单片机家用水流量设计.docx
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单片机家用水流量设计
毕业教学环节成果
(2011届)
题目基于51单片机的
家用水流量设计
学院信息工程学院
专业应用电子技术
班级应电082
学号******************
姓名*******
指导教师******
2011年5月10日
金华职业技术学院毕业教学成果
摘要1
引言2
1任务设计3
2系统硬件电路的设计4
2.1主芯片STC89C524
2.2时钟电路6
2.3复位电路7
2.4电源电路8
2.5液晶显示电路8
3.3水流量程序模块37
3.4显示程序39
3.5小结29
4调试结果记录30
4.1温度测量30
4.2流量测量30
5总结30
附件3仿真图36
附件4元件清单37
附件5程序清单38
基于51单片机的家用水流量设计
信息工程学院应用电子技术刘海清
摘要:
文以智能家居系统中的水流量模块为课题,以水流量计传感器和数字温度传感器DS18B20实时采集水流量状态和水温的数据,并根据主控器STC89C52的程序指令处理后计算出水费价格,用液晶屏LCD1602分当前温度、水价和水流总量三种状态动态显示。
另外,本课题设计了上下限报警,使查看更为直观,使用更加方便。
关键词:
单片机DS18B20温度传感器水流量传感器
HouseholdWater-FlowDetectionCircuitDesignBasedon51MCU
(MajorofAppliedElectronicTechnology,InformationandEngineeringcollege,JinHuaCollegeofVocationAndTechnology,LIUHai-qing)
Abstract:
TakingthesmarthomesysteminthewaterflowmoduleissubjecttowaterflowsensoranddigitaltemperaturesensorDS18B20real-timeacquisitionstatewaterflowandwatertemperaturedataandprograminstructionsaccordingtomasterSTC89C52calculatedafterthepriceofwater,withLCDTX-1602pointsthecurrenttemperature,waterflowvolumeanddynamicdisplayofthreestates.Inaddition,theprojectdesignoftheupperandloweralarm,soviewismoreintuitive,easiertouse.
Keyword:
microprocessorDS18B20temperaturesensorwaterflowsensor
引言
随着现代社会的进步,经济的发展,人们对精神领域的追求更高,对生活水平的要求更高。
现代的家居生活是一种高品位、高质量、个性化、智能化的方式。
本系统就是基于STC89C52单片机控制的智能家居系统,可以实际监控室内各种不同的家电设备,并能通过液晶屏动态显示当前工作状态。
该系统与传统的智能家居系统相比,具有功能多样化、成本造价低等优点,且符合当今社会智能、节能、环保的发展观念,并在人们享受高品位、高质量、个性化、智能化生活的同时提高人们的节约意识。
由于智能家居系统有众多模块,本课题只采取其中的水流量模块进行单独设计。
1 任务设计
当打开水龙头时,根据单片机STC89C52的指令、水流量计传感器和数字温度传感器DS18B20实时采集水流量状态和水温的数据。
当单片机STC89C52扫描到水流量计传感器的脉冲数,经过单片机STC89C52处理,计算出所采集的水流量后,通过液晶屏LCD1602能动态显示当前水流量、水费及水温。
根据设计过程,可以将的本课题划分为8个电路模块如图1所所示:
图1-1电路总框图
2 系统硬件电路的设计
2.1 主芯片STC89C52
2.1.1 主要性能
1与MCS-52单片机产品兼容、8K字节在系统可编程Flash存储器
21000次擦写周期
3全静态操作:
0Hz~33Hz
4三级加密程序存储器
532个可编程I/O口线
6三个16位定时器/计数器八个中断源
7全双工UART串行通道
8低功耗空闲和掉电模式
9掉电后中断可唤醒
10看门狗定时器
11双数据指针
12掉电标识符
2.1.2 芯片功能特性简述:
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
STC89C52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
8位微控制器8K字节在系统可编程Flash。
图2-1单片机引脚
2.1.3 引脚功能
表2-1STC89C52引脚介绍说明
引脚
功能介绍
VCC
+5V电源电压
VSS
电路接地端
P0.0~P0.7
8位漏极开路的双向I/O通道
P2.0~P2.7
8位拟双向I/O通道
P3.0
RXD,串行输入口
P3.1
TXD,串行输出口
P3.2
INT0,外部中断0输入口
P3.3
