基于STC單片機的自動售水機的設計

南京化工職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）摘 要由于現(xiàn)代人對飲水健康越來越關注，而目前使用比較普遍的桶裝水的衛(wèi)生狀況越來越受到質疑，因而自動售水機應運而生，并且逐漸廣泛運用于學校、宿舍、公司、醫(yī)院、銀行等具有大量人員工作及休息的地方。自動售水機控制電路被稱為自動售水機的"大腦"，也是整個機器的核心部分，它決定了整臺水機運行的正常與否，功能方便智能與否，以及使用的壽命長短。本次設計以 STC12C 系列單片機芯片為核心，用 I2C 總線進行數(shù)據(jù)傳輸，設計了自動售水機控制電路。外圍采用光照檢測電路、溫度檢測電路（DS18B20）、模數(shù)轉換電路（PCF8591）、繼電器驅動電路、按鍵和 LED 顯示模塊（M74HC573）等。通過自動檢測顧客購水時的光照變化驅動繼電器吸合從而實現(xiàn)自動售水，同時 LED 顯示水量和水費。無人購水時，LED 則顯示水溫。另外，顧客可以通過按鍵查詢使用費用及余額。外接蜂鳴器電路主要用于余額不足時鳴叫報警。關鍵詞：自動售水機；單片機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 市場調(diào)查11.2 設計任務及要求21.3 方案概述2第 2 章器件選擇與說明3 2.1 STC12C5A60S2 單片機的特性說明 32.2 PCF8591A/D、D/A 芯片的特性說明52.3 DS18B20 數(shù)字溫度檢測芯片的特性說明. 62.4 M74HC573 移位鎖存器的特性說明 72.5 ULN2003A 芯片的特性說明 8第 3 章硬件電路設計10 3.1 模塊電路設計及工作原理103.11 單片機主控單元電路設計及工作原理103.12 顯示單元電路設計及工作原理113.13 溫度檢測單元電路設計及工作原理123.14 光敏檢測單元電路設計及工作原理133.15 矩陣按鍵單元電路設計及工作原理143.16 LED 燈單元電路設計及工作原理153.17 繼電器單元電路設計及工作原理153.18 蜂鳴器單元電路設計及工作原理163.2 PCB 設計173.21 元件布局173.22 布線工藝及準則173.23 PCB 圖設計183.3 電路調(diào)試與波形測量193.31 電路中電壓、電平測試193.32I2C 總線波形測量與分析203.33測量的波形故障分析22第 4 章 系統(tǒng)軟件設計.234.1 開發(fā)工具及語言234.2 程序設計思想. 234.3 主程序設計244.4 單元電路子程序設計254.41 顯示單元程序設計264.42 溫度檢測單元程序設計284.43 光敏檢測單元程序設計294.44 矩陣按鍵單元程序設計304.45 LED 燈單元程序設計324.46 繼電器單元程序設計334.47 報警單元程序設計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40參考文獻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 運行現(xiàn)象效果圖58南京化工職業(yè)技術學院畢業(yè)設計（論文）第 1 章前言1.1 市場調(diào)查隨著生活條件的改善及健康意識的提高，飲用純凈水的人群越來越多；隨著生活節(jié)奏的加快及社會化管理的完善，為節(jié)約水資源，便于飲水消費的收費管理，自助收費式飲水機的應用也越來越受到青睞。自動售水機是在原飲水機的基礎上，增加用水自動計量及自動收費系統(tǒng)而形成的， 是一種飲水自助消費的高端產(chǎn)品。不同于目前比較常見的飲料自動販賣機，自動售水機不銷售瓶裝飲料，只儲存大罐純凈水，由顧客按需自由選擇消費水量，機器自動扣費， 真正實現(xiàn)環(huán)保、節(jié)約、衛(wèi)生。（1）自動售水機的分類從水源使用上分，有自助收費式桶裝水飲水機、自助收費式純凈水機及自助收費式管線機。從使用技術上分，有投幣式自助收費飲水機、接觸式 IC 卡自助收費飲水機及感應卡式 IC 卡自助收費飲水機。從使用計量上分，有時間計量式自助收費飲水機及流量計量式自助收費式純水機。（2）自助式收費飲水機的工作原理自助式收費飲水機是通過特定的自動收費裝置對飲水消費支付進行確認，進而對飲水機的出水進行控制，達到付款消費的目的。A、投幣式飲水機的工作原理：投幣式飲水機是一種內(nèi)置了投幣管理裝置的飲水機。