全自动电热水壶设计(包含原理图和程序).docx
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1、全自动电热水壶设计(包含原理图和程序) 单片机限制电热水壶温度的设计 中文摘要 随着微机测量和限制技术的快速发展与广泛应用,以单片机为核心的温度采集与限制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的限制水平。本设计论述了一种以STC89C52单片机为主限制单元,以DS18B20为温度传感器的温度限制系统。该限制系统可以实时存储相关的温度数据并记录当前的时间。系统设计了相关的硬件电路和相关应用程序。硬件电路主要包括STC89C52单片机最小系统,测温电路、实时时钟电路、LCD液晶显示电路以及通讯模块电路等。系统程序主要包括主程序,读出温度子程序,计算温度子程序、按键处理程序、LCD显示程
2、序以及数据存储程序等。 关键词 STC89C52单片机;DS18B20;显示电路 目 录 一、引言 4 (一)课题探讨的背景 4 (二)课题探讨的目的和意义 5 二、硬件电路的设计 5 (一)系统设计的框架 5 (二)单片机最小系统电路 6 (三)单片机的选型 6 1.STC89C52单片机简介 6 2.STC89C52单片机时序 7 3.STC89C52单片机引脚介绍 7 (四)温度传感器电路 9 (五)系统电源电路的设计 10 (六)LCD显示电路 11 (七)串口通讯电路 12 (八)按键接口电路 13 (九)DS1302时钟电路 13 (十)存储器接口电路 13 三、系统软件设计 14
3、 (一)计算温度子程序 15 (二)按键处理子程序 15 (三)计算温度子程序 16 (四)显示数据刷新子程序 17 四、结束语 18 参考文献 19 致谢 20 附件1:系统原理图 21 附件2:系统相关程序 22 一、DS18B20底层驱动程序 22 二、DS1302时钟底层驱动程序 27 三、数据存储底层驱动程序 33 一、引言 (一)课题探讨的背景 工业限制是计算机的一个重要应用领域,计算机限制系统正是为了适应这一领域的须要而发展起来的一门专业技术,它主要探讨如何将计算机技术、通过信息技术和自动限制理论应用于工业生产过程,并设计出所须要的计算机限制系统。随着微机测量和限制技术的快速发展
4、与广泛应用,以单片机为核心的温度采集与限制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的限制水平。本设计就是基于单片机STC89C52温度限制系统的设计,通过本次课程实践,我们更加的明确了单片机的广泛用途和运用方法,以及其工作的原理。 (二)课题探讨的目的和意义 随着社会的发展,温度的测量及限制变得越来越重要。本文采纳单片机STC89C52设计了温度实时测量及限制系统。单片机STC89C52 能够依据温度传感器DS18B20 所采集的温度在液晶屏上实时显示,通过限制从而把温度限制在设定的范围之内。全部温度数据均通过液晶显示器LCD显示出来。系统可以依据时钟存储相关的数据。通过该课程的学习
5、使我们对计算机限制系统有一个全面的了解、驾驭常规限制算法的运用方法、驾驭简洁微型计算机应用系统软硬的设计方法,进一步熬炼同学们在微型计算机应用方面的实际工作实力。二、硬件电路的设计 (一)系统设计的框架 本课题设计的是一种以STC89C52单片机为主限制单元,以DS18B20为温度传感器的温度限制系统。该限制系统可以实时存储相关的温度数据并记录当前的时间。其主要包括:电源模块、温度采集模块、按键处理模块、实时时钟模块、数据存储模块、LCD显示模块、通讯模块以及单片机最小系统。 图1 系统设计框架 (二)单片机最小系统电路 在课题设计的温度限制系统设计中,限制核心是STC89C52单片机,该单片
6、机为51系列增加型8位单片机,它有32个I/O口,片内含4K FLASH工艺的程序存储器,便于用电的方式瞬间擦除和改写,而且价格便宜,其外部晶振为12MHz,一个指令周期为1S。运用该单片机完全可以完成设计任务,其最小系统主要包括:复位电路、震荡电路以及存储器选择模式(EA脚的凹凸电平选择),电路如下图2所示: 图2 单片机最小系统 (三)单片机的选型 本课题设计的温度限制系统主限制芯片选型为STC89C52单片机,其特点如下: 1.STC89C52单片机简介 目前,51系列单片机在工业检测领域中得到了广泛的应用,因此我们可以在很多单片机应用领域中,配接各种类型的语音接口,构成具有合成语音输出
7、实力的综合应用系统,以增加人机对话的功能。STC89C52单片机是深圳宏晶科技有限公司生产的一种单片机,在一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分。每一个单片机包括:一个8位的微型处理器CPU;一个512K的片内数据存储器RAM;4K片内程序存储器;四个8位并行的I/O接口P0-P3,每个接口既可以输入,也可以输出;两个定时器/记数器;五个中断源的中断限制系统;一个全双工UART的串行I/O口;片内振荡器和时钟产生电路,但石英晶体和微调电容须要外接。最高允许振荡频率是12MHZ。以上各个部分通过内部总线相连接。 2.STC89C52单片机时序 STC89C52单片机的一个执器周期由6个状
