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基于单片机的智能饮水机设计毕业论文
前言
随着嵌入式的应用变得愈来愈广泛[1]，单片机的开发也变得很灵活和高效，单片机的应用开发在很多方面也有着广泛的应用，用于智能家居方面可以提高人们生活的自动化水平，在这些应用中很多都需要测量当前系统的温度，此时我们可以选择温度芯片来得到相应的信息。
我们可以利用芯片设置温度的上、下采集区间，并且它的采样精度很高。
在很久之前饮水机就存在于中国的家庭中了，饮水机的出现让生活变得更方便，以前的饮水机仅仅用于饮水，没有别的功能，后来随着时代的发展，饮水机实现了加热的功能，但是也仅仅只是加热，别的功能都是没有的，随着人们对于生活质量要求的提高[2]，使得科技变得越来越进步，现在很多的发明都是为了使人们的生活变得更方便和简单，让人们可以尽情的享受生活便捷化带来的幸福感，这些智能化的出现让很多人都有时间和精力去做自己想做的事。
智能饮水机也是在这种时代背景下出现的，智能化的饮水机应该不仅限于加热，还应当结合人们的需求和创新去完成，饮水机一直循环的加热会导致很多的问题产生，比如人们的健康问题和饮水机的寿命问题等[3]，围绕着这个，我们提出了给智能饮水机加入定时加热功能、自动清洗功能以及缺水报警并加水功能，在饮水机中加入了时钟芯片，使得饮水机不会在夜间无人饮用时也会自动加热的问题，加入了蜂鸣器报警模块和模拟自动加水模块，饮水机缺水或在设定时间范围内自动加水、自动清洗，智能饮水机的各个模块的设计都是一步步慢慢实现的，电路的设计、软件的设计是息息相关的。
这次的设计是把STC89C52作为核心元件[4]，然后结合温度芯片DS18B20利用独立按键和显示屏来实现对智能饮水机的控制，这个系统具有简单、实用等特点，论文中对每个模块要实现的功能进行介绍，对水的温度进行控制和调节。
1绪论
1.1研究背景
随着时代的发展，几乎在每家每户都能看到饮水机的身影，饮水机被使用的量变得很大，饮水机能满足人们随时喝热水的需求，由于饮水机自身拥有的机身小巧、操作简单、结构可变性等一系列的特点，因此被放于于家庭、工作以及其他场合，慢慢的很多人开始逐渐依赖于饮水机而生活，带动了饮水机的市场需求。
然而人们的需求也不断的在提高，大家的审美和对饮水机功能的要求渐渐地变得很多，随着生活水平的提升人们逐渐重视身体的健康，大家对饮水机的要求不仅限于外观和价格，还有更多的功能需求，市场上普通饮水机开始变得不能满足人们的需求，他们的眼光开始向着更高的标准去看。
慢慢的市面上的饮水机开始不被很多有远见的商家所看好，然后设计师们就开始去给饮水机加上一些附加产品去吸引人们的眼球，有些商家只是为了利益而去制作饮水机，没有考虑到消费者群体的经济情况以及对环境的影响，他们制作的东西可能会使得价格上涨幅度太大，或者材料的不规范导致饮水机的寿命不是很长，人们也渐渐对普通的饮水机变得没有那么高的期待，饮水机往智能化的发展虽然是一定会存在的，它技术的成熟在未来肯定会的，只是现在还需要各个设计师门一起努力制作出价格亲民，质量良好的产品，使得消费者们对智能饮水机的满意度增加，让智能饮水机的身影存在于家家户户，这是要很多人的努力才能够成功的，由于当前的形式当然会使得饮水机的发展开始向着智能化发展，并且会更好更完善。
虽然现如今的饮水机厂家都趋向于制作智能饮水机，但是更加完美的智能饮水机需求是大众的期待，如今的智能饮水机已然变成了饮水机的发展趋势。
1.2研究目的和意义
一般的饮水机都只有加热和保温的功能，功能是比较少的，也是很容易被损坏，它的保温功能似乎不是很好，饮水机经常在水温变低时对水会反复进行加热，水如果经常反复进行加热会对人体产生不好的影响，近些年来，也是由于它具有局限性，普通饮水机虽然被人们买去放在家里，大多数人都不会插上电源，而是选择放置，很多商家看中这一点，制作出各式各样的饮水机，但大多都是很贵的，动辄上千元，如果想追求更好的生活质量价格会上几个台阶，所以基本都没有普及到家家户户。
