单片机家用水流量设计.docx
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单片机家用水流量设计
毕业教学环节成果
（2011届）
题目基于51单片机的
家用水流量设计
学院信息工程学院
专业应用电子技术
班级应电082
学号******************
姓名*******
指导教师******
2011年5月10日
金华职业技术学院毕业教学成果
摘要1
引言2
1任务设计3
2系统硬件电路的设计4
2.1主芯片STC89C524
2.2时钟电路6
2.3复位电路7
2.4电源电路8
2.5液晶显示电路8
3.3水流量程序模块37
3.4显示程序39
3.5小结29
4调试结果记录30
4.1温度测量30
4.2流量测量30
5总结30
附件3仿真图36
附件4元件清单37
附件5程序清单38
基于51单片机的家用水流量设计
信息工程学院应用电子技术刘海清
摘要:
文以智能家居系统中的水流量模块为课题，以水流量计传感器和数字温度传感器DS18B20实时采集水流量状态和水温的数据，并根据主控器STC89C52的程序指令处理后计算出水费价格，用液晶屏LCD1602分当前温度、水价和水流总量三种状态动态显示。
另外，本课题设计了上下限报警，使查看更为直观，使用更加方便。
关键词:
单片机DS18B20温度传感器水流量传感器
HouseholdWater-FlowDetectionCircuitDesignBasedon51MCU
（MajorofAppliedElectronicTechnology,InformationandEngineeringcollege,JinHuaCollegeofVocationAndTechnology,LIUHai-qing）
Abstract:
TakingthesmarthomesysteminthewaterflowmoduleissubjecttowaterflowsensoranddigitaltemperaturesensorDS18B20real-timeacquisitionstatewaterflowandwatertemperaturedataandprograminstructionsaccordingtomasterSTC89C52calculatedafterthepriceofwater,withLCDTX-1602pointsthecurrenttemperature,waterflowvolumeanddynamicdisplayofthreestates.Inaddition,theprojectdesignoftheupperandloweralarm,soviewismoreintuitive,easiertouse.
Keyword:
microprocessorDS18B20temperaturesensorwaterflowsensor
引言
随着现代社会的进步，经济的发展，人们对精神领域的追求更高，对生活水平的要求更高。
现代的家居生活是一种高品位、高质量、个性化、智能化的方式。
本系统就是基于STC89C52单片机控制的智能家居系统，可以实际监控室内各种不同的家电设备，并能通过液晶屏动态显示当前工作状态。
该系统与传统的智能家居系统相比，具有功能多样化、成本造价低等优点，且符合当今社会智能、节能、环保的发展观念，并在人们享受高品位、高质量、个性化、智能化生活的同时提高人们的节约意识。
由于智能家居系统有众多模块，本课题只采取其中的水流量模块进行单独设计。
1 任务设计
当打开水龙头时，根据单片机STC89C52的指令、水流量计传感器和数字温度传感器DS18B20实时采集水流量状态和水温的数据。
当单片机STC89C52扫描到水流量计传感器的脉冲数，经过单片机STC89C52处理，计算出所采集的水流量后，通过液晶屏LCD1602能动态显示当前水流量、水费及水温。
根据设计过程，可以将的本课题划分为8个电路模块如图1所所示：
图1-1电路总框图
2 系统硬件电路的设计
2.1 主芯片STC89C52
2.1.1 主要性能
1与MCS-52单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器
21000次擦写周期
3全静态操作：
0Hz～33Hz
4三级加密程序存储器
532个可编程I/O口线
6三个16位定时器/计数器八个中断源
7全双工UART串行通道
8低功耗空闲和掉电模式
9掉电后中断可唤醒
10看门狗定时器
11双数据指针
12掉电标识符
2.1.2 芯片功能特性简述：
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
STC89C52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
8位微控制器8K字节在系统可编程Flash。
图2-1单片机引脚
2.1.3 引脚功能
表2-1STC89C52引脚介绍说明
引脚
功能介绍
VCC
+5V电源电压
VSS
电路接地端
P0.0～P0.7
8位漏极开路的双向I/O通道
P2.0～P2.7
8位拟双向I/O通道
P3.0
RXD，串行输入口
P3.1
TXD，串行输出口
P3.2
INT0，外部中断０输入口
P3.3
INT1，外部中断１输入口
P3.4
定时器/计数器０外部事件脉冲输入端
P3.5
