隨著社會的發展和人類生活水平的提高，浴室逐漸普及化，另外一些公共場合、公共浴室耶相當普遍，但現有浴室中的淋浴裝置存在一定的問題：舊式的淋浴器水溫不太穩定，調節不方便，從而給人們洗澡造成了一些不便，也存在一定的浪費現象。隨著微機測量和控制技術的迅速發展與廣泛應用，以單片機為核心的溫度采集與控制系統的研發與應用在很大程度上提高了生產生活中對溫度的控制水平。 本方案主要論述了一種以STC89C52單片機為主控制單元，以DS18B20為溫度傳感器的溫度控制系統。本系統以加熱器和電風扇為控制對象，以MCS-51單片機為控制核心，進行了軟硬件的設計。
硬件電路由PROTEL設計制作，主要設計了溫度數據采集、LCD1602顯示、溫度超限報警提示、升降溫控制和溫度按鍵設置五個硬件部分。軟件設計采用模塊化設計方案，主要編寫了溫度數據采集、液晶顯示驅動、溫度超限報警、溫度上下限按鍵設置和升降溫控制五個部分。該設計控制器使用單片機STC89C52，測溫傳感器使用DS18B20，用1602LCD液晶顯示實現溫度顯示，升降溫單元采用加熱器和電風扇，報警提示電路采用聲光報警。
本設計實現的主要功能如下： ①顯示當前水溫 ②通過按鍵調節水溫 ③當溫度超過了溫度上下限的時候的，有聲光報警裝置進行提示
本設計可以分為以下幾個模塊： 溫度采集模塊、鍵盤調節模塊、顯示模塊、報警模塊以及單片機最小系統。
系統設計框圖如下圖1所示：
圖1 系統設計框架
三、具體實現方案 1、溫度數據采集電路 目前，在工業、民用業控制的很多領域，溫度監控普遍是利用熱敏電阻組成的測溫電路，經過A/D與D/A轉換后實現測溫，但是由于熱敏電阻的不穩定性，導致測溫易受外界干擾、且精度不高。DS18B20數字溫度傳感器是Dallas公司生產的1-Wire，即單總線器件，具有線路簡單、體積小的特點。因此用它組成一個測溫系統，具有線路簡單，通過1根通信線可以掛很多這樣的數字溫度傳感器，十分方便。 本系統選擇的溫度傳感元件是美國DALLAS公司推出的智能化數字式溫度傳感器DS18B20。采用外接電源供電方式對DS18B20進行供電。溫度測量電路如圖2所示。 圖2 溫度測量電路 DS18B20采用外部供電方式，為保證在有效的DS18B20時鐘周期內提供足夠的電流，接了一個4.7kΩ的上拉電阻。當DS1SB20處于寫存儲器操作和溫度A/D轉換操作時，必須有上拉電阻，上拉開啟時間最大為10us。DS18B20在空閑時，其DQ口由一個4.7kΩ的上拉電阻置為高電平。本系統采用封裝為TO-92的DS18b20。DS1SB20只有3根外部引線：共用地線GND；單線的數據傳輸端口DQ；外部供電的電源線VCC。
2、單片機的最小系統設計思路： （1）單片機的選型：本設計采用STC89C52單片機。STC89系列單片機是MCS?51系列單片機的派生品。它們在指令系統、硬件結構和片內資源上與標準8051單片機完全兼容，DIP40封裝系列與8051為pin-to-pin兼容。STC89系列單片機高速（最高時鐘頻率90MHz），低功耗，在系統中應用可編程（ISP，IAP），不占用用戶資源。 STC89C52系列單片機引腳功能分類單片機引腳結構圖如下： 
圖3 STC89C52引腳結構圖 （2）、時鐘電路的設計 MCS-51系列單片機HMOS器件內含有一個高增益的反相放大器，通過XTAL1、XTAL2外接作為反饋元件的晶體后，構成自激振蕩器。 接法如圖所示 
圖4 單片機的時鐘電路原理圖 振蕩器的振蕩頻率主要取決于晶體；電容對振蕩頻率有微調作用，通常在30pF左右。電容的安裝位置應盡量靠近單片機芯片。 （3）、復位電路的設計 單片機在啟動運行時都需要復位，以便CPU和系統中的其他部件都處于某一確定的初始狀態，并從該狀態開始工作。MCS-51系列單片機的復位（RST）引腳上只要出現了10ms以上的高電平，單片機就實現復位。復位的功能是把程序計數器PC值初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執行程序。除此之外，復位操作還對一些特殊功能寄存器的值有影響。 MCS-51系列單片機系統常常有上電復位和操作復位兩種方法。上電復位是指單片機上電瞬間，要在RST引腳上出現寬度大于10ms的正脈沖，才能使單片機進入復位狀態。操作復位是指用戶按下“復位”按鈕使單片機進入復位狀態[4]。本系統中這兩種復位電路（如圖5）都體現出來了。 
