中断是指CPU在执行当前程序的过程中，由于某种随机出现的外设请求或CPU内部的异常事件,使CPU暂停正在执行的程序而转去执行相应的服务处理程序；当服务处理程序运行完毕后，CPU再返回到暂停处继续执行原来的程序。
51单片机的中断系统如图10所示。
图10中断系统结构图
6.1外部中断设置
/**************************************************************************
*函数名:
IntConfiguration（）
*函数功能:
设置外部中断
*输入:
无
*输出:
无
**************************************************************************/
voidIntConfiguration（）
{
IT0=1;//外部中断0跳变沿触发方式（下降沿）
EX0=1;//打开INT0的中断允许。
EA=1;//打开总中断
}
6.2键盘扫描中断子程序
中断程序完成的功能有：
（1）判断按键是否按下；
（2）执行对应按键的功能。
/**************************************************************************
*函数名:
Scankey（）
*函数功能:
键盘扫描，并执行对应按键的程序
*输入:
无
*输出:
无
**************************************************************************/
voidScankey（）
{
if（key1==0）//判断按键是否按下
{
Delay1ms（10）;//延时消抖
if（key1==0）//判断按键是否按下
{
for（;;）
{if（key1==0）
continue;
elsebreak;}
for（;;）
{
while（key1==0）;//检测按键是否松开
if（key1==0）continue;
elsebreak;
…….//执行对应按键的程序
}
}
}
7.整体编程的实现
软件编程在keil上操作，在各个模块的子程序完成后，在主程序按照流程图
图11proteus仿真效果图
调用各个子函数即可完成最终的编程。
在经过编译之后，将机器代码导入到实现搭建好的硬件proteus仿真，其效果图11所示。
8.设计过程中的问题及解决方案
在确定了各种所需的元器件之后，对各种元器件的资料文档进行了仔细研读。
采用分模块的方式，分别编写了温度读取子函数，温度显示子函数，定时器子函数，中断子函数，键盘扫描子函数。
再用keil编写编译后，也出现了不少问题，但都问题不大，调试过后都编译成功了。
在用proteus搭建好了硬件电路之后，仿真时出现了一系列问题，第一，lcd1602没有显示。
第二，有较大的噪音。
第三，按键不是很灵敏。
在网上找了资料之后发现，在proteus仿真中LCD1602是不带上拉电阻的，于是在库里找了一个排阻，果然就有显示了，但是显示的温度一直是-0.06，温度传感器是好的，这点我用我买的单片机自带的温度传感器检测过了。
这个问题困扰了我们好久，请教老师之后，老师说仿真和具体的实际操作是有区别的。
于是我开始一句一句检测我的温度传感器程序，在用keil调试时，无意中发现传感器的初始化少了几个微妙，不大抱什么希望的改好之后，再用仿真时LCD居然成功地与温度传感器数据同步了！
当时特别兴奋，终于搞定了。
至于第二个问题是噪音的问题，发现时蜂鸣器的接口没有初始化，这个较简单。
第三个问题是按键灵敏度的问题，由于之前没有采用中断，灵敏度不是很高，在使用与门产生外部中断和相应的程序改变后，这个问题也解决了。
9.收获与感悟
课程设计虽然占用了我们不少课余时间，但我们的收获也是挺多的。
在知识积累方面，熟悉了proteus的和keil的仿真过程，还有关于单片机的定时器，中断，i/o口的知识的巩固和认知的深化。
作为一个工科生，动手操作是必须的。
只有不断的积累经验，才能成为一名出色的工程师。
虽然我们才刚刚初步了解一些专业知识，但也要把自己所学的运用到实践中去。
在设计的过程中，我们应该善于发现问题并能及时找到解决问题的最佳方法，要努力培养自己的谨小慎微的习惯，不能忽略任何一个微小的细节。
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