基于单片机的压力流量报警器（附代码+仿真+论文）

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摘要

近年来，流量计相关的技术得到了快速的发展和英语，目前市面上有奖金60种各类的流量仪表。但是这些仪表通常只有流量读数的功能，没有控制功能。本文将设计一款既具有流量检测功能又具有控制（阀门关闭）功能的装置，其低成本方案具有较高的应用价值。本系统由STC89C52单片机电路、水流量传感器、DS18B20温度电路、继电器电路、LCD1602液晶显示电路、按键电路、蜂鸣器电路和电源电路组成。采用椭圆齿轮传感器检测流量，液晶LCD1602液晶实时显示相关数据，通过DS18B20温度传感器实时检测温度信息，并且通过继电器控制阀门的开关，并且可以通过按键对流量计设备相关信息进行设置。

关键字

单片机；压力流量检测；LCD1602；DS18B20；阀门

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第一章绪论

1.1课题背景及其意义

流量测量应用于方方面面，农业生产、热电生产、化学工业生产、以及食物卫生等工业区域都离不开它的测量。生产石油的过程当中，必须要保证正常的传输和交易盈利，所以每一个步骤都离不开流量测测量。化学工业中，要求化学因素分配比精准，保证产物的质量安全，防止发生安全事故，以是流量的精准测量尤为重要。在利用各种介质进行的电力生产中，介质的流量测量和控制显得十分重要。流量检测的准确可以使得发电厂在合适的配置下使用有很大的作用，更重要的是，流量检测的准确同时可以保证发电的安全进行，大大减少事故的发生。比如温度过千的锅炉加水量突然减少，可能会导致锅炉发生爆炸事件。这样，不仅仅对测量的精度要求很高，同时还必须在特定的环境下发出警报信号，来减少安全事故的发生。
工业生产过程中人们通常通过一些参数对生产过程进行监视和控制，以保证其生产过程安全高效运行、深层次提升产品质量、减少物质消耗、以提高经济效益、实现科学正规的管理。而这些参数就是指流量、温度、压力和物位，他们共同作用于工业生产过程，是流量测量与仪表应用的重要参照标准。
日常生活中，大气污染是一个很大的问题，它十分严重的影响了环境和人类正常生活的环境污染，这就要求我们做到，对污染大气的延期以及其他温室气体排放量进行监测，以掌握其规律，对排放量进行控制，对废液和污水进行处理，以减少污染，做出有效应对措施。自然就需要通过专业的流量测量方法进行测量。因此，研究流量测量，通过运用课程所学知识，独立进行单片机程序设计、调试和应用电路设计、降低物质消耗、提高经济效益、实现科学管理是至关重要的一部分。这样一来，对于城市和郊区的废气废水流出量，就可以进行实时的测量与研究。除此之外，这项技术，也被广泛运用于科学试验领域，例如，利用大量的流量控制系统进行仿真和试验。

