飲水機溫度控制系統(tǒng)設計

/書目書目 11前言 11.1設計的目的及意義 11.2國內(nèi)外發(fā)呈現(xiàn)狀及探討概況 11.3設計的主要技術指標和參數(shù) 21.4設計的主要內(nèi)容 22總體方案設計 32.1方案比較 32.2方案論證 42.3方案選擇 43單元模塊電路設計 53.1電路組成及工作原理 53.2模塊電路的設計 6信號采集及放大模塊設計 63.2.2單片機最小系統(tǒng) 7模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設計 8人機交互界面設計 9水位探測系統(tǒng)的設計 10加熱限制系統(tǒng)的設計 11電源電路的設計 123.3電路參數(shù)的計算及元器件的選擇 133.4特殊器件的介紹 143.4.1STC89C52單片機的介紹 14ICL7135模數(shù)轉(zhuǎn)換器的介紹 163.4.3LCD1602液晶顯示屏的介紹 183.4.4TL084運算放大器介紹 194系統(tǒng)軟件設計 214.1系統(tǒng)主程序設計 214.2按鍵處理子程序設計 224.3溫度檢測子程序設計 235系統(tǒng)調(diào)試 245.1硬件調(diào)試 245.2軟件調(diào)試 246系統(tǒng)功能和指標參數(shù) 256.1系統(tǒng)能實現(xiàn)的功能 256.2系統(tǒng)指標參數(shù)測試 257結(jié)論 268總結(jié)和體會 279參考文獻 28附錄一相關設計圖 29A飲水機溫控系統(tǒng)電路圖 29B飲水機溫控系統(tǒng)PCB圖 301前言1.1設計的目的及意義隨著電子技術的發(fā)展，特殊是大規(guī)模集成電路的產(chǎn)生，給人們的生活帶來了根本性的變更，假如說微型計算機的出現(xiàn)使現(xiàn)代的科學探討得到了質(zhì)的飛躍，那么單片機技術的出現(xiàn)則是給現(xiàn)代工業(yè)限制領域帶來了一次新的革命。單片機的應用領域也越來越廣泛，特殊是在工業(yè)限制和儀器儀表智能化中扮演著極其重要的角色。過去經(jīng)常接受模擬電路、數(shù)字電路實現(xiàn)的電路系統(tǒng)，現(xiàn)在相當大一部分可以用單片機予以實現(xiàn)，傳統(tǒng)的電路設計方法已演化成為軟件和硬件相結(jié)合的設計方法。在實際應用中，單片機經(jīng)常要和各種傳感器相結(jié)合組成確定的應用系統(tǒng)，以實現(xiàn)系統(tǒng)的自動檢測和限制。單片機在電子產(chǎn)品中的應用已經(jīng)越來越廣泛，在許多電子產(chǎn)品中也用到了溫度檢測和溫度限制。目前廣泛運用的飲水機，具有價格低廉，制造簡便等優(yōu)點。但是隨著用戶長時間運用，這些飲水機功能單一、能耗較大、長時間飲用飲水機的水對健康不利等缺點慢慢暴露出來。此次設計是基于單片機的溫度限制系統(tǒng)。整個設計過程將使我鞏固所學的本專業(yè)基礎理論、專業(yè)學問和基本技能，增加綜合運用所學學問和技術獨立分析問題解決問題的實力；對飲水機的工作原理、元器件選擇及電子儀器的常用設計方法等有比較深化的了解；進而駕馭應用單片機進行電子線路設計的基本思想和方法。本設計完全面對實際的思想可以使我全面的了解電子設計的基本過程和基本工藝，并且對飲水健康的考慮也使得此次設計變的更加有意義。1.2國內(nèi)外發(fā)呈現(xiàn)狀及探討概況當今社會，隨著科技的進步，電子技術得到了飛速的發(fā)展和應用，數(shù)字系統(tǒng)的設計也有了很大的進步，如今運行速度快、在功能更加強大的基礎上更加便于運用攜帶也成了發(fā)展的方向。60年頭以來，在半導體器件和計算機技術發(fā)展的基礎上，智能限制變的越來越簡潔，70年頭單片機產(chǎn)生使世界進入高智能，高效率，以及高牢靠性的電子時代。目前飲水機的限制方式可分為一般限制型、智能感應型和微電腦限制型三類。一般限制型飲水機其加熱和制冷均自動恒溫限制，是目前用戶運用最多的機型，并且其價位適中一般為首選。因而，本文在此基礎上，做了一些改造使其更為人性化，比如說加熱溫度設置使能夠滿足用戶的各種溫度需求，還有防干燒措施和實時顯示溫度等現(xiàn)如今單片機的發(fā)展日新月異，各種新功能，新器件，新思想不斷涌現(xiàn)。在國內(nèi)外照舊以做嵌入式限制內(nèi)核為主，而本文也是接受這樣的一種智能限制思想來實現(xiàn)飲水機的智能限制的，從而實現(xiàn)飲水機溫度可控，節(jié)能，可視化等設計指標。1.3設計的主要技術指標和參數(shù)1.能檢測飲水機加熱體中的水量和水溫并能用LCD液晶顯示屏實時顯示水溫。2.水量低于設定值時禁止加熱，防止干燒。3.能夠通過鍵盤隨意設定飲水機的加熱溫度，同時設定兩個快捷加熱鍵，溫水鍵可以把水加熱到60度，開水鍵可以把水加熱到100度并實時顯示水溫。4.系統(tǒng)自動比較水溫順系統(tǒng)設定溫度，當水溫低于設定溫度10攝氏度時，加熱器起先加熱，當水溫達到設定溫度時，加熱器停止工作。但當用戶重新設定了飲水機的加熱溫度后無論水溫是否低于設定溫度10攝氏度飲水機都將水溫加熱到設定值。1.4設計的主要內(nèi)容1.方案比較及論證，查閱相關資料，找到設計電路的基本思路。2.駕馭基本測量原理。3.依據(jù)需求和系統(tǒng)的功能，逐級劃分模塊，明確各模塊之間的數(shù)據(jù)流傳遞關系。理解工作原理，繪制原理框圖及單元電路設計。4.確定軟件開發(fā)環(huán)境，選擇設計語言，完成模塊功能設計，并分別調(diào)試通過。