基于单片机温度自动提醒的智能水杯设计毕业设计论文管理资料.docx
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基于单片机温度自动提醒的智能水杯设计毕业设计论文管理资料
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基于单片机温度自动提醒的智能水杯设计
【摘 要】针对低碳、环保生活领域对温度传感器的应用,提出单片机实时系统智能水杯的设计方法。
在此基础上,采用了DS18B20温度传感器,并对温度采集、实时控制进行了仿真分析,本文提出了性能较好的智能水杯设计方法和多样功能。
【关键词】：
单片机温度传感器半导体
Smartcuptemperaturebasedonautomaticremind
【Abstract】:
Theapplicationoflowcarbon,environmentalprotectionareasoflifetothetemperaturesensor,putsforwardthedesignmethodofsinglechiprealtimesystemintelligentcup.Onthisbasis,usingDS18B20temperaturesensor,andthetemperatureacquisition,real-timecontrolofthesimulationanalysis,thispaperputsforwardthedesignmethodofthegoodperformanceofglassandvariousfunction.
【Keywords】:
SinglechipmicrocomputerTemperaturesensorSemiconductor
第一章引言
课题的研究背景及意义
课题的研究任务与内容
第二章总体方案设计
方案一
方案二
第三章系统硬件设计
硬件设计环境介绍
单片机最小系统设计
STC89C52简介
单片机端口分配及功能
显示电路设计
LED显示器的分类
数码管结构
数码管工作原理
显示电路
温度采集电路设计
DS18B20的工作原理和测温原理
温度采集电路
温度自动提醒电路设计
温度制冷，制热设计半导体
第四章系统软件设计
系统软件整体设计
系统程序设计
主程序设计
显示程序设计
温度判断程序设计
DS18B20程序设计
第五章系统设计与分析
第六章总结
致谢
参考文献
附录
第一章引言
1.1.课题研究背景与意义
二十一世纪是科技高速发展的信息时代，电子技术，微信单片机技术的应用更是空前广泛。
伴随着科学技术和生产的不断发展，需要对各种参数进行温度测量。
因此温度一次在生产生活中出现的频率日益增多，与之相对应的温度控制和测量也成为了生活生产中频繁使用的词语。
同时它们在各行各业中也发挥着重要的作用。
如在日趋发达的工业之中，利用测量与控制温度来保证生产的正常运行。
在农业中，用于保证蔬菜大棚的恒温保产等。
在生活中，这个用于喝水家用电器的温度显示等。
本文针对人们无法准确的获知或得到提示杯子中的水是否已到适合人饮用的温度的问题，设计了一种带有温度自动提醒功能的智能水杯。
通个温度的监控来提醒使用者杯中的谁是否适合喝下以及有好的控制温度达到制冷制热。
有效的解决人们经常由于各种原因而忘记时刻去关注谁的温度变化的缺陷。
以避免人们尤其老人，小孩或病人在需要饮水时喝到凉水或受到烫伤。
能够把握准确的水温。
1.2.课题研究任务与内容
课题任务主要是设计一款智能水杯，针对人们不能直观的感知水温的问题，结合当前先进的电子和信息技术。
如单片机，传感器等。
提出一种具有自动提醒功能的智能水杯。
本课题任务可分为三个层次，一是对当今温度测量技术在生产生活中的应用进行分析和研究；二是通过硬件和软件的设计，来实现智能水杯的各种功能；三是通过仿真实验，验证设计的温度自动提醒功能的智能水杯的有效性和可用性。
本文的研究重点在于基于单片机和传感器设计一个温度测量，感知系统和制冷制热系统，并将其应用到智能水杯中，并对现有方案的优点与不足进行分析，在此基础上通过软件和硬件进行仿真验证。
第二章总体方案设计
2.1方案一
测温电路的设计，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理。
在显示电路上，就可以将被测温度显示出来，这种设计需要A/D装换电路，感温电路比较麻烦。
2.2方案二
考虑使用温度传感器，结合单片机电路设计，采用一只DS18B20温度传感器，直接读取被测温度值，之后进行制冷制热进行转换，依次完成设计要求。
比较以上2种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计容易实现，故实际设计中拟采用方案二。
，它才用5部分组成：
1．控制部分主芯片采用单片机STC89C52；
2．显示部分采用4位LED数码管以动态扫描方式实现温度显示；
3．温度采集部分采用DS18B20温度传感器；
4．温度提醒部分采用3个不同颜色的LED作为提醒标志
5．半导体制冷制热。
系统电路设计方框图
1.控制部分
单片机AT89C51具有低电压供电和体积小等特点，只需要很少端口就能满足电路系统的设计需要，很适合在小型场合或便捷产品中进行设计使用。