其工作原理是：投幣管理裝置預設了飲水消費單價，消費者將硬幣或紙幣投到錢幣輸入口內(nèi)，系統(tǒng)對錢幣進行識別處理。當投入的錢幣達到預設消費價格后，飲水機則允許供給相應容量的水。B、接觸式 IC 卡飲水機的工作原理接觸式 IC 卡飲水機是一種內(nèi)置了接觸式 IC 卡讀寫裝置的飲水機。消費者在飲水消費之前，首先要對卡進行充值，在飲水消費時，將卡插入 IC 卡讀卡器，讀寫裝置在確認卡內(nèi)有足夠的預存金額后，允許消費取水操作并在 IC 卡內(nèi)扣除相應的消費金額。C、感應式 IC 卡飲水機的工作原理感應式 IC 卡飲水機的工作原理類似于接觸式 IC 卡飲水機，其與接觸式 IC 卡飲水機的主要不同點是：感應式 IC 卡純水機是采用無觸點的感應式 IC 卡，利用無線射頻的方式對感應式 IC 卡內(nèi)的消費金額進行消費確認及扣款操作。411.2 設計任務及要求本設計的任務就是完成一個 IC 卡自動售水機控制電路的設計，能實現(xiàn)自動售水、自動計費、溫度檢測、超額報警的功能。（不含 IC 卡識別讀取功能）任務要求：（1）能實現(xiàn)自動控制繼電器動作，從而實現(xiàn)自動出水和停水，出水時 LED 指示燈亮；（2）能實現(xiàn)出水過程自動計費，并通過數(shù)碼管顯示出水量和費用；（3）能實現(xiàn)通過按鍵查詢本次使用費用及余額（IC 卡內(nèi)原有金額通過軟件預設）；（4）能實現(xiàn)水溫檢測和顯示。1.3 方案概述本設計用 STC12C 系列高速單片機作為主控制單元，設計了自動售水機控制電路。外圍采用光照檢測電路、溫度檢測電路、模數(shù)轉換電路（PCF8591）、繼電器驅動電路、按鍵和 LED 顯示模塊（M74HC573）等。（1） 利用 STC12C 系列高速單片機本身強大的功能和內(nèi)部 EEPROM，用 I2C 總線進行數(shù)據(jù)傳輸，可以很方便的實現(xiàn)各種芯片間的快速運作且互不干擾，并能利用軟件方便的進行各種功能的實現(xiàn)。（2） 利用光敏元件自動檢測顧客購水時 IC 卡遮蓋使得光照變暗驅動繼電器吸合從而實現(xiàn)自動出水，LED 指示燈亮；當水杯移走時光照變亮繼電器復位自動停水，LED指示燈滅；同時 LED 數(shù)碼管動態(tài)顯示水量和水費。外接蜂鳴器電路主要用于一次消費超過 0.5 元時自動售水機開始報警。（3） 利用數(shù)字溫度檢測芯片 DS18B20 實現(xiàn)對水溫的檢測和數(shù)據(jù)存儲，通過芯片PCF8591 進行模數(shù)轉換傳給單片機，并在無人購水時，通過 LED 數(shù)碼管顯示水溫。另外，顧客可以通過按鍵啟動、停止系統(tǒng)，可以查詢使用費用及余額。（4） 使用矩陣按鍵，用移位鎖存器 M74HC573 驅動繼電器和 LED 指示燈，便于將來的功能擴展。因此本系統(tǒng)除了具有較強的現(xiàn)實應用性，還具有較高的可擴展性。本文從自動售水機的原理入手，詳細闡述了自動售水機工作的過程，以及元器件的選用、硬件電路的設計、PCB 印制電路圖的設計、程序的調(diào)試。第 2 章器件選擇與說明2.1 STC12C5A60S2 單片機的特性說明根據(jù)方案論證的結果,本設計采用 STC12C 系列的 STC12C5A60S2 作為主控芯片，STC 單片機是深圳宏晶科技的 IC 產(chǎn)品。STC12C5A60S2 單片機中包含中央處理器（CPU）、程序存儲器（Flash）、數(shù)據(jù)存儲器（SRAM）、定時/計數(shù)器、UART 串口、串口 2、I/O 接口、SPI 接口、PCA、看門狗及片內(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，可稱得上一個片上系統(tǒng)。STC 單片機完全兼容傳統(tǒng) 51 內(nèi)核,因此使用的編譯器和指令代碼都和傳統(tǒng) 51 單片機相同,但速度快 8-12 倍。（1） STC12C5A60S2 的引腳及說明STC12C5A60S2 的引腳圖如圖 2.1 所示：圖 2.1 STC12C5A60S2 引腳圖P0.0P0.7(3932)：P0 口是一個漏極開路型準雙向 I/O 口。在訪問外部存儲器時， 它是分時多路轉換的地址(低 8 位)和數(shù)據(jù)總線，在訪問期間激活了內(nèi)部的上拉電阻。在EPROM 編程時，它接收指令字節(jié)，而在驗證程序時，則輸出指令字節(jié)。驗證時，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 編程和程序驗證時，它接收低 8 位地址。