基于单片机的水温水位控制系统

1、 本科毕业论文（设计）本科毕业论文（设计） 论文题目： 姓名： 学号： 班级： 年级： 专业： 系部： 指导教师： 完成时间： 作者声明作者声明 本毕业论文（设计）是在导师的指导下由本人独立撰写完成的， 没有剽窃、抄袭、造假等违反道德、学术规范和其他侵权行为。对 本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。因本毕业论文（设计）引起的法律结果完全由本人 承担。 特此声明。 作者专业： 作者学号： 作者签名： 年年 月月 日日 基于单片机的水温水位控制系统基于单片机的水温水位控制系统 Water Temperature-Level Control System Bas

2、ed on SCM 摘摘 要要 可编程控制器单片机、PLC 等的出现大大提高了现代工业的自动化程度， 改善了产品的工作性能。本次设计是对水温水位控制系统的智能化改进，采用 单片机对其水温水位参数进行控制，提高了电器的工作稳定性，同时引进了数 字传感器对水温进行数据采集，这样也就提高了系统的控制精度，对水位的控 制结构简单，易于实现，具有很强的现实应用价值。 本设计温度传感器采用 DS18B20，DS18B20 是美国 Dallas 公司生产的一线 数字式温度计芯片,现在已完全取代 DS1820。它具有结构简单，不需要外接元 件,采用一根 I/O 数据线既可以供电又可以传输数据、并可以设有用户设

3、置温度 报警界限等特点。此次设计主控制器采用 Philips 公司生产的 P89V51RD2 单片 机，P89V51RD2 是常用的机型，功能强大，性能稳定。该产品可以广泛应用于 各种环境，例如：铁路路基温度无线采集系统、水温实时检测系统、楼宇内温 度监视系统等。 虽然是对水温水位控制系统的改进，但是这种智能化的改进方法也可以应 用到工业、生活的各个水温和水位控制的环境中去，对于其他相关参数的控制 改进也具有一定的借鉴意义。此次的基于单片机的水温水位控制系统是一个改 进性的智能化产品，以其自身的控制精度高、稳定性好和成本低的独特优点在 今后将会由广泛的实用价值，其基于单片机的改进方法也具用广泛

4、的应用意义。 关键词：关键词：单片机；DS18B20；水温水位控制 Abstract The appearance of BP PLC and PLC has greatly increased the modern industrial automation and improved the work performance of the product. The design of the water temperature control system is to improve the intellectualized. A monolithic integrated circuits

5、 is to control the level of parameter and improve the stability of the electrical work, and meantime, it introduced a number of the water temperature sensor for data collection, it also increases the control system to control the level of accuracy with a simple structure, which is easy to achieve an

6、d has great practical value. The design temperature sensors used DS18B20 which is a digital thermometer chip produced by the Dallas company and now completely replaced DS1820. Its simple and doesnt need the components. Just use a piece of I/O data line can not only supply the power, but the data tra

7、nsmission. Moreover, it has a user setting, you can use it to set the alarm boundaries. The design of master controller used the Philips companys P89V51RD2 monolithic integrated circuits, which is the usual type. It has a powerful function and reliable performance. It can be widely used in various c

8、ircumstances. Such as, railway system, the temperature of real-time testing system, the premises of the surveillance system and so on. Though it is a way to improve the water temperature control system, the intellectualized ways of improvement can also be applied to industrial, water and the level c

9、ontrol of the environment. For other related parameters, it also has a certain meaning using. The revivification of the water control system is an intelligent product. To its own control of high precision, stability and low cost of the advantages, in the future there will be a wide range of practica

10、l value. Whats more, its based on single ways of improvement have wide application meaning. Keywords: singlechip; water levels examination; water temperatures examination 目目 录录 引引 论论.1 1 系统设计方案讨论与选择系统设计方案讨论与选择.2 1.1 系统设计方案的选择.2 1.2 总体系统设计方框图.2 1.3 温度控制系统的设计方案讨论.3 1.4 水位控制系统的设计方案讨论.3 1.5 数据显示系统的设计方案讨

11、论.3 1.6 报警系统的设计方案讨论.4 2 系统工作原理系统工作原理.5 2.1 水温控制系统.5 2.2 水位控制系统.5 2.3 水温水位显示系统.5 2.4 报警系统.5 3 系统单元电路设计系统单元电路设计.6 3.1 单片机最小系统.6 3.2 显示系统设计.9 3.3 水位检测系统设计.12 3.4 水温检测系统设计.13 3.5 报警系统设计.17 3.6 继电器驱动电路设计.17 3.7 电源电路.18 4 系统软件设计系统软件设计.19 4.1 系统硬件开机自检程序设计.19 4.2 系统自动上水程序设计.20 4.3 水温水位交替显示流程图设计.21 4.4 系统按键程