5.軟硬件聯(lián)調(diào)，將各模塊有機的結(jié)合起來，組成一個完善的系統(tǒng)。6.繪電路原理圖、PCB圖，列元件明細表，整理及分析有關數(shù)據(jù)。2總體方案設計通過查閱大量相關技術資料，并結(jié)合自己的實際學問，我主要提出了兩種技術方案來實現(xiàn)系統(tǒng)功能。下面我將首先對這兩種方案的組成框圖和實現(xiàn)原理分別進行說明，并分析比較它們的特點，然后闡述我最終選擇方案的緣由。2.1方案比較方案一是運用簡易的溫控系統(tǒng)，這也是現(xiàn)在絕大多數(shù)低端飲水機接受的溫度限制系統(tǒng)，它一般運用像“紐扣”大小的“溫度繼電器”，內(nèi)部是由雙金屬片制成的溫度敏感“開關”，溫度到達確定值時會斷開電路，飲水機停止加熱。當溫度降低的時候雙金屬片閉合，電路接通，飲水機起先加熱，元件一般裝在金屬“水膽”外壁上。另外還設有一個100攝氏度的溫度繼電器，斷電后須要手動開啟，此溫度繼電器主要用來防止加熱體干燒。方案二是經(jīng)過對設計要求的分析我們可以基本確定下設計方案的雛形，即以單片機為核心，外圍圍繞溫度傳感器，調(diào)理電路，AD轉(zhuǎn)換器，水位探測器，加熱限制器，鍵盤電路和顯示電路等。通過軟件編程實現(xiàn)對各硬件的限制和通信，進而實現(xiàn)對加熱器的限制，實現(xiàn)設計要求。在此我們可以選用高性價比的STC89C52單片機，完全可以滿足設計要求并能節(jié)約設計成本。我們選用防水型的溫度傳感器LM35DZ，首先此款傳感器的溫度怒測試范圍是0~100攝氏度，對于測試水溫來說剛好能滿足要求，這也提高了溫度的測量精度。再次，LM35DZ具有特殊高的市場普及率，有各種各樣的封裝形式所以適合我們的選用。水位監(jiān)測由于這里只須要定性的測量不須要定量測量，所以我們干脆接受一根金屬棒接于單片機的的一個引腳來推斷飲水機是否有足夠的水位。圖2.1方案二的原理框圖2.2方案論證首先兩種方案都是可行的，且都有各自的優(yōu)缺點，下面就分別介紹：第一種方案接受溫度繼電器，溫度繼電器成本低廉，易更換，且完全實現(xiàn)了硬件限制無需軟件設計，簡化了設計流程。由于純硬件的設計必定缺乏智能性，不能設定加熱水溫，人機交互方面欠缺。另一方面限制精度差，一般有上下2~3度的誤差。另外飲水機一般都是有兩個溫度繼電器，一個是限制熱水溫度的，或許在90左右度，是自動斷電自動復位的，另一個是極限溫度限制器，或許在100左右度，斷電后是手動復位的，此溫度繼電器主要用來防止加熱體干燒。這種限制方式簡潔，溫度繼電器可以干脆參和加熱限制。但此方法智能限制水平較低不能體現(xiàn)出設計的核心思想方案二的優(yōu)點是實現(xiàn)了高精度，溫度顯示，運用了LCD1602低功率液晶顯示，并帶有鍵盤限制，防干燒處理，人機交互方面做得比較好。另一方面，目前單片機技術比較成熟，功能也比較強大，被測信號經(jīng)放大整形后送入單片機，由單片機對測量信號進行處理并依據(jù)相應的數(shù)據(jù)關系顯示溫度和限制飲水機的加熱方式。單片機限制適合于功能比較簡潔的限制系統(tǒng),而且其具有成本低,功耗低,體積小算術運算功能強,技術成熟等優(yōu)點。但其缺點是外圍電路比較困難,編程困難。運用這種方案會給系統(tǒng)設計帶來確定的難度。2.3方案選擇基于實現(xiàn)了高精度，加熱溫度設定，溫度顯示，低功率，防干燒處理，綜合以上二種方案，最終選擇了方案二。3單元模塊電路設計本節(jié)主要介紹系統(tǒng)各單元模塊的詳細功能、電路結(jié)構(gòu)、工作原理、以及各個單元模塊之間的連接關系；同時本節(jié)也會對相關電路中的參數(shù)計算、元器件選擇、以及核心器件進行必要說明。3.1電路組成及工作原理家用飲水機溫度限制系統(tǒng)由溫度采集電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，水位探測器，LCD顯示電路，鍵盤電路，加熱限制器等組成。單片機：完成監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集過程、采集方式的限制。是整個系統(tǒng)的核心處理器，單片機首先把通過傳感器測到的現(xiàn)場溫度和預先設置的溫度進行比較，假如大于或小于預先設置值，就輸出信號去限制加熱器的工作，從而實現(xiàn)溫度限制和此同時將溫度數(shù)據(jù)傳輸給LCD顯示器，并對水位探測器的反饋信號進行處理從而實現(xiàn)防止干燒的發(fā)生。溫度傳感器：溫度傳感器將加熱體中的溫度采集，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換變換成數(shù)字數(shù)據(jù)供單片機運用，在設計過程中盡量接受集成模數(shù)轉(zhuǎn)換功能的傳感器，這樣一來可以極大的削減設計工作量，并且牢靠性也將會有比較大的提高，這種傳感器在實際生產(chǎn)中有這很廣泛的應用。水位探測器：水位探測器主要是用來防止加熱體干燒，在設計過程中可以依據(jù)需求將其簡化成能定性測量水位是否足夠即可，在這里我們要盡量的簡化設計。鍵盤電路：鍵盤電路用來設置加熱溫度，和單片機通信，加熱模式限制信號傳送給單片機供其和溫度傳感器所供應的數(shù)據(jù)進行比較確定是否接著或停止加熱。顯示電路：實時顯示加熱體內(nèi)水溫順設定溫度，指示燈顯示飲水機的工作狀態(tài)，當發(fā)生干燒的時候LCD顯示警告，指示燈全亮，提示用戶飲水機須要加水了。