基于单片机的智能型浴室混水阀控制器的设计初稿

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1、学校代码： 11059 学 号： 0605074001 HefeiUniversity毕业论文设计BACHELOR DISSERTATION 论文题目：基于单片机的智能型浴室混水阀控制器的设计55 / 60基于单片机的智能型浴室混水阀控制器中 文 摘 要随着信息技术的飞速发展以及人们生活水平的大幅度提高,人们对生活的需求已从追求简单向着追求质量,功能,服务等多重需求过渡。在冬天,热水器是人们使用很频繁的家用电器,但传统的机械式混水阀的对水温的调节操控性并不是很好。因而本设计针对热水器的混水阀控制器进行改进,使其具有自动调节水温的功能以及良好的操控性。 本文采用AT89C52单片机来检测整个系统

2、,温度传感采集水管现场数据,经过信号处理模块对信号进行处理,通过模数转换器,将信号送入单片机,显示处理结果。硬件部分介绍温度传感器、A/D转换器、单片机、显示模块及步进电机。软件部分主要介绍设计思想及主程序流程图,系统调试部分包括调试软件、调试过程及调试过程中出现的问题和解决方法。关键词：混水阀；单片机；温度；传感器Based on Microprocessor Intelligent Controller of Mixing ValveAbstractWith the rapid development of information technology ,peoples living st

3、andards greatly improved, demanding people seeking a simple life toward the pursuit of quality, functionality and service multiple needs of the transition. In winter, water heater is very frequent the use of household appliances, but the traditional mechanical mixing valve for regulating water tempe

4、rature is not very good handling. Therefore the design of the mixing valve controller for the water heater to improve, it has the automatic adjustment function of temperature and good handling.In this paper, AT89C52 microcontroller to detect the entire system, water temperature sensing field data co

5、llection, through the signal processing module processing the signal through the ADC, the signal into the microcontroller, display processing results. Temperature sensor section describes the hardware, A / D converter, microcontroller, display module and stepper motor. Software design and introduce

6、some of the main program flow chart, system debugging section includes debugging software, the debugging process and the debugging process problems and solutions.Keywords:mixing valve； microcontroller；Temperature；sensor目 录第一章绪论11.1课题研究的背景及依据来源11.1.1课题研究的背景11.1.2 课题的依据来源11.2传统机械式混水阀21.2.1传统机械式浴室混水阀的工

7、作原理21.2.2传统机械式混水阀存在的问题21.3智能型浴室混水阀21.3.1智能型浴室混水阀控制器的基本组成21.3.2智能型浴室混水阀控制器工作原理3第二章系统方案的设计与论证32.1系统功能32.2系统总体方案规划42.3各模块方案选择及论证42.3.1中央处理单元42.3.2键盘输入模块42.3.3温度显示模块52.3.4温度采集模块52.3.5执行机构5第三章主要元器件的设计73.1 AT89C52单片机73.1.1 功能特性描述73.1.2 管脚描述83.1.3 引脚功能83.2 AD590温度传感器103.2.1 概述103.2.2 AD590工作原理113.3 ADC0809

8、模数转换器113.3.1 主要特性113.3.2 ADC0809工作原理:123.4 1602字符液晶133.4.1引脚说明133.4.2字符集153.4.3指令集163.5 4*4矩阵键盘163. 6 步进电机173.6.1 概述173.6.2分类183.6.3基本原理183.7 步进电机驱动芯片L297193.7.1 概述193.7.2 L297各引脚功能说明203.7.3 L297驱动相序的产生22第四章系统硬件设计2241 扩展外围接口2242 温度检测电路设计23431 设计目标23432 设计的出发点23434 转换电路234.3 显示电路设计244.4 执行机构的设计24第五章系

9、统的软件设计255.1 系统软件设计思想255.1.1 系统流程图255.1.2 冷热水的配比265.2子程序描述及流程图265.2.1 系统初始化子程序265.2.2 A/D转换子程序265.2.3 键盘扫描子程序265.2.4 温度显示子程序275.2.5打开电机子程序275.3.6 温度控制子程序275.2.7 水位控制285.2.8中断子程序28第六章系统调试与仿真296.1 温度采集的调试296.2 44键盘的调试306.3 供水部分的调试306.4 步进电机的调试306.5 Proteus 系统仿真305.5总结30结束语30参考文献31致31附录32第一章 绪论1.1课题研究的背

10、景及依据来源1.1.1课题研究的背景随着电子技术以及应用需求的发展,单片机技术得到了迅速的发展,在高集成度,高速度,低功耗以及高性能方面取得了很大的进展。由于单片机具有功能强、体积小、可靠性好、和价格低廉等独特优点,因此,在智能仪器仪表、工业自动控制、计算机智能终端、家用电器、儿童玩具等许多方面,都已得到了很好的应用,因而受到人们高度重视,取得了一系列科研成果,成为传统工业技术改造和新产品更新换代的理想机种,具有广阔的发展前景。温度是工业控制中主要的被控参数之一,特别是在冶金、化工、建材、食品、机械等工业中,具有举足重轻的作用,因此,温度控制系统是典型的控制系统。伴随着科学技术的发展,电子技术

