【正文】 繼 DS182 之后推出的一種改進(jìn)型智能 溫度傳感器，測溫范圍是 － 55℃～ 125℃ 。 溫度采集模塊 該模塊主要是對兩個進(jìn)水管、一個出水管的溫度，即冷水、熱水和溫水的溫度進(jìn)行檢測，然后送到單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。目前的顯示 方法有 LCD 顯示、 7 段數(shù)碼管顯示和 VGA 顯示等等。其優(yōu)點(diǎn)是使用 I/O口較少，但是十分不方便。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。 綜合考慮系統(tǒng)使用到的單片機(jī)內(nèi)部存儲資源、系統(tǒng)處理信號的種類、處理數(shù)據(jù)的速度、系統(tǒng)的 I/O口開銷，以及系統(tǒng)的可擴(kuò)展性能，本系統(tǒng)選用了 Intel 公司的 80C51 單片機(jī)芯片。 各模塊方案選擇及論證 圖 2 是系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 的框圖，包括了六個模塊。 使用者淋浴完畢，按下“關(guān)閉”鍵后， 單片機(jī) 控制冷熱水進(jìn)水管處兩步進(jìn)電機(jī)關(guān)閉冷熱水進(jìn)水管停止供水。 智能型浴室混水閥控制器基本組成及其工作原理 基本組成 智能型浴室混水閥控制器采用單片機(jī)作為主控制芯片。 隨著計算機(jī)智能技術(shù)的發(fā)展，特別是微型計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，利用單片機(jī)開發(fā)智能型浴室混水閥控制器實現(xiàn)對出水口水溫、水流速度以及淋浴頭水流方式的控制具有實際的使用價值，對推進(jìn)人們的健康生活與家居智能化以及節(jié)水都具有現(xiàn)實意義 [1]。 作為新型工業(yè)發(fā)展的新型控制器，單片機(jī) 具有體積小、功耗低 、功能強(qiáng)、性 價比高、易于推廣應(yīng)用等顯著優(yōu)點(diǎn) ,在自動化裝置、智能儀器儀表、過程控制、通信、家用電器等許多領(lǐng)域 得到了大量應(yīng)用 。 當(dāng) 系統(tǒng)運(yùn)行時，由單 片機(jī)對溫度采集模塊的輸出量進(jìn)行收集， 按下啟動鍵，單片機(jī) 通過讀取變量和設(shè)定量進(jìn)行比較，然后把輸出量轉(zhuǎn)換成 控制信號，控制步進(jìn)電機(jī) 并通過數(shù)碼管 顯示 設(shè)定水溫和出口水溫 。 目前 的家居生活中，大 部分人 仍 使用著傳統(tǒng)的機(jī)械式淋浴系統(tǒng)，這種系統(tǒng) 不僅 易 于 損壞 ，而且由于手動調(diào)溫的不準(zhǔn)確性，還易使皮膚燙傷 。因此設(shè)計出能夠自動調(diào)節(jié)水溫的家居用品 來滿足人們的需求 、 推進(jìn)人們的健康生活以實現(xiàn)家居智能化具有重要意義，基于此點(diǎn)，課題設(shè)計了 智能型浴室混水閥控制器 來滿足這一要求。 關(guān)鍵字： DS18B20；矩陣鍵盤； 80C51； 步進(jìn)電機(jī) ； Proteus； C語言 The Design of Intelligent Bathroom Mixing Water Valve Controller ABSTRACT New technology has entered the house gradually and make household intelligent in new era. In people39。 21世紀(jì)是信息 的 社會，更是現(xiàn)代化 的 社會。 式 機(jī)械混水閥 傳統(tǒng)式機(jī)械混水閥的工作原理 在傳統(tǒng)的浴室供水系統(tǒng)中，機(jī)械式混水閥在一般情況下由一個冷水進(jìn)水口、一個熱水進(jìn)水口和一個溫水出水口 構(gòu)成 ，而冷、熱水的進(jìn)水管道都是各自獨(dú)立的，通過一個混水閥或兩個混水閥來調(diào)節(jié)水溫，使用者通過調(diào)節(jié)混水閥旋鈕來選擇適合自己 洗浴的水溫?？偪刂齐娐酚蓽?