1.2 国内外的研究状况

说道流量检测的悠久历史，还要说道古时候水利工程和城市供水设备。例如圭罗恺萨时代利用孔板来测量居民应税的水量；在公元前1000年左右，古埃及人们利用堰法来测量呢啰河河道的流量；再说回中国，则最著名的那还是属于都江堰水利工程，它运用宝瓶口的水的位置来观察水量大小。这些例子都充分表明了用于流量检测的流量仪表的应用范围十分广泛，无论是在工业生产、能源计量、环境保护工程，还是交通运输、生物技术、科学试验领域等都有涉及。
说到流量测量的转折点，是拖里差历对差压式流量计研究，做出了流量测量的最初文字介绍。自此19世纪的如堰、示踪发、皮拖管、溶剂、莴轮机靶式流量计等许多类型的仪表开始相继出现于运用。 20世纪中期，伴随工业计量、能量研究、城市建设对流量测量的供需呈井喷式的增长，促使仪表得到空前的发展，进而，微电子技术和计算机的技术取得了飞跃的发展。极大地推动了仪表更新换代，新型流量计的种类迅速的繁多了起来。现在，许多种流量计在市场中使用，使用过程中出现的麻烦也得到了进一步的解决。
而我国因为近代流量测量技术起步比较晚，一直以来，我们使用的流量仪表都依赖进口，这就严重限制了我国大量使用流量测量计的使用数量。从20世纪使用仪表修配发展初，到抗战后青岛、厦门等等一些沿海城市都聚集了现代流量仪表的民族企业。这一过程经历了仿造、自主设计、研究使用的过程，现如今近初具规模，基本上能满足中等水平流量仪表的需要。抗战胜利后我们的科技进行了飞速的进步，通过和其他发达国家的共同研究，我国的流量测量计水平进步了很多。放眼国际，许多主流企业看准中国市场，在中国建立生产基地。其实，这在某种程度上机增强了我国自主研发的能力，为其增添了竞争因素。虽然我国在这方面已取得了长足进步，但由于技术革新。更新换代较快，在产品工艺上仍然有很大的提高空间。
单片机技术的风靡全球，使得智能流量检测设备也大大出现，相比传统的流量检测设备，新型应用单片机制作的流量监测仪很大程度的提升了流量监测的功能。单片机的种类繁多，功能强大，由单片机操控的流量测量设备不仅成本造价低，而且功能实用，正可谓是两全其美。 科技的发展进步也使得流量计的种类越来越多，其功能也越来越强大。同时，这一技术也朝着更加智能化，简洁化，方便化，低成本的目标前进。

1.3本文的主要研究内容及论文结构安排

第1章.主要介绍本设计的课题背景及国内外研究状况；
第2章.主要说明系统方案的选择；
第3章.主要介绍硬件电路的组成及使用方法；
第4章.主要介绍软件设计；
第5章.主要介绍硬件调试；

第二章 方案的设计与论证

2.1控制方案的确定

本系统由STC89C52单片机电路+水流量传感器+DS18B20温度电路+继电器电路+LCD1602液晶显示电路+按键电路+蜂鸣器电路+电源电路组成。

2.2控制方式的选择

2.2.1 单片机芯片的选择

方案一
采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器，CPLD可以实现各种复杂的功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、I/O资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。且从使用及经济的角度考虑，最终放弃了此方案。
方案二
采用ST公司的STC89C52单片机作为主控制器，STC89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程 Flash 存储器。该单片机功耗低、接口丰富，成本低廉，完全能满足本设计要求。
方案三
采用单片机芯片控制MSP430单片机是美国德州仪器（TI）推出的一种16位超低功 耗的混合信号处理器（Mixed Signal Processor），主要是针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”混合信号处理的解决方案。MSP430F149是一个16位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，具有可靠性高、功耗低、扩展灵活、体积小、价格低和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表、专用设备智能化管理及过程控制等领域，有效地提高了控制质量与经济效益，已成为众多单片机系列中一颗耀眼的新星。然而其成本太高，故舍弃。
故选择方案二。

2.2.2显示方案的选择

方案一
采用LED数码管动态扫描,LED数码管价格适中,对于显示数字十分合适,采用动态扫描法与单片机连接时,虽然占用的单片机口线少，电路简单，性价比较高。
方案二
采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较适合,若采用在显示数字显得太浪费,且价格也相对较高,所以在此也不用此种作为显示。
方案三
LCD液晶显示，由单片机驱动，它主要用来显示大量数据、文字、图形，能够显示的位数多，显示得清晰多样、美观，同时液晶显示器的编写程序简单，价格便宜。采用1602液晶显示屏,该液晶显示屏的显示功能强大,内置192种字符，可显示大量符号、数字,清晰可见,而且功率消耗小寿命长抗干扰能力强。然而，其成本较高。故放弃。
故选择方案二。

2.2.3声音报警电路方案的选择

方案一
采用语音集成芯片ISD4004报警，由于ISD4004需要扩充喇叭驱动电路且其本身控制比较繁琐、电路比较复杂，稳定性差。基于以上考虑，所以放弃了此方案。
方案二
通过蜂鸣器实现报警电路，具有电路简单，性能可靠、稳定等优点，最重要的是低成本，故选择方案二。
方案三
采用音乐片作为本系统门铃的音乐模块，音乐芯片是一种比较简单的语音电路，它通过内部的振荡电路，再外接小量分立元件，就能产生各种音乐信号，音乐芯片是语音集成电路的一个重要分支，目前广泛用于音乐卡、电子玩具、电子钟、电子门铃、家用电器等场合。其具有电路简单，成本低廉等优点。
综上所述，故选择方案二。