11、有了更高的飞跃,我们现在完全可以运用单片机和电子温度传感器对某处进行温度检测,而且我们可以很容易地做到多点的温度检测,我们还可以进行不同地点的实时温度检测和控制。1.1.2 课题的依据来源目前,在宾馆、家庭以及公共浴室中使用的混水阀,大多数是机械式混水阀,其类型有冷热水手调式、单把开关调温式等几种。虽然外形设计多种多样、美观大方,但是洗浴者对水温的调节都是依靠机械式混水阀对热水管道与冷水管道阀门的开启比例来实现的。其操作过程往往需要操作者通过肢体比如：手触觉进行测量来反映混合后水温是否合适,使用多有不便,并且容易导致混水阀门的使用寿命缩短。随着计算机智能技术的发展,特别是微型计算机技术的发展,

12、利用单片机开发智能型浴室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,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。21世纪是信息社会,更是现代化社会。而现代化不仅要工业现代化,人们的日常生活也要跟上现代化的步伐,而这些是离不开一些智能控制的装置。在人们的家居生活中,大部分人还是使用着传统的机械式淋浴系统,这种系统易损坏且调温不准,容易烫伤皮肤。为使浴室也智能化,因此设计智能型浴室混水阀控制器来改善人们的生活品质。1.2传统机械式混水阀1.2.1传统机械式浴室混水阀的工作原理在传统的浴室供水系统中,一般冷、热水有各自的独立管道个人家庭中使用的太阳能

13、热水器也是如此,通过一个混水阀或两个混水阀来调节水温。一般情况下混水阀由一个冷水进水口、一个热水进水口和一个温水出水口。使用者通过调节混水阀旋钮来选择适合自己淋浴的水温。一般情况下,传统机械式混水阀如图1所示： 图1 传统机械式混水阀示意图1.2.2传统机械式混水阀存在的问题从日常生活经验中可以看出,通过机械式混水阀出来的水温很不稳定,并且不容易用手控制合适的水温。主要原因有两个：一是热水和冷水的温差波动大；二是冷水与热水管道各自的压力不同,从而压力影响了冷水与热水的流速,进而冷水与热水的进水量也就不均衡。1.3智能型浴室混水阀1.3.1智能型浴室混水阀控制器的基本组成智能型浴室混水阀控制器采

14、用Intel公司的8051单片机作为主控制芯片。总控制电路主要由温度采集模块、键盘输入模块、温度显示模块、步进电机驱动模块、水位控制、主控制芯片和电源模块组成。本设计的结构框图如图2所示：图2 智能型浴室混水阀控制器的方框图1.3.2智能型浴室混水阀控制器工作原理针对机械式混水阀存在的问题,智能型混水阀控制器能够较好改进这些问题。智能型混水阀控制器采用温度传感器,能够对进、出水管实时检测和显示对应的温度。步进电机用来调节进水管的开度,使用者通过键盘设定期望温度,由单片机对设定的温度值和实际温度进行比较来调节步进电机的转动量,进而动态的控制冷热水进水管的进水量,以此来达到温度平衡。从而可以达到出

15、水管温度的控制,解决出水温度不稳定的问题。另外,本系统人机界面良好,还有多路水管温度显示,半自动上水的功能。第二章 系统方案的设计与论证2.1系统功能1从键盘输入设定温度值并显示；2通过温度传感器检测三个水管的温度,并显示进水口的冷、热水温度和出水口的温水温度；3控制器比较设定温度和温水温度是否一致,不一致就控制步进电机电机调节冷热水的进水量的比例,从而使出水管的水温与设定的温度值一致。4半自动上水功能,上满水后由LED灯提示报警。2.2系统总体方案规划根据系统的功能要求,系统可规划为中央处理单元单片机、温度采集模块、键盘输入模块、温度显示模块、水位控制、执行机构和电源模块。如图3所示：中央处

16、理单元单片机机键盘输入模块温度显示模块温度采集模块执行单元模块电源模块水位控制图3 系统基本模块方框图2.3各模块方案选择及论证2.3.1中央处理单元目前,生产单片机的公司很多,但技术成熟、芯片工作稳定性好的就少了。主流的生产厂家主要有：Intel 公司、Atmel 公司、Maxim 公司等等。基于经济实用、轻巧灵活、功耗低和熟悉其工作原理及设计方法的原则,我们选择了Intel 公司的80C51单片机核的AT89C52芯片。2.3.2键盘输入模块键盘作为数据输入接口,是大部分自动控制系统不可或缺的一部分。而键盘的接线方法主要有两种：独立式键盘和矩阵式键盘。独立式键盘占用系统I/O口多,且接线麻

