触摸式取暖器温控电路的设计与实现设计

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1、计算机信息工程学院毕业设计说明书触摸式取暖器温控电路的设计与实现摘要本文的主要目的是介绍触摸式取暖器其温控电路的设计与实现。取暖器是冬天最常用的民用产品，随着新型电子元器件的，在高档家用取暖器中以触摸式按键代替传统的机械按键开关或者弹触开关进行相关的操作。该产品的主芯片利用的是STM8S105K4单片机，STMicroelectronics公司为了顺应时代的发展，已经开发了一整套的触摸感应软件库，使得任意一款8位的STM8系列单片机都可以成为一个电容式触摸按键处理芯片，用COSMIC C进行编程实现其触摸操作，软件实现需要用到ST TOOLSET提供的相关软件开发环境。本产品也实现了红外控制功

2、能，根据红外机制，利用相应的IrDA红外器件配置了一个红外遥控器、主板上有相应的接收器。同时配置了温度传感器，其利用了热敏电阻的性质，用来对温度的采集，测量的温度数据被转换成模拟信号，然后内核将此信号再转换为数字信号，时钟模块实现了日期时间的实时更新与调节，这些信息均能通过LED显示屏显示出来，其中显示电路用到了TM1668显示驱动芯片，蜂鸣器起到报警和提示的功能，这是很多电子产品必不可少的一部分。在电源电路的设计上，需要全面考虑各元器件的额定电压，已确保整个装置的安全，实现稳流、稳压、低功耗、安全节能。目前市场上取暖产品各种各样，它们带给了人们很多的温暖这是显而易见的，但由于使用不当或者产品

3、本身问题，也存在着较多的问题。该产品的出现，以其自身独具特有优势，很受广大消费者的欢迎，相信在不久的将来会在该领域抢先占得一席之地。关键词：触摸式取暖器 STM8S105K4ST TOOLSET IrDA器件 COSMIC1AbstractThe main purpose of this paper is to introduce touch-heater temperature control circuit design and implementation. Heater is the most common winter civilian products, along with ne

4、w electronic components, high-end home heating to touch buttons instead of the traditional touch switches or membrane switch to control its operation.The main advantage of this product is STM8S105K4 chip microcontroller, STMicroelectronics companies in order to conform to the development of the time

5、s, has developed a set of touch-sensing software library, making any of a series of 8-bit STM8 microcontroller can be used as a capacitive touch button controllers use with COSMIC C programming to achieve its touch operation, software implementation need to use ST TOOLSET provide related software de

6、velopment environment. This product is also achieved infrared control function, according to the infrared system, using the corresponding IrDA infrared devices equipped with an infrared remote control; there is a corresponding receiver on the motherboard. Configured with a temperature sensor, which

7、utilizes the nature of the thermostat is used to collect temperature, measured temperature data is converted into an analog signal, and then the core of this signal is then converted to a digital signal, a clock module of the date and time real-time updates and regulation, such information can be di

8、splayed via LED display, which shows the circuit used in the TM1668 display driver chip, buzzer alarm and prompt play function, which is an essential part of many electronic products. In the design of the power supply circuit, the need to take full account of the various components of the rated volt

9、age, has been to ensure the safety of the device, to achieve steady flow, voltage, low power consumption, energy security.A wide variety of heating products currently on the market, they bring a lot of people warm this is obvious, but the product itself due to improper use or questions, there are mo

10、re problems. Appearance of the product, because of its unique advantages, popular with the majority of consumers believe that in the near future will be the first occupying a place in the field.Key words: Touch heater STM8 ST TOOLSET IrDA Components COSMIC C目录目录I第1章 绪论11.1 课题背景与现状11.2 开发平台与产品21.3 设计

11、需求21.4 本章小结3第2章 设计方案42.1 设计概述42.2 方案比较42.3 设计要求52.4 本章小结6第3章 各组成部分概述及硬件设计73.1 STM8S系列单片机73.1.1 STM8S系列单片机概述73.1.2 STM8S主要特点:73.1.3 STM8S主要应用:83.1.4 STM8S开发套件93.1.5 STM8S105K4MCU103.2 触摸按键的设计113.2.1 RC触摸感应简述113.2.2 RC感应原理123.2.3 触摸感应的硬件设计133.3 IrDA红外通讯模块的设计143.3.1 IrDA简介143.3.2 IrDA器件的构成与简介153.3.3 红外

12、遥控电路的设计173.4 LED显示器183.4.1 TM1668概述183.4.2 TM1668特性说明193.4.3 主要应用193.4.4 显示电路的设计203.5 实时时钟203.5.1 HYM1302概述203.5.2 HYM1302特点213.5.3 HYM1302应用223.5.4 时钟模块的电路设计223.6 温度传感器233.6.1 温度传感器概述233.6.2 NTC温度传感器的特性与应用243.7 蜂鸣器模块243.8 电源电路的设计253.8.1 5V开关电源稳压电路253.8.2 加热设备电源电路263.9 本章小结26第4章 软件设计274.1 STM8集成开发环境

13、介绍274.1.1 ST TOOLSET274.1.2 Cosmic C编译器294.2 软件设计流程304.2.1 主程序工作原理314.2.2 主状态机工作流程324.3 分块系统的设计344.3.1 触摸按键程序的设计344.3.2 红外遥控程序设计374.3.3 传感器的温度采集394.3.4 系统加热控制设计414.4 本章小结42第5章 制作与仿真调试435.1 使用的仪器仪表及工具435.2 硬件制作与调试435.2.1 电路板的设计435.2.2 系统硬件调试445.3 软件调试455.3.1 调试与错误分析455.3.2 调试结果与心得485.4 本章小结48第6章 总结与展

