基于STC單片機(jī)的自動(dòng)售水機(jī)的設(shè)計(jì)

南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘 要由于現(xiàn)代人對(duì)飲水健康越來(lái)越關(guān)注，而目前使用比較普遍的桶裝水的衛(wèi)生狀況越來(lái)越受到質(zhì)疑，因而自動(dòng)售水機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，并且逐漸廣泛運(yùn)用于學(xué)校、宿舍、公司、醫(yī)院、銀行等具有大量人員工作及休息的地方。自動(dòng)售水機(jī)控制電路被稱(chēng)為自動(dòng)售水機(jī)的"大腦"，也是整個(gè)機(jī)器的核心部分，它決定了整臺(tái)水機(jī)運(yùn)行的正常與否，功能方便智能與否，以及使用的壽命長(zhǎng)短。本次設(shè)計(jì)以 STC12C 系列單片機(jī)芯片為核心，用 I2C 總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，設(shè)計(jì)了自動(dòng)售水機(jī)控制電路。外圍采用光照檢測(cè)電路、溫度檢測(cè)電路（DS18B20）、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（PCF8591）、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、按鍵和 LED 顯示模塊（M74HC573）等。通過(guò)自動(dòng)檢測(cè)顧客購(gòu)水時(shí)的光照變化驅(qū)動(dòng)繼電器吸合從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)售水，同時(shí) LED 顯示水量和水費(fèi)。無(wú)人購(gòu)水時(shí)，LED 則顯示水溫。另外，顧客可以通過(guò)按鍵查詢(xún)使用費(fèi)用及余額。外接蜂鳴器電路主要用于余額不足時(shí)鳴叫報(bào)警。關(guān)鍵詞：自動(dòng)售水機(jī)；單片機(jī)VIAbstractNow the modern people pay more attention to the potable water health, and people always be afraid of the load-in-barrels waters sanitary environment, thus a type of automat for water arised and gradually widely used in the place has many people work and rest such as the school, the dormitory, the company, the hospital, the bank etc. In this automat the control circuit is the core part like bodys brain . It can decide whether the automat engine can run normal, the function is convenient intelligence or not, as well as the machines life.This control circuit design take the STC12C series single chip as a core, carries on the data transmission with the I2C bus. The periphery circuit include the illumination examination circuit, the temperature examination circuit (DS18B20), A/D conversion circuit (PCF8591), the relay driving circuit, the button and the LED demonstration module (M74HC573) and so on. When customer buy the water, the automatic detection circuit works as the illumination change , then drives the relay operate to sell the water automatically, simultaneously LED demonstrate the water volume and fee. If nobody buys the water, LED demonstrates the water temperature. Moreover, the customer can press button to inquire fee and the remaining sum. A buzzer circuit main used to sound alert when meet insufficient remaining sum.Keywords：water-automat；single chip目錄第 1 章前言1 1.1 市場(chǎng)調(diào)查11.2 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求21.3 方案概述2第 2 章器件選擇與說(shuō)明3 2.1 STC12C5A60S2 單片機(jī)的特性說(shuō)明 32.2 PCF8591A/D、D/A 芯片的特性說(shuō)明52.3 DS18B20 數(shù)字溫度檢測(cè)芯片的特性說(shuō)明. 62.4 M74HC573 移位鎖存器的特性說(shuō)明 72.5 ULN2003A 芯片的特性說(shuō)明 8第 3 章硬件電路設(shè)計(jì)10 3.1 模塊電路設(shè)計(jì)及工作原理103.11 單片機(jī)主控單元電路設(shè)計(jì)及工作原理103.12 顯示單元電路設(shè)計(jì)及工作原理113.13 溫度檢測(cè)單元電路設(shè)計(jì)及工作原理123.14 光敏檢測(cè)單元電路設(shè)計(jì)及工作原理133.15 