智能电饭煲的设计学士学位论文

智能电饭煲的设计学士学位论文 学士学位论文 摘要 单片机技术将计算机控制与电子技术应用有机地结合为一个整体的应用领域。近年来在工业智能仪器仪表、光机电设备、自动检测、信息处理、远程通信监控、智能楼宇自动化、家电等得到广泛应用和迅速发展。单片机的应用深度和广度已成为衡量一个国家工业发展水平的重要标志。有专家预言:后PC时代计算机应用的最重要领域是以单片机技术发展的“嵌入式系统”。 嵌入式家电不仅节约了厨房空间，又可以使得各种家电之间的组合排列更为合理、实用，实现厨房空间的最大可利用率及人们操作的便利性，符合现在人们对于生活高端、大气、上档次的生活要求。嵌入式系统在电饭煲的应用使得电饭煲更加方便，给人们的生活带来极大的便利。 本论文主要研究51单片机控制下的电饭煲，用来实现电饭煲的智能化操作。本次设计主要应用电子电路设计与制作电路板技术，以及功能来实现的单片机操作指令系统，最终实现单片机控制下的电饭煲蒸煮过程。 关键词:电饭煲 PCB设计;智能电饭煲;51单片机 i 学士学位论文 Abstract Single-chip microcomputer technology to apply computer control and electronic technology application field of organically combined as a whole. In recent years in industrial intelligent instrumentation, optical equipment, automatic detection, information processing, remote communication monitoring, intelligent building automation, household appliances, etc widely application and rapid development. MCU application breadth and depth has become a measure of an important symbol of a country's industrial development. Experts predicted: computer application field of the most important after the PC era based on single chip microcomputer technology to develop "embedded system". Electric rice cooker, this dissertation mainly studies 51 under the control of microcontroller, intelligent operation used to realize electric rice cooker. The design of the main application of electronic circuit design and circuit board production technology, SCM operation instruction system and function to achieve, finally realizes the electric rice cooker cooking process under the control of single chip microcomputer. Embedded appliances not only save the kitchen space, and can make all kinds of electrical appliances between arrangement more reasonable and practical, and realize the kitchen space of maximum utilization and the people the convenience of operation, for people now living the life requirement of high-end, atmosphere and grade. The application of embedded system in rice cooker makes it easier to rice cooker brings great convenience to people's life. Key words: 51 single chip computer; cooker PCB design of; intelligent electric rice cooker ii 佳木斯大学信息电子技术学院 学士学位论文 目录 摘 要 .............................................................................................................................. i Abstract ............................................................................................................................ ii 第1章 绪论................................................................................................................... 1 1.1 选背景........................................................................................................... 1 1.2 研究现状........................................................................................................... 1 1.3 研究的目的及意义............................................................................................. 