正文 基于单片机的智能型混水阀控制系统设计.docx
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正文基于单片机的智能型混水阀控制系统设计
1引言
传统方式下家庭、宾馆及许多工业现场等对恒温出水的调节主要依靠机械式混水阀对热水管道与冷水管道阀门的开启比例来实现。
有冷热水手调式，单把开关调温式等样式。
一般情况下混水阀由一个冷水进水口、一个热水进水口和一个温水出水口。
使用者通过调节混水阀旋钮来选择适合自己的水温。
其操作过程往往需要操作者通过肢体触觉或者温度计来感知混合后水温是否合适，然后由人工再去调节阀门开启大小使出水温度满足要求，常常会由于冷热水温度和压力的变化，需要再次手动调节，智能化程度低，使用多有不便，其功能不完善，而且精度低、可靠性差。
亦会造成水资源的浪费。
生活质量的提高使得消费者对恒温出水阀要求越来越趋向于智能化和数字化，因此我们采用单片机作为控制中心设计了这个混水阀自动控制系统。
近年来单片机技术得到了迅速的发展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的进展。
由于单片机具有功能强、体积小、可靠性好、和价格低廉等独特优点，因此，在智能仪器仪表、工业自动控制、计算机智能终端、家用电器、儿童玩具等许多方面，都已得到了很好的应用，因而受到人们高度重视，取得了一系列科研成果，成为传统工业技术改造和新产品更新换代的理想机种，具有广阔的发展前景。
利用单片机开发智能型混水阀控制器实现对出水口水温、水流速度以及淋浴头水流方式的控制具有实际的使用价值，对推进人们的健康生活与家居智能化以及节水都具有现实意义。
针对机械式混水阀存在的问题，智能型混水阀控制器能够较好改进这些问题。
智能型混水阀控制器采用温度传感器，能够对进、出水管实时检测和显示对应的温度。
步进电机用来调节进水管的开度，使用者通过键盘设定期望温度，由单片机对设定的温度值和实际温度进行比较来调节步进电机的转动量，进而动态的控制冷热水进水管的进水量，以此来达到温度平衡。
从而可以达到出水管温度的控制，解决出水温度不稳定的问题。
本文设计方法采用STC89C52单片机为主要控制芯片组成的温控系统具有成本低，精度高，智能控制等优点。
总体设计思路如下：
首先用户通过矩阵键盘输入所需出水温度，通过DS18B20温度传感器采集当前出水温度送至单片机处理，并将这两温度值实时显示于液晶屏幕上，同时在单片机程序中比较设定温度值和当前温度差值，然后做出判断以控制步进电机带动混水阀的转向及转角，直到传感器测量到出水温度等于预先设定温度后，电机停止转动从而得到所需水温。
本系统人机界面良好，易于操作，可靠性较高，具有多路水管温度显示，将会有更广阔的开发前景。
2总体方案设计
2.1智能型混水阀控制系统基本组成
智能型混水阀控制系统采用STC89C51单片机作为主控制芯片。
总控制电路主要由温度采集模块、键盘输入模块、温度显示模块、步进电机驱动模块、主控制芯片和电源模块组成。
本设计的结构框图如图2.1所示：
单片机
STC89C51
键盘输入
LCD显示
混水阀出水
DS18B20
温度传感器
步进电机
图2.1智能型混水阀控制系统基本组成
2.2系统功能
（1）从矩阵键盘输入设定出水温度值并由12864液晶显示模块显示。
（2）采用高精度温度传感器DS18B20实时采集出水口水温，并实时显示于液晶显示模块。
（3）单片机内程序比较设定温度和出水温度是否一致，如不一致就控制步进电机调节混水阀，从而使出水管的水温与设定的温度值一致。
（4）出水温度达到设定温度后，步进电机停止转动，控制系统实时监控水温并等待新的出水温度的设定，单片机处于待命状态。
2.3模块方案论证及选择
2.3.1电源模块
电子电路中都需要稳定的直流电源，在本系统中设计直流电源部分主要是为单片机和步进电机驱动电路供电。
采用单项交流供电，一般由变压器，整流电路、滤波电路和稳压电路等四部分组成。
如图2.2所示，变压器将市电交流电压（我国为50Hz，220V）变换为大小合适的交流电压，以满足后续整流电路的需要，由于大多数电子电路使用的电压都不高，在本设计中电源变压器采用降压变压器。
整流电路利用二极管的单向导电性，将交流电压变化为脉动的直流电压。
滤波电路是用电容、电感等储能元件构成，用来滤除整流后脉动电压中的交流成分，使之成为平滑的直流电压，稳压电路用来当输入交流电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定，目前广泛采用集成稳压器。
图2.2直流稳压电源的方框图
2.3.2中央处理单元设计
目前，生产单片机的公司很多，主流的生产厂家主要有：
Intel公司、Atmel公司、Maxim公司等等。
我们选择基于51单片机内核的STC89C52RC芯片。