12、序设计.22 5 系统可靠性处理系统可靠性处理.23 5.1 硬件调试.23 5.2 软件调试.24 结结 语语.25 主要参考文献主要参考文献.26 附录、附图附录、附图.27 附录 1 系统原理图.27 附录 2 基于单片机的水温水位控制系统说明.28 附录 3 部分源程序清单.29 引引 论论 随着电子技术的发展，特别是随着大规模集成电路的产生，给人们的生活 带来了根本性的变化，如果说微型计算机的出现使现代的科学研究得到了质的 飞跃，那么可编程控制器的出现则是给现代工业控制测控领域带来了一次新的 革命。在现代社会中，水位和温度控制不仅应用在工厂生产方面，其作用也体 现到了生活的各个方面。

13、 随着人们生活质量的提高，酒店厂房及家庭生活中都会见到水位和温度控 制的影子，水位和温度控制将更好的服务于社会目前，单片机控制器在从生活 工具到工业应用的各个领域，例如生活工具的电梯、工业生产中的现场控制仪 表、数控机床等。尤其是用单片机控制器改造落后的设备具有性价比高、提高 设备的使用寿命、提高设备的自动化程度的特点。 现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到水位和温度控制，早 期水位和温度控制主要应用于工厂中，例如工厂中的大型锅炉，必须实时的掌 握锅炉的水位和温度，确保系统的正常运行。 因此，水温水位控制在改善人们生活质量中起到了非常重要的作用。现在 市面上的电器种类繁多，它们都需要

14、对其主要的水位和水温参数加以控制，实 现电器水温水位控制的自动化。 早期温度和水位的参数控制时通过模拟电路实现的，这种方式不仅电路复 杂，成本高，而且误差大，系统的稳定性不好，单片机及微型计算机技术的发 展和应用有效地解决了这些缺点，特别是传感器的发展，更好的提高了检测参 数的精度。 选择基于单片机的水温水位控制系统，是因为它不仅在人们生活中具有显 著的意义，更重要的是能系统地聚温度和水位参数于一身，对于更好的掌握和 认识单片机的应用和传感器的应用，系统地深刻认识自动控制的实际应用，掌 握复杂的多子系统地设计起到了很强的锻炼作用。 1 系统设计方案讨论与选择系统设计方案讨论与选择 1.1 系统

15、设计方案的选择系统设计方案的选择 方案 1：采用传统的数字模似电路，功能可以实现，但电路复杂,温度误差 大,成本高，可靠性差。 方案 2：采用单片机控制，结构简单，使用方便，成本低，性能稳定，温 度误差只有 0.5 摄式度。 方案 2 与方案 1 比较，有着明显的优势，所以我采用了方案 2。 1.2 总体系统设计方框图总体系统设计方框图 为实现系统的水温水位控制，根据系统的设计功能要求，构造总体方框图 如图 1.1 所示。 P89V51RB2 单片机 控制中心 TC1602 数据 显示 独立式键 盘 温度采集 水位采集 报警系统 温度补偿 水位补偿 图图 1.1 总体系统方案图总体系统方案图

16、单片机的控制电路接正五伏的直流电压源，继电器的功率电路接另一个正 五伏的直流电压源，当电源接好后，就可以按下系统的总电源开关，系统就开 始运行。首先系统进行硬件电路的开机自检，主要是检查 DS18B20 工作是否正 常，显示器是否正常工作，报警系统是否正常，在此同时 TC1602 显示器同步 显示系统状态，在此过程中用户可以预置水位和水温，接下来开始检测容器中 的水位，是否低于下限水位，如果低于下限水位则开始自动上水至默认水位 1000ml，然后进入水温水位交替显示的正常状态，此时用户可通过四个独立式 按键进行水温水位的设置，按下 K4 键系统进入菜单式选择状态，显示器上光 标闪烁引导用户进行

17、选择操作，K2、K3 键用来选择设置项目，选择按下 K1 确 认键后，开始进入自定义的水温或水位的设置，设置完成后系统开始自动补偿 水温或水位，完成任务后又进入水温水位交替显示的正常状态，系统这是会自 动检测容器中的水温水位，同时比较水温水位的下限，进行及时的水温水位补 偿，如果容器中处于水位低而温度高的状态，系统则会进行加水来降低水温的 温控上水的动作，完成后自动进入水温水位的交替显示状态。每一次系统的动 作都配合听觉和视觉感受，使整个系统实现了人性化设计，方便实用，通俗易 懂。 1.3 温度控制系统的设计方案讨论温度控制系统的设计方案讨论 如果采用热电阻，电路需接 A/D 转换电路，由单片

18、机换算出实际温度，电 路结构复杂，而且也精度不高，DS18B20 可直接与单片机的 1 位 I/O 相接，电 路结构简单，占用单片机的口线资源少，精度高，而且成本低，DS18B20 以其 各方面优点作为温度传感器进行温度采样应用于此水温水位控制系统中实在是 当仁不让。 1.4 水位控制系统的设计方案讨论水位控制系统的设计方案讨论 此系统要进行水温水位控制，马上想到的是水温水位的两个参数的控制， 在温度传感器采用 DS18B20 之后，对于水位的控制不假思索的想到要运用水位 传感器，经过几天的资料搜集，发现水位的传感器是通过压力传感器变换过来 的，看到最多的是浮球式液位传感器，而且此传感器的适用