8、态(s1s6)组成,每个状态又持续2个震荡周期,分为P1和P2两个节拍。这样,一个机器周期由12个振荡周期组成。若采纳12MHz的晶体振荡器,则每个机器周期为1us,每个状态周期为16us;在一数状况下,算术和逻辑操作发生在N期间,而内部寄存器到寄存器的传输发生在P2期间。对于单周期指令,当指令操作码读人指令寄存器时,使从S1P2起先执行指令。假如是双字节指令,则在同一机器周期的s4读人其次字节。若为单字节指令,则在51期间仍进行读,但所读入的字节操作码被忽视,且程序计数据也不加1。在加结束时完成指令操作。多数STC89C52指令周期为12个机器周期,只有乘法和除法指令须要两个以上机器周期的指
9、令,它们需4个机器周期。对于双字节单机器指令,通常是在一个机器周期内从程序存储器中读人两个字节,但Movx指令例外,Movx指令是访问外部数据存储器的单字节双机器周期指令,在执行Movx指令期间,外部数据存储器被访问且被选通时跳过两次取指操作。3.STC89C52单片机引脚介绍 STC89C52单片机的40个引脚中有2个专用于主电源引脚,2个外接晶振的引脚,4个限制或与其它电源复用的引脚,以及32条输入输出I/O引脚。下面按引脚功能分为4个部分叙述个引脚的功能。(1)电源引脚Vcc和Vss Vcc(40脚):接+5V电源正端; Vss(20脚):接+5V电源正端。(2)外接晶振引脚XTAL1和
10、XTAL2 XTAL1(19脚):接外部石英晶体的一端。在单片机内部,它是一个反相放大器的输入端,这个放大器构成采纳外部时钟时,对于HMOS单片机,该引脚接地;对于CHOMS单片机,该引脚作为外部振荡信号的输入端。XTAL2(18脚):接外部晶体的另一端。在单片机内部,接至片内振荡器的反相放大器的输出端。当采纳外部时钟时,对于HMOS单片机,该引脚作为外部振荡信号的输入端。对于CHMOS芯片,该引脚悬空不接。(3)限制信号或与其它电源复用引脚 限制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、ALE/P、PSEN和EA/VPP等4种形式。(A)RST/VPD(9脚):RST即为RESET,VPD为
11、备用电源,所以该引脚为单片机的上电复位或掉电爱护端。当单片机振荡器工作时,该引脚上出现持续两个机器周期的高电平,就可实现复位操作,使单片机复位到初始状态。当VCC发生故障,降低到低电平规定值或掉电时,该引脚可接上备用电源VPD(+5V)为内部RAM供电,以保证RAM中的数据不丢失。(B)ALE/ P (30脚):当访问外部存储器时,ALE(允许地址锁存信号)以每机器周期两次的信号输出,用于锁存出现在P0口的低 (C)PSEN(29脚):片外程序存储器读选通输出端,低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间,每个机器周期PESN两次有效,以通过数据总线口读回指令或常数。当访问外部数据存储器
12、期间,PESN信号将不出现。(D)EA/Vpp(31脚):EA为访问外部程序储器限制信号,低电平有效。当EA端保持高电平常,单片机访问片内程序存储器4KB(MS52子系列为8KB)。若超出该范围时,自动转去执行外部程序存储器的程序。当EA端保持低电平常,无论片内有无程序存储器,均只访问外部程序存储器。对于片内含有EPROM的单片机,在EPROM编程期间,该引脚用于接21V的编程电源Vpp。 (4)输入/输出(I/O)引脚P0口、P1口、P2口及P3口 (A).P0口(39脚22脚):P0.0P0.7统称为P0口。当不接外部存储器与不扩展I/O接口时,它可作为准双向8位输入/输出接口。当接有外部
13、程序存储器或扩展I/O口时,P0口为地址/数据分时复用口。它分时供应8位双向数据总线。 对于片内含有EPROM的单片机,当EPROM编程时,从P0口输入指令字节,而当检验程序时,则输出指令字节。(B).P1口(1脚8脚):P1.0P1.7统称为P1口,可作为准双向I/O接口运用。对于MCS52子系列单片机,P1.0和P1.1还有第2功能:P1.0口用作定时器/计数器2的计数脉冲输入端T2;P1.1用作定时器/计数器2的外部限制端T2EX。对于EPROM编程和进行程序校验时,P0口接收输入的低8位地址。(C).P2口(21脚28脚):P2.0P2.7统称为P2口,一般可作为准双向I/O接口。当接
14、有外部程序存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时,P2口用于高8位地址总线送出高8位地址。对于EPROM编程和进行程序校验时,P2口接收输入的8位地址。(D).P3口(10脚17脚):P3.0P3.7统称为P3口。它为双功能口,可以作为一般的准双向I/O接口,也可以将每1位用于第2功能,而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。P3口的第2功能见下表 表1 单片机P3.0管脚含义 引脚 第2功能 P3.0 RXD(串行口输入端0) P3.1 TXD(串行口输出端) P3.2 INT0(部中断0恳求输入端,低电平有效) P3.3 INT1(中断1恳求输入端,低