矩陣按鍵單元電路設(shè)計(jì)及工作原理143.16 LED 燈單元電路設(shè)計(jì)及工作原理153.17 繼電器單元電路設(shè)計(jì)及工作原理153.18 蜂鳴器單元電路設(shè)計(jì)及工作原理163.2 PCB 設(shè)計(jì)173.21 元件布局173.22 布線(xiàn)工藝及準(zhǔn)則173.23 PCB 圖設(shè)計(jì)183.3 電路調(diào)試與波形測(cè)量193.31 電路中電壓、電平測(cè)試193.32I2C 總線(xiàn)波形測(cè)量與分析203.33測(cè)量的波形故障分析22第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).234.1 開(kāi)發(fā)工具及語(yǔ)言234.2 程序設(shè)計(jì)思想. 234.3 主程序設(shè)計(jì)244.4 單元電路子程序設(shè)計(jì)254.41 顯示單元程序設(shè)計(jì)264.42 溫度檢測(cè)單元程序設(shè)計(jì)284.43 光敏檢測(cè)單元程序設(shè)計(jì)294.44 矩陣按鍵單元程序設(shè)計(jì)304.45 LED 燈單元程序設(shè)計(jì)324.46 繼電器單元程序設(shè)計(jì)334.47 報(bào)警單元程序設(shè)計(jì)34第 5 章 系統(tǒng)調(diào)試. 375.1 子程序調(diào)試與修改375.11 調(diào)試現(xiàn)象375.12 調(diào)試心得375.2 主程序調(diào)試與修改385.21 調(diào)試現(xiàn)象385.22 調(diào)試心得385.3 軟硬件聯(lián)調(diào)39第 6 章 總結(jié)40參考文獻(xiàn)41致謝42附錄一 整體電路原理圖43附錄二 程序清單44附錄三 運(yùn)行現(xiàn)象效果圖58南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第 1 章前言1.1 市場(chǎng)調(diào)查隨著生活條件的改善及健康意識(shí)的提高，飲用純凈水的人群越來(lái)越多；隨著生活節(jié)奏的加快及社會(huì)化管理的完善，為節(jié)約水資源，便于飲水消費(fèi)的收費(fèi)管理，自助收費(fèi)式飲水機(jī)的應(yīng)用也越來(lái)越受到青睞。自動(dòng)售水機(jī)是在原飲水機(jī)的基礎(chǔ)上，增加用水自動(dòng)計(jì)量及自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)而形成的， 是一種飲水自助消費(fèi)的高端產(chǎn)品。不同于目前比較常見(jiàn)的飲料自動(dòng)販賣(mài)機(jī)，自動(dòng)售水機(jī)不銷(xiāo)售瓶裝飲料，只儲(chǔ)存大罐純凈水，由顧客按需自由選擇消費(fèi)水量，機(jī)器自動(dòng)扣費(fèi)， 真正實(shí)現(xiàn)環(huán)保、節(jié)約、衛(wèi)生。（1）自動(dòng)售水機(jī)的分類(lèi)從水源使用上分，有自助收費(fèi)式桶裝水飲水機(jī)、自助收費(fèi)式純凈水機(jī)及自助收費(fèi)式管線(xiàn)機(jī)。從使用技術(shù)上分，有投幣式自助收費(fèi)飲水機(jī)、接觸式 IC 卡自助收費(fèi)飲水機(jī)及感應(yīng)卡式 IC 卡自助收費(fèi)飲水機(jī)。從使用計(jì)量上分，有時(shí)間計(jì)量式自助收費(fèi)飲水機(jī)及流量計(jì)量式自助收費(fèi)式純水機(jī)。（2）自助式收費(fèi)飲水機(jī)的工作原理自助式收費(fèi)飲水機(jī)是通過(guò)特定的自動(dòng)收費(fèi)裝置對(duì)飲水消費(fèi)支付進(jìn)行確認(rèn)，進(jìn)而對(duì)飲水機(jī)的出水進(jìn)行控制，達(dá)到付款消費(fèi)的目的。A、投幣式飲水機(jī)的工作原理：投幣式飲水機(jī)是一種內(nèi)置了投幣管理裝置的飲水機(jī)。其工作原理是：投幣管理裝置預(yù)設(shè)了飲水消費(fèi)單價(jià)，消費(fèi)者將硬幣或紙幣投到錢(qián)幣輸入口內(nèi)，系統(tǒng)對(duì)錢(qián)幣進(jìn)行識(shí)別處理。當(dāng)投入的錢(qián)幣達(dá)到預(yù)設(shè)消費(fèi)價(jià)格后，飲水機(jī)則允許供給相應(yīng)容量的水。B、接觸式 IC 卡飲水機(jī)的工作原理接觸式 IC 卡飲水機(jī)是一種內(nèi)置了接觸式 IC 卡讀寫(xiě)裝置的飲水機(jī)。消費(fèi)者在飲水消費(fèi)之前，首先要對(duì)卡進(jìn)行充值，在飲水消費(fèi)時(shí)，將卡插入 IC 卡讀卡器，讀寫(xiě)裝置在確認(rèn)卡內(nèi)有足夠的預(yù)存金額后，允許消費(fèi)取水操作并在 IC 卡內(nèi)扣除相應(yīng)的消費(fèi)金額。C、感應(yīng)式 IC 卡飲水機(jī)的工作原理感應(yīng)式 IC 卡飲水機(jī)的工作原理類(lèi)似于接觸式 IC 卡飲水機(jī)，其與接觸式 IC 卡飲水機(jī)的主要不同點(diǎn)是：感應(yīng)式 IC 卡純水機(jī)是采用無(wú)觸點(diǎn)的感應(yīng)式 IC 卡，利用無(wú)線(xiàn)射頻的方式對(duì)感應(yīng)式 IC 卡內(nèi)的消費(fèi)金額進(jìn)行消費(fèi)確認(rèn)及扣款操作。411.2 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求本設(shè)計(jì)的任務(wù)就是完成一個(gè) IC 卡自動(dòng)售水機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)售水、自動(dòng)計(jì)費(fèi)、溫度檢測(cè)、超額報(bào)警的功能。