饮水机控制系统的设计毕业论文.doc
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郑州大学
本科毕业论文（设计）
题目名称饮水机控制系统的设计
指导教师职称讲师
学生姓名学号
专业通信工程班级2班
院（系）电子信息工程学院
完成时间2012年4月25日
饮水机温控系统
摘要
论文采用高性价比的AT89C2051单片机作为核心控制芯片，外围部件由防水数字温度传感器DS18B20，键盘电路，水位探测器，LED显示电路，加热控制器组成。
实现了：
（1）能检测饮水机加热体中的水量和水温并能LED数码管显示水温。
水量低于设定值时禁止加热;
（2）防止干烧。
设定两种加热模式;
（3）温水键可以把水加热到60度，开水键可以把水加热到100度并实时显示水温。
管显示水温。
水量低于设定值时禁止加热;
（4）系统自动比较水温和系统设定温度，当水温低于设定温度10度时，加热器开始加热，当水温达到设定温度时，加热器停止工作。
饮水机设置温水键、开水键对水温进行控制。
接通电源后，系统检测饮水机加热体中的水量及水温，并将水温清晰地显示在LED数码显示器上。
为防低于系统设置，系统处于待机状态，此时温水键和开水键无效，待用户加足水后按键功能有效。
本设计中的数字温度传感器采用DS18B20。
键盘电路由温水键、开水键2个独立式按钮组成。
显示电路由4位七段码LED显示器组成。
水深探测器为一根金属棒。
加热控制器为MOTOROLA公司生产的单片集成光电耦合可控硅驱动器件MOC3041。
关键字温度/控制/单片机/传感器
DESIGNOFTEMPERATURECONTROL
SYSTEMOFDRINKINGMACHINE
ABSTRACT
Inthisthesis,cost-effectiveAT89C2051MCUasacorecontrolchip,theexternalpartsofthewaterproofdigitaltemperaturesensorDS18B20,keyboardcircuit,waterleveldetector,LEDshowcircuit,theheatingcontroller.Achieved:
1.CandetectwaterfountainsandwatertemperatureandwatertemperaturecanbeusedLEDdigitaldisplay.2.Theprohibitionofwaterbelowthesetvalueofheating,topreventdry.3.Tosettwoheatingmode,warmwaterkeytothewaterheatedto60degrees,waterkeytothewaterheatedto100degreesanddisplaythewatertemperature.4.Comparisonofwatertemperatureandthesystemautomaticallysetthetemperature,whenthewatertemperature10degreesbelowthesettemperature,theheaterbegantoheat,whenwatertemperaturereachesthesettemperature,theheaterstoppedworking.
Therearetwobuttonsondrinkingwatertemperaturecontrol.Whenpoweredon,temperatureclearlydisplayedontheLEDdigitaldisplay.Topreventdrydamagedheater,heatingsystemuseswaterleveldetectortomonitorthewaterlevelinthebody,ifthewaterislowerthanthesetting,thesystemisinstandbymode,thecursorkeysandwarmwaterkeyisinvalid,whentheusertoaddalittlewatertokeyfunctioneffectively.
Inthisdesign'sdigittemperaturesensorisDS18B20.Keykeyboardcircuitconsistsofwarmwater,waterstand-buttonkeycomponent2.DisplaycircuitconsistsoffoursevensegmentLEDdisplaycomposition.Duringtheheatingcontrolleristhemonolithicintegratedelectro-opticcouplingsilicon-controlledrectifierwhichMOTOROLACorporationproducesactuatesMOC3041.
