基于单片机的热水控制器设计.docx

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基于单片机的热水控制器设计

一、整体设计方案

1.课程设计要求

1.1题目：

基于单片机的热水控制器设计

1.2要求：

完成基于单片机的热水控制器系统的设计，能够实现水温的自动加热，并检测水温大小，对温度进行显示。

o程序设计合理、简洁。

o自行设计检测及相关处理电路。

o完成单片机数据采集及处理的硬件电路设计及相关软件编程。

o辅助电路及元器件自选。

o自选传感器类型

o加热范围40~100摄氏度

2.设计方案

本文是用51单片机设计的一种多功能热水控制器,具有自动和手动加水、设置水温、实时显示水量及温度和报警功能，并且具有结构简单、可靠性高、成本低等特点。

当前市场上的热水控制器基本上采用双金属片温控，控温精度低、可靠性差、功能单一。

随着微电子技术的发展，单片微处理器功能日益增强，价格低廉，在各方面得到广泛应用。

在热水控制器中应用单片机，具有设计简单、可靠性高、功能易扩展等优点。

热水控制器主要实现对水温的控制，并满足不同用户的个性需求。

因此一个较完善的控制器应具有以下功能：

　　水温的测量与显示；水量的测量与显示；用户设定功能（如水温设定，定时设定等）；对电加热管的控制功能；一些功能键（如定时自动加水，恒温控制，手动加水，手动加热等）。

图1原理框图

二.硬件电路设计

　　根据热水控制器的功能要求，并结合对51系列单片机的资源分析，采用此系列中的主流型号89C51作为电路系统的控制核心。

电热水控制器的总体布局如图1所示。

基本硬件电路图如图2（a）~（c）所示。

在本系统中，P0.0~P0.3用于七段码显示，P2.6控制水闸开关，P2.7控制电加热管，P3.3~P3.5用于按键设计和读取水量，P3.0~P3.2用于跟DS1820通信进行水温测量，P2.0~P2.1对七段码进行扫描，P2.2~P2.5LED指示灯显示，P3.7控制扬声器用于报警和指示。

1.水温测量电路

水温测量电路如图4所示，测温元件采用DALLAS的单线数字温度传感器DS1820。

DS1820提供九位温度读数，测量范围-55℃~125℃，采用独特1-WIRE总线协议，只需一根口线即实现与MCU的双向通讯，具有连接简单，高精度，高可靠性等特点。

在工作时，通过总线向其提供电源，单片机发出指令码读取温度值。

（1）DS1820的工作原理

DS1820采用3脚PR-35封装或8脚SOIC封装，管脚排列如图2所示。

图中3号引脚为GND，2号引脚I/O为数据输入/输出端（即单线总线），该脚为漏极开路输出，常态下呈高电平。

1号引脚VDD是外部+5V电源端，不用时应接地。

NC为空脚。

图3所示为DS1820的内部框图，它主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光ROM单线接口、存放中间数据的高速暂存器（内含便笺式RAM），用于存储用户设定的温度上下限值的TH和TL解发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码（CRC）发生器等七部分。

图2DS1820引脚图

图3DS18B20内部结构图

（2）寄生电源

寄生电源由二极管VD1、VD2和寄生电容C组成。

电源检测电路用于判定供电方式。

寄生电源供电时，VDD端接地，器件从单线总线上获取电源。

在I/O线呈低电平时，改由C上的电压Vc继续向器件供电。

该寄生电源有两个优点：

第一，检测远程温度时无需本地电源；第二，缺少正常电源时也能读ROM。

若采用外部电源VDD，则通过VD2向器件供电。

（3）温度测量原理

DS1820测量温度时使用特有的温度测量技术。

其测量电路框图如图3所示。

DS1820内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号f0，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号f。

当计数门打开时，DS1820对f0计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。

芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性予以被偿。

测量结果存入温度寄存器中。

一般情况下的温度值应为9位（符号点1位），但因符号位扩展成高8位，故以16位被码读出。

图4DS1820测温原理框图

（4）高速暂存器

在正常测温情况下，DS1820的测温分辨力为0.5℃，可采用下述方法获得高分辨率的温度测量结果：

首先用DS1820提供的读暂存器指令（BEH）读出以0.5℃为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位（LSB），得到所测实际温度的整数部分Tz，然后现用BEH指令取计数器1的计数剩余值Cs和每度计数值CD。

