家庭淋浴热水器控制系统设计.docx
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家庭淋浴热水器控制系统设计
1工程概况
1.1方案论证
设计要求
题目:
家庭淋浴热水器控制系统设计
功能:
在LED数码显示显示当前温度
可以按键设置报警点(可保存)
高报警与低报警蜂鸣器输出
1.2温度报警器果想
考虑到用温度传感器,在单片机电路设计中,大多都是使用传感器,所以这是非常容易想到的,所以可以采用一只温度传感器DS18B20,此传感器,可以很容易直接读取被测温度值,进行转换,就可以满足设计要求
2温度传感器
2.1温度传感器简介
温度传感器有四种主要类型:
热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器。
IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。
接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触,又称温度计。
温度计通过传导或对流达到热平衡,从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。
一般测量精度较高。
在一定的测温范围内,温度计也可测量物体内部的温度分布。
但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差,常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。
它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。
在日常生活中人们也常常使用这些温度计.
随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究,测量120K以下温度的低温温度计得到了发展,如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。
低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。
利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件,可用于测量1.6~300K范围内的温度。
非接触式温度传感器的敏感元件与被测对象互不接触,又称非接触式测温仪表。
这种仪表可用来测量运动物体、小目标和热容量小或温度变化迅速(瞬变)对象的表面温度,也可用于测量温度场的温度分布。
最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律,称为辐射测温仪表。
辐射测温法包括亮度法(见光学高温计)、辐射法(见辐射高温计)和比色法(见比色温度计)。
各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。
只有对黑体(吸收全部辐射并不反射光的物体)所测温度才是真实温度。
如欲测定物体的真实温度,则必须进行材料表面发射率的修正。
而材料表面发射率不仅取决于温度和波长,而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关,因此很难精确测量。
通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。
在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度(即介质温度)进行修正而得到介质的真实温度。
非接触测温优点:
测量上限不受感温元件耐温程度的限制,因而对最高可测温度原则上没有限制。
对于1800℃以上的高温,主要采用非接触测温方法。
随着红外技术的发展,辐射测温逐渐由可见光向红外线扩展,700℃以下直至常温都已采用,且分辨率很高。
2.2DS18B20温度传感器
图2-2DS18B20温度传感器
DS18B20温度传感器是美国DALLAS半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器,与传统的热敏电阻等测温元件相比,它能直接读出北侧温度,并且可根据实际要求通过简单的编程实现9~12位的数字值读数方式。
DS18B20的性能特点如下:
1独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信;
2多个DS18B20可以并联在惟一的三线上,实现多点组网功能;
3无须外部器件;
4可通过数据线供电,电压范围为3.0~5.5V;
5零待机功能;
6温度以9或12位数字量读出;
7用户可定义的非易失性温度报警设置;
8报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度(温度报警条件)的器件;
9负电压特性,电源极性接反时,温度计不会因发热而烧毁,但不能正常工作。
DS18B20采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装,其内部结构框图如图1-2所示。
图2-2DS18B20内部结构图
64位ROM的位结构如图2-2所示。
开始8位是产品类型的编号,接着是每个器件的惟一的序号,共有48位,最后8位是前面56位的CRC检验码,这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。
非易失性温度报警器触发器TH和TL,可通过软件写入户报警上下限。
DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同,只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同,且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。
DS18B20测温原理:
低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小,用于产生固定频率的脉
冲信号送给计数器1。
高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变,所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。
计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。
计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当计数器1的预置值减到0时,温度寄存器的值将加1,计数器1的预置将重新被装入,计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
