【基于51单片机的恒温足浴器设计与实现9200字（论文）】

绪论1.1课题的研究意义如今人们开始关注养生。足浴是一种有3000多年历史的养生方法，因其实用的操作方式而备受推崇。足浴作为一种辅助人们洗脚的工具，它的质量直接影响人们浸泡脚的体验。为了提高足浴体验，了解足浴养生法的内在原则是至关重要的。根据国内外专家对足浴健康原理的研究，指出足浴健康的本质在于水温。为实现这一目标，本文采用STC89C51单片机作为主控制器和DS18B20温度传感器，设计出精度高、个性强的智能恒温足浴，改善人们的足浴体验。1.2课题的研究现状除了脚浴的结构，最引人注目的是脚浴的核心——温度控制。根据普通人泡脚的习惯，我们应该在38-43℃的温度下泡脚。为了实现这一目标，目前市场上的脚浴普遍采用模拟电路来控制温度。当然，还有更多的高端足浴设备使用51位单片机来控制温度[1]。此外，当脚浴温度超过脚浴上限时，用户发出警报非常重要。例如，当使用脚浴时，当脚浴的温度超过脚浴的上限时，用户可能会发出警报。然而，在调查中发现，一些足浴没有添加超温报警功能，这可能会导致使用过程中的危险。除了温度控制和报警，市场上的脚浴个性化程度不够高。一些低端洗脚池甚至无法设置温度值，这大大降低了用户体验[2]。除了温度控制和报警，人机交互体验也是衡量足浴质量的重要指标。目前，数码管通常被用作足浴的显示部分。高端洗脚池也采用彩色液晶屏设计，但价格较高。一些低端的洗脚设备甚至取消了屏幕的设计，这直接导致使用led指示加热或不加热，用户体验大大降低[3]。1.3课题的未来展望结合目前所了解的情况，未来足浴将在两个方面发展:改善结构和增加功能。其中，足浴的重点是温度管理，附加功能以多种按摩方式为主。此外，还将取代传统的模拟电路型足浴器。

2总体设计方案2.1总体设计思路本设计采用STC89C51单片机作为主控制器，DS1820作为温度采集传感器。为了实现被动蜂鸣器的功能，需要一个3.3V增加蜂鸣器，实现温度中断功能。红色LED亮起和熄灭表示加热开关。在人机交互方面，五个微按键分别用作控制模式切换键、加热模式切换键、报警模式切换键、设定升温键和设定降温键。本设计的显示器为lcd1620LCD，可显示实时温度、温度报警、控制模式、加热模式、报警模式以及设定温度信息。DDS1820温度传感器LCD1620液晶显示屏STC89C51LCD1620液晶显示屏STC89C51单片机蜂鸣器蜂鸣器微动按键微动按键LEDLED图2-1系统设计框图2.2STC89C51主控制器介绍根据本设计对I/O端口数量、功耗、处理速度的要求，主控制器采用51位单片机STC89C51。该单片机最高可工作72mhz。本设计中使用的操作频率是72mhz。还具有64k闪存，远远满足了对闪存大小的要求。为了实现被动蜂鸣器的告警功能，需要中断单图的计时器以产生方波信号。该单片机还具有多个定时器，满足定时器中断次数的设计要求[4]。本次设计完成的电路图如图2-1所示：图2-1电路图

3硬件系统设计3.1电源电路为了便于设计，本设计中智能恒温足浴的电源是通过USB接口提供的。本设计中，智能温足浴的电源，一般家用电脑的USB接口或充电适配器的USB接口的电源即可。值得一提的是，不要使用电源银行的USB端口作为电源接口。由于本次设计的智能恒温脚浴运行所需电流较小，充电宝会误认为在小电流输出下已充满电，然后关闭输出。由于USB端口提供的电压为5V，而STC89C51的工作电压为3.3V，因此本设计增加了5V至3.3V的电路。电路的这一部分如图3-1所示：图3-15V转3.3V电路图5v~3.3V电路的核心部件是rt9193低压差动稳压器。在这个低电压差动中，如果你使用稳压器，从5v到3.3V的操作是非常简单的：输入5V与rt9193的EN引脚和VIN引脚相连，VIN引脚与接地1μF电容器相连，BP引脚与接地22nf电容器相连，GND引脚与接地相连，Vout引脚与3v3输出相连，Vout引脚与接地10μF电容器相连，100nF电容器相连，从5v到3.3V的电压转换[5]。