基于单片机的智能浴室设计初稿.docx

1、基于单片机的智能浴室设计初稿摘 要本课题设计主要以单片机为控制核心的智能浴室温控系统，该课题融合了单片机技术、传感器技术、液晶显示技术等。整个系统的主要控制核心是单片机，由单片机负责控制DS18B20温度传感器的初始化，再运用DS18B20温度传感器采集浴池水的温度，最后再交给单片机来处理。在给予准确的设定温度后，由单片机控制进行加热。在洗浴过程中，当水温低于所设定温度的范围则继续加热，如果水温过高并达到威胁人身安全的时候，该系统会自动停止，并发出报警。在如今高速运转的智能化时代，人们对卫浴产品的追求也随之提高，而该系统设计也主要运用在家庭及个人的小型浴室中，该系统不仅进行了基于单片机智能浴室

2、控制系统设计的硬件设计，而且针对硬件平台进行了软件开发，为了达到预期的目标，该课题进行了一定的仿真，其中包括硬件电路、软件程序等。 关键词 单片机 温度显示控制 智能浴室 AbstractThis topic is designed primarily for the control of a microcontroller core smart bathroom temperature control system, which combines topics microcontroller technology, sensor technology, LCD technology. The

3、 main control system is the core of the microcontroller, the microcontroller controls the initialization DS18B20 temperature sensor , then use DS18B20 temperature sensor acquisition bath water temperature , and finally to the microcontroller to handle . After giving an accurate set temperature, heat

4、ed by the SCM . In the bathing process, when the water temperature is below the set temperature range will continue to heat , if the water temperature is too high and threaten the personal safety when reached , the system will automatically stop and alarm . In todays era of high-speed operation of t

5、he intelligent people on the pursuit of bathroom products also will increase , and the system design is mainly used in household and personal small bathroom , the system will not only be based on single-chip intelligent control system design bathroom hardware design, and hardware platform for softwa

6、re development , in order to achieve the desired objectives , the subject for a certain simulation, including hardware circuits, software programs, etc.Key words Temperature display control electric box第1章 绪论1.1 课题背景及研究意义利用单片机的智能浴室有利于处在现代快速发展社会的人群，在下班后去除一身的疲惫和桑拿带来的享受，但是怎样运用单片机技术来实现智能浴室的操控？随着计算机智能技术的

7、发展，特别是微型计算机技术的发展，利用单片机开发智能型浴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，同时具有桑拿时室温、时间、电话以及休闲MP3等功能，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。由于单片机具有集成度高，适用性能好，功能相较强大，特别是单片机的体积小，重量相比较轻，耗能相对低，可靠性较高，抗干扰能力较强和使用十分方便等独特优点，在科学、数字、智能化方面都有着广泛的用途。而以往的浴室对水温的控制主要以触摸来自自身的感觉水温的适宜程度，到采用常规仪器仪表加接触器的断续控制水温的方法,首先这些方法对自身的危险些大，容易给人身安全带来一

8、定的威胁，常规仪器仪表对水温度控精确度也相对较低，而且装置较多、体积相对较大，操作极为不便。采用单片机实现温度控制则可以大大提高温度控制的精确度，也提高了温度控制系统的性能价格比，也适宜现今的电子智能技术高速发展的社会潮流，且易于推广及家庭和个人的应用等优点。本课题所设计的智能浴室控制系统用单片机对温度进行实时检测和控制，浴室混水阀自动恒温控制问题；LCD液晶显示屏显示实际进出水管的温度值，方便人工监视；用键盘输入温度控制设定值，便于使用者设定温度值。当实际温度值不等于设定值时，系统能基于单片机进行自动调节温度，以保持设定的温度基本不变，并达到系统自动控制温度的目的。系统的温度最小区分度为1。

9、 1.2本论文的研究内容和组织结构基于单片机的智能浴室控制系统是以单片机作为核心控制器件，采用DS18B20温度传感器，外加数码管等显示电路，设计基于单片机的智能浴室控制系统，该课题融合了单片机技术、传感器技术、液晶显示技术等。整个系统的是由单片机为控制核心的，单片机负责控制DS18B20温度传感器的初始化，再运用DS18B20温度传感器采集浴池水的温度，最后交给单片机来来处理。 本课题首先对分析了对基于单片机的智能浴室控制系研究的目的和意义、现今社会的发展情况以及系统的怎样实现进行了阐述，为后续对基于单片机智能浴室系统设计展开的工作做好准备。接着对系统的实现所运用到的基本理论和相关技术分别进