其经济实用、轻巧灵活、功耗低。
同时51内核单片机编程资源丰富，对其工作原理及设计方法原则颇为熟悉。
为成功设计产品奠定良好基础。
2.3.3键盘输入模块设计
键盘作为数据输入接口，是大部分自动控制系统不可或缺的一部分。
而键盘的接线方法主要有两种：
独立式键盘和矩阵式键盘。
独立式键盘每个输入键要占用一个I/O口，适用于按键设计不是很多的场合。
当输入部分有多个按键时，若仍然采用独立键盘，必然会占用大量的I/O口，采用矩阵键盘是一种比较节省资源的方法。
矩阵式键盘又称行列式键盘，往往用于按键数量较多的场合。
矩阵式键盘的按键设置在行与列的交点上。
如图2.3所示。
在本设计中，需要输入设定温度值，采用4×4的矩阵式键盘以节省I/O口资源。
图2.3矩阵式键盘实物图
2.3.4温度采集模块设计
该模块需要测量出当前出水温度，然后与设定温度值比较以判断步进电机调整方向和角度。
温度传感器的种类众多，在应用与高精度、高可靠性的场合时DALLAS（达拉斯）公司生产的DS18B20温度传感器当仁不让。
超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得DS18B20更受欢迎。
为此，我们选择常用的DS18B20作为系统的A/D转换芯片。
如图2.4所示
图2.4DS18B20封装结构
2.3.5人机交互界面设计
该模块主要是对出水口水温值和键盘设定的温度值进行显示，温度由两位数据组成。
目前的显示有LCD显示、7段数码管显示和VGA显示等等。
7段数码管具有价格便宜、原理简单、显示数字清晰等诸多优点，但7段数码管显示内容单调，且占用CPU的I/O资源较多。
根据本设计的需要，采用可以显示中文的LCD12864液晶屏作为显示器件，如图2.5。
使得人机交互界面显得更加友好。
图2.512864图形液晶显示模块实物图
2.3.6执行机构
为了准确的控制冷热水的进水比例，则需要精确转动混水阀的转角，由于直流电机不能精确控制转动角度，所以是不能达到目的的。
另一种电机是步进电机，如图2.6。
这种电机是一步一步转动的，不同型号的步进电机的步进角不同，但它们的共同点是都能精确控制转动的角度。
图2.6步进电动机实物图
步进电机分三种：
永磁式（PM），反应式（VR）和混合式（HB）永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大。
在欧美等发达国家80年代已被淘汰。
混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。
它又分为两相和五相：
两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度。
这种步进电机的应用最为广泛。
在本设计中我们即采用该种类型步进电机。
3系统硬件电路设计分析
3.1电源设计和分析
首先我们来完成最基本，最必须的电源部分安装调试，任何电路都离不开电源部分，单片机系统也不例外，而且我们应该高度重视电源部分，不能因为电源部分电路比较简单而有所忽略，其实有将近一半的故障或制作失败都和电源有关，电源部分做好才能保证电路的正常工作。
3.1.1单片机电源电路设计
电源电路采LM7805集成稳压器作为稳压器件，用典型接法，220V电源整流滤波后送入LM7805稳压，在输出端接电容进一步滤除纹波，得到5V稳压电源。
电路如图3.1所示。
图3.1单片机电源电路设计
3.1.2步进电机驱动器电源电路设计
系统中我们选用型号D2HB542MA两相混合式步进电机驱动器，该驱动器电源电路设计如图3.2所示。
TX1为隔离变压器，根据电源负载确定其参数。
一般的，变压器输出电压根据输出直流电压要求而定，整流滤波之后的直流电压VDC+≈1.414×Vout。
当用于D2HB542MA驱动器时，电压器输出为AC21～28V。
其中：
变压器容量根据负载电流决定；C1为电解电容，参数为：
100V/2200uF；C2为无感突波吸收电容，参数为：
400V/0.22uF；D1参数根据负载电流及输出电压而定。
AC220V
TX1
D1
C1
C2
DC+
DC-
Vin
Vout
图3.2步进电机驱动器电源电路设计
3.2单片机的选型
根据方案论证的结果，本设计采用STC89C系列单片机STC89C52RC作为主控芯片。
STC单片机是深圳宏晶科技的IC产品。
STC单片机完全兼容传统51内核，因此使用的编译器和指令代码都和传统51单片机相同。
对于STC89C52RC，主要特性如下表：
表3.1STC89C52单片机特性
STC单片机与8051单片机的性能比较
高速：
一个时钟/机器周期，增强型51内核，平均速度可达到1MIPS/MHz
宽电压：
5.5~3.8V
宽温限：
-40℃~85℃