17、烦。在本设计中,需要的按键较多,故采用44的矩阵式键盘以节省I/O口资源。2.3.3温度显示模块该模块主要是对出水口的温水温度和键盘设定的温度进行显示,温度由两位数据组成。目前的显示LCD显示、7段数码管显示和VGA显示等等。对于LCD和VGA显示器件显示容丰富,可读性高,但价格相对LED数码管偏高,并且驱动程序复杂。7段数码管具有价格便宜、原理简单、显示数字清晰等诸多优点,在大型报时屏幕、银行利率显示、城市霓虹灯建设中得到广泛应用。但是7段数码管显示容单调,且占用CPU的I/O资源较多。根据本设计的需要,采用LCD1602的液晶屏作为显示器件。2.3.4温度采集模块该模块主要是对两个进水管、

18、一个出水管的温度,即冷水、热水和温水的温度进行检测,然后送到A/D转换器件进行A/D转换,最后送到单片机中进行数据处理。在温度采集器件中,有热电偶、热敏电阻、AD590、DS18B20等等温度传感器。热电偶和热敏电阻检测电路复杂,DS18B20作为数字温度传感器价格贵,而AD590具有响应时间短、输出电流和温度严格成正比例关系,线性度好、要求功率低,广泛应用于加热、空调机及家用电器中,AD590是一个不错的选择。对于A/D转换,本系统对温度的要求不是很高,检测温度围为0-100C。因此不需要位数很高的A/D转换芯片,采用8位的转换芯片就够了。并且ADC0809支持多通道的数/模转换,符合本设计

19、的三通道温度采集的要求。为此,我们选择常用的ADC0809作为系统的A/D转换芯片。2.3.5执行机构在系统中,控制对象为冷水管和热水管的进水量,为了准确的控制进水量,使用直流电机是不能达到目的的。另一种电机是步进电机,这种电机是一步一步转动的,不同型号的步进电机的步进角不同,但它们都能精确定位。步进电机可分为三种类型：1反应式步进电机VR反应式步进电机一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5,但噪声和振动都很大,目前这种电机已被淘汰；2永磁式步进电机PM永磁式步进一般为两相,转矩和体积较小,步进角有7.5、15和30；3混合式步进电机HB混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式两者的优

20、点。它又分为两相和五相：两相的步进角一般为1.8,而五相的步进角一般为0.72。五相步进电机较佳、加减速时间较短、动态惯性较低。它广泛应用于各种领域中,我们也选择二相的混合式步进电机作为执行机构。同时,选择应用广泛的步进电机驱动芯片L297来驱动步进电机。本设计采用单管式混水阀,即只用一个步进电机来控制冷、热进水管的两个阀门。这样的话,冷、热进水管阀门的开度大小相等,方向相反。只要通过计算,调节冷热水的比例,就可以得到不同的出水温度了。并且可以保持出水流量大小的恒定。第三章 主要元器件的设计3.1 AT89C52单片机3.1.1 功能特性描述AT89C52是一个低电压,高性能CMOS 8位单片

21、机,片含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器RAM,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片置通用8位中央处理器和Flash存储单元,功能强大的AT89C52单片机可提供许多较复杂系统控制应用场合。图4为ATMEL公司生产的AT89C52实物图。图4 AT89C52实物图主要功能特性： 兼容MCS51指令系统 8k可反复擦写1000次Flash ROM 32个双向I/O口 256x8bit部RAM 3个16位可编程定时/计数器中断 时钟频率0-24MHz 2个串行中断 可编程UART串行通道

22、 2个外部中断源 共6个中断源 2个读写中断口线 3级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能3.1.2 管脚描述AT89C52P为40 脚双列直插封装的8 位通用微处理器,采用工业标准的C51核,在部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同,其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化,会聚调整控制,会聚测试图控制,红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL119 脚和XTAL218 脚为振荡器输入输出端口,外接12MHz 晶振。RST/Vpd9 脚为复位输入端口,外接电阻电容组成的复位电路。VC

23、C40 脚和VSS20 脚为供电端口,分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I/O 脚,其功能用途由软件定义,在本设计中,P0 端口3239 脚被定义为N1 功能控制端口,分别与N1的相应功能管脚相连接,13 脚定义为IR输入端,10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口,分别连接N1的SDAS18脚和SCLS19脚端口,12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口,连接主板CPU 的相应功能端,用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。管脚图如图5所示：图5 AT89C52管脚图3.1.3 引脚功能RST：复位引脚,输入高电平使89C52复位,返回低电平退出复位/VPP:

24、运行方式时,为程序存储器选择信号,接地时CPU总是从外部存储器中取指令,接高电平时CPU可以从部或外部取指令；FLASH编程方式时,该引脚为编程电源输入端VPP；PSEN:外部程序存储器读选通信号,从外部存储器取指令时,从PSEN引脚输出读选通信号负脉冲；ALE/PROG：运行方式时,ALE为外部存储器低八位地址锁存信号,FLASH编程方式时,该引脚为编程脉冲输入端；XTAL1、XTAL2:为部振荡器电路反相放大器的输入端和输出端,外接晶振电路；P0 口：P0 口是一组8 位漏极开路型双向I/O 口, 也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8 个TTL逻辑门电路,对

25、端口P0 写1时,可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址低8 位和数据总线复用,在访问期间激活部上拉电阻。在Flash 编程时,P0 口接收指令字节,而在程序校验时,输出指令字节,校验时,要求外接上拉电阻。P1 口：P1 是一个带部上拉电阻的8 位双向I/O 口, P1 的输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4 个TTL 逻辑门电路。对端口写1,通过部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。作输入口使用时,因为部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。与AT89C51 不同之处是,P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输

26、入P1.0/T2和输入P1.1/T2EX；Flash 编程和程序校验期间,P1 接收低8 位地址。P2 口：P2 是一个带有部上拉电阻的8 位双向I/O 口,P2 的输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4 个TTL 逻辑门电路。对端口P2 写1,通过部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器例如执行MOVX DPTR 指令时,P2 口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器如执行MOVX RI 指令时,P2 口输出P2 锁存器的容。Flash 编程或校验时,

27、P2亦接收高位地址和一些控制信号。P3 口：P3 口是一组带有部上拉电阻的8 位双向I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动吸收或输出电流4 个TTL 逻辑门电路。对P3 口写入1时,它们被部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时,被外部拉低的P3 口将用上拉电阻输出电流IIL。P3 口除了作为一般的I/O 口线外,更重要的用途是它的第二功能P3 口还接收一些用于Flash 闪速存储器编程和程序校验的控制信号。3.2 AD590温度传感器3.2.1 概述AD590是AD公司利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。实际上,中国也开发出了同类型的产品SG590。这种器件在被测温度一定

28、时,相当于一个恒流源。该器件具有良好的线性和互换性,测量精度高,并具有消除电源波动的特性。即使电源在5-15V之间变化,其电流只是在1A以下作微小变化。AD590是电流型温度传感器,通过对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分档,AD590后缀以I、J、K、L、M表示。AD590L、AD590M一般用于精密温度测量电路,其电路外形如图所示,它采用金属壳3脚封装,其中1脚为电源正端V+,2脚为电流输出端I0,3脚为管壳,一般不用。集成温度传感器的电路符号如图6所示。图6 AD590的外形电路图及电路符号AD590的主要特性参数如下：工作电压：430V工作温度：-55+150保存温度：-65+

29、175正向电压：+44V反向电压：-20V焊接温度10秒：300灵敏度：1A/K3.2.2 AD590工作原理在被测温度一定时,AD590相当于一个恒流源,把它和5-30V的直流电源相连,并在输出端串接一个1K的恒值电阻,此电阻上流过的电流与被测温度成正比,此时电阻两端将会有1mV/K的电压信号。其基本电路如图7所示。图7 感温部分的核心电路图7是利用URE特性的集成PN结传感器的感温部分核心电路。其中T1、T2起恒流作用,可用于使左右两支路的集电极电流I1和I2相等；T3、T4是感温用的晶体管,两个管的材质和工艺完全相同,但T3实质上是由n个晶体管并联而成,因而其结面积是T4的n倍。T3和T

30、4的发射结电压URE3和URE4经反极性串联后加在电阻R上,所以R上端电压为URE。因此,电流II为：II=URE/R=KT/q/R对于AD590,n=8,这样,电路的总电流将与热力学温度T成正比,将此电流引至负载电阻RL上便可得到与T成正比的输出电压。由于利用了恒流特性,所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。图3中的电阻R是在硅板上形成的薄膜电阻,该电阻已用激光修正了其电阻值,因而在基准温度下可得到1A/K的I值。 3.3 ADC0809模数转换器3.3.1 主要特性ADC0809的主要特性指标：分辨率：n=8时钟频率：小于640KHZ转换时间：大于等于100微秒不可调误差：1LSB电源

31、：单电源正5V模拟输入量：8路模拟输入围：05V参考电压：UrefUref=5V3.3.2 ADC0809工作原理:ADC0809为逐次逼近式A/D转换器,具有8个模拟量输入通道。它能与微型计算机的大部分总线兼容,可在程序的控制下选择8个模入通道之一进行A/D转换, 然后把得到的8位二进制数据送到微机的数据总线,供CPU处理。转换器是ADC0809的核心部分,它由D/A转换、逐次逼近寄存器SAR、比较器等组成。其中,D/A转换电路采用了256RT型电阻网络即2n个电阻分压器,此处n=8,它在启动脉冲的上升沿来到时被复位,在启动脉冲的下降沿A/D开始转换。如果在转换过程中接收到新的启动转换脉冲,