定时器/计数器１外部事件脉冲输入端
P3.6
外部数据存贮器写脉冲
P3.7
外部数据存贮器读脉冲
RST/VpD
复位输入信号
ALE/PROG
地址锁存有效信号
PSEN
程序选通有效信号
EA/VPP
当保持TTL高电平，执行内部EPROM的指令，当使TTL为低电平，从外部程序存贮器取出所有指令，在内的EPROM编程时，此端为21Ｖ编程电源输入端
XTAL1
内部振荡器外接晶振的一个输入端
XTAL2
内部振荡器外接晶振的一个输入端
2.2 时钟电路
单片机的最小系统有三部分组成，即电源，时钟电路和复位电路。
其中单片机的电源引脚与5V电源连通即可，而时钟电路和复位电路还需接口扩展，这也是单片机的基本电路操作。
时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，时序是指令执行中各信号之间的相互关系。
单片机本身就如同一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。
在STC89C52单片机内部带有时钟电路，因此，只需要在片外通过XTAL1和XTAL2引脚接入定时控制元件（晶体振荡器和电容），即可构成一个稳定的自激振荡器。
在STC89C52芯片内部有一个高增益反相放大器，而在芯片的外部，XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容。
在单片机的XTAL1脚和XTAL2脚之间并接一个晶体振荡器就构成了内部振荡方式。
STC89C52单片机内部有一个高增益的反相放大器，XTAL1为内部反相放大器的输入端，XTAL2为内部反相放大器的输出端，在其两端接上晶振后，就构成了自激振荡电路，并产生振荡脉冲，振荡电路输出的脉冲信号的频率就是晶振的固有频率。
在实际应用中通常还需要在晶振的两端和地之间各并上一个小电容。
图2-2时钟电路
用晶振和电容构成谐振电路。
电容大小与晶振频率和工作电压有关。
但电容的大小影响振荡器的稳定性和起振的快速性，为了提高精度，本实验板采用20pF的电容作为微调电容。
在设计电路板时，晶振、电容等均应尽可能靠近芯片，减小分布电容，以保证振荡器振荡的稳定性。
2.3 复位电路
复位是单片机的初始化操作，其目的是使CPU和系统中各部分处于一个确定的状态，并从这一状态开始工作。
系统上电路或死机后都要进行复位操作。
单片机的RST引脚为复位引脚，振荡电路正常工作后，RST端加上持续两个机器周期的高电平后，单片机就被复位。
复位电路有3种基本方式：
上电复位，开关复位和看门狗复位。
图2-3复位电路
本课题采用按键开关复位是指通过接通按钮开关，使单片机进入复位状态。
开关复位电路一般不单独使用。
在应用系统设计中，若需使用开关复位电路，一般的做法是将开关复位与上电复位组合在一起形成组合复位电路，上电复位电路完成上电复位功能，开关复位电路完成人工复位。
图2-3中C7与R1构成了上电复位电路。
上电复位后，电源经R1对C7充满电源，C7等效于开路，RST端为低电平；单片机正常工作。
按开关K1后，C7两端电荷经R1迅速放电，K1断开后，由C7、R1及电源完成对单片机的复位操作。
在上述电路中C7、R1按上电复位电路的设计而取值。
复位电路的作用非常重要，能否成功复位关系但单片机系统能否正常运行的问题。
如果振荡电路正常而单片机系统不能正常运行，其主要原因是单片机没有完成正常复位，程序计数器的值没有回0，特殊功能寄存器没有回到初始状态。
这时可以适当地调整上电复位电路的阻容值，增加其充电时间常数来解决问题。
2.4 直流电源滤波电路
单片机对于直流电源电压非常敏感，但是一般直流电源都存在一些杂波，通常是直流电压中的高频交流成分，消除电源中的高频交流成分对增强电路的性能具有较大作用。
因而，我们设计了滤波电路，起到滤波的作用，从而更好的避免不必要的故障发生。
滤波电路的基本原理是利用电容或电感的滤波特性，图2-4电源电路采用电容滤波。
图中LED是用来指示电源接通的情况。
图2-4电源电路
2.5 液晶显示电路
课题任务要求以LCD1602芯片显示单片机处理后的温度、水费和水流量，在此有必要详尽的介绍LCD1602的特性和用法。
2.5.1 显示特性
1只需5V电源电压，低功耗、长寿命、高可靠性
2内置192种字符（160个5×7点阵字符和32个5×10点阵字符）
3具有64个字节的自定义字符RAM
4显示方式：
STN、半透、正显
5驱动方式：
1/16DUTY，1/5BIAS
6视角方向：
6点
7背光方式：
底部LED
8通讯方式：
4位或8位并口可选
9标准的接口特性：
适配MC51和M6800系列MPU的操作时序。
2.5.2 引脚说明
表2-2液晶1602引脚说明
管脚号
符号
功能
1
Vss
电源地（GND）
2
Vdd
电源电压（+5V）
3
V0
LCD驱动电压（可调）寄存器选择输入端，输入MPU选择模块内部寄存器类型信号：
RS=0，当MPU进行写模块操作，指向指令寄存器；
4
RS
当MPU进行读模块操作，指向地址计数器；RS=1，无论MPU读操作还是写操作，均指向数据寄存器
5
R/W
R/W=0读操作；R/W=1写操作
6
E
使能信号输入端，输入MPU读/写模块操作使能信号：
4位方式通讯时，不使用DB0-DB3
7
DB0
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
8