对于这些现状，本次的设计就是为让饮水机智能化，使之变得经济实惠，通过调查发现大多数人的基本要求，尽量去满足消费者的需求，这次的设计采用了STC89C52作芯片，结合DS18B20温度传感器，让饮水机的温度变得可控，可设置某个时间段开始进行加热和结束，解决了在夜间没有人使用饮水机，饮水机却反复进行加热的问题，我们的设计中还有防烧干警报装置，在检测到水位变得较低时开启自动注水装置，还可在某一时间点设置饮水机自动清洗功能，加入的显示屏可看见时间和水的温度。
1.3预期目标
这次设计的系统主要是要实现对温度信息的采集，要把饮水机的自动清洗功能、自动加水功能添加进去，缺水时的警报装置，人可以实时的从显示器上看见当前温度、时间等，还可以通过按键功能去设置最高温度和时间。
1.硬件、软件的设计：
原理图、电路图的设计完成，有关串口的安装，软件的安装，软件在电脑上能否运行等。
在硬件上的选择，比如温度传感器的有关传感器的选择，这些都是要考虑到的。
2.程序流程的设计：
整个系统的总体流程图的设计和各个模块流程的设计。
3.调试部分的设计：
软件部分和硬件部分设计完成后，要进行焊接，用软件进行烧录，才能使系统能够正常工作。
1.4本文的主要研究工作
这次的论文主要是介绍了本次设计的研究的背景，在什么样的环境中去把智能饮水机设计出来，智能饮水机的各个模块进行了介绍，把重要的部分进行了详细的介绍，这个设计的内容有六个章节，每个部分都是不可缺少的，在每个章节的后面都会有一个本章小结，对这个章节进行简单的总结。
第一章绪论部分主要对这次研究的背景、预期的目标进行了叙述，作为这次的论文的开头，起到了承上启下的作用。
第二章的设计主体内容，有一个总体的设计，列出几个方案进行选择，把最好的方案拿出来去完成下一步，设计的目标、元器件要怎么选择都是这个章节要完成的。
第三章就是硬件部分电路的设计，比如单片机最小系统的设计、电源电路的设计以及蜂鸣器报警电路的设计等，在这个章节中这个设计才算真正的开始，这个部分要仔细、认真，不能出错。
第四章就是对软件程序部分进行设计，主要的流程图设计和各个小模块的流程图设计，把软件的地方进行编程，有一个特定的想法，在这个部分不懂的要好好研究，也是很重要的。
第五章是软件和硬件的调试部分，就是对前面的设计完成，进行一步步的调试，最后把程序和硬件部分连接起来，做出实物。
第六章是结论部分，是对整个设计的总结，把在这个设计过程中遇到的问题进行总结，其中要有学到了什么以及心得体会等。
2系统的总体设计
2.1系统的功能设计
这次设计的主要内容主要包括以下几点：
选择设计的方向、题目的选择、设计方法的方案和比对，然后去选择相对较好的设计来进行最后的设计[5]，就可以开始设计硬件部分和软件部分了。
这次设计的硬件部分包括对元器件的选择，把各个模块要实现的功能进行设计和实现，最后把这些部分和单片机连接起来组成一个系统，去完成本次设计的目标；接下来是软件部分，软件的设计用的是C语言程序的编写，用KeiluVision4编译软件去写正确的程序，编译好了之后运用软件，把单片机连接到电脑上去进行调试，以达到最终的目的，也就是完成整个智能饮水机的设计。
2.2系统的整体结构
这个系统的设计至少要满足能够对水进行加热以及能在水温较低时进行警报，这个设计的目的是为了使人们的生活变得便捷，设计肯定还要是简单易懂的，这个设计的过程直接影响着后面的每一步，如果这一步没有做好，这个设计就是失败的，所以要十分的仔细，每一步都要好好考虑。
这个系统的设计框架结构如图所示，使用的主要设计的系统主要包括这几个部分：
按键部分、单片机最小系统、温度测量、水位感应、蜂鸣器、显示、继电器输出控制以及其它部分电路组成。
主要功能如图1所示。
单片机
蜂鸣器
继电器
水位感应
显示
按键
其它功能
时钟显示
DS18B20
图1功能框图
2.3设计方案论证
方案一：
