【正文】 ....................................................................................................................27 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................................................28 附 錄 ..................................................................................................................................................29 1 第一章 前 言 單片機(jī)的出現(xiàn)至今已經(jīng)有了 30 多年的歷史了；單片機(jī)嵌入式技術(shù)也經(jīng)歷了幾個(gè)發(fā)展階段。 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(jià)比高、易于推廣應(yīng)用等顯著優(yōu)點(diǎn) ,在自動(dòng)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 。 目前 ，賓館、家庭以及公共浴室中廣泛使用 著 機(jī)械式混水閥，雖然達(dá)到了外形設(shè)計(jì)多種多樣、美觀大方 的效果 ，但是使用 者 對(duì)水溫的調(diào)節(jié)都是 通過 手動(dòng)控制 機(jī)械式混水閥 中 熱水管道與冷水管道閥門的開啟比例來實(shí)現(xiàn)。 隨著計(jì)算機(jī)智能技術(shù)的發(fā)展，特別是微型計(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)出水口水溫、水流速度以及淋浴頭水流方式的控制具有實(shí)際的使用價(jià)值，對(duì)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(shí)意義 [1]。如圖1所示： 2 圖 1 傳統(tǒng)型控制器 傳統(tǒng)式機(jī)械混水閥存在的問題 在日常生活中， 使用 傳統(tǒng)式機(jī)械混水閥 洗浴時(shí) 經(jīng)常出現(xiàn)微弱燙傷，混水閥損壞等事情。 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。 工作原理 調(diào)溫時(shí)使用者 首先 按下 鍵盤 “開始”鍵，輸入淋浴溫度，按下“確定”鍵后，在冷水進(jìn)水管和熱水進(jìn)水管兩處的步進(jìn)電機(jī)根據(jù)設(shè)定的溫度及在兩進(jìn)水管處的溫度傳感器傳回的溫度信息來調(diào)節(jié)兩進(jìn)水管的進(jìn)水量來達(dá)到調(diào)溫的目的，同時(shí)通過溫度顯示模塊將出水口的溫度傳感器檢測(cè)的溫水溫度顯示出來 。 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。 第四：在設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)時(shí)都要考慮的問題是系統(tǒng)的 抗干擾 能力，設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目垢蓴_措施，以保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。 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(gè)模塊。 圖 2 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 框圖 單片機(jī) 目前，生產(chǎn)單片機(jī)的公司很多，但技術(shù)成熟、芯片工作穩(wěn)定性好的就少了。 綜合考慮系統(tǒng)使用到的單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)資源、系統(tǒng)處理信號(hào)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。而鍵盤的接線方法主要有兩種：獨(dú)立式鍵盤和矩陣式鍵盤 。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(gè)按鍵加以連接。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時(shí)，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。其優(yōu)點(diǎn)是使用 I/O口較少，但是十分不方便。但是使用多個(gè)按鍵輸入需要占用較多的 I/O 口，通過對(duì)上文的了解可知，本次設(shè)計(jì)適合選用矩陣式鍵盤 [2]。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。 7段數(shù)碼管分為共陰和共陽兩種，它們顯示時(shí)主要是顯示代碼不同。 溫度采集模塊 該模塊主要是對(duì)兩個(gè)進(jìn)水管、一個(gè)出水管的溫度，即冷水、熱水和溫水的溫度進(jìn)行檢測(cè)，然后送到單片機(jī)中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。熱電偶和熱敏電阻檢測(cè)電路復(fù)雜，實(shí)用的是 AD590 和 DS18B20。 DS18B20 是美國(guó) DALLAS 半導(dǎo)體公司繼 DS182 之后推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器，測(cè)溫范圍是 － 55℃～ 125℃ 。 