淋浴水温调节器设计.docx
- 文档编号:1952802
- 上传时间:2023-05-02
- 格式:DOCX
- 页数:30
- 大小:214.04KB
淋浴水温调节器设计.docx
《淋浴水温调节器设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《淋浴水温调节器设计.docx(30页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
淋浴水温调节器设计摘 要
目前淋浴热水器在家庭中运用越来越广泛,然而市面上存在的淋浴调节方式主要是通过手动调节开关量的大小来控制水温的高低。
这种调节方式不能够很好的控制水温的高低,有时由于调节开关距淋浴地点较远,给人们调节水温带来不便,因此,这种调节方式不能够满足人们追求生活舒适的要求。
本论文介绍了一种以单片机为主要控制器件,以DS18B20为温度传感器的新型淋浴水温调节器。
它主要包括硬件电路的设计和软件设计。
硬件电路主要包括主控制器,测温控制电路和显示电路等,主控制器采用单片机STC89C54RD+,温度传感器采用DS18B20,显示电路采用8位共阴极LED数码管动态扫描显示。
测温控制电路由温度传感器电路和预设温度电路组成,当实际测量温度值大于或小于预置温度值时,发出信号,从而单片机发出指令控制冷水口和热水口的阀门,使热水和冷水进入到一定大小的容器,保证容器的水温在一定范围内变化。
软件设计主要包括主程序,测温子程序和显示子程序等。
该设计能够实现精确控制水的温度,其中由于单片机的集成化,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。
关键词:
STC89C54RD+,DS18B20,显示电路,测温控制电路
II
Showerwatertemperatureregulatordesign
ABSTRACT
Showerwaterheateriscurrentlymorewidelyusedatfamily,however,thereisamainlywaytoregulateshowerwhichthroughmanualadjustmentswitchtocontrolthetemperatureinthemarket.Thisadjustmentisnotagoodwaytocontrolthetemperature,andsometimesregulatingswitchisfarawayfromtheshowerlocation,whichisnotconveniencetocontrolthetemperature.therefore,thisadjustmentmethodisnotabletosatisfythepeopletopursuelifecomfortablerequest.
Thispaperintroducesakindofnewshowerwatertemperatureregulator,whichusetheSinglechipasthemaincontroldeviceandDS18B20asthetemperature sensor.Itmainlyincludeshardware circuitdesignandsoftwaredesign. Hardware circuit mainlyincludes themaincontroller, temperaturecontrolcircuitanddisplaycircuit,themaincontrollerusestheSinglechipSTC89C54RD+,temperaturesensoradopts DS18B20,displaycircuituseseighttotalcathodetubedynamicscanningLEDdigitaldisplay.Temperaturecontrolcircuitisconsistoftemperaturesensorandthepresettemperaturecomparisoncircuit,andwhentheactualmeasured temperaturegreaterthanorlessthanthepresettemperaturevalue,asignaltosendcommandstocontrolthemouthofcold
waterandhotwatervalveport,sothathotandcoldwaterintothecontainertoa
certainsize,toensurethatthetemperatureofthecontainerchangesacertainrange.Softwaredesignmainlyincludemainprogram,temperature programanddisplayprogram.Thisdesigncanachieveprecisecontrolthetemperatureofthe
waterinwhichtheintegratedsinglechipmaketheproductminiaturizationandintelligent,notonlyimprovesthefunctionandqualityofproductsbutalsoreducesthecostandsimplifythedesign.