把PIC单片机当作这次设计系统的控制芯片[6]，PIC单片机是一种精简指令型单片机，它具有低工作电压，低功耗，驱动能力强等特点。
方案二：
STM32单片机作为这次设计的控制芯片，这种单片机的特点是：
功能强大，体积小，并且超低功耗[7]。
方案三：
系统的控制芯片用51系列的单片机[8]，51系列的单片机编程比较方便，适用范围广，功能完备等特点，是大多数人的选择。
方案比较：
方案一中的PIC芯片的专用寄存器并不是集中在一个固定的地址区间内，所以在编写程序是会比较麻烦；方案二中的STM32是三种芯片中执行速度最快，功能最为强大的的芯片，但较于其他两者价格较高，如果使用该芯片就加大了系统的成本。
方案三中的51系列单片机的程序编写较方案一中的PIC芯片简单很多，价格也是比较合适的，并且也能实现系统所需功能，综上所述，方案三更加适合本设计。
2.4智能饮水机功能
智能饮水机的功能要满足人们对饮水机的基本需求，在市面上普通饮水机具有的功能的基础下去增加几个或几个以上的功能。
1.智能饮水机的主要功能：
饮水机的智能化要把这个家用电器以后能为我们做什么而去设计，人性化的处理是必须的，美观也是必要的，所以说智能饮水机的主要功能需要包含下面这些：
具有防烧干装置、液位感应装置、缺水自动加水装置、清洗装置、可设置时间段进行温度加热等功能。
2.饮水机的按键：
选择按键：
进入选择界面，可设置实时时间、加热定时时间段以及水温范围；加/减键：
对被选择的目标进行增加或减少；确定键：
设置完成后按下表示确定。
3.饮水机的显示功能：
电源灯（黄灯）：
亮起表示接入电源；加热灯（红灯）：
亮起表示正在加热；缺水灯（绿灯）：
亮起表示缺水；清洗灯（蓝灯）：
亮起表示正在清洗；蜂鸣器：
缺水之后响起；显示屏：
显示实时时间、年月日、温度。
2.5STC89C52简介
STC89C52是STC公司生产的一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），它很多的改变是普通51单片机没有的，STC89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用[9]。
STC89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，STC89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。
其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本[10]。
2.6DS18B20简介
DS18B20它的内部结构主要有四个部分：
64位的光刻ROM、温度传感器、非发挥的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
它有两种供电方式，即为数据总线供电方式和外部供电方式，采取数据总线供电方式可以节省一根导线，但完成温度测量的时间较长，采取外部供电方式则多用一根导线，但测量速度较快，它的特点是测温系统简单、测量的精度高、连接方便以及占用口线少等特点，是一个不错的选择[11]。
2.7本章小结
在本章中对主要的单片机和温度检测芯片进行了选择，制作的方案对比，拿出最优良的一个方案去设计，这一步对将来设计出的成品质量和价格有着很重要的价值，并且在最后对这些元件的特点进行了简单的介绍。
3智能饮水机电路设计
完整的系统电路图如图2所示：
图2总电路图
这些模块的电路设计是基于整个系统的设计目的之下完成的，分成几个部分去设计，然后整合成一个完整的电路，每一个部分都是很重要的，这些都关系着下一步是否能够成功的进行下去，所以设计的过程都是小心翼翼的，必须每一步都要认真，对整个设计负责，遇到问题和电路设计的难点都要去解决，这个部分的重要性可见一斑，每完成一步就会离完成设计任务更近一步。