2.显示部分
显示电路采用4位共阴LED数码管，从po口送数，P2口扫描。
3.温度采集部分
该模块采用美国DALLAS公司推出的数字测温芯片DS18B20，该芯片具有体积小，多种封装形式，独特的单线接口等优点。
测量范围从-55摄氏度到+125摄氏度，拥有可以选择的9到12位温度数据分辨率，可以工作在寄生电源模式，另外还可自定义温度告警设置。
本系统中温度传感器输出脚I/，KΩ的上拉电阻到电源，采用MSP430的电源供电[8]。
DS18B20芯片封装如图1-2所示。
图1-2DS18B20芯片封装
4.制冷制热部分
通过2个半导体来实现制冷，制热。
5.温度提醒部分
该部分分别采用红，绿，黄3个不同颜色的数码管来显示不同的温度范围。
红色LED表示温度较高，范围60度以上；绿色LED表示温度适宜，范围30-60°；黄色LED表示温度较低，范围30度以下。
第三章系统硬件设计
3.1硬件设计环境介绍
AltiumDesigner是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子产品开发系统，主要运行在Windows操作系统。
这套软件通过把原理图设计、电路仿真、PCB绘制编辑、拓扑逻辑自动布线、信号完整性分析和设计输出等技术的完美融合，为设计者提供了全新的设计解决方案，使设计者可以轻松进行设计，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。
AltiumDesigner除了全面继承包括Protel99SE、ProtelDXP在内的先前一系列版本的功能和优点外，还增加了许多改进和很多高端功能。
该平台拓宽了板级设计的传统界面，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程设计人员能将系统设计中的FPGA与PCB设计及嵌入式设计集成在一起。
由于AltiumDesigner在继承先前Protel软件功能的基础上，综合了FPGA设计和嵌入式系统软件设计功能，AltiumDesigner对计算机的系统需求比先前的版本要高一些
3.2单片机最小系统设计
STC89C52简介
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。
与MCS-51单片机产品兼容
8K字节在系统可编程Flash存储器
1000次擦写周期
全静态操作：
0Hz～33Hz
三级加密程序存储器
32个可编程I/O口线
三个16位定时器/计数器
八个中断源
全双工UART串行通道
低功耗空闲和掉电模式
掉电后中断可唤醒
看门狗定时器
双数据指针
掉电标识符
单片机端口分配及功能
STC89C52引脚图如图3-2所示：
图3-2STC89C52引脚图
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
此外，（）和时器/计数器2的触发输入（），具体如表3-1所示。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口作为AT89C51的一些特殊功能口，如表3-1所示：
表3-1P3的特殊功能
口管脚
备选功能
RXD
（串行输入口）
TXD
（串行输出口）
/INT0
（外部中断0）
/INT1
（外部中断1）
T0
（记时器0外部输入）
T1
（记时器1外部输入）
/WR
（外部数据存储器写选通）
/RD
（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
在本设计采用微控制器STC89C52负责实时检测传感器输出的信号是否有变化，其原理图如下图3-3所示：
3.3显示电路设计
LED是一种能发光的半导体电子元件。
这种电子元件早在1962年出现，早期只能发出低光度的红光，之后发展出其他单色光的版本，时至今日能发出的光已遍及可见光、红外线及紫外线，光度也提高到相当的光度。
而用途也由初时作为指示灯、显示板等；随着技术的不断进步，发光二极管已被广泛的应用于显示器、电视机采光装饰和照明。
LED显示器的分类
1、按颜色基色可以分为单基色显示屏:
单一颜色（红色或绿色）。
双基色显示屏：
红和绿双基色，256级灰度、可以显示65536种颜色。
全彩色显示屏：
红、绿、蓝三基色，256级灰度的全彩色显示屏可以显示一千六百多万种色。
2、按显示器件分类LED数码显示屏：
显示器件为7段码数码管，适于制作时钟屏、利率屏等，显示数字的电子显示屏。
LED点阵图文显示屏：
显示器件是由许多均匀排列的发光二极管组成的点阵显示模块，适于播放文字、图像信息。
LED视频显示屏：
显示器件是由许多发光二极管组成，可以显示视频、动画等各种视频文件。
3、按使用场合分类室内显示屏：
发光点较小，一般Φ3mm--Φ8mm，显示面积一般几至十几平方米。
室外显示屏：
面积一般几十平方米至几百平方米，亮度高，可在阳光下工作，具有防风、防雨、防水功能。
4、按发光点直径及间距分类室内屏（按直径分）：
Φ3mm、、Φ5mm、室外屏（按间距分）：
PH10、PH12、PH14、PH16、PH20、PH25、、......