10、行了介绍。介绍了单片机结构和DS18B20温度传感器，也对设计编译软件Keil和电路设计软件PROTEL进行了介绍。然后进行了基于单片机的智能浴室控制系统硬件平台的设计，并且开发了基于该硬件平台的软件程序，实现本课题预期目标。第2章 设计方案的论证与选择2.1设计方案论证总体设计思路：该系统主要控制核心采用单片机，DS18B20温度采集电路，显示电路，报警电路和温度控制电路构成基于单片机的智能浴室装置，在此，提出几种可行的系统设计方案，经过分析之后，选取最佳设计方案，作为本课题的研究方案。1该设计方案所构成的一个水温控制器采用单片机技术、DS18B20传感器、74HC138和16*16点阵显示

11、器等。该方案中单片机控制16*16点阵显示器这部分编写程序的时候比较复杂并且编程的强度较大，非常容易出错。另外，74HC138、16*16点阵显示器与单片机接口在硬件电路上会变的很复杂，而且硬件电路的外围电路较多，最重要的就是，16*16点阵模块显示模块是不直观的，也不容易观察，32*32点阵模块的设计比较复杂，功耗大。2采用单片机、DS18B20传感器，和液晶显示器LCD1602等核心部件。该方案采用液晶显示器来浴池里面水的当前温度，这种方式显示直观、接口简单而且编程强度不大。这样就可以缩短系统的开发周期，减少系统成本开销。分析之后，本课题选择了使用单片机和温度传感器模块、液晶显示显示模块等

12、构成基于单片机的智能浴室控制系统。开发环境为Keil uVision2，使用C51语言编程，因为当程序稍大一些的时候，C语言的优势就体现出来了，开发速度比汇编语言要快得多，维护修改比汇编语言容易得多。对于本课题来讲，还有很多其他的不采用主控制器的实现方式，对于原始的设计方式，不在本课题讨论范围之内。2.2元器件及其开发软件简介在完成了系统整体设计方案的确定之后，对系统中所用到的主要芯片进行选型和简介。2.2.1单片机的选型与简介 方案一、 51系列单片机51系列是应用最广泛的单片机，它有着一套完整的从内部的硬件到软件的按位操作系统，被称作位处理器。51系列的单片机所处理对象不是字或字节而是位，

13、使用极为灵活。51系列在I/O脚的设置和使用方面非常简单，但他无输出能力的时候是高电平，因此是有利有弊。尽管如PIC系列、AVR系列等系列的单片机对I/O口进行了改进，同时为了输入或输出增加了方向寄存器来以确定，但使用起来也变得复杂。 方案二、 AVR单片机AVR单片机其具有高性能、高速度、低功耗的显著的特点。它对机器周期进行了取消，又将时钟周期作为指令周期，实行系统的作业。AVR单片机时以字为单位的指令以，其中单周期指令占到大部分。而单周期可同时执行本指令功能及完成下一条指令的读取。在所有通用寄存器中一共32个(RO-R31)，且前16个寄存器(R0R15)都不能直接与立即数打交道，因而通用

14、性大大下降了。而在5l系列中，51系列的单片机中所有的通用寄存器(地址00-7FH)都可以可以直接与立即数打交道，显然要比前者更加实用。方案三、PIC单片机PIC单片机系列的产品产自美国微芯公司（Microship），是目前市场份额增长最快的单片机之一。CPU采用RISC结构，属精简指令集。PIC的优势在在于他们的芯片较多，从六个引脚的单片机到上百引脚的单片机都有。其型号不同，内部集成的功能种类和RAM/ROM大小也不同。还有集成了DSP功能的dsPIC系列。PIC单片机便宜，功能简单，开发容易，但其运算能力和控制能力不如AVR单片机。 在本课题中，采用方案一，这是由于大学阶段系统学过51单片

15、机，而且采用51单片机能够满足系统的设计要求。下面简单介绍一下该单片机。单片机的管教分布如下图2-2所示。图2-2 单片机管脚分布图 如图2-1所示，DIP封装的单片机有40个管脚，40个引脚分为4类，每类管脚都有不同的功能，具体参考所用单片机的技术手册或者相应的教材。对于单片机的内部功能模块，可以参考图2-3 所示的结构框图。图2-3 单片机结构原理图2.2.2 显示器件的选型与简介 方案一、 数码管显示数码管显示是最简单的显示方式，数码管是一种半导体发光器件，其主要以发光二极管作为基本单元。码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元（多一个小数点显示）