P2.0P2.7(21-28)：P2 口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。在訪問外部存儲器時，它送出高 8 位地址。在對 EFROM 編程和程序驗證期間，它接收高 8 位地址。P3.0P3.7(10-17)：P3 口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。（2） STC12C5A60S2 的特性對于 STC12C5A60S2，主要特性為:l 增強型 8051 CPU,單時鐘/機器周期,指令代碼完全兼容 8051。l 工作電壓: 5.5V-3.3V(5V 單片機)。l 工作頻率范圍：0-35MHZ，相當于普通 8051 的 0-420MHZ。l 通用 I/O 口，復位后為：準雙向口/弱上拉（普通 8051 的傳統(tǒng) 8051 口）可設置成四種模式：準雙向口/弱上拉、推挽/強上拉、僅為輸入/高阻、開漏。每個 I/O 口驅動能力均可達到 20mA，但整個芯片最大不要超過 55mA。l 有 EEPROM 功能。l 有看門狗。l 內(nèi)部集成 MAX810 專用復位電路。l 外部掉電檢測電路：在 P4.6 口有一個低門檻比較器。l 2 個時鐘輸出口，可由 T0 的溢出在 P3.4/T0 輸出時鐘，可由 T1 的溢出在 P3.5/T1 輸出時鐘。l A/D 轉換，10 位精度 ADC，共 8 路，轉換速度可達 250K/S（每秒鐘 25 萬次）。l 工作溫度范圍：-40-+85C（工業(yè)級）/0-75C（商業(yè)級）。（3） STC 單片機的優(yōu)點對于自動售水機的應用需要，STC12C5A60S2 單片機有以下突出的優(yōu)點：l 較高的處理速度和時鐘頻率，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)及相關數(shù)據(jù)。l ISP/IAP 功能，使芯片可以在線下載程序，便于產(chǎn)品的軟件升級。l 內(nèi)部有看門狗，使各芯片可以工作在惡劣的電磁環(huán)境下。l 寬電壓范圍，芯片的負載端電壓的波動不會影響其正常運作。l 小型封裝，便于 PCB 的緊湊化設計。2.2 PCF8591A/D、D/A 芯片的特性說明PCF8591 是單片集成、單電源供電、低功耗 8 位 A/D、D/A 轉換器，具有 4 個模擬輸入、一個模擬輸出和一個串行 I2C 總線接口。3 個地址端 A0、A1 和 A2 可用于硬件地址編程，允許將最多 8 個器件連接至同一個 I2C 總線而不需要額外硬件。器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過兩線雙向 I2C 總線傳輸。（1） PCF8591 的引腳及說明PCF8591 的引腳圖如圖 2.2 所示：圖 2.2 PCF8591 引腳圖l AIN0AIN3：模擬信號輸入端。l A0A3：引腳地址端。l VDD、VSS：電源端（2.56V）。l SDA、SCL：I2C 總線的數(shù)據(jù)線、時鐘線。l OSC：外部時鐘輸入端，內(nèi)部時鐘輸出端。l EXT：內(nèi)部、外部時鐘選擇線，使用內(nèi)部時鐘時 EXT 接地。l AGND：模擬信號地。l AOUT：D/A 轉換輸出端。l VREF：基準電源端。（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 待機電流低l I2C 總線串行輸出l 通過 3 個硬件地址引腳編址l 采樣速率取決于 I2C 總線速率l 4 個模擬輸出可編程為單端或差分輸入l 自動增量通道選擇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 轉換l 帶一個模擬輸出的乘法 DAC（3） PCF8591 功能描述I2C 總線系統(tǒng)中的每一片 PCF8591 通過地址到該器件來激活。該地址包括固定部分和可編程部分。可編程部分必須根據(jù)地址引腳 A0、A1 和 A2 來設置。I2C 總線協(xié)議中的地址必須是起始條件后作為第一個字節(jié)發(fā)送。地址字節(jié)的最后一位是用于設置以后數(shù)據(jù)傳輸方向的讀、寫位。2.3 DS18B20 數(shù)字溫度檢測芯片的特性說明DS18B20 數(shù)字溫度計以 9 位數(shù)字量的形式反映器件的溫度值。