、横向滚动、垂直滚动和翻页显示等。
单块模块控制驱动12块（最多可控制24块）8X8点阵，共16X48点阵（或32X48点阵），是单块MAX7219（或PS7219、HD7279、ZLG7289及8279等类似LED显示驱动模块）的12倍（或24倍）！
可采用“级联”的方式组成任意点阵大显示屏。
显示效果好，功耗小，且比采用MAX7219电路的成本更低。
数码管结构
LED数码管（LEDSegmentDisplays）是由多个发光二极管封装在一起组成“8”字型的器件，引线已在内部连接完成，只需引出它们的各个笔划，公共电极。
LED数码管常用段数一般为7段有的另加一个小数点，还有一种是类似于3位“+1”型。
位数有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等....，LED数码管根据LED的接法不同分为共阴和共阳两类，了解LED的这些特性，对编程是很重要的，因为不同类型的数码管，除了它们的硬件电路有差异外，编程方法也是不同的。
图2是共阴和共阳极数码管的内部电路，它们的发光原理是一样的，只是它们的电源极性不同而已。
颜色有红，绿，蓝，黄等几种。
LED数码管广泛用于仪表，时钟，车站，家电等场合。
选用时要注意产品尺寸颜色，功耗，亮度，波长等。
数码管工作原理
1、静态显示驱动：
静态驱动也称直流驱动。
静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O埠进行驱动，或者使用如BCD码二-十进位*器*进行驱动。
静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O埠多，如驱动5个数码管静态显示则需要5×8＝40根I/O埠来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O埠才32个呢。
故实际应用时必须增加*驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。
2、动态显示驱动：
数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划"a,b,c,d,e,f,g,dp"的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。
透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。
在轮流显示过程中，每位元数码管的点亮时间为1～2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O埠，而且功耗更低。
按键电路
3.4温度采集电路设计
DS18B20的工作原理和测温原理
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
（1）ROM只读存储器，用于存放DS18B20的ID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。
（2）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。
控制器对18B20操作流程：
（1）复位：
首先我们必须对DS18B20芯片进行复位，复位就是由控制器（单片机）给DS18B20单总线至少480μS的低电平信号。
当18B20接到此复位信号后则会在15~60μS后回发一个芯片的存在脉冲。
（2）存在脉冲：
在复位电平结束之后，控制器应该将数据单总线拉高，以便于在15~60μS后接收存在脉冲，存在脉冲为一个60~240uS的低电平信号。
至此，通信双方已经达成了基本的协议，接下来将会是控制器与18B20间的数据通信。
如果复位低电平的时间不足或是单总线的电路断路都不会接到存在脉冲，在设计时要注意意外情况的处理。
（3）控制器发送ROM指令：
双方打完了招呼之后最要将进行交流了，ROM指令共有5条，每一个工作周期只能发一条，ROM指令分别是读ROM数据、指定匹配芯片、跳跃ROM、芯片搜索、报警芯片搜索。
ROM指令为8位长度，功能是对片内的64位光刻ROM进行操作。
其主要目的是为了分辨一条总线上挂接的多个器件并作处理。
诚然，单总线上可以同时挂接多个器件，并通过每个器件上所独有的ID号来区别，一般只挂接单个18B20芯片时可以跳过ROM指令（注意：