16、；按能显示多少个“8”可分为1位、2位、4位等等数码管。显然数码管显示直观，编程简单，容易控制。 方案二、LED点阵显示LED点阵显示屏是目前应用非常广泛的显示器件。LED点阵屏通过LED(发光二极管）组成，以灯珠亮灭来显示文字、图片、动画、视频等，是各部分组件都模块化的显示器件，通常由显示模块、控制系统及电源系统组成。LED点阵显示屏制作简单，安装方便，被广泛应用于各种公共场合。但LED点阵屏驱动复杂，连线较多，体积大，虽然显示效果直观，但不适用于本设计。方案三、LCD显示屏 液晶显示屏 英文名称： liquid crystal display panel;LCD panel 定义： 利用液

17、晶的电光效应调制外界光线进行显示的器件。在日常生活中，液晶显示器并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。先看几张LCD1602的图片，如图所示。 图2-4 LCD1602正面背面图1602LCD主要技术参数：1显示容量:162个字符；2芯片工作电压:4.55.5V；3工作电流:2.0mA(5.0V)；4模块最佳工作电压:5.0V；5字符尺寸:2.954.35(WH)mm。 本课题在对比以上显示器件之后，选用数码管作为本课题的显示终端，课题选用的是4连体共阳数码管，下面简单介绍一下该数码管的技

18、术参数。本课题所用的数码管的实物如下图所示。图2-54连体数码管实物图（1）4连体共阳数码管的详细参数介绍： 波长：630+/-20nm 正向压降(IF=20mA)：2.12.5V 光强(IF=20mA)：20mcd(典型值) 推荐使用恒流驱动，恒压会出现亮度不均匀现象。 推荐使用电流：动态平均电流35mA,峰值不超过100mA（2）4连体数码管的管脚图和封装：图2-6 4连体数码管内部图 图2-7 4连体数码管封装图2.2.3 温度传感器DS18B20的简介 DS18B20温度传感器是新一代数字式温度传感器，是美国Dallas半导体公司生产的产品，它具有非常独特的单总线接口方式，是可以在一条

19、信号线上挂接数十甚至上百个数字式传感器，从而在测温装置方面和各传感器的接口方面运用起来就变得十分简单，同时克服了模拟式传感器与微机接口时需要的 A/D 转换器及其它复杂外围电路的缺点，而且，可以通过总线供电，由它组成的温度测控系统非常方便，而且具有制作成本低、自身的体积小和在运用时可靠性高等特点。DS18B20温度传感器的的测温范围-55+125，0.0625是其可达可最高分辨率，在DS18B20温度传感器出厂时在ROM中是都会刻有自己唯一的一个序列号 ，因此 CPU 可用简单的通信协议就可以识别，从而在引线和逻辑电路做了大量的节省。Dallas 公司的单总线技术具有较高的性能价格比，有以下特

20、点：适用于低速测控场合，测控对象越多越显出其优越性；性价比高，硬件施工、维修方便，抗干扰性能好；具有 CRC 校验功能，可靠性高；软件设计规范，系统简明直观，易于掌握。 DS18B20 明显的优势在于独特的单总线接口方式在多点测温，其占用 MCU 的 I/O 引脚资源少，和 MCU 的通信协议比较简单，成本较低，传输距离远，所以，本课题选用 DS18B20 做为温度测量的传感器。2.2.4 Keil及其开发流程简介51内核单片机的最常用开发软件KEIL是美国一家公司所设计的基于C语言和汇编语言的集成软件开发环境。使用非常简单，功能非常强大。使用者可以使用C语言或者汇编语言快速的开发设计软件程序

21、，而且可以在线调试，仿真，是国内应用最广泛的一款51单片机的编译软件。使用KEIL软件进行开发的时候，其开发流程如下：1. 创建新的工程项目文件，选择开发板对应的目标单片机，配置使用的工具设置。 2. 新建源程序代码文件，且保存文件，在编辑窗口中采用设计语言完成源代码的编辑。3. 用项目管理器生成设计者的应用。4. 修改源程序中的错误。5. 测试，连接应用。2.2.5 PROTEL简介PROTEL系列的PCB设计软件相信对于国内众多的工程师而言都不陌生，从学生阶段一直到初次步入公司从事研发工作，大部分的人初次接触和使用的都是PROTEL系列的电路设计和原理图设计软件。这得益于Altium 公司