DS18B20 通過一個單線接口發(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（加上地線）。用于讀寫和溫度轉換的電源可以從數(shù)據(jù)線本身獲得， 無需外部電源。因為每個 DS18B20 都有一個獨特的片序列號，所以多只 DS18B20 可以同時連接在一根單線總線上，這樣就可以把溫度傳感器放在許多不同的地方。（1） DS18B20 的引腳及說明一般 DS18B20 芯片為 TO-92 封裝，有三個引腳，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 先進的單總線數(shù)據(jù)通信。l 全數(shù)字溫度轉換及輸出。l 最高 12 位分辨率，精度可達0.5 攝氏度。l 12 位分辨率時的最大工作周期為 750 毫秒。l 檢測溫度范圍為-55-125C。l 64 位光刻 ROM，內(nèi)置產(chǎn)品序列號，方便多機掛接。l 內(nèi)置 EEPROM，限溫報警功能。l 應用包括溫度控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費品、溫度計或任何熱感測系統(tǒng)。l 多樣封裝形式，適應不同硬件系統(tǒng)。（3） 控制器對 DS18B20 的操作流程 復位：復位就是由控制器給 DS18B20 單總線至少 480us 的低電平信號。當DS18B20 接到此復位信號后則會在 15-60us 后會發(fā)一個芯片的存在脈沖。 存在脈沖：在復位電平結束后，控制器應該將數(shù)據(jù)單總線拉高，以便于在 15-60us 后接收存在脈沖，存在脈沖為一個 60-240us 的低電平信號。如果復位電平的時間不足或是單總線的電路斷路都不會接到存在脈沖。 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、報警芯片搜索。ROM 指令為 8 位長度，功能是對片內(nèi)的 64 位光刻 ROM 進行操作。其主要目的是為了分辨一條總線上掛接的多個器件并處理。單總線上可以同時掛接多個操作，并通過每個器件上獨有的 ID 號來區(qū)別，一般只掛接單個 DS18B20 芯片是可以跳過 ROM 指令。 控制器發(fā)送存儲操作指令：在 ROM 指令發(fā)送給 DS18B20 之后，緊接著就是發(fā)送存儲操作指令了。操作指令同樣為 8 位，共 6 條，存儲器操作指令分別是寫 RAM 數(shù)據(jù)、讀 RAM 數(shù)據(jù)、將 RAM 數(shù)據(jù)復制到 EEPROM、溫度轉換、將 EEPROM 中的報警值復制到 RAM、工作方式切換。存儲器操作指令的功能是命令 DS18B20 做什么工作， 是芯片控制的關鍵。 執(zhí)行或數(shù)據(jù)讀寫：一個存儲操作指令結束后則將進行指令執(zhí)行或數(shù)據(jù)的讀寫。這個操作要視存儲器操作指令而定，如執(zhí)行溫度轉換指令則控制其必須等待 DS18B20 執(zhí)行其指令，一般轉換時間為 500us；如執(zhí)行數(shù)據(jù)讀寫指令則需要嚴格遵守 DS18B20 的讀寫時序來操作。2.4 M74HC573 移位鎖存器的特性說明M74HC573 是八進制三態(tài)反轉透明鎖存器，當鎖存使能端為高時，這些器件的鎖存對于數(shù)據(jù)是透明的；當鎖存使能端變低時，符合建立時間和保持時間的數(shù)據(jù)會被鎖存。（1） M74HC573 的引腳及說明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 OE0、LE1 時，輸出端數(shù)據(jù)等于輸入端數(shù)據(jù)；l 第三行：當 OE0、LE0 時，輸出端保持不變，鎖存；l 第四行：當 OE1 是無論 Dn、LE 為何，輸出端為高阻態(tài)。在這種狀態(tài)下，可以多個芯片并聯(lián)輸出；但是，這些芯片中只能有一個處于非高阻態(tài)狀態(tài)，否則會將芯片燒毀。2.5 ULN2003A 芯片的特性說明（1） ULN2003A 的概述ULN2003A 是高耐壓、大電流、內(nèi)部由七個硅 NPN 達林頓管組成的是一個 7 路反向器電路，內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅動繼電器。它是雙列 16 腳封裝,NPN 晶體管矩陣,最大驅動電壓為 50V,電流為 500mA,輸入電壓為 5V。它的輸出端允許通過電流為 200mA，飽和壓降 VCE 約 1V 左右，耐壓約為 36V。