第三章硬件电路的设计

3.1系统的功能分析及体系结构设计

3.1.1系统功能分析

本系统由STC89C52单片机电路+水流量传感器+DS18B20温度电路+继电器电路+LCD1602液晶显示电路+按键电路+蜂鸣器电路+电源电路组成。
1、水流量传感器采用椭圆齿轮传感器。
2、通过液晶LCD1602液晶实时显示瞬时流量和累计流量、实时温度、设置的累计流量。
3、通过按键设置累计流量阈值，如果累计流量超过设置阈值，蜂鸣器报警、继电器断开，否则不报警继电器闭合。
4、继电器模拟水阀开关，如果当前累计流量低于设置流量，打开继电器的意思。
3.1.2系统总体结构
本系统具体框图如下图所示：

系统框图

3.2模块电路的设计

3.2.1 STC89C52单片机核心系统电路设计

STC89C52RC是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K字节系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但是做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。
一、STC89C52主要特性如下：
（1）8K字节程序存储空间；
（2）512字节数据存储空间；
（3）内带4K字节EEPROM存储空间;
（4）可直接使用串口下载。
二、STC89C52主要参数如下：
（1）增强型8051单片机，6时钟/机器周期和12 时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完全兼容传统8051；
（2）工作电压：5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V 单片机）；
（3）工作频率范围：0～40MHz，相当于普通8051的0～80MHz，实际工作 频率可达48MHz；
（4）用户应用程序空间为8K字节；
（5）片上集成512 字节RAM；
（6）通用I/O 口（32个），复位后为：P1/P2/P3 是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O口用时，需加上拉电阻；
（7）ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；
（8）具有EEPROM功能；
（9）共3个16 位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2；
（10）外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒；
（11）通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART；
（12）工作温度范围：-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）；
（13）PDIP封装。
三、STC89C52单片机相关引脚说明：
（1）VCC：供电电压。
（2）GND：接地。
（3）P3.0 RXD（串行输入口）
（4）P3.1 TXD（串行输出口）
（5）P3.2 /INT0（外部中断0）
（6）P3.3 /INT1（外部中断1）
（7）P3.4 T0（记时器0外部输入）
（8）P3.5 T1（记时器1外部输入）
（9）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）
（10）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）
（11）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
（12）ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
（13）/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
（14）/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。
（15）XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
（16）XTAL2：来自反向振荡器的输出。
单片机引脚图如下图所示：

STC89C52单片机引脚图
四、STC89C52单片机最小系统说明：
STC89C52单片机最小系统电路由复位电路、时钟电路和电源电路。拥有这三部分电路后，单片机即可正常工作。单片机最小系统原理图如下图所示。

单片机最小系统原理图
（1）VCC和GND为单片机的电源引脚，为单片机提供电源：
（2）复位电路由按键S1、电解电容EC1和电阻R1组成。具有手动按键复位和上电自动复位功能。系统上电复位按键接口采集到两个高端信号后进行手动复位，就是非自动的按键复位；系统检测到的电压由低电平上升到高电平的一段时间后，在这段时间过后，系统通过电阻与接地之间形成一条通路，然后自动把高电平进行拉低，使得单片机从高电位变为低电位，从而就是给单片机自动进行复位即上电复位。
（3）时钟电路由晶振Y1、瓷片电容C1和C2组成。有控制芯片的数字电路正常工作是少不了TIME(时钟)电路的，我们需要时钟电路自动发出系统时间，让控制芯片正常工作。给控制芯片正常工作的时钟信号，一般把这种工作方式称为“拍”，以至于让整个控制系统能正常工作，由于要保证控制系统能正常工作，提高他的工作能力，我们经常用11.0592MHZ晶振和30PF的电容进行组合，电容为了帮助晶振起振的，满足了数字控制器上电以后可以正常工作。
（4）JD1为单片机的下载接口。