14、望496.1 设计总结496.2 前景展望50致谢51参考文献52附录53前言在寒冷的冬天最开心之事莫过于得到春天般的温暖。在科技不发达的年代人们已经想到各种办法在冬天进行取暖，如：烧材取暖、炕上取暖，进而演变成目前各式各样的由科技催生的产品取暖器步入千家万户。综合来看，每年都会由于各种原因而造成暖器所带来的事故。因此在21世纪这种科技高度发展的今天急需运用新技术研发出一种安全、高效、节能的取暖器产品来解决这种状况，触摸式取暖器的研发不仅是技术上的突破，也给对当今取暖器市场注入了新的活力，它给用户带来了温暖和舒适安全的享受，大大丰富了人们冬天的生活条件。不断的追求新技术的应用是每个行业都关注与

15、研究的重点。2013年的冬季来临之际，新一代的取暖器设备触摸式取暖器应运而生。该产品一经投入市场就吸引了广大用户的眼光，它全新的操控流程、人性化的使用感受得到人们的广泛亲睐。经市场论证，该产品已颠覆传统的形式给大家带来了温暖的享受，其独特的性能也使其能抢得市场先机。触摸式取暖器的研发也是一个大胆的尝试，其取暖过程中自动化控制程度较高。传感器对温度的采集，经过分析是否达到预设温度，再进行温度的调控，这与传统的取暖器有着很大的不同，传统的取暖器不停的加热电阻进行温度的不断传送，没有这种温度的调控。该产品不仅是对自身设备的一种保护，更保护了用户的安全与感受。该产品的研究思想也能应用到其他家居产品上来

16、。III第1章 绪论1.1 课题背景与现状时代总是大步的前行，在科技高速发展的今天谁站在了科技的前端谁就能占据市场。各行各业都在面对日趋日益的竞争，大家都在寻求新的出路，特别是电子科技类的公司，不断的运用新技术来推陈出新才是最好的发展之路。取暖器是一个普通的家用家电设备，在冬天有着一个很大的应用市场，特别是在寒冷的北方，应该来说是家居必备。传统的取暖器（图1-1）实现了温度的采集与扩散，其对四周的温度是一个不断加热的过程，存在着诸多的隐患，而本产品触摸式取暖器（图1-2）基于此缺陷上进行了大胆的革新，其不仅实现了传统取暖器的功能，也能实现对温度的自动调控，很大程度上满足了用户的需求。同时，该取

17、暖器还搭配了红外控制模块，无需接触取暖器，在一定的距离之内，通过手中的遥控器就能对取暖器进行设置，达到自己预期的目的。其独特的自动锁、时钟显示、模式切换都是该产品的亮点。图1-1触摸式取暖器 图1-2传统取暖器目前该产品已经得到市场的认证，其技术也会被不断的应用到相关的领域。在本文中，会详细的介绍该产品极其运用的相关技术。57计算机信息工程学院毕业设计说明书1.2 开发平台与产品触摸式取暖器故名思议就是配置了触摸按键的取暖器，当今我们的生活中与触摸设置息息相关，如：手机、平板电脑、音乐播放器等等。本产品的出现更加接近了我们的生活，其运用了STM8单片机的特性设置了表面电容式触摸按键，表面电容按

18、键由一个连接到设备的单端铜电极组成，它不必非常灵敏，因为他仅仅需要感应是否有手指按下或者释放。该产品就很好的运用了该技术，当然它的魅力不仅在于此，它给我们的生活带来了诸多的可行性。近年来，基于STM系列单片机的应用开发越来越多的深入到我们的日常生活中来。如：智能家居、医疗设备、公共建设等各个方面。其低成本、开发周期短、产品可延续性强的优越性都是不言而喻的。STM8系列单片机在这些方面表现出了更强的适应力，我们利用其官方提供的资料能更好的进行相关方面的学习与开发。硬件方面的主要设计就是电路的设计，我们除了触摸模块利用了STM8单片机的特性，还应用了IrDA红外器件对红外控制模块进行了设计，此举大

19、大的方便了用户的操作。软件方面我们利用了COCMIC官方提供的CXSTM8环境结合ST Visual Develop环境进行C语言的编程设计，以此来实现触摸控制。为了实现该方面的工作，环境的配置是前提，必须首先向COSMIC公司申请注册信息，以邮件的方式向该公司发送注册信息，收到回复后将邮件所回复的注册信息复制到注册文件夹中去。这样可以得到一年的免费应用权，利用该软件进行项目的开发与学习。该编译环境有着强大的编译能力，识别错误能力很强，能使程序员第一时间发现错误并去纠正。利用ST公司的仿真器进行仿真学习，能观察到程序进程，各步骤变量与参数的变化，更加利于产品的开发。该产品就是基于这些技术的前提

20、下而研发的，简便安全的操作深得广大用户喜爱，倾倒后自动断电的设置与儿童锁加大了该产品的安全性，对流式加热空气中的温度也使用户感觉更加舒适。1.3 设计需求为了达到使产品的成功实现，需要做大量的工作。最主要的是实现触摸控制，关系到软、硬件两个方面的设计。其市场目的显而易见，对传统的取暖设备进行更新，顺应广大用户的需求，实现高效、节能、人文关怀的理念。对于该课题的研究就具有很深刻的学习意义，意法半导体的STM8系列8位MCU为工业生产以及家电应用提供了良好的解决方案，学习该方面的内容能应用到我们生活中来，与日常生产息息相关。最新的MCU结合了3级流水线的架构，使STM8S 系列MCU具有最优益的性