（不含 IC 卡識(shí)別讀取功能）任務(wù)要求：（1）能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制繼電器動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)出水和停水，出水時(shí) LED 指示燈亮；（2）能實(shí)現(xiàn)出水過(guò)程自動(dòng)計(jì)費(fèi)，并通過(guò)數(shù)碼管顯示出水量和費(fèi)用；（3）能實(shí)現(xiàn)通過(guò)按鍵查詢(xún)本次使用費(fèi)用及余額（IC 卡內(nèi)原有金額通過(guò)軟件預(yù)設(shè)）；（4）能實(shí)現(xiàn)水溫檢測(cè)和顯示。1.3 方案概述本設(shè)計(jì)用 STC12C 系列高速單片機(jī)作為主控制單元，設(shè)計(jì)了自動(dòng)售水機(jī)控制電路。外圍采用光照檢測(cè)電路、溫度檢測(cè)電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路（PCF8591）、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、按鍵和 LED 顯示模塊（M74HC573）等。（1） 利用 STC12C 系列高速單片機(jī)本身強(qiáng)大的功能和內(nèi)部 EEPROM，用 I2C 總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以很方便的實(shí)現(xiàn)各種芯片間的快速運(yùn)作且互不干擾，并能利用軟件方便的進(jìn)行各種功能的實(shí)現(xiàn)。（2） 利用光敏元件自動(dòng)檢測(cè)顧客購(gòu)水時(shí) IC 卡遮蓋使得光照變暗驅(qū)動(dòng)繼電器吸合從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)出水，LED 指示燈亮；當(dāng)水杯移走時(shí)光照變亮繼電器復(fù)位自動(dòng)停水，LED指示燈滅；同時(shí) LED 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示水量和水費(fèi)。外接蜂鳴器電路主要用于一次消費(fèi)超過(guò) 0.5 元時(shí)自動(dòng)售水機(jī)開(kāi)始報(bào)警。（3） 利用數(shù)字溫度檢測(cè)芯片 DS18B20 實(shí)現(xiàn)對(duì)水溫的檢測(cè)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通過(guò)芯片PCF8591 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換傳給單片機(jī)，并在無(wú)人購(gòu)水時(shí)，通過(guò) LED 數(shù)碼管顯示水溫。另外，顧客可以通過(guò)按鍵啟動(dòng)、停止系統(tǒng)，可以查詢(xún)使用費(fèi)用及余額。（4） 使用矩陣按鍵，用移位鎖存器 M74HC573 驅(qū)動(dòng)繼電器和 LED 指示燈，便于將來(lái)的功能擴(kuò)展。因此本系統(tǒng)除了具有較強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用性，還具有較高的可擴(kuò)展性。本文從自動(dòng)售水機(jī)的原理入手，詳細(xì)闡述了自動(dòng)售水機(jī)工作的過(guò)程，以及元器件的選用、硬件電路的設(shè)計(jì)、PCB 印制電路圖的設(shè)計(jì)、程序的調(diào)試。第 2 章器件選擇與說(shuō)明2.1 STC12C5A60S2 單片機(jī)的特性說(shuō)明根據(jù)方案論證的結(jié)果,本設(shè)計(jì)采用 STC12C 系列的 STC12C5A60S2 作為主控芯片，STC 單片機(jī)是深圳宏晶科技的 IC 產(chǎn)品。STC12C5A60S2 單片機(jī)中包含中央處理器（CPU）、程序存儲(chǔ)器（Flash）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（SRAM）、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、UART 串口、串口 2、I/O 接口、SPI 接口、PCA、看門(mén)狗及片內(nèi) RC 振蕩器和外部晶體振蕩電路等模塊。STC12C5A60S2 系列單片機(jī)幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有單元模塊，可稱(chēng)得上一個(gè)片上系統(tǒng)。STC 單片機(jī)完全兼容傳統(tǒng) 51 內(nèi)核,因此使用的編譯器和指令代碼都和傳統(tǒng) 51 單片機(jī)相同,但速度快 8-12 倍。（1） STC12C5A60S2 的引腳及說(shuō)明STC12C5A60S2 的引腳圖如圖 2.1 所示：圖 2.1 STC12C5A60S2 引腳圖P0.0P0.7(3932)：P0 口是一個(gè)漏極開(kāi)路型準(zhǔn)雙向 I/O 口。在訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)， 它是分時(shí)多路轉(zhuǎn)換的地址(低 8 位)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)，在訪(fǎng)問(wèn)期間激活了內(nèi)部的上拉電阻。在EPROM 編程時(shí)，它接收指令字節(jié)，而在驗(yàn)證程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)。驗(yàn)證時(shí)，要求外接上拉電阻。P1.0P1.7(1-8)：P1 口是帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。在 EPROM 編程和程序驗(yàn)證時(shí)，它接收低 8 位地址。P2.0P2.7(21-28)：P2 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。在訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，它送出高 8 位地址。