22、在中国的持续不断的推广工作和每年开展的针对学生，高校和众多中小公司的免费讲座和培训工作。 PROTEL的历史自不必多说，从进入中国以来，PROTEL软件以其操作简单，实用、对PC机的要求低得到了众多工程师的喜爱。早起的版本功能较少，运行的环境基本是DOS操作系统，只包含了电路原理图SCH设计功能和引述电路板PCB的设计功能，而且需要工程师手动调整布局布线，大大影响了产品电路板设计的效率。到目前，PROTEL系列的设计软件硬件发展到了ALTIUM DESIGNER系列。ALTIUM DESIGNER设计软件是一个功能强大的设计软件，可以在众多操作系统下使用，基本涵盖了电子系统设计的各个方面，不仅

23、可以从事SCH电路设计和PCB电路板的设计，而且还可以对所设计的电路进行仿真，还涵盖了目前比较热门的SOPC设计，不仅可以使用HDL等硬件设计的描述语言进行基于FPGA的开发，而且还可以使用C语言和C+等软件设计语言对SOPC进行开发,Altium公司也开发了一系列从8位到32位的处理器，使之可以嵌入到FPGA中，作为片上系统的设计使用，这大大扩展了PROTEL系列软件的使用。目前对于国内的众多公司而言，由于很多公司设计的都是功能比较简单的控制板、开发板、调试板等，大部分公司出于经营成本的考虑，选择PROTEL系列的99SE作为PCB的设计软件，该软件功能强大，可以满足从从低端到比较复杂的高端

24、设计的应用，而且软件价格低廉，授权费用低。Altium公司每年还会为公司的员工举行各种各样的培训，所以其应用非常的广泛。基于PROTLE系列99SE软件的设计流程如图2-10所示。从2-9可以看出，该PCB设计软件涵盖了PCB设计的方方面面，工程师利用该软件可以快速完成从原理图到PCB再到电子产品的设计。2-9 PCB设计流程2.3整体设计方案前面确定了基于单片机的智能浴室控制系统的最佳设计方案，在此对设计方案做详细论述。智能浴室单片机温控系统的整体结构可用图3-1所示的框图来说明，整个系统的主要控制核心是单片机，由单片机负责控制DS18B20温度传感器的初始化，再运用DS18B20温度传感器

25、采集浴池水的温度，最后再交给单片机来处理。在给予准确的设定温度后，由单片机控制进行加热。即数字温度传感器DS18B20把所测得的温度值传递到51单片机，单片机对温度值进行处理，并把数据送至LCD模块进行显示，如果温度过高或者过低，系统都会采取相应的措施来处理，同时具有报警功能。图2-1 系统整体框图2.4本章小结 在此，对本章所做工作做一个小结，本章首先确定了基于单片机的智能浴室控制系统的整体设计方案，接着对课题中用到的主要元器件进行了选型，确定了单片机、显示模块、温度传感器芯片等器件，对本课题中所用的主要芯片进行了简介，并对本课题所用的原理图设计软件和软件编译软件进行了简介。在确定了系统使用

26、的元器件之后，确定了系统的整体硬件设计构架，本章是后续基于单片机的智能浴室控制系统设计的基础。后续的硬件设计和软件开发都是在本章的基础上展开的。第3章 系统硬件设计3.1 统总体设计3.1.1 系统设计方框图根据设计要求分析，可得出智能浴室水温控制系统总体设计框图如图3-1所示，控制器采用单片机STC89C52，温度传感器采用DS18B20，用液晶LCD1602显示当前的水的温度值，系统能对温度进行调节，温度过高过低会报警操作。图3-1 系统总体结方框图 这个图中，可以看到，该基于单片机的智能浴室控制系统主要由六大基本模块组成，分别为电源模块、DS18B20温度采集模块、STC单片机主控模块、