32、则终止转换。转换结束信号EOC在A/D转换完成时为1。ADC0809的部结构如图8所示：图8 ADC0809的部结构3.4 1602字符液晶工业字符型液晶,能够同时显示16x02即32个字符16列2行。图9为LCD的示意图。图9 LCD 示意图3.4.1引脚说明1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD,多出来的2条线是背光电源线VCC和地线GND,其控制原理与14脚的LCD完全一样,其中：管脚功能如表1所示：表1 引脚的功能的说明引脚符号功能说明1VSS一般接地2VDD接电源+5V3V0液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高对比度过高时会产生鬼影

33、,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。4RSRS为寄存器选择,高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。5R/WR/W为读写信号线,高电平时进行读操作,低电平时进行写操作。6EE端为使能端,下降沿使能。7DB0底4位三态、 双向数据总线 0位最低位8DB1底4位三态、 双向数据总线 1位9DB2底4位三态、 双向数据总线 2位10DB3底4位三态、 双向数据总线 3位11DB4高4位三态、 双向数据总线 4位12DB5高4位三态、 双向数据总线 5位13DB6高4位三态、 双向数据总线 6位14DB7高4位三态、 双向数据总线 7位最高位也是busy flag15BLA背光电

34、源正极16BLK背光 电源负极寄存器选择的控制如表2所示：表2寄存器选择的控制表RSR/W操作说明00写入指令寄存器清除屏等01读busy flagDB7,以及读取位址计数器DB0DB6值10写入数据寄存器显示各字型等11从数据寄存器读取数据注：关于E=H脉冲开始时初始化E为0,然后置E为1,再清0.busy flagDB7：在此位为被清除为0时,LCD将无法再处理其他的指令要求。 3.4.2字符集1602液晶模块部的字符发生存储器CGROM已经存储了160个不同的点阵字符图形,这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,每一个字符都有一个固定的代码,比如大写的英文字母

35、A的代码是01000001B41H,显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来,我们就能看到字母A。因为1602识别的是ASCII码,试验可以用ASCII码直接赋值,在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值,如A。以下是1602的16进制ASCII码,如表3所示：表3 1602的16进制ASCII码读的时候,先读上面那列,再读左边那行,如：感叹号！的ASCII为0x21,字母B的ASCII为0x42前面加0x表示十六进制。 显示地址：1234567891011121314151600H01H02H03H04H05H06H07H08H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH40H41H4

36、2H43H44H45H46H47H48H49H4AH4BH4CH4DH4EH4FH3.4.3指令集1602通过D0D7的8位数据端传输数据和指令。显示模式设置： 0011 0000 0x38 设置162显示,57点阵,8位数据接口；显示开关及光标设置： 0000 1DCB D显示、C光标显示、B光标闪烁0000 01NS N=1,N=0,S=1 且 N=1 s=0 当写一个字符后,整屏显示不移动数据指针设置：数据首地址为80H,所以数据地址为80H+地址码3.5 4*4矩阵键盘矩阵键盘又称行列键盘,它是用四条I/O线作为行线,四条I/O线作为列线组成的键盘。在行线和列线的每个交叉点上设置一个按

37、键。这样键盘上按键的个数就为4*4个。这种行列式键盘结构能有效地提高单片机系统中I/O口的利用率。矩阵键盘的工作原理:最常见的键盘布局如图10所示。一般由16个按键组成,在单片机中正好可以用一个P口实现16个按键功能,这也是在单片机系统中最常用的形式,4*4矩阵键盘的部电路如图11所示。图10 4*4矩阵键盘 图11 矩阵键盘部电路图当无按键闭合时,P10P13与P14P17之间开路。当有键闭合时,与闭合键相连的两条I/O口线之间短路。判断有无按键按下的方法是：第一步,置列线P14P17为输入状态,从行线P10P13输出低电平,读入列线数据,若某一列线为低电平,则该列线上有键闭合。第二步,行线

38、轮流输出低电平,从列线P14P17读入数据,若有某一列为低电平,则对应行线上有键按下。综合一二两步的结果,可确定按键编号。但是键闭合一次只能进行一次键功能操作,因此须等到按键释放后,再进行键功能操作,否则按一次键,有可能会连续多次进行同样的键操作。其中,键位的设置：0-9分别对应10个数字,代表开始,代表关闭,-代表确定,代表重设。3. 6 步进电机3.6.1 概述图12 步进电机实物步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下,电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数,而不受负载变化的影响,当步进驱动器接收到一个脉冲信号,它就驱动步进电机按设定的方向

39、转动一个固定的角度,称为步距角,它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度,从而达到调速的目的。由于脉冲信号数与步距角的线性关系,加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点,使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 步进电机是一种感应电机,它的工作原理是利用电子电路,将直流电变成分时供电的,多相时序控制电流,用这种电流为步进电机供电,步进电机才能正常工作,驱动器就是为步进电机分时供电的,多相时序控制器 虽然步进电机已被广泛地应用,但步进电机并不能象普通的直流电机,交

