【正文】 ......................................................................................................27 參考文獻 .............................................................................................................................................28 附 錄 ..................................................................................................................................................29 1 第一章 前 言 單片機的出現(xiàn)至今已經(jīng)有了 30 多年的歷史了；單片機嵌入式技術(shù)也經(jīng)歷了幾個發(fā)展階段。 作為新型工業(yè)發(fā)展的新型控制器，單片機 具有體積小、功耗低 、功能強、性 價比高、易于推廣應(yīng)用等顯著優(yōu)點 ,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 。 目前 ，賓館、家庭以及公共浴室中廣泛使用 著 機械式混水閥，雖然達到了外形設(shè)計多種多樣、美觀大方 的效果 ，但是使用 者 對水溫的調(diào)節(jié)都是 通過 手動控制 機械式混水閥 中 熱水管道與冷水管道閥門的開啟比例來實現(xiàn)。 隨著計算機智能技術(shù)的發(fā)展，特別是微型計算機技術(shù)的發(fā)展，利用單片機開發(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]。如圖1所示： 2 圖 1 傳統(tǒng)型控制器 傳統(tǒng)式機械混水閥存在的問題 在日常生活中， 使用 傳統(tǒng)式機械混水閥 洗浴時 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作為主控制芯片。 工作原理 調(diào)溫時使用者 首先 按下 鍵盤 “開始”鍵，輸入淋浴溫度，按下“確定”鍵后，在冷水進水管和熱水進水管兩處的步進電機根據(jù)設(shè)定的溫度及在兩進水管處的溫度傳感器傳回的溫度信息來調(diào)節(jié)兩進水管的進水量來達到調(diào)溫的目的，同時通過溫度顯示模塊將出水口的溫度傳感器檢測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 控制冷熱水進水管處兩步進電機關(guān)閉冷熱水進水管停止供水。 第四：在設(shè)計一個系統(tǒng)時都要考慮的問題是系統(tǒng)的 抗干擾 能力，設(shè)計 適當(dāng)?shù)目垢蓴_措施，以保證系統(tǒng)的可靠運行。 各模塊方案選擇及論證 圖 2 是系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 的框圖，包括了六個模塊。 圖 2 系統(tǒng) 結(jié)構(gòu) 框圖 單片機 目前，生產(chǎn)單 片機的公司很多，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)的可擴展性能，本系統(tǒng)選用了 Intel 公司的 80C51 單片機芯片。而鍵盤的接線方法主要有兩種：獨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，而是通過一個按鍵加以連接。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。其優(yōu)點是使用 I/O口較少，但是十分不方便。但是使用多個按鍵輸入需要占用較多的 I/O 口，通過對上文的了解可知，本次設(shè)計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 時主要是顯示代碼不同。 溫度采集模塊 該模塊主要是對兩個進水管、一個出水管的溫度，即冷水、熱水和溫水的溫度進行檢測，然后送到單片機中進行數(shù)據(jù)處理。熱電偶和熱敏電阻檢測電路復(fù)雜，實用的是 AD590 和 DS18B20。 DS18B20 是美國 DALLAS 半導(dǎo)體公司繼 DS182 之后推出的一種改進型智能 溫度傳感器，測溫范圍是 － 55℃～ 125℃ 。 C。 因此本 設(shè)計的 溫度傳感器 選用了 DS18B20。 6 系統(tǒng)的硬件框圖 通過對系統(tǒng)進行選型， 確定 電源模塊主要是 +5V 和 +36V 的兩個電源，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)行單元是步進電機。 (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（定時器 /計數(shù)器 0外部事件計數(shù)輸入端） T1（定時器 /計數(shù)器 1外部事件計數(shù)輸入端） WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號，低電平有效） RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號，低電平有效） (3)時鐘 ： 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，當(dāng)該引腳上出現(xiàn) 2 個機器周期以上的高電平時，可實現(xiàn)復(fù)位 操作。 ALE/PROG （ 30） ：地址鎖存允許 /編程信號線。它的頻率為振蕩器頻率的 1/6。 EA /ppV （ 31） ：訪問內(nèi)部程序存儲器的控制信號。 (4)復(fù)位電路和晶振電路 ： 為了保證單片機正常工作，必須給單片機系統(tǒng)接上復(fù)位電路和晶振電路。