15、电平有效) P3.4 T0(时器/计数器0计数脉冲端) P3.5 T1(时器/计数器1数脉冲端) P3.6 WR(部数据存储器写选通信号输出端,低电平有效) P3.7 RD(部数据存储器读选通信号输出端,低电平有效) 综上所述,MCS51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点: 1).单片机功能多,引脚数少,因而很多引脚具有第2功能; 2).单片机对外呈3总线形式,由P2、P0口组成16位地址总线;由P0口分时复用作为数据总线。(四)温度传感器电路 采纳一线制数字温度传感器DS18B20来作为本课题的温度传感器。传感器输出信号进4.7K的上拉电阻干脆接到单片机的P1.0引脚上。DS18B20温度
16、传感器是美国达拉斯(DALLAS)半导体公司推出的应用单总线技术的数字温度传感器。该器件将半导体温敏器件、A/D转换器、存储器等做在一个很小的集成电路芯片上。本设计中温度传感器之所以选择单线数字器件DS18B20,是在经过多方面比较和考虑后确定的,主要有以下几方面的缘由: (1)系统的特性:测温范围为-55+125 ,测温精度为士0.5;温度转换精度912位可变,能够干脆将温度转换值以16位二进制数码的方式串行输出;12位精度转换的最大时间为750ms;可以通过数据线供电,具有超低功耗工作方式。(2)系统成本:由于计算机技术和微电子技术的发展,新型大规模集成电路功能越来越强大,体积越来越小,而
17、价格也越来越低。一支DS18B20的体积与一般三极管相差无几,价格只有十元人民币左右。(3)系统困难度:由于DS18B20是单总线器件,微处理器与其接口时仅需占用1个I/O端口且一条总线上可以挂接几十个DS18B20,测温时无需任何外部元件,因此,与模拟传感器相比,可以大大削减接线的数量,降低系统的困难度,削减工程的施工量。(4)系统的调试和维护:由于引线的削减,使得系统接口大为简化,给系统的调试带来便利。同时因为DS18B20是全数字元器件,故障率很低,抗干扰性强,因此,削减了系统的日常维护工作。DS18B20温度传感器只有三根外引线:单线数据传输总线端口DQ ,外供电源线VDD,共用地线G
18、ND。DS18B20有两种供电方式:一种为数据线供电方式,此时VDD接地,它是通过内部电容在空闲时从数据线获得能量,来完成温度转换,相应的完成温度转换的时间较长。这种状况下,用单片机的一个I/O口来完成对DS18B20总线的上拉。另一种是外部供电方式(VDD接+5V),相应的完成温度测量的时间较短。在本设计中采纳外部供电方式实现DS18B20传感器与单片机的连接,其接口电路如图4所示。 图4 温度传感器接口 (五)系统电源电路的设计 本系统采纳电源稳压芯片是LM2596,该开关电压调整器是降压型电源管理单片集成电路,能够输出3A的驱动电流,输入电压是+5v,输入电压是+24v,同时具有很好的线
19、性和负载调整特性。 该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器,开关频率为150KHz,与低频开关调整器相比较,可以运用更小规格的滤波元件。 该器件还有其他一些特点:在特定的输入电压和输出负载的条件下,输出电压的误差可以保证在4%的范围内,振荡频率误差在15%的范围内;可以用仅80A的待机电流,实现外部断电;具有自我爱护电路(一个两级降频限流爱护和一个在异样状况下断电的过温完全爱护电路) 在该温度限制系统中,其电源电路设计如下图10所示。 图5 系统电源模块 (六)LCD显示电路 本课题设计的温度限制系统是采纳液晶屏128*64作为显示模块,其接口原理图如下图6所示: 图6 液晶显示接口电路 (七
20、)串口通讯电路 本课题设计的通讯采纳的是常见的串口通讯,协议转换芯片是采纳MAX232A,其接口原理图如下图7所示: 图6 串口通讯接口电路 (八)按键接口电路 本课题设计采纳的键盘模块,其接口原理图如下图8所示: 图8 键盘模块电路 (九)DS1302时钟电路 本课题设计的时钟是采纳时钟芯片DS1302,其接口原理图如下图9所示: 图9 时钟接口电路 (十)存储器接口电路 本课题设计的存储器采纳的是AT24C256,其接口原理图如下图十所示: 图10 存储器电路 三、系统软件设计 系统的软件主要是采纳C语言,对单片机进行变成实现各项功能。主程序对模块进行初始化,而后调用读温度、处理温度、显示
21、、键盘等模块。用的是循环查询方式,来显示和限制温度,主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值并负责调用各子程序,其程序流程如图10系统程序流程图。 起先 初始化 启动DB18B20 读温度 计算温度 LCD显示 图10系统程序流程图 (一)计算温度子程序 读出温度子程序的主要功能包括初始化,推断DS18B20是否存在,若存在则进行一系列的读操,作若不存在则返回。其程序流程图如图11所示。 图11 读温度流程图 (二)按键处理子程序 按键处理子程序主要是负责参数的设置,主程序每循环一次都要对按键进行扫描,推断是否有输入键按下则进行一系列的按键输入操作。其程
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