高抗静电：
ESD保护，轻松过4KV快速脉冲干扰（EFT测试）
低功耗：
有空闲模式（工作电流小于1.3mA），掉电模式（可由外部中断唤醒，工作电流小于0.1uA），正常模式（工作电流2.7~7mA）
工作频率：
可从0到48MHz，相当于传统8051主频0~576MHz
时钟：
可选择外部晶体或内部RC振荡器
STC89C52单片机的内部资源
12K字节片内Flash程序存储器，擦写次数10万次以上
512字节片内RAM数据存储器
12K字节片内E2PROM（512字节/扇区）
ISP/IAP，在系统可编程，在应用可编程，无须专用编程器
10位ADC，8通道
4通道捕获/比较单元（PWM/PCA/CCU）
2个硬件16位定时/计数器
硬件看门狗（WDT）
高速同步串行通信接口SPI，全双工异步串行口UART
32个通用寄存器，硬件乘/除法器
27（DIP28,SOP28有23个）个通用I/O口，可设置成弱上拉准双向口、强上拉推挽输出、高阻输入、开漏输出，四种模式。
每个I/O口的驱动能力均能达到±20mA，但整个芯片最大不得超过55mA
3.3DS18B20温度传感器
DS18B20数字温度传感器接线方便,只有三个引脚电压地（GND）、单数据总线（DQ）和电源电压（VDD），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。
主要特征：
（1）全数字温度转换及输出。
（2）先进的单总线数据通信。
（3）最高12位分辨率，精度可达土0.5摄氏度。
（4）12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒。
（5）可选择寄生工作方式。
（6）检测温度范围-55°C~+125°C（–67°F~+257°F）
（7）内置EEPROM，限温报警功能。
（8）64位光刻ROM，内置产品序列号，方便多机挂接。
（9）多样封装形式，适应不同硬件系统。
DS18B20的温度检测与数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干扰力更强。
其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处理。
在讲解其工作流程之前我们有必要了解18B20的内部存储器资源。
18B20共有三种形态的存储器资源，它们分别是：
ROM只读存储器，用于存放DS18B20ID编码，其前8位是单线系列编码（DS18B20的编码是19H），后面48位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56的位的CRC码（冗余校验）。
数据在出产时设置不由用户更改。
DS18B20共64位ROM。
RAM数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20共9个字节RAM，每个字节为8位。
第1、2个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4个字节是用户EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。
在上电复位时其值将被刷新。
第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像。
第6、7、8个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。
第9个字节为前8个字节的CRC码。
EEPROM非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在镜像，以方便用户操作。
其存储器结构图如图3.3所示
图3.3DS18B20RAM及EEPROM结构图：
DS18B20只需要接到控制器（单片机）的一个I/O口上，由于单总线为开漏所以需要外接一个4.7K的上拉电阻。
如要采用寄生工作方式，只要将VDD电源引脚与单总线并联即可。
硬件接线如图3.4所示。
图3.4DS18B20芯片与单片机的接口：
3.4SMG12864ZK液晶显示模块
3.4.1SMG12864ZK概述
SMG12864ZK标准中文字符及图形点阵型液晶显示模块（LCM），采用点阵型液晶显示器（LCD），可显示128X64点阵或8个X4行汉字，点尺寸为0.5X0.5（WXH）mm，内置ST7920接口型液晶显示控制器，内带GB2312码简体中文字库（16X16点阵），可与MCU单片机直接连接，具有8位并行及串行的连接方式，广泛应用于各类仪器仪表及电子设备。
3.4.2SMG12864ZK液晶显示模块的主要技术参数
表3.2SMG12864ZK液晶显示模块的主要技术参数
显示容量:
128X64点阵
点尺寸:
0.44X0.60（WXH）mm
工作电压:
4.8～5.2V
工作温度:
-20～70℃
工作电流:
4.0mA（5.0V）
存储温度:
-30～80℃
背光源颜色:
绿色
背光源工作电流:
<150.0mA
3.4.3SMG12864ZK液晶显示模块的接口信号说明
表3.3SMG12864ZK液晶显示模块的接口信号说明
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
11
DB4
DataI/O
2
VDD
电源正极（+5V）
12
DB5
DataI/O
3
NC
（悬空）
13
DB6
DataI/O
4
RS（CS）
数据/命令选择端（片选信号输入）
14
DB7
DataI/O
5
R/W（STD）
读/写控制信号（串行数据输入）
15
PSB
H:
并行数据模式
L:
串行数据模式
6
E（SCLK）
使能信号（串行移位脉冲输入）
16
NC
空脚
7
DB0
DataI/O
17
/RST
复位端（L:
复位）
8
DB1
DataI/O
18
NC
空脚
9
DB2
DataI/O
19
BLA
背光源正极
10
DB3
DataI/O
20
BLK
背光源负极
3.4.4液晶模块与单片机硬件连接
12864液晶模块与单片机的连接图如图3.5所示，该图采用并口访问方式，单片机P1口直接与液晶模块8位数据口对接，P3.0控制RS寄存器选择，P3.1控制R/W读写选择，使能信号由P3.2送出。
图3.5液晶模块与单片机硬件连接
3.54*4矩阵键盘
3.5.1矩阵式键盘的结构与工作原理
矩阵键盘又称行列键盘，它是用四条I/O线作为行线，四条I/O线作为列线组成的键盘。
在行线和列线的每个交叉点上设置一个按键。
这样键盘上按键的个数就为4*4个。
这种行列式键盘结构能有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。
如图3.6所示
图3.64*4矩阵键盘
这样，一个端口（如P0口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。
由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。
矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，上图中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输出端，而列线所接的I/O口则作为输入。
这样，当按键没有按下时，所有的输入端都是高电平，代表无键按下。
行线输出是低电平，一旦有键按下，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。
3.5.2矩阵式键盘的按键识别方法
（1）行扫描法行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法
①判断键盘中有无键按下将全部行线Y0-Y3置低电平，然后检测列线的状态。
只
要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。
若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。
②判断闭合键所在的位置在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。
其方法是：
依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。
在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。
若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的按键就是闭合的按键。
（2）高低电平翻转法
首先让P0口高四位为1，低四位为0,。
若有按键按下，则高四位中会有一个1翻转为0，低四位不会变，此时即可确定被按下的键的行位置。
然后让P1口高四位为0，低四位为1,。
若有按键按下，则低四位中会有一个1翻转为0，高四位不会变，此时即可确定被按下的键的列位置。
最后将上述两者进行或运算即可确定被按下的键的位置。
3.6步进电机
3.6.1简介
步进电机是一种感应电机，是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。
随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；由于脉冲信号数与步距角的线性关系，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