加熱限制器：弱電低壓信號驅(qū)動強電220V電流對加熱體內(nèi)水進行加熱限制，是整個設計的和加熱體相結(jié)合的重要模塊，設計方案要遵循平安牢靠的要求。電路系統(tǒng)框圖如下。單單片機數(shù)據(jù)采集電路ADC4*4鍵盤電路水位探測電路LCD顯示電路加熱限制器圖3.1系統(tǒng)框圖從圖3.1的系統(tǒng)框圖可以看的出溫度傳感器信號，鍵盤電路信號，水深探測器信號均為飲水機溫控系統(tǒng)的輸入信號而顯示電路信號，加熱限制信號則為飲水機溫控系統(tǒng)的輸出信號。系統(tǒng)框圖也充分的體現(xiàn)出了單片機作為整個系統(tǒng)的核心部件的這一理念。全部的外圍的設備圍繞單片機作為單片機的功能模塊和單片機進行信息交換和通信。核心部件單片機對全部的外圍設備數(shù)字溫度傳感器、鍵盤電路、水位探測器等器件反饋的信息在軟件的設定下進行綜合分析，發(fā)出指令信號限制加熱限制器和LCD顯示器的工作狀態(tài)。設計框圖作為整個設計方案的靈魂將自始至終的指導設計的全過程，在以后的設計中將完全依據(jù)框圖所列的模塊進行分模塊設計。這樣一來使整個設計簡化為六部分，各部分又可以單獨的進行設計，這樣一來通過對各個模塊的多種方案進行分析比較確定最佳選擇并將其作為最終選擇，最終將各模塊的最佳方案進行組合得到我們的最終設計方案。3.2模塊電路的設計本系統(tǒng)主要分為6個單元模塊，它們分別是：信號采集及放大模塊、單片機最小系統(tǒng)、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、人機交互界面模塊、水位探測模塊、加熱限制模塊。各單元模塊功能及相關電路的詳細說明如下。3.2.1信號采集及放大模塊設計從以下幾方面進行說明：1、該模塊的詳細功能是將溫度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柌㈦娦盘栠M行處理。2、該模塊的組成：防水型LM35DZ溫度傳感器、TL084組成的儀用放大器、低通濾波器。3、工作原理：LM35DZ溫度傳感器的輸出電壓會隨溫度的變更而變更從而能將溫度信號轉(zhuǎn)換為電信號，再通過儀用放大器對采集到的電信號進行放大，最終通過低通濾波器對信號進行濾波處理。4、模塊的結(jié)構(gòu)框圖儀用放大器飲水機加熱箱溫度信號溫度傳感器儀用放大器飲水機加熱箱溫度信號溫度傳感器圖3.2信號采集及放大模塊結(jié)構(gòu)框圖5、模塊的詳細電路圖3.1.2信號采集及處理模塊電路圖3.2.2單片機最小系統(tǒng)主限制電路是以單片機為核心的限制電路。我們在這里選用STC89C52單片機。單片機芯片工作時，必需加一個最小系統(tǒng)。最小系統(tǒng)中主要包括復位電路和時鐘電路兩大部分。單片機最小系統(tǒng)的電路圖如下。圖3.3單片機最小系統(tǒng)1、復位電路單片機復位電路就好比電腦的重啟部分，當電腦在運用中出現(xiàn)死機，按下重啟按鈕電腦內(nèi)部的程序從頭起先執(zhí)行。單片機也一樣，當單片機系統(tǒng)在運行中，受到環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛的時候，按下復位按鈕內(nèi)部的程序自動從頭起先執(zhí)行。常用的復位電路有四種方式：（1）上電復位電路（2）按鍵復位電路（3）脈沖復位電路（4）兼有上電復位和按鍵復位的電路。由于考慮到結(jié)構(gòu)和成本等緣由，確定選用兼有上電復位和按鍵復位的電路。該復位電路工作原理為：在通電瞬間，在RC電路充電過程中，RST端出現(xiàn)正脈沖，保證RST引腳出現(xiàn)10ms以上穩(wěn)定的高電平，從而使單片機復位。在電路圖中，電容的的大小是10uF，電阻的大小是10k。所以依據(jù)公式，可以算出電容充電到電源電壓的0.7倍(單片機的電源是5V，所以充電到0.7倍即為3.5V)，須要的時間是10K*10UF=0.1S。也就是說在電腦啟動的0.1S內(nèi)，電容兩端的電壓時在0~3.5V增加。這個時候10K電阻兩端的電壓為從5~1.5V削減(串聯(lián)電路各處電壓之和為總電壓)。所以在0.1S內(nèi)，RST引腳所接收到的電壓是5V~1.5V。在5V正常工作的51單片機中小于1.5V的電壓信號為低電平信號，而大于1.5V的電壓信號為高電平信號。所以在開機0.1S內(nèi)，單片機系統(tǒng)自動復位。2、時鐘電路時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作時所必需的時鐘信號。在MCS－51單片機片內(nèi)有一個高增益的反相放大器，反相放大器的輸入端為XTAL1，輸出端為XTAL2，由該放大器構(gòu)成的振蕩電路和時鐘電路一起構(gòu)成了單片機的時鐘方式。依據(jù)硬件電路的不同，單片機的時鐘連接方式可分為內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。本設計為了簡化電路，運用內(nèi)部方式，須在XTAL1和XTAL2引腳兩端跨接石英晶體振蕩器和兩個微調(diào)電容構(gòu)成振蕩電路，通常C1和C2一般取30pF，晶振的頻率取值在1.2MHz～12MHz之間。