INT1,外部中断1输入口
P3.4
定时器/计数器0外部事件脉冲输入端
P3.5
定时器/计数器1外部事件脉冲输入端
P3.6
外部数据存贮器写脉冲
P3.7
外部数据存贮器读脉冲
RST/VpD
复位输入信号
ALE/PROG
地址锁存有效信号
PSEN
程序选通有效信号
EA/VPP
当保持TTL高电平,执行内部EPROM的指令,当使TTL为低电平,从外部程序存贮器取出所有指令,在内的EPROM编程时,此端为21V编程电源输入端
XTAL1
内部振荡器外接晶振的一个输入端
XTAL2
内部振荡器外接晶振的一个输入端
2.2 时钟电路
单片机的最小系统有三部分组成,即电源,时钟电路和复位电路。
其中单片机的电源引脚与5V电源连通即可,而时钟电路和复位电路还需接口扩展,这也是单片机的基本电路操作。
时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号,时序是指令执行中各信号之间的相互关系。
单片机本身就如同一个复杂的同步时序电路,为了保证同步工作方式的实现,电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。
在STC89C52单片机内部带有时钟电路,因此,只需要在片外通过XTAL1和XTAL2引脚接入定时控制元件(晶体振荡器和电容),即可构成一个稳定的自激振荡器。
在STC89C52芯片内部有一个高增益反相放大器,而在芯片的外部,XTAL1和XTAL2之间跨接晶体振荡器和微调电容。
在单片机的XTAL1脚和XTAL2脚之间并接一个晶体振荡器就构成了内部振荡方式。
STC89C52单片机内部有一个高增益的反相放大器,XTAL1为内部反相放大器的输入端,XTAL2为内部反相放大器的输出端,在其两端接上晶振后,就构成了自激振荡电路,并产生振荡脉冲,振荡电路输出的脉冲信号的频率就是晶振的固有频率。
在实际应用中通常还需要在晶振的两端和地之间各并上一个小电容。
图2-2时钟电路
用晶振和电容构成谐振电路。
电容大小与晶振频率和工作电压有关。
但电容的大小影响振荡器的稳定性和起振的快速性,为了提高精度,本实验板采用20pF的电容作为微调电容。
在设计电路板时,晶振、电容等均应尽可能靠近芯片,减小分布电容,以保证振荡器振荡的稳定性。
2.3 复位电路
复位是单片机的初始化操作,其目的是使CPU和系统中各部分处于一个确定的状态,并从这一状态开始工作。
系统上电路或死机后都要进行复位操作。
单片机的RST引脚为复位引脚,振荡电路正常工作后,RST端加上持续两个机器周期的高电平后,单片机就被复位。
复位电路有3种基本方式:
上电复位,开关复位和看门狗复位。
图2-3复位电路
本课题采用按键开关复位是指通过接通按钮开关,使单片机进入复位状态。
开关复位电路一般不单独使用。
在应用系统设计中,若需使用开关复位电路,一般的做法是将开关复位与上电复位组合在一起形成组合复位电路,上电复位电路完成上电复位功能,开关复位电路完成人工复位。
图2-3中C7与R1构成了上电复位电路。
上电复位后,电源经R1对C7充满电源,C7等效于开路,RST端为低电平;单片机正常工作。
按开关K1后,C7两端电荷经R1迅速放电,K1断开后,由C7、R1及电源完成对单片机的复位操作。
在上述电路中C7、R1按上电复位电路的设计而取值。
复位电路的作用非常重要,能否成功复位关系但单片机系统能否正常运行的问题。
如果振荡电路正常而单片机系统不能正常运行,其主要原因是单片机没有完成正常复位,程序计数器的值没有回0,特殊功能寄存器没有回到初始状态。
这时可以适当地调整上电复位电路的阻容值,增加其充电时间常数来解决问题。
2.4 直流电源滤波电路
单片机对于直流电源电压非常敏感,但是一般直流电源都存在一些杂波,通常是直流电压中的高频交流成分,消除电源中的高频交流成分对增强电路的性能具有较大作用。
因而,我们设计了滤波电路,起到滤波的作用,从而更好的避免不必要的故障发生。
滤波电路的基本原理是利用电容或电感的滤波特性,图2-4电源电路采用电容滤波。
图中LED是用来指示电源接通的情况。
图2-4电源电路
2.5 液晶显示电路
课题任务要求以LCD1602芯片显示单片机处理后的温度、水费和水流量,在此有必要详尽的介绍LCD1602的特性和用法。
2.5.1 显示特性
1只需5V电源电压,低功耗、长寿命、高可靠性
2内置192种字符(160个5×7点阵字符和32个5×10点阵字符)
3具有64个字节的自定义字符RAM
4显示方式:
STN、半透、正显
5驱动方式:
1/16DUTY,1/5BIAS
6视角方向:
6点
7背光方式:
底部LED
8通讯方式:
4位或8位并口可选
9标准的接口特性:
适配MC51和M6800系列MPU的操作时序。
2.5.2 引脚说明
表2-2液晶1602引脚说明
管脚号
符号
功能
1
Vss
电源地(GND)
2
Vdd
电源电压(+5V)
3
V0
LCD驱动电压(可调)寄存器选择输入端,输入MPU选择模块内部寄存器类型信号:
RS=0,当MPU进行写模块操作,指向指令寄存器;
4
RS
当MPU进行读模块操作,指向地址计数器;RS=1,无论MPU读操作还是写操作,均指向数据寄存器
5
R/W
R/W=0读操作;R/W=1写操作
6
E