度采集模塊、溫度顯示模塊、鍵盤輸入模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊、主控制芯片和電源模塊六部分組成。 3 研究內(nèi)容 智能型浴室混水閥控制器的設(shè)計要達(dá)到一些相關(guān)的指標(biāo)： 第一： 每個 人對洗浴水溫 都會 有一個 想要的 范圍，設(shè)計時要達(dá)到一個合適的水溫； 第二：設(shè)計時要充分考慮系統(tǒng)所要達(dá)到的功能要求，力爭做到硬件和軟件劃分合理； 第三：在硬件設(shè)計時要從 器件的性能、價格、可擴(kuò)展性、實用性、編程簡單等一些方面綜合考慮?，F(xiàn)對其選型做簡要說明。 鍵盤輸入模塊 鍵盤作為數(shù)據(jù)輸入接口，是大部分自動控制系統(tǒng)不可或缺的一部分。這樣，一個端口（如 P1 口）就可以構(gòu)成 4*4=16中央處理單元 （單片機(jī)） 鍵盤輸入模塊 溫度顯示模塊 溫度采集模塊 執(zhí)行單元模塊 電源模塊 5 個按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成 20鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵（ 9鍵）。 方法二：使用 多個鍵對應(yīng)輸入數(shù)據(jù)，此方法輸入簡單。 LCD 和 VGA 顯示器件價格都比較昂貴，并且驅(qū)動程序復(fù)雜，而 7段數(shù)碼管具有價格便宜、原理簡單、顯示數(shù)字清晰等諸多優(yōu)點(diǎn)，在大型報時屏幕、銀行利率顯示、城市霓虹燈建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。在溫度采集器件中，有熱電偶、熱敏電阻、 AD590、DS18B20 等等溫度傳感器。 最高分辨率可達(dá) 176。 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 在系統(tǒng)中，控制對象為冷水管和熱水管的進(jìn)水量，為了準(zhǔn)確的控制進(jìn)水量，使用步進(jìn)電機(jī)，這種電機(jī)是一步一步轉(zhuǎn)動的，不同型號的步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角不同，但它們都能精確定位。具體功能見表 1。當(dāng)引腳為掉電保護(hù)后備電源之輸入引腳。 PSEN （ 29） ：外接程序存儲器讀選通信號。 復(fù)位電路 復(fù)位電路是當(dāng)系統(tǒng)需要重新啟動時，使程序從頭開始執(zhí)行。外部時鐘方式用得很少，當(dāng)要使用時，將 XTAL1 接地， XTAL2 接外部振蕩器就行。 圖 6 晶振電路 80C51 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 該單片機(jī)是在一塊芯片中集成了 CPU、 RAM、 ROM、定時器 /計數(shù)器和多功能 I/O 口等一臺計算機(jī)所需要的基本功 能部件。 P2口（ ）是一個帶有內(nèi)部提升電阻的 8位準(zhǔn)雙向 I/O 口，在訪問外部存 11 儲器時，它輸出高 8位地址。不但節(jié)省單片機(jī)的 I/O口資源，而且價格便宜，操作簡單，實用美觀，其具體接線如圖 8所示。 行掃描法 行掃描法又稱為逐行（或列）掃描查詢法，是一種最常用的按鍵識別方法 ，介紹過程如下。 12 判斷閉合 鍵所在 的位置 在確認(rèn)有鍵按下后，即可進(jìn)入確定具體閉合鍵的過程。 鍵盤的工作方式 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤掃描只是 CPU 的工作內(nèi)容之一。在執(zhí)行鍵功能程序時， CPU 不再響應(yīng)鍵輸入要求，直到 CPU 重新掃描鍵盤為止。 （ 4）判斷閉合鍵是否釋放，如沒釋放則繼續(xù)等待。其工作過程如下：當(dāng)無鍵按下時， CPU 處理自己的工作，當(dāng)有鍵按下時，產(chǎn)生中斷請求， CPU 轉(zhuǎn)去執(zhí)行鍵盤掃描子程序，并識別鍵號。 LED 顯示原理 LED 顯示器由 7條發(fā)光二極管組成顯示字段，有的還帶有一個小數(shù)點(diǎn) Dp。 所謂動態(tài)顯示，就是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位顯示器。