對于外接時鐘電路，要求XTAL1接地，XTAL2腳接外部時鐘，對于外部時鐘信號并無特殊要求，只要保證確定的脈沖寬度，時鐘頻率低于12MHz即可3.2.3模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設計從以下幾方面進行說明：1、該模塊的詳細功能是當有信號輸入的時候?qū)⒛M信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再將數(shù)字信號送給單片機，單片機對數(shù)據(jù)進行處理產(chǎn)生顯示電路的驅(qū)動信號，并接受鍵盤的輸入信號進行相應的限制。2、該模塊的組成：ICL7135轉(zhuǎn)換電路、74HC74組成的時鐘分頻電路。3、工作原理：STC89C52的端口P3.2、P3.4、P3.5、ALE限制ICL7135的模數(shù)轉(zhuǎn)換并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過串行輸入到單片機。單片機對被測量信號進行處理并依據(jù)相應的數(shù)據(jù)和限制信號關系譯碼顯示出水溫。ICL7135為AD轉(zhuǎn)換芯片，將輸入模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。單片機的ALE引腳經(jīng)分頻電路四分頻后給ICL7135正常工作供應時鐘信號。4、模塊的結(jié)構(gòu)框圖經(jīng)放大處理的信號A/D轉(zhuǎn)換器STC89C52經(jīng)放大處理的信號A/D轉(zhuǎn)換器STC89C52圖3.4模數(shù)轉(zhuǎn)換電路結(jié)構(gòu)方框圖5、模塊由AD轉(zhuǎn)換電路和時鐘分頻電路兩部分組成，如下圖。圖3.5AD轉(zhuǎn)換電路圖圖3.6時鐘分頻電路圖3.2.4人機交互界面設計該模塊的詳細功能：實現(xiàn)鍵盤限制和溫度顯示，利用鍵盤給STC89C52供應限制信號，讓單片機執(zhí)行相應的數(shù)據(jù)處理和輸出，以驅(qū)動LCD液晶顯示屏顯示、加熱器的工作方式和指示燈的亮滅。當鍵盤有輸入信號時，單片機依據(jù)不同的信號執(zhí)行不同的操作包括顯示加熱溫度、開啟加熱、關閉加熱和指示燈的亮滅。LCD液晶顯示屏收到單片機的驅(qū)動信號后進行顯示相應的數(shù)據(jù)。模塊的詳細電路圖如下，其中J4為4*4矩陣鍵盤的接口，J3為LCD1602的接口。D7~D10分別為開水加熱指示燈、溫水加熱指示燈、停止加熱指示燈和模擬加熱限制器工作狀態(tài)的指示燈。圖3.7人機交互界面模塊電路圖3.2.4水位探測系統(tǒng)的設計在飲水機加熱體中無水或水量極少的狀況下接著對其加熱將會產(chǎn)生干燒這種現(xiàn)象。飲水的干燒是特殊緊急的。依據(jù)用戶的反饋，飲水機干燒輕則產(chǎn)生異味影響飲水機的正常運用，嚴峻甚至可能損壞電線的外層塑膠皮引發(fā)短路進而可能引起火災。所以在設計過程中防干燒系統(tǒng)顯得尤為重要。下面我們來探討運用較多的幾種防干燒設計方案。第一種方案：飲水機加熱體可以設計為排水口的位置高于發(fā)熱管，就算怎么燒也無所謂，因為里面的液體始終沒排完（排水口的位置始終高于發(fā)熱管），而且內(nèi)膽是密封的，水蒸汽無處排，再且，當加熱到確定溫度時，電路會自動停止加熱，所以相當一段時間內(nèi)不會燒干。這種方法設計簡潔可行，但假如出現(xiàn)這種狀況會反復加熱奢侈能源。其次種方案：假如不考慮成本的話可以接受“液位開關”來檢測水位，“液壓開關”就是用來限制液位的開關。從形式上主要分為接觸式和非接觸式。非接觸式的如電容式液位開關；接觸式的例如：浮球式液位開關；電極式液位開關，電子式液位開關電容式液位開關也可以接受接觸式方法實現(xiàn)。工業(yè)市場上有許多飲水機專用的“液壓開關”，所以假如選用“液壓開關”也是一種不錯的選擇。第三種方案：另外一些低端的飲水機一般會接受“突跳式溫控器”，該種溫控器是雙金屬片溫控器的新型產(chǎn)品，主要作為各種電熱產(chǎn)品具過酷愛惜時，通常和熱熔斷器串接運用，突跳式溫控器作為一級愛惜。熱熔斷器則在突跳式溫控器失效導致電熱元件超溫時，作為二級愛惜，有效地防止燒壞電熱元件以及由此而引起的火災事故。所以將突跳式溫控器運用到飲水機中可以簡潔的實現(xiàn)防止干燒的目的。以上我們介紹了多種在實際中運用較多的防干燒方案，它們在現(xiàn)實工業(yè)設計中均有廣泛的運用，在本次設計中我們考慮到我們定性測量要求以及便利和單片機相連接以及水的導電性等各種因素，我們將接受另外的一種方法來實現(xiàn)對加熱體內(nèi)水位的定性檢測。系統(tǒng)接受一根不銹鋼水位探測棒作為探測器，探測棒一端和單片機的P0.7口相連，另一端浸入飲水機的加熱體中。當加熱體中水量達到系統(tǒng)設定值時，探測棒浸入水中，由于水具有導電性，且加熱體接地，從而使輸入到單片機P0.7口的信號為低電平；當加熱體中水量不足時，探測棒懸空，使輸入到單片機P0.7口的信號為高電平。單片機依據(jù)水位探測器的輸入信號執(zhí)行相應操作，可有效地防止飲水機“干燒”。這種設計和單片機的連接及其的簡潔并且可以將加熱體中缺水的信號通過單片機顯示到LCD顯示模塊和指示燈上，便利用戶剛好發(fā)覺缺水信息并剛好解決。下圖為模擬水位探測系統(tǒng)電路圖。此時開關斷開，P0.7為高電平，探測棒懸空飲水機處于干燒狀態(tài)。當開關按下的時候P0.7為低電平，探測棒浸入水中，飲水機復原正常工作狀態(tài)。圖3.8模擬水位探測系統(tǒng)電路圖3.2.5加熱限制系統(tǒng)的設計本次設計的中連接加熱器體的加熱限制器將接受固態(tài)繼電器，選用了9012三極管和固態(tài)繼電器實現(xiàn)了弱電對強電的限制。