21、能。对其开发环境的学习也比较直观易用，缩短了产品的上市时间。由于环境的不断恶化、能源危机的加重，显然传统的燃火取暖、纯电阻加热取暖会进一步加重该情况的恶化，所以能够实现对温度的调节控制的取暖器产品具有其现实意义，它具有以下几个方面的优点：（） 全新的体验触摸式按键这是本产品最大的亮点，取代了以往的按钮设置，防止了按钮由于塌陷、破裂等带来的不便，该触摸式按键无需按到一定的力度使两电极融合，只需表面电容感应到是否有手指的接触，从而延长了按键的生命周期。（） 更加安全节能的保护闪防倾倒设置和儿童锁为该产品提供了一层安全保障。采用重力感应技术设计了防倾倒装置，取暖器在不经意间或其他不可知情况下倾倒时，

22、该产品会自动断开电源，防止意外发生也节约了能源。儿童锁是为了防止不知情人员随意调控按键，造成不必要的麻烦，一但锁定后，其他操作无效，除非解锁。（） 温度的随心所欲这个技术和空调、冰箱等温度的设置有几乎相同的道理。首先设置一个自己预期的温度，由温度传感器收集外界温度信息，当外界温度低于此设置温度，取暖器开始供热，直到达到该预设温度，然后停止加热。（） 时间的任意掌握这包含了定时开关机，在24小时内可以设定任意时间进行开关机，照顾了用户的体验。同时该取暖器还配备了实时时钟，可以知道当时的具体时间。（） 分时段工作本产品可以按时间段进行工作。在24小时内可以按外界的温度设定出自己所预期的温度，然后取

23、暖器进行自动调节，免除用户每次使用时进行设置的烦恼。综上所述，本课题的主要内容是：l 第二章会对触摸式取暖器的设计方案进行深入的分析，以实现满足要求的可行性方案。l 第三章对触摸式取暖器的各组成部分进行概述，梳理清其组成框架及其各部分的主要原理，以及对硬件电路进行设计，包括控制电路及电源电路等各个方面的设计。l 第五章对软件方面的设计，利用相关编译环境实现触摸程序，包括温度的调节与校正、时间的调节与校正、温度的采集等。l 第六章对所设计的产品进行安装配置与调试、进行仿真、检查其存在的不足并修正。1.4 本章小结本章主要从当今取暖器市场现状与课题设计现状展开了分析，揭示了传统取暖器存在的缺点，进

24、而提出了该设计的思想，从而付诸产品的实现，其特点决定了其优势也是意料之中的。之后也规划了一下本文后期的内容。第2章 设计方案2.1 设计概述本产品设计属于单片机应用的开发。进行该产品设计最关键、最重要的一步是单片机控制总体方案的选择与确定。它的好坏，直接决定了整个取暖器的性能及用户体验感受。主要是根据用户的需求、硬件的性能以及技术等方面而确定总体方案的设计。产品设计方法大致如下：根据预期的要求，首先确定出采用何种单片机已使其有更好的性能、更易于开发且效益最优；再者是根据所选的主控芯片，搭配相应的元件，使之能够配套操作；电路的设计也是决定一个电子产品好坏的依据，软件是实现一切操作的前提，我们将会

25、在接下来的两章详细分析。除此之外我们在确定总体方案之前，还得考虑其可行性与现实意义。此产品为一家用电器，满足用户的需求是其根本的目的。对于如何才可以达到预期的效果，这就对我们的设计方案提出了一系列相关的问题。温控系统是我们在此着重研究的，所谓的温控就是其可以而不需要人为的操作自动感受外界温度的变化而做出相应的控制。用户能够根据自身需求对预期温度进行设置，当温度传感器采集到的室外温度未达到预设的温度值时，通过单片机的控制使加热部件工作，从而达到预期温度并稳定在这个值附近；若室外温度已经达到了预先设置好的温度，则通过单片机控制使加热部件停止工作。实现触摸按键的技术是通过单片机检测相应的变化来感知触

26、摸，电阻的变化通过传感器件感知，经过触摸其表面时，它的电阻值发生相应的变化。触摸表面也有要求，通过PCB实现，触摸面要有良好的尺寸和形状。当用户接触到触摸面时，电平信号发生改变，根据该信号，可获得一个直流电压，此电压随着电容的改变而变化，通过检测此电压就可产生触摸/不触摸的信号。2.2 方案比较方案一：选用C8051F系列芯片为内核，外围电路包括外部晶振、电容式传感器、LED液晶显示模块、触摸按键、红外器件、蜂鸣器、温度传感器。优点：外围电路无需A/D转换模块，方便了硬件的设计，缺点：C8051F系列微控制芯片内部A/D比较少，价格较高，造成成品的增加。【2】方案二：选用STM32F10X系列

27、芯片为内核，外围电路包含电容式传感器、A/D转换模块、触摸按键、LED显示模块、红外器件、蜂鸣器。优点：STM32F10X系列芯片内置温度传感器，有着很好的实时功能、优异的功耗控制，易于开发。缺点：硬件设施要求较高，外围电路设计过于复杂，成本偏高。方案三：选用STM8S105K4单片机作为内核，外围电路包括触摸按键、A/D转换模块、IrDA红外器件、LED液晶模块、温度传感器、蜂鸣器。优点：STM8S105K4芯片抗干扰能力强、内置高精度RC振荡器以及电可擦除可编程只读存储器、开发方便、系统成本较低，性价比较高。图2-1 外围电路框架图综合来看，从硬件电路设计、软件编程、功耗、性价比、开发周期