考虑到DS1820测量温度的整数部分以0.25℃、0.75℃为进位界限的关系，实际温度Ts可用下式计算：

Ts=（Tz-0.25℃）+（CD-Cs）/CD

（5）告警信号

DS1820完成温度转换后，就把测得的温度值与TH、TL作比较。

若T>TH或T

因此，可用多只DS1820同时测量温度并进行告警搜索。

一旦某测温点越限，主机利用告警搜索命令即可识别正在告警的器件，并读出其序号，而不必考虑非告警器件。

（6）CRC的产生

在64位ROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。

主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS1820中的CRC值作比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。

CRC的函数表达式为：

CRC=X8+X5+X3+1。

此外，DS1820尚需依上式为暂存器中的数据来产生一个8位CRC送给主机，以确保暂存器数据传送无误。

2.基本温度水温测量、键盘电路

　基本温度水温测量、键盘电路如图5所示，本系统中，有四个功能按键：

定时加水、恒温控制、手动加水和手动加热；三个七段码显示与四个LED灯指示，四个功能按键与水量设定按键使用同一组按键。

按键的优先权高于水量信号，水量高档位信号优先权高于低档位信号，以保证能优先响应按键。

图5基本温度水温测量、键盘电路

3.显示电路

　　显示电路如图6所示，温度采用二位七段码显示，显示范围0℃~99℃。

水量采用一位七段显示，显示1、2、3、4，四档水位。

对温度和水量进行循环扫描显示。

四个LED用于当前按键功能设定。

图6基本显示电路图图

4.水温和水量控制电路

水温和水量控制电路如图7所示，单片机通过光电耦合对继电器进行控制，用来切断或接通加热管电源，关闭或打开水阀，从而达到对水温和水量的控制。

图7水温和水量控制电路

三.系统软件设计

　　系统软件采用汇编语言精简指令编写。

本系统中键盘扫描、漏电检测等子程序都通过查询实现，并采用12MHz的时钟频率，对指令的运行时间进行了精确计算和设计，保证软件的可靠性和稳定性。

系统主程序框图如图7所示，DS1820工作程序流程图如图8所示。

1.键盘和显示

本系统中，有四个功能按键：

定时加水、恒温控制、手动加水和手动加热；三个七段码显示与四个LED灯指示。

（1）按下定时加水按钮时，定时LED变亮，并以当前时间为定时时标，每24小时自动加水至设定水量；若长按此钮超过5秒，定时LED灭，并听到“嘟”一声进行水量设定，此后每按一下钮，水量显示加一档，1~4档循环显示，不按此钮超过5秒，再次听到“嘟”一声，水量设定完毕。

系统的定时功能主要通过软件完成。

（2）按下恒温控制钮，恒温LED变亮，表示进行恒温控制，再按一下LED灭，取消恒温控制。

与水量设定类似，长按后，进行温度设定。

（3）按下手动加热钮时，加热LED变亮，加热至65℃，如水量少于1档，则先加水到1档，再按一次取消加热。

（4）按下手动加水钮时，加水至设定水量值，长按可设定水量。

手动加水过程中，再次按下取消加水。

正常情况下，两个七段码显示当前水温，另一个显示当前水位。

2.水温测量

温度读取是通过与DS1820通信完成。

DS1820通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念。

因此系统对DS1820的各种操作必须按协议进行。

DS1820是美国DALLAS公司生产的单线数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，特别适合于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号供微机处理，而且每片DS1820都有唯一的产品号并可存入其ROM中，以使在构成大型温度测控系统时在单线上挂任意多个DS1820芯片。