19、温度范围和测试精 度也适合该设计系统，但此方案的缺点是价格非常昂贵；后来又考虑采用应用 于电子秤中的数字压力传感器，去测得整个容器中水的变化和容器中液位的换 算关系，此想法基于电子秤能够测得一张纸的重量，但是在实际应用中，考虑 到容器的氧化，容器内部的水垢增多，而且容器的外置也会产生整个容器重量 的变化，从而造成液位采集的不准确，此压力传感器的市场价格也比较昂贵， 应用于此控制模型中也是一种浪费；因此我自制了八根线将容器中的液位分成 了八个水位挡，通过和电源正极的结合，利用水导电的特性，通过 9012 三极管 等元件构成的驱动电路的电平转换，将液位数据输入 P2 口，通过单片机换算转 换成液位

20、数据存入一个存储器单元，随时读取。 1.5 数据显示系统的设计方案讨论数据显示系统的设计方案讨论 为了能构造一个适合的人机界面，在诸多的显示器件中 TC1602 的液晶字 符性显示器非常适合运用于此控制系统当中的，它的功能特性也完全适用于此 设计系统的功能要求，也不会造成资源的浪费，所以就确定 TC1602 作为本此 设计系统的显示器件。为了配合显示器件，就需设置按键，根据系统的功能要 求和单片机的口线资源，为系统配制了四个独立式键盘，K1 键为确定键，K2 和 K3 键作为光标的移动和数据的增减，K4 键作为设置键。 1.6 报警系统的设计方案讨论报警系统的设计方案讨论 作为一个完整的系统，

21、免不了要设置报警装置，处于系统模型化的考虑， 采用蜂鸣器和二极管的结合，伴随着系统故障的产生和动作的产生，给予人以 视觉和听觉的提示，使之能通过多种方式掌握系统的状态，而且此报警装置也 比较经济实惠。 2 系统工作原理系统工作原理 此系统是为多子系统的综合性控制系统，设计过程中也是分块实现设计调 试，最后进行综合实现，以下就从各子系统的工作原理进行分别进行说明。 2.1 水温控制系统水温控制系统 该子系统利用低功耗单线数字温度传感器 DS18B20 实现温度采样，将采样 的温度值通过单片机的 P0.7 口送入单片机处理，然后实现水温的控制,利用按键 对水温的值进行设置，按确定键后，通过驱动电路

22、驱动继电器启动电热丝对水 进行加温，能自动补偿温度到自定义温度，正常状况下显示水温的同时检测下 限温度，反馈温度信息并及时调整，使之保持温度在一定范围内的稳定。 2.2 水位控制系统水位控制系统 该子系统能进行水位的控制，利用自制的八根导线对水位的信息进行采集， 并通过单片机的 P2 口送入给单片机处理加工，通过显示器显示，共有 8 个水位 挡，从 600ml 到 1300ml，100ml 一个挡，可通过按键对水位进行设置，确定后 通过驱动继电器启动小型水泵给予加水到自定义的水位同时检测下限水位，反 馈水位信息给单片机进行处理并及时调整，使系统的水位保持在一定的范围内。 2.3 水温水位显示系

23、统水温水位显示系统 该子系统采用 TC1602 液晶显示起能实时的显示水温水位信息，按键操作 时，采用菜单提示性显示，引导用户进行操作，界面分辨率可调，字符清晰。 2.4 报警系统报警系统 该系统利用蜂鸣器和同步工作的发光二极管实现能给予人视觉和听觉上的 系统故障报警和水温水位信息报警，以便及时掌握水温水位控制系统的工作状 况，系统自己不能处理的就可以人工辅助处理，这样能让系统更好的运行在稳 定状况下。 3 系统单元电路设计系统单元电路设计 3.1 单片机最小系统单片机最小系统 本设计采用 P89V51RD2 单片机作为主控制芯片。P89V51RD2 单片机介绍 如下： P89V51RD2 是

24、 Philips 公司生产的一款 80C51 微控制器，包含 64KB Flash 和 1024 字节的数据 RAM。P89V51RD2 的典型特性是它的 X2 方式选项。利用 该特性，设计者可使应用程序以传统的 80C51 时钟频率（每个机器周期包含 12 个时钟）或 X2 方式（每个机器周期包含 6 个时钟）的时钟频率运行，选择 X2 方式可在相同时钟频率下获得 2 倍的吞吐量。从该特性获益的另一种方法是将 时钟频率减半来保持特性不变，这样可以极大地降低 EMI。Flash 程序存储器支 持并行和串行在系统编程（ISP） ，ISP 允许在软件控制下对成品中的器件进行 重复编程。应用固件的产