1 第2章 硬件电路设计 ...................................................................................................... 3 2.1系统原理及框图 ................................................................................................... 3 2.2 时钟电路设计.................................................................................................... 4 2.2.1 外部时钟方式 ............................................................................................ 4 2.2.2 内部时钟方式 ............................................................................................ 4 2.3 复位电路设计.................................................................................................... 5 2.3.1 上电复位电路 ............................................................................................ 6 2.3.2 按键复位电路 ............................................................................................ 6 2.4 显示电路设计.................................................................................................... 7 2.4.1 数码管和液晶 ............................................................................................ 7 2.4.2显示电路具体连接...................................................................................... 9 2.5 键盘接口电路设计............................................................................................10 2.5.1按键的抖动 ...............................................................................................10 2.5.2按键消抖................................................................................................... 11 2.6 温度采集电路设计............................................................................................12 2.6.1 DS18B20的控制方式.................................................................................12 2.6.2 DS18B20具体连接 ....................................................................................13 2.7预约定时电路设计 ..............................................................................................14 2.7.1 DS1302接口分析 ....................................................................................14 2.7.2 DS1302与单片机具体连接 ......................................................................15 2.8 功能指示电路设计............................................................................................16 2.9 电源电路设计...................................................................................................16 2.10继电器电路设计 ................................................................................................17 2.11系统的原理图和PCB图 ....................................................................................18 第3章 系统软件设计....................................................................................................20 