C。 因此本 設(shè)計(jì)的 溫度傳感器 選用了 DS18B20。 6 系統(tǒng)的硬件框圖 通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行選型， 確定 電源模塊主要是 +5V 和 +36V 的兩個(gè)電源，溫度采集模塊是DS18B20，鍵盤輸入是 4*4 矩陣鍵盤，溫度顯示是數(shù)碼管，執(zhí)行單元是步進(jìn)電機(jī)。 (2)I/O 總線 ： ~（ P0口） ： 8 位漏極開路型雙向并行 I/O 口； ~（ P1口） ：具有內(nèi)部上拉電阻的 8位準(zhǔn)雙向 I/O 口； ~（ P2口） ： 8 位具有內(nèi)部上拉電阻的準(zhǔn)雙向 I/O 口； 8 ~（ P3 口） ： 8 位具有內(nèi)部上拉電阻的準(zhǔn)雙向 I/O 口，每一位又具有特殊功能。 表 1 P3口各位的第二功能 P3 口管腳 第二功能 RXD（串行輸入端） TXD（串行輸出端） INT0（外部中斷 0 輸入端，低電平有效） INT1（外部中斷 1 輸入端，低電平有效） T0（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 0外部事件計(jì)數(shù)輸入端） T1（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 1外部事件計(jì)數(shù)輸入端） WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通信號(hào)，低電平有效） RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)，低電平有效） (3)時(shí)鐘 ： XTAL1（ 19） ：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸入端。 (4)控制總線 ： RST/VPD（ 9） ：復(fù)位輸入信號(hào)，當(dāng)該引腳上出現(xiàn) 2 個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。 ALE/PROG （ 30） ：地址鎖存允許 /編程信號(hào)線。它的頻率為振蕩器頻率的 1/6。 EA /ppV （ 31） ：訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器的控制 信號(hào)。 (4)復(fù)位電路和晶振電路 ： 為了保證單片機(jī)正常工作，必須給單片機(jī)系統(tǒng)接上復(fù)位電路和晶振電路。復(fù)位電路接在 80C51 單片機(jī)的 9號(hào)引腳（ RST/VPD），具體接線如圖 5所示： 9 圖 5 復(fù)位電路 晶振電路 晶振電路是給系統(tǒng)提供時(shí)鐘頻率，晶振頻率 越 高 ，系統(tǒng)的運(yùn)行速度越快。內(nèi)部時(shí)鐘方式如圖 6 所示。這種接法對(duì)外部振蕩信號(hào)無特殊要求，人們一般采用頻率低于 12MHz 的方波信號(hào)。電容為兩個(gè) 30pf 瓷片電容。其基本結(jié)構(gòu)框圖如圖 7所示，包括： 10 可 編 程串 行 口2 個(gè) 1 6 位 定 時(shí)器 / 計(jì) 數(shù) 器1 2 8 字 節(jié) R A M可 編 程 I / O 口4 K 字 節(jié) R O M6 4 K 總 線 擴(kuò) 展控 制8 0 C 5 1 C P U振 蕩 器 及定 時(shí) 電 路 圖 7 80C51 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 一個(gè) 8位 CPU； 4KB ROM 或 EPROM； 128 字節(jié) RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器； 21個(gè)特殊功能寄存器 SFR； 4個(gè) 8位并行 I/O 口，其中 P0、 P2為地址 /數(shù)據(jù)線，可尋址 64KB ROM 和 64KB RAM； 一個(gè)可編程全雙工串行口； 具有 5個(gè)中斷源，兩個(gè)優(yōu)先級(jí)，嵌套中斷結(jié)構(gòu)； 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器； 一個(gè)片 內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。 P1口（ ）是一個(gè)帶有內(nèi)部提升電阻的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，能驅(qū)動(dòng) (吸收或輸出電流 )四個(gè) LSTTL 負(fù)載。 P2 口可以驅(qū)動(dòng) (吸收或輸出電流 )四個(gè) LSTTL負(fù)載。 鍵盤接線和按鍵功能分配 根據(jù)前一章的分析可知，采用 44 的矩陣式鍵盤是最有效的。 圖 8 按鍵連線圖 根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，我們將鍵盤分配為數(shù)字鍵（ 0、 9）、功能鍵（開始、關(guān)閉）和待定鍵 四 個(gè) 。 鍵盤的掃描原理 識(shí)別按鍵的方法很多，其中，最常見的方法是掃描法。 判斷鍵盤中有無鍵按下 將全部行線置低電平，然后檢測(cè)列線的狀態(tài)。若所有列線均為高電平，則鍵盤中無鍵按下。其方法是：依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時(shí)，其它線為高電平。若某列為低，則該列線與置為低電平的行線交叉處的按鍵就是閉合的按鍵。 