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅動繼電器或固體繼電器，也可直接驅動低壓燈泡。通常單片機驅動 ULN2003A 時，上拉 2K 的電阻較為合適，同時，COM 引腳應該懸空或接電源。（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)硬件電路設計3.1 模塊電路設計及工作原理系統(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)硬件電路原理圖見附錄一。3.1.1 單片機主控單元電路設計及工作原理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 單片機主控單元電路圖單片機主控單元的電路原理圖如圖 3.2 所示。時鐘是采用的內(nèi)部方式，在 XTAL1 和 XTAL2 端外接石英晶振作定時元件，內(nèi)部反向放大器自激振蕩，產(chǎn)生時鐘。時鐘發(fā)生器對振蕩脈沖二分頻。因此，時鐘是一個雙向信號，由 P1 相和 P2 相構成。STC12C5A60S2 系列單片機有 5 種復位方式：外部 RST 引腳復位、外部低壓檢測復位、軟件復位、掉電復位/上電復位、看門狗復位。但在此單片機系統(tǒng)電路圖上采用的是外部 RST 引腳復位，在復位電路部分采用的是獨立按鍵復位方式。RST 引腳作為信號的輸入端，復位信號是高電平有效，高電平的有效持續(xù)時間應為 24 個振蕩周期以上，如時鐘頻率為 12MHZ，則復位信號至少持續(xù) 2us 以上，才可以使單片機復位。3.1.2 顯示單元電路設計及工作原理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)碼管的顯示分兩個部分：一個部分是數(shù)碼管的段碼顯示；另一個部分是數(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 是間接由單片機系統(tǒng)上的 P25、26、27 三個口控制的，這三個口輸出到 3/8 譯碼器芯片74HC138，再通過的與非門芯片 74HC02 的輸出信號來控制 M74HC573 的使能端，從而實現(xiàn)不同的功能。若 P25、26、27 三個口的狀態(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 個狀態(tài)，則對應的芯片 M74HC573 的 LE 使能端有動作的是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 個狀態(tài)，則對應的芯片 M74HC573 的 LE 使能端有動作的是 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)碼管是共陽型數(shù)碼管，所以當數(shù)碼管的段碼為低電平時數(shù)碼管亮。當顯示數(shù)碼管的位數(shù)時，是使控制數(shù)碼管的芯片 M74HC573 的輸出信號為相應的高電平，此位數(shù)碼管才會被選中起作用，當此位數(shù)碼管的段碼為低電平時，此時數(shù)碼管才會亮。3.1.3 溫度檢測單元電路設計及工作原理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 溫度檢測單元電路圖：溫度檢測單元電路原理圖如圖 3.4 所示。DS18B20 的溫度檢測與數(shù)字數(shù)據(jù)輸出全集成在一個芯片上，從而抗干擾力更強。一個工作周期可分為兩部分，即溫度檢測和數(shù)據(jù)處理。DS18B20 采用一線通信接口。當 DS18B20 完成溫度測量，數(shù)據(jù)存儲在 DS18B20的存儲器中。單片機發(fā)出閱讀指令來讀取片上存儲器中的數(shù)據(jù)。通過緩存器讀寄存器， 所有數(shù)據(jù)的讀、寫都是從最低位開始。在此電路圖中，是通過 DS18B20 芯片上的 DQ 總線與單片機控制芯片上 P14 口連接的。在單片機控制系統(tǒng)發(fā)出溫度檢測指令時，指令通過單片機系統(tǒng)上的 P14 口將指令傳輸?shù)?DQ 總線上，從而傳輸?shù)?DS18B20 芯片上，在 DS18B20 芯片檢測到單片機系統(tǒng)發(fā)出的指令時，就將 DS18B20 芯片轉換出來的溫度值通過 DQ 總線直接傳輸?shù)絾纹瑱C控制系統(tǒng)中。