智能水杯软件设计.docx

1、智能水杯软件设计1.前言随着社会进步与经济发展，人们对生活质量的要求越来越高，每天的饮水量是衡量健康的重要指标。但有多少人因为忙碌的工作而全天忘记喝水？当你感到口渴想要喝水的时候，体内的失水已经达到2%，口渴本身其实是体内已经严重缺水的表现，这是造成“亚健康”状态的致命习惯之一。同时，越不注意喝水，喝水的欲望就会越低，人就会变得越来越缺水。研究表明，通常情况下，正常人每次喝水应控制在300ml，间隔时间为30到60分钟。本课程设计就此设计出一款智能水杯，用来智能显示水温和提醒喝水，既方便了生活，又保持了健康。本报告针对智能水杯的软件系统进行阐述，软件编程在keil上操作。2.总体设计框架2.1

2、实现的功能硬件结构框架图如图1所示。图1 硬件结构简图（1）水温检测使用DS18B20温度传感器，完成水温的时时检测功能。（2）水温及定时时间显示使用LCD1602液晶显示屏，完成水温及定时时间的显示功能。（3）智能提醒使用定时器0，开启定时器中断，蜂鸣器提醒。（4）定时时间设置使用外部中断0扩展电路，用三个按键触发中断，完成对应定时开启和定时时间加减的功能。2.2总体程序流程图总体程序流程图分为主程序和中断程序两部分，其中中断程序分为外部中断程序和定时器中断程序。流程图如下图所示。图2 主程序流程图 图3 外部按键中断流程图蜂鸣器提醒，计数清零LCD显示定时时间减1中断计数加1定时器中断?一

3、分钟时间到达?定时时间到达?YYY图4 定时器中断程序设计流程图3.水温采集模块程序设计3.1 DS18B20简介DS18B20 单线数字温度传感器，即“一线器件”，其具有独特的优点：（1）采用单总线的接口方式，与微处理器连接时，仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。单总线具有经济性好，抗干扰能力强，适合于恶劣环境的现场温度测量，使用方便等优点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。（2）测量温度范围宽，测量精度高 DS18B20 的测量范围为 -55 + 125 ； 在 -10+ 85C 范围内，精度为 0.5C 。（4）持多点组网功能 多个DS18

4、B20 可以并联在惟一的单线上，实现多点测温。（5）供电方式灵活DS18B20 可以通过内部寄生电路从数据线上获取电源。因此，当数据线上的时序满足一定的要求时，可以不接外部电源，从而 使系统结构更趋简单，可靠性更高。（6）测量参数可配置DS18B20 的测量分辨率可通过程序设定 912 位。3.2 DS18B20的初始化主机首先发出一个480960微秒的低电平脉冲，然后释放总线变为高电平，并在随后的480微秒时间内对总线进行检测，如果有低电平出现说明总线上有器件已做出应答。若无低电平出现一直都是高电平说明总线上无器件应答。作为从图5 DS18B20初始化时序图器件的DS18B20在一上电后就一

5、直在检测总线上是否有480960微秒的低电平出现，如果有，在总线转为高电平后等待1560微秒后将总线电平拉低60240微秒做出响应存在脉冲，告诉主机本器件已做好准备。若没有检测到就一直在检测等待。 初始化时序图如图5所示。/* 函数名 : Ds18b20Init* 函数功能 : 初始化* 输入 : 无* 输出 : 初始化成功返回1，失败返回0*/unsigned char Ds18b20Init() unsigned int i; Desport=0; /将总线拉低480us960us i=70; while(i-);/延时642us Dsport=1;/然后拉高总线，若DS18B20做出反应

