智能饮水机控制系统设计毕业论文

智能饮水机控制系统设计毕业论文

目录

摘要 (1)

第1章绪论 (2)

1.1 课题研究的背景 (2)

1.2 市场饮水机现状 (2)

1.3 课题研究的目的和背景 (3)

1.4 本课题主要研究的内容 (3)

1.5 本章小结 (4)

第二章单片机功能简介 (5)

2.1 概念 (5)

2.2 单片机的产生及发展 (6)

2.3 单片机的分类 (7)

2.4 单片机的引脚介绍 (8)

2.5 单片机攻击技术 (8)

2.6 单片机的应用 (10)

2.7 本章小结 (11)

第3章智能饮水机的硬件结构设计 (12)

3.1 智能饮水机的总体设计 (12)

3.2 主控系统 (12)

3.3 输入控制 (13)

3.4 显示部分 (14)

3.5 温度控制部分 (16)

3.6 其他功能部分 (18)

3.7 本章小结 (18)

第4章智能饮水机的软件设计 (19)

4.1 系统分配方式 (19)

4.2 主程序设计 (19)

4.3 温度检测程序设计 (24)

4.4 显示程序设计 (25)

4.5 中断程序服务 (26)

4.6 其他相关程序 (27)

4.7 本章小结 (27)

第5章调试及性能分析 (28)

5.1 硬件调试 (28)

5.2 软件调试 (28)

5.3 性能分析 (28)

5.4 本章小结 (29)

结论 (30)

致谢 (31)

参考文献 (31)

附录1 (33)

附录2 (34)

附录3 (35)

摘要

目前,大多数家庭使用的饮水机只有一些基本的功能(加热、恒温)。然而，随着人们物质生活的不断提高，对饮水机的性能要求也不断提高。

为了满足人们对饮水机的性能要求，本课题研究智能饮水机，它主要功能是100%沸腾，以65°为恒温底线95°为恒温上线之间的任意整数为恒温值。定时关机、过热保护防干功能等。

本课题的控制核心采用单片机，单片机内集成了中央处理器（CPU）、存储器、输入和输出接口、振荡电路、计数器等电路的一块集成电路，而且具有体积小、功能强、成本低、功耗小等优点。

[关键词]：AT89C51、 LM339 、7805

第1章绪论

1.1 课题研究的背景

饮水机兴起于上世纪90年代，在小家电领域里的热度随着近年来国人生活水平的质量提高而逐年攀升。沁园、美的、安吉尔等企业为代表的饮水机企业占据了国内饮水机市场主要份额。

从整体市场走势来看，中国饮水机市场销量呈逐年递增趋势。2006年，中国饮水机市场容量突破3300万台，产业规模达到1500亿。与2005年相比，2006年饮水机零售量增长了33%，零售额增长了51%。

国内饮水机行业一直维系着美的、沁园、安吉尔三强领跑，浪木、司迈特、奇迪竞相追逐的局面。其中，美的进入中国小家电行业较早，在行业内的品牌中知名度较高，在饮水机市场中始终保持霸主地位。

因此，中国饮水机企业必须抓住新的发展形势，加大科技创新，提升自身竞争能力，提高技术含量，加强售后服务水平，完善饮水机的相关标准，只有这样才能在新形势下立于不败之地。

饮水机是采用瓶装水或者自来水经净水器净化作为水源，利用电能制冷和加热，一年四季提供常温水、热水（85～95℃）、冰水（5～15℃）的饮水电器。饮水机基本能满足人们日常的饮水、泡茶、冲咖啡、即食食品以及调制冷饮的各种需要。饮水机具有饮水时尚、外形新颖、结构简单、操作方便、清洁卫生、价廉物美等优点。

在饮水机进入高潮的今天，市场十分活跃，然而，消费者对饮水机的选择不是停留在过去的眼光，而是高标准，不仅实用而且要求外形脱俗，跟上时代潮流步伐，在某种功能要有新的突破。