2.3DS18B20功能特点
1.采用单总线技术,与单片机通信只需要一根I/O线,在一根线上可以挂接多个DS18B20。
2.每只DS18B20具有一个独有的,不可修改的64位序列号,根据序列号访问地应的器件。
3.低压供电,电源范围从3~5V,可以本地供电,也可以直接从数据线上窃取电源(寄生电源方式)。
4.测温范围为-55℃~+125℃,在-10℃~85℃范围内误差为±0.5℃。
5.可编辑数据为9~12位,转换12位温度时间为750ms(最大)。
6.用户可自设定报警上下限温度。
7.报警搜索命令可识别和寻址哪个器件的温度超出预定值。
8.DS18B20的分辩率由用户通过EEPROM设置为9~12位。
9.DS18B20可将检测到温度值直接转化为数字量,并通过串行通信的方式与主控制器进行数据通信。
DS18B20有4个主要的数据部件:
1.光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的,它可以看作是该DS18B20的地址序列码。
64位光刻ROM的排列是:
开始8位(28H)是产品类型标号,接着的48位是该DS18B20自身的序列号,最后8位是前面56位的循环冗余校验码(CRC=X8+X5+X4+1)。
光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同,这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。
2.DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量,以12位转化为例:
用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供,以0.0625℃/LSB形式表达,其中S为符号位。
3.DS18B20温度传感器的存储器DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。
4.配置寄存器。
2.4DS18B20内部结构及功能
DS18B20的内部结构。
主要包括:
寄生电源,温度传感器,64位ROM和单总线接口,存放中间数据的高速暂存器RAM,用于存储用户设定温度上下限值的TH和TL触发器,存储与控制逻辑,8位循环冗余校验码(CRC)发生器等7部分。
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擦除的EERAM。
高速暂存RAM的结构为8字节的存储器,结构如图2所示。
头2个字节包含测得的温度信息,第3和第4字节是TH和TL的拷贝,是易失的,每次上电复位时被刷新。
第5个字节为配置寄存器,它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。
DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。
低5位一直为1,TM是测试模式位,用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。
在DS18B20出厂时该位被设置为0,用户不要改动,R1和R0决定温度转换得精度位数,即用来设置分辨率,定义方法见表2-3。
DS18B20完成温度转换后,就把测得的温度值与RAM中的TH,TL字节内容作比较.若T>TH或T 在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余检验码(CRC).主机根据ROM的前56位来计算CRC值,并和存入DS18B20的CRC值作比较,以判断主机收到ROM数据是否正确. DS18B20的测温原理中第温度系数晶振的震荡频率受温度的影响很小,用于产生固定频率的脉冲送给减法计数器1;高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变,所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入.图中还隐含着计数门,当计数门打开时,DS18B20就对低温度系数震荡器产生的时钟脉冲计数,进而完成温度测量.计数门的开启时间由高温度系数震荡器来决定,每次测量前,首先将-55℃所对应的一个基数分别置入减法计数器1,温度寄存器中,减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值. 表2-3DS18B20温度与测得值对应表 温度/℃ 二进制表示 十六进制表示 +125 0000011111010000 07D0H +85 0000010101010000 0550H +25.0625 0000000110010001 0191H +10.125 0000000010100010 00A2H +0.5 0000000000001000 0008H 0 0000000000000000 0000H -0.5 111111*********0 FFF8H -10.125 111111*********0 FF5EH -25.25 111111********* FE6FH -55 111111*********0 FC90H 减法计数器1所对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数,当减法计数器1的预置值减到0时,温度寄存器的值将加1,减法计数器1的预置值将被重新装入,减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数,如此循环直到计数器2计数到0时,停止温度寄存器值的累加,此时温度寄存器中的数值就是所测温度中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线形性,其输出用于减法计数器的预置值,只要计数门仍未关闭就重复上述过程,直到温度寄存器值达到被预测值. 另外,由于DS18B20单线通信功能是分时完成的,它有严格的时隙概念,因此读写时序很重要,系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行.操作协议为: 初始化DS18B20→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据. 图2-3DS18B20测温原理图 2.5DS18B20与单片机的接口电路 DS18B20可以采用两种方式供电,一种是采用电源供电方式,此时DS18B20的1脚接地,2脚作为信号线,3脚接电源.另一种是寄生电源供电方式.