3.2.2 5V电源电路设计

本系统选择5V直流电源作为系统总电源，为整个系统供电，电路简单、稳定。DC为电源的DC插座，可以直接接USB电源线，一端插在DC插座上，另外一端可以插在5V电源上，如电脑USB、充电宝、手机充电器等等。LED为红色LED灯，作为系统是否有点的指示灯，电阻为1K电阻，起到限流作用，保护LED灯，以防电流过大烧坏LED灯。SW为自锁开关，开关按下后，红灯亮，此时系统电源5V直流输出。开关再次按下后，红灯灭，此时系统电源无5V电源输出。

5V电源电路原理图

3.2.3 LCD1602液晶显示模块电路设计

LCD显示器分为字段显示和字符显示两种。其中字段显示与LED显示相似，只要送对应的信号到相应的管脚就能显示。字符显示是根据需要显示基本字符。本设计采用的是字符型显示。系统中采用LCD1602作为显示器件输出信息。与传统的LED数码管显示器件相比，液晶显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富等优点，而且不需要外加驱动电路，现在液晶显示模块已经是单片机应用设计中最常用的显示器件了。LCD1602可以显示2行16个汉字。
一、LCD1602主要技术参数如下：
（1）显示容量为16×2个字符；
（2）芯片工作电压为4.5～5.5V；
（3）工作电流为2.0mA（5.0V）；
（4）模块最佳工作电压为5.0V；
（5）字符尺寸为2.95×4.35（W×H）mm。
二、LCD1602采用标准的14脚，其接口的引脚说明如下：
（1）第1脚：VSS为地电源。
（2）第2脚：VDD接5V正电源。
（3）第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端。
（4）第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
（5）第5脚：RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。
（6）第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
（7）第7～14脚：D0～D7为8位双向数据线。
（8）第15～16脚：空脚
三、控制指令说明
LCD1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，说明下表所示：
序号 指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
1 清显示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1
2 光标返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 *
3 置输入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S
4 显示开/关控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B
5 光标或字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * *
6 置功能 0 0 0 0 1 DL N F * *
7 置字符发生存贮器地址 0 0 0 1 字符发生存贮器地址
8 置数据存贮器地址 0 0 1 显示数据存贮器地址
9 读忙标志或地址 0 1 BF 计数器地址
10 写数到CGRA或DDRAM） 1 0 要写的数据内容
11 从CGRAM或DDRAM读数 1 1 读出的数据内容
表3.1 控制命令表
四、1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）
（1）指令1：清显示，指令码01H，光标复位到地址00H位置
（2）指令2：光标复位，光标返回到地址00H
（3）指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。
（4）指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁
（5）指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标
（6）指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符
（7）指令7：字符发生器RAM地址设置
（8）指令8：DDRAM地址设置
（9）指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。
（10）指令10：写数据
（11）指令11：读数据
系统中采用LCD1602作为显示器件输出信息。在本电路中电位器可以调节液晶显示的对比度即清晰度。其具体电路原理图如下图所示。

LCD1602液晶显示电路原理图
其实物图如下图所示。

LCD1602液晶实物图

3.2.4 蜂鸣器报警电路（低电平有效）设计

有源蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。本系统所采用的报警模块为5V有源蜂鸣器模块，电路中采用三极管9012来驱动，只要单片机控制引脚为低电平，蜂鸣器就会鸣叫报警，反之则不鸣叫，可以通过控制单片机引脚方波输出形式控制蜂鸣器的鸣叫方式。电阻为限流电阻，保护作用。

蜂鸣器报警电路原理图

3.2.5按键电路设计

轻触按键是按键产品下属的一款分类产品，它其实相当于是一种电子开关，只要轻轻的按下按键就可以是开关接通，松开时是开关就断开连接，实现原理主要是通过轻触按键内部的金属弹片受力弹动来实现接通和断开的。在本系统中，按键作为系统的输入，起到了人机交互的枢纽作用。按键的单片机控制引脚默认为高电平，当按键按下后，单片机的相关引脚则变成低电平。进而实现对系统的手动输入。其电路原理图如下图所示。