27、温度控制调节模块，液晶显示终端模块和PC端的上位机。上电后，系统进行初始化，DS18B20采集现场的温度，送往单片机，经过简单处理，一方面在本身自带的显示终端上实时显示温度的数值，还可以根据需要对浴池的水温温度进行调节。这些外围模块在单片机的控制下工作，目的就是智能浴池中水的温度，让其在预定的温度条件下，稳定可靠的运行。3.2 硬件电路分模块设计 3.2.1 单片机最小系统电路3-2 单片机最小系统模块单片机应用的最小系统，是单片机的正常工作时运用最少的外围元器件和最简洁的功能模块来实现，简单的说就是让单片机能够正常运行的必需电路；对51内核系列的单片机来说，最小系统一般应该包括：某型号单片机

28、、晶振电路、复位电路。接下来，来对最小系统的复位电路模块和晶振电路进行必要的简单说明。1. 复位电路分析当单片机系统运行不稳定的时候，可以按下复位键，是的单片机系统回到一个确定的状态。单片机需要复位的必要条件就是在RST端口加一个持续大约2MS的高电平即可实现复位。本设计的复位电路如图最小系统所示，图中的复位电路是上电复位和手动复位的集合。上电直接复位一次，也可以按下复位键来进行复位。2. 晶振电路 在这里分析一下本课题设计的晶振电路，对于本课题来讲，单片机的晶振电路如图3-1所示。选择12M的晶振，C3和C4的大小都是30PF，也可以选择22PF，这两个电容的目的是协助晶振起振，这连个电容数

29、值的选取参考单片机的典型晶振接法即可。一般单片机的技术手册里面都有典型晶振电路的参考电路图，在设计电路的时候，要参考技术手册的晶振电路设计方式。3.2.2LCD显示模块本设计的液晶显示电路选用的液晶显示模块是LCD1602，LCD1602采用标准的16脚接口。在具体讲电路设计原理之前，首先来看一看LCD的液晶显示器件的管脚信号说明。在基于单片机的智能浴室控制系统设计中采用LCD1602作为显示终端，显示家庭燃气浓度的信息，采用并行接口和89C52单片机相连，液晶用5V电压驱动，显示两行字符。本课题的电路连接如图3-3所示，在讲电路设计原理之前，先来看看LCD的显示原理。1. LCD1602管脚

30、信号说明表3-1 LCD管脚功能说明序号符号管脚功能说明序号符号管脚功能说明1GND5V电源地9D28位数据口D2位2VCC5V电源正极10D38位数据口D3位3VL对比度调节端口11D48位数据口D4位4RS寄存器选择端（数据/命令）12D58位数据口D5位5RW读写控制端口13D68位数据口D6位6EN使能信号端口14D78位数据口D7位7D08位数据口D0位15BL+背光电源正极8D18位数据口D1位16BL-背光电源负极 图3-3 LCD显示电路电路分析： 电路硬件连接如上图所示，单片机的P0口和液晶显示器的数据端口相连（注意P0口设计时加10K上拉电阻），液晶显示器的RS接到单片机的

31、P20端口。液晶的R/W端接到GND端口，直接接地代表只对LCD进行写操作，因为设计的系统只需要向液晶模块写数据和命令。液晶的使能端E接到单片机的P21管脚，时能信号是控制LCD的必须信号。LCD液晶的第三脚的作用是调节液晶显示的对比度，该端口一个10千欧姆的可调电阻接地，通过调节可变电阻的阻值来改变LCD的显示。液晶LCD的1，2管脚为电源端，2端口接5V电源正极，1端口接地。3.2.3 串口电路由于采用STC系列芯片的时候，下载单片机程序使用。本课题设计串口模块主要是为了用来下载程序。电路分析：该串口通信电路为典型电路。4个104瓷片电容是MAX232所需要注意的。在电路中为了完成TTL电平到RS232电平的转换，其MAX232起到了主要的作用。该电路的好处是不仅可以用于单片机和PC机之间的串行通信，还可以下载程序，本课题选用的是AT单片机，而串口下载电路是AT单片机典型的下载电路。在本电路的设计中，MAX232的四个电容是我们需要特别注意到的，因此必须严格按照MAX232的技术文档来设计。四个电容的取值一般可以用104电容，如果在设计发现不能正常通信的话，可以适当加大电容的取值，采用无极性的瓷片电容即可，最大可以采用10uF的瓷片电容。图3-4 串口模块3.2.4 温度传感器电路DS18B20总共三个引脚，各个引脚定义： DQ为单数据总