【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 列的單片機(jī)，性能可靠，成本低，完全可以滿足本系統(tǒng)的要求。而且由于 51 系列的單片機(jī)在電子相關(guān)專業(yè)2中的基礎(chǔ)性地位，對(duì)其使用和編程都比較熟練，可以極大縮短開(kāi)發(fā)周期，更好地完成設(shè)計(jì)任務(wù)。對(duì)于顯示模塊，LED 液晶顯示屏、 LCD1602 字符型液晶、LCD12864 點(diǎn)陣型液晶三者都是簡(jiǎn)單的、小型的顯示器件，均可完成顯示任務(wù)。LED 液晶顯示的內(nèi)容過(guò)于簡(jiǎn)單，LCD1284 更適合顯示圖像類信息，而 LCD1602 非常適合顯示少量的、豐富的字符信息。因此，選擇 LCD1602 字符型液晶。對(duì)于輸入模塊，分為用戶信息輸入和傳感器信息輸入。用戶信息輸入方面，使用按鍵進(jìn)行輸入要比旋鈕更容易控制，用戶也更易于接受，通過(guò)設(shè)置相應(yīng)的調(diào)節(jié)按鍵，可以十分精確地定位到用戶所希望達(dá)到的溫度。當(dāng)然，按鍵也有機(jī)械按鍵、電容按鍵等許多不同的種類，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)處于實(shí)驗(yàn)調(diào)試階段，故選取最簡(jiǎn)單的機(jī)械按鍵。傳感器信息輸入分為兩個(gè)部分，第一部分是溫度信息輸入，使用溫度傳感器，用于告訴單片機(jī)當(dāng)前的水溫，實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)控制；第二部分是水位信息輸入，使用水位傳感器，用來(lái)告訴單片機(jī)水量信息，達(dá)到缺水報(bào)警的目的。溫度傳感器一般有熱敏電阻和數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20 可供選擇。熱敏電阻的可靠性差，且輸出的是模擬量，需要進(jìn)行相應(yīng)的 A/D 轉(zhuǎn)換后才能輸入，比較麻煩，而相比之下，數(shù)字式溫度傳感器測(cè)溫范圍寬、以單線串行方式與單片機(jī)進(jìn)行通信，節(jié)約了單片機(jī)的 I/O 口資源，且直接輸出數(shù)字量，外圍電路簡(jiǎn)單，因此最符合要求。水位信息輸入只需考慮是否是缺水狀態(tài)，因此只要對(duì)是否缺水給出一個(gè)電平信息即可，直接封裝一個(gè)斷觸電點(diǎn)，一端接地，當(dāng)有水時(shí)，單片機(jī)對(duì)應(yīng)端口被拉低，無(wú)水時(shí)端口電平被拉高，來(lái)完成是否缺水的判斷即可。同時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)精確的定時(shí)加熱功能，引入專門的時(shí)鐘芯片 DS1302 進(jìn)行計(jì)時(shí)，為單片機(jī)提供日期和時(shí)間基準(zhǔn)。為了保證使用者的安全，加入聲光報(bào)警提示模塊，在加熱、缺水時(shí)給出提示。 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)概述本系統(tǒng)采用 51 系列單片機(jī)為控制核心，以 DS18B20 單線數(shù)字式溫度傳感器獲取溫度信息，采用 DS1302 時(shí)鐘芯片為單片機(jī)提供日期基準(zhǔn)，顯示方面采用 LCD1602 液晶顯示屏，以機(jī)械按鍵的形式供用戶輸入，設(shè)置當(dāng)前的系統(tǒng)時(shí)間、定時(shí)加熱的開(kāi)始時(shí)間、水溫設(shè)定等，來(lái)完成整個(gè)控制器的控制工作。系統(tǒng)整體的結(jié)構(gòu)框圖如下圖 所示。