其工作原理 基本情況 如下：單片機(jī)的 引腳不斷地發(fā)出時鐘脈沖，存在數(shù)據(jù)緩沖區(qū) SBUF 里的數(shù)據(jù)從 口一位一位的移出，只要來一個脈沖，就輸出一位數(shù)據(jù)，并且對于單片機(jī)，串行移位輸出的方式是從低位開始，即先移出低位數(shù)據(jù) D0，最后移出高位數(shù)據(jù) D7。其引腳圖如 圖 10 所示，功能表如 表 4 所示。日常生活中人們淋浴的溫 度大約為 20℃ 到 50℃ ，在設(shè)計系統(tǒng)時，設(shè)計溫度范圍為 0℃ 到 99℃ 。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī) 就 轉(zhuǎn)過一個步距角。但噪聲和振 17 動都很大，目前這種電機(jī)已被淘汰； （ 2）永磁式步進(jìn)電機(jī)（ PM） 永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步進(jìn)角有 176。它 可以 分為兩相和五相 兩種， 兩相的步進(jìn)角一般為 176。同時，選擇應(yīng)用廣泛的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片 L297 和 L298 來驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)。 失步：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時運(yùn)轉(zhuǎn)的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。 最大空載的運(yùn)行頻率：電機(jī)在某種驅(qū)動形式，電壓及額定電流下，電機(jī)不帶負(fù)載的最高轉(zhuǎn)速頻率。如三相步進(jìn)電機(jī)按 A→B→C?? 的順序輪流通電，步進(jìn)電機(jī)為整步工作。由此可見，步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分原理就是通過等角度有規(guī)律的插入電流合成向量，從而減小合成磁勢轉(zhuǎn)動角度，達(dá)到步進(jìn)電機(jī)細(xì)分控制的目的。細(xì)分程度越高，階梯波越復(fù)雜 [4]。對電機(jī)進(jìn)行控制時，只需要控制 L297 的 CW/ CCW— — — — 和 CLOCK— — — — — — 兩個端口，前者為正反轉(zhuǎn)控制，后者為步進(jìn)脈沖頻率，改變頻率可以改變電機(jī)的速度；改變占空比可以改變電機(jī)的加速度。 圖 14 L297 和 L298 構(gòu)成的驅(qū)動電路 21 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計與仿真 軟件開發(fā)與仿真調(diào)試環(huán)境和開發(fā)語言介紹 對于單片機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)最早是處于匯編級的開發(fā)階段，雖然單片機(jī)和 普通計算機(jī)的指令系統(tǒng)非常相似，但擁有自己的特殊的指令。 C語言具有良好的模塊化，容易閱讀和維護(hù)的優(yōu)點(diǎn) [5]。 KeilC51是美國 Keil Software公司出品的 51系列兼容單片機(jī) C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)。當(dāng)前較好的 C 語言編譯系統(tǒng)的編譯效率已經(jīng)基本達(dá)到中高級程序開發(fā)人員的水平，尤其是用于開發(fā)較為復(fù)雜的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)時更具優(yōu)勢 [6]。此軟件與 KeilC51 結(jié)合使用是設(shè)計更加簡單方便，因此 選用Proteus 本次畢業(yè)設(shè)計的仿真軟件。 