圖5 單片機的復位電路原理圖 上電時，+5V電源立即對單片機芯片供電，同時經R對電容C充電。C上電建立的過程就是負脈沖的寬度，經過倒相后，RST上出現正脈沖使單片機實現上電復位。 當按鈕S0按下時，RST上同樣出現高電平，實現復位。
（4）、單片機的最小系統總體設計 由單片機、時鐘電路、復位電路和電源等就組成了能使單片機實現基本功能的電路就叫做單片機的最小系統。如下圖6所示 
圖6 單片機的最小系統
3、溫度傳感器 由于DS18B20具有獨特的單總線接口方式在淋浴房測溫時有明顯的優勢，占用單片機的I/O引腳資源少，和單片機的連接電路比較簡單，成本較低，傳輸距離遠，和其他數字溫度傳感器相比，它更適合本系統，所以，本系統選用DS18B20為溫度測量的傳感器。 DS18B20主要由四部分組成：64位光刻ROM數據存儲器、溫度傳感器、非易失性電可擦寫溫度報警觸發器TH、TL以及非易失性電可擦寫設置寄存器。 內部結構如下圖所示： 
圖7 DS18B20內部結構 如圖7所示，該器件只有3根外部引腳，其中VDD和GND為電源引腳，另一根DQ線則用作I/O總線，因此稱為一線式數據總線。與單片機接口的每個I/O口可掛接多個 DS18B20器件。DS18B20是DS1820的升級產品，一般封裝為TO- 92，比DS1820的PR-35封裝更小。DS18B20只有三根外部引線：單線數據傳輸端口DQ、共用地線GND、外供電源線VDD。 
圖8 DS18B20的封裝形式 4、顯示器 字符型液晶顯示模塊是一種專門用于顯示字母、數字、符號等點陣式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模塊，本設計使用的是長沙太陽人電子有限公司的1602字符型液晶顯示器。顯示容量為16×2個字符；芯片工作電壓是4.5—5.5V；工作電流為2.0mA（5.0V）；模塊最佳工作電壓是5.0V；字符尺寸為2.95×4.35（W×H）mm。 顯示器原理圖部分如下： 
圖9
一般1602字符型液晶顯示器實物如圖10所示。  圖10 LCD1602實物圖
5、溫度超限報警設計 在某些時刻，系統的控制參數可能處于某種緊急狀態或反常狀態下，為了充分引起人們的注意，以便及時進行處理，避免不必要的事故產生，往往需要有某種能對人們提起警覺的報警信號產生，這種報警信號通常有三種類型：閃光報警、鳴音報警、語音報警。本系統采用簡單易行的聲光報警電路。 
圖11 報警環節的電路原理圖 在本系統中設置了單路報警信號，蜂鳴器報警和紅色LED亮燈報警信號都由單片機的P1.6口接入，由于接入的信號較小，就用PNP型三極管（型號為S8550）將輸入信號放大，具體如圖2.3所示。其報警的過程為：當水溫值超過設定的上下限時，Pl.6輸出為低電平，當發射結正偏，集電結反偏，三極管導通，蜂鳴器發聲報警，同時LED3也亮燈報警，相關人員注意到報警情況后就可以做出相應的調整。 6、升降溫控制 當系統的檢測到的溫度超過某設定溫度值或者降低到某設定值以下的時候，就要做相應的處理，用繼電器把溫度提高，或者用風扇進行排風操作來達到降溫的目的，由于器材的有限，就暫時用兩個發光二極管代替繼電器和風扇。 
圖12 7、溫度按鍵設計 系統需對室溫上下限的值進行設定，這就需要應用按鍵來實現。按鍵鍵盤有獨立式按鍵和矩陣式鍵盤兩種形式。根據實際情況，本系統采用獨立式鍵盤設計。其接口電路如圖2.5所示。溫度上下限按鈕控制部分由三個接觸式開關控制溫度上下限的調節。三個開關分別和單片機的P1.1、P1.2、P3.2相連。采用中斷掃描方式識別按鍵。在初始化系統時，首先是將固化在存儲器中的初始溫度設定值賦給定義的數據緩存變量。當按下S3鍵以后，外部中斷0產生中斷。通過服務程序掃描P1.1、P1.2口，讀入相應按鍵數據，經過運算修改數據緩存變量，并送LCD進行顯示。若按下復位按鍵時即顯示初始設置值。開關控制是低電平有效，單片機的P1.1、P1.2、P3.2的三個端均為高電平，當其中任意一個按鈕按下是，則按鈕對應的端口接地，高電平變為低電平。 
圖13 溫度上下限調節電路原理圖 三個按鈕控制功能如下： S1：作為選擇調節上限，還是下限的啟動鍵。 S2：作為溫度上下限值的調節按鍵。 S3：作為進入調節狀態啟動鍵。
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2019-1-10 03:26 上傳
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