当前绝大多数厂家生产的饮水机都采用智能化控制。因此，智能饮水机已是饮水机发展的必然趋势。

1.2 市场饮水机现状

可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭

煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤设备，五花八门，无所不在。饮水机也不例外。

单片机按其应用范围可分为通用型和专用型两类。家用电器多采用专用型单片机，如日本NEC公司开发的7500系列和75X00系列4位单片机、美国国家半导体公司的COP400系列4位单片机，以及日本松下公司的MN1400系列、美国Zilog公司的Z8系列以及日本富士通公司的MB88系列等专用型单片机。家用电器所采用的通用型单片机，主要是Intel公司的MCS系列产品。

目前饮水机基本上都采用单片机控制，但各厂家生产的饮水机单片机控制所达到的功能各不相同。智能化，多功能必定是发展趋势。

1.3 课题研究的目的和背景

采用单片机控制的饮水机，比用模拟电路、数字电路、专用芯片所做成的控制系统，在功能和整体性能上有很大提高。它利用单片机这一智能器件,通过硬件和软件的综合设计,使控制系统达到了性能稳定、反应速度快，可靠性高，达到所需要的功能设臵。

1.4 本课题主要研究的内容

主体功能

?电动机出水

?过热保护防干烧

?100%沸腾功能，自动保温

?ADC0808进行数据传送

?恒温功能设臵

?定时开关机

?安全锁定功能

?沸腾、超温提示功能

?故障代码显示

按键功能

?开关键：负责电源的接通和关闭

?加热键：负责烧水瓶开始烧水和停止烧水

?锁定键：按下锁定键，其他按键无效

?恒温健：改变保温的水温温度

显示功能

?电源灯：接通电源，电源灯点亮（黄色）

?加热指示灯：按下加热键，加热指示灯点亮，表示烧水开始工

作。弹起加热键，指示灯熄灭，表示烧水停止（红色）

?锁定键指示灯：只是锁定电动机出水功能，灯亮表示出水不能

用

?恒温指示灯：灯点亮表示烧水瓶正在恒温，灯灭表示烧水瓶还

在加热

?数码管：先是恒温的温度

1.5 本章小结

本章主要介绍了饮水机的诞生及发展方向，同时阐述的本课题的主要研究内容。

第二章单片机功能简介

2.1 概念

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。

单片机也被称为微控制器，是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成杂的而对提及要求严格的控制设备当中。INTEL 的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。

早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。随着工业控制领域要求的提高，开始出现了16位单片机，但因为性价比不理想并未得到很广泛的应用。90年代后随着消费电子产品大发展，单片机技术得到了巨大的提高。随着INTEL i960系列特别是后来的ARM系列的广泛应用，32位单片机迅速取代16位单片机的高端地位，并且进入主流市场。而传统的8位单片机的性能也得到了飞速提高，处理能力比起80年代提高了数百倍。目前，高端的32位单片机主频已经超过300MHz，性能直追90年代中期的专用处理器，而普通的型号出厂价格跌落至1美元，最高端的型号也只有10美元。当代单片机系统已经不再只在裸机环境下开发和使用，大量专用的嵌入式操作系统被广泛应用在全系列的单片机上。而在作为掌上电脑和手机核心处理的高端单片机甚至可以直接使用专用的Windows和Linux操作系统。

单片机比专用处理器最适合应用于嵌入式系统，因此它得到了最多的应用。事实上单片机是世界上数量最多的计算机。现代人类

生活中所用的几乎每件电子和机械产品中都会集成有单片机。手机、电话、计算器、家用电器、电子玩具、掌上电脑以及鼠标等电脑配件中都配有1-2部单片机。而个人电脑中也会有为数不少的单片机在工作。汽车上一般配备40多部单片机，复杂的工业控制系统上甚至可能有数百台单片机在同时工作！单片机的数量不仅远超过PC机和其他计算的综合，甚至比人类的数量还要。