DB1
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
9
DB2
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
10
DB3
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
11
DB4
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
12
DB5
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
13
DB6
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
14
DB7
数据输入/输出口，MPU与模块之间的数据传送通道
15
A
背光的正端+5V
16
K
背光的负端0V
2.5.3 接口时序
图2-5时序图
表2-3液晶1602时序图标号说明
时序参数
符号
极限值
单位
测试条件
最小值
典型值
最大值
E信号周期
tc
400
ns
引脚E
E脉冲宽度
Tpm
150
ns
E上升沿/下降沿时间
Tr,tf
25
ns
地址建立时间
Tsp1
30
ns
引脚E、RS、R\W
地址保持时间
Thd1
10
ns
数据建立时间（读操作）
Td
100
ns
引脚DB0~DB7
数据保持时间（读操作）
Thd2
20
ns
数据建立时间（写操作）
Tsp2
40
ns
数据保持时间（写操作）
Thd2
10
ns
程序实现如下：
/************************写指令程序************************/
voidwr_com（unsignedcharcom）//写指令
{
delay
（1）;//延时1ms
RS=0;//写命令设置
RW=0;//并行数据的读写
EN=0;//使能为0
P2=com;//输入命令
delay
（1）;//延时1ms
EN=1;//使能为1
delay
（1）;//延时1ms
EN=0;//使能为0
}
/**********************写数据程序***********************/
voidwr_dat（unsignedchardat）//写数据
{
delay
（1）;//延时1ms
RS=1;//写数据设置
RW=0;//并行数据的读写
EN=0;//使能为0
P2=dat;//输入数据
delay
（1）;//延时1ms
EN=1;//使能为1
delay
（1）;//延时1ms
EN=0;//使能为0
}
2.5.4 初始化指令：
表2-4清屏指令
指令功能
指令编码
执行时间/ms
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
清屏
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1.64
功能：
1.清除液晶显示器，即将DDRAM的内容全部填入"空白"的ASCII码20H;
2.光标归位，即将光标撤回液晶显示屏的左上方;
3.将地址计数器（AC）的值设为0。
表2-5光标归位指令
指令功能
指令编码
执行时间/ms
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
光标归位
0
0
0
0
0
0
0
0
1
X
1.64
功能：
1.把光标撤回到显示器的左上方;
2.把地址计数器（AC）的值设置为0;
3.保持DDRAM的内容不变
表2-6进入模式设置指令
指令功能
指令编码
执行时间/ms
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
进入模式设置
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
1.64
功能：
设定每次定入1位数据后光标的移位方向，并且设定每次写入的一个字符是否移动。
表2-7显示开关控制指令
指令功能
指令编码
执行时间/ｕs
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
显示开关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
４０
功能：
控制显示器开/关、光标显示/关闭以及光标是否闪烁。
表2-8设定显示屏或光标移动方向指令
指令功能
指令编码
执行时间/ｕs
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
设定显示屏或光标移动方向
0
0
0
0
0
１
Ｓ/Ｃ
Ｒ/Ｌ
Ｘ
Ｘ
４０
功能：
使光标移位或使整个显示屏幕移位。
表2-9功能设定指令
指令功能
指令编码
执行时间/ｕs
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
功能设定
0
0
0
0
１
ＤＬ
Ｓ/Ｃ
Ｒ/Ｌ
Ｘ
Ｘ
４０
功能：
设定数据总线位数、显示的行数及字型。
参数设定的情况如下：
表2-10设定CGRAM地址指令
指令功能
指令编码
执行时间/ｕs
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