按键电路原理图

3.2.6 DN15流量传感器模块电路设计

流量检测传感器选择的是基于霍尔传感器的流量传感器。流量传感器主要由塑料阀体 、液流转子组件和霍尔传感器组成。它装在液体进入端，用于检测进液体流量，当液体通过液流转子组件时，磁性转子转动并且转速随着流量变化而变化，霍尔传感器输出相应脉冲信号，反馈给控制器，由控制器判断水流量的大小，进行调控。
一、产品特点:
（1）本产品外观轻巧灵便,体积小,便于安装。
（2）叶轮围绕整根不锈钢轴承转动，内嵌不锈钢珠提高转动灵敏度。
（3）密封圈采用上,下受力的结构永不受热胀冷缩影响漏水。
（4）霍尔元件采用德国进口,并且用与水隔离，环氧树脂封装,防氧化。
（5）所有原材料均有符合ROHS检测标准。
二、使用注意事项:
（1）严禁剧烈冲击以及化学物质的侵蚀。
（2）严禁抛掷或碰撞。
（3）介质温度不宜超过1200C。
三、接口说明
（1）红—IN—接正极
（2）黄—OUT—信号输出线
（3）黑—GND—接负极
四、技术参数（如表3-1所示）
（1）最低额定工作电压 DC4.5 5V-24V
（2）最大工作电流 15 mA（DC 5V）
（3）工作电压范围 DC 5～18 V
（4）负载能力 ≤10 mA（DC 5V）
（5）使用温度范围 ≤80℃
（6）使用湿度范围 35%～90%RH（无结霜状态）
（7）允许耐压 水压1.75Mpa以下
（8）保存温度 -25～+ 80℃
（9）保存湿度 25%～95%RH
五、流量计算（以1L流量计算）
（1）F=7.5Q(L/Min) 误差：±2% 电压：3.5-24VDC,电流不能超过10mA，流完一升水输出450个脉冲即频率计算=常数7.5单位流量（L/min）*时间（秒）
（2）流量范围：1-30L/min
（3）传感器输出信号：方波信号。
流量检测传感器原理图如下图所示。

流量传感器原理图
模块实物图如下图所示。

流量检测传感器实物图
流量传感器尺寸介绍如下图所示。

流量检测传感器尺寸图

3.2.7 DS18B20温度传感器模块电路设计

DS18B20是常用的数字温度传感器，其输出的是数字信号，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。
主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
一、DS18B20技术参数
（1）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
（2）测温范围 －55℃～+125℃，固有测温误差（注意，不是分辨率，这里之前是错误的）1℃。
（3）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定。
（4）工作电源: 3.0~5.5V/DC （可以数据线寄生电源）
（5）在使用中不需要任何外围元件
（6） 测量结果以9~12位数字量方式串行传送
DS18B20温度传感器可编程的分辨率为9~12位，温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒，用户可定义的非易失性温度报警设置，应用范围包括恒温控制、工业系统、消费电子产品温度计、或任何热敏感系统。试验证明DS18B20温度传感器满足本设计要求。
DS18B20温度传感器封装一般有2种，使用上都是一样的。可以根据使用环境随意选择。第一种是直接是裸露的芯片，主要用于空气温度检测。第2种是不锈钢钢管封装好的，防水，一般用于水温灯液体温度检测。实物图如下：

DS18B20传感器实物图（裸露）

DS18B20传感器实物图（防水）
DS18B20温度传感器原理图如下。10K电阻为上拉电阻，保证DS18B20传感器数据读取更稳定。

DS18B20温度传感器原理图
DS18B20温度传感器PCB封装图如下：

DS18B20温度传感器PCB封装图

3.2.8 5V继电器控制电路（低电平有效）设计

继电器是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、
通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）释放。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。在本系统中，通过三极管驱动继电器，当单片机的控制引脚为低电平时，三极管导通，此时继电器供电闭合，同时指示灯LED亮，与LED灯串联的电阻为限流作用保护LED灯，与三极管基集相连的电阻也是限流作用，保护三极管。继电器控制电路的原理图如下图所示。