3.1 主程序设计 ......................................................................................................20 3.2 预约定时程序设计............................................................................................21 3.3 温度采集程序设计............................................................................................22 3.4 显示及输入程序设计 ........................................................................................23 3.4.1 液晶操作时序 .........................................................................................23 3.4.2 液晶显示和按键检测流程图设计 .............................................................23 3.5 负载电路和指示功能设计 .................................................................................25 3.6 本章小结..........................................................................................................26 第4章 智能电饭煲的调试.............................................................................................27 I 信息电子技术学院 学士学位论文 4.1 硬件调试以及遇到的问题 .................................................................................27 4.2 软件调试以及遇到的问题 .................................................................................27 4.3 本章小结..........................................................................................................28 结论................................................................................................................................29 参考文献.........................................................................................................................31 II 学士学位论文 第1章 绪论 1.1 选题背景 随着电饭煲技术的发展，电饭煲的控制技术也经历了几个重要的阶段，首先是机械式控制，然后是电子式控制，再是微电脑控制，再是目前将要成为主流的电磁电饭煲和微压力电饭煲。早在20世纪早期，电子智能控制技术就已经发展起来了，并最先被应用于工业生产中，其后随着控制理论、微电子技术和传感技术的发展，在操作复杂度、可控对象、稳定性、经济性等方面均得到了完善，目前电子智能控制技术在家用电器、汽车电子、智能电源保护、电力自动化和电动工具等领域得到很广泛应用，以促进产品智能化和信息化程度的提高。 今天，我们正经历着一个电脑技术迅速发展的时代，电脑芯片、网络技术已经开始成熟和普及，成本大幅的下降，这就为我们提供了一个绝好的平台和环境，我们应该有理由也有信心将包括电饭煲在内的所有智能家电控制技术作一次大的提升。随着人们生活水平的提高，对电饭煲的要求也越来越高。 日后，煮出来的米饭的可口程度、营养以及是否多功能、是否节能这些因素将成为判断一个电饭煲好坏的标准。 1.2 研究现状 目前，市场上的大部分采用机械式或者是采用固定功率的方式加热，能源利用率低，功能单一，难以满足人们日益增长的生活需求。 电饭煲从机械式原理到现在的智能电饭煲，期间经历了许多的阶段。电饭煲发挥高新技术优势，以美味炊煮为主导，使产品更加丰富与时尚化，现已形成微电脑、电脑与机械三大类型、十大不同款式。机械电饭煲虽然价格方面体现它的优势之外，其他方面就很难满足人们对现代生活高品质的需求。 微电脑或电脑控制的智能电饭煲符合现代人的要求，人性化的界面设计，使得人们一眼看出当前工作状态，让您更安心，各种烹调过程全部由电脑自动控制，这些特点符合现代人的省时、省力、耐用的观念。 1.3 研究的目的及意义 早在20世纪早期，电子智能控制技术就已经发展起来了，并最先被应用于工业生产中，其后随着控制理论、微电子技术和传感技术的发展，在操作复杂度、可控对象、稳定性、经济性等方面均得到了完善，目前电子智能控制技术在家用电器、汽车电子、智能电源保护、电力自动化和电动工具等 1 学士学位论文 领域得到很广泛应用，以促进产品智能化和信息化程度的提高。微电脑电饭煲不仅功能多、功耗低、保温性能好等特点，而且价格适中，是人们的理想选择。一种产品是否能够生存，不仅看它能否给厂家带来利润，更重要的是看它有没有市场。而今，智能电饭煲不仅在市场将占据主导地位，而且前景一片光明，因此我们选择智能电饭煲的开发 电饭煲是一种把电能转化成热能的新型多功能烹饪器具。在科技发展日新月异的今天,电饭煲也同其它家用电器一样经历了从简单到复杂,从手动到半自动、全自动以及到现在的智能化产品的过程。但因为价格较高,所以它不能为普通家庭所接受。做出一种价格低廉、体积又小的人性化的电饭煲是市场所需求。因此，开发功能齐全，安全可靠的微电脑智能电饭煲是非常用必要的。 