3.6.2基本原理
步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器
通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。
该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。
当定子的矢量磁场旋转一个角度。
转子也随着该磁场转一个角度。
每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。
它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。
改变绕组通电的顺序，电机就会反转。
所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。
通俗一点讲：
当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。
您可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。
同时您可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。
它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
3.7两相混合式步进电机驱动器
3.7.1驱动器概述
我们选用D2HB542MA型两相混合式步进电机驱动器适合驱动相电流在4.2A以下的任何一款低压两相或四相步进电机，广泛应用于数控机床、纺织机械、针织设备、包装机械、医疗设备、电子元件制造等一系列自动化控制领域。
图3.7D2HB542MA型两相混合式步进电机驱动器
3.7.2性能指标
电气性能（环境温度T＝25ºC时）
表3.4步进电机驱动电气特性
输入电源
24～50V直流电源供电，容量：
不小于200VA。
典型值：
DC36V
输出电流
1.13A～4.25A，8档可调，分辨率0.41A。
驱动方式
双极恒流PWM驱动输出。
绝缘电阻
常温常压下＞500MΩ。
绝缘强度
常温常压下500V/分钟。
重量
约300克。
环境要求
表3.5步进电机驱动电气特性
冷却方式
自然冷却。
使用场合
避免粉尘、油雾及腐蚀性气体。
使用温度
0ºC～＋50ºC。
环境湿度
＜80％RH，不凝露，不结霜。
震动
最大不超过5.7m/s2。
。
保存
－20ºC～＋125ºC，避免灰尘，最好使用原包装盒。
3.7.3功能及使用
（1）电源接口DC+、DC-
直流24～50DC，通常采用线性电源供电，须注意整流滤波后电源纹波电压，不可超过50VDC，以免损坏驱动器，线性电源的额定输出电流应大于驱动器设定电流的60％。
当采用开关电源供电时，一般的，电源电压越高，电机的力矩输出越大，可避免高速丢步现象，同时也会导致低速振动加大以及发热，使用时应根据现场机械要求合理调整供电电压，我们通过试验得出，最为理想的电压范围为30VDC～40VDC之间。
接线时应特别注意输入电源极性，DC+为电源正极；DC-为电源地，错误的接线可导致驱动器损坏！
（2）设定输出电流
本驱动器设计8档输出电流选择，由驱动器上的编码开关（SW1SW2SW3）设定，电流大小以最大值标称。
D2HB542MA型驱动器最大可提供4.25A的输出电流，电流设定分辨率为0.41A。
编码开关（SW1SW2SW3）组合的每一种状态代表一个电流值输出设定，参见下表：
表3.6拨码开关电流设定
SW1
SW2
SW3
输出电流
SW1
SW2
SW3
输出电流
ON
ON
ON
1.13A
ON
ON
OFF
2.86A
OFF
ON
ON
1.53A
OFF
ON
OFF
3.36A
ON
OFF
ON
1.93A
ON
OFF
OFF
3.79A
OFF
OFF
ON
2.41A
OFF
OFF
OFF
4.25A
可以通过调整驱动器面板上拨码开关（SW5SW6SW7SW8）的状态来设定15种细分模式。
此15种细分模式基本上涵盖了用户对电机步距角的要求。
具体设置参见下表
表3.7拨码开关电流设定
SW5
SW6
SW7
SW8
每转脉冲
步距角
OFF
ON
ON
ON
400
0.900º
ON
OFF
ON
ON
800
0.450º
ON
ON
ON
OFF
1000
0.360º
OFF
OFF
ON
ON
1600
0.225º
OFF
ON
ON
OFF
2000
0.180º
ON
ON
OFF
ON
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