设定CGRAM地址
0
0
0
１
CGRAM的地址（６位）
功能：
设定下一个要存入数据的CGRAM的地址。
表2-11设定DDRAM地址指令
指令功能
指令编码
执行时间/ｕs
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
设定ＤＤRAM地址
0
0
１
CGRAM的地址（７位）
40
功能：
设定下一个要存入数据的CGRAM的地址。
（注意这里我们送地址的时候应该是0x80+Address，这也是前面说到写地址命令的时候要加上0x80的原因）
表2-12读取忙信号或AC地址指令
指令功能
指令编码
执行时间/ｕs
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
读取忙碌信号或AC地址
0
１
FB
AC内容（７位）
40
功能：
1.读取忙碌信号BF的内容，BF=1表示液晶显示器忙，暂时无法接收单片机送来的数据或指令;当BF=0时，液晶显示器可以接收单片机送来的数据或指令;
2.读取地址计数器（AC）的内容。
表2-13数据写入DDRAM或CGRAM指令一览
指令功能
指令编码
执行时间/ｕs
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
写数据到DDRAM或CGRAM
1
0
要写的数据D7~D0
40
功能：
1.将字符码写入DDRAM，以使液晶显示屏显示出相对应的字符;
2.将使用者自己设计的图形存入CGRAM。
表2-14从CGRAM或DDRAM读出数据的指令一览
指令功能
指令编码
执行时间/ｕs
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
从CGRAM或DDRAM中读数据
1
1
要读的数据D7~D0
40
功能：
读取DDRAM或CGRAM中的内容。
单片机和LCD液晶显示器的连接
图2-6液晶显示电路
2.6 状态显示电路
电路设计若水流量开始技术则绿灯亮，水流量计数停止则绿灯灭。
温度超过40度或小于0度红灯报警。
由于发光二极管的需求电流为3mA~10mA,电压为3V所以计算
R=3V/（3~10）mA=（330~1000）欧
故我们在这采用R=330，以使经过发光二极管电流较大，发光更亮。
图2-7状态显示电路
2.7 温度测量电路
课题任务中需要测量水温，故先用温度传感器DS18B02的数据采集，再通过单片机数据处理，最后在液晶屏显示出来。
2.7.1DS18B20简介
DS18B20是DALLAS半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，他它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点，可直接将温度转化成串行数字信号供处理器处理。
DS18B20具有以下优点：
适应电压范围宽，电压范围在3.0V~5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。
独特的单线接口方式，与微处理器连接时只需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通信。
1支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。
2在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件以及转换电路集成在形如一直三极管的集成电路内。
3测温范围-55℃+125℃，在-10℃~+85℃时进度为±0.5℃，可编程分辨率为9~12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。
4负压特性。
电源极性接反时，芯片不会因为过热而烧毁，但不能正常工作。
2.7.2 DS18B20结构及其工作原理
图2-8DS18B20的引脚和封装
图2-9DS18B２０的内部结构
DS18B20组成：
64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DS18B20的管脚排列：
DQ为数字信号输入／输出端
GND为电源地
VDD为外接供电电源输入端，在寄生电源接线方式时接地。
DS18B20内部带有共9个字节的高速暂存器RAM和电可擦除EEPROM，起结构如表2-15所示。
表2-15DS18B20高速暂存器结构
寄存器内容
字节地址
温度值低位（LSB）
0
温度值高位（MSB）
1
高温限值（TH）
2
低温限值（TL）
3
配置寄存器
4
保留
5
保留
6
保留
7
CRC校验值
8
表2-16DS18B20操作指令
ROM操作指令
指令
约定代码
功能
读ROM
33H
读DS18B20温度传感器ROM中的编码（即64位地址）
匹配ROM
55H
发出命令后接着发出64位ROM编码，访问总线上与该编码对应的芯片
搜索ROM
F0H
用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数
跳过ROM
CCH
忽略64位ROM地址，直接向DS18B20发温度变换命令
告警搜索
ECH
执行后只有问多超过上限
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