2 学士学位论文 第2章 硬件电路设计 本章详细介绍了智能电饭煲的硬件设计，每个模块的电路都给出了详细的解释和分析，同时有的电路给出了的论证与选择。在章节最后给出了整个智能电饭煲的电路图和PCB图。 2.1 系统原理及框图 智能电饭煲能实现快煮，慢煮，预约定时，温度采集以及人机交互的显示多种功能。每个功能可以分为一个模块，各个模块在单片机的控制下有序的工作。图2-1为整个系统的框图。 LCD显示 功能模块 1. 时间加 2. 时间减 3. 确认键 功能指示 4. 保温 AT89C52 5. 快煮 6. 慢煮 继电器 温度采集 +5V 电源电路 加热盘 220V 图2-1 系统的整体框图 系统的工作原理:不同的按键对应不同的功能，有按键按下时对应不同的功能做出响应。快煮，慢煮是根据功率不同实现的，当按下快煮按键时，单片机检测到按键的按下，对应的IO口控制相应的负载，负载的电流不同，输出的功率也就不同，从而实现快煮，慢煮的功能。显示电路用液晶1602显示，用来显示电饭煲的温度，现在的时间，实现人机之间的交互。电饭煲控制器的工作状态煮饭、焖饭、保温等最关键的控制因素就是温度，所以要求温度采集是实时的。温度采集部分用温度传感器DS18B20对电饭煲当前温度进行采集。采集之后的温 3 学士学位论文 度经相应的处理，根据得到的温度，单片机采取什么样的控制形式，从而实现不同的功能。保温功能的实现就是通过温度的采集实现的，当温度低于特定温度，单片机做出相应去控制负载，从而使温度保持在特定的范围。预约定时采用DS1302实现预约定时的功能。负载控制采用继电器组成的相应电路进行控制，单片机IO口的输出控制继电器，继电器对负载电路进行控制，从而实现对负载的控制。功能指示电路用发光二极管分别指示快煮、慢煮、定时时间功能。 2.2 时钟电路设计 计算机工作时，是在统一的时钟脉冲控制下一拍一拍地进行的。这个脉冲是由单片机控制器中的时序电路发出的。单片机的时序就是CPU在执行指令时所需控制信号的时间顺序，为了保证各部件间的同步工作，单片机内部电路应在唯一的时钟信号下严格地控时序进行工作，所以时钟电路对于单片机必不可少。 2.2.1 外部时钟方式 此方式是利用外部振荡脉冲接入XTAL1或XTAL2。HMOS和CHMOS单片机外时钟信号接入方式不同，HMOS型单片机(例如8051)外时钟信号由XTAL2端脚注入后直接送至内部时钟电路，输入端XTAL1应接地。由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的，故建议外接一个上接电阻。对于CHMOS型的单片机(例如80C51)，因内部时钟发生器的信号取自反相器的输入端，故采用外部时钟源时，接线方式 2 为外时钟信号接到XTAL1而XTAL2悬空。如下图2- 图2-2 外部时钟方式 2.2.2 内部时钟方式 用单片机内部的振荡器，然后在引脚XTAL1(18脚)和XTAL2(19脚)两端 4 学士学位论文 接晶振，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路，外接晶振时，晶振两端的电容一般选择为30PF左右;这两个电容对频率有微调的作用，晶振的频率范围可在1.2MHz-12MHz之间选择。为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定、可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。 时钟、复位电路如图2-3所示，采用的是系统振荡为外部RC振荡方式，单片机内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和TXAL2分别是次放大器的输入端和输出端，把这两个引脚与作为反馈元件的晶体谐振器连接。一般采用12MHz的石英晶体和22PF的电容作为系统时钟，以减少寄生电容，更好保证振荡器的稳定性。 由于内部时钟的电路简单，不需要认为的加入时钟信号，所以一般采用内部时钟的工作方式。我也采用内部时钟的工作方式，实现单片机的时钟电路设计。 图 2-3 内部时钟工作方式 2.3 复位电路设计 复位是单片机的初始化操作。单片机启运运行时，都需要先复位，其作 5 学士学位论文 用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始 工作。因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行 复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。系统要能长时间可靠工作就离 不开复位电路。 2.3.1 上电复位电路 上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。常用的上电复位电路如下图2-4所示。图中电容C1和电阻R1对电源十5V来说构成微分电路。上电后，保持RST一段高电平时间，由于单片机内的等效电阻的作用，不用图中电阻R1，也能达到上电复位的操作功能，如下图2-4图所示。 图 2-4 上电复位电路 2.3.2 按键复位电路 按键复位的工作原理是在复位输入端RST处人为加入高电平。为达到这一目的，一般情况下，我们在RST端与电源VCC之间加一个按钮，如下图所示。当我们按下按钮时，RST端与VCC端之间接通，使RST端升为高电平，完成复位功能。 复位电路可在单片机运行出错或进入死机循环时，通过复位使系统重新运行。对于51单片机而言，只要REST端保持二个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平即可硬件复位。考虑到从电源接通到电源电压稳定需要一定的时间，故图2-5所示RC复位时间一般均应大于10ms，典型取值为R=1K、C=22uF。由于按键复位电路包括上电复位电路，能实现随时复位。所以在方案中选择按键复位电路方式。 6 学士学位论文 图 2-5 按键复位电路 2.4 显示电路设计 在智能电饭煲中，显示装置是一个重要组成部分，主要用来显示煮饭过程的状况与运行情况，以便于使用者方便的操作，是人机信息交换的主要窗口。常用的显示器件有发光二极管显示器LED、液晶显示器LCD等其他显示设备。 2.4.1 数码管和液晶 LED数码管--由于具有结构简单、体积小、功耗低、配置灵活、显示清晰、可靠性高等优点，目前已被微型计算机控制系统及智能化仪表广泛采用。