28、等方面来看，方案三达到最优，故在此产品中我们采用方案三进行研发设计。2.3 设计要求本产品设计的核心是STM8S105K4单片机的应用的开发，在此之前我们学习了该单片机的相关知识，其在ST Visual Develop和Cosmic CxSTM8环境下进行编写和仿真调试。故涉及到量大方面的内容：一，硬件电路的设计；二，软件的编程实现。我们在后面两章会详细介绍到。本设计中的工作主要有如下五个方面：l 传感器对温度的采集和测量l 分时间段的对温度控制l 温度控制电路板的设计l 触摸按键的程序处理l 红外遥控电路的设计在实际的应用中，我们需要产品达到手动模式（即触摸模式）和遥控模式两种模式的自由切换

29、，它内容具体如下：1.手动模式：这就是所谓的触摸模式，当用户亲自操作时，当人体触摸到接触键盘表面时，控制芯片检测到有效触摸信号传给单片机，控制芯片在接收到该触摸信号之后，执行相应的功能操作，并做出相应的反应表示确认。2.遥控模式：该模式即使用遥控器进行相应的操作，给用户带来了便利。遥控器发出的红外线信号，被红外线接收头接收到，经检测后，送至单片机处理，单片机收到相应的遥控信号后，执行相应的功能操作，并做出相应的回应表示确认。3.预置温度后，温度传感器通过检测到周围环境温度，温度信号经感应后送单片机进行A/D转换。一方面，温度值送至显示电路显示，另一方面，根据按键的操作以及预期温度的设定，通过控

30、制继电器控制加热体的开启与关闭，并能保持在温度范围之内，以达到预设的目标温度。2.4 本章小结本章为一过渡章节，为引出接下来的硬件、软件的设计。首先主要将几种方案进行了简要的分析，确定出了其该选用的核心芯片及外围设备，在各个角度的考虑前提下，我们最终确定了实现较为简便、经济效益最优的方案。最后，我们对方案的配置也作了具体介绍。第3章 各组成部分概述及硬件设计3.1 STM8S系列单片机3.1.1 STM8S系列单片机概述STM8S系列产品（表3-1）是意法半导体于2009年推出的针对工业生产和电子电器研发的微型控制芯片。表3-1STM8S系列产品型号系列型号STM8S105xx STM8S10

31、5K4, STM8S105K6, STM8S105S4, STM8S105S6, STM8S105C4, STM8S105C6 STM8S系列产品创造了8位微控制器的崭新时代，它的CPU性能可以达到20 MIPS、电压范围在2.95至5.5V 之间，提供了当前的8位单片机控制系统向更低的电压值转变。130nm非易失性存储器嵌入到最新产品中，它是现有8位微控制芯片的存储技术比较先进的，并且可达到30万次擦写极限的EEPROM数据写入操作。它包括10位数字/模拟转换器的功能，可达16条通道，使数模转换时间小于3微秒；配置可用于捕获/对比、马达控制和PWM功效的先进的16位控制定时器。其余外设还包含

32、CAN2.0B接口、SPI端口、一个I2C端口、两个通信接口。STM8S系列微型控制芯片与STM32系列32位的微型控制芯片的外设定义相同。这种外设定义的相同帮助了不同产品之间进行相互兼容，使产品的设计更灵活变通。它使用的代码也能够移植到STM32研发平台上，使之获得更高的操作性能。除此之外，使用STM8S装配和包装也完全兼容的引脚，提供给开发者更多的自由发挥空间，优化了引脚数量以及周边绩效。另外，平台化设计决策也与引脚的兼容有很大的关联，它能够节省上市时间，并优化产品的升级进程。3.1.2 STM8S主要特点:（）速度达20 MIPS的高性能内核（）抗干扰能力强，品质安全可靠（）130纳米的

33、制造工艺，性价比优异（）4K128K的程序空间范围, 芯片引脚20脚80脚（）系统成本低，内置高精度RC振荡器和电可擦可编程只读存储器（）开发容易，拥有本地化工具支持此外，STM8S系列产品包括“STM8S20x增强型产品”和“STM8S10x入门型产品”，如表3-2所示：表3-2 STM8S产品入门级与增强型对照表相同点不同点4128k字节FlashSTM8S20x增强型产品线：STM8核心：24MHz多达64字节SRAM多达2K字节内置EEPROMCAN2.0B第二个UARTUART（LIN/7816/IrDA）400KHZ多主I2C接口多达32个16位定时器8位基本定时器10MHZ的 S

34、PI独立型和窗口型2个看门狗1/2/4kHz的蜂鸣器接口STM8S10x入门型产品：STM8核心：16MHz多达2K字节SRAM内置EEPROM多达1K字节自动唤醒单元16kHz或128kHz内部RC振荡器10位的ADC高达16位通道SWIM单线调试模块由上表我们可以清晰的看出STM8S系列的基本型（入门级）产品和增强型产品的相同点与区别，我们用户可以根据自身需求选择合适的产品进行开发利用。3.1.3 STM8S主要应用:l 汽车电子系统的安全传感器，执行器，微控制器，自动导航系统，车辆控制，汽车收音机l 电机控制，空调，感应，测量仪器，不间断电源等工业应用l 家电，家庭自动化，加热/通风空调