在對(duì) EFROM 編程和程序驗(yàn)證期間，它接收高 8 位地址。P3.0P3.7(10-17)：P3 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。（2） STC12C5A60S2 的特性對(duì)于 STC12C5A60S2，主要特性為:l 增強(qiáng)型 8051 CPU,單時(shí)鐘/機(jī)器周期,指令代碼完全兼容 8051。l 工作電壓: 5.5V-3.3V(5V 單片機(jī))。l 工作頻率范圍：0-35MHZ，相當(dāng)于普通 8051 的 0-420MHZ。l 通用 I/O 口，復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通 8051 的傳統(tǒng) 8051 口）可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉、推挽/強(qiáng)上拉、僅為輸入/高阻、開(kāi)漏。每個(gè) I/O 口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到 20mA，但整個(gè)芯片最大不要超過(guò) 55mA。l 有 EEPROM 功能。l 有看門(mén)狗。l 內(nèi)部集成 MAX810 專(zhuān)用復(fù)位電路。l 外部掉電檢測(cè)電路：在 P4.6 口有一個(gè)低門(mén)檻比較器。l 2 個(gè)時(shí)鐘輸出口，可由 T0 的溢出在 P3.4/T0 輸出時(shí)鐘，可由 T1 的溢出在 P3.5/T1 輸出時(shí)鐘。l A/D 轉(zhuǎn)換，10 位精度 ADC，共 8 路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá) 250K/S（每秒鐘 25 萬(wàn)次）。l 工作溫度范圍：-40-+85C（工業(yè)級(jí)）/0-75C（商業(yè)級(jí)）。（3） STC 單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)對(duì)于自動(dòng)售水機(jī)的應(yīng)用需要，STC12C5A60S2 單片機(jī)有以下突出的優(yōu)點(diǎn)：l 較高的處理速度和時(shí)鐘頻率，新品之間的操作互不干擾。l 內(nèi)部有 EEPROM，可用于掉電存放各芯片的參數(shù)及相關(guān)數(shù)據(jù)。l ISP/IAP 功能，使芯片可以在線(xiàn)下載程序，便于產(chǎn)品的軟件升級(jí)。l 內(nèi)部有看門(mén)狗，使各芯片可以工作在惡劣的電磁環(huán)境下。l 寬電壓范圍，芯片的負(fù)載端電壓的波動(dòng)不會(huì)影響其正常運(yùn)作。l 小型封裝，便于 PCB 的緊湊化設(shè)計(jì)。2.2 PCF8591A/D、D/A 芯片的特性說(shuō)明PCF8591 是單片集成、單電源供電、低功耗 8 位 A/D、D/A 轉(zhuǎn)換器，具有 4 個(gè)模擬輸入、一個(gè)模擬輸出和一個(gè)串行 I2C 總線(xiàn)接口。3 個(gè)地址端 A0、A1 和 A2 可用于硬件地址編程，允許將最多 8 個(gè)器件連接至同一個(gè) I2C 總線(xiàn)而不需要額外硬件。器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號(hào)都是通過(guò)兩線(xiàn)雙向 I2C 總線(xiàn)傳輸。（1） PCF8591 的引腳及說(shuō)明PCF8591 的引腳圖如圖 2.2 所示：圖 2.2 PCF8591 引腳圖l AIN0AIN3：模擬信號(hào)輸入端。l A0A3：引腳地址端。l VDD、VSS：電源端（2.56V）。l SDA、SCL：I2C 總線(xiàn)的數(shù)據(jù)線(xiàn)、時(shí)鐘線(xiàn)。l OSC：外部時(shí)鐘輸入端，內(nèi)部時(shí)鐘輸出端。l EXT：內(nèi)部、外部時(shí)鐘選擇線(xiàn)，使用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí) EXT 接地。l AGND：模擬信號(hào)地。l AOUT：D/A 轉(zhuǎn)換輸出端。l VREF：基準(zhǔn)電源端。（2） PCF8591 的性能參數(shù)和特性l 單電源供電l 工作電壓：2.5V-6Vl 待機(jī)電流低l I2C 總線(xiàn)串行輸出l 通過(guò) 3 個(gè)硬件地址引腳編址l 采樣速率取決于 I2C 總線(xiàn)速率l 4 個(gè)模擬輸出可編程為單端或差分輸入l 自動(dòng)增量通道選擇l 模擬電壓范圍：VSS-VDDl 片上跟蹤與保持電路l 8 位逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換l 帶一個(gè)模擬輸出的乘法 DAC（3） PCF8591 功能描述I2C 總線(xiàn)系統(tǒng)中的每一片 PCF8591 通過(guò)地址到該器件來(lái)激活。該地址包括固定部分和可編程部分?？删幊滩糠直仨毟鶕?jù)地址引腳 A0、A1 和 A2 來(lái)設(shè)置。I2C 總線(xiàn)協(xié)議中的地址必須是起始條件后作為第一個(gè)字節(jié)發(fā)送。地址字節(jié)的最后一位是用于設(shè)置以后數(shù)據(jù)傳輸方向的讀、寫(xiě)位。2.3 DS18B20 數(shù)字溫度檢測(cè)芯片的特性說(shuō)明DS18B20 數(shù)字溫度計(jì)以 9 位數(shù)字量的形式反映器件的溫度值。DS18B20 通過(guò)一個(gè)單線(xiàn)接口發(fā)送或接收信息，因此在中央微處理器和 DS18B20 之間僅需一條連接線(xiàn)（加上地線(xiàn)）。用于讀寫(xiě)和溫度轉(zhuǎn)換的電源可以從數(shù)據(jù)線(xiàn)本身獲得， 無(wú)需外部電源。因?yàn)槊總€(gè) DS18B20 都有一個(gè)獨(dú)特的片序列號(hào)，所以多只 DS18B20 可以同時(shí)連接在一根單線(xiàn)總線(xiàn)上，這樣就可以把溫度傳感器放在許多不同的地方。