5V继电器控制原理图
第四章系统软件设计
完整的控制系统由硬件系统和软件系统组成，前一章主要阐述了系统的硬件电路的设计方案，若要充分发挥系统的设计功能，则需要支持硬件平台的软件程序，即烧写到单片机内部的程序。

3.2.9电机驱动电路设计

电动机 PWM 驱动模块的电路采用H桥驱动，设计与实现具体电路见下图本电路采用的是基于 PWM 原的驱动电路。

PWM 电路由复合体管组成，两个输入端高低电平控制品体管是否导通或截止。NPN 的三极管高电平输入时导通，PNP 的三极管低电平输入时导通，当Q1和Q2 都导通时，Q3 和Q6 截止，Q4 和Q5 导通，电机两端都是 GND，电机是不转的,当Q1和Q2 都截止时,Q3 和Q6 导通,Q4和Q5截止，电机两端都是 VCC,电机也是不转的，那么，当Q1 导通，Q2 截止时，Q4 和 Q6 导通，电机右边是电源，左边是地，电机逆时针转动，此时保持 Q2 截止，PWM 控制Q1的导通截止，就可以控制电机的速度，同理，当 Q1 截止，Q2 导通时，Q3 和Q5 导通电机的左边是电源，右边是地，电机顺时针转动，此时保持 Q1 截止，PWM 控制 Q2 的导通截止就可以控制电机的转速。4 个二极管在电路中的作用是防止晶体管产生不当反向电压，以及电机两端电流和晶体管上的电流过大保护。

4.1 编程语言选择

由于整个程序比较复杂，且计算量较大，用到了较多的浮点数计算，所以程序的编写采用了C语言。
对于大多数51系列的单片机，使用C语言这样的高级语言与使用汇编语言相比具有如下优点:
（1）不需要了解处理器的指令集，也不必了解存储器结构。
（2）寄存器分配和寻址方式由编译器进行管理，编程时不需要考虑存储器的地址和数据类型等细节。
（3）指定操作的变量选择组合提高了程序的可读性。
（4）可使用与人的思维更相近的关键字和操作函数。
（5）与使用汇编语言相比，程序的开发和调试时间大大缩短。
（6）C语言的库文件提供了许多标准的例程。
（7）通过C语言可实现模块化编程技术，从而可将已编制好的程序加到 新程序中。
（8）C语言可移植性好且非常普及，C语言编译器几乎适用于所有的目标系统，己完成的项目可以很容易的转换到其它的处理器或环境中与汇编语言相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可移植性、可维护性上有明显的优势，易学易用。

4.2单片机程序开发环境

本设计中单片机开发环境是Keil uVision4，Keil uVision4开发软件是目前51系列单片机系统的主流程序开发软件，Keil uVision4是STC公司推出最新一代关于51系列单片机处理器的编译、连接和调试集成环境。可以降低开发周期，从而减少很多成本。Keil uVision4不仅提供了完整的Windows开发环境界面，支持C/C++语言开发，而且其C语言编辑效率很高，能够使开发者非常容易地使用C语言进行程序编程。其中Keil uVision4有以下特点：
（1）Keil uVision4软件同时支持WINXP和WIN7等多种操作系统，提供了丰富的库函数和功能强大的开发工具。
（2）Keil uVision4可以完成从编辑、编译、到连接、调试的一套开发流程。
（3）Keil uVision4 C51在Keil C51的基础上，增加了很多新的功能。如Keil uVision4更加增强了对内核微控制器的开发支持，并对Keil C51的开发形式和开发界面进行相应的改进。Keil uVision4软件界面如下图所示。

Keil uVision4开发界面图

4.3 Keil uVision4软件开发流程

首先，需要建立“Project”工程，点击Keil uVision4界面中菜单中“Project”，选择“New uVision Project”，为新建的工程命名后点击保存；然后选择开发单片机芯片的型号，本工程选择“STC89C52”，这样就完成了“Project”的建立；当工程建立完毕后，点击“Source Group”，可以往里面添加.c文件，点击Add就可以编辑了该文件了，也可以把常用的.c文件拷贝到建立的“Project”目录下面，最后一个完成的工程软件就建立完毕了。具体开发流程如图所示。