CPU 對(duì)鍵盤的響應(yīng)取決于鍵盤的工作方式，鍵盤的工作方式應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中 CPU 的工作狀況而定，其選取的原則是既要保證 CPU能及時(shí)響應(yīng)按鍵操作，又不要過多占用 CPU 的工作時(shí)間。 1） 編程掃描方式 編程掃描方式是利用 CPU 完成其它工作的空余調(diào)用鍵盤掃描子程序來響應(yīng)鍵盤輸入的要求。 鍵盤掃描程序一般應(yīng)包括以下內(nèi)容： （ 1）判別有無鍵按下。 （ 3）用計(jì)算法或查表法得到鍵值。 （ 5）將閉合鍵鍵號(hào)保存，同時(shí)轉(zhuǎn)去執(zhí)行該閉合鍵的功能。 3）中斷掃描方式 采用上述兩種鍵盤掃描方式時(shí)，無論是否按鍵， CPU 都要定時(shí)掃描鍵盤，而單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作時(shí)，并非經(jīng)常需要鍵盤輸入，因此， CPU 經(jīng)常處于空掃描狀態(tài)，為提高 CPU 工作效率，可采用中斷掃描工作方式。 13 顯示模塊要完成設(shè)定溫度和溫水溫度的顯示，并且溫水的溫度要實(shí)時(shí)顯示出來?；谶@種顯示方式，我們需要選擇串行數(shù)據(jù)輸入、并行數(shù)據(jù)輸出的驅(qū)動(dòng)芯片 74LS164 來驅(qū)動(dòng) LED。將 7 段發(fā)光二極管陰極連在一起，稱為共陰接法，當(dāng)某個(gè)字段的陽極為 高電平時(shí)，對(duì)應(yīng)的字段就點(diǎn)亮，如圖 9所示。 所謂靜態(tài)顯示，就是顯示某一字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定的導(dǎo)通或截止，這種方式，每一顯示位都需要一個(gè) 8位的輸出口控制，占用的硬件資源較多，一般僅用于顯示位數(shù)校少的場(chǎng)合。對(duì)每一位顯示器而言，每隔一段時(shí)間點(diǎn)亮一次。 為了顯示字符，要給 LED 顯示器提供顯示段碼（或字型代碼），段碼位對(duì)應(yīng)關(guān)系如下： 表 2 段碼位對(duì)應(yīng)表 段碼位 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 顯示位 Dp g f e d c b a 下表為十六進(jìn)制數(shù)、 H、 P、 U和 的顯示段碼： 表 3 段碼顯示對(duì)應(yīng)表 字型 共陽極段碼 共陰極段碼 字型 共陽極段碼 共陰極段碼 0 C0 3F A 88 77 1 F9 06 B 83 7C 2 A4 5B C C6 39 3 B0 4F D A1 5E 4 99 66 E 86 79 14 5 92 6D F 8E 71 6 82 7D H 89 76 7 F8 07 P 8C 73 8 80 7F U C1 3E 9 90 6F BF 40 串行顯示電路和 74LS164 簡(jiǎn)介 串行顯示電路由 4 個(gè)共陽的 7段數(shù)碼管和 4片 74LS164 芯片組成。為了實(shí)時(shí)顯示設(shè)定溫度和溫水溫度，使用 1S 顯示一次數(shù)據(jù)的方式。 圖 9 共陽管串行顯示 74LS164 介紹： 74LS164 為 8 位數(shù)據(jù)串行輸入、并行輸出移位寄存器，采用 DIP14 引腳封裝。引腳 A、 B接在一起作為數(shù)據(jù)輸入端，移位脈沖接 8號(hào)引腳 Clock， AQ 到 HQ 分別接數(shù)碼管的 a到 dp。 15 表 4 74LS164 對(duì)應(yīng)表 輸入 輸出 清除 時(shí)鐘 A B AQ BQ ?? HQ L X X X L L ?? L H L X X 0AQ 0BQ ?? 0HQ H ↑ H H H AnQ ?? GnQ H ↑ L X L AnQ ?? GnQ H ↑ X L L AnQ ?? GnQ 9654320171 01 11 21 31 4V c c C L O C KC L E A NQ A Q B Q CQ DQ EQ FQ GQ HA 1A 2G N D 圖 10 74LS164引腳圖 在設(shè)計(jì)中，有三處的溫度需要進(jìn)行快 速采集：冷水進(jìn)水管處、熱水進(jìn)水管處和溫水出水管處。經(jīng)過前一章分析，這個(gè)模塊中要使用 DS18B20 進(jìn)行溫度采集，交給單片機(jī) 16 處理。 圖 11 DS18B20仿真連接圖 步進(jìn)電機(jī)簡(jiǎn)介 步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變得非常的簡(jiǎn)單。 步進(jìn)電機(jī)可分為三種類型： （ 1）反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（ VR） 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進(jìn)角一般為 176。、 15176。； （ 3）混合式步進(jìn)電機(jī)（ HB） 混合式步進(jìn)電機(jī) 兼具 了永磁 式和反應(yīng)式兩 種電機(jī) 的優(yōu)點(diǎn)。而五相的步進(jìn)角一般為 176。它廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域中，我們也選擇二相的混合式步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。 步進(jìn)電機(jī)動(dòng)態(tài)指標(biāo)及術(shù)語 步距角精度：步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角的實(shí)際值與理論值的誤差。不同運(yùn)行拍數(shù)其值不同，四