单片机端口接单线总线,为为保证有效DS18B20时钟周期内提供足够的电流,可用一个MOSFET管来完成对总线的上拉.当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时,总线上必须有强的上拉,上拉开启时间最大为10us.采用寄生电源供电方式时Vdd和GND端均接地.由于单线制只有一根线,因此发送接口必须是三态的。 在这里我选择第一种方式对DS18B20提供电源。 2.6本章小结 本章主要对温度传感器有了更深刻的了解。 对温度传感器的工作原理和各温度传感器的分类以及工作原理,适用范围有了进一步了解。 并对即将进行的基于DS18B20数字温度测量仪中DS18B20的工作原理及其特性有了一个初步的认识和了解,对DS18B20的工作状态的划分和基本构成电路有了进一步的了解。 对下一章硬件电路设计部分是一个重要的补充和铺垫。 3单片机介绍 3.1AT80C51单片机 AT80C51是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含8kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT80C51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 AT80C51具有如下特点: 40个引脚,4kBytesFlash片内程序存储器,128bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器。 此外,AT80C51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。 空闲模式下,CPU暂停工作,而RAM定时计数器,串行口,外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。 同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式,以适应不同产品的需求。 由于系统控制方案简单,数据量也不大,考虑到电路的简单和成本等因素,因此在本设计中选用ATMEL公司的AT80C51单片机作为主控芯片。 主控模块采用单片机最小系统是由于AT80C51芯片内含有4kB的E2PROM,无需外扩存储器,电路简单可靠,其时钟频率为0~24MHz,并且价格低廉,批量价在10元以内。 其主要功能特性: 兼容MCS-51指令系统4k可反复擦写(>1000次)ISPFlashROM 32个双向I/O口4.5-5.5V工作电压 2个16位可编程定时/计数器时钟频率0-33MHz 全双工UART串行中断口线128x8bit内部RAM 2个外部中断源低功耗空闲和省电模式 中断唤醒省电模式3级加密位 看门狗(WDT)电路软件设置空闲和省电功能 灵活的ISP字节和分页编程双数据寄存器指针 可以看出AT80C51提供以下标准功能: 4K字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,看门狗(WDT),两个数据指针,两个16位定时器/计数器,一个5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。 同时,AT80C51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。 掉电方式何在RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直接到一个硬件复位。 AT80C51引角功能说明 Vcc: 电源电压 GND: 地 P0口: P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口,作为输出口用时,每位能驱动8个TTL逻辑门电路,对端口写“1”可作为高阻抗输入端口。 在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。 在Flash编程时,P0口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。 P1口: P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。 对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。 作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号校验期间,P1接收低8位地址。 表3-1为P1口第二功能。 表3-1P1口第二功能 端口引脚 第二功能 P1.5 MOSI(用于ISP编程) P1.6 MISO(用于ISP编程) 91.7 SCK(用于ISP编程) P2口: P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动4个TTL逻辑门电路。 对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流I。 在访问8位地址的外部数据存储器(如执行: MOVX@Ri指令)时,P2口线上的内(也即特殊功能寄存器,在整个访问期间不改变。 Flash编程或校验时,P2也接收高位地址和其它控制信号。 ) P3口: P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。 P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。 对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。 作输入端口时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流I。 P3口除了作为一般的I/O口线外,更重要的用途是它的第二功能,P3口的第二功能如下表3-2。 表3-2P3口的第二功能 端口功能 第二功能 端口引脚 RXD(P3.0) 串行输入口 T0(P3.4) TXD(P3.1) 串行输出口 T1(P3.5) INT0(P3.2) 外中断0 WR(P3.6) INT1(P3.3) 外中断1 RD(P3.7) RST: 复位输入。 当振荡工作时,RST引脚出现两个机器周期上高电平将使单片机复位。 WDT益出将使该引脚输出高电平,设置SFRAUXR的DISRTO位(地址8EH)可打开或关闭该功能。 DISRTO位缺省为RESET输出高电平打开状态。 ALE/PROG: 当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。 