35V 電源模塊1602 顯示單片機(jī)及其最小系統(tǒng)及電源接口溫度傳感器模塊水位傳感器模塊聲光報(bào)警模塊按鍵輸入時(shí)鐘電路圖 系統(tǒng)整體框圖 各功能模塊介紹要順利完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，就要對(duì)所采用的各個(gè)模塊的元器件進(jìn)行具體的選型，并通過(guò)元器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)、操作說(shuō)明的資料，詳細(xì)地了解各個(gè)元器件的性能、操作方法、硬件連接要求的內(nèi)容。 控制模塊本設(shè)計(jì)采用的主控芯是 51 系列的單片機(jī)處理器 STC89C52RC，這是一款采用了 CMOS 工藝進(jìn)行生產(chǎn)的 8 位處理器，該處理器具有相當(dāng)可靠的工作性能，正常工作的功耗極低，而且有著相當(dāng)豐富的系統(tǒng)資源，片內(nèi)的程序存儲(chǔ)空間達(dá)到了 4K、具有 512 字節(jié)的 RAM 空間，可以滿足大多數(shù)的程序要求。指令系統(tǒng)完全兼容傳統(tǒng)的 8051 單片機(jī)內(nèi)核，有 2K+的 EEPROM 存儲(chǔ)空間。要建立完整的控制模塊，還要為單片機(jī)配置其最小系統(tǒng)的外圍電路，主要包括晶振和復(fù)位電路，單片機(jī)才能正常的工作。 顯示模塊本設(shè)計(jì)所采用的 LCD1602 液晶顯示屏，是一種小型的、集成度很高的液晶顯示屏，可以顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等，其特點(diǎn)是功耗低、體積小、輕薄、模塊化，而且由于其自帶字符庫(kù)，在顯示方面的實(shí)現(xiàn)上只需要按照要求對(duì)其進(jìn)行初始化、設(shè)定相關(guān)的顯示位置和顯示內(nèi)容即可，操作簡(jiǎn)單。作為一個(gè)集成化的顯示模塊，其相應(yīng)的管腳的具體定義可以查閱操作手冊(cè)獲取，而與單片機(jī)的具體連接方式將在硬件設(shè)計(jì)部分詳細(xì)介紹。如下圖 所示為 LCD1602 的控制器接口的時(shí)序說(shuō)明，在液晶的初始化、4讀寫(xiě)操作的相關(guān)的編程中，要參考該時(shí)序圖，結(jié)合單片機(jī)晶振的選取情況作出必要調(diào)整，只有正確的時(shí)序才能保證單片機(jī)給出正確的控制指令。圖 字符型液晶 LCD1602 的讀寫(xiě)操作時(shí)序圖LCD1602 自帶字符庫(kù)，這就在很大程度上方便了用戶的開(kāi)發(fā)，同時(shí)也節(jié)省了單片機(jī)的程序存儲(chǔ)空間，不需要在程序中對(duì)字符的顯示進(jìn)行定義。如下圖 所示。圖 字符型液晶 LCD1602 的字符庫(kù) 輸入模塊對(duì)于單片機(jī)而言，要對(duì)其進(jìn)行一定是設(shè)置，就必須要有用戶進(jìn)行相關(guān)的指令輸入，單片機(jī)要對(duì)熱水器的熱水溫度狀態(tài)和是否缺水進(jìn)行感知，要有相關(guān)的傳感器進(jìn)行信號(hào)輸入。輸入模塊分別為用戶指令輸入、溫度數(shù)據(jù)輸入和是否缺水的信號(hào)輸入。指令輸入由 4 個(gè)獨(dú)立按鍵完成，溫度輸入由 DS18B20 來(lái)完成，是否缺水的信號(hào)由電子式水位開(kāi)關(guān)提供。指令輸入模塊采用 4 個(gè)獨(dú)立按鍵完成。獨(dú)立按鍵的觸發(fā)方式為低電平有效，在平時(shí)的系統(tǒng)開(kāi)啟狀態(tài)下，單片機(jī)相應(yīng)端口保持高電平狀態(tài)，當(dāng)按鍵被按下，獨(dú)立按鍵兩端連通，然后接地，單片機(jī)的相應(yīng)的連接端口的電平被地線拉低，從而能夠被單片機(jī)捕捉到按鍵動(dòng)作。4 個(gè)獨(dú)立按鍵分別是設(shè)定鍵、鍵值增加、鍵值減小、確認(rèn)這個(gè) 4 個(gè)功能定義，通過(guò)這 4 個(gè)按鍵，結(jié)合軟件和算法編程，進(jìn)行按鍵狀態(tài)掃描，然后對(duì)相應(yīng)的鍵值動(dòng)作設(shè)定正確的響應(yīng)邏輯，就能夠?yàn)橛脩籼峁┩暾膮?shù)設(shè)置功能。