6、会将在15us60us后将总线拉低 i=0; while(Desport) /等待DS18B20拉低总线 i+; if(i50000)/等待50MS return 0;/初始化失败 return 1;/初始化成功3.3 DS18B20写周期写周期最少为60微秒，最长不超过120微秒。写周期一开始做为主机先把总线拉低1微秒表示写周期开始。随后若主机想写0，则将总线置为低电平，若主机想写1，则将总线置为高电平，持续时间最少60微秒直至写周期结束，然后释放总线为高电平至少1微秒给总线恢复 。而DS18B20则在检测到总线被拉底后等待15微秒然后从15us到45us开始对总线采样，在采样期内总线为高电

7、平则为1，若采样期内总线为低电平则为0。写周期时序图如图6所示。图6 DS18B20写周期时序图/* 函数名 : Ds18b20WriteByte* 函数功能 : 向18B20写入一个字节* 输入 : com* 输出 : 无*/void Ds18b20WriteByte(unsigned char dat) unsigned int i,j; for(j=0;j=1; 3.4 DS18B20读周期读周期是从主机把单总线拉低1微秒之后就得释放单总线为高电平，以让DS18B20把数据传输到单总线上。作为从机DS18B20在检测到总线被拉低1微秒后，便开始送出数据，若是要送出0就把总线拉为低电平直到

8、读周期结束。若要送出1则释放总线为高电平。主机在一开始拉低总线1微秒后释放总线，然后在包括前面的拉低总线电平1微秒在内的15微秒时间内完成对总线进行采样检测，采样期内总线为低电平则确认为0。采样期内总线为高电平则确认为1。完成一个读时序过程至少需要60微秒才能完成。其读周期的时序图如图7所示。图7 DS18B20读周期时序图/* 函数名 : Ds18b20ReadByte* 函数功能 : 读取一个字节* 输入 : com* 输出 : 无*/unsigned char Ds18b20ReadByte() unsigned char byte,bi; unsigned int i,j; for(j

9、=8;j0;j-) Dsport=0;/先将总线拉低1us i+; Dsport=1;/然后释放总线 i+; i+;/延时6us等待数据稳定 bi=Dsport; /读取数据，从最低位开始读取 byte=(byte1)|(bi7); /*将byte左移一位，然后与上右移7位后的bi，注意移动之后移掉那位补0。*/ i=4; /读取完之后等待48us再接着读取下一个数 while(i-); return byte;3.5 温度读取程序简单的读取温度值的步骤如下：跳过ROM操作-发送温度转换命令-跳过ROM操作-发送读取温度命令-读取温度值（1）温度转换指令：/* 函数名 : Ds18b20Cha

10、ngTemp* 函数功能 : 让18b20开始转换温度* 输入 : com* 输出 : 无*/void Ds18b20ChangTemp() Ds18b20Init(); Delay1ms(1); Ds18b20WriteByte(0xcc); /跳过ROM操作命令 Ds18b20WriteByte(0x44); /温度转换命令 Delay1ms(100);（2）温度读取指令/* 函数名 : Ds18b20ReadTempCom* 函数功能 : 发送读取温度命令* 输入 : com* 输出 : 无*/void Ds18b20ReadTempCom() Ds18b20Init(); Delay1

11、ms(1); Ds18b20WriteByte(0xcc); /跳过ROM操作命令 Ds18b20WriteByte(0xbe); /发送读取温度命令（3）读取温度：/* 函数名 : Ds18b20ReadTemp* 函数功能 : 读取温度* 输入 : com* 输出 : 无*/int Ds18b20ReadTemp() unsigned int temp=0; unsigned char tmh,tml; Ds18b20ChangTemp(); /先写入转换命令 Ds18b20ReadTempCom();/然后等待转换完后发送读取温度命令 tml=Ds18b20ReadByte(); /读取

12、温度值共16位，先读低字节 tmh=Ds18b20ReadByte(); /再读高字节 temp=tmh; temp=8; temp|=tml; return temp;4.显示模块程序设计4.1 LCD1602初始化表1 LCD1602指令表指令码功能00001DCBD=1 开显示； D=0 关显示C=1 显示光标； C=0 不显示光标B=1 光标闪烁； B=0 光标不显示000001NSN=1 当读或写一个字符后地址指针加一，且光标加一N=0 当读或写一个字符后地址指针减一，且光标减一S=1 当写一个字符时，整屏显示左移（N=1）或右移（N=0），以得到光标不移动而屏幕移动的效果S=0 当