即使不访问外部存储器,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出的正脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目地,要注意的是: 第当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。 如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0位置位,可禁止ALE操作。 该位禁位后,只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。 此外,该引脚伎被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE无效。 PSEN: 程序储存允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT80C51由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲。 当访问外部数据存储器,高有两次有效的PSEN信号。 EA/VPP: 外部访问允许。 欲使CPU公访问外部程序存储器(地址0000H-FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。 需注意的是: 如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。 如EA端为高电平(接Vcc端),CPU则执行内部程序存储器中的指令。 Flas存储器编程时,该引脚加上+12V的编程电压Vpp。 XTAL1: 振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2: 振荡器反相放大器的输出端。 3.2AT80C51单片机内部构造及功能 特殊功能寄存器: 特殊功能寄存器的片内空间分存如下图3-2所示。 这些地址并没有全部占用,没有占用的地址不可使用,读这些地址将得到一个随意的数值。 而写这些地址单元将不能得到预期的结果。 中断寄存器: 各中断允许控制位于IE寄存器,5个中断源的中断优先级控制位于IP寄存器。 双时钟指针寄存器: 为方便地访问内部和外部数据存储器,提供了两个16位数据指针寄存储器: PD0位于SFR区块中的地址82H、83H和DP1位于地址84H、85H,当SFR中的位DPS=0时选择DP0,而DPS=1时选择DP1。 在使用前初始化DPS。 电源空闲标志: 电源空闲标志(POF)在特殊功能寄存储器SFR中PCON的第4位(PCON.4),电源打开时POF置“1”,它可由软件设置睡眠状态并不为复位所影响。 存储器结构: MCS-51单片机内核采用程序存储器和数据存储器空间分开的结构,均具有64KB外部程序和数据的寻址空间。 程序存储器: 如果EA引脚接地(GND),全部程序均执行外部存储器。 在AT80C51,假如接至Vcc(电源+),程序首先执行从地址0000H-0FFFH(4KB)内部程序存储器,再执行地址为1000H-FFFFH(60KB)的外部程序存储器。 数据存储器: 在AT80C51的具有128字节的内部RAM,这128字节可利用直接或间接寻址方式访问,堆栈操作可利用间接寻址方式进行,128字节均可设置为堆栈区空间。 看门狗定时器(WDT): WDT是为了解决CPU程序运行时可能进入混乱或死循环而设置,它由一个14bit计数器和看狗复位SFR(WDTRST)构成。 外部复位时,WDT默认为关闭状态,要打开WDT,必按顺序将01H和0E1H写到WDTRST寄存器,当启动了WDT,它会随晶体振荡器在每个机器周期计数,除硬件复位或WDT溢出复位外没有其它方法关闭WDT,当WDT溢出,将使RST引脚输出高电平的复位脉冲。 引脚图详见图3-2 图3-2AT80C51单片机引脚图 3.380C51单片机的中断系统 80C51系列单片机的中断系统有5个中断源,2个优先级,可以实现二级中断服务嵌套。 由片内特殊功能寄存器中的中断允许寄存器IE控制CPU是否响应中断请求;由中断优先级寄存器IP安排各中断源的优先级;同一优先级内各中断同时提出中断请求时,由内部的查询逻辑确定其响应次序。 3.480C51单片机的定时/计数器 在单片机应用系统中,常常会有定时控制需求,如定时输出、定时检测、定时扫描等;也经常要对外部事件进行计数。 80C51单片机内集成有两个可编程的定时/计数器: T0和T1,它们既可以工作于定时模式,也可以工作于外部事件计数模式,此外,T1还可以作为串行口的波特率发生器。 3.5本章小结 本章主要基于硬件的AT80C51设计进行了分析讨论。 划分了系统电路,AT80C51工作原理分析。 4显示原理 4.1LED数码管工作原理 本设计显示电路采用两位共阳极LED数码管来显示测量得到的温度值。 LED数码管能在低电压下工作,而且体积小、重量轻、使用寿命长,因次本设计选用此数码管作为显示器件。 一个LED数码管只能显示一位的字符,如果字符位数不止一位,可以用几个数码管组成,但要控制多位的显示电路需要有字段控制和字位控制,字段控制是指控制所要显示的字符是什么,控制电路应将字符的七段码通过输出口连接到LED的a~g引脚,是某些段点亮,某些段处于熄灭状态。 字位控制是指控制在多位显示器中,哪几位发光或那几位不发光,字位控制则需要通过字位码作用于LED数码管的公共引脚,是某一位或某几位的数码管可以发光。 数码管显示电路分为动态显示和静态显示。 静态显示方式是指每一个数码管的字段控制是独立的,每一个数码管都需要配置一个8位输出口来输出该字位的七段码。 因此需要显示多位时需要多个输出口,通常片内并口不够用,需要在片外扩展。 动态显示又称为扫描显示方式,这样在某一时刻某一位数码管就会被点亮,并显示出相应的字符。 下一时刻改变所显示的字位和字段码,点亮另一个数码管,显示另一个字符。 绕后一次扫描轮流点亮其他数码管,只要扫描速度快,利用人眼的视觉残留效应,会使人感觉到几位数码管都在稳定的显示。 4.2LED使用方法 显示通常有14条引脚线和16条引脚线 4.3本章小结 本章主要基于硬件的LED数码管设计进行了分析讨论,运用。 划分了系统电路,LED数码管的工作原理分析。 5硬件电路设计 5.1系统电路的设计 本设计由DS18B20温度传感器芯片测量当前的温度并将转换后的结果送入单片机。 然后通过A80C51单片机驱动两位共阳极7段LED数码管显示测量温度值。 如附录中本设计硬件电路图所示,本电路主要有DS18B20温度传感器芯片,两位共阳极数码管,AT80C51单片机及相应外围电路组成。 其中DS18B20采
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