3.2复位电路此次设计的智能恒温足浴增加了一个外部复位电路，以便在发生不可预测的错误时方便重置程序。当用户按下重置键时，程序再次被执行。该部分的电路结构只使用微键、电容器和限流电阻。在点动键的两端，电容上限值为1μF的电容器和电容器的左右端分别接地复位，在电容器的右端接地10k限流电阻和10k限流电阻3v3。该部分的电路图如图3-2所示：图3-2复位电路图该部分的工作原理可以分为两个方面:在未按下美光键的情况下，3v3为电容器充电，直到复位端电压变为3v3，使复位处于高电平状态，单片机不复位。按下微动键时，GND直接连接复位。当STC89C51的NRST引脚处于低电平超过1.5ms时，MCU复位。这里，电容器C2的功能主要是消除按键抖动，防止单片机复位多次触发[6]。3.3晶振电路就像音乐需要节奏一样，单张图也需要结晶振荡器来调整各个部件的动作。这两种结晶振荡器是此次智能恒温足浴的新产品。电路图如图3-3所示：图3-3晶振电路图外部低速时钟的连接方式为：将32.768KHz石英晶体振荡器与两个20pF串联电容并联，将串联电容接地，然后将32.768KHz石英晶体振荡器的两端分别与STC89C51单片机的pc14和PC15引脚连接。外部高速时钟的连接方式为：8MHz石英晶体振荡器与两个20pF串联电容并联，串联电容接地，然后8MHz晶体振荡器两端分别与STC89C51单片机的oscin和oscout引脚连接[7]。3.4LED电路这次设计的智能恒温脚浴通过打开和关闭LED来模拟加热开关。由于LED允许的电流相对较小，该部分电路由LED和510Ω限流电阻器组成。电路图如图3-4所示：图3-4LED电路图该部分的工作原理是当STC89C51单片机的pc13引脚输出高电平时，LED没有电流，处于关闭状态。当STC89C51单片机的pc13引脚输出低电平时，LED将通过足够的工作电流点亮。3.5LCD1602显示电路为了更好的个性化显示效果，本设计采用LCD1602液晶显示器作为显示器。这是一个可以支持一些特殊符号的显示器。为了满足用户的个性化需求，它还保留了8个可定制的字符位，只有借助取模工具才能存储。LCD1602液晶面板的对比度和亮度由两个管脚的输入电压决定，为了调节亮度和对比度，显示部分采用了两个10k电位器和LCD1602液晶面板。该部分电路如图3-5所示：图3-5LCD1602显示电路图两个10k电位的引脚1和3分别连接到5v输入和GND，引脚2分别连接到VO管脚和LCD1602LCD的一个管脚。电位计旋转时，在0~5v范围内VO和引脚的电压输入发生变化，从而实现亮度和对比度的调整。LCD1602LCD的VSS引脚连接GND,VDD引脚连接5v输入，K引脚连接GNDRS,RW和e引脚分别连接STC89C51MCU的PA10、PA9和PA8,d0-d7引脚分别连接pa0-pa7。[8]。3.6蜂鸣器报警电路此次设计的智能恒温足浴的闹钟部分使用了被动蜂鸣器。被动蜂鸣器通过提供在人耳能听到的范围内振动的方波来发出声音。该部分电路如图3-6所示：图3-6蜂鸣器报警电路图由无源蜂鸣器模块和三极蜂鸣器模块组成。当输入电压低时，二极管接通，电磁力使鼓膜向外凸出。当输入电压高时，二极管断开，鼓膜在鼓膜张力下复位。输入一个特定频率的方波并来回操作，使鼓膜振动在人耳的可感知区域发出警报声。3.7DS18B20温度传感器电路这款智能恒温足浴所使用的温度传感器是达拉斯公司推出的单线数字传感器。它可以在-25-125℃范围内检测温度，具有速度快、体积小、精度高等特点。使用起来也很方便。只需将IO端口连接到单芯片上即可。单片机可根据相应规则读取DS18B20温度传感器的数据。