在小型控制装置和数字化仪器仪表中，往往只要几个简单的数字显示或字符状态便可满足人机界面的需求，而显示数码的LED因其成本低廉、配置灵活，与计算机接口方便等特点在小型微机控制系统中得到极为广泛的应用。LED显示器有多种结构形式，单段的圆形或方形LED常用来显示设备的运行状态，8段LED可以显示各种数字和字符，所以也称为LED数码管，其外形如图2-6所示。8段LED在控制系统中应用最为广泛，其接口电路也具有普遍借鉴性。 7 学士学位论文 图2-6 LED数码管 8段LED显示器的结构与工作原理如图2-7所示 图2-7 8段LED数码管结构原理 一个8段LED显示器的结构与工作原理如图2-7所示。它是由8个发光二极管组成，各段依次记为a、b、c、d、e、f、g、dp ，其中dp表示小数点(不带小数点的称为7段LED)。8段LED显示器有共阴极和共阳极两种结构，分别如图2-7(b)、(c)所示。 共阴极LED的所有发光管的阴极并接成公共端COM，而共阳极LED的所有发光管的阳极并接成公共端COM。当共阴极LED的COM端接地，则某个发光二极管的阳极加上高电平时，则该管有电流流过因而点亮发光;当共阳极LED的COM端接高电平，则某个发光管的阴极加上低电平时，则该管有电流流过因而点亮发光。 LCD(液晶显示器Liquid Crystal Display的英文缩写)是借助外界光线照射液晶材料而实现显示的被动显示器件。液晶是一种介于液体与固体之间的热力学的中间稳定相，在一定的温度范围内既有液体的流动性和连续性，又有晶体的各向异性和光学特性。液晶显示模块1602主要由行/列驱动器及16×02全点阵液晶显示器组成。内部含有的ASCII字符集。它与单片机的接口连线采用并行方式。 1602LCD采用标准的14脚(无背光)或16脚(带背光)接口，各引脚接口说明如表2-1所示 表2-1 1602液晶接口信号说明 编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明 1 VSS 电源地 9 D2 数据口 8 学士学位论文 2 VDD 电源正极 10 D3 数据口 3 VO 对比度调节端 11 D4 数据口 4 RS 数据命令选择端 12 D5 数据口 5 R/W 读写选择端 13 D6 数据口 6 E 使能端 14 D7 数据口 7 D0 数据口 15 BLA 背光电源正极 8 D1 数据口 16 BLK 背光电源负极 由于1602LCD共占用单片机11个口线，相对于数码管，占用口线少，电路简单，无需外围驱动电路，占用PCB面积也较少，操作简单，此显示电路采用液晶方式显示，液晶模块选用1602液晶。 2.4.2 显示电路具体连接 图2-8为液晶与单片机连接电路，其中P1为8*10k欧姆的排阻作为P0口的上拉电阻，液晶的4、5、6脚与单片机相连作为控制信号，7,14脚与单片机P0口相连作为数据信号传送。前三个引脚分别为电源地、电源正极和液晶显示偏压。RS和R/W为数据,命令选择和读,写选择，引脚15和16分别是背光源正、负极。单片机P0口用于对LCD的数据传输，P2 .5,P2.7都是作为控制端对LCD输入读,写数据信号，选择数据寄存器或指令寄存器，以及是否进行显示。单片机采集温度信息，显示在1602液晶上，同时现在的时间也显示在液晶上。单片机通过控制液晶的相应接口，对液晶实现操作，从而实现显示电路的设计。 图2-8 液晶显示电路 9 学士学位论文 2.5 键盘接口电路设计 在智能电饭煲系统中，除了液晶显示进行信息传递的输出设备以外，还要有与操作人员进行信息交换的常规输入设备。键盘是一种最常用的输入设备,它是一组按键的集合，从功能上可分为数字键和功能键两种，作用是输入数据与命令，查询和控制系统的工作状态，实现简单的人机对话。 按键采用独立式按键接口，分为5个按键，分别对应快煮、慢煮、预约定时、时间加、时间减的功能。独立式键盘是直接用IO口构成的单个按键电路，如图2-9所示，每根IO口线上按键的工作状态小会影响其他IO口的工作状态，该电路属于查询方式电路，当按键没有按下时，单片机IO口默认输出其为高电平;当某按键按下后，对应IO口变低电平，IO输出灌电流在5mA左右 图2-9按键电路 2.5.1 按键的抖动 通常所用的按键为轻触机械开关，正常情况下按键的接点是断开的，当我们按压按钮时，由于机械触点的弹性作用， 一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而机械触点在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，按键的时序如下图2-10所示，抖动时间的长短由按键的机械特性及操作人员按键动作决定，一般为5ms,20ms。 10 学士学位论文 图2-10 按键开关的抖动特性 2.5.2 按键消抖 按键的抖动会造成按一次键产生的开关状态被单片机误读几次。为了使单片机能正确地读取按键状态，必须在按键闭合或断开时，消除产生的前沿或后沿抖动，去抖动的方法有硬件方法和软件方法两种。 1(硬件方法 硬件方法是设计一个滤波延时电路或单稳态电路等硬件电路来避开按键的抖动时间。图2-11是由R2和C组成的滤波延时消抖电路，设置在按键S与CPU数据线Di之间。按键S未按下时，电容两端电压为0，即与非门输入Vi为0，输出Vo为1。当S按下时，由于C两端电压不能突变，充电电压Vi在充电时间内未达到与非门的开启电压，门的输出Vo将不会改变，直到充电电压Vi大于门的开启电压时，与非门的输出Vo才变为0。 这段充电延迟时间取决于R1、R2和C值的大小，电路设计时只要使之大于或等于100ms即可避开按键抖动的影响。同理，按键S断开时，即使出现抖动，由于C的放电延迟过程，也会消除按键抖动的影响。 图中，V1是未施加滤波电路含有前沿抖动、后沿抖动的波形，V2是施加滤波电路后消除抖动的波形。 11 学士学位论文 图2-11 滤波延时消抖电路 2(软件方法 软件方法是指编制一段时间大于10ms的延时程序，在第一次检测到有键按下时，执行这段延时子程序使键的前沿抖动消失后再检测该键状态，如果该键仍保持闭合状态电平，则确认为该键已稳定按下，否则无键按下，从而消除了抖动的影响。同理，在检测到按键释放后，也同样要延迟一段时间，以消除后沿抖动，然后转入对该按键的处理。 由于软件方法去抖的方法容易实现，同时节约了硬件资源，是硬件电路体积减小，器件减少，可靠性提高，本课题采用软件消抖的方式。 