40、流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事,它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 3.6.2分类现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机VR、永磁式步进电机PM、混合式步进电机HB和单相式步进电机等。 永磁式步进电机一般为两相,转矩和体积较小,步进角一般为7.5度 或15度； 反应式步进电机一般为三相,可实现大转矩输出,步进角一般为1.5度,但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成,定子上有多相励磁绕组,利用磁导的变化产生转矩。 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相：两相步进

41、角一般为1.8度而五相步进角一般为 0.72度。这种步进电机的应用最为广泛。 3.6.3基本原理通常电机的转子为永磁体,当电流流过定子绕组时,定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度,使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲,电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序,电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。3.7 步进电机驱动芯片L2973.7.1 概述L297是意大利SGS半导体公司生产的步进电

42、机专用控制器,它能产生4相控制信号,可用于计算机控制的两相双极和四相单相步进电机,能够用单四拍、双四拍、四相八拍方式控制步进电机。芯片的PWM斩波器电路可开关模式下调节步进电机绕组中的电机绕组中的电流。该集成电路采用了SGS公司的模拟/数字兼容的I2L技术,使用5V的电源电压,全部信号的连接都与TFL/CMOS或集电极开路的晶体管兼容。L297的芯片引脚特别紧凑,采用双列直插20脚塑封封装,其引脚见图13,部方框见图14。图13 L297引脚图在图14所示的L297的部方框图中。变换器是一个重要组成部分。变换器由一个三倍计算器加某些组合逻辑电路组成,产生一个基本的八格雷码。由变换器产生4个输出

43、信号送给后面的输出逻辑部分,输出逻辑提供禁止和斩波器功能所需的相序。为了获得电动机良好的速度和转矩特性,相序信号是通过2个PWM斩波器控制电动波器包含有一个比较器、一个触发器和一个外部检测电阻,如图16所示,晶片部的通用振荡器提供斩波频率脉冲。每个斩波器的触发器由振荡器的脉冲调节,当负载电流提高时检测电阻上的电压相对提高,当电压达到Uref时,将触发器重置,切断输出,直至第二个振荡脉冲到来、此线路的输出是一恒定速率的PWM信号,L297的CONTROL端的输入决定斩波器对相位线A,B,C,D或抑制线INH1和INH2起作用。CONTROL为高电平时,对A,B,C,D有抑制作用；为低电平时,则对

44、抑制线INH1和INH2有抑制作用,从而可对电动机和转矩进行控制。图14 L297部方框电路图图15 L297变换器换出的八步雷格码顺时针旋转图16 斩波器线路3.7.2L297各引脚功能说明1脚斩波器输出端。如多个297同步控制,所有的SYNC端都要连在一起,共用一套振荡元件。如果使用外部时钟源,则时钟信号接到此引脚上。2脚接地端。3脚集电极开路输出端。当L297在初始状态时,此端有指示。当此引脚有效时,晶体管开路。4脚A相驱动信号。5脚控制A相和B相的驱动极。当此引脚为低电平时,A相、B相驱动控制被禁止；当线圈级断电时,双极性桥用这个信号使负载电源快速衰减。若CONTROL端输入是低电平时

45、,用斩波器调节负载电流。6脚B相驱动信号。7脚C相驱动信号。8脚控制C相和D相的驱动级。作用同INH1相同。9脚D相驱动信号。10脚L297的使能输入端。当它为低电平时,INH1,INH2,A,B,C,D都为低电平。当系统被复位时用来阻止电机驱动。11脚斩波器功能控制端。低电平时使INH1和INH2起作用,高电平时使A,B,C,D起作用。12脚+5V电源输入端。13脚C相、D相绕组电流检测电压反馈输入端。14脚A相、B相绕组电流检测电压反馈输入端。15脚斩波器基准电压输入端。加到此引脚的电压决定绕组电流的峰值。16脚斩波器频率输入端。一个RC网络接至此引角以决定斩波器频率,在多个L297同步工

46、作时其中一个接到RC网络,其余的此引角接地,各个器件的脚 I 应连接到一起这样可杂波的引入问题如图5所示。17脚方向控制端。步进电机实际旋转方向由绕组的连接方法决定。当改变此引脚 的电平状态时,步进电机反向旋转。18脚步进时钟输入端。该引脚输入负脉冲时步进电机向前步进一个增量,该步进是在信号 的上升沿产生。19脚半步、全步方式 选择端。此引脚输入高电平时为半步方式,低电平时为全步方式。如选择全步方式时变换器在奇数状态,会得到单相工作方式。20脚复位输入端。此引脚输入负脉冲时,变换器恢复初始状态 。3.7.3L297驱动相序的产生L297能产生单四拍、双四拍和四相八拍工作所需的适当相序。3种方式