復(fù)位電路接在 80C51 單片機的 9號引腳（ 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)提供時鐘頻率，晶振頻率越 高 ，系統(tǒng)的運行速度越快。內(nèi)部時鐘方式如圖 6 所示。這種接法對外部振蕩信號無特殊要求，人們一般采用頻率低于 12MHz 的方波信號。電容為兩個 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 1 6 位 定 時器 / 計 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 展控 制8 0 C 5 1 C P U振 蕩 器 及定 時 電 路 圖 7 80C51 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 一個 8位 CPU； 4KB ROM 或 EPROM； 128 字節(jié) RAM 數(shù)據(jù)存儲器； 21個特殊功能寄存器 SFR； 4個 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； 一個可編程全雙工串行口； 具有 5個中斷源，兩個優(yōu)先級，嵌套中斷結(jié)構(gòu)； 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器； 一個片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。 P1口（ ）是一個帶有內(nèi)部提升電阻的 8 位準(zhǔn)雙向 I/O 口，能驅(qū)動 (吸收或輸出電流 )四個 LSTTL 負載。 P2 口可以驅(qū)動 (吸收或輸出電流 )四個 LSTTL 負載。 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。 鍵盤的掃描原理 識別按鍵的方法很多，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，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能及時響應(yīng)按鍵操作，又不要過多占用 CPU 的工作時間。 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）用計算法或查表法得到鍵值。 （ 5）將閉合鍵鍵號保存，同時轉(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，無論是否按鍵， CPU 都要定時掃描鍵盤，而單片機應(yīng)用系統(tǒng)工作時，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時顯示出來?；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)動芯片 74LS164 來驅(qū)動 LED。將 7 段發(fā)光二極管陰極連在一起，稱為共陰接法，當(dāng)某個字段的陽極為高電平時，對應(yīng)的字段就點亮，如圖 9所示。 所謂靜態(tài)顯示，就是顯示某一字符時，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 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)校少的場合。對每一位顯示器而言，每隔一段時間點亮一次。 為了顯示字符，要給 LED 顯示器提供顯示段碼（或字型代碼），段碼位對應(yīng)關(guān)系如下： 表 2 段碼位對應(yīng)表 段碼位 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 顯示位 Dp g f e d c b a 下表為十六進制數(shù)、 H、 P、 U和 的顯示段碼： 表 3 段碼顯示對應(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 簡介 串行顯示電路由 4 個共陽的 7段數(shù)碼管和 4片 74LS164 芯片組成。為了實時顯示設(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號引腳 Clock， AQ 到 HQ 分別接數(shù)碼管的 a到 dp。 15 表 4 74LS164 對應(yīng)表 輸入 輸出 清除 時鐘 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)計中，有三處的溫度需要進行快速采集：冷水進水管處、熱水進水管處和溫水出水管處。經(jīng)過前一章分析，這個模塊中要使用 DS18B20 進行溫度采集，交給單片機 16 處理。 圖 11 DS18B20仿真連接圖 步進電機簡介 步進電機是將電脈沖信號轉(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，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使 得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變得非常的簡單。 步進電機可分為三種類型： （ 1）反應(yīng)式步進電機（ VR） 反應(yīng)式步進電機一般為三相，可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步進角一般為 176。、 15176。； （ 3）混合式步進電機（ HB） 混合式步進電機 兼具 了永磁式和反應(yīng)式兩 種電機 的優(yōu)點。而五相的步進角一般為 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電機作為執(zhí)行機構(gòu)。 步進電機動態(tài)指標(biāo)及術(shù)語 步距角精度：步進電機每轉(zhuǎn)過一個步距角的實際值與理論值的誤差。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應(yīng)在 5%