25、生/更新能力实现了 ISP 的大范围应用。5V 的工作电 压，操作频率为 040MHz。 P89V51RD2 单片机最小系统框图如图 3.1： 图图 3.1 单片机最小系统框图单片机最小系统框图 3.1.1 时钟电路时钟电路 时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号，单片机本身就是一个复 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 MCS-51 芯片内部有一个高增益反相放大器，其输入端为芯片引脚 单片机P89V51RD2时钟电路 复位电路 串行下载 口电路 串行通信 接口电路 ，输出端为引脚，在芯片的外部跨接晶体振荡器和微调电容，形

26、 1 XTAL 2 XTAL 成反馈电路，就构成了一个稳定的自激振荡器。 此电路采用 6MHz 的石英晶体。 时钟电路如下图 3.2： 图图 3.2 时钟电路时钟电路 3.1.2 复位电路复位电路 复位是单片机的初始化操作。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程 序运行出错或操作错误是系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键 以重新启动。 RST 引脚是单片机复位信号的输入端，复位信号是高电平有效，其有效时 间应持续 24 个振荡周期（即 2 个机器周期）以上，若使用频率为 12MHz 的晶 振，则复位信号持续时间应超过 4s 才能完成复位操作。复位操作有上电自动 复位和按键手动复位两种

27、方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电 来实现的。按键电平复位是通过使复位端经电阻与 Vcc 电源接通而实现的。在 本设计中采用了按键电平复位方式，其复位电路如下图 3.3： 图图 3.3 复位电路复位电路 3.1.3 串行下载口电路串行下载口电路 为了将软件程序下载到单片机中，必须为之设计一种串行接口电路，在此 C1+ 1 V+ 2 C1- 3 C2+ 4 C2- 5 V- 6 T2out 7 R2in 8 R2out 9 T2in 10 T1in 11 R1out 12 R1in 13 T1out 14 GND 15 VCC 16 CP2 MAX232 1 6 2 7 3 8 4

28、9 5 DB9COM C8 0.01F C9 0.01F C10 0.01F C11 0.01F VCC 1 2 J2 电路中采用 MAX232 芯片，MAX232 片内含有一个电容性发生器以便在 5V 电 源供电时提供 EIA/TIA-232-E 电平。每个接收器将 EIA/TIA-232-E 电平输入转 为 5V TTL/COMS 输入电平转换为 EIA/TIA-232-E 电平。 DW 或 N 封装及逻辑符号如图 3.4： 图图 3.4 MAX232 的的 DW 或或 N 封装及逻辑符号封装及逻辑符号 3.1.4 串行通信接口电路图串行通信接口电路图 在串行接口电路设计中 MAX232

29、主要用于数据的串行通讯，对电子钟程序 的下载调试。应用结构图如图 3.5 所示： 图图 3.5 MAX232 应用结构图应用结构图 3.2 显示系统设计显示系统设计 3.2.1 TC1602A 简介简介 该系统的显示部分采用 TC1602 字符液晶显示器，TC1602A 是一种 16 字2 行的字符型液晶显示模块，其显示面积为 64.513.8mm2 ，TC1602A 的引脚排 列如图 3.6 所示： 图图 3.6 TC1602A 的引脚排列的引脚排列 它有 16 个引脚可与外界相连。其中： 1 脚 VSS：接地； 2 脚 Vdd：接5V 电源； 3 脚 VO：对比度调整端，LCD 驱动电压范

30、围为 VddVO。当 VO 接地时， 对比度最强； 4 脚 RS：寄存器选择端，RS 为 0 时，选择命令寄存器 IR；RS 为 1 时，选 择数据寄存器 DR； 5 脚 R/W：读写控制端，R/W 为 1 时，选择读出；R/W 为 0 时，则选择写 入； 6 脚 EEnable：使能控制端，E 为 1 时，使能；E 为 0，禁止； 7 脚14 脚 D0D7：数据总线； 15 脚 LED：背景光源，接5V； 16 脚 LED：背景光源，接地。 其指令系统： TC1602A 内有 2 个寄存器：一个是命令寄存器，另一个是数据寄存器。所 有对 TC1602A 的操作必须先写命令字，再写数据。 指令

31、系统如表 3.1： 表表 3.1 指令系统指令系统 控制信号指令代码 RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D0 功 能 0000000001清屏 000000001*软复位 00000001I/DS内部方式设置 0000001DCB显示开关控制 000001S/CR/L*位移控制 00001DLNF*系统方式设置 0001ACGCGRAM 地址设置 001ADD显示地址设置 01BFAC忙状态检查 10写数据MCULCD 11读数据LCDMCU 1000 0000(080H)为第一行显示起始地址，即为第一行第 1 列，081H08FH 为第 2 列到第 15 列 1100 0000(0C0H