35、，电视机等家用设备l 电动玩具、通信设备、自动贩卖机、监视设备等消费电子l 血压测量仪、血糖测量仪、自动监控仪器、紧急求助装置等医疗设备。3.1.4 STM8S开发套件ST 单片机套件是ST公司为STM8系列微型控制芯片和STM32微型控制芯片的初学者而设计的，适合于各种不同学习、开发的需求，用户能够全方面地感受到STM8S和STM32各自的优缺点，在使用或学习中能很好地在8位系统和32位系统之间进行切换，满足学习者由低端到中高端的使用和开发学习需求。这个开发套件是三合一的套件，它包括STM8S105S6T6体验板、STM32F103C8T6体验板以及一个ST-LINK调试器，它是一个可在线升

36、级的固件。每个组成部分在该三合一套件中的都能够拿来单独利用，特别是ST-LINK调试器可以供使用者拿来调试自己的板子，从而给用户带来很大的活动空间。在此我们着重介绍一下ST-LINK仿真器（图3-1），它是此仿真学习过程中必不可少的一个套件，有以下几个特点：所有的JTAG仿真接口的STMF3210xxx系列微控制芯片和所有的SWIM仿真接口的STM8S系列微控制芯片都被支持配备USB 2.0全速接口，直接通过USB接口供电在相关环境配合下可供STMF3210xxx系列微控制器的开发调试STM8S系列微控制器的开发调试配合了STVD集成环境STM8S微控制芯片和STMF3210xxx的编程配合了

37、STVP编程软件来实现可通过相应的引脚向STM32目标板提供3.3V的电源且不超过100mA可支持固件的在线升级以此支持未来的产品的开发应用图3-1 ST-LINK仿真套件此外，其也有其独特的开发环境，在此我们不作详述，第四章的软件设计章节，我们会对其开发环境及如何编码作详细的介绍。3.1.5 STM8S105K4MCU图3-2 STM8S105K4芯片引脚图由芯片图及其特性分析可知，该设计中利用到STM8S105K4芯片作为核心，它具备32位引脚、25个GPIO数目、23个外部中断引脚、8个定时器输出比较/输入捕获通道、3个定时器互补输出、7个数字/模拟转换通道、12个高吸收电流I/O口、1

38、6K字节的中密度闪存程序存储器、1024字节的电可擦可编程只读存储器（EEPROM）、RAM为2048字节，其外设有TIM1高级控制定时器、TIM2与TIM3通用定时器、TIM4基本定时器、两线式串行总线与串行外设接口、异步收发传输器、数模转换器以及看门狗组成。图3-3 STM8S105xx模块框图由于其内置的RC振荡器具有高精度，故其外围电路的设计无需振荡电路的复位，下面我们对预期要求的功能（触摸控制、红外遥控、实时时钟、感应温度、蜂鸣器提示等方面）以及电源电路的设计作详细的说明。3.2 触摸按键的设计3.2.1 RC触摸感应简述伴随着科技的发展，电容式触摸感应控制在需要用户接口的实际应用中

39、逐渐替代了传统的按键或机电开关。顺应当今市场的需求，意法半导体公司已经开发了一个触摸感应软件应用库，使得任意一款8位的STM8系列微控制芯片都可以成为一个电容式触摸按键的核心芯片所使用。该公司开发的触摸感应软件库通过对由触摸电极电容和一个电阻组成的RC网络充/放电时间的控制，可以检测到人手的触摸。根据电极电容的改变，带来了RC网络充/放电时间的变化，从而检测出来该时间的变化，然后经过滤波等步骤，最后经过特定的I/O端口，或者同步串行外设接口等发送给主机系统。每个通道只需要一个电阻可实现触摸检测功能，因此，需要软件库组件BOM表，其成本价格较低，经济效益良好。接下来我们详细介绍一下该设计中利用的

40、触摸感应软件库中的RC感应原理及触摸按键的设计。3.2.2 RC感应原理RC感应原理就是通过检测人体触摸到的电极电容的细微改变，从而感应到对电容式触摸感应器件的触摸，实质就是通过监控由一个电阻和电极电容构成RC网络的充电/放电时间周期来检测人手的触摸。任意一个因为电极电容的改变而引起的RC时间的改变被检测出来后经过滤波最终通过专门的I/O接口或SPI/I2C接口传送给主机系统。该原理使用了最小量化的元器件，只需在每一个触摸通道上连接一个电阻就能够实现该功能。Cu-Pb电极发出的电场穿过主要由玻璃或者塑料构成的电介质接触面板，当一个手指触摸到面板上时由于人体和周边环境的耦合会增加电极的电容值少量

41、几个pF，增加的电容值就会通过触摸感应库而被检测出来。一个固定的电阻R对电极电容C进行周期性地充/放电。电容的取值又以下几个参数决定：1. 电极面积(A)；2. 绝缘体相对介电常数(R)3. 空气的相对湿度(0)4. 以及两个电极之间的距离(d)由下列公式可得出电容值：图3-4 RC网络上的压降在VIN上加以固定的电压值，VOUT上的电压值就会随着C值的变化而发生相应变化，如下图变化曲线所示：图3-5 电压随测量充电时间变化图通过对VOUT的电压达到最大值VTH时所需要充电时间tC的计算，就可以得到相应的C值。在触摸感应的设计中，有两部分组成电容值C，它们包括：固定电容，即电极电容CX以及人手

42、或身体接触或者靠近电极时，它们带来的感应电容CT。为了确保能够检测到人手触摸信号，应当保证电极电容足够的小和精确。平时人手触摸与否，带来的电极电容变化也就是在5pF左右的范围内波动。利用这一原理，我们就可以检测到电极是否有手指的触摸。图3-6人体触摸感应图3.2.3 触摸感应的硬件设计首先我们给出一个简单的实例来说明一下触摸感应的实现（图3-7）。由R1，R2和电容电极CX以及手指电容CT并联的5pF左右的电容构成的一个RC网络，经过对这个RC网络充/放电时长的检测，就可以测量到人体的触摸。另外，全部的电极共同使用一个负载I/O引脚，电阻R1和R2应当尽可能的靠近微控制芯片而放置。作为主要电容