该部分电路如图3-7所示：图3-7DS18B20温度传感器电路图DS18B20传感器连接到3vcc传感器，3vcc连接到GND指数和MCU,IO端口连接到pb0MCU端口。DS18B20的工作原理主要是基于温度高的晶体振荡器对温度变化敏感，它们的波动频率随温度而变化。通过识别这些变化可以达到环境温度。3.8按键控制电路为实现个人调节功能而设计的智能型恒温浴缸加强了按钮控制电路，使用户能够执行特定功能。这部分如图3-8所示：图3-8按键控制电路图这个部分的电连接非常简单。5个独立键的一端连接到GND，另一端连接到MCU的pb5-pb9端口。工作原理是，首先将pb5-pb9端口预设为内部上拉模式。按下键，MCU引脚为高电平，按下键，MCU引脚为低电平。通过识别高电平和低电平，可以知道用户按下哪个键，并做出相应的动作。

4软件系统设计4.1主函数设计本软件的设计中使用的集成开发环境是keil5，使用的设计语言是C语言。STC89C51接通电源后，首先执行主功能中的语句，进行模块初始化、读取闪存数据、获取温度计等操作。简单的流程图如图4-1所示：图4-1主函数流程图这一部分的具体执行步骤是：端口的初始化工作和相关功能语句的执行：首先，LCD1602LCD模块的初始化将定制的8个字符存储在LCD1602LCD屏幕中，并打开LCD屏幕进行显示。当LCD1602的初始化完成时，LCD1602LCD显示程序设定数据。；第二，进行独立按键的初始化，将独立按键端口设定为上拉模式。这个设定的理由是，考虑到微键的硬件设计，当按下微键时端口电平被设定为低电平，当释放微键时端口电平被设定为高电平；第三，初始化LED端口，将端口模式设定为推拉模式。这个设定考虑了LED的硬件设计，可以提供充足的电源。端口输出电平低时LED灯点亮，端口输出电平低时LED灯熄灭；第四，执行零秒端口初始化并设定为推—全模式。考虑到伯格模块的硬件设计，当端口输出低时，鼓膜会在电磁力的作用下向外突出。如果端口输出功率变大，扬声器就会关闭，鼓膜就会恢复正常；第五，执行定时器初始化，然后，将该定时设为250us。在实验中，我们判断周期为500us的声音强度更大，将计时时间设定为250us；第六，读取flash中保存的用户数据，进行控制模式、加热模式、报警模式以及设定温度值的读取和判定。用闪存读取数据后，判断是否有效。该操作的原因是最初存储在闪存中的数据可能不在合理范围内。此次设计的智能成熟足浴中的数据存储控制模型、热量模型、报警模型和设定温度。范围分别是-1-1、-1-1000，都是整数。设置在不在相同范围内的数据上的相同范围内的数据设置在该范围内的控制模型上，热模式和报警模式下的数据这里，ds18b20温度传感器的端口未初始化，用于ds18b20温度传感器的数据输入输出端口，c文件被初始化数次，这是主要功能中的初始化。端口初始化或其他语句执行后,功能ds18b20温度传感器电后第一次读取的数据是85℃,为防止固定电后读取ds18b20温度传感器的初期数据的误报,ds18b20温度传感器的温度等于被读取一次,被文本发展的数据是1000毫秒的延迟被显示。在执行上述语句之后，MCU以死循环的方式重复这些语句。循环内的执行步骤如下：首先，DS18B20读取温度传感器的温度值。为了便于数据操作，用int数据存储温度，例如，12.1℃对应121int数据。另外，存储温度的int数据范围被设定为0-1000，即0-100℃；第二，独立按键扫描功能根据按键标志位的值来判定按键动作的发生。通过这个设定，可以一键操作；第三，执行selectbranch语句，并执行与keyValue值相应的操作。当keyValue为1时，在modeflag中添加1来切换控制模式。如果keyValue是2，则beepflag加上1以切换闹钟模式。