32、)为第二行显示起始地址，即为第二行第 1 列， 0C1H0CFH 为第 2 列到第 15 列 此指令设置 DD RAM 地址指针的值，此后就可以将要显示的数据写入到 DD RAM 中。在 HD44780 控制器中由于内嵌有大量的常用字符，这些字符都 集成在 CG ROM 中，当要显示这此点阵字符时，只需把该字符所对应的字符代 码送给指定的 DD RAM 中即可。 内含 HD44780 控制器的点阵字符型 LCD 显示器的字符码表如表 3.2 所列： 表表 3.2 点阵字符型点阵字符型 LCD 的字符代码表的字符代码表 高 4 位 低 4 位 000000010010 001 1 0100010

33、1 011 0 011 1 100010011010 101 1 110 0 110 1 111 0 1111 xxxx0000CG RA 0Pp xxxx0001 (2)!1AQaq xxxx0010 (3)2BRbr xxxx0011 (4)3CScs xxxx0100 (5)$4DTdt xxxx0101 (6)%5EUeu xxxx0110 (7)Kk( xxxx1100 (5)，Nn xxxx1111 (8)/?O_o 3.2.2 LCD1602 与单片机的连接图与单片机的连接图 图图 3.7 LCD1602 与单片机的连接图与单片机的连接图 3.3 水位检测系统设计水位检测系统设计

34、 水位检测是充分运用了水的导电性，八根导线等份依次排列在容器中，作 为检测水位用，从最底下的一根开始，即换成水位为 600ml 开始，100ml 一个 水位挡，直到最上面的一根导线，即 1300ml 为止，在容器的最底部放了一根 5V 电源的正极导线，当电源通电后，随着水位的变化，水将淹没一些导线，这 时这些导线将会和电源正极连通，如果通过一驱动电路将其电平进行转换，进 入单片机的将会是对应于水位的数据信号。其水位于数据信号的对应关系如表 3.3 所示： 表表 3.3 水位于数据信号的对应关系水位于数据信号的对应关系 0FEH600ml0E0H1000ml 0FCH700ml0C0H1100m

35、l 0F8H800ml080H1200ml 0F0H900ml00H1300ml 为使电平进行转换，必须设计八个并行的电平转换电路，由于是由高电平 转换成低电平，所以选择 NPN 的三极管，在此我选择是的 8050NPN 的三极管， 为了减小干扰，滤除干扰信号，在水位端加了一个 1F 的电解电容，经测试效 果很好，水位数据信号原本选择的是 P0 口输入，在调试过程中发现没有 P2 口 理想，所以就选择了 P2 口。检测水位部分模型如图 3.8 所示，水位数据的单根 电平转换电路如图 3.9 所示。 图图 3.8 检测水位模型检测水位模型 图图 3.9 水位数据单根电平转换电路水位数据单根电平转

36、换电路 3.4 水温检测系统设计水温检测系统设计 3.4.1 单线数字温度计单线数字温度计 DSl8B20 介绍介绍 DSl8B20 数字温度计提供 9 位(二进制)温度读数，指示器件的温度。信息 经过单线接口送入 DSl8B20 或从 DSl8B20 送出，因此从主机 CPU 到 DSl8B20 仅需一条线（和地线） 。DSl8B20 的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电 源。因为每一个 DSl8B20 在出厂时已经给定了唯一的序号，因此任意多个 DSl8B20 可以存放在同一条单线总线上。这允许在许多不同的地方放置温度敏 感器件。DSl8B20 的测量范围从-55 摄式度到+125 摄

37、式度，增量值为 0.5 摄式度， 可在 l s(典型值)内把温度变换成数字。 每一个 DSl8B20 包括一个唯一的 64 位长的序号，该序号值存放在 DSl8B20 内部的 ROM(只读存贮器)中。开始 8 位是产品类型编码(DSl8B20 编码 均为 10H)。接着的 48 位是每个器件唯一的序号。最后 8 位是前面 56 位的 CRC(循环冗余校验)码。DSl8B20 中还有用于存储测得的温度值的两个 8 位存 贮器 RAM，编号为 0 号和 1 号。1 号存贮器存放温度值的符号，如果温度为负 (摄式度)，则 1 号存贮器 8 位全为 1，否则全为 0。0 号存贮器用于存放温度值 的补码

38、，LSB(最低位)的 1 表示 0.5 摄式度。将存贮器中的二进制数求补再转换 成十进制数并除以 2 就得到被测温度值(-55 摄式度-125 摄式度)。每只 DS18B20 都可以设置成两种供电方式，即数据总线供电方式和外部供电方式。采取数据 总线供电方式可以节省一根导线，但完成温度测量的时间较长：采取外部供电 方式则多用一根导线，但测量速度较快。 3.4.2 温度计算温度计算 （1）DS18B20 用 9 位存贮温值度，最高位为符号位，如表 3.5 为 DS18B20 的温度存储方式，负温度 S=1，正温度 S=0。如：00AAH 为+85 摄式 度，0032H 为 25 摄式度，FF92