47、的驱动相序都可以很容易地根据变换器输出的格雷码的顺序产生,格雷码的顺序直接与四八拍相符合 ,只要在脚19输入一高电平即可得到。其波形图如图16所示。 图17 四相八拍模式波形图通过交替跳过在八步顺序中的状态就可以得到全步工作方式,此时需在脚19接一低电平,前已述及根据变换器的状态可得到四拍或双四拍2种工作模式,如图18,19所示。 图18 单四拍模式波形图 图19 双四拍模式波形图第四章 系统硬件设计41 扩展外围接口根据总体方案,外扩74LS164用于LCD显示温度、外扩8路8位ADC0809作温度测量和通过3个电位器产生3个可调控制参数；44键盘和8052的P0口相连。完整的硬件电路组成如

48、图19所示。图19 硬件电路组成42 温度检测电路设计431 设计目标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,系统能自动调节温度,以保持设定的温度基本不变,达到自动控制的目的。系统的温度最小区分度为1。432 设计的出发点在达到对温度的检测和控制的基础上,达到一定的测控精度,并尽量使系统的可靠性高、稳定性好、使用灵活、实现容易。图20为ADC0809与代替温度传感器的电位器连接。图20 ADC0809与代替温度传感器的电位器的连接图434 转

49、换电路在设计测温电路时,首先应将电流转换成电压。由于AD590为电流输出元件,它的温度每升高1K,电流就增加1A。当AD590的电流通过一个10K的电阻时,这个电阻上的压降为10mV即转换成10mV/K,为了使此电阻精确0.1%,可用一个9.6K的电阻与一个1K电位器串联,然后通过调节电位器来获得精确的10K。图21所示是一个电流/电压和绝对/摄氏温标的转换电路,其中运算放大器A1被接成电压跟随器形式,以增加信号的输入阻抗。而运放A2的作用是把绝对温标转换成摄氏温标,给A2的同相输入端输入一个恒定的电压如1.235V,然后将此电压放图21 电流/电压和绝对/摄氏温标的转换电路大到2.73V。这

50、样,A1与A2输出端之间的电压即为转换成的摄氏温标。将AD590放入0的冰水混合溶液中,A1同相输入端的电压应为2.73V,同样使A2的输出电压也为2.73V,因此A1与A2 两输出端之间的电压：2.73-2.73=0即对应于0。4.3 显示电路设计由于单片机I/O资源也有限,则用74LS164串/并移位寄存器连接LCD显示屏以减少占用I/O的资源。具体连接如图21所示。图21 LCD 连接图4.4 执行机构的设计本设计采用混合双向步进电机,用L297作为驱动芯片。具体连接如图22所示。图22 步进电机于L297的连接第五章 系统的软件设计5.1 系统软件设计思想5.1.1 系统流程图首先淋浴

51、者按下开始键后,将系统是否运行标志位start置1,淋浴者输入自己设定的温度并按下确定键后,系统开始运行。之后程序对冷、热和温水处的传感器检测到的温度进行处理,产生一个判断量和一个转动量：是升温还是降温,步进电机的转动量,然后程序对处理的结果进行执行。最后,淋浴者淋浴完毕,按下关闭键后,程序结束。根据设计思想,得到主程序流程图如图23所示。图23 主程序流程图5.1.2 冷热水的配比出水口的温度主要和以下两个方面有关：一是冷热进水管流量大小的比例,二是步进电机的控制精度即步距角。对于不同流量大小的两种水温混合的计算是比较复杂的,因此想要步进电机通过计算后的转角一次达到设定的温度几乎是不可能的。

52、针对这一问题,我们可以控制步进电机实时在线连续无限靠近设定值。假设步进电机的布距精度为1度,步进电机以100度的转矩控制阀门的开度,并且阀门开度是线性的。则可利用以下公式,控制步进电机的转动的步数。5.2子程序描述及流程图根据系统的要求,系统程序由80C52、LCD1602显示段码头文件、系统初始化子程序、A/D转换子程序、键盘扫描子程序、温度显示子程序、设定温度转换子程序、升温控制子程序、降温控制子程序、定时器0中断子程序、定时器1中断子程序和系统退出子程序组成。5.2.1系统初始化子程序该程序对系统中使用的各个变量,标志位赋初值,以及定时器0、定时器1的工作模式定义和计数初值的赋值。具体程

53、序参见附录。5.2.2 A/D转换子程序该程序是对采集到的模拟温度值进行A/D转换,然后将转换得到的数字量转化为0-99实际温度值。转化公式为：temp=buffer*100/255。式中,temp为实际温度值；buffer为A/D转换后的数字量。具体程序参见附录。5.2.3键盘扫描子程序该程序主要是用于获取外界输入值,比如淋浴温度值,系统的开启、关闭和输入值的重设等。其流程图如图24所示。具体程序参见附录。图24 键盘扫描流程图5.2.4温度显示子程序该程序是对设定温度和温水温度分别进行显示。具体程序参见附录。5.2.5打开电机子程序当系统第一次启动时,让步进电机转60步,使冷、热进水管的进