2.6 温度采集电路设计 美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片 支持 "单总线"接口的温度传感器。全部传感元件及转换电路集成在形如一 只三极管的集成电路内。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松地组 建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。现在，新一代的DS18B20 体积更小、更经济、更灵活。本课题利用温度传感器DSl8B20来检测温度的 变化从而使单片机进行控制，实现多种功能。 2.6.1 DS18B20的控制方式 在具体硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种方法，一种是Vcc接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连;另一种是用寄生电源供电，此时VDD GND接地，I/O接单片机I/O。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线接一个4.7KΩ左右的上拉电阻即可。 DS18B20有六条控制命令，如下表2-2所示。 表2-2 DS18B20控制命令 指令 约定码 操作说明 温度转换 44H 启动DS18B20进行温度转换 12 学士学位论文 读暂存器 BEH 读暂存器9个字节内容 写暂存器 4EH 将数据写入暂存器的TH、TL字节 复制暂存器 48H 把暂存器的TH、TL字节写到E2PROM中 重新调E2PROM B8H 把E2PROM中的TH、TL字节写到暂存器TH、TL字节 读电源供电方式 B4H 启动DS18B20发送电源供电方式的信号给主CPU CPU对DS18B20的访问流程是:先对DS18B20初始化，再进行ROM操作命令，最后才能对存储器操作，数据操作。DS18B20每一步操作都要遵循严格的工作时序和通信。如CPU控制DS18B20完成温度转换这一过程，根据DS18B20的通讯协议，须经三个步骤:每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。 引脚排序如图2-12所示，引脚说明如表2-3 图2-12 DS18B20引脚图 表2-3 DS18B20引脚说明 序号 引脚名称 引脚功能描述 1 GND 电源地 2 IO 数据输入/输出引脚 3 VDD 电源端 2.6.2 DS18B20具体连接 温度传感器DSl8B20采用数据线供电方式，其工作电压范围在3,5. 5V，温度测量范围在-55?,125?精度为?2?，在-10?,85?范围内，其精度为?0 5?，可编程为9,12位A/D转换精度。测温分辨率可达0(0625摄氏度，如图2-13所示，为了保证DSl8B20温度变换的精确性，当温度转换时，数据线必须提供足够功率，此时必须提供一个强上拉。该电路通常要求外接一个4. 7K的上拉电阻至电源。 13 学士学位论文 图2-13 DS18B20与单片机连接 2.7 预约定时电路设计 智能电饭煲实现预约定时的功能，定时的功能实现方法有很多种，本文采用DS1302实现预约定时的功能。DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V,5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。并且具有具有涓细电流充电能力的低功耗实时时钟芯片。 2.7.1 DS1302接口分析 DS1302的引脚排列,其中Vcc2为主电源，VCC1为后备电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能:首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器;其次，RST提供终止单字节或多字节数据传送的方法。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc>2.0V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)，后面有详细说明。SCLK为时钟输入端。 图2-14为DS1302的引脚功能图。 14 学士学位论文 图2-14 DS1302引脚图 DS1302采用SPI(serial peripheral interface 串行外围设备接口)通信方式，它不仅要向寄存器写入控制字，还要读取相应寄存器的数据。要想与DS1302进行通信，首先了解DS1302的控制字，表2-4为DS1302的控制字。 表2-4 DS1302的控制字 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 RAM RD 1 A4 A3 A2 A1 A0 CK W/R 控制字的最高有效位(位7)必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写 入到DS1302中。 D6:如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据; D5至位D1(A4,A0):指示操作单元的地址;D0(最低有效位):如为0，表示要进行写操作，为1表示进行读操作。 控制字总是从最低位开始输出。在控制字指令输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从最低位(0位)开始。同样，在紧跟8位的控制字指令后的下一个SCLK脉冲的下降沿，读出DS1302的数据，读出的数据也是从最低位到最高位。 2.7.2 DS1302与单片机具体连接 DS1302与单片机相连接的时候，其中VCC2接电源5V，VCC1接3V的电池作为备用电源，电源地接地。3引脚和4引脚之间接32.768K的晶振，晶振两端接两个补偿电容，电容大小选10pF。剩余三个引脚分别接在单片机的IO上。为了增强通信过程中的抗干扰能力，一般在三个IO加4.7K欧姆-10K欧姆的上拉电阻。具体接法如下图2-15所示。 15 学士学位论文 图2-15 DS1302与单片机相连 2.8 功能指示电路设计 功能指示电路，当按下快煮，慢煮或定时时间到时，相应的LED灯发亮，给操作者一个提示。这样智能电饭煲更加人性化，更加便利。