淋浴温度控制器.docx

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淋浴温度控制器

淋浴温控器设计方案

一、需求分析

随着社会的发展和人类生活水平的提高，浴室逐渐普及化，另外一些公共场合、公共浴室耶相当普遍，但现有浴室中的淋浴装置存在一定的问题：

旧式的淋浴器水温不太稳定，调节不方便，从而给人们洗澡造成了一些不便，也存在一定的浪费现象。

随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平。

本方案主要论述了一种以STC89C52单片机为主控制单元，以DS18B20为温度传感器的温度控制系统。

本系统以加热器和电风扇为控制对象，以MCS-51单片机为控制核心，进行了软硬件的设计。

二、总体设计思想

硬件电路由PROTEL设计制作，主要设计了温度数据采集、LCD1602显示、温度超限报警提示、升降温控制和温度按键设置五个硬件部分。

软件设计采用模块化设计方案，主要编写了温度数据采集、液晶显示驱动、温度超限报警、温度上下限按键设置和升降温控制五个部分。

该设计控制器使用单片机STC89C52，测温传感器使用DS18B20，用1602LCD液晶显示实现温度显示，升降温单元采用加热器和电风扇，报警提示电路采用声光报警。

本设计实现的主要功能如下：

①显示当前水温

②通过按键调节水温

③当温度超过了温度上下限的时候的，有声光报警装置进行提示

本设计可以分为以下几个模块：

温度采集模块、键盘调节模块、显示模块、报警模块以及单片机最小系统。

系统设计框图如下图1所示：

图1系统设计框架

三、具体实现方案

1、温度数据采集电路

目前，在工业、民用业控制的很多领域，温度监控普遍是利用热敏电阻组成的测温电路，经过A/D与D/A转换后实现测温，但是由于热敏电阻的不稳定性，导致测温易受外界干扰、且精度不高。

DS18B20数字温度传感器是Dallas公司生产的1-Wire，即单总线器件，具有线路简单、体积小的特点。

因此用它组成一个测温系统，具有线路简单，通过1根通信线可以挂很多这样的数字温度传感器，十分方便。

本系统选择的温度传感元件是美国DALLAS公司推出的智能化数字式温度传感器DS18B20。

采用外接电源供电方式对DS18B20进行供电。

温度测量电路如图2所示。

图2温度测量电路

DS18B20采用外部供电方式，为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，接了一个4.7kΩ的上拉电阻。

当DS1SB20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，必须有上拉电阻，上拉开启时间最大为10us。

DS18B20在空闲时，其DQ口由一个4.7kΩ的上拉电阻置为高电平。

本系统采用封装为TO-92的DS18b20。

DS1SB20只有3根外部引线：

共用地线GND；单线的数据传输端口DQ；外部供电的电源线VCC。

2、单片机的最小系统设计思路：

（1）单片机的选型：

本设计采用STC89C52单片机。

STC89系列单片机是MCS51系列单片机的派生品。

它们在指令系统、硬件结构和片内资源上与标准8051单片机完全兼容，DIP40封装系列与8051为pin-to-pin兼容。

STC89系列单片机高速（最高时钟频率90MHz），低功耗，在系统中应用可编程（ISP，IAP），不占用用户资源。

STC89C52系列单片机引脚功能分类单片机引脚结构图如下：

图3STC89C52引脚结构图

（2）、时钟电路的设计

MCS-51系列单片机HMOS器件内含有一个高增益的反相放大器，通过XTAL1、XTAL2外接作为反馈元件的晶体后，构成自激振荡器。

接法如图所示

图4单片机的时钟电路原理图

振荡器的振荡频率主要取决于晶体；电容对振荡频率有微调作用，通常在30pF左右。

电容的安装位置应尽量靠近单片机芯片。

（3）、复位电路的设计

单片机在启动运行时都需要复位，以便CPU和系统中的其他部件都处于某一确定的初始状态，并从该状态开始工作。

MCS-51系列单片机的复位（RST）引脚上只要出现了10ms以上的高电平，单片机就实现复位。

复位的功能是把程序计数器PC值初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。

除此之外，复位操作还对一些特殊功能寄存器的值有影响。

MCS-51系列单片机系统常常有上电复位和操作复位两种方法。

上电复位是指单片机上电瞬间，要在RST引脚上出现宽度大于10ms的正脉冲，才能使单片机进入复位状态。

操作复位是指用户按下“复位”按钮使单片机进入复位状态[4]。

本系统中这两种复位电路（如图5）都体现出来了。

图5单片机的复位电路原理图

上电时，+5V电源立即对单片机芯片供电，同时经R对电容C充电。

C上电建立的过程就是负脉冲的宽度，经过倒相后，RST上出现正脉冲使单片机实现上电复位。

当按钮S0按下时，RST上同样出现高电平，实现复位。

（4）、单片机的最小系统总体设计

由单片机、时钟电路、复位电路和电源等就组成了能使单片机实现基本功能的电路就叫做单片机的最小系统。

如下图6所示

图6单片机的最小系统

3、温度传感器

由于DS18B20具有独特的单总线接口方式在淋浴房测温时有明显的优势，占用单片机的I/O引脚资源少，和单片机的连接电路比较简单，成本较低，传输距离远，和其他数字温度传感器相比，它更适合本系统，所以，本系统选用DS18B20为温度测量的传感器。