9012PNP型三極管應用廣泛，在收音機等常用家電中可以經(jīng)常望見它的身影。9012三極管在此作為開關量環(huán)節(jié)，起到了放大電流的作用，和固態(tài)繼電器結(jié)合，從而實現(xiàn)了開關的作用。和此對應所選用的固態(tài)繼電器是百特公司的產(chǎn)品，該型號的固態(tài)繼電器是直流輸入限制，溝通過零導通，過零關斷輸出型無觸點繼電器。它常用和限制電路的導通和斷開，是限制一般家用電器，如電動機、加熱器、白熾燈的首選器件。加熱限制系統(tǒng)的詳細電路圖如下。其中三極管的導通關閉由單片機的P0.3引腳限制圖3.9加熱限制系統(tǒng)電路圖3.2.6電源電路的設計電源是整個系統(tǒng)的能量來源，它干脆關系到系統(tǒng)能否正常運行。由于ICL7135的供電電源為±5V，其它都為+5V供電，因此電路中選用LM7805和LM7809兩種穩(wěn)壓芯片，LM7805和LM7809是普遍運用的穩(wěn)壓芯片。下圖為電源電路的電路圖，該電路具有結(jié)構(gòu)簡潔、調(diào)整便利、輸出電壓穩(wěn)定性強、水紋小和輸出電流大的特點。圖3.10電源電路電路圖3.3電路參數(shù)的計算及元器件的選擇由于本設計中用到的芯片和元件較多，不行能一一介紹，下面僅對溫度傳感器、主控芯片和限制繼電器的選擇做介紹。其他器件完全依據(jù)設計要求選取。1、溫度傳感器的選擇由于飲水機水溫的溫度范圍一般都在0~100攝氏度之間，所以溫度傳感器選擇防水型的LM35DZ。LM35是由NationalSemiconductor所生產(chǎn)的溫度傳感器，其輸出電壓和攝氏溫標呈線性關系，0攝氏度時輸出為0V，每上升1℃，輸出電壓增加10mV。

LM35

有多種不同封裝型式，本設計中選用防水型的探頭封裝。在常溫下，LM35

不須要額外的校準，就可以干脆和AD轉(zhuǎn)換器相連測量溫度。2、主控芯片的選擇在本設計中，單片機只須要鍵盤掃描、對AD轉(zhuǎn)換器的時鐘計數(shù)和一些簡潔的推斷限制。對單片機的性能要求并不高，所以我們選擇高性價比的STC89C52就已經(jīng)能滿足設計的須要了。3、加熱限制器的選擇考慮到限制系統(tǒng)的供電電壓為+5V的直流電源，加熱器為市電220V，50Hz溝通電源供電。所以我們選用百特公司的P系列直流限制溝通隨機固態(tài)繼電器P0342-14B。P0342-14B的輸入限制電壓為直流電壓3~14V，額定通斷電壓為28~420V的溝通電壓。完全能夠滿足系統(tǒng)的要求。P0342-14B的輸入限制參數(shù)如下表。表3.1P0342-14B的輸入限制參數(shù)輸入限制電壓(Vdc)輸入限制電流(mA)牢靠接通限制電壓(Vdc)牢靠關斷限制電壓(Vdc)3~146-443.01.0P0342-14B的輸出限制參數(shù)如下表。表3.2P0342-14B的輸出限制參數(shù)額定通斷電壓(Vac)額定通斷電流(Aac)開通時間(ms)關斷時間(ms)通態(tài)壓降(Vac)斷態(tài)漏電流(mA)瞬態(tài)電壓(Vac)28-4203<0.01<10≤1.5≤0.04850P0342-14B的一般電氣參數(shù)如下表。表3.3P0342-14B的一般電氣參數(shù)介質(zhì)耐壓(Vac)絕緣電阻(MΩ)工作溫度(℃)頻率范圍(Hz)≥2500100-30~8045~703.4特殊器件的介紹本系統(tǒng)中主要運用了STC89C52、ICL7135模數(shù)轉(zhuǎn)換器、LCD1602液晶顯示器、TL084運算放大器下面就器件的功能特點、主要參數(shù)和運用方法作相應說明。3.4.1STC89C52單片機的介紹1、芯片STC89C52簡介STC89C52是STC公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。STC89C52運用經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，但做了許多的改進使得芯片具有傳統(tǒng)51單片機不具備的功能。在單芯片上，擁有敏捷的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式限制應用系統(tǒng)供應高靈敏、超有效的解決方案。STC89C52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷接著工作。掉電愛惜方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。功能強大STC89C52單片機可為您供應許多高性價比的應用場合，可靈敏應用于各種限制領域由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，STC的STC89C52是一種高效微限制器。STC89C52單片機為許多嵌入式限制系統(tǒng)供應了一種靈敏性高且價廉的方案。外形及引腳排列如下圖所示：圖3.11ADC0809引腳及實物2、STC89C52的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見下圖。圖3.12STC89C52的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖3、主要功能特性STC89C52的主要功能特性如表3.4所示。