13、写一个字符，整屏显示不移动01H显示清屏：所有显示清零80H+地址码（0-27H，40H-67H）设置数据地址/* 函数名 : LcdInit()* 函数功能 : 初始化LCD屏* 输入 : 无* 输出 : 无*/void LcdInit() /LCD初始化子程序 LcdWriteCom(0x38); /设置显示模式 LcdWriteCom(0x0c); /开显示不显示光标，光标不闪烁 LcdWriteCom(0x06); /写一个指针加1 LcdWriteCom(0x01); /清屏 LcdWriteCom(0x80); /设置数据指针起点4.2 LCD1602写周期时序图如图8所示，RS=

14、0为写命令，RS=1为写数据。在写周期，R/W=0，E为写数据或命令使能输入。图8 LCD1602写时序图（1）写命令：/* 函数名 : LcdWriteCom* 函数功能 : 向LCD写入一个字节的命令* 输入 : com* 输出 : 无*/void LcdWriteCom(unsigned char com) /写入命令 RS=0; RW=0; GPIO_LCD=com; Delay1ms(10); E=1; Delay1ms(10); E=0;（2）写数据/* 函数名 : LcdWriteData* 函数功能 : 向LCD写入一个字节的数据* 输入 : dat* 输出 : 无*/ voi

15、d LcdWriteData(unsigned char dat) /写入数据 RS=1; RW=0; GPIO_LCD=dat; Delay1ms(10); E=1; Delay1ms(10); E=0;5. 定时模块程序设计定时/计数器实质上是一个加1计数器。它随着计数器的输入脉冲进行自加1，也就是每来一个脉冲，计数器就自动加1，当加到计数器为全1时，再输入一个脉冲就使计数器回零，且计数器的溢出使相应的中断标志位置1，向CPU发出中断请求（定时/计数器中断允许时）。如果定时/计数器工作于定时模式，则表示定时时间已到；如果工作于计数模式，则表示计数值已满。与定时器相关的寄存器如下：TCOND

16、7D6D5D4D3D2D1D0功能TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0TF1和TF0：T1和T0的溢出标志位，溢出后由硬件自动置1发出定时器中断请求。中断响应后标志位自动清零。IE1和IE0：INT1和INT0的标志位，引脚状态变化后由硬件自动置1 发出外部中断请求，中断响应后标志位自动清零。IT1和IT0：INT1和INT0的触发方式选择位。TMODD7D6D5D4D3D2D1D0功能GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0GATE：门控制为0时仅有运行控制位TRx来控制定时/计数器的开启。为1时由TRx和外部中断脉冲计数。（用于计算外部中断负跳变 的次数）C/T：计数器模式

17、和定时器模式选择为0时选择定时器模式，为1时选为计数器模式。方式1的计数位数是16位，由TL0作为低8位、TH0作为高8位，组成了16位加1计数器 。如图9所示。图9 定时器模式1示意图5.1定时器设置/* 函数名 : Timer * 函数功能 : 设置定时器并开始计时* 输入 : 无* 输出 : 无*/ void Timer() TMOD=0X01; /定时器选择工作模式1 TH0 = 0x3C; /定时器赋初值 TL0 = 0xB0; /定时50ms EA = 1; /开启中断 ET0 = 1; /开启定时器中断 TR0=1; /启动定时器 5.2 定时器中断子程序定时器中断子程序完成的功

18、能有：（1）定时器重新赋初值；（2）统计中断次数，并在LCD上显示剩余时间；（3）判断是否达到定时终点以启动蜂鸣器。/* 函数名 : Timer0() interrupt 1* 函数功能 : 设置定时器中断执行程序，LCD显示定时剩余时间* 输入 : 无* 输出 : 无*/ void Timer0() interrupt 1 TH0 = 0x3C; TL0 = 0xB0; /定时器重新赋值 Time+; k+; /中断次数计数 if(k=20) /20次中断，即1s LCDwritecom(0xc2); LCDwritedat(0+(-j)/10); LCDwritedat(0+(j)%10)