KEYWORDS:
STC89C54RD+,DS18B20,Displaycircuit,Temperaturecontrolcircuit
V
目 录
前 言 1
第1章设计任务及方案设计 2
§1.1设计任务及要求 2
§1.2设计总体方案及论证 2
§1.3设计总体框图及结构图 2
第2章硬件设计 4
§2.1单片机核心模块 4
§2.1.1单片机类型及接口的选择 4
§2.1.2时钟电路的设计 5
§2.1.3复位电路的设计 6
§2.2电源电路模块 6
§2.3按键模块 7
§2.4温度采集模块 8
§2.4.1温度传感器的选择 8
§2.4.2DS18B20芯片的特点 8
§2.4.3DS18B20芯片的内部结构及引脚 9
§2.4.4DS18B20与单片机接口电路 10
§2.5继电器模块 10
§2.6显示模块 11
§2.6.1LED指示灯显示电路 11
§2.6.2八位共阴极数码管显示电路 12
§2.7 PCB设计 13
第3章系统软件设计 15
§3.1各部分软件介绍 15
§3.1.1DS18B20温度采集程序 15
§3.1.2显示程序 17
§3.1.3按键程序 17
§3.2软件总程序 17
第四章系统调试 19
结 论 20
参考文献 21
致谢 22
附录 23
附录1:
整体电路原理图 23
附录2:
PCB印制版电路图 24
河南科技大学毕业设计(论文)
前 言
随着科技的进步,人们的生活水平日益提高,人们对家庭生活中的舒适要求也越来越高。
为此越来越多的电器进入了我们的生活,淋浴就是其中之一。
目前市面上存在的淋浴调节方式主要是通过手动调节开关量的大小来控制水温的高低。
这种调节方式不能够很好的控制水温的高低,有时由于调节开关距淋浴地点较远,给人们调节水温带来不便,因此,这种调节方式不能够满足人们追求生活舒适的要求。
目前人们得到温水的方法很多,其中之一就是混合法,用热水和冷水进行混合得到合适的温度。
热水指通过锅炉、热交换器等方法得到的约50-100度的热水,冷水指自然温度的地下水、自来水等。
两种不同温度的水在水箱内进行混合,主要通过控制进入水箱冷、热水的比例,使箱内的水温达到洗浴要求。
通过调节开关量的大小控制水温,但这种水温控制方法不能很好地控制水温,会出现水温忽冷忽热的现象。
为了更好地控制水温,我们设计了淋浴水温调节器。
按照系统设计功能的要求,确定系统有6个模块组成:
外围电源电路、主控制器、温度传感器
DS18B20、控制阀门电路、按键预置温度值电路及显示电路。
控制器使用STC89C54RD+,温度传感器使用DS18B20,用8位共阴极LED数码管以动态扫描法实现温度显示。
系统程序主要包括主程序、温度控制子程序及显示子程序等等。
淋浴水温调节器采用 STC89C54RD+单片机作为主控制器,将传感器DS18B20采集的温度数据进行处理,从而发出指令控制冷水口和热水口的阀门,使热水和冷水进入到一定大小的容器,保证容器的水温在一定范围内变化。
该设计能够实现精确控制水的温度,其中由于单片机的集成化,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。
综上所述,本设计以智能集成温度传感器DS18B20为例,介绍淋浴水温调节器的设计,该设计适用于人们的日常生活温度的检测及控制。
淋浴水温调节器的设计满足了人们追求生活舒适的要求,同时淋浴水温调节器还增加了一些新的功能如控制淋浴的时间等。
该设计能够弥补目前市场上淋浴水温调节的缺陷,具有很好的市场前景。
25
第1章设计任务及方案设计
§1.1设计任务及要求
设计一个以单片机为核心的淋浴水温调节器系统,可实现的功能为:
(1)能够设定淋浴出水口温度。
(2)具备当前温度和设定温度显示功能。
(3)能够通过温度传感器DS18B20检测水温。
(4)能够控制冷水口和热水口的阀门,使水温保持在设定温度。
§1.2设计总体方案及论证
本淋浴水温调节器设计采用美国DALLAS半导体公司继DS1820之后推出的一种改进智能温度传感器DS18B20作为检测元件,测温范围为-55℃~
+125℃,最大分辨率可达0.0625℃。
DS18B20可以直接读出被测量的温度值,而采用3线制与单片机相连,减少了外部的硬件电路,具有低成本和易使用的特点。
按照系统设计功能的要求,确定系统由6个模块组成:
主控制器STC89C54RD+,温度传感器DS18B20,电源电路模块,控制冷水口和热水口的阀门电路,按键电路及显示电路。
§1.3设计总体框图及结构图
外围电源电路:
为各个器件提供稳定电源保障,电源电压为5V。
按键电路:
此设计共用3个按键,其功能为系统总开关、设定温度加键、设定温度减键。
主控制器:
此部分是该设计的核心部分,该部分采用单片机
STC89C54RD+作为主控制器,通过编程把按键电路、显示电路、DS18B20
电路、控制阀门电路串接起来实现系统设计要求。
河南科技大学毕业设计(论文)
显示电路:
该部分采用8位共阴极LED数码管显示,能够实现当前温度和设定温度显示功能。
控制阀门电路:
该部分是通过两个继电器的开关控制冷水口和热水口阀门,使水温保持在设定温度。
温度采集电路:
智能温度传感器DS18B20作为检测元件,能够方便、准确地采集温度。
总体电路框图如图1-1所示。
淋浴水温调节器控制热水和冷水进入到一定大小的容器,使容器内的水温恒定从而保证淋浴口的温度恒定,其结构图如图1-2所示。
显示电路
外围电源电路
主控制器
STC89C54RB+
按键电路
温度采集电路
控制阀门电路
图1-1总体电路框图
冷
阀 热 水
门 水
阀门
水箱
调节器
传感器
图1-2结构图
第2章硬件设计
该系统的主要分为以下几个模块:
STC89C54RD+单片机核心模块,外围电源电路模块,按键电路模块,温度采集电路模块,显示电路模块及PCB图的绘制。
§2.1单片机核心模块
单片机部分是整个硬件系统设计的最主要部分,该部分用于控制实现系统各个功能。
因此如何设计好这部分至关重要。
§2.1.1单片机类型及接口的选择
STC89C54RD+系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰、高速、低功耗的单片机,指令代码完全兼容传统 8051单片机,它是一种带有16K字节的闪烁可编程并且可擦除的只读式存储器。
该器件采用高密度非易失存储器制造技术制造,由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,
STC89C54RD+是一种高效微控制器,为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
鉴于STC89C54RD+价格低廉,易学易用,且满足本设计需求,故选择该型号单片机。
STC89C54RD+单片片机为40引脚芯片如图2-1示。
各引脚功能:
按键与单片机引脚的连接:
按键S3-S5分别接单片机的P2口中P2.3-P2.5。
温度检采集电路与单片机引脚的连接:
DS18B20的DQ引脚与接单片机
的P2.0口相连。
显示电路与单片机引脚的连接:
两片74HC573的D1-D8引脚与单片机的
P0口中的P0.0-P0.7相连,两片74HC573的LE引脚分别与单片机的P2口中的
P2.1、P2.2相连,三个LED灯分别与P1口的P1.0-P1.2相连。
控制阀门电路与单片机引脚的连接:
单片机的P1.6、P1.7引脚与两继电器相连。
其他引脚的连接:
单片机的VCC、EA/VPP引脚接电源VCC,VSS引脚接地端,RST引脚接复位电路,XTAL1、XTAL2引脚接时钟电路。
图2-1STC89C54RD+
§2.1.2时钟电路的设计
图2-2晶振电路
STC89C54RD+芯片内部有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。
在XTAL1
和XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容C5、C6就构成稳定自激振荡电路。
对外接电容虽然没有十分严格的要求,但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性,如果使用石英晶体,推荐电容使用30Pf±10pF,而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF±10pF。
本设计使用的电容是30pF,晶振为11.0592MHz。
本设计采用内部振荡器方式,如图2-2所示。
§2.1.3复位电路的设计
任何单片机在工作之前都要有个复位过程,复位对单片机来说,是程序还没有开始执行,是在做准备工作。
一般的复位只需要5ms的时间。
只要在单片机的RST引脚加上高电平,就可以了,为了满足时间不少于5ms,需要在外部设计复位电路。
复位电路的实现从功能上一般分为两种:
一种是电源复位,即外部的复位电路在系统通上电源之后直接使单片机工作,单片机的启停通过电源控制;另一种方法是在复位电路中设计按键开关,通过按键开关触发复位电平,控制单片机的复位。
本设计的复位电路采用按键开关复位,通过简单的电阻、电容及按键开关构成上电自动复位和手动复位。
该复位电路的优点在于降低复位引脚的对地阻抗,可以显著通过单片机复位电路的抗干扰能力。
复位电路连接示意图如图2-3所示。
图2-3复位电路
§2.2电源电路模块
单片机电源的设计是整个设计中的一项重要工作,电源的精度和可靠性等
各项指标,直接影响系统的整体性能。
一个系统稳定性很大程度上取决于稳定的电源模块是否能够提供稳定的电压和电流。
各种整流器的输出电压不仅受市电电压变化的影响,还受负载变化的影响。
为了保证供电电压稳定不变,几乎所有的电子设备都采用稳压器供电。
小型精密电子设备还要求电源非常无纹波、无噪声,以免影响电子设备正常工作。
为了满足精密电子设备的要求,应在电源的输入端加入线性稳压器,以保证电源电压恒定和实现有源噪声滤波。
单片机电路工作电源电压为+5V,平时用到的电源不是此电压,因此,需要设计电源电路。
该电源电路中使用了7805稳压芯片,从而保证+5V电压值的输出。
图中二极管D10为了防止反接,C1用以抵消输入端较长接线感应,防止产生自激震荡。
C3为了瞬时增减负载电流时不致引起输出端有较大的波动,C1、C1、C3一般可以选0.1~5uF之间。
电源电路模块图如图2-4所示:
图2-4电源电路
§2.3按键模块
该设计共用五个按键,现介绍各个按键功能:
按键S3的功能:
总开关按键,每按一下此按键,相应的指示灯亮/灭,当对应指示灯亮时,系统才开始工作。
按键S4的功能:
设定温度加按键,每按一下此按键,数码管上设定温度加一,相应的指示灯亮/灭。
按键S5的功能:
设定温度减按键,每按一下此按键,数码管上设定温度减一,相应的指示灯亮/灭。
按键电路如图2-5所示:
图2-5按键电路
§2.4温度采集模块
温度采集在整个系统中具有重要作用,温度采集的快速性、准确性对整个系统的各项指标有重要影响,因此,选择什么样的温度传感器很重要。
§2.4.1温度传感器的选择
DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,具有3引脚
TO-92小体积封装形式;温度测量范围为-55℃~+125℃,可编程为9位~
12位A/D转换精度,测温分辨率可达0.0625℃。