KEYWORDStemperature,control,SCM,sensor
目录
中文摘要 .......Ⅰ
英文摘要 ......Ⅱ
1引言 1
1.1课题的目的及意义 1
1.2国内外发展现状及研究概况 1
1.3设计的主要技术指标与参数 2
1.4设计的主要内容 2
2设计要求的分析和方案的确定 3
2.1设计要求分析 3
2.2方案的确定 4
3总体电路的设计 5
3.1电路组成及工作原理 5
3.1.1电路的组成 5
3.1.2电路系统框图 6
3.2单元电路的设计与元件选择 7
3.2.1主控制单元的设计 7
3.2.2温度传感系统的设计 10
3.2.3加热控制系统的设计 13
3.2.4水位探测系统的设计 15
3.2.5显示电路及键盘电路的设计 17
3.3整体电路图 23
4系统软件设计 24
4.1系统主程序设计 24
4.2按键处理子程序 25
4.3温度检测子程序 27
结论 28
致谢 29
参考文献........................................................................................................30
附录 31
IV
1引言
1.1课题的目的及意义
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为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。
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。
此次设计是基于单片机的温度控制系统。
整个设计过程将使我巩固所学的本专业基础理论、专业知识和基本技能，增强综合运用所学知识与技术独立分析问题解决问题的能力；对饮水机的工作原理、元器件选择及电子仪器的常用设计方法等有比较深入的了解；进而掌握应用计算机进行电子线路设计的基本思想和方法。
本设计完全面向实际的思想可以使我全面的了解电子设计的基本过程和基本工艺，并且对成本的考虑也使得此次设计变的更加有意义。
1.2国内外发展现状及研究概况
当今社会，随着科技的进步，电子技术得到了飞速的发展与应用，数字系统的设计也有了很大的进步，如今运行速度快、在功能更加强大的基础上更加便于使用携带也成了发展的方向。
60年代以来，在半导体器件和计算机技术发展的基础上，智能控制变的越来越简单，70年代单片机产生使世界进入高智能，高效，以及高可靠性的电子时代。
单片机是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
单片机是随着超大规模集成电路技术的发展而诞生的。
随着技术的发展，单片机片内集成的功能越来越强大，并朝着SoC（片上系统）方向发展。
单片机有着体积小、功耗低、功能强、性能价格比高、易于推广应用等显著优点，所以广泛应用于电子仪表、家用电器、节能装置、机器人、工业控制等诸多领域，使产品小型化、智能化，既提高了产品的功能和质量，又降低了成本，简化了设计。
把单片机应用于温度控制中，采用单片机做主控单元，无触点控制，可完成对温度的采集和控制的要求。
现代单片机可靠性及应用水平越来越高，和互联网连接已是一种明显的走向。
所集成的部件越来越多；NS（美国国家半导体）公司的单片机已把语音、图像部件也集成到单片机中，也就是说，单片机的意义只是在于单片集成电路，而不在于其功能了；如果从功能上讲它可以讲是万用机。
原因是其内部已集成上各种应用电路。
功耗越来越低和模拟电路结合越来越多。
现如今单片机的发展日新月异，各种新功能，新器件，新思想不断涌现。
在国内外依旧以做嵌入式控制内核为主，而本文也是采用这样的一种智能控制思想来实现饮水机的智能控制的，从而实现饮水机温度可控，节能，可视化等设计指标。
1.3设计的主要技术指标与参数
（1）能检测饮水机加热体中的水量和水温并能用LED数码管实时显示水温。
（2）水量低于设定值时禁止加热，防止干烧。
（3）设定两种加热模式，温水键可以把水加热到60度，开水键可以把水加热到100度并实时显示水温。
（4）系统自动比较水温和系统设定温度，当水温低于设定温度10度时，加热器开始加热，当水温达到设定温度时，加热器停止工作。
1.4设计的主要内容
（1）方案比较及论证，查阅相关资料，找到设计电路的基本思路。
（2）基本测量原理。
（3）工作原理、框图及单元电路设计。
（4）系统实现，选择元器件。
（5）绘电路原理图，列元件明细表，整理及分析有关数据。
（6）结论。
2设计要求的分析和方案的确定
2.1设计要求分析
在硬件设计上，家用饮水机温控系统要求能检测加热体中的水温并实时的显示在LED显示器上，这就要求在加热体中设置温度传感器，并能用单片机将传感器的数据传送给LED显示模块，为防止干烧还需在加热体中加入水位测量装置，此装置只需对加热体中的水进行定性测量有无水即可，不需定量细致的测量水位因此可以采用较简单的设计，这样也可以减少设计成本。
因为饮水机存在两种加热模式所以要设计至少存在两个按键的键盘电路。
首先来分析设计要求的核心内容，按照设计要求来看，本次设计的饮水机以智能节能控制为核心内容，从而我们应该选择一种既能满足设计要求又尽量能降低设计成本的一款单片机。
我们可以结合实际设计中引脚的使用情况来选择一款简化版的单片机。