溫度輸入模塊主要采用的是一種數(shù)字式集成單線溫度傳感器，型號(hào)為DS18B20。圖 數(shù)字式單線溫度傳感器 DS18B20 封裝及引腳圖在 DS18B20 的芯片手冊(cè)中，閱讀單線傳輸協(xié)議的時(shí)序要求，如下圖 所示。圖 DS18B20 的讀寫(xiě)操作時(shí)序水位信號(hào)輸入選擇電子式水位開(kāi)關(guān) BZ2401，供電電壓范圍在 5V24V，有三根線，電源線、地線和信號(hào)線。該產(chǎn)品通過(guò)內(nèi)置芯片檢測(cè)水位信號(hào)，由內(nèi)部5芯片處理，當(dāng)判斷到有水時(shí)，芯片輸出與電源電壓相同的高電平，當(dāng)判斷到無(wú)水時(shí)，芯片輸出 0V，產(chǎn)品正常供電后，與單片機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線和地線連接。 其它模塊為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定時(shí)功能，本系統(tǒng)采用了專門的時(shí)鐘芯片 DS1302，來(lái)提供詳細(xì)的日期和時(shí)間基準(zhǔn)。同時(shí)，設(shè)置 3 個(gè) LED 燈和蜂鳴器，組成其聲光提示和報(bào)警模塊。DS1302 是一款涓流充電時(shí)鐘保持芯片，由 DALLAS 公司出品，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的串口同單片機(jī)進(jìn)行通信，芯片內(nèi)部有自己的獨(dú)立時(shí)鐘電路和一個(gè) 31 字節(jié)的靜態(tài) RAM，能夠向單片機(jī)提供詳細(xì)的時(shí)鐘信息，如日期年月日，時(shí)間時(shí)分秒等，對(duì)于每月的天數(shù)和閏年能夠自動(dòng)進(jìn)行處理，保證日期記錄的準(zhǔn)確性。在硬件連接上，其使用三個(gè)數(shù)據(jù)線同單片機(jī)的相應(yīng)端口進(jìn)行連接，分別為復(fù)位、數(shù)據(jù)和串行時(shí)鐘。其芯片正常工作的功率極低，在日期時(shí)間數(shù)據(jù)的保持和記錄時(shí)消耗的功率不足 1mW。其封裝形式和管腳定義如下圖 所示。圖 DS1302 的封裝和管腳定義在使用時(shí)，該芯片要外接 的晶振，需要簡(jiǎn)單的外圍電路。如下圖 所示為其一種典型的應(yīng)用電路。圖 一種典型的 DS1302 應(yīng)用電路圖聲光報(bào)警模塊所采用的 LED 燈和小型的蜂鳴器就比較常見(jiàn)，電路特性也很6容易掌握，在 LED 燈的使用時(shí)，要注意選擇合適的顏色，同時(shí)要根據(jù)最大電流限制，加上合適的限流電阻，從而保護(hù) LED 燈工作在正常的電壓電流條件下。蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)無(wú)法靠單片機(jī)的端口直接完成，要使用相應(yīng)型號(hào)的三極管進(jìn)行放大，如 9018550 等型號(hào)，通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，才能正常發(fā)聲。 本章小結(jié)本章對(duì)系統(tǒng)的總體方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，同時(shí)詳細(xì)確定了系統(tǒng)所應(yīng)該具有的功能模塊，對(duì)控制模塊、顯示模塊、輸入模塊等模塊的主要實(shí)現(xiàn)方案和元器件的選擇方案進(jìn)行了分析與比較，從而確定了系統(tǒng)所需要使用的各個(gè)元器件。同時(shí)，根據(jù)元器件的資料和數(shù)據(jù)手冊(cè)，對(duì)主要元器件的硬件連接、使用和操作方法進(jìn)行了重點(diǎn)研究，為硬件電路的搭建和軟件編程提供了基礎(chǔ)。