43、的R1用于调控触摸测量的灵敏度，其阻值在几百欧几兆欧之间。阻值为10K的电阻R2可用来减少噪声对其影响，用户可以按照需要进行选择。图3-7电容触摸感应实现举例通过对以上的分析，我们也根据产品需求，按照触摸原理设计出了触摸式取暖器的按键，其原理图如下所示：图3-8（a）取暖器触摸按键原理图图3-8（b） 取暖器触摸按键原理图如图所示，（a）图线路分别连接到STM8S105K4控制芯片对应的接口上。对不同的按键进行编写程序定义：TK1、TK2分别控制温度和时间的加减以及温度的微调；TK3实现时间校正/温度微调的切换；TK4为儿童锁按键，一但按下整机所有操作即被锁定，只有通过TK4+TK8进行解锁才

44、能进行之后的操作；TK5为开关机按键；TK6定时自动开机，每多按一次定时时间增加半小时；TK7为手动/自动切换按键；TK8定时自动关机，每多按一次定时时间增加半小时，同时它还协调TK5实现解锁功能。3.3 IrDA红外通讯模块的设计3.3.1 IrDA简介IrDA，即国际红外数据协会英文的简写，该协会自成立后不断拟定出了许多有关红外通讯的协议，有偏向低功耗方面的，有偏向传输速度方面的，也有两者统筹的。以红外线作为传播介质是红外数据传输的基本属性。红外线是一种人体肉眼看不见电磁波，它的波长一般在750nm1mm之间。红外数据传输通常使用的是波长在0.75m到25m之间的红外波段内的近红外线。Ir

45、DA协会为了保证不同厂家生产的红外产品能相互兼容获得最优的通讯效益，它规定生产厂商所采用的红外波长需在850nm900nm之间。红外传输由于受到很多种条件的制约，所以它的传输距离在几厘米至几十米不等，发射的角度也有一定的限制，一般在0到15之间。不同的红外器件或者不同的应用方案，其接收灵敏度和发射强度也会因此而产生不同。另外，红外通信在使用时只能以半双工的方式进行传输。按照红外传输的基本模型（图3-9）可以划分出不同类型的IrDA设备。按照IrDA器件的传输速度的不同，能够把它们划分为FIR、SIR、VFIR三种类型。如TFDU6102属于FIR类型红外器件；Vishay的红外收发器以及TFD

46、U4300属于SIR类型红外器件；而TFDU8108属于VFIR类型红外器件。按照IrDA器件使用功耗的不同，能够将它们划分为标准型红外器件和低功耗型红外器件。标准型器件，一般采用5V的直流电源，它的传输距离比较大，在30厘米到几十米不等。低功耗型器件，一般采用1.8V至3.6V的直流电源，它的传输距离比较小，大约在20cm之间。因此，一个IrDA红外器件的功能可以清楚的从上面所描述的三种方法中区分开来。图3-9 红外传输的基本模型图3.3.2 IrDA器件的构成与简介1. 红外发送器件红外发送器件一般都是由镓、砷等材料制成的具有红外发射功能的二极管，它的发射强度受其发射角度和能够通过的LED

47、电流的影响，与通过的电流成正比、发射角度成反比；红外传输距离与发射强度的平方成正比，强度越大，发射距离也就越远。有一些生产厂家也会将红外驱动电路内置在红外发送器件中，如图3-10所示：图3-10 内置驱动电路的红外发射器2. 红外检测器件红外光敏接收管是红外检测器件的主要组成部分，红外检测器件有内置放大器的（图3-11），有独立接收管装置的，也有包含调制解调器与集成放大器的。若红外检测器件内部包含放大器与解调器的通常还内置带通滤波器，这种器件通常应用于固定载波频率。红外检测器件的好坏衡量标准主要是其接收信号的灵敏度，它的传输距离与灵敏度成正比，灵敏度越高，产生的误码率也就会越低。图3-11 内

48、部集成放大器的红外检测器件3. 红外收发器件红外收发器件（图3-12）包含发射器与接收器。一般情况下，它的发射部分配置了驱动器，接收部分包含一个放大器，而且在内部还集成了关断控制逻辑。关断控制逻辑通过关断来控制信号的接收，避免了引入干扰信号；当不进行红外信号传输时，相关的引脚接收到命令传后给该控制逻辑，将器件电源的供给关断，从而降低功耗。在使用过程中必须在发光二极管的引脚处接入合适阻值的限流电阻。很多的红外收发器配置有屏蔽层，该层能够通过串联一个磁珠之后再接地，而不需要直接接地，这样避免了引入了干扰而影响收发器的接收灵敏度。图 3-12（a）红外发射电路图 图3-12（b）红外接收电路4. 红

49、外编/解码器件红外的编/解码，即为实现红外信号的调制/解调。如十六分之三编/解码，就是将一个有效数字位时间段，平均的等分为16个小的时间段，用在连续3个小的时间段内有无脉冲来表示调制解调信息。红外编/解码器件，一般要使用自带的振荡电路或者从外部线路接入时钟进行调制解调。图3-13红外信号经过调制/解调发出5. 红外接口器件红外接口器件用以完成红外传输系统与PC机、网络系统或微控制器之间的连接。设计中经常使用到UART串行异步收发器件、USB接口转换器件等。USB接口器件，用以完成红外收发器件与PC机之间的USB口连接。红外通信的传输速率通常在2.4kbps到4Mbps之间，内部包括红外编/解码