DS18B20主要由四部分组成：

64位光刻ROM数据存储器、温度传感器、非易失性电可擦写温度报警触发器TH、TL以及非易失性电可擦写设置寄存器。

内部结构如下图所示：

图7DS18B20内部结构

如图7所示，该器件只有3根外部引脚，其中VDD和GND为电源引脚，另一根DQ线则用作I/O总线，因此称为一线式数据总线。

与单片机接口的每个I/O口可挂接多个DS18B20器件。

DS18B20是DS1820的升级产品，一般封装为TO-92，比DS1820的PR-35封装更小。

DS18B20只有三根外部引线：

单线数据传输端口DQ、共用地线GND、外供电源线VDD。

图8DS18B20的封装形式

4、显示器

字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块，本设计使用的是长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器。

显示容量为16×2个字符；芯片工作电压是4.5—5.5V；工作电流为2.0mA（5.0V）；模块最佳工作电压是5.0V；字符尺寸为2.95×4.35（W×H）mm。

显示器原理图部分如下：

图9

一般1602字符型液晶显示器实物如图10所示。

图10LCD1602实物图

5、温度超限报警设计

在某些时刻，系统的控制参数可能处于某种紧急状态或反常状态下，为了充分引起人们的注意，以便及时进行处理，避免不必要的事故产生，往往需要有某种能对人们提起警觉的报警信号产生，这种报警信号通常有三种类型：

闪光报警、鸣音报警、语音报警。

本系统采用简单易行的声光报警电路。

图11报警环节的电路原理图

在本系统中设置了单路报警信号，蜂鸣器报警和红色LED亮灯报警信号都由单片机的P1.6口接入，由于接入的信号较小，就用PNP型三极管（型号为S8550）将输入信号放大，具体如图2.3所示。

其报警的过程为：

当水温值超过设定的上下限时，Pl.6输出为低电平，当发射结正偏，集电结反偏，三极管导通，蜂鸣器发声报警，同时LED3也亮灯报警，相关人员注意到报警情况后就可以做出相应的调整。

6、升降温控制

当系统的检测到的温度超过某设定温度值或者降低到某设定值以下的时候，就要做相应的处理，用继电器把温度提高，或者用风扇进行排风操作来达到降温的目的，由于器材的有限，就暂时用两个发光二极管代替继电器和风扇。

图12

7、温度按键设计

系统需对室温上下限的值进行设定，这就需要应用按键来实现。

按键键盘有独立式按键和矩阵式键盘两种形式。

根据实际情况，本系统采用独立式键盘设计。

其接口电路如图2.5所示。

温度上下限按钮控制部分由三个接触式开关控制温度上下限的调节。

三个开关分别和单片机的P1.1、P1.2、P3.2相连。

采用中断扫描方式识别按键。

在初始化系统时，首先是将固化在存储器中的初始温度设定值赋给定义的数据缓存变量。

当按下S3键以后，外部中断0产生中断。

通过服务程序扫描P1.1、P1.2口，读入相应按键数据，经过运算修改数据缓存变量，并送LCD进行显示。

若按下复位按键时即显示初始设置值。

开关控制是低电平有效，单片机的P1.1、P1.2、P3.2的三个端均为高电平，当其中任意一个按钮按下是，则按钮对应的端口接地，高电平变为低电平。

图13温度上下限调节电路原理图

三个按钮控制功能如下：

S1：

作为选择调节上限，还是下限的启动键。

S2：

作为温度上下限值的调节按键。

S3：

作为进入调节状态启动键。

三、材料清单及报价

器件名称

器件型号

器件个数

市场报价（单价：

元）

单片机

STC89C52

1个

三极管

S8550

1个

发光二极管

微型

4个

电阻

200Ω

3个

电阻

1K

2个

电阻

4.7K

1个

极性电容

10uF

1个

电容

30pF

2个

液晶显示器

LCD1602

1个

温度传感器

DS18B20

1个

蜂鸣器

微型

1个

开关

启停式

1个

按键开关

接触式

4个

晶振

11.0592MHz

1个