19、; /定时显示剩余时间 k=0; if (Time=full) /判断是否达到定时时间 for(i=0;i100;i+) sound=1; /启用无源蜂鸣器 Delay1ms(1); sound=0; Delay1ms(1); Time=0; j=full/20; /计数初始化 6.中断模块程序设计中断是指CPU在执行当前程序的过程中，由于某种随机出现的外设请求或CPU内部的异常事件,使CPU暂停正在执行的程序而转去 执行相应的服务处理程序；当服务处理程序运行完毕后，CPU再返回到暂停处继续执行原来的程序。51单片机的中断系统如图10所示。图10 中断系统结构图6.1外部中断设置/* 函数名

20、: IntConfiguration()* 函数功能 : 设置外部中断* 输入 : 无* 输出 : 无*/void IntConfiguration() IT0=1;/外部中断0跳变沿触发方式（下降沿） EX0=1;/打开INT0的中断允许。 EA=1;/打开总中断 6.2键盘扫描中断子程序中断程序完成的功能有：（1）判断按键是否按下；（2）执行对应按键的功能。/* 函数名 : Scankey()* 函数功能 : 键盘扫描，并执行对应按键的程序* 输入 : 无* 输出 : 无*/void Scankey()if(key1=0) /判断按键是否按下 Delay1ms(10); /延时消抖 if(

21、key1=0) /判断按键是否按下 for(;) if(key1=0) continue; else break; for(;) while(key1=0); /检测按键是否松开 if(key1=0) continue; else break;. /执行对应按键的程序 7.整体编程的实现软件编程在keil上操作，在各个模块的子程序完成后，在主程序按照流程图图11 proteus仿真效果图调用各个子函数即可完成最终的编程。在经过编译之后，将机器代码导入到实现搭建好的硬件proteus仿真，其效果图11所示。8.设计过程中的问题及解决方案在确定了各种所需的元器件之后，对各种元器件的资料文档进行了仔

22、细研读。采用分模块的方式，分别编写了温度读取子函数，温度显示子函数，定时器子函数，中断子函数，键盘扫描子函数。再用keil编写编译后，也出现了不少问题，但都问题不大，调试过后都编译成功了。在用proteus搭建好了硬件电路之后，仿真时出现了一系列问题，第一，lcd1602没有显示。第二，有较大的噪音。第三，按键不是很灵敏。在网上找了资料之后发现，在proteus仿真中LCD1602是不带上拉电阻的，于是在库里找了一个排阻，果然就有显示了，但是显示的温度一直是-0.06，温度传感器是好的，这点我用我买的单片机自带的温度传感器检测过了。这个问题困扰了我们好久，请教老师之后，老师说仿真和具体的实际操

23、作是有区别的。于是我开始一句一句检测我的温度传感器程序，在用keil调试时，无意中发现传感器的初始化少了几个微妙，不大抱什么希望的改好之后，再用仿真时LCD居然成功地与温度传感器数据同步了！当时特别兴奋，终于搞定了。至于第二个问题是噪音的问题，发现时蜂鸣器的接口没有初始化，这个较简单。第三个问题是按键灵敏度的问题，由于之前没有采用中断，灵敏度不是很高，在使用与门产生外部中断和相应的程序改变后，这个问题也解决了。9.收获与感悟课程设计虽然占用了我们不少课余时间，但我们的收获也是挺多的。在知识积累方面，熟悉了proteus的和keil的仿真过程，还有关于单片机的定时器，中断，i/o口的知识的巩固和认知的深化。作为一个工科生，动手操作是必须的。只有不断的积累经验，才能成为一名出色的工程师。虽然我们才刚刚初步了解一些专业知识