当keyValue为3时，在LED标志上添加1以切换加热模式；第四，执行保存设定温度值的修正功能，根据键值修正设定温度值，并且实现键的判定数据操作。只要按“减”键，设定温度就会下降1℃。只要按下加键，设定温度就会上升1℃。第五，根据modeflag值选择自动加热或手动控制模式。在自动加热模式下，当温度低于规定或关闭时，它会实时激活。在手动控制模式下，可以使用用户键打开和加热；第六，根据beepflag的值以及实时温度值与设定温度值的关系选择是否报警。当beepflag值为1时，判断实时温度是否高于设定温度。如果温度高于设定温度，启动定时器并发出警报声。小于时，关闭计时器，将蜂鸣器端口设置为高电平，并且不发出声音；第七，主界面运行显示功能，显示内容包括当前实时温度、设定温度及温控模式、加热模式、报警模式。4.2LCD1602显示函数设计智能型恒温沐浴显示器使用lcd1602lcd显示器，因此显示功能的设计遵循lcd1602lcd显示器的启动指南。lcd1602显示功能的设计包括lcd1602lcd端口的初始化、lcd1602lcd显示模式的初始化、LCD1602显示风格的设计等。概略流程图如图4-2所示：图4-2LCD1602显示函数流程图该部分的具体执行过程为：首先，使用STC89C51MCU功能初始化引脚。一旦脚的初始化完成，就可以操作硬件。因此，在LCD1602显示功能的设计中，端口初始化处于首位。第二，本设计保存了8个自定义字符，分别为:自动控制模式、加热模式、报警模式、超温模式、非超温模式、单位温度、选择模式和非选择模式。第三，保存8个自定义字符后，设置显示模式。根据我们设计的智能热水足浴的显示需求，本部分的操作流程为：发送0x38命令。例如图4-3中的C对应最左键，上下加减，播放键开始。图4-3红外遥控图4.3DS18B20温度读取函数设计此次设计的智能热水温度传使用达拉斯公司的ds18b20温度传感器感知-25℃-125℃的温度。此次设计的智能型恒温沐足应用方案将范围缩小到0~100℃。由于ds18b20温度传感器是单线数字传感器，io端口的初始化包括输出模式和输入模式，而不执行基本功能端口的初始化。温度传感器ds18b20的流程图见图4-4：图4-4DS18B20温度读取函数流程图第一，当ds18b20文件的命令调用ds18b20温度读取函数时，首先要做的是温度读取功能。这一过程是将ds18b20温度传感器初始化，下车将端口设定为输出模式，过一段时间再将总线设定为输入模式。如果ds18b20温度传感器正常启动，巴士将落在我们几十人后面。如果感知时间超过5ms，则视为初始化失败，而ds18b20温度传感器则失败。初始化工作结束时的延迟时间为1ms。ds18b20温度传感器执行启动命令，并跳过ROM发送读取温度命令，以便针对多个连接的IO端口单独读取温度。当温度转换完成时，DS18B20温度传感器读取低字节和高字节，获取DS18B20温度传感器的温度，并获取int变量temp。第二，DS18B20的温度读数完成后，需要转换温度值。首先，定义浮点型数据RD和int型数据temps。当tempdata小于0时，根据原始代码的补码规则获得原始代码，然后将TD乘以0.625加0.5，可以舍入到小数点后的一位，可以转换为int数据，例如从-12.1转换为-121。如果tempdata大于0,TD直接乘以0.625加0.5，四舍五入到小数点以下一位，就可以转换为int数据。例如，12.1可以变换为121。第三，在完成两个主要子函数的设计后，DS18B20温度传感器可以读取温度的值，调用主函数中的子函数。当然，DS18B20读出功能的实现不仅取决于这两个子函数，还取决于温度输出模型的初始功能、温度输入模式的初始输入模式、US等延迟功能。4.4独立按键扫描函数设计本次设计的智能恒温足浴的人机交互部分的输入部分由五个微按键组成，可实现控制模式切换、加热模式切换、报警模式切换、温度设定和用户数据保存等功能。