表3.4AT89C51功能特性兼容MCS-51指令系統(tǒng)8k可反復擦寫（>1000次)FlashROM32個雙向I/O口4.5-5.5V工作電壓3個16位可編程定時/計數(shù)器時鐘頻率0-24MHz可編程串行通道512x8bit內(nèi)部RAM2個外部中斷源3個內(nèi)部中斷源低功耗空閑和省電模式數(shù)據(jù)保留時間：10年靈敏的ISP字節(jié)和分頁編程雙數(shù)據(jù)寄存器指針片內(nèi)振蕩器和時鐘電路三級程序存儲器鎖定3、引腳功能說明圖3.11中單片機各引腳功能如下：VCC/GND：電源/接地引腳。Port0：P0是一個8位漏極開路型雙向I/O端口，端口置1(對端口寫1)時作高阻抗輸入端；P0還可以用作總線方式下的地址數(shù)據(jù)復用管腳，用來操作外部存儲器。在這種工作模式下，P0口具有內(nèi)部上拉作用。對內(nèi)部Flash程序存儲器編程時，接收指令字節(jié)、校驗程序、輸出指令字節(jié)時，要求外接上拉電阻。Port1：P1是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0端口，輸出時可驅(qū)動4個TTL。端口置1時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用；另外，P1.0、P1.1可以分別被用作定時器/計數(shù)器2的外部計數(shù)輸入(P1.0/T2)和觸發(fā)輸入(P1.1/T2EX)；對內(nèi)部Flash程序存儲器編程時，接收低8位地址信息。Port2：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0端口；輸出時可驅(qū)動4個TTL。端口置1時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用；P2口在存取外部存儲器時，可作為高位地址輸出；內(nèi)部Flash程序存儲器編程時，接收高8位地址和限制信息。Port3：P3是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0端口，輸出時可驅(qū)動4個TTL。端口置1時，內(nèi)部上拉電阻將端口拉到高電平，作輸入用。P3引腳功能復用如表3.5所示。表3.5P3引腳功能復用表P3.0串行通訊輸入(RXD)P3.1串行通訊輸出(TXD)P3.2外部中斷0(INT0)P3.3外部中斷1(INT1)P3.4定時器0輸入(T0)P3.5定時器1輸入(T1)P3.6外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通WRP3.7外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通RDRST：在振蕩器運行時，有兩個機器周期(24個振蕩周期)以上的高電平出現(xiàn)在此管腳時，將使單片機復位。只要這個管腳保持高電平，51芯片便循環(huán)復位。復位后P0—P3口均置1，管腳表現(xiàn)為高電平，程序計數(shù)器和特殊功能寄存器SFR全部清零。當復位腳由高電平變?yōu)榈碗娖匠?，芯片為ROM的00H處起先運行程序；XTAL1、XTAL2：XTAL1是片內(nèi)振蕩器的反相放大器輸入端，XTAL2則是輸出端，運用外部振蕩器時，外部振蕩信號應干脆加到XTAL1，而XTAL2懸空。內(nèi)部方式時，時鐘發(fā)生器對振蕩脈沖二分頻，如晶振為12MHz，時鐘頻率就為6MHz。晶振的頻率可以在1MHz至24MHz內(nèi)選擇，電容取22PF左右。ALE/PROG：訪問外部存儲器時，ALE(地址鎖存允許)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)，即使不訪問外部存儲器，ALE端仍以不變的頻率輸出脈沖信號(此頻率是振蕩器頻率的1/6)，在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，出現(xiàn)一個ALE脈沖；PSEN：該引腳是外部程序存儲器的選通信號輸出端。當STC89C52由外部程序存儲器取指令或常數(shù)時，每個機器周期輸出2個脈沖，即兩次有效。但訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將不會有脈沖輸出；EA/Vpp：外部訪問允許端。當該引腳訪問外部程序存儲器時，應輸入低電平。要使STC89C52只訪問外部程序存儲器(地址為0000H-FFFFH)，這時該引腳必需保持低電平；ICL7135模數(shù)轉(zhuǎn)換器的介紹1、ICL7135概述ICI7135是4位雙積分A/D轉(zhuǎn)換芯片,可以轉(zhuǎn)換輸出±20000個數(shù)字量,有STB選通限制的BCD碼輸出,和微機接口特殊便利.ICL7135具有精度高(相當于14位A/D轉(zhuǎn)換),價格低的優(yōu)點.其轉(zhuǎn)換速度和時鐘頻率相關,每個轉(zhuǎn)換周期均有:自校準(調(diào)零),正向積分(被測模擬電壓積分),反向積分(基準電壓積分)和過零檢測四個階段組成,其中自校準時間為10001個脈沖,正向積分時間為10000個脈沖,反向積分直至電壓到零為止(最大不超過20001個脈沖).故設計者可以接受從正向積分起先計數(shù)脈沖個數(shù),到反向積分為零時停止計數(shù).將計數(shù)的脈沖個數(shù)減10000,即得到對應的模擬量.圖3.13給出了ICL7135時序,由圖可見,當BUSY變高時起先正向積分,反向積分到零時BUSY變低,所以BUSY可以用于限制計數(shù)器的啟動/停止.

