智能水杯软件设计说明.docx
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智能水杯软件设计说明.docx
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智能水杯软件设计说明
1.前言.2
2.总体设计框架2
2.1实现的功能2
2.2总体程序流程图3
3.水温采集模块程序设计4
3.1DS18B20简介4
3.2DS18B20的初始化5
3.3DS18B20写周期6
3.4DS18B20读周期7
3.5温度读取程序.8
4.显示模块程序设计10
4.1LCD1602初始化10
4.2LCD1602写周期10
5.定时模块程序设计12
5.1定时器设置13
5.2定时器中断子程序.13
6.中断模块程序设计14
6.1外部中断设置15
6.2键盘扫描中断子程序15
7.整体编程的实现16
8.设计过程中的问题及解决方案17
9.收获与感悟17
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,体的失水已经达到2%,口渴本身其实是体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实现的功能
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
2.3
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。
定时器中断?
Y
3.水温采集模块程序设计
3.1DS18B20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)测量温度围宽,测量精度高DS18B20的测量围为-55℃~+125℃;在-10~+85°C围,精度为±0.5°C。
(4)持多点组网功能多个DS18B20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9~12位。
3.2DS18B20的初始化
主机首先发出一个480-960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5DS18B20初始化时序图
器件的DS18B20在一上电后就一直在检测总线上是否有480-960微秒的低电平出现,如果有,在总线转为高电平后等待15-60微秒后将总线电平拉低60-240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
****************************************************************/
unsignedcharDs18b20Init()
{
unsignedinti;
Desport=0;//将总线拉低480us~960us
i=70;
while(i--);//延时642us
Dsport=1;//然后拉高总线,若DS18B20做出反应会将在15us~60us后将总线拉低
i=0;
while(Desport)//等待DS18B20拉低总线
{
if(i>50000)//等待>50MSreturn0;//初始化失败}
return1;//初始化成功
}
3.3DS18B20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,在采样期总线为高电平
/****************************************************************
*函数名:
Ds18b20WriteByte
*函数功能:
向18B20写入一个字节
*输入:
*输出:
无
****************************************************************/voidDs18b20WriteByte(unsignedchardat)
{
unsignedinti,j;
for(j=0;j<8;j++)
{
i++;
Desport=dat&0x01;//然后写入一个数据,从最低位开始i=6;
while(i--);//延时68us,持续时间最少60us
Desport=1;//然后释放总线,至少1us给总线恢复时间才能接着写入第二个数值
dat>>=1;
}
}
3.4DS18B20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微秒在的15微秒时间完成对总线进行采样检
测,采样期总线为低电平则确认为0。
采样期总线为高电平则确认为1。
完成一
*****************************************************************
*函数名:
Ds18b20ReadByte
*函数功能:
读取一个字节
*输入:
*输出:
无
***************************************************************
unsignedcharDs18b20ReadByte()
{
unsignedcharbyte,bi;unsignedinti,j;
for(j=8;j>0;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=(byte>>1)|(bi<<7);/*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--);
}returnbyte;
}
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:
Ds18b20ChangTemp
*函数功能:
让18b20开始转换温度
*输入:
*输出:
无
voidDs18b20ChangTemp()
{
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:
*输出:
无
************************************************************/voidDs18b20ReadTempCom()
{
Ds18b20Init();
Delay1ms
(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:
*输出:
无
********/
intDs18b20ReadTemp()
{
unsignedinttemp=0;
unsignedchartmh,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();//读取温度值共16位,先读低字节tmh=Ds18b20ReadByte();//再读高字节temp=tmh;
temp<<=8;
temp|=tml;
returntemp;
}
4.显示模块程序设计
4.1LCD1602初始化
表1LCD1602指令表
指令码
功能
00001DCB
D=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
000001NS
N=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
***************************************************************voidLcdInit()//LCD初始化子程序
设置显示模式开显示不显示光标,光标不闪烁
写一个指针加1
清屏
设置数据指针起点
{
LcdWriteCom(0x38);//
LcdWriteCom(0x0c);//
LcdWriteCom(0x06);//
LcdWriteCom(0x01);//
LcdWriteCom(0x80);//}
4.2LCD1602写周期
时序图如图8所示,RS=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。
voidLcdWriteCom(unsignedchar){
RS=0;
RW=0;
GPIO_LCD=;
Delay1ms(10);
E=1;
Delay1ms(10);
E=0;
}
(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:
*输出:
无
***************///写入命令
(2)写数据
/****************************************************************
*函数名
*函数功能
*输入
*输出
:
LcdWriteData
:
向LCD写入一个字节的数据
:
dat
:
无
//写入数据
voidLcdWriteData(unsignedchardat){
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:
TCON
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
功能
TF1
TR1
TF0
TR0
IE1
IT1
IE0
IT0
TF1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
TMOD
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
功能
GATE
C/T
M1
M0
GATE
C/T
M1
M0
GATE:
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。
TCON
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。
TMOD
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
5.2定时器中断子程序
定时器中断子程序完成的功能有:
(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()interrupt1
*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
**/
LCDwritecom(0xc2);
LCDwritedat('0'+(--j)/10);
定时显示剩余时间
判断是否达到定时时间
LCDwritedat('0'+(j)%10);//k=0;
}
if(Time==full)//
{
for(i=0;i<100;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:
IntConfiguration()
*函数功能:
设置外部中断
*输入:
无
*输出:
无
**************************************************************************/voidIntConfiguration()
{
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。
/**
函数名函数功能输入输出
:
Scankey()
:
键盘扫描,并执行对应按键的程序无无
判断按键是否按下
voidScankey(){if(key1==0)//
Delay1ms(10);//
if(key1==0)//
{
for(;;)
{if(key1==0)continue;elsebreak;}
for(;;)
{
while(key1==0);//
延时消抖判断按键是否按下
检测按键是否松开
if(key1==0)continue;
elsebreak;
//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11proteus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,但也要把自己所学的运用到实践中去。
在设计的过程中,我们应该善于发现问题并能及时找到解决问题的最佳方法,要努力培养自己的谨小慎微的习惯,不能忽略任何一个微小的细节。
在我们这个电路仿真时,要预先在脑子里想象出预期的效果,若仿真是出现了偏差要及时察觉,并能发现错误出在软件还是硬件。
善于使用网络资源,能使用网络找到自己问题的答案,当然也不能完全信赖网络,这只是一个辅助工具,是我们的参考建议。
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