（1） DS18B20 的引腳及說(shuō)明一般 DS18B20 芯片為 TO-92 封裝，有三個(gè)引腳，分別是：電源端 VDD、接地端GND、數(shù)據(jù)端 DQ。（2） DS18B20 的主要特性：l 先進(jìn)的單總線(xiàn)數(shù)據(jù)通信。l 全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出。l 最高 12 位分辨率，精度可達(dá)0.5 攝氏度。l 12 位分辨率時(shí)的最大工作周期為 750 毫秒。l 檢測(cè)溫度范圍為-55-125C。l 64 位光刻 ROM，內(nèi)置產(chǎn)品序列號(hào)，方便多機(jī)掛接。l 內(nèi)置 EEPROM，限溫報(bào)警功能。l 應(yīng)用包括溫度控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費(fèi)品、溫度計(jì)或任何熱感測(cè)系統(tǒng)。l 多樣封裝形式，適應(yīng)不同硬件系統(tǒng)。（3） 控制器對(duì) DS18B20 的操作流程 復(fù)位：復(fù)位就是由控制器給 DS18B20 單總線(xiàn)至少 480us 的低電平信號(hào)。當(dāng)DS18B20 接到此復(fù)位信號(hào)后則會(huì)在 15-60us 后會(huì)發(fā)一個(gè)芯片的存在脈沖。 存在脈沖：在復(fù)位電平結(jié)束后，控制器應(yīng)該將數(shù)據(jù)單總線(xiàn)拉高，以便于在 15-60us 后接收存在脈沖，存在脈沖為一個(gè) 60-240us 的低電平信號(hào)。如果復(fù)位電平的時(shí)間不足或是單總線(xiàn)的電路斷路都不會(huì)接到存在脈沖。 控制器發(fā)送 ROM 指令：ROM 指令共有 5 條，每一個(gè)工作周期只能發(fā)一條，ROM 指令分別是讀 ROM 數(shù)據(jù)、指定匹配芯片、跳躍 ROM、芯片搜索、報(bào)警芯片搜索。ROM 指令為 8 位長(zhǎng)度，功能是對(duì)片內(nèi)的 64 位光刻 ROM 進(jìn)行操作。其主要目的是為了分辨一條總線(xiàn)上掛接的多個(gè)器件并處理。單總線(xiàn)上可以同時(shí)掛接多個(gè)操作，并通過(guò)每個(gè)器件上獨(dú)有的 ID 號(hào)來(lái)區(qū)別，一般只掛接單個(gè) DS18B20 芯片是可以跳過(guò) ROM 指令。 控制器發(fā)送存儲(chǔ)操作指令：在 ROM 指令發(fā)送給 DS18B20 之后，緊接著就是發(fā)送存儲(chǔ)操作指令了。操作指令同樣為 8 位，共 6 條，存儲(chǔ)器操作指令分別是寫(xiě) RAM 數(shù)據(jù)、讀 RAM 數(shù)據(jù)、將 RAM 數(shù)據(jù)復(fù)制到 EEPROM、溫度轉(zhuǎn)換、將 EEPROM 中的報(bào)警值復(fù)制到 RAM、工作方式切換。存儲(chǔ)器操作指令的功能是命令 DS18B20 做什么工作， 是芯片控制的關(guān)鍵。 執(zhí)行或數(shù)據(jù)讀寫(xiě)：一個(gè)存儲(chǔ)操作指令結(jié)束后則將進(jìn)行指令執(zhí)行或數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。這個(gè)操作要視存儲(chǔ)器操作指令而定，如執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換指令則控制其必須等待 DS18B20 執(zhí)行其指令，一般轉(zhuǎn)換時(shí)間為 500us；如執(zhí)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)指令則需要嚴(yán)格遵守 DS18B20 的讀寫(xiě)時(shí)序來(lái)操作。2.4 M74HC573 移位鎖存器的特性說(shuō)明M74HC573 是八進(jìn)制三態(tài)反轉(zhuǎn)透明鎖存器，當(dāng)鎖存使能端為高時(shí)，這些器件的鎖存對(duì)于數(shù)據(jù)是透明的；當(dāng)鎖存使能端變低時(shí)，符合建立時(shí)間和保持時(shí)間的數(shù)據(jù)會(huì)被鎖存。（1） M74HC573 的引腳及說(shuō)明M74HC573 的引腳圖如圖 2.3 所示：圖 2.3 M74HC573 引腳圖l OE：output_enable，輸出使能；l LE：latch_enable，數(shù)據(jù)鎖存使能；l Dn：第 n 路輸入數(shù)據(jù)；l On：第 n 路輸出數(shù)據(jù)；（2） M74HC573 的功能真值功能表如表 2.1 所示：表 2.1 M74HC573 真值表輸入輸出輸出使能鎖存使能DQLHHHLHLLLLX不變HXXZl 第一行/第二行：當(dāng) OE0、LE1 時(shí)，輸出端數(shù)據(jù)等于輸入端數(shù)據(jù)；l 第三行：當(dāng) OE0、LE0 時(shí)，輸出端保持不變，鎖存；l 第四行：當(dāng) OE1 是無(wú)論 Dn、LE 為何，輸出端為高阻態(tài)。在這種狀態(tài)下，可以多個(gè)芯片并聯(lián)輸出；但是，這些芯片中只能有一個(gè)處于非高阻態(tài)狀態(tài)，否則會(huì)將芯片燒毀。2.5 ULN2003A 芯片的特性說(shuō)明（1） ULN2003A 的概述ULN2003A 是高耐壓、大電流、內(nèi)部由七個(gè)硅 NPN 達(dá)林頓管組成的是一個(gè) 7 路反向器電路，內(nèi)部還集成了一個(gè)消線(xiàn)圈反電動(dòng)勢(shì)的二極管，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)繼電器。它是雙列 16 腳封裝,NPN 晶體管矩陣,最大驅(qū)動(dòng)電壓為 50V,電流為 500mA,輸入電壓為 5V。它的輸出端允許通過(guò)電流為 200mA，飽和壓降 VCE 約 1V 左右，耐壓約為 36V。采用集電極開(kāi)路輸出，輸出電流大，故可直接驅(qū)動(dòng)繼電器或固體繼電器，也可直接驅(qū)動(dòng)低壓燈泡。通常單片機(jī)驅(qū)動(dòng) ULN2003A 時(shí)，上拉 2K 的電阻較為合適，同時(shí)，COM 引腳應(yīng)該懸空或接電源。