50、器以及4KB的先进先出缓存装置，它有20或28引脚的封装，能够直接和标准的红外收发器件相联。3.3.3 红外遥控电路的设计通过以上的对红外通信相关知识的学习，我们为该产品设计的通信电路如图3-14所示：图3-14 红外遥控模块原理图单片机自身本不包含红外通信机制接口，但是它可以通过单片机的串行接口以及片外红外发射和接收电路来实现红外通信，本设计采用IR38S一体化红外接收头来设置电路板上的红外接收器，VOUT脚接至单片机URAT脚，进行信号的传输，它将接收到的红外遥控器的脉冲进行幅度调制转换为电信号，经放大电路的控制进行处理后传至单片机。另外，通过VCC给芯片提供5V电源，GND接地处理。3.

51、4 LED显示器3.4.1 TM1668概述显示屏是机器与外界交流的窗口，通过它用户可以得知当前机器所处的工作状态，所以在很多电子产品上都安装了显示屏，其中LED显示屏作为一种低成本、方便开发而被大范围应用。LED技术就是通过控制半导体二极管发光，根据发光二极管的亮/灭来显示图像、文字、动画等信息。本产品用到了TM1668显示驱动芯片（图3-15），它是一种自带键盘扫描接口，内置映射型发光二极管的显示器驱动控制芯片。内部集成有数据锁存器、单片机数字接口、键盘扫描接口、LED高压驱动器以及八级灰度调度电路、内置低电压复位电路及上电复位电路、内部RC振荡等电路。通过软件设置来实现芯片的段位，可根据

52、不同的LED数码显示屏来适当的选取13*4或10*7的段位进行配置，同时也可以在不同的显示场合根据需求调节LED灰度，用来实现降低功耗的要求。图3-15 TM1668内部功能框图3.4.2 TM1668特性说明l 采用功率CMOS工艺l 10段*7位13段*4位的显示模式l 占空比8级可调的灰度调节电路l 键扫描（10*2bit）l 串行接口（CLK、DIO、STB）l 内置RC振荡方式（频率为450KHZ左右）l 内置上电复位电路l 具有SOP24、SDIP24、SSOP24、SKDIP24的封装形式该芯片的管脚定义如图3-16所示：图3-16 TM1668的管脚定义图3.4.3 主要应用由

53、于TM1668性价比较高，通常被应用在DVD、家庭影院等电子用品的显示屏驱动。厨卫用电器也有较多的应用，如电磁炉、微波炉、太阳能热水器等的状态和温度显示，另外工业仪器、仪表的显示也应用较多。3.4.4 显示电路的设计图3-17 LED显示电路原理图给予TM1668的VDD加5V的逻辑电源电压，DIN、CLK 、nCS#脚分别与时钟的SDA、SCL、nCS相连并接至单片机，其中DIN脚在时钟上升沿时将串行数据从低位开始输入；CLK端口也连到单片机，在上升沿时读取串行数据、下降沿时进行输出数据；nCS#为片选，也直接连至单片机，在上升或下降沿初始化串行接口，随后等待接收指令。SEG1SEG10为段

54、输出，也用作键的扫描，它们分别接至八段数码显示管和发光二极管，GRID1GRID7均为位输出、N管开漏输出，也直接连至八段数码显示管和发光二极管，他们共同实现显示功能；GND则直接接地。特别注意，TM1668是共阴数码管驱动芯片，如果驱动共阳的数码管，则需要变通连线的方式，在设计中要会灵活的运用。3.5 实时时钟3.5.1 HYM1302概述 HYM1302（图3-18）是一款低功耗、高性能的、内置RAM、可慢速充电的实时时钟芯片。它包含了31字节的非易失性静态RAM以及实时时钟/日历。它与微处理芯片之间进行通信经由一个简单的串行接口完成。图3-18HYM1302内部框图实时时钟（日历）可以对

55、从秒至年的时间进行计数，对于月的天数小于31的，在月末的时候进行自动日期调整，闰年的时候进行自动校正。时钟方式可以根据用户需求自己选定24小时格式或区分AM/PM（上午/下午）的12小时格式。31字节的非易失性静态RAM可以用来保存一些临时的重要数据。HYM1302使用的同步串行通信，简化了它与微处理芯片的通信机制。时钟与RAM之间的通信仅需三根线：复位线、I/O数据线以及SCLK串行时钟。数据以一个字节每次的单字节形式或多达31字节的多字节形式进行传输。HYM1302实时时钟可以在非常低的功耗下正常工作，即使小于1W的功率消耗也能保存时钟信息和数据。3.5.2 HYM1302特点l 对秒、分

56、、时、日、周、月、年进行精确计数且能判断是否为闰年l 配置暂存高速数据的31字节非易失性RAMl 低功耗：电压2.0V时功耗小于300nAl 以单字节或多字节方式进行数据的传送l 与单片机之间的互相通信仅需简单的三线接口l TTL兼容（VCC=5V）l 工业温度控制范围大（-40+85）l 能完全可兼容DALLAS的实时时钟l 封装形式：SOP8和DIP8（引脚如图3-19）图3-19 HYM1302引脚图表3-3 HYM1302芯片引脚功能表管脚序号符号功能1VCC2主用电源2X132.768kHz晶体3X232.768kHz晶体4GND接地5RST复位6I/O数据输入/输出7SCLK串行时