整体电路的设计出来就可以进行下一步的设计，接下来是对重要模块的介绍，这些部分也是经过反复的考虑好好设计出来的。
3.1单片机最小系统设计
单片机最小系统[12]又叫作最小应用系统，它是用最少的元件组成单片机可以工作的系统。
在这次设计中，STC89C52单片机最小系统电路包括四个部分：
晶振电路、复位电路、排阻以及单片机。
单片机最小系统在这个系统中的作用是很大的，起到了控制系统的作用，能完成对各个部分的控制，使得这个系统能完成当初设计的目的。
这次设计的单片机最小系统的电路如图3所示：
图3单片机最小电路
晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的高低分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振，由于晶体自身的特性致使这两个频率的距离相当的接近，在这个极窄的频率范围内，晶振等效为一个电感，所以只要晶振的两端并联上合适的电容它就会组成并联谐振电路，这个并联谐振电路加到一个负反馈电路中就可以构成正弦波振荡电路，由于晶振等效为电感的频率范围很窄，所以即使其他元件的参数变化很大，这个振荡器的频率也不会有很大的变化，晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率[13]。
晶振电路给单片机提供一个振荡信号，然后单片机才能运行程序，晶振电路是单片机最小系统的重要组成部分。
单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。
单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到环境干扰出现程序出现异样的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。
排阻在这次设计中也是比较重要的，它是液晶屏的上拉电阻，如果没有连接它的话就会呈现高阻态，无法得到高电平，液晶显示屏就会显示异常，导致得不到要显示的数据[14]。
3.2电源电路
电源电路的作用就是电源的接入，它有一个开关，按下可接通电源（接通2-3和5-4），之后这里面的两个电容开始进行滤波，其中一个电容（电容104）滤高频，另一个电容（100
电解电容）滤低频稳压，它的容值越大的话稳压的效果越好，接下来就可以得到这个系统的电源+5V。
然后在LED灯上接一个限流电阻作为电源灯来用，如果打开开关通电的情况下灯就会亮。
电源电路设计如图4所示：
。
图4电源电路
电源电路在系统中起到了供电的作用，这个模块的设计也是比较重要的，电源电路中的按键被按下时别的模块就可以运行了。
3.3清洗及水泵电路
J7是一个USB的接口，它可以在外部接入一个清洗的装置、自动加水装置，还可以接入一个灯等等，经过ADD输出低电平，然后通过电阻把三极管打开，连接至USB接口的正极，这个USB就接入了+5V的电源。
C9是一个稳压的电容，可以让电源的+5V更稳定，C10是一个滤波的电容可以抑制负载产生的干扰，最后这个USB装置就可以正常工作了。
J6也是相同的工作原理。
电路图如图5所示：
图5清洗及水泵电路
在这个设计的过程中，用的是USB接口来接两个风扇，用于模拟自动清洗装置和自动加水装置，这个部分的设计也是很重要的。
3.4蜂鸣器报警电路
用的还是单片机来控制电平的高低来使蜂鸣器工作，Q1是一个NPN型的三极管，电阻R1就是让电流在高电平时放大，能够让蜂鸣器正常工作，电阻R2对三极管起到一定的保护作用。
当电路获得电并且为高电平时，三极管通电，蜂鸣器就可以正常工作，如果通过的是低电平，三极管就会截断电流，这个蜂鸣器就不会工作。
蜂鸣器报警的电路如图6所示：
图6蜂鸣器报警电路
3.5温度部分电路
这个部分的电路使用了DS18B20温度芯片，单片机通过协议读取芯片传送的数据并进行运算，芯片能够提高温度测量的精准度[15]，电路中的电阻R8可以增强这里的抗干扰能力，让数据更准确些。