54、水量各为一半。具体程序参见附录I。5.3.6温度控制子程序该程序用于判断设定温度和出水口温水温度,通过改变冷、热水进水量来出水口的温度。本设计采用单管式混水阀,即只用一个步进电机控制冷、热水进水管的阀门,通过科学的计算分配冷、热水的比例。正转表示冷水进水量增大,热水进水量减小,但总的出水量不变,从而达到降温的效果。反转则相反,为升温效果。当设定温度与出水温度不一致时,步进电机会根据数据处理程序处理的结果进行相应的转动。其流程图如图4.4所示。具体程序参见附录。5.2.7 水位控制 本智能混水阀具有水位检测和手动上水功能。当水位时,系统关闭上水阀,并通过LED灯报警提示。当水位未满时,使用者可通

55、过手动实现上水,无需等待关闭。具体流程图如图25所示。图25 水位控制流程图5.2.8中断子程序 定时器0中断子程序该中断程序用于给ADC0809提供时钟频率,实时对温度进行检测。具体程序参见附录。 定时器1中断子程序该中断用于提供步进电机的步进脉冲,实现步进电机的正反转。其流程图如图26。具体程序参见附录。图26 中断1子程序流程图第六章 系统调试与仿真6.1 系统调试首先使用者按下系统开始键,输入淋浴温度,按下确定键后,在冷水进水管和热水进水管处的步进电机根据设定的温度及在两进水管处的温度传感器传回的温度信息来调节两进水管的进水量来达到调温的目的,同时通过温度显示模块将冷水进水管、热水进水

56、管和出水口的温度传感器检测的温水温度显示出来。与此同时,使用者如果觉得温度不合适,可以按下重设键重新设值。系统运行中由温水出水管处的温度传感器检测到的温度反馈到控制芯片,然后和设定的温度值进行比较来调节步进电机的转动量,进而动态的控制冷热水进水管的进水量,以此来达到温度平衡。使用者淋浴完毕,按下关闭键后,系统停止工作。此外,本设计具有半自动上水的功能,可以解决人们经常用完热水器忘记上水的烦恼。即在键盘中按下加水的功能键后,单片机控制上水阀门打开,从而向水箱中上水。当水加满时,会接触一个限位开关并且有LED灯提示水已加满。限位开关将改变信号传回单片机中,在控制上水阀门关闭,停止上水。6.2 Pr

57、oteus 系统仿真图系统protuse仿真图如图27所示：图27 系统protuse仿真图结束语本系统是一个基于单片机而开发的自动化产品,是智能家居的一部分。在系统中使用的电机为能精确定位的步进电机,步进电机在自动控制领域中使用非常广泛。在系统设计过程中,力求使系统简洁,程序简单清晰明了。在历时近半年的毕业设计中,我学会了如何有效地查阅文献,收集资料,如何更快速地读懂器件手册,更进一步锻炼了分析问题、解决问题的能力。另外,这半年的设计过程其实也是对我三年所学知识的一次大检阅,使我认识到我三年里学到了什么,还有哪些方面的能力有待提高等等。不过,相信这半年的毕业设计过程将会为我今后的工作和学习打

58、下坚实的基础,也是我人生的一笔宝贵的财富。本系统控制灵活,简单方便,制作成本低。同时也有不足的地方:比如说转角控制的精度还不算十分精确；还应该加入总开关控制水流的大小,以控制水流的大小,达到节水的功能；另外,本设计也可以加入水位显示的功能,是使用者更加直观的了解水位。总之,本设计可以归于温度控制系统,如作修改可使其运用在工业控制系统中。具有较大的应用前景。参考文献1 双喜 智能型浴室混水阀控制器的设计J,微型机与用,2005,NO.6:17-18.2 楼然苗,光飞,单片机课程设计指导.航天航空大学,20073 余文俊,8051 C语言实习,中国水利水电,20034 沙占友,孟志永,王彦朋,单片

59、机外围电路设计,电子工业,20065 建辉,冀常鹏,等,单片机智能控制技术 国防工业,20076 赖麒文,8051单片机嵌入式系统应用,科学,20027 唐光荣,微型计算机应用技术,清华大学,20008 余锡存,单片机原理及接口技术,电子科技大学,20069 义和,王敏男,许宏昌,余春长,例说51单片机C语言版,人民邮电,2008致经过半年的忙碌和工作,本次毕业设计已经接近尾声,作为一个本科生的毕业设计,由于经验的匮乏,难免有许多考虑不周全的地方,如果没有导师的督促指导,以及一起工作的同学们的支持,想要完成这个设计是难以想象的。在这里首先要感我的导师s老师。强老师平日里工作繁多,但在我做毕业设计的每个