（2） ULN2003A 的引腳圖ULN2003A 的引腳圖如圖 2.4 所示：圖 2.4 ULN2003A 引腳圖第 3 章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1 模塊電路設(shè)計(jì)及工作原理系統(tǒng)的硬件框圖如圖 3.1 所示：圖 3.1 系統(tǒng)的硬件框圖系統(tǒng)硬件電路原理圖見(jiàn)附錄一。3.1.1 單片機(jī)主控單元電路設(shè)計(jì)及工作原理20VCCP37/RD 17P36/WR 16P3515P3414P3313P3212P31/RXD 11P30/TXD 10 28P27 27P26 26P25 25P24 24P23 23P22 22P21/SDA 21P10/SCLCR11uS1SW-PBVCCALE3029319 8P17/SCK 7P16/MISO 6P15/MOSI 5P14 4P13 3P12 2P11 1P10 R3 1KCY422pF1819CY3Y2 12M 32P07 33P06 34P05 35P04 36P03 37P02 38P01 39P00 4022pFP89C51RCP0.7/AD7 P0.6/AD6 P0.5/AD5 P0.4/AD4 P0.3/AD3XTAL2P0.2/AD2XTAL1P0.1/AD1P0.0/AD0VCCP1.7/CEX4 P1.6/CEX3 P1.5/CEX2 P1.4/CEX1 P1.3/CEX0 P1.2/ECI P1.1/T2EX P1.0/T2 ALE/PROG PSEN EA/VPP RSTP2.7/A15 P2.6/A14 P2.5/A13 P2.4/A12 P2.3/A11 P2.2/A10 P2.1/A9 P2.0/A8VSS P3.7/RD P3.6/WR P3.5/T1P3.4/T0 P3.3/INT1 P3.2/INT0 P3.1/TxD P3.0/RxDU121圖 3.2 單片機(jī)主控單元電路圖單片機(jī)主控單元的電路原理圖如圖 3.2 所示。時(shí)鐘是采用的內(nèi)部方式，在 XTAL1 和 XTAL2 端外接石英晶振作定時(shí)元件，內(nèi)部反向放大器自激振蕩，產(chǎn)生時(shí)鐘。時(shí)鐘發(fā)生器對(duì)振蕩脈沖二分頻。因此，時(shí)鐘是一個(gè)雙向信號(hào)，由 P1 相和 P2 相構(gòu)成。STC12C5A60S2 系列單片機(jī)有 5 種復(fù)位方式：外部 RST 引腳復(fù)位、外部低壓檢測(cè)復(fù)位、軟件復(fù)位、掉電復(fù)位/上電復(fù)位、看門(mén)狗復(fù)位。但在此單片機(jī)系統(tǒng)電路圖上采用的是外部 RST 引腳復(fù)位，在復(fù)位電路部分采用的是獨(dú)立按鍵復(fù)位方式。RST 引腳作為信號(hào)的輸入端，復(fù)位信號(hào)是高電平有效，高電平的有效持續(xù)時(shí)間應(yīng)為 24 個(gè)振蕩周期以上，如時(shí)鐘頻率為 12MHZ，則復(fù)位信號(hào)至少持續(xù) 2us 以上，才可以使單片機(jī)復(fù)位。3.1.2 顯示單元電路設(shè)計(jì)及工作原理VCC7SEG_47SEG_4R22 330R21 330R20 330R19 330R18 330R17 330R16 330R15 330VCCU15 M74HC573M1RY6U25CA 21WR34321dp gf e d c bDS1DS2Y72 1 WR3GND 1112345678910M74HC573M1ROEVCC LED1Q1D2Q2D3Q3D4Q4D5Q5D6Q6D7Q7D8Q8GNDU25AA74HC02U144 12 3 11 21109dp8g 7 f 6 e 5 d 4 c 3 b a21 12 11 1098 7 6 5 4 3 21a 20 19 18 17 16 15 14 13 121314151617181920 12 GND 10Q8D8 98765432Q7D7 Q6D6 Q5D5 Q4D4 Q3D3 Q2D2 Q1D1 LEVC C OE 111GND 74HC02圖 3.3 顯示單元的電路圖顯示單元的電路原理圖如圖 3.3 所示。數(shù)碼管的顯示分兩個(gè)部分：一個(gè)部分是數(shù)碼管的段碼顯示；另一個(gè)部分是數(shù)碼管的位數(shù)顯示。數(shù)碼管的顯示是由 M74HC573 雙向移位寄存器控制的，M74HC573 雙向移位寄存器上有一位是 LE 使能端，使能端 LE 是間接由單片機(jī)系統(tǒng)上的 P25、26、27 三個(gè)口控制的，這三個(gè)口輸出到 3/8 譯碼器芯片74HC138，再通過(guò)的與非門(mén)芯片 74HC02 的輸出信號(hào)來(lái)控制 M74HC573 的使能端，從而實(shí)現(xiàn)不同的功能。若 P25、26、27 三個(gè)口的狀態(tài)都是高電平，則芯片 74HC138 的 3/8 譯碼器的輸出狀態(tài)為第 7 個(gè)狀態(tài)，則對(duì)應(yīng)的芯片 M74HC573 的 LE 使能端有動(dòng)作的是U14 芯片 M74HC573，此芯片 M74HC573 控制的是數(shù)碼管的段碼顯示。若 P27、26 兩個(gè)口的狀態(tài)是高電平，P25 口的狀態(tài)是低電平，則芯片 74HC138 的 3/8 譯碼器的輸出狀態(tài)為第 6 個(gè)狀態(tài)，則對(duì)應(yīng)的芯片 M74HC573 的 LE 使能端有動(dòng)作的是 U15 芯片M74HC573，此芯片 M74HC573 控制的是數(shù)碼管的位數(shù)顯示。由于此電路圖上使用的數(shù)碼管是共陽(yáng)型數(shù)碼管，所以當(dāng)數(shù)碼管的段碼為低電平時(shí)數(shù)碼管亮。當(dāng)顯示數(shù)碼管的位數(shù)時(shí)，是使控制數(shù)碼管的芯片 M74HC573 的輸出信號(hào)為相應(yīng)的高電平，此位數(shù)碼管才會(huì)被選中起作用，當(dāng)此位數(shù)碼管的段碼為低電平時(shí)，此時(shí)數(shù)碼管才會(huì)亮。