电路图如2-16所示 图2-16 指示功能电路设计 2.9 电源电路设计 电源分匀为加热盘模块提供电的220V电源，和为温度传感器模块、按 键模块、显示模块，功能显示模块等提供电的5V电源。 16 学士学位论文 该单元为本系统的其他电路提供工作所需要的电源。如图所示，它由变压器降压后得到20V的交流电压经过全波整流电路和滤波电路变成15V左右的直流电压，再经过二固定输出电压的集成稳压芯片LM7805，最终输出5V的稳恒直流电源，为单片机及其周围电路提供工作需要的电源，如图2-17所示 图2-17 电源电路 2.10 继电器电路设计 单片机初始化后的P2.0为高电平，，5V电源通过电阻使三极管导通，所以开机后继电器始终处于吸合状态。当单片机输出为低电平时候，三极管处于截至状态，三极管集电极没有电流或者微弱电流通过，继电器断开。二极管D4在电路中反向并联在继电器或电感线圈的两端，当电感线圈断电时其两端的电动势并不立即消失，此时残余电动势通过一个二极管释放，起这种作用的二极管叫续流二极管。继电器的线圈是一个很大的电感，它能以磁场的形式储存电能，所以当他吸合的时候存储大量的磁场。当控制继电器的三极管由导通变为截断时，线圈断电，但是线圈里有磁场。这时将产生反向电动势，很容易击穿三极管或其他电路元件。这是由于二极管的接入正好和反向电动势方向一致，把反向电势通过续流二极管以电流的形式中和掉，从而保护了其他电路元器件。如图2-18所示。 17 学士学位论文 图2-18 继电器电路 2.11 系统的原理图和PCB图 把所有的模块通过单片机联系，组合起来就组成了智能电饭煲的硬件系统，电路图和PCB图分别如2-19和2-20 图2-19 智能电饭煲原理图 18 学士学位论文 图2-20 智能电饭煲的PCB图 至此已经把整个硬件系统全部分析论证完毕，通过每个电路模块的分析，最终给出整个电路的系统电路图，同时画出系统的整体框图，并分析了智能电饭煲的工作原理。为下一章系统软件设计提供了依据。 19 学士学位论文 第3章 系统软件设计 本章详细介绍了智能电饭煲系统的软件设计，统软件设计采用结构化和模块化设计方法，便于程序的编写、调试和排除错误。同时也便于检验和维护。根据设计的要求和前面描述的控制器系统硬件设计的具体情况(主要包括预约定时程序设计，显示时间的程序设计，功能模块的程序设计，温度采集程序设计，通过所有的程序配合在一起，组成了智能电饭煲的整个系统。这样智能电饭煲就真正的实现了。 3.1 主程序设计 主程序是整个系统核心，它对每个模块的调用和使用做了详细的描述，每个功能模块在主程序的作用下，有序协调的工作，确保了系统的正确运行。主程序包括液晶1602程序的初始化，温度传感器DS18B20的初始化，时钟芯片DS1302的初始化和对键盘扫描检测，通过这些有序的配合，整个软件系统才能正常工作。 如图3-1为主程序的系统框图。 开始 液晶初始化 DS18B20初始化 时钟芯片初始化 标志位设定初值 N While=1, Y N Done=1, Done=0, Y 调整模式 显示数 据 扫描功能 图3-1 主程序流程图 20 学士学位论文 3.2 预约定时程序设计 预约定时程序是由DS1302实现的，DS1302采用SPI与单片机进行通信。写预约程序的时候，首先注意DS1302的时序图，根据时序图编写与单片机通信的程序。DS1302的SCLK，RST和I/O分别与单片机P1口的P1.5，P1.7和P1.6相连。单片机与DS1302进行通信时，首先要将RST变为高电位，也就是单片机P1.7必须为高电平。在RST保持为高电位时，SCLK时钟由低电位变为高电位的上升沿时，数据被写入DS1302中，数据从低位通过I/O开始写入。在RST保持高电位，SCLK时钟由高电位变为低电位的下降沿时，从DS1302读取数据，数据也是从DS1302的最低位通过I/O读在主程序中已经对DS1302进行初始化操作。因此系统会周期性的扫秒显示函数(当前时间的显示在及对DSl302的读操作写操作均通过显示函数来激活其相的针对芯片的功能子函数。控制器中对时间的显示要求:时一分一秒。在DSl302芯片中对应的寄存器分别为0x84 0x82 0x80。通过其数据和时钟管脚进行有序的读取操作，可以一一取出芯片中的数据。取出的数据要转换变成成十进制的数(同时还有判断是不是有定时，以及定时是不是到了等系列逻辑判断。 开始 初始化 开中断 读DS1302 送显示 N 是否有 键按下 Y Y 是否设 送时钟数据 置时间 N 送E2PROM 图2-3 预约定时程序设计流程图 21 学士学位论文 3.3 温度采集程序设计 电饭煲的工作状态煮饭、焖饭、保温等最关键的控制因素就是温度，所以要 求温度采集是实时的。首先对温度传感器DS18B20进行初始化操作，初始化时钟， 然后读操作，接着写操作。循环读取和写入数据信息，最后通过字符转换为 LCDl602能显示的字符。流程图如图2-4 开始 初始化DS18B20 N 应答脉 冲 Y 读ROM 读取1，2节温度数 据 转换温度 延时等待转换完成 读寄存器内容 初始化DS18B20 N 应答脉冲 Y 图2-4 温度采集程序流程图 22 学士学位论文 3.4 显示及输入程序设计 显示子程序采用动态显示的方式，实时显示温度变化和时间的变化。虽然是动态扫描的但是选择合适的间断时间利用人眼的视觉暂留就可以表现为静态变化。LCDl602的字符型显示器。内置了字符及数字符号，在程序设计中只要把二进制的数据全部转换成十进制即可直接输入到LCDl602的显示芯片。输入程序的设计针对独立按键设计的。输入方面主要采用按键的方式，单片机检测高低电平，从而判断按键是否被按下，检测按键是否按下时，要加上去抖的程序，确保按键是真正的被按下。五个按键分别对应不同的功能。其中包括时间加，时间减，快煮，慢煮，确认键。 3.4.1 液晶操作时序 正确分析1602液晶的操作时序才能确保对液晶操作的时候，得到自己想要的结果，其时序图如图3-5液晶的操作时序 图3-5 液晶1602操作时序图 1) 通过RS电平确定是写数据还是写命令，写命令包括液晶1602光标闪烁 不闪烁，移动屏幕不移动屏幕，光标显示不显示，在什么位置显示。 写数据指要显示什么内容和数据。 2) R/W确定控制端设置为写模式还是读模式 3) 讲数据或命令送达数据口上 4) 给E一个高脉冲，将数据送到液晶控制器，完成相应的操作。 