圖3.13ICL7135工作時序圖2、芯片接口說明集成電路的引腳圖如下。圖3.14ICL7135引腳圖ICL7135的各引腳的功能見下表。表3.6ICL7135引腳功能表V+、V-電源輸入端，雙電源供電，典型值±5V，極限值±9VAC、DGND模擬地和數(shù)字地，典型應用中兩點相連接地REF參考電壓輸入,REF的地為AGND引腳,典型值1VINHI、INLO模擬輸入正負,當模擬信號輸入為單端對地時,模擬輸入負INLO干脆和AC相連CLKIN時鐘信號輸入REFC+、REFC-外接參考電容正負，典型值1μFBUFFO緩沖放大器輸出端,典型外接積分電阻INTO積分器輸出端,典型外接積分電容AZIN自校零端LOW欠量程信號輸出端,當輸入信號小于量程的10%時,輸出高電平HIGH過量程信號輸出端,當輸入信號超過量程時,輸出高電平STOR數(shù)據(jù)輸出選通信號(負脈沖),寬度為時鐘脈沖寬度的一半,每次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束時,該端輸出5個負脈沖,分別選通由高到低的BCD碼數(shù)據(jù),該端用于將轉(zhuǎn)換結(jié)果打到并行I/O接口R/H自動轉(zhuǎn)換/停頓限制輸入POL極性信號輸出,高電平表示極性為正BUSY忙信號輸出,高電平有效.正向積分起先時自動變高,反向積分結(jié)束時自動變低B8～B1BCD碼輸出.B8為高位,對應BCD碼D5～D1萬、千、百、十、個位選通3.4.3LCD1602液晶顯示屏的介紹1、LCD1602液晶顯示屏概述LCD1602液晶也叫LCD1602字符型液晶，它是一種特地用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形。市面上字符液晶大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，限制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫的限制程序可以很便利地應用于市面上大部分的字符型液晶。1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲器（CGROM)已經(jīng)存儲了160個不同的點陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯數(shù)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”。低電壓低功耗是其顯著特點。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案和同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。2、LCD1602液晶顯示屏并行接口工作讀寫時序圖圖3.15LCD1602液晶顯示屏讀操作時序圖圖3.16LCD1602液晶顯示屏寫操作時序圖3.4.4TL084運算放大器介紹TL084是一種常用的J—FET的四輸入運算放大器，高電壓的J—FET和雙極晶體電路在一個單片tegrated回路范圍，這種器件具有高轉(zhuǎn)化率，低輸入偏置和偏置電流，低失調(diào)電壓溫度系數(shù)，并具有輸出短路愛惜，內(nèi)部頻率補償，鎖存的自由操作等功能。圖3.17TL084的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 4系統(tǒng)軟件設計硬件和軟件是單片機應用開發(fā)系統(tǒng)的兩個重要組成部分，本設計為了充分體現(xiàn)裝置的智能化以及減小硬件電路的體積，軟件部分設計的重要性就顯得尤為突出了，所以軟件設計工作在整個設計中是特殊重要的、其工作量也是比較大的。單片機在推廣應用的初期，主要運用匯編語言，這是因為當時的開發(fā)工具只能支持匯編語言。隨著硬件技術的發(fā)展，單片機開發(fā)工具的功能也有很大的提高，對于51單片機，有四種語言支持，即匯編語言、PL/M語言、C語言和BASIC語言。C語言是一種通用的程序設計語言，其代碼效率高、數(shù)據(jù)類型及運算符豐富，并具有良好的程序結(jié)構(gòu)，適用兼容于各種應用程序的設計和調(diào)試。在擬訂軟件總體設計方案時，由于實際單片機限制系統(tǒng)的功能困難、信息量大和程序較長，這就須要選擇合理的切合實際的程序結(jié)構(gòu)設計方法。常用的設計方法有三種：1、模塊化的程序設計；2、自頂向下逐步求精程序設計；3、結(jié)構(gòu)化程序設計。在本設計中接受第一種方法，既模塊化程序設計，它的設計思路是把一個困難應用程序整體功能規(guī)劃成若干相對獨立的程序模塊，各模塊可以單獨設計、編程、調(diào)試，然后把功能相關的模塊通過連接程序連在一起調(diào)試，最終各模塊在主程序限制下進行總體調(diào)試，最成為可完成設計要求，具有運用價值的程序。繪制流程圖是單片機程序編寫前最重要的工作，流程圖就是用各種符號圖形箭頭把程序的流向及過程用圖形表示出來。通常我們的程序就是依據(jù)流程圖的指向接受適當?shù)闹噶顏砭帉懙?。下面幾?jié)就是本次設計中的軟件流程圖。繪制流程圖時首先畫出簡潔的功能流程圖粗框圖再對功能流程圖進行擴充和詳細化即對存儲器標記位等單元做詳細的支配和說明把功能圖上的每一個粗框圖轉(zhuǎn)化為詳細的存儲器或地址單元從而繪制出詳細的程序流程圖即細框圖。在本次的設計中系統(tǒng)軟件主要包括主程序、按鍵處理子程序和溫度檢測子程序。4.1系統(tǒng)主程序設計系統(tǒng)上電復位后首先進行初始化處理，包括顯示初始化，變量初始化賦值，中斷的設置和開啟。初始化完畢后進入循環(huán)檢測程序，依次進行按鍵檢測、推斷是否應當加熱、水量檢測、獲得溫度數(shù)據(jù)并顯示。主程序的流程圖如下。