2.2 单片机的产生及发展

第一阶段（1976-1978）

单片机的控索阶段。以Intel公司的MCS – 48为代表。MCS – 48的推出是在工控领域的控索，参与这一项目的公司还有Motorola、Zilog等，都取得了满意的效果。这就是SCM的诞生年代，“单机片”一词即由此而来。

第二阶段（1978-1982）

单片机的完善阶段。Intel公司在MCS – 48基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS –51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。

?完善的外部总线。MCS-51设臵了经典的8位单片机的总线结构，

包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有很多通信功能的串行通信接口。

?CPU外围功能单元的集中管理模式。

?体现工控的位地址操作方式。

?指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指

令。

第三阶段（1982-1990）

8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel公司推出的MCS – 96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。随着MCS – 51系列的

广应用，许多电气厂商竞相使用80C51为内核，将许多测控系统中使用的电路技术、接口技术、多通道A/D转换部件、可靠性技术等应用到单片机中，增强了外围电路功能，强化了智能控制的特征。

第四阶段（1990—）

微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。

2.3 单片机的分类

单片机作为计算机发展的一个重要领域，应用一个较科学的分类方法。根据目前发展情况，从不同角度单片机大致可以分为通用型/专用型、总线型/非总线型及工控型/家电型。

通用型/专用型

这是按单片机适用范围来区分的。例如，80C51是通用型单片机，它不是为某种专用途设计的；专用型单片机是针对一类产品甚至某一个产品设计生产的，例如为了满足电子体温计的要求，在片内集成ADC接口等功能的温度测量控制电路。

总线型/非总线型

这是按单片机是否提供并行总线来区分的。总线型单片机普遍设臵有并行地址总线、数据总线、控制总线，这些引脚用于扩展并行外围器件都可通过串行口与单片机连接，另外，许多单片机已把所需要的外围器件及外设接口集成一片内，因此在许多情况下可以不要并行扩展总线，大大减少封装成本和芯片体积，这类单片机称为非总线型单片机。

控制型/家电型

这是按照单片机大致应用的领域进行区分的。一般而言，工控型寻址范围大，运算能力强；用于家电的单片机多为专用型，通常是小封装、低价格，外围器件和外设接口集成度高。

显然，上述分类并不是惟一的和严格的。例如，80C51类单片机既

是通用型又是总线型，还可以作为工控用。

2.4 单片机的引脚介绍

?主电源引脚（2根）

VCC(P40)：电源输入，接＋5V电源

GND(P20)：接地线

?外接晶振引脚（2根）

XTAL1(P19)：片内振荡电路的输入端

XTAL2(P20)：片内振荡电路的输出端

?控制引脚（4根）

RST/VPP(P9)：复位引脚，引脚上出现2个机器

周期的高电平将使单片机复位。

ALE/PROG(P30)：地址锁存允许信号

PSEN(P29)：外部存储器读选通信号

EA/VPP(P31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。

芯片实物图片芯片引脚功能

?可编程输入/输出引脚（32根）

AT89S51单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32根。每一根引脚都可以编程，比如用来控制电机、交通灯、霓虹灯等，开发产品时就是利用这些可编程引脚来实现我们想要的功能，尽情发挥你的想象力吧，实现你想要的：）强大无比。。。

PO口（P39～P32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0～P0.7

P1口（P1～P8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0～P1.7

P2口（P21～P28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0～P2.7

P3口（P10～P17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0～P3.7

2.5 单片机攻击技术

目前，攻击单片机主要有四种技术，分别是：

?软件攻击

该技术通常使用处理器通信接口并利用协议、加密算法或这些算法中的安全漏洞来进行攻击。软件攻击取得成功的一个典型事例是对早期ＡＴＭＥＬＡＴ８９Ｃ系列单片机的攻击。攻击者利用了该系列单片机擦除操作时序设计上的漏洞，使用自编程序在擦除加密定位后，停止下一步擦除片内程序存储器数据的操作，从而使加过密的单片机变成没加密的单片机，然后利用编程器读出片内程序。