用户可以通过持续按一个长按钮来改变控制模式、加热模式和闹钟模式，这样用户就可以用一个键来改变控制模式、加热模式和闹钟模式。3个米奇扫描功能可以改变控制模式、加热模式和闹钟模式;2个米奇扫描功能可以改变设定温度和保存用户数据，是相互独立的。通过这样的设计，可以获得好人与电脑相互交流的经验。这部分的流程图如图4-5所示：图4-5独立按键扫描函数流程图第一，首先，启动独立密钥的初始化。因为这个设计使用了5个独立的微键来输入，所以从一端接地，因此，将5个单独密钥和stc89c51mcu之间的端口设定为全速输入。用户不按键时输入等级高，用户按键时输入等级低。根据级别的高低，我们可以知道用户按了什么键。第二，独立键初始化后，首先扫描三个微密钥，这些微密钥负责改变控制模式、加热模型和报警模型。具体过程如下:首先，设置keyflag表为1。当keyflag成为一个单位时，使用ifelse表达式来确定哪个端口被点击。为了防止用户同时按多个键，我们使用if-else声明来创建优先级。最重要的是控制模式的关键，报警模式的关键和加热模式的关键。这意味着，当用户同时按下警报按钮和控制按钮时，只有操作模式键被认为是有效的操作。当keyflag等于1并按下键时，keyValue就变成了相应的值，keyflag就变成了0。当keyflag标志为零时，除非它进入控制模式、加热和报警模式三个键时，keyflag才会设置为1，并执行上述过程。第三，为了实现温度设定的连续增减操作，本次设计的智能恒温足浴对负责温度设定和用户数据存储的两个微按钮具有独立的扫描功能。具体过程如下：只按“加号”键时，累所以温度增加1℃;当只有靠“阴性”按钮,累的体温低1℃;同时按下“正”键和“负”键，当前用户设置保持不变，包括控制模式、加热模式、报警模式和温度调整。在扫描功能结束时延迟300毫秒，以防止温度过快或下降。4.5蜂鸣器报警函数设计此次设计的智能恒温足浴闹钟模块采用无源蜂鸣器。为了实现无源蜂鸣器的声音告警，必须使用一定频率的方波驱动。为了实现被动式蜂鸣器的报警声，设计中采用STC89C51定时器产生中断，并模拟一定频率的方波驱动蜂鸣器报警。第一步是初始化蜂鸣器。为了驱动蜂鸣器，将端口设置为推拉输出模式，然后将端口设置为高电平以关闭蜂鸣器。然后初始化定时器，相应的方波周期为500us。通过实验发现，这个周期的方波驱动被动蜂鸣器发出更好的声音。完成计时器初始化后，必须先关闭计数器的中断，以防止由于计时器中断而导致蜂鸣器鸣响。当你初始化蜂鸣器和计时器时，你可以同时发出中间音。这里设置beepflag位。如果beepflag为1，则表示蜂鸣器警报有效。蜂鸣器启动警报后，就表示实时温度超过了设定温度，蜂鸣器就会发出警报。如果实时温度没有达到设定温度，蜂鸣器就不会响。beepflag为0时，蜂鸣器警报关闭，蜂鸣器警报关闭。该部分的流程图如图4-6所示：图4-6蜂鸣器报警函数流程图4.6加热控制函数设计此次的智能恒温器的加热模块，红色LED点亮时加热开启，红色LED熄灭时加热关闭。该部分的流程图如图4-7所示：图4-7加热控制函数流程图首先是LED的初始化。LED硬件设计的一端接地，一端连接STC89C51单块端口，端口被设定为推拉输出模式。输出在高电平断开，在低电平接通。为了防止LED的错误点亮，在初始化后将LED的状态设定为off。完成上述操作后，就可以用主要功能来操作LED了。为了体现led的两种模式，设置了modeflag标志位。如果modeflag为1，则表示当前处于自动加热模式。如果modeflag为0，则表示当前处于手动加热模式。在自动加热模式下执行自动加热功能。如果实时温度超过设定温度，led就会关闭，如果实时温度低于设定温度，led就会亮起来。在自动加热模式下，用户不能按按钮改变加热状态。在手动加热模式下，led可以根据用户按下的按钮进行控制。这时led的发光及消化完全由用户手动控制。