从DS1820读出或写入DS1820信息仅需要一根口线，共读写及温度变换功率来源于数据总线，该总线本身也可以向所挂接的DS1820供电，而无需额处电源。

DS1820能提供九位温度读数，它无需任何外围硬件即可方便地构成温度检测系统

四．软件流程图设计

五．程序清单

ORG0000H；系统主程序

JMPMAIN

ORG000BH

JMP LEDINT0

ORG001BH

JMPLEDINT1

ORG0100H

PP5:

JMPPP1

PP7:

JMPPP2

MAIN:

MOV34H,#0FFH

MOV35H,#0FFH

MOV36H,#00H

MOV37H,#00H

clr p1.6

setb p1.7

MOVSP,#60H ;给堆栈指针赋初值

MOVTMOD,#51H ;定时器0工作于方式定时器1作为计数器

MOVTH0,#0ECH ;给计数寄存器的高8位赋初值

MOVTL0,#77H ;给计数寄存器的低8位赋初值

MOV 30H,#20

mov 31h,#10

MOV 32H,#20

mov 33h,#10

mov th1,#00h

mov tl1,#00h

MOVIE,#82H

SETB TR0 ;计时开始

setb tr1 ;开始计数

movr0,#0

movr1,#0

movr2,#0

movr3,#0

movr4,#0

LOOP:

movdptr,#0a100h ;读取键盘状态

movxa,@dptr

MOV21H,A ;把A的内容赋给缓冲区21H,再比较判断然后输出

JNB21H.7,PP3 ;加水到50

JNB21H.6,PP7 ;加水到80

JNB21H.5,PP5 ;加水到100

MOVA,34H

CLRC

SUBBA,#1

JCPP3 ;C是1转PP3

JZTTL4 ;A=0转TTL4

AJMPBB ;无条件转移

TTL4:

MOVA,35H

CLRC

SUBBA,#10

JCPP3

MOVA,36H

CLRC

SUBBA,#5

JCBB

JZTTL5

AJMPPP6

TTL5:

MOVA,37H

CLRC

SUBBA,#10

JCBB

AJMPPP6

BB:

MOVA,R0

LCALLXIANSHI

MOV DPTR, #0A000h

MOVx @DPTR,A

lcalldelay

MOVA,R1

LCALLXIANSHI

MOV DPTR, #0A001h

MOVx @DPTR,A

lcalldelay

MOVA,R2

LCALLXIANSHI

MOV DPTR, #0A002h

MOVx @DPTR,A

lcalldelay

MOVA,R3

LCALLXIANSHI

MOV DPTR, #0A003h

MOVx @DPTR,A

lcalldelay

MOVA,R4

LCALLXIANSHI

MOV DPTR, #0A004h

MOVx @DPTR,A

lcalldelay

ajmploop

pp3:

MOVA,#0

LCALLXIANSHI

MOV DPTR, #0A000h

MOVx @DPTR,A

lcalldelay

MOVA,#5

LCALLXIANSHI

MOV DPTR, #0A001h

MOVx @DPTR,A

lcalldelay

MOVA,34H

CLRC

SUBBA,#1

JCPP3

JZTTL

TTL:

MOVA,35H

CLRC

SUBBA,#55

JCPP3

JMPLOOP

pp2:

MOVA,#8

LCALLXIANSHI

MOV DPTR, #0A001h

MOVx @DPTR,A

lcalldelay

MOVA,#0

LCALLXIANSHI

MOV DPTR, #0A000h

MOVx @DPTR,A

lcalldelay

MOVA,34H

CLRC

SUBBA,#2

JCPP2

JZTTL1

TTL1:

MOVA,35H

CLRC

SUBBA,#55

JCPP2

JMPLOOP

PP6:

MOVA,#10

LCALLXIANSHI

MOV DPTR, #0A002h

MOVx @DPTR,A

lcalldelay

MOVA,#13

LCALLXIANSHI

MOV DPTR, #0A001h

MOVx @DPTR,A

lcalldelay

MOVA,#13

LCALLXIANSHI

MOV DPTR, #0A000h

MOVx @DPTR,A

lcalldelay

MOVA,34H

CLRC

SUBBA,#4

JCPP6

JZTTL6

JMPLOOP

TTL6:

MOVA,35H

CLRC

SUBBA,#55

JCPP6

JMPLOOP

pp1:

MOVA,#9

LCALLXIANSHI

MOV DPTR, #0A000h

MOVx @DPTR,A

lcalldelay

MOVA,#9

LCALLXIANSHI

MOV DPTR, #0A001h

MOVx @DPTR,A

lcalldelay

MOVA,34H

CLRC

SUBBA,#4

JCPP1

JZTTL2

TTL2:

MOVA,35H

CLRC

SUBBA,#55

JCPP1

JMPLOOP

TEMPER_L EQU 36H；DS1820温度测量子程序

TEMPER_H EQU 35H

DQ BIT P3.2

; DS18B20初始化程序

INIT_1820:

SETB DQ

NOP

CLR DQ

MOV R0,#06BH

TSR1:

DJNZ R0,TSR1 ; 延时

SETB DQ

MOV R0,#25H

TSR2:

JNB DQ,TSR3

DJNZ R0,TSR2

LJMP TSR4 ; 延时

TSR3:

SETB FLAG1 ; 置标志位,表示DS1820存在

LJMP TSR5

TSR4:

CLR FLAG1 ; 清标志位,表示DS1820不存在

LJMP TSR7

TSR5:

MOV R0,#06BH

TSR6:

DJNZ R0,TSR6 ; 延时

TSR7:

SETB DQ

RET

;//*****************************************//

; 重新写DS18B20暂存存储器设定值

;//*****************************************//

RE_CONFIG:

JB FLAG1,RE_CONFIG1 ; 若DS18B20存在,转RE_CONFIG1

RET

RE_CONFIG1:

MOV A,#0CCH ; 发SKIP ROM命令

LCALL WRITE_1820

MOV A,#4EH ; 发写暂存存储器命令

LCALL WRITE_1820

MOV A,#00H ; TH（报警上限）中写入00H

LCALL WRITE_1820

MOV A,#00H ; TL（报警下限）中写入00H

LCALL WRITE_1820

MOV A,#1FH ; 选择9位温度分辨率

LCALL WRITE_1820

RET

;//*****************************************//

; 读出转换后的温度值

;//*****************************************//

GET_TEMPER:

SETB DQ ; 定时入口

LCALL INIT_1820

JB FLAG1,TSS2

RET ; 若DS18B20不存在则返回

TSS2:

MOV A,#0CCH ; 跳过ROM匹配

LCALL WRITE_1820

MOV A,#44H ; 发出温度转换命令

LCALL WRITE_1820

LCALL INIT_1820

MOV A,#0CCH ; 跳过ROM匹配

LCALL WRITE_1820

MOV A,#0BEH ; 发出读温度命令

LCALL WRITE_1820

LCALL READ_1820

MOV TEMPER_NUM,A ; 将读出的温度数据保存

RET

;//*****************************************//

; 读DS18B20的程序,从DS18B20中读出一个字节的数据

;//*****************************************//

READ_1820:

MOV R2,#8

RE1:

CLR C

SETB DQ

NOP

CLR DQ

NOP

SETB DQ

MOV R3,#7

DJNZ R3,$

MOV C,DQ

MOV R3,#23

DJNZ R3,$

RRC A

DJNZ R2,RE1

RET

;//*****************************************//

; 写DS18B20的程序

;//*****************************************//

WRITE_1820:

MOV R2,#8

CLR C

WR1:

CLR DQ

MOV R3,#6

DJNZ R3,$

RRC A

MOV DQ,C

MOV R3,#23

DJNZ R3,$

SETB DQ

NOP

DJNZ R2,WR1

SETB DQ

RET

;//*****************************************//

; 读DS18B20的程序,从DS18B20中读出两个字节的温度数据

;//*****************************************//

READ_18200:

MOV R4,#2 ; 将温度高位和低位从DS18B20中读出

MOV R1,#36H ; 低位存入36H（TEMPER_L）,高位存入35H（TEMPER_H）

RE00:

MOV R2,#8

RE01:

CLR C

SETB DQ

NOP

CLR DQ

NOP

SETB DQ

MOV R3,#7

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