此处指的跳过ROM指令并非不发送ROM指令，而是用特有的一条“跳过指令”）。
（4）控制器发送存储器操作指令：
在ROM指令发送给18B20之后，紧接着（不间断）就是发送存储器操作指令了。
操作指令同样为8位，共6条，存储器操作指令分别是写RAM数据、读RAM数据、将RAM数据复制到EEPROM、温度转换、将EEPROM中的报警值复制到RAM、工作方式切换。
存储器操作指令的功能是命令18B20作什么样的工作，是芯片控制的关键。
（5）执行或数据读写：
一个存储器操作指令结束后则将进行指令执行或数据的读写，这个操作要视存储器操作指令而定。
如执行温度转换指令则控制器（单片机）必须等待18B20执行其指令，一般转换时间为500uS。
如执行数据读写指令则需要严格遵循18B20的读写时序来操作。
数据的读写方法将有下文有详细介绍。
当主机收到DSl8B20的响应信号后，便可以发出ROM操作命令之一，这些命令如下：
SkipROM（跳跃ROM指令）
这条指令使芯片不对ROM编码做出反应，在单总线的情况之下，为了节省时间则可以选用此指令。
如果在多芯片挂接时使用此指令将会出现数据冲突，导致错误出现。
ReadScratchpad（从RAM中读数据）
此指令将从RAM中读数据，读地址从地址0开始，一直可以读到地址9，完成整个RAM数据的读出。
芯片允许在读过程中用复位信号中止读取，即可以不读后面不需要的字节以减少读取时间。
ConvertT（温度转换）
收到此指令后芯片将进行一次温度转换，将转换的温度值放入RAM的第1、2地址。
此后由于芯片忙于温度转换处理，当控制器发一个读时间隙时，总线上输出“0”，当储存工作完成时，总线将输出“1”。
在寄生工作方式时必须在发出此指令后立刻超用强上拉并至少保持500MS，来维持芯片工作。
与DS18B20的所有通讯都是由一个单片机的复位脉冲和一个DS18B20的应答脉冲开始的。
单片机先发一个复位脉冲，保持低电平时间最少480μs，最多不能超过960μs。
然后，单片机释放总线，等待DS18B20的应答脉冲。
DS18B20在接受到复位脉冲后等待15～60μs才发出应答脉冲。
应答脉冲能保持60～240μs。
单片机从发送完复位脉冲到再次控制总线至少要等待480μs。
读时隙需15～60μs，且在2次独立的读时隙之间至少需要1μs的恢复时间。
读时隙起始于单片机拉低总线至少1μs。
DS18B20在读时隙开始15μs后开始采样总线电平。
以单片机读取2B的数据为例。
写时隙需要15～75μs，且在2次独立的写时隙之间至少需要1μs的恢复时间。
写时隙起始于单片机拉低总线。
温度采集电路
图3-11DS18B20采集电路图
3.5温度自动提醒电路设计
温度提醒电路只要用于显示温度的范围，以在饮用前告知人们温度是否适宜。
本文采用3个不同颜色的LED作为提醒的标志。
红色LED表示温度较高，不适宜当前饮用，有烫伤的危险，表示的温度范围为60°以上。
；绿色LED表示温度适宜，人们可以正常饮用，其表示温度30°-60°，；黄色LED表示温度较低，提示不习惯饮用冷水的人们该温度不适宜饮用，其表示的温度为30°以下，。
该部分的电路图如下。
3.6温度制冷，制热设计
半导体制冷片，也叫热电制冷片，是一种热泵。
它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。
利用半导体材料的Peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的。
它是一种产生负热阻的制冷技术，其特点是无运动部件，可靠性也比较高。
利用半导体制冷的方式来解决LED照明系统的散热问题，具有很高的实用价值。
本次设计我采用的是TEC12706半导体
半导体热电偶由N型半导体和P型半导体组成。
N型材料有多余的电子，有负温差电势。
P型材料电子不足，有正温差电势；当电子从P型穿过结点至N型时，结点的温度降低，其能量必然增加，而且增加的能量相当于结点所消耗的能量。
相反，当电子从N型流至P型材料时，结点的温度就会升高。
直接接触的热电偶电路在实际应用中不可用，所以用下图的连接方法来代替，实验证明，在温差电路中引入第三种材料（铜连接片和导线）不会改变电路的特性。
这样，半导体元件可以用
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