39、H 为 55 摄式度。 表表 3.5 18B20 用用 9 位的温度存储方式位的温度存储方式 （2）DS18B20 用 12 位存贮温值度，最高位为符号位，如表 3.6 为 DS18B20 的温度存储方式，负温度 S=1，正温度 S=0。如：0550H 为+85 摄式 度，0191H 为 25.0625 摄式度，FC90H 为-55 摄式度。 表表 3.6 DS18B20 用用 12 位的温度存储方式位的温度存储方式 3.4.3 DSl820 工作过程及时序工作过程及时序 DSl8B20 工作过程中的协议如下： 初始化：ROM 操作命令；存储器操作命令；处理数据。 （1）初始化 单总线上的所有

40、处理均从初始化开始。 （2）ROM 操作命令 总线主机检测到 DSl8B20 的存在，便可以发出 ROM 操作命令之一，这些 命令如： 指令 代码 Read ROM(读 ROM) 33H Match ROM(匹配 ROM)55H Skip ROM(跳过 ROM) CCH Search ROM(搜索 ROM)F0H Alarm search(告警搜索) ECH （3）存储器操作命令 指令 代码 Write Scratchpad(写暂存存储器) 4EH Read Scratchpad(读暂存存储器) BEH Copy Scratchpad(复制暂存存储器) 48H Convert Temperat

41、ure(温度变换) 44H Recall EPROM(重新调出) B8H Read Power supply(读电源) B4H （4）时序 主机使用时间隙(time slots)来读写 DSl8B20 的数据位和写命令字的位。 初始化 时序见图 3.10。主机总线 to 时刻发送一复位脉冲(最短为 480us 的低电平信 号)，接着在 t1 时刻释放总线并进入接收状态，DSl8B20 在检测到总线的上升沿 之后，等待 15s60s，接着 DS18B20 在 t2 时刻发出存在脉冲(低电平，持续 60s240 s)，如图中虚线所示。 图图 3.10 初始化时序图初始化时序图 写时间隙 当主机总线

42、 t0时刻从高拉至低电平时，就产生写时间隙，见图 3.11、图 3.12，从 t0时刻开始 15s 之内应将所需写的位送到总线上，DSl8B20 在 t0后 15s60s 间对总线采样。若低电平，写入的位是 0，见图 3.11；若高电平，写 入的位是 1，见图 3.12。连续写 2 位间的间隙应大于 1s。 图图 3.11 写写 0 时序时序 图图 3.12 写写 1 时序时序 读时间隙 见图 3.13，主机总线 to 时刻从高拉至低电平时，总线只须保持低电平 l 7s。之后在 t1 时刻将总线拉高，产生读时间隙，读时间隙在 t1时刻后 t2时刻 前有效。t2距 t0为 15s。也就是说，t2

43、时刻前主机必须完成读位，并在 t0后的 60s 120 s 内释放总线。 图图 3.13 读时序读时序 3.4.4 DS18B20 与单片机的硬件连接图与单片机的硬件连接图 用 P0.7 读入温度数据，如图 3.14 所示： 图图 3.14 DS18B20 与单片机的硬件连接图与单片机的硬件连接图 3.5 报警系统设计报警系统设计 报警系统是由蜂鸣器和发光二极管构成，其设计的硬件电路如图 3.15 所示： 图图 3.15 报警系统电路报警系统电路 3.6 继电器驱动电路设计继电器驱动电路设计 为了给容器中水补偿温度和水位，就须通过继电器启动 220V 交流电的电 热丝和小型水泵，这样就须考虑设

44、计一个继电器的驱动电路。其硬件电路图如 图 3.16： D7 IN4007 R18 1K VCC 12 34 J R19 JIDIANQI 1 2 JP4 HEAD ER 2 1 2 JP5 PANG PANG 业220V C28 470uF U5 OPT OISO1 Q19 9012 R21 1K VCC Q21 PNP R14 1K D7 IN4007 R18 1K VCC 12 34 J R19 JIDIANQI PANG C28 470uF U6 OPT OISO1 Q20 9012 R23 1K VCC Q22 PNP R22 1K 1 2 JP6 JIARE 图图 3.16 继电器

45、驱动电路继电器驱动电路 3.7 电源电路电源电路 电源电路为整个电路提供电源，是电路设计不可缺少的一部分。电源电路 的稳定性决定着整个电路的可靠程度。在本设计中，整个电路需要+5V 电源。 电源电路是把市电交流 220V 经过变压器降压为交流 12V，再通过二极管 整流、电容滤波、三端集成稳压器 7805 稳压后输出正 5V 直流电源。电源电路 图如图 3.17 所示： 图 3.17 电源电路 4 系统软件设计系统软件设计 4.1 系统硬件开机自检程序设计系统硬件开机自检程序设计 为了保证系统的正常运行，当系统开机后，即单片机上电复位开始运行后， 需要对硬件各部分进行自动检查，如果正常，系统就