温度传感的选择应该本着便于和在此之前所选的单片机相通信的原则，在这里我们也要尽量考虑成本的问题，模数转换的问题也应该充分的考虑到，如果传感器可以集成模数转换器可以在较大的程度上降低设计成本，简化设计过程。
显示电路我们可以采用LED显示器也可以采用LCD显示器但是应该着重考虑用户使用的方便性，综合考虑各种利弊，以及设计的简便性。
在如今的各种显示设计中LED显示器无疑占有很高的比例，这种成熟的成品较多应当仔细分析比较。
水位探测装置应该尽量考虑节省成本的问题因为此次的探测要求仅是定性的判断加热体中水的有无，所以应该尽量采用简洁的设计方案，降低和单片机的连接、编程等设计的工作量。
在软件设计上，在系统主程序的基础上应该再设计上按键处理子程序和温度检测子程序。
其中主程序还要承担检测水位的任务。
尽可能的将程序流程做的简洁实用。
2.2方案的确定
经过以上对设计要求的分析我们可以基本确定下设计方案的雏形，即以单片机为核心，外围围绕温度传感器，水位探测器，加热控制器，键盘电路和显示电路等。
通过软件编程实现对各硬件的控制和通信，进而实现对加热器的控制，实现设计要求。
在此我们可以选用AT89C2051单片机，此单片机是一种精简型的51单片机。
完全可以满足设计要求并能节省设计成本。
我们选用数字温度传感器DS18B20，首先此款传感器自身具有模数转换功能所以在使用的过程中不需考虑模数转换的问题并且易于和单片机进行通信以及数据交换，再次，DS18B20具有非常高的市场普及率，有各种各样的封装形式所以适合我们的选用。
在显示电路上我们选用LED显示器，LED虽然发光亮度较低但完全可以满足用户在夜间使用的要求，这一点是普通LCD显示器所不能比拟的，所以在此我们选用LED显示器。
水位探测装置我们仅选用一根不锈钢棒即可满足设计要求。
另外我们还可以使用简易的温控系统，这也是现在绝大多数低端饮水机采用的温度控制系统，它一般使用像“纽扣”大小的“温度继电器”，内部是由双金属片制成的温度敏感“开关”，温度到达一定值时会断开电路。
元件一般装在金属“水胆”外壁上。
这种“温度继电器”成本低廉，易更换，但控制精度差，一般有上下2~3度的误差。
另外饮水机一般都是有两个温度继电器，一个是控制热水温度的，大概在90左右度，是自动断电自动复位的，另一个是极限温度控制器，大概在100左右度，断电后是手动复位的，此温度继电器主要用来防止加热体干烧。
这种控制方式简单，温度传感器经过译码器可直接与显示器相连。
但此方法智能控制水平较低不能体现出设计的核心思想，所以在这里我们一提而过，在具体设计中将采用我们的第一种设计方案。
3总体电路的设计
3.1电路组成及工作原理
3.1.1电路的组成
家用饮水机温度控制系统由传感器，模数转换器，水位探测器，LED显示电路，键盘电路，加热控制器等组成。
单片机：
完成监控系统数据采集过程、采集方式的控制。
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
温度控制与此同时将温度数据传输给LED显示器，并对水位探测器的反馈信号进行处理从而实现防止干烧的发生。
温度传感器：
温度传感器将加热体中的温度采集，经过模数转换变换成数字数据供单片机使用，在设计过程中尽量采用集成模数转换功能的传感器，这样一来可以极大的减少设计工作量，并且可靠性也将会有比较大的提高，这种传感器在实际生产中有这很广泛的应用。
水位探测器：
水位探测器主要是用来防止加热体干烧，在设计过程中可以根据需求将其简化成能定性测量水位是否足够即可，在这里我们要尽量的简化设计。
键盘电路：
键盘电路用来设置加热模式，与单片机通信，加热模式控制信号传送给单片机供其与温度传感器所提供的数据进行比较决定是否继续或停止加热。
显示电路：
实时显示加热体内水温，要求多位显示，在满足水温显示的条件下还要对加热状态等进行显示。
加热控制器：
弱电低压信号驱动强电220V电流对加热体内水进行加热控制，是整个设计的与加热体相结合的重要模块，设计方案要遵循安全可靠的要求。
3.1.2电路系统框图
图3-1系统框图
从系统框图可以看的出温度传感器信号，键盘电路信号，水深探测器信号均为饮水机温控系统的输入信号而显示电路信号，加热控制信号则为饮水机温控系统的输出信号。
系统框图也充分的体现出了单片机作为整个系统的核心部件的这一理念。
所有的外围的设备围绕单片机作为单片机的功能模块与单片机进行信息交换和通信。
核心部件单片机对所有的外围设备数字温度传感器、键盘电路、水位探测器等器件反馈的信息在软件的设定下进行综合分析，发出指令信号控制加热控制器和LED显示器的工作状态。
设计框图作为整个设计方案的灵魂将自始至终的指导设计的全过程，在以后的设计中将完全按照框图所列的模块进行分模块设计。
这样一来使整个设计简化为六部分，各部分又可以单独的进行设计，这样一来通过对各个模块的多种方案进行分析比较确定最佳选择并将其作为最终选择，最后将各模块的最佳方案进行组合得到我们的最终设计方案。
3.2单元电路的设计与元件选择
3.2.1主控制单元的设计
主控制电路是以单片机为核心的控制电路。
我们在这里选用AT89C2051单片机，AT89C2051是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，片内含2kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大AT89C2051单片机多使用于高性价比的应用场合。