使能信号输入端,输入MPU读/写模块操作使能信号:
4位方式通讯时,不使用DB0-DB3
7
DB0
数据输入/输出口,MPU与模块之间的数据传送通道
8
DB1
数据输入/输出口,MPU与模块之间的数据传送通道
9
DB2
数据输入/输出口,MPU与模块之间的数据传送通道
10
DB3
数据输入/输出口,MPU与模块之间的数据传送通道
11
DB4
数据输入/输出口,MPU与模块之间的数据传送通道
12
DB5
数据输入/输出口,MPU与模块之间的数据传送通道
13
DB6
数据输入/输出口,MPU与模块之间的数据传送通道
14
DB7
数据输入/输出口,MPU与模块之间的数据传送通道
15
A
背光的正端+5V
16
K
背光的负端0V
2.5.3 接口时序
图2-5时序图
表2-3液晶1602时序图标号说明
时序参数
符号
极限值
单位
测试条件
最小值
典型值
最大值
E信号周期
tc
400
ns
引脚E
E脉冲宽度
Tpm
150
ns
E上升沿/下降沿时间
Tr,tf
25
ns
地址建立时间
Tsp1
30
ns
引脚E、RS、R\W
地址保持时间
Thd1
10
ns
数据建立时间(读操作)
Td
100
ns
引脚DB0~DB7
数据保持时间(读操作)
Thd2
20
ns
数据建立时间(写操作)
Tsp2
40
ns
数据保持时间(写操作)
Thd2
10
ns
程序实现如下:
/************************写指令程序************************/
voidwr_com(unsignedcharcom)//写指令
{
delay
(1);//延时1ms
RS=0;//写命令设置
RW=0;//并行数据的读写
EN=0;//使能为0
P2=com;//输入命令
delay
(1);//延时1ms
EN=1;//使能为1
delay
(1);//延时1ms
EN=0;//使能为0
}
/**********************写数据程序***********************/
voidwr_dat(unsignedchardat)//写数据
{
delay
(1);//延时1ms
RS=1;//写数据设置
RW=0;//并行数据的读写
EN=0;//使能为0
P2=dat;//输入数据
delay
(1);//延时1ms
EN=1;//使能为1
delay
(1);//延时1ms
EN=0;//使能为0
}
2.5.4 初始化指令:
表2-4清屏指令
指令功能
指令编码
执行时间/ms
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
清屏
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
1.64
功能:
1.清除液晶显示器,即将DDRAM的内容全部填入"空白"的ASCII码20H;
2.光标归位,即将光标撤回液晶显示屏的左上方;
3.将地址计数器(AC)的值设为0。
表2-5光标归位指令
指令功能
指令编码
执行时间/ms
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
光标归位
0
0
0
0
0
0
0
0
1
X
1.64
功能:
1.把光标撤回到显示器的左上方;
2.把地址计数器(AC)的值设置为0;
3.保持DDRAM的内容不变
表2-6进入模式设置指令
指令功能
指令编码
执行时间/ms
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
进入模式设置
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
1.64
功能:
设定每次定入1位数据后光标的移位方向,并且设定每次写入的一个字符是否移动。
表2-7显示开关控制指令
指令功能
指令编码
执行时间/us
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
显示开关控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
40
功能:
控制显示器开/关、光标显示/关闭以及光标是否闪烁。
表2-8设定显示屏或光标移动方向指令
指令功能
指令编码
执行时间/us
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
设定显示屏或光标移动方向
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
X
X
40
功能:
使光标移位或使整个显示屏幕移位。
表2-9功能设定指令
指令功能
指令编码
执行时间/us
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
功能设定
0
0
0
0
1
DL
S/C
R/L
X
X
40
功能:
设定数据总线位数、显示的行数及字型。
参数设定的情况如下:
表2-10设定CGRAM地址指令
指令功能
指令编码
执行时间/us
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