?电子探测攻击

该技术通常以高时间分辨率来监控处理器在正常操作时所有电源和接口连接的模拟特性，并通过监控它的电磁辐射特性来实施攻击。因为单片机是一个活动的电子器件，当它执行不同的指令时，对应的电源功率消耗也相应变化。这样通过使用特殊的电子测量仪器和数学统计方法分析和检测这些变化，即可获取单片机中的特定关键信息。

?过错产生技术

该技术使用异常工作条件来使处理器出错，然后提供额外的访问来进行攻击。使用最广泛的过错产生攻击手段包括电压冲击和时钟冲击。低电压和高电压攻击可用来禁止保护电路工作或强制处理器执行错误操作。时钟瞬态跳变，也许会复位保护电路而不会破坏受到保护信息。电源和时钟瞬态跳变可以在某些处理器中影响单条指令的解码和执行。

?探针技术

该技术是直接暴露芯片内部连线，然后观察、操控、干扰单片机以达到攻击目的。为了方便起见，人们将以上四种攻击技术分成两类，一类是侵入型攻击（物理攻击），这类攻击需要破坏封装，然后借助半导体测试设备、显微镜和微定位器，在专门的实验室花上几小时甚至几周时间才能完成。所有的微探针技术都属于侵入型攻击。另外三种方法属于非侵入型攻击，被攻击的单片机不会被物理损坏。在某些场合非侵入型攻击是特别危险的，但是因为非侵入

型攻击所需设备通常可以自制和升级，因此非常廉价。大部分非侵入型攻击需要攻击者具备良好的处理器知识和软件知识。与之相反，侵入型的探针攻击则不需要太多的初始知识，而且通常可用一整套相似的技术对付范围宽的产品。

2.6 单片机的应用

单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、

专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个

范畴：

?智能仪器仪表上的应用

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同

类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、

流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量

的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微

型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密

的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。

?工业控制中的应用

用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。

例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警

系统，与计算机联网构成二级控制系统等。

?家用电器中的应用

可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响

视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。

?计算机网络和通信领域中的应用

现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了

极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能

控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼

叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，

集群移动通信，无线电对讲机等。

单片机在医用设备领域中的应用

单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。

此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

2.7 本章小结

本章主要介绍了单片机的发展及运用，同时阐述了他的组成和特点

第3章 智能饮水机的硬件结构设计

3.1 智能饮水机的总体设计

整个硬件系统由主控制系统、输入输出模块、传感器、其他功能电路和电源部分组成。主控系统使用单片机控制，包括对键盘的信息的接收和控制，对ADC0808模数转换的响应，对其他功能电路的控制等，通过软件编程实现预定功能；传感器部分即检测子系统，主要是进行饮水机的温度检测和控制，采用智能温度传感器DS18S20；其他功能电路部分包括恒温，防干烧，出水等电路，达到功能多样化；电源部分为智能饮水机提供必要的电能，保证饮水机能够正常的工作。以下详细讨论每个功能模块的设计思想和硬件电路的实现。

图3-1 智能饮水机电路框图

3.2 主控系统

主控系统采用单片机控制。

单片机电路如图3-2所示，单片机选用的是ATMEL 公司的AT89C51

其他功能电晶振电路

复位电路

温度检测电功能显示 ADC0808报警电路

74LS57键盘 单片机 AT89C51 数码显示 电

源电路

的8 位单片机，晶体振荡器选12MHZ,1C 、2C 为22pF 石英电容，与晶体振荡器构成时钟电路。电容3C ，电阻1R 、2R 和按键1S 构成上电复位和手动复位电路。

图3-2 单片机电路

AT89C51是美国ATMEL 公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含4kbytes 的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128 bytes 的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL 公司的高密度,非易失性存储技术生产,兼容MCS-51指令系统,片内臵通用8位中央处理器(CPU)和Flash 存储单元,功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合,可灵活应用于各种控制领域。