46、可以继续往下执行，如果 不正常就必须出错报警，以便人工修正，为系统的正常运行作好准备。 由于该系统主要是由水位检测、水温检测、显示部分组成，对于水位硬件 电路的检测，由于此硬件电路的故障变化性太大，不便于在自检程序中表现， 只能在后面的水位显示中表现出来，所以省掉；对于其他部分硬件电路只需要 通过读出 DS18B20 检测到的温度即可表明，通常情况下 DS18B20 如果烧坏后， 读出的温度一般为 85 度，如果线路的损坏，则程序不能往下执行，同时显示部 分报错，报警系统响应。 根据以上设计思想，自检程序设计框图如图 4.1 所示： 开始 1602显示器显示: system is self_c

47、hecking please wait. 读出18b20检测的温度 1602显示:system is ok 1602显示:system is orrer Y N 结束 是否为85度 图图 4.1 自检程序流程框图自检程序流程框图 4.2 系统自动上水程序设计系统自动上水程序设计 当系统开机时须检查容器中的水位是否底于最低水位 600ml，若低于 600ml 则自动上水到默认的 1000ml，自动上水程序框图如图 4.2 所示： 开始 读取P0口水位数据 结束 加水至1000ml 显示:水位变化 pumping* 是否小于600ml 是否1000ml Y N Y N 图图 4.2 自动上水程序框

48、图自动上水程序框图 4.3 水温水位交替显示流程图设计水温水位交替显示流程图设计 系统在正常状况下，交替显示水温水位的状况，同时还要不断检测水温是 否低于下限温度和水位是否底于下限水位以及满足温控上水的条件。其程序流 程框图如图 4.3 所示。 开始 读取温度 显示温度 读取水位 显示水位 加热 显示：水温变化 heating* 加水 显示：水位变化 pumping* 结束 温控上水操作 温度是否底于 下限水温 水位是否低于 下限水位 设置按键 是否按下 是否满足 温控上水条件 按键操作 图图 4.3 水温水位交替显示流程框图水温水位交替显示流程框图 4.4 系统按键程序设计系统按键程序设计

49、对系统的操作是通过四个按键进行的，K1 为确定键，既当确认加热水温数 值或加水水位数值后在按下此键就可进行相应的操作；K2、K3 为操作方式和 数值增减键；K4 为设置键。其程序流程框图如 4.4 所示。 开始 设置键按下 结束 水温调整水位调整 加热加水 菜单选择水温还是水位调整 图图 4.4 按键程序流程框图按键程序流程框图 5 系统可靠性处理系统可靠性处理 5.1 硬件调试硬件调试 5.1.1 接地处理接地处理 在该系统中，小信号回路、控制回路、以及它们的直流电源构成了第一类 弱信号地，系统中的继电器以及它们的驱动电源等连在一起构成第二类功率地， 系统中的外部机壳构成了第三类机壳地，如果

50、将系统中的第一类和第二类接在 一起就会使它们之间存在的阻抗产生噪声干扰，影响弱电回路。为了减少噪声 干扰，系统接地处理如图 5.1 所示。 功率电路 功率电源 直流电源 小信号控制电 路 图图 5.1 相互独立的电源接地相互独立的电源接地 5.1.2 隔离处理隔离处理 本系统设计中，为了更好的隔离功率电路和小信号控制电路之间的影响， 采取了光电隔离技术。 光电隔离的目的是割断两个电路的电联系，使之相互独立。 图图 5.2 光电隔离控制电路图光电隔离控制电路图 5.1.4 滤波处理滤波处理 滤波是为了抑制噪声干扰。在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪 声，如在数字电路中，当电路从一个状态转换

51、为另一个状态时，就会在电源线 上产生一个很大的尖锋电流，形成瞬变的噪声电压。利用电容、电感等储能元 件可以抑制因负载变化而产生的噪声。通常也把这种作用称之为滤波或去耦。 在该系统中，为了进行滤波或去耦，在单片机电源线的输入端、直流电源 输出端、继电器的输入端并连两个电容。 5.2 软件调试软件调试 在软件的调试过程中，是通过逐个功能调试成功，再到整体综合功能调试 成功。软件编译过程中出现的常见问题，比如超出目标范围，则说明当条指令 JNB、CJNE 的转移指令的跳转超出了范围，有时会出现无定义的符号，则说明 是标号的输入错误，如果指令的数量超出了一定范围，编译时就会报错而不能 生成目标文件，编

52、译可以通过，但功能不能实现的情况下，则可以采用在程序 中夹杂点亮指示灯的方法去查看程序的执行情况。 结结 语语 此次水温水位控制系统耗时两个月，先后经历了硬件制作和软件设计，具 体是通过每个板块的设计调试再到整体的组合通过，在此过程中给我最大的感 受就是理论上和实际应用是有很大的差距的，只有在实践中检验理论的时候， 自己才会认识到很多的问题，才能更深刻的认识到理论中的一些基本问题，也 才能发现自己未知的新问题，比如说对于系统的稳定问题，以前是从未涉及到 的，在这次的系统中由于添加了继电器和大功率的电器，就给系统带来了很多 的不稳定的问题，在解决这些不稳定问题的过程中就提高了自己对完整系统的 认