Keil uVision4软件开发流程图

4.4 STC-ISP-15xx-v6.85p程序烧录软件介绍

在Keil uVision4开发环境下，STC89C52RC芯片程序烧写软件使用的是stc-isp-15xx-v6.85p烧录软件，它是一款集成了代码下载，在线仿真和串口查看于一起软件备，在51系列智能产品研发过程中得到了广泛使用，性能高，是目前51系列单片机控制系统研发中不可缺少的一部分。在Keil uVision4开发环境中，需要进行一定的配置才能使用，当把下载器（即PL2303串口烧写模块）、设备和PC连接好，首先需要在软件中选择单片机型号和串口号，并把波特率设置和程序软件一致。然后选在项目程序“hex”文件所在的地址，最后就可以点击程序下载按钮了。具体下载界面如下图所示。

烧录软件对话框

4.5 PL2303串口程序烧写模块介绍

本设计通过PL2303串口烧写模块实现对单片机程序的烧写。PL2303串口烧写模块使用USB接口，十分方便的解决了笔记本电脑用户对STC系列单片机的程序烧写问题，本下载器低价格、高性能，是开发 STC 系列单片机的首选优秀工具。
一、PL2303串口烧写模块特点：
（1）支持 USB1.1 或 USB2.0 通信；
（2）全面支持 WIN98、 WINME、 WIN2000、 WINXP、 VISTA、 WIN7 等操作系统；
（3）采用 USB 口供电；
（4）在对芯片编程时可以使用目标系统本身电源，也可以使用编程器从 USB 口取电供给目标板，但应保证目标板电流不大于500mA，以免不能正常编程；
（5）编程完成不影响目标板的程序运行；
（6）支持 STC 全系列芯片烧录；
（7）编程器提供 3.3V 与 5V 的电压输出接口；
（8）速度比并口编程更快更稳定，更方便笔记本电脑用户使用；
（9）采用进口原装芯片， 能进行高速稳定编程；
模块如下图所示。

PL2303串口烧写模块
二、PL2303串口烧写模块引脚说明
（1）+5V 5V输出，如果电路板有外接5V供电，则此引脚可不接。
（2）GND 接GND。
（3）RXD 接单片机的RXD引脚。
（4）TXD 接单片机的RXD引脚。
（5）3V3 3.3V输出。
三、PL2303串口烧写模块与单片机的具体接线图如下图所示。

PL2303串口烧写模块与单片机接线图

4.6 程序流程图

本系统设计主要采用Keil uVision4软件编写与调试程序，程序语言采取易读性和移植性更高的C语言编写。系统运行流程图如下图所示。

系统运行流程图

第五章 系统焊接与调试

5.1 电路焊接

手工焊接是常用原始的焊接方法，目前大量工厂焊接的生产基本上不采用原始方法了，但是普通元器件的修理、系统测试中经常使用原始的手工焊接。重要的是如焊接本质上出现问题，则会影响到整个控制系统的，可以这么说，焊接的会导致这个控制系统可不可以用的。手工焊接主要有如下四步组成的：
第一步开始焊接：
需要把需要焊接的地方打扫干净，主要去处油迹和灰尘,然后把需要焊接的元器件的两个角向一定的方向掰一掰,注意不能把元器件的脚相交在一起了，这样会影响焊接的。接下来让电烙铁头碰到需要焊接的元器件脚下，放上焊锡丝。此处需要注意的是，不能让烙铁头碰到其它元器件的脚了，要不然会把两个元器件焊接在一起了。
第二步给焊接升温：
当在完成第一步以后，接下来就是加热焊锡丝了，主要是将烧热的电烙铁放在器件管脚旁边，慢慢融化焊锡丝，需要注意电洛铁的温度和加热时间，若时间过长，很有可能焊坏面包板焊盘的，一般建议电洛铁温度调整在400℃左右，加热2秒钟左右，例外也要根据器件种类作出具体区别的。在焊接过程中，当需要把焊接好的元器件卸下来，则也需要给焊接处进行加热的，主要操作是首先在焊接处补好焊锡丝，使焊点是圆润的，然后用电洛铁在焊接处进行加热，在加热的过程中就可以直接把元器件卸下来了，此时一定要主要时间，要不然也会损坏焊盘的
第三部清理焊接面：
当在完成第二步时，有的时候会观察到焊接的不完美或者担心出现虚焊情况，这时候需要进行修改的。主要是两种情况的，第一种是焊锡不够，焊接点不圆润，这时需要给焊接处补焊锡，此时需要注意的是焊锡量不能补多，要不然容易连接到其它期间的引脚的。第二种是焊锡过多，这时候可以用电洛铁放在焊接处来回的滑动，会把多余的焊锡带走的，若不行，只能使用吸锡器了。
第四部检查焊点：
当完成以上三步了，最后就需要整体观察了，主要是观看焊接点是不是圆满、亮度好、紧固，有没有与其它管脚相连在一起了。