對此要求進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計： 22 當(dāng)系統(tǒng)啟動時，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后設(shè)定所需的溫度并通過數(shù)碼管顯示出來，然后 對系統(tǒng)的出口水溫進(jìn)行檢測并顯示出來，把設(shè)定溫度和出口檢測溫度的數(shù)據(jù)送到單片機(jī)處理單元進(jìn)行處理， 對 溫差進(jìn)行判斷，根據(jù)溫差的情況進(jìn)行調(diào)整系統(tǒng)的運(yùn)行情況，看看是否要對混水閥門進(jìn)行調(diào)整。 其總系統(tǒng)程序見附錄 1。對按鍵進(jìn)行掃描。 降溫控制子程序 ： 該程序用于當(dāng)設(shè)定溫度 低 于出水口 水溫 溫度時， 要想帶到希望的溫度必需減少熱水的進(jìn)水量（或者 增大 冷水的進(jìn)水量），通過調(diào)節(jié)熱水閥的步進(jìn)電機(jī)來 減少熱水 或者冷水閥的步進(jìn)電機(jī)來增加冷水 進(jìn)水量來 降低 出 水口 水溫。在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計之前，首先應(yīng)該根據(jù)對系統(tǒng)的功能要求及應(yīng)用環(huán)境等 確定合理、具體的功能和技術(shù)指標(biāo)，對應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性、通用性、先進(jìn)性、可維護(hù)性以及成本等進(jìn)行綜合考慮，以盡量合理并符合單片機(jī)性能及開發(fā)工具等因素選擇合適的機(jī)型。另外，這半年的設(shè)計過程其實也是對我四年所學(xué)知識的一次大檢閱，使我認(rèn)識到我四年里學(xué)到了什么，還有哪些方面的能力有待提高等等。不僅使我樹了遠(yuǎn)大的學(xué)術(shù)目標(biāo)、掌握了基本的研究方法，還使我明白了許多待人接物與為人處世的道理。 DisplayTempture()。 cw1=1。} else {hotrun()。} else {coolrun()。 DisplayTempture()。i=j。i=k。 } } } 30 附錄 2 （系統(tǒng)端口各個位定義） ifndef __REG52_H__ define __REG52_H__ sfr P0 = 0x80。 sfr PSW = 0xD0。 sfr DPL = 0x82。 sfr TMOD = 0x89。 sfr TH1 = 0x8D。 sfr SBUF = 0x99。 sfr TL2 = 0xCC。 sbit F0 = PSW^5。 sbit P = PSW^0。 sbit TR0 = TCON^4。 sbit IT0 = TCON^0。 sbit ET1 = IE^3。 sbit PT2 = IP^5。 sbit PT0 = IP^1。 sbit T1 = P3^5。 sbit TXD = P3^1。 sbit SM2 = SCON^5。 sbit TI = SCON^1。 // 8052 only sbit TF2 = T2CON^7。 sbit EXEN2 = T2CON^3。 endif 32 附錄 3 void Delay(unsigned int delaytime) { while(delaytime)。i++){} } } void tmreset1(void) //復(fù)位 18B20 { unsigned int i。 TMDAT1=1。 bit f。i++。 } if(f==0)while(~TMDAT1)。 } bit tmrbit1(void) 33 { unsigned int i。 TMDAT1=1。 i=8。 dat=0。 dat=(j7)|(dat1)。 bit testb。 0x01。 i++。 } else { TMDAT1=0。 i++。 dmsec1(1)。 tmflag1=tmpre1()。 buf1[0]=tmrbyte1()。 if(tmflag1==0) { dmsec1(1)。 buf1[10]=tmrbyte1()。 buf1[14]=tmrbyte1()。i5。 while(i0)i。 } bit tmpre2(void) /。 i=4。 TMDAT2=0。 } } void dmsec2(unsigned int count) //溫度延時 { unsigned int i。 buf1[12]=tmrbyte1()。