此器件具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点其各方面特性都满足此系统的设计要求。
§2.4.2DS18B20芯片的特点
(1))适应电压范围更宽,电压范围:
3.0V~5.5V,在寄生电源方式下可由数据线供电。
(2))独特的单线接口方式,DS18B20在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。
(3)测温范围-55℃~+125℃,在-10℃~+85℃时精度为±0.5℃。
(4))可编程的分辨率为9~12位,对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、
0.125℃和0.0625℃,可实现高精度测温。
(5))在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字,12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字,速度更快。
§2.4.3DS18B20芯片内部结构及引脚
DS18B20内部结构主要由四部分组成:
64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
引脚含义如下:
(1))DQ:
数字信号输入/输出端;
(2))GND:
电源地;
(3))VDD:
外接供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。
DS18B20中的温度传感器完成对温度的测量,它的测量精度可以配置成9位,10位,11位或12位4种状态。
温度传感器在测量完成后将测量结果存储在DS18B20的两个8BIT的RAM中,单片机可以通过单线接口读到该说据,读取时低位在前,高位在后说据的存储格式如表2-1(以12位转化为例)如下所示。
这是12位转化后得到的12位数据,存储在DS18B20的两个8BIT的RAM中,二进制中的前面5位是符号位,如果测得的温度大于0,这5位为0,只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度;如果温度小于0,这5位为1,测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
例如+
25.0625℃的数字输出为0191H,-25.0625℃的数字输出为FF6FH。
表4-4DS18B20温度值格式表
LSByte
23
22
21
20
2-1
2-2
2-3
2-4
bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0
MSByte
S
S
S
S
S
26
25
24
bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10 bit9 bit8
§2.4.4DS18B20与单片机接口电路
DS18B20采用外接电源方式,只有三个引脚,一个接地,一个接电源,一个数字输入输出引脚接单片机的P2.0口,电源与数字输入输出脚间需要接一个4.7K的电阻,电路如图2-7所示。
DS18B20使用中注意到事项:
DS18B20虽然具有测温系统简单,测温精度高、连接方便、占用接口线少等优点,但在实际应用中也应注意以下问题:
(1))在使用过程中,应使电源电压保持在5v左右,如果电压过低,会使所测得到温度与实际温度出现偏高现象,使温度输出定格在85℃。
(2))连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的,进行长距离测量时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。
图2-7DS18B20电路
§2.5继电器模块
本设计采用继电器电路控制阀门打开关,实现控制水温,继电器电路见下图2-8。
三极管Q1的基极B接到单片机的P1.6口,三极管的集电极极C接到继电器线圈的一端,线圈的另一端接到+5V电源VCC上;继电器线圈两端并接一个二极管IN4148,用于吸收释放继电器线圈断电时产生的反向电动势,防止反向电势击穿三极管Q1及干扰其他电路。
当STC89C54RD+单片机的P1.6引脚输出高电平时,三极管Q1饱和导通,+5V电源加到继电器线圈两端,继电器吸合,同时状态指示的发光二极管也点亮,继电器的常开触点闭合,相当于开关闭合。
当STC89C54RD+单片机的P1.6引脚输出低电平时,三极管Q1截止,继电器线圈两端没有电位差,继电器衔铁释放,同时状态指示的发光二极管
也熄灭,继电器的常开触点释放,相当于开关断开。
注:
在三极管截止的瞬间,由于线圈中的电流不能突变为零,继电器线圈两端会产生一个较高电压的感应电动势,线圈产生的感应电动势则可以通过二极管IN4148释放,从而保护了三极管免被击穿,也消除了感应电动势对其他电路的干扰,这就是二极管D8的保护作用。
图2-8继电器电路
§2.6显示模块
显示电路包括两个部分,LED指示灯显示电路和8位共阴极LED数码管显示电路。
LED指示灯显示电路用来显示开关电路的开关,8位共阴极LED数码管显示电路用来显示采集温度和设定温度。
§2.6.1LED指示灯显示电路
图2-9指示灯电路
发光二极管在其两端的电压差超过其导通压降时开始工作,发光二极管的导通压降一般为1.7V~1.9V。
此外,工作电流要满足该二极管的工作电流。
满足电流和电压要求,发光二极管就
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 淋浴 水温 调节器 设计