5仿真及实物调试处于非常成熟的开发环境，相关流程也很丰富，大大降低了开发难度。STC89C51实物图如图5-1所示：图5-1STC89C51实物图由于Proteus自带的模拟组件很少，为了测试软件功能，我们使用相同工作原理的组件来替换它们。仿真电路图生成后，可以加载到hex文件中进行仿真。在此，根据软件部分的设计细节，对各功能逐一进行调整，测试结果与设计预想一致。模拟成功后，进行PCB绘制。使用Altiumdesigner2013软件完成电路的原图设计后，对原图内的各个部件设置相应的封装，检查原图后使用原图制作新的PCB图。制作新的PCB图后，手动调整布局，修改布线。检查无误后，即可进行PCB校对。PCB打样完成后，可以通过使用电烙铁将组件焊接到相应位置来完成物理生产。实物制作完成后，需要进行燃烧程序，燃烧方法非常简单。只需在跳线帽的帮助下将boot0设置为1，boot1设置为0，然后将usbttldownloader的RX与STC89C51单片机的PA9引脚连接，TX与STC89C51单片机的PA10引脚连接，并连接电源以实现下载功能。完成的智能恒温足浴如图5-2所示：图5-2实物图上述第一行显示当前实时温度，实时温度后面的下方箭头表示当前实时温度低于设定的温度。箭头后面的三个符号表示控制模式、加热模式和警报模式。画面第二行显示目前设定的温度。下面三个符号分别表示自动控制模式、加热状态和警报状态。lcd1602的左侧是电源基座和电源开关，左下是调节亮度和明暗度的2个10k电位。stc89c51是最小的系统。上面的红色led显示的是加热和打开的状态。图中的led是与lcd1602lcd选择的加热模式相对应的开启状态。lcd画面右下角有一个蜂音模块。硬件正常运行后，需要检查软件设计的准确性。为了测试软件设计的正确性，我们在调试过程中尽可能地模拟了各种情况。(为了便于说明，对调试过程的说明如图5-3所示)：图5-3调试说明图按C启动键进行红外遥控。当实时温度低于设定温度时，加热模式将启动，LED将点亮。相反，关闭加热模式，LED熄灭。上下切换到警报模式，按C启动键开启或关闭闹钟模式。警报模式开启时，实时温度高于设定温度，闹钟开启并发出警报音。当警报模式关闭时，蜂鸣器不会发出警报。基本上，模拟了所有可能的情况，调试结果与软件设计预期一致。目前，本次设计的智能恒温足浴已经完成，温度可以精确到小数点后一位。用户可以自行设定温度和保存数据，实现足浴准确性和个性化的提高。结语本文采用51位单片机STC89C51，温度采集部分采用DS18B20温度传感器，显示部分采用LCD1602液晶屏。设计并实现了一种精度高、个性化强的智能恒温足浴。具体而言，以下工作已经完成：第一，硬件PCB采用双面板，实现STC89C51最小系统、LCD1602LCD、DS1820温度传感器、蜂鸣器、电位器和微键的协调。第二，软件完成了温度数据读取、界面显示、按键控制、闪存读取和保存等功能。设计的界面简单大方，操作简单快捷。第三，调试硬件部分焊接完成后，只需借助跳线帽将boot0设置为1，boot1设置为0，然后将usbttldownloader的RX与STC89C51MCU的PA9引脚连接，TX与STC89C51MCU的PA10引脚连接。通过连接电源可以实现下载功能。自动控制模式，加热模式，报警模式，温度设定值和保存设定的操作，产品的调整完成。软件和硬件的设计结果与成品一致。在未来，随着人工智能等技术的快速发展，小型智能恒温足浴可能会看起来非常不同。届时，足浴应该能够根据用户的个人喜好和日常使用习惯，提供有针对性的足浴设置，给人们带来终极的足浴体验。

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