图3-2AT89C2051管脚图
由管脚图我们也可以看出AT89C2051虽然是一个功能强大的单片机，但它只有20个引脚。
15个双向输入/输出（I/O）端口，其中P1是一个完整的8位双向I/O口，两个外中断口，两个16位可编程定时计数器,两个全双向串行通信口，一个模拟比较放大器。
相比于传统的8051芯片AT89C2051减少了两个对外端口（即P0、P2口），使它最大可能地减少了对外引脚，因而芯片尺寸也有所减少。
其引脚介绍如下：
（1）主电源引脚（2根）
VCC（Pin20）：
电源输入，接＋5V电源。
GND（Pin10）：
接地线。
（2）外接晶振引脚（2根）
XTAL1（Pin5）：
片内振荡电路的输入端。
XTAL2（Pin4）：
片内振荡电路的输出端。
（3）控制引脚（1根）
RST/VPP（Pin1）：
复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。
（4）可编程输入/输出引脚（15根）
P1口：
8位准双向I/O口线，P1.0～P1.7，共8根
P3口：
8位准双向I/O口线，P3.0～P3.5、P3.7，共7根
另外P3口还可以实现AT89C2051的其他各种功能如下表3-1：
表3-1P3口的复用功能
AT89C2051有以下特性：
与MCS-51产品指令系统完全兼容，2k字节可重擦写闪速存储器，1000次擦写周期，2.7V－6V的工作电压范围，全静态操作：
0Hz－24MHz，两级加密程序存储器，128×8字节内部RAM，15个可编程I／O口线，2个l6位定时／计数器，6个中断源，可编程串行UART通道，可直接驱动LED的输出端口，内置一个模拟比较器，低功耗空闲和掉电模式。
AT89C2051还带有2K字节闪速可编程可擦除只读存储体（EEPROM）的低电压,高性能8位CMOS微型计算机。
它采用ATMEL的高密非易失存储技术制造并和工业标准MCS—51指令集和引脚结构兼容。
通过在单块芯片上组合通用的CPL1和闪速存储器,ATMELAT89C2051是一强劲的微型计算机，它对许多嵌入式控制应用提供一高度灵活和成本低的解决办法。
AT89C2051可以采用下面2种方法开发应用系统。
（1）由于AT89C2051内部程序存贮器为Flash，所以修改它内部的程序十分方便快捷，只要配备一个可以编程89C2051的编程器即可。
调试人员可以采用程序编辑-编译-固化-插到电路板中试验这样反复循环的方法，对于熟练的MCS-51程序员来说，这种调试方法并不十分困难。
不过这种调试不能够了解片内RAM的内容和程序的走向等有关信息。
（2）将普通8031/80C31仿真器的仿真插头中P1.0～P1.7和P3.0～P3.6引出来仿真2051,这种方法可以运用单步、断点的调试方法，但是仿真不够真实，比如，2051的内部模拟比较器功能，P1口、P3口的增强下拉能力等等。
在设计过程中我们还考虑过其他的单片机，现代电子设计领域应用最广泛的八位单片机首推Intel的51系列，由于产品硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史“悠久”，有先入为主的优势。
世界有许多著名的芯片公司都购买了51芯片的核心专利技术，并在其基础上进行性能上的扩充，使得芯片得到进一步的完善，形成了一个庞大的体系，直到现在仍在不断翻新，把单片机世界炒得沸沸扬扬。
51系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，被称为“位处理器”，或“布尔处理器”。
它的处理对象不是字或字节而是位。
它不仅仅只能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行针对位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。
虽然其他种类的单片机也具有位处理功能，但能进行位逻辑运算的实属少见。
系列在片内RAM区间还特别开辟了一个双重功能的地址区间，51十六个字节，单元地址20H～2FH，它既可作字节处理，也可作位处理（作位处理时，合128个位，相应位地址为00H～7FH），使用极为灵活。
这一功能无疑给使用者提供了极大的方便，因为一个较复杂的程序在运行过程中会遇到很多分支，因而需建立很多标志位，在运行过程中，需要对有关的标志位进行置位、清零或检测，以确定程序的运行方向。
而实施这一处理（包括前面所有的位功能），只需用一条位操作指令即可。
51系列的I/O脚的设置和使用非常简单，当该引脚作输入脚使用时，只须将该引脚设置为高电平（复位时，各I/O口均置高电平）。
当该脚作输出脚使用时，则为高电平或低电平均可。
低电平时，吸入电流可达20mA，具有一定的驱动能力；而为高电平时，输出电流仅数十μA甚至更小（电流实际上是由脚的上拉电流形成的），基本上没有驱动能力。
其原因是高电平时該脚也同时作输入脚使用，而输入脚必须具有高的输入阻抗，因而上拉的电流必须很小才行。
作输出脚使用，欲进行高电平驱动时，得利用外电路来实现，I/O脚不通，电流经R驱动LED发光；低电平时，I/O脚导通
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