设定CGRAM地址
0
0
0
1
CGRAM的地址(6位)
功能:
设定下一个要存入数据的CGRAM的地址。
表2-11设定DDRAM地址指令
指令功能
指令编码
执行时间/us
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
设定DDRAM地址
0
0
1
CGRAM的地址(7位)
40
功能:
设定下一个要存入数据的CGRAM的地址。
(注意这里我们送地址的时候应该是0x80+Address,这也是前面说到写地址命令的时候要加上0x80的原因)
表2-12读取忙信号或AC地址指令
指令功能
指令编码
执行时间/us
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
读取忙碌信号或AC地址
0
1
FB
AC内容(7位)
40
功能:
1.读取忙碌信号BF的内容,BF=1表示液晶显示器忙,暂时无法接收单片机送来的数据或指令;当BF=0时,液晶显示器可以接收单片机送来的数据或指令;
2.读取地址计数器(AC)的内容。
表2-13数据写入DDRAM或CGRAM指令一览
指令功能
指令编码
执行时间/us
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
写数据到DDRAM或CGRAM
1
0
要写的数据D7~D0
40
功能:
1.将字符码写入DDRAM,以使液晶显示屏显示出相对应的字符;
2.将使用者自己设计的图形存入CGRAM。
表2-14从CGRAM或DDRAM读出数据的指令一览
指令功能
指令编码
执行时间/us
RS
R/W
DB7
DB6
DB5
DB4
DB3
DB2
DB1
DB0
从CGRAM或DDRAM中读数据
1
1
要读的数据D7~D0
40
功能:
读取DDRAM或CGRAM中的内容。
单片机和LCD液晶显示器的连接
图2-6液晶显示电路
2.6 状态显示电路
电路设计若水流量开始技术则绿灯亮,水流量计数停止则绿灯灭。
温度超过40度或小于0度红灯报警。
由于发光二极管的需求电流为3mA~10mA,电压为3V所以计算
R=3V/(3~10)mA=(330~1000)欧
故我们在这采用R=330,以使经过发光二极管电流较大,发光更亮。
图2-7状态显示电路
2.7 温度测量电路
课题任务中需要测量水温,故先用温度传感器DS18B02的数据采集,再通过单片机数据处理,最后在液晶屏显示出来。
2.7.1DS18B20简介
DS18B20是DALLAS半导体公司推出的第一片支持“一线总线”接口的温度传感器,他它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点,可直接将温度转化成串行数字信号供处理器处理。
DS18B20具有以下优点:
适应电压范围宽,电压范围在3.0V~5.5V,在寄生电源方式下可由数据线供电。
独特的单线接口方式,与微处理器连接时只需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通信。
1支持多点组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的三线上,实现组网多点测温。
2在使用中不需要任何外围元件,全部传感元件以及转换电路集成在形如一直三极管的集成电路内。
3测温范围-55℃+125℃,在-10℃~+85℃时进度为±0.5℃,可编程分辨率为9~12位,对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃,可实现高精度测温。
4负压特性。
电源极性接反时,芯片不会因为过热而烧毁,但不能正常工作。
2.7.2 DS18B20结构及其工作原理
图2-8DS18B20的引脚和封装
图2-9DS18B20的内部结构
DS18B20组成:
64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DS18B20的管脚排列:
DQ为数字信号输入/输出端
GND为电源地
VDD为外接供电电源输入端,在寄生电源接线方式时接地。
DS18B20内部带有共9个字节的高速暂存器RAM和电可擦除EEPROM,起结构如表2-15所示。
表2-15DS18B20高速暂存器结构
寄存器内容
字节地址
温度值低位(LSB)
0
温度值高位(MSB)
1
高温限值(TH)
2
低温限值(TL)
3
配置寄存器
4
保留
5
保留
6
保留
7
CRC校验值
8
表2-16DS18B20操作指令
ROM操作指令
指令
约定代码
功能
读ROM
33H
读DS18B20温度传感器ROM中的编码(即64位地址)
匹配ROM
55H
发出命令后接着发出64位ROM编码,访问总线上与该编码对应的芯片
搜索ROM
F0H
用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数
跳过ROM
CCH
忽略64位ROM地址,直接向DS18B20发温度变换命令
告警搜索
ECH
执行后只有问多超过上限
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