3.4.2 液晶显示和按键检测流程图设计 根据以上液晶1602的时序，得出其对液晶1602初始化后，先写入液晶 23 学士学位论文 指令，然后再写数据流程图如下图3-6所示，键盘输入检测程序如下图3-7 开始 系统初始化 液晶1602初始化 写指令 写数据 结束 图3-6 液晶显示流程图 24 学士学位论文 开始 系统初始化 N 检测是否 有键按下 Y 延时10ms N 检测是否 有键按下 Y N 检测按键 是否释放 Y 执行相应的代码 图3-7 键盘检测程序流程图 3.5 负载电路和指示功能设计 负载控制电路是整个智能电饭煲不可缺少的部分，单片机以上做的工作就是控制负载做出相应的动作，最终实现整个系统有序，正确的运行。负载电路由单片机控制继电器实现的，当单片机检测到外部发生变化，这种变化需要负载做出动作的时候，单片机发出指令，控制继电器的断开与闭合。例如，当温度超过一定值的时候，单片机检测温度过高，此时单片机向继电器所连接的IO口发送相应的指令，从而使继电器关断，这样就保护电饭煲不被烧坏。指示电路，有单片机控制发光二极管实现的，当外界做出动作，单片机检测到相应的动作后，控制与其相连IO的发光二极管的亮灭，实现给人提示的作用。 25 学士学位论文 3.6 本章小结 本章主要讲述智能电饭煲系统的软件设计，通过模块化的编程思想，实现了对每个模块软件设计的实现。为以后具体编程的实现提供了思路和依据. 26 学士学位论文 第4章 智能电饭煲的调试 本章主要讲述了，智能电饭煲的调试，通过软硬件的调试，使智能电饭煲工作更加可靠，确保智能电饭煲能正常工作。所设计的智能电饭煲通过仿真和实物调试完全实现了智能化控制。包括实时显示时间、定时、加热和保温功能(以及由定时和温度双条件控制功能。可以进行0-24小时的定时煮饭(并且在温度达到指定温度的时候进行保温及温度检测。 4.1 硬件调试以及遇到的问题 在电路板制作完毕后，对整个电饭煲电路进行系统的测试，包括有没有地方短路，有没有断路的情况。仔细查看了有没有元器件连接错误的地方，经过自己的仔细检查，发现有两处错误。第一个继电器上的保护二极管接反了，那个二极管接反的话，可能会出现两种情况。第一:继电器不能正常工作，二极管接反，电源通过二极管分得一部分电压，最后导致继电器上没有足够的电压，即使单片机控制，继电器也不能正常的断开和闭合。第二，可能出现烧坏三极管，当电源断电时，由于继电器是感性负载，断开的瞬间产生比较大的感应电动势，电压经过二极管，就可能击穿三极管。其电路图如4-1所示。 第二处同样也是出现在此处，自己把三极管三个极给接反了。经过自己的仔细检查，把这个错误改正过来，最后硬件方面的问题是解决了。 图 4-1 继电器控制电路 4.2 软件调试以及遇到的问题 在调试软件的时候，编译时出现了很多的错误。由于自己的粗心大意，把标点符号写错，本该在英文输入法下写的程序换成了，在中文输入法下。这样自己 27 学士学位论文 程序出现了很多错误。不过经过自己的改正，自己的程序能编译通过。可是当把程序下载到单片机的时候，液晶1602显示的时间不正确，而且显示速度很快，出现重叠的现象。最后通过查找资料得知自己在读数据的时候，延时时间太短了，导致数据重叠到一起。最终经过修改，智能电饭煲成功的做出来了。 4.3 本章小结 经过软件和硬件调试，最终智能电饭煲能够正常的工作，能够实现自动保温，定时预约，快煮慢煮的功能。在调试过程中自己遇到的问题，通过查找相关内容和资料，最后得以解决，自己在这个过程中学到了很多。 28 学士学位论文 结论 此次毕业设计经历了将近半年的时间，其中遇到了许多的麻烦和困难，自己基础不太好，自己经过查找资料，向同学请教，最终都解决了问题。通过发现问题、分析问题、解决问题，自己又学到了许多新的知识，并在一定程度上加强了理论学习和工程实践相融合、巩固基础知识与培养创新意识相结合等方面的能力。在这次毕业设计蒋老师给我很多新的想法，他告诉我要结合实践去做，联系现实社会上卖的电饭煲功能，以理论与实践相结合，做出符合人们需求的电饭煲。蒋老师的思想，给整个设计带来新的灵魂，设计不同功能电饭煲就这样在蒋老师指导下实现了。 本次设计的智能电饭煲实现了智能化控制。包括实时显示时间、定时、加热和保温功能，快煮，慢煮，以及由定时和温度双条件控制功能。可以进行24小时的定时煮饭(并且在温度达到指定温度的时候进行保温及温度检测。本智能电饭煲系统性能稳定可靠，成本低，相对低廉，并具人性化的操作。 另外，通过毕业设计我们对四年来的所学知识进行了一个系统的。一方面，从理论上再一次对以前的知识进行了复习，并根据我们的需要在某些方面进行了深入的研究;另一方面紧密结合实际设计的需要将我们的理论知识融入实践的设计当中，并结合当前最新的技术，使我们的设计能紧跟科技的前沿。因此，我们的设计不仅仅是一个重新学习的过程，而且也是对我们科研能力的培养。通过在设计中和同学的紧密协调工作，进一步培养了自己的合作精神，为以后走向社会参与社会竞争奠定了基础。 29 学士学位论文 致谢 时光如梭，转眼间本科学习生涯即将结束。时间虽短，我却从中学到了很多的东西。我由衷地感谢关怀、教诲、帮助、支持和鼓励我完成学业的老师、朋友。 特别感谢我的导师老师，在本次毕业设计过程中，老师对该论文从选题，构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导。在学习中，老师以其严谨求实的治学态度、认真负责的太度、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范和大胆创新的进取精神对我产生很大影响，是我终生学习的楷模，将会永远激励着我。 其次，感谢那些给予我帮助的同学，感谢他们，他们在设计的过程中也给予了莫大的帮助，在此，对他们表示衷心的谢意～ 再次，感谢那些关心此次毕业设计的领导们，在他们的英明领导下，学校越办越好，为社会不断输送高素质的人才～ 最后，我要向百忙之中抽时间对我的设计进行审阅、评议和参与本人论文答辩的各位老师表示感谢。 30 学士学位论文 参考文献 [1] 边海龙，孙永奎.单片机开发与典型工程项目实例详解[J].电子工业出版社，2008，(10):143-160 [2] 王文青，邱文勋.51单片机开发案例精选[J].人民邮电出版社，2001，(5):45-47 [3] 睢丙东.单片机应用技术与实例. 电子工业出版社,1998,7 [4] 张鑫，华臻，陈书谦.单片机原理及应用[J].电子工业出版社，2008，(5) [5] 张洪润，张亚凡.单片机原理及应用[J].清华大学出版社，2005, (4) [6] 李广弟.单片机基础,,,.北京:北京航空航天大学出版社，2004 [7] 李华. 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