起先起先系統(tǒng)初始化按鍵檢測推斷是否應當加熱是否有足夠水量停止加熱NY獲得溫度數(shù)據(jù)并顯示圖4.1主程序流程圖4.2按鍵處理子程序設計當主程序檢測到有鍵按下時，首先推斷哪一個鍵按下，也即獲得鍵值，獲得鍵值之后，就轉(zhuǎn)到按鍵數(shù)據(jù)處理子程序進行按鍵推斷并執(zhí)行相應的操作。當按下數(shù)字鍵后表示正在設置加熱溫度，第一個數(shù)字鍵表示百位，依次類推總共5位數(shù)據(jù)，始終到百分位，加熱溫度值設定完畢。按下開水加熱鍵后，加熱溫度設定溫度值干脆變?yōu)?00攝氏度，當按下溫水加熱鍵后，加熱溫度干脆變?yōu)?0攝氏度，這兩個快捷鍵是為了用戶設定的便利。當按下起先按鈕后，系統(tǒng)推斷溫度設定值和目前溫度的差值來推斷是否應當加熱。當按下關閉鍵后系統(tǒng)停止加熱。按鍵處理子程序流程圖如圖所示。有鍵按下有鍵按下獲得鍵值對鍵值進行推斷處理圖4.2按鍵處理子程序流程圖4.3溫度檢測子程序設計本設計中對溫度的檢測實質(zhì)是獲得ICL7135轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量，由測得的電壓值來反推飲水機加熱箱的水溫，為后續(xù)的推斷和限制供應參考。ICL7135在滿電壓輸入時,BUSY寬度為正向積分10000個CP脈沖,反向積分20001個CP脈沖。在BUSY高電平期間,計數(shù)器計數(shù)值減去10000(2710H)，就是被測電壓的數(shù)值。由于溫度為緩變變量，所以為了增加單片機的處理速度，在主程序中并不是沒一次循環(huán)都進行一次數(shù)據(jù)采集。這里用到了T1定時器計時，每1秒進行一次溫度采集。溫度檢測子程序流程圖如下。1秒定時到1秒定時到Busy位是否為高？YNBusy位是否為低？YN開啟T0計數(shù)器對ICL7135的時鐘輸入端計數(shù)Busy位是否為高？YN關閉T0計數(shù)器將采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為溫度值顯示水溫返回主程序圖4.3溫度檢測子程序流程圖5系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試包括軟件調(diào)試和硬件調(diào)試兩部分，下面就從這兩方面介紹系統(tǒng)的調(diào)試過程。5.1硬件調(diào)試硬件調(diào)試包括電源電路的調(diào)試、單片機最小系統(tǒng)的調(diào)試、AD轉(zhuǎn)換模塊的調(diào)試和儀表放大器的調(diào)試。由于系統(tǒng)電路相對較困難，所以在硬件焊接的過程中難免會出現(xiàn)一些小的錯誤，而這些小的錯誤卻會讓系統(tǒng)癱瘓不能工作。假如我們一次性將硬件焊接好然后驗證系統(tǒng)的功能，這樣無疑可以節(jié)約許多時間，調(diào)試步驟也比較簡潔，但當焊接出現(xiàn)的錯誤的時候，對錯誤的查找工作就變得特殊艱難。對于大系統(tǒng)必需接受模塊化的調(diào)試方法，將系統(tǒng)分成若干個模塊，對每一個模塊進行調(diào)試，這樣出現(xiàn)錯誤的時候就能很簡潔的檢查出錯誤出在哪里。從表面上看這樣做降低了調(diào)試效率，其實這樣做效率更高。焊接時，首先焊接電源部分，完成后給電源通電，在不帶負載狀況下檢測電源是否正常供電；其次步：焊接單片機最小系統(tǒng)，確認焊接無誤后，給單片機芯片上電，并下載簡潔測試程序，看是否能正常工作。第三步：斷開電源，焊接AD轉(zhuǎn)換模塊電路，先焊接主芯片ICL7135，在一次焊接外圍器件，確認焊接完畢后，檢查無誤后通電，用電位器向ICL7135的模擬信號輸入端輸入一個小電壓信號，將AD轉(zhuǎn)換的程序下載到單片機中，看AD轉(zhuǎn)換模塊能否正常工作。最終調(diào)試儀表放大器模塊，首先焊接TL084，再焊接四周的電阻、電容等小器件，焊接完后測試儀表放大器能否正常工作，假如能正常工作在看放大系數(shù)和計算值是否吻合，假如有出入再看誤差是否在正常范圍內(nèi)，假如誤差太大，就要細致檢查元器件是不是用錯了。其他部特別部電路逐個焊接，同樣依據(jù)以上原則。全部模塊焊接調(diào)試完畢后就可以下載程序，測試系統(tǒng)的整體功能了，再依據(jù)調(diào)試結(jié)果做一些微調(diào)。5.2軟件調(diào)試由于系統(tǒng)帶有LCD顯示屏和LED指示燈，這使得軟件調(diào)試簡潔進行。當軟件邏輯出現(xiàn)問題的時候能夠從LCD顯示屏和LED指示燈的狀態(tài)看出問題出在哪里。即便如此，軟件設計中仍接受分步調(diào)試的方式。首先調(diào)試LCD1602顯示屏的顯示是否正常，只有LCD1602顯示正常了，后面的調(diào)試才能順當?shù)倪M行。再調(diào)試數(shù)據(jù)采集的程序，看顯示的數(shù)據(jù)和實際輸入值的誤差。最終調(diào)試按鍵檢測程序能否變更變更加熱溫度的設定值和限制加熱器的開啟和關閉。6系統(tǒng)功能和指標參數(shù)6.1系統(tǒng)能實現(xiàn)的功能家用飲水機溫度限制系統(tǒng)能檢測飲水機加熱體中的水量和水溫并能用LCD液晶顯示屏實時顯示水溫。當水量低于設定值時禁止加熱，防止干燒，此時3個指示燈全亮，提示用戶加水。能夠通過鍵盤隨意設定飲水機的加熱溫度，同時設定兩個快捷加熱鍵，溫水鍵可以把水加熱到60度，開水鍵可以把水加熱到100度并實時顯示水溫，便利用戶快速的設定加熱溫度，提高用戶體驗。系統(tǒng)自動比較水溫順系統(tǒng)設定溫度，當水溫低于設定溫度10攝氏度時，加熱器起先加熱，此時假如設定溫度大于60攝氏度則開水加熱指示燈亮，假如設定溫度小于等于60攝氏度則溫水加熱指示燈亮。當水溫達到設定溫度時，加熱器停止工作，停止加熱指示燈亮。但當用戶重新設定了飲水機的加熱溫度后無論水溫是否低于設定溫度10攝氏度飲水機都將水溫加熱到設定值。6.2系統(tǒng)指標參數(shù)測試輸出顯示測試：在對AD轉(zhuǎn)換的測試中，我