3.3 输入控制

输入控制如图3-3所示，采用的按键控制，这样不仅减少的制作成本而且便于做。通过74LS373的通断进行按键信号的传输，当74LS373被锁定时，按键信号不能传入单片机，从而达到按键的锁定作用。

图3-3 输入电路

3.4 显示部分

LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a、b、c、d、e、f、g、p来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的字样了。如：显示一个“2”字，那么应当是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮p不亮。LED数码管有微亮亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸数码管是由二个或多个发光二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极称为共阳极数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极称为共阴极数码管。

常用LED数码管所显示的数字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。

图3-3 显示电路

LED数码管引脚共阴和共阳两种方式：

找个电源（3到5伏）和1个1K（几百欧的也行）的电阻，VCC串接个电阻后和GND接在任意2个脚上，组合有很多，但总有一个LED会发光的，找到一个就够了，然后GND不动，VCC（串电阻）逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那它就是共阴。相反用VCC不动，GND 逐个碰剩下的脚，如果有多个LED（一般是8个），那它就是共阳。也可以直接用数字万用表，将档位拨到二极管通断性测试档，这时红表笔代表电源的正极，黑表笔代表电源的负极，然后在引脚上进行逐个测试，以确定是共阳还是共阴。一般十个引脚分别为7个段加2个公共加一个小数点。公共端一般在中间或在两边，两排，一排一个对称。至于其他引脚的排序你可以自己量出来。

先假设是共阴极或共阳极，假设中间那个就是公共端，用数字万用表逐个判断即可，如果判断错误不亮，就更改假设，继续判断。直到假设正确，也就是说判断正确，那么引脚的顺序和位臵就出来。

数码管所使用的电流与电压

（1）电流：静态时，推荐使用10-15mA；动态时，16/1动态扫描时，平均电流为4-5mA，峰值电流50-60mA。

（2）电压：查引脚排布图，看一下每段的芯片数量是多少？当红色时，使用1.9V乘以每段的芯片串联的个数；当绿色时，使用2.1V乘以每段的芯片串联的个数。

3.5 温度控制部分

温度的输入采用ADC0808芯片。

ADC0808是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模/数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。ADC0808是ADC0809的简化版本，功能基本相同。一般在硬件仿真时采用ADC0808进行A/D转换。

图3-3 ADC0808

内部结构

ADC0808是CMOS单片型逐次逼近式A／D转换器，它有8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器。

引脚功能（外部特性）

ADC0808芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，如右图所示。各引脚功能如下：

1～5和26～28（IN0～IN7）：8路模拟量输入端。

8、14、15和17～21：8位数字量输出端。

22（ALE）：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

6（START）：A／D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。

7（EOC）：A／D转换结束信号，输出，当A／D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

9（OE）：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A／D 转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数

字量。

10（CLK）：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。

12（VREF（+））和16（VREF（-））：参考电压输入端11（VCC）：主电源输入端。

13（GND）：地。23～25（ADDA、ADDB、ADDC）：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路

地址码

对应的输入通道23（ADCA）24（ADCB）25（ADCC）

0 0 0 IN0

0 0 1 IN1

0 1 0 IN2

1 1 1 IN3

1 0 0 IN4

1 0 1 IN5

1 1 0 IN6

1 1 1 IN7

通道选择

极限参数

电源电压（VCC）：6.5V 控制端输入电压：-0.3V～15V 其它输入和输出端电压：-0.3V～Vcc+0.3V 贮存温度：-65℃～+150℃功耗（T=+25℃）：875mW 引线焊接温度：①气相焊接（60s）：215℃；②红外焊接(15s)：220℃抗静电强度：400V

3.6 其他功能部分

出水控制采用间接控制方式

当MOT输出低电平时，三极管处于截至区，集电极和发射极导通，接触器的常开触电闭合，出水管道导通。

出水控制

加热控制采用的原理和方式和出水系统一样

加热控制

3.7 本章小结

本章主要介绍智能饮水机各部分的硬件结构，对饮水机各功能部分设计及实现原理的阐述。