57、钟输入8VCC1备用电源3.5.3 HYM1302应用l 仪表等，如：电子手表、电度表、IC卡水表l 移动电话、电脑l 电视机、播放器l 税控机3.5.4 时钟模块的电路设计除了在显示模块中介绍到的SCK、SDA、nCS与显示驱动器TM1668对应的相连接外，时钟模块采用了双电源系统，在VCC提供主电源外，VBAT脚连接一个可充放电锂电池，如Lir2032，它的额定电压是3.6V，充满电后电压可最高达到4.15V，放电终止电压为2.7V。把该锂电池作为一个备份电源，它保证了在突发情况下或者没有主电源供电时而保存时间信息及数据，并不断更新时间信息。其电路设计原理图如图3-20所示：图3-20时钟

58、模块电路原理图当有效信号被复位引脚接收到之后，在SCK同步脉冲信号的控制下移位寄存器单元就从数据接口上以串行的形式接收8位指令字节，然后将接收到的指令字节转换为并行的，再送至指令译码单元。OSCI、OSCO引脚都直接连接一个32.768kHz的晶振，其负载电容量应为6pF。3.6 温度传感器3.6.1 温度传感器概述温度传感器就是能够感应温度并将温度信号转换为可用输出信号的传感装置，温度测量仪的核心就是由它的组成，其种类繁多。按照测量方式可以将其分为接触式与非接触式两大种类，按照构成材料以及电子元件特点又将其可分为热电阻和热电偶两大类。图3-21 温度传感器电阻传感器的原理就是根据金属随温度的

59、变化，其阻值也会随之发生增或减的变化，对于不同的金属，电阻值随温度的变化也不尽相同。有的阻值与温度变化成正比，随温度的升高而升高；也有的与温度成反比，随温度升高而降低。取暖器的热敏电阻感应到温度的变化，自身阻值发生了变化，随之电路电压也会发生变化，从而根据该原理控制取暖器的加热过程。3.6.2 NTC温度传感器的特性与应用温度传感器主要应用在工业控制和电子产品，由于它主要还是一个元件，需要和相关的信号处理，液晶显示、单片机控制相结合起来，用于检测在各种场合下的温度参数，适用范围相当的广泛，只要是需要检测温度参数的（如：温度计、温度记录仪、温度报警器等等）都涉及的到。本设计中采用了NTC负温度系

60、数的电阻传感器，即线性化输出的热敏元件，它在通用工作电流条件下，元器件的电压值随着温度的变化呈现出线性变化，因此把非电量完成了到电量的线性转变。该温度传感器的突出特点就是在正常温度范围内TV关系为一条直线，对于二次开发测温、测控电路的设计可以很方便的实现，从而简化仪表的设计和调试。将传感器置于零度的环境，在通以100A工作电流的条件下，传感器上有一个基准电压值，即零点电压，该值V（0）由出厂时设定，由于传感器的温度系数S相同，则只需要知道基准电压V（0），即不必对传感器进行分度就可以求得任何温度下的传感器的电压值。其计算公式为：V（T）=V（0）+S*T例如，基准电压V（0）=500mV，温度

61、系数S=-3mV/，则在20时，传感器的输出电压V(20)=500-3*20=440（mV），这就是该传感器优于其他温度传感器的主要原因。同时该传感器测量精度并不高，但是在取暖器的设备中无需过于精确的值，它仍具有很高的利用价值。因此，本设计中使用了3950/10K的NTC温度传感器，在25度时，电阻值为10K，利用它进行温度的采集，传给单片机经过信号处理，然后在显示屏上进行显示出来，以供用户进行预期温度的设定。3.7 蜂鸣器模块蜂鸣器是一种常见的一体化结构的电子发声装备，由直流电压对其供电，它被应用到很多的单片机的设计方案上，用它来做提示或报警。因为自激式蜂鸣器是由直流电压驱动的，无需交流信号

62、参与进行驱动，所以只需要对驱动口输出驱动电平信号并通过三极管放大驱动电流（其中三极管起开关作用，它基极的高电平使三极管饱和导通；而基极低电平则使三极管关闭，蜂鸣器停止发声）就能使蜂鸣器发出或停止声音。本设计的蜂鸣器驱动电路原理图如下所示：图3-22 蜂鸣器驱动电路3.8 电源电路的设计3.8.1 5V开关电源稳压电路由于本取暖器分块电路较多，而且电路板对5V电源的要求比较高，温度的自动调节控制模块对电压需要有灵敏的感应，所以外加的稳压器件必须达到各部分电路额定电流的条件。在本取暖器主控板的设计中，采用了LM7805固定式三端稳压器完成电压从12V到5V的转换，作为对系统所有5V单元的供电。LM

63、7805是一种系列化的、标准化的通用线性稳压电源集成电路，它具有性能好、成本低、体积小、工作稳定性高、使用便捷等优点，成为目前单片式集成稳压器件中应用最为普遍的一种。如图3-23所示，该电路由电源变压器、桥式整流电路、滤波电容、防自激电容以及LM7805三端稳压器组合而成。220V的交流电压通过变压器转化为12V低压交流电，在经过D1D4的桥式整流电路的整流和滤波电容C2的滤波之后，流过LM7805固定式三端稳压器的IN和GND脚产生一个并不非常稳定的直流电压，注意，该电压通常会根据当地供电电压的波动或负载的大小等原因而随之发生改变。该直流电压经过固定式三端稳压器的稳压和C4电容的滤波之后便可以由稳压电源的输出端输出稳定度好、精度高的5V直流电源。图3-23 5V开关电源稳压器电路3.8.2 加热设备电源电路另外，本产