53、识。 在这次的毕业设计中更重要的是学习到的工程设计方法。以前对于硬件的 调试，由于方法的不科学，既耗精力又耗时间，效率非常不高，现在软、硬件 结合大大提高效率。在软件的排错和设计方面也提高了自己的能力，以前在程 序编译出现的错误中，由于程序的量较少，出现的错误也就较少，这次设计过 程中程序量达到一千多条，对于排错和设计带来很大的挑战，经过老师的指导， 我掌握了科学的程序排错和规范的程序设计，大大提高了程序的可读性，也让 自己能在以后的大型工程程序的设计中便于团体设计的接轨。同时，在这次设 计中也掌握和认识了很多的新器件。 在这漫长的设计过程中，通过自己不断的解决工程中遇到的一个一个的问 题，磨

54、练了自己的意志，提高了对工程设计实践的认识，我想这些都是自己今 后职业生涯中难得的宝贵经验。 主要参考文献主要参考文献 1 常健生检测与转换技术M北京：机械工业出版社，199010-30 2 航慈单片机程序设计基础M北京：航空航天大学出版社，1997：108-119 3 何立民单片机应用系统设计M北京：北京航天航空大学出版社，2004：47- 80 4 胡汉才单片机原理及其接口技术M北京：清华大学出版社，1996：50-68 5 江宏，李良玉Protel 电路设计与应用M北京：机械工业出版社，2002：15- 30 6 金炯泰如何使用 KEIL8051C 编译器M北京：北京航空航天大学出版社，

55、 20028-28 7 李珍，付植桐单片机原理与应用技术北京：清华大学出版社，2004：38-50 8 李光弟，朱月秀王秀山.单片机基础北京：北京航空航天大学出版社， 2001：15-20 9 李勋、刘源、李新民单片机适用教程M北京：北京航空航天大学出版社， 2000 10 清源计算机工作室Protel 99 se 原理图与 PCB 及仿真M北京：北京机械出 版社，2004：98-103 11 童诗白，华成英模拟电子技术基础北京：高等教育出版社，2000 12 吴文虎、李广弟DP-851 单片机系统使用教程M北京：电子工业出版社， 1995 13 薛钧义、张彦斌单片微型计算机及应用M西安：西安

56、交通大学出版社， 1990：1168 14 余永权FLASH 单片机原理及应用M北京：电子工业出版社 1997 15 阎石数字电子技术基础M北京：高等教育出版社，2002 16 DS18B20 技术资料美国 MAXIM/ DALLAS 半导体公司技术网站 17 Vizimuller, P.: RF Design Guide-Systems, Circuits, and Equations (ArtechHouse, Boston, MA, 1995) 18 Yang. Y., Yi. J., Woo, Y.Y., and Kim. B.: Optimum Design for Linearit

57、yand Efficiency of Microwave Doherty Amplifier Using a New LoadmatchingTechnique, Microw. J., 2001, 44, (12), pp. 2036 19 Zou Zhi jun. A study of Capacity of Major/minor priority T-intersection by Means of Computer SimulationJ, China Journal of Highway and Transport, 2000, 013(003): 101-105. 附录、附图附录

58、、附图 附录附录 1 系统原理图 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:11-Jun-2007Sheet of File:J:业业业业业业业业业业业业业.ddbDrawn By: RXD TXD 1 2 3 4 5 6 7 89 10 11 12 13 14 15 16 U2 MAX232 C8 104 C9 104 C10 104 C12 104 VCC 1 6 2 7 3 8 4 9 5 J4 DB9 Q15 NPN R44 10K R60 5.1K C32 1UF VCC W1 P2.0 Q13 NPN

59、 R42 10K R62 5.1K C24 ELECTRO2 VCC W3 P2.2 Q14 NPN R43 10K R59 5.1K C25 ELECTRO2 VCC W2 P2.1 Q16 NPN R41 10K R61 5.1K C20 ELECTRO2 VCC W4 P2.3 Q18 NPN R48 10K R66 5.1K C30 ELECTRO2 VCC W5 P2.4 Q21 NPN R47 10K R65 5.1K C29 ELECTRO2 VCC W7 P2.6 Q19 NPN R49 10K R63 5.1K C31 ELECTRO2 VCC W6 P2.5 Q20 NPN

60、 R46 10K R64 5.1K C27 ELECTRO2 VCC W8 P2.7 W5 W1 W6 W2 W7 W3 W8 W4 1 6 2 7 3 8 4 9 5 J5 DB9 VCC R23 100 V2 (+5V) 1 2 J3 CON2 VCC EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 3