3.1.3 溫度檢測(cè)單元電路設(shè)計(jì)及工作原理U1201716151413121110 28 27 26 25 24 23 22 21 8 7 6 U55 4 R1110K3029319 3 2 1 18B201819 32 33 34 35 36 37 38 39 +5V VCC 40+5V VCCGND DQ VDDP0.7/AD7 P0.6/AD6 P0.5/AD5 P0.4/AD4 P0.3/AD3XTAL2P0.2/AD2XTAL1P0.1/AD1P0.0/AD0VCCP1.7/CEX4 P1.6/CEX3 P1.5/CEX2 P1.4/CEX1 P1.3/CEX0 P1.2/ECI P1.1/T2EX P1.0/T2 ALE/PROG PSEN EA/VPP RSTP2.7/A15 P2.6/A14 P2.5/A13 P2.4/A12 P2.3/A11 P2.2/A10 P2.1/A9 P2.0/A8VSSP3.7/RD P3.6/WR P3.5/T1 P3.4/T0 P3.3/INT1 P3.2/INT0 P3.1/TxD P3.0/RxDP89C51RC圖 3.4 溫度檢測(cè)單元電路圖：溫度檢測(cè)單元電路原理圖如圖 3.4 所示。DS18B20 的溫度檢測(cè)與數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸出全集成在一個(gè)芯片上，從而抗干擾力更強(qiáng)。一個(gè)工作周期可分為兩部分，即溫度檢測(cè)和數(shù)據(jù)處理。DS18B20 采用一線(xiàn)通信接口。當(dāng) DS18B20 完成溫度測(cè)量，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在 DS18B20的存儲(chǔ)器中。單片機(jī)發(fā)出閱讀指令來(lái)讀取片上存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)。通過(guò)緩存器讀寄存器， 所有數(shù)據(jù)的讀、寫(xiě)都是從最低位開(kāi)始。在此電路圖中，是通過(guò) DS18B20 芯片上的 DQ 總線(xiàn)與單片機(jī)控制芯片上 P14 口連接的。在單片機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出溫度檢測(cè)指令時(shí)，指令通過(guò)單片機(jī)系統(tǒng)上的 P14 口將指令傳輸?shù)?DQ 總線(xiàn)上，從而傳輸?shù)?DS18B20 芯片上，在 DS18B20 芯片檢測(cè)到單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出的指令時(shí)，就將 DS18B20 芯片轉(zhuǎn)換出來(lái)的溫度值通過(guò) DQ 總線(xiàn)直接傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)中。3.1.4 光敏檢測(cè)單元電路設(shè)計(jì)及工作原理VCCC21VCCU1610uC22RD1123456781615OUT 1413 12 111090.1uR31PCF8591U1201716151413121110 28 27 26 25 24 23 2221VCCALE3029319 8 7 6 5 4 3 2 1 32 33 34 35 36 18 37 19 38 39 40VCCP0.7/AD7 P0.6/AD6 P0.5/AD5 P0.4/AD4 P0.3/AD3XTAL2P0.2/AD2XTAL1P0.1/AD1P0.0/AD0VCCP1.7/CEX4 P1.6/CEX3 P1.5/CEX2 P1.4/CEX1 P1.3/CEX0 P1.2/ECI P1.1/T2EX P1.0/T2ALE/PROG PSEN EA/VPP RSTP2.7/A15 P2.6/A14 P2.5/A13 P2.4/A12 P2.3/A11 P2.2/A10 P2.1/A9 P2.0/A8VSSP3.7/RD P3.6/WR P3.5/T1 P3.4/T0 P3.3/INT1 P3.2/INT0 P3.1/TxD P3.0/RxDAIN0VDDAIN1AOUTAIN2VrefAIN3AGNDA0EXTA1OSCA2SCLVSSSDAP89C51RC圖 3.5 光敏檢測(cè)單元電路圖光敏檢測(cè)單元電路原理圖如圖 3.5 所示。光敏檢測(cè)電路中主要原理是利用光敏電阻的負(fù)溫度系數(shù)的特性。當(dāng)光照強(qiáng)時(shí)，光敏電阻 RD1 的電阻值小，光照檢測(cè)電壓（即 R31 上的壓降）大。當(dāng)有物體（IC 卡）擋住光照，光照變?nèi)?，光敏電?RD1 的電阻值會(huì)增大，光照檢測(cè)電壓會(huì)減小。光敏電阻改變的是電阻值，從而使電路改變檢測(cè)電壓值。當(dāng)電壓減小到某一特定的電壓值（本設(shè)計(jì)中為 1.5V）時(shí)，會(huì)使主控單片機(jī)系統(tǒng)做出相應(yīng)的動(dòng)作。但是這些信號(hào)都是模擬量，而單片機(jī)系統(tǒng)處理的是數(shù)字量，所以需要在電路中增加 A/D 轉(zhuǎn)換電路。芯片 PCF8591 就是 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，它將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。在正常工作中，PCF8591 將轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量通過(guò) I2C 總線(xiàn)將光敏檢測(cè)的信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)系統(tǒng)中。3.1.5 矩陣按鍵單元電路設(shè)計(jì)及工作原理S7S11S15S19SW-PBS6SW-PBS5?SW-PBS4SW-PBGNDJ5P37/RD321SW-PBS10SW-PBS14SW-PB S18P30/TXDSW-PBP31/RXDS9SW-PBS13SW-PBS17SW-PBS8SW-PBP32S12SW-PBS16SW-PBSW-PBSW-PBP33P34 P35P36/WRCON3圖 3.6 矩陣按鍵單元電路圖矩陣按鍵單元電路原理圖如圖 3.6 所示。矩陣按鍵電路主要是由單片機(jī)系統(tǒng)的 P3 口控制的。