5.2 系统调试

整体系统上电调试前，大概观察下焊接的系统还存在问题，例如还有很显眼的断裂，正负极接反以及相连、虚焊、等问题，然后用万用表检测一下，电源正负极之间是否短路等严重的电源问题，最终保证系统焊接没有问题。
在搭建调试平台后，需要对软件程序进行调试，若程序调试没有问题，接下来开始验证系统功能是否满足要求，若功能有问题，需要继续调试程序，反复进行，直到所有功能都满足为止。

5.2.1 系统程序调试

软件调试步骤如下：
(1) 在Keil4软件中先创建一个工程：单击菜单栏中的“工程”，输入新建工程名“基于单片机的煤气报警器设计与实现”，并保存；然后器件选择“”目录下的“”。
（2）新建用户源文件：在新建的空白文本中编写程序源代码，编码完成保存文件并文件拓展名“基于单片机的煤气报警器设计与实现.c”，新文件创建完成。
（3）程序编译和调试：单击编译按钮，系统会对文件进行运行，在输出窗口中可看到提示信息，如果提示信息中有error信息，则须按提示找出错误并改正，直到提示没有错误为止，如图5.3所示。
提示信息无错误
（4）若程序编译无错误后，则通过PL2303串口烧写模块烧写程序，开始验证系统功能是否满足要求，若功能有问题，需要继续调试程序，反复进行，直到所有功能都满足为止。

5.2.2硬件测试

最后一步就是硬件整体测试了，主要运用万用表、直流电源或示波器对焊接好的板子进行整体调试，主要检查每一个器件是不是都正常工作了，主要分为两个环节动态调试和静态调试。
一、静态调试，其中静态调试主要分为以下四种：
（1）肉眼观察。主要观看焊接点是否饱满，以及相连器件之间是否相连或者器件管脚没有焊接好，出现短路现象。
（2）使用万用表调试。首先查看电源是否短路，然后测量管脚是否连接正确，有没有接线错误。
（3）上电检查。在完成第一步和第二步都没有问题，接下来就可以上电了，上电以后观看每个器件是否正常工作，然后在逐一测试功能。
（4）综合检查测试。这种测试方法只适合单片机开发板开发的系统才能使用这种方法，本文不适宜用这种方法测试。
二、动态调试：
动态调试主要是静态调试没有任何问题，做最后一步检查，就是每个器件能否正常工作，能否满足我系统开发的功能，防止器件内部损坏，影响系统性能。

5.3 实物测试

经过测试，系统测试正常，如下图所示。

系统测试图

#致谢
艰苦跋涉，精心准备，课程设计终于到了划句号的时候，心头如释重负，在本课程即将完成之际，谨此向我的指导老师致以衷心的感谢和崇高的敬意！整个课程设计的过程都是在常老师的悉心指导下完成的，从资料的收集、方案的论证、联板调试以及毕业论文的撰写，何老师、常老师都做了非常细心的指导。老师以他敏锐的洞察力、渊博的知识、严谨的治学态度、精益求精的工作作风和对科学的献身精神给我留下了刻骨铭心的印象，这些使我受益匪浅，将成为我以后工作生活的榜样。

参 考 文 献

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