温度部分电路的设计如图7所示：
图7温度部分电路
3.6其它部分电路
3.6.1继电器部分电路图
Q4是一个PNP型的三极管，所以是通过低电平时才能正常工作，R15起到的是保护三极管的作用，D4是一个续流二极管，继电器在断电的情况下还是会有电流存在，而这个二极管就可以把电流用完。
单片机操控通过控制高低电平使得接线通电之后，来控制三极管能否工作，当通过的是一个低电平时，三极管就可以开通了从而让继电器得电，J8就是闭合状态，然而如果通过的是一个高电平，三极管就呈现的是拦截状态，继电器在没有通电的情况下就是断开的。
继电器部分的电路图如图8所示：
图8继电器电路
3.6.2时钟部分电路
这里的时钟芯片使用的是DS1320芯片，它可以用于对显示年、月、日、周日、时、分、秒的计时，还可以有闰年补偿等各种功能[16]。
使用这个芯片可以解决单片机的资源被占用的问题。
时钟部分的电路图如图9所示：
图9时钟电路
U3是一个时钟芯片，它是通过引脚5/6/7和单片机进行连接，通过程序来获得这个芯片发送过来的时间，进而使显示器能显示时间。
时钟芯片在整个系统中起到一定的作用。
J1是一个CR2032纽扣电池，属于备用的电源，当外部的电源关闭或者停电的时候就可以启用这个电池用于给时钟提供电源，不让时间停止或者时间发生错误，这里面连接的电阻R12/R13/R14是起到提高抗干扰能力的作用，Y1晶振给时钟芯片提供振荡信号，然后时钟芯片才能正常工作，就可以给单片机发送时间的信息。
3.6.3显示电路部分电路
在这里用的是液晶显示屏（LCD1602），这个是用来显示字母、数字等值的模块，每个字符位之间有一个间隔，每个字符之间就有了一个距离，更方便看，这个模块不能用来显示一个图形或是别的[17]，只能用来看一些符号等字符。
在这个部分的电路设计中连接的滑动变阻器R3可以调节液晶显示屏的对比度。
显示电路部分的电路图如图10所示：
图10显示电路
3.6.4按键电路
这个部分通过单片机进行判断按键的状态来完成相应的操作，当按下按键的时候，单片机判断连接的端口如果是低电平[18]，那么单片机就知道按键被按下了。
按键电路如图11所示：
图11按键电路
3.7本章小结
在本章中完成了各个部分电路的设计，在这章中介绍了各个部分的工作原理和电路的结构，把这些部分电路连接起来就是一个完整的系统电路，硬件部分的电路设计就完成了，接下来就是软件部分的设计了，也是非常重要的一部分。
4软件设计
硬件电路部分设计的完成，就是为软件部分做准备的，将温度芯片、液晶显示屏以及时钟电路等连接起来做成硬件部分，插上电源使它正常的运行起来，各个部分的东西能够提供给单片机正确的信息。
4.1主程序的设计
具体的程序流程图如图12所示：
图12主程序流程图
这个部分是软件设计中的重要部分，本次设计的程序流程主要有：
启动清洗功能，报警并加热功能等。
开启这个程序后对器件和端口部分进行初始化，读取显示时间和温度，检测时间是否在清洁时间范围内，如果在则进行清洗功能的开启，反之则进行下一步，进行检测是否有水，如果没有水则开启报警并且自动加水的功能，停止下一步，反之则进行下一步，检测是否是实时时间，如果不在则停止下一步终止加热，反之进行下一步检测温度是否过低，如果是则开始加热，反之则停止加热，然后再进行循环。
4.2各个部分的程序设计
4.2.1温度部分程序设计
这个设计使用的是测量精确度高的温度芯片DS18B20，这个可以满足设计的需求，并且这个芯片在整个系统中是很重要的部分。
温度部分的程序能够及时的反馈给单片机去进行下一步控制，我们的温度检测部分在设计的过程中，它要进行对数据命令的读取和转换。
它是通过检测到的水温信息传递给单片机作出相应的显示和操作。
温度部分的程序流程图如图13所示：
开始
读取一个字节
写出一个字节
读取温度
显示温度
图13温度部分程序流程图
4.2.2显示部分程序设计