3.1.4 光敏檢測單元電路設計及工作原理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 光敏檢測單元電路圖光敏檢測單元電路原理圖如圖 3.5 所示。光敏檢測電路中主要原理是利用光敏電阻的負溫度系數(shù)的特性。當光照強時，光敏電阻 RD1 的電阻值小，光照檢測電壓（即 R31 上的壓降）大。當有物體（IC 卡）擋住光照，光照變?nèi)?，光敏電?RD1 的電阻值會增大，光照檢測電壓會減小。光敏電阻改變的是電阻值，從而使電路改變檢測電壓值。當電壓減小到某一特定的電壓值（本設計中為 1.5V）時，會使主控單片機系統(tǒng)做出相應的動作。但是這些信號都是模擬量，而單片機系統(tǒng)處理的是數(shù)字量，所以需要在電路中增加 A/D 轉換電路。芯片 PCF8591 就是 A/D 轉換芯片，它將模擬量轉換成數(shù)字量。在正常工作中，PCF8591 將轉換成的數(shù)字量通過 I2C 總線將光敏檢測的信號傳輸?shù)絾纹瑱C系統(tǒng)中。3.1.5 矩陣按鍵單元電路設計及工作原理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系統(tǒng)的 P3 口控制的。按鍵掃描首先是進行查詢是否有按鍵按下。首先單片機系統(tǒng)向行掃描口P30-P33 輸出全為 0 的掃描碼 F0H，然后從列檢測口 P34-P37 讀出列檢測信號，只要有一行信號不為 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。單片機將得到的信號取反，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，需要進行逐行掃描。在矩陣按鍵電路正常工作時，是讓單片機系統(tǒng)上的 P3 口上的相應的端口輸出低電平，然后當有按鍵按下時，單片機系統(tǒng)會讀取按鍵上的狀態(tài)，當讀取到的按鍵上的狀態(tài)為相應的按鍵按下時的狀態(tài)時，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，但具體是哪一個按鍵還不能確定。但是當從 P3 口讀出數(shù)據(jù)時就能確定是哪個按鍵按下，若讀出的數(shù)據(jù)是 0X7E 則表示第一行第一個按鍵按下。3.1.6 LED 燈單元電路設計及工作原理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 是由單片機系統(tǒng)上的 P25、26、27 三個端口控制的 3/8 譯碼器 74HC138 的輸出端通過與非門74HC02 的輸出信號來控制的。當P25、P26 口為低電平，P27 口為高電平時，芯片74HC138的 3/8 譯碼器的輸出狀態(tài)為第 4 個狀態(tài)，此時控制 LED 燈的芯片 M74HC573 開始工作。當芯片 M74HC573 的使能端為高電平時，芯片 M74HC573 開始工作，根據(jù)電路中發(fā)光二極管的極性，若芯片 M74HC573 輸出端口的信號為低電平時，此時 LED 燈亮。此 LED 燈電路中加入電阻是為了保護電路，因為單片機系統(tǒng)控制電路的總的負載能力是有限的，它的最大電流不能超過 500mA。加入電阻后電路中的電流就會減小，但也不會影響發(fā)光二極管 LED 燈的正常工作，因為電路中的電阻的阻值不大為 300R，不會影響 LED 燈正常工作時所需的電壓和電流，從而起到電路保護的作用。3.1.7 繼電器單元電路設計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 是由單片機系統(tǒng)上的 P25、26、27 三個端口控制的 3/8 譯碼器 74HC138的輸出端通過與非門 74HC02 的輸出信號來控制的。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 P25、P27 口為高電平，P26 口為低電平時，芯片 74HC138 的 3/8 譯碼器的輸出狀態(tài)為第 5 個狀態(tài)，此時控制繼電器的芯片 M74HC573 開始工作。LN2003 也是一個 7 路反向器電路，即當輸入端為高電平時 ULN2003 輸出端為低電平（上圖中此時單片機P04=1），繼電器得電吸合。3.1.8 蜂鳴器單元電路設計及工作原理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