按鍵掃描首先是進(jìn)行查詢(xún)是否有按鍵按下。首先單片機(jī)系統(tǒng)向行掃描口P30-P33 輸出全為 0 的掃描碼 F0H，然后從列檢測(cè)口 P34-P37 讀出列檢測(cè)信號(hào)，只要有一行信號(hào)不為 1，即 P1 口不為 F0H，則表示有按鍵按下，接著要檢查按鍵所在的行、列位置。單片機(jī)將得到的信號(hào)取反，P34-P37 口中為 1 的位置就是按鍵所在的列。確定按鍵所在的行，需要進(jìn)行逐行掃描。在矩陣按鍵電路正常工作時(shí)，是讓單片機(jī)系統(tǒng)上的 P3 口上的相應(yīng)的端口輸出低電平，然后當(dāng)有按鍵按下時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)會(huì)讀取按鍵上的狀態(tài)，當(dāng)讀取到的按鍵上的狀態(tài)為相應(yīng)的按鍵按下時(shí)的狀態(tài)時(shí)，就表示按鍵已經(jīng)按下。如先讓 P30 口輸出低電平，則表示在 P30 所控制的這一行有按鍵按下，但具體是哪一個(gè)按鍵還不能確定。但是當(dāng)從 P3 口讀出數(shù)據(jù)時(shí)就能確定是哪個(gè)按鍵按下，若讀出的數(shù)據(jù)是 0X7E 則表示第一行第一個(gè)按鍵按下。3.1.6 LED 燈單元電路設(shè)計(jì)及工作原理Y4U25DA 2U?GND 111201L1WR374HC02L2P00 2P01 3P02 4P03 5P04 6P05 7P06 8P07 91918171615141312L3L4R32R33L6EDL8EDLEDLEDL5EDLEDLED10LEDM74HC573M1RR43R43R424R41R40GNDQ1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q8D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8OEVCC LEVCCVCC300300300300300300300300圖 3.7 LED 燈單元電路圖LED 燈單元電路原理圖如圖 3.7 所示。LED 燈電路主要是 LED 發(fā)光二極管和電阻組成的。芯片 M74HC573 雙向移位寄存器上有一位是 LE 使能端，使能端 LE 是由單片機(jī)系統(tǒng)上的 P25、26、27 三個(gè)端口控制的 3/8 譯碼器 74HC138 的輸出端通過(guò)與非門(mén)74HC02 的輸出信號(hào)來(lái)控制的。當(dāng)P25、P26 口為低電平，P27 口為高電平時(shí)，芯片74HC138的 3/8 譯碼器的輸出狀態(tài)為第 4 個(gè)狀態(tài)，此時(shí)控制 LED 燈的芯片 M74HC573 開(kāi)始工作。當(dāng)芯片 M74HC573 的使能端為高電平時(shí)，芯片 M74HC573 開(kāi)始工作，根據(jù)電路中發(fā)光二極管的極性，若芯片 M74HC573 輸出端口的信號(hào)為低電平時(shí)，此時(shí) LED 燈亮。此 LED 燈電路中加入電阻是為了保護(hù)電路，因?yàn)閱纹瑱C(jī)系統(tǒng)控制電路的總的負(fù)載能力是有限的，它的最大電流不能超過(guò) 500mA。加入電阻后電路中的電流就會(huì)減小，但也不會(huì)影響發(fā)光二極管 LED 燈的正常工作，因?yàn)殡娐分械碾娮璧淖柚挡淮鬄?300R，不會(huì)影響 LED 燈正常工作時(shí)所需的電壓和電流，從而起到電路保護(hù)的作用。3.1.7 繼電器單元電路設(shè)計(jì)及工作原理繼電器單元電路原理圖如圖 3.8 所示。繼電器電路中用的主要芯片為 M74HC573 雙向移位寄存器和 7 路反相器 LN2003。芯片 M74HC573 雙向移位寄存器上有一位是 LE 使能端，使能端 LE 是由單片機(jī)系統(tǒng)上的 P25、26、27 三個(gè)端口控制的 3/8 譯碼器 74HC138的輸出端通過(guò)與非門(mén) 74HC02 的輸出信號(hào)來(lái)控制的。U25BAY521WR374HC02U9OEVCC LEGND 111D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D8P002P013P024P035 20 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Q819181716VCCIN1OUT1IN2OUT2IN3OUT3IN4OUT4IN5OUT5IN6OUT6IN7OUT7GNDCOM1234U10 16 STEPA 15 STEPB 14 STEPC 13 STEPD GNDK? m1 m2 Relay-SPDT D1VCCP04615512NRELAYP05 P06 P07789GND10M74HC573M1R1413 12 678ULN2003A 11 NMOTOR 10 NBUZZ 9DiodeVCC圖 3.8 繼電器單元電路圖當(dāng) P25、P27 口為高電平，P26 口為低電平時(shí)，芯片 74HC138 的 3/8 譯碼器的輸出狀態(tài)為第 5 個(gè)狀態(tài)，此時(shí)控制繼電器的芯片 M74HC573 開(kāi)始工作。LN2003 也是一個(gè) 7 路反向器電路，即當(dāng)輸入端為高電平時(shí) ULN2003 輸出端為低電平（上圖中此時(shí)單片機(jī)P04=1），繼電器得電吸合。3.1.8 蜂鳴器單元電路設(shè)計(jì)及工作原理VCCY5U25BA 2U9GND111 20 1WR374HC02U10P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P072345678919181716151413 12 1234567 16 STEPA 15 STEPB 14 STEPC 13 STEPD 12 NRELAY 11 NMOTOR 10VCCSP189BUZZER10ULN2003AM74HC573M1RVCCGNDCOMOUT1 OUT2 OUT3 OUT4 OUT5 OUT6 OUT7IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7OEVCC LED1Q1D2Q2D