显示部分在设计中也是很重要的，它是根据单片机送出的信息数据去把数据显示出来。
当打开电源时，显示部分可被操作，会显示一个光标，设置一个方式，可以清屏初始化去显示位置和内容，单片机去判断是否要调用显示子程序，然后子程序就可以做出判断，进行数据的处理，进行下一步显示的地址，显示处理后的数据，显示部分的流程就完成了。
显示部分的流程图如图14所示：
Y
N
开始
设置光标
设置输入方式
清屏
初始化显示位置和内容
数据处理
参数显示地址
显示处理后的一个数据
调用显示部分程序
结束
图14显示部分流程图
4.2.3水位感应开关部分程序设计
在这个部分的设计中，单片机与水位感应开关连接，单片机对水位开关一直进行电平的检测，如果有水源存在（也就是高水位），那么水位开关就呈现的是高电平，不需要作出相应的反应，反之，如果是没有水源（低水位），那么水位开关就给单片机反馈的是低电平，需要启动自动加水的装置，同时蜂鸣器得到信息，开启警报，缺水灯亮起，在这里使用的是小风扇进行代替加水的装置，水位逐渐上升到一定的值后停止加水。
水位感应部分的程序流程图如图15所示：
Y
N
检测温度是否低？
开始
器件和端口初始化
检测到高水位
检测到低水位
亮起加热灯
开启加热
加水完成
结束
亮起缺水灯,开启自动加水装置
图15水位感应部分程序流程图
4.2.4按键部分程序
按键部分的程序在开始后，就已经开始判断是否有按键被按下了，假如单片机检测到按键被按下是一个低电平的话，就会运行这个按键的程序，如果这个按键没有被按下，那么就继续检测下一个是否被按下，一直这么循环，完成这里的每一个按键该要完成的，这些按键在开始时都要去按第一个选择键，不然都是不可以用的，只有系统知道第一个按键被按下，光标指示的位置均可被选择，然后去设置自己想要的东西。
按键部分程序流程图如图16所示：
N
Y
开始
按键S2是否按下？
确定按键按下
执行按键程序
继续检测下一按键
循环
图16按键部分程序流程图
4.3本章小结
在本章中完成了系统软件部分的设计，设计了主程序和各个部分的程序流程图，显得更加的直接可观，在这个过程中又再一次的熟悉了编程软件的使用，每个部分的编程程序均附在附录中。
5硬件、软件调试
硬件部分和软件程序的设计完成之后，接下来的任务就是利用电脑上的相关软件去绘制原理图，画电路图，然后制作PCB板子[19]，去选择合适并且好的器件，很多器件都不一定是好用的，所以要有忧患意识，多买一份备用，以便于在器件坏的情况下有备用的，在焊接的过程中肯定还有很多问题，特别是在用万用板去焊接器件时可能焊接会出错，所以要格外的小心，最后才能制作完成硬件部分，连接烧录电脑上调试软件部分的程序，确保录入程序之后硬件能完成各个部分的指令。
5.1软件调试
软件调试用KeiluVision4软件，将写好的程序编译成16进制文件，以前课程设计经常用到这个软件，在毕业设计中会变得更熟练一些，在这个过程中应该会出现很多的问题，只能不断地去和老师、同学沟通，好好的把程序写好，然后才可以使用KeiluVision4，对这个程序编译的过程如下：
1.新建工程
在KeiluVision4中新建一个工程，如图17所示：
图17新建工程
2.新建文本
在KeiluVision4中新建一个文本并保存，扩展名为.c，如图18所示：
图18新建文本
3.添加文本
将新建的文本添加到所建工程中，如图19所示：
图19添加文本
4.程序调试
把程序敲打进去，在这个过程中可能会出现太着急打错英文，会让程序出现错误，在这个过程中这个程序好像编译会出现错误，只能一次次的调试和更改程序的设计，这个页面如图20所示：
图20程序调试
软件的使用，在编译的过程中有各种各样的问题只能去慢慢抠出来，可以去享受查阅资料的过程，过程中的乐趣是他人不能想象的。
终于软件部分的调试编译完成了
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