基于STC单片机的自动售水机的设计.docx

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1、南京化工职业技术学院毕业设计（论文）摘 要由于现代人对饮水健康越来越关注，而目前使用比较普遍的桶装水的卫生状况越来越受到质疑，因而自动售水机应运而生，并且逐渐广泛运用于学校、宿舍、公司、医院、银行等具有大量人员工作及休息的地方。自动售水机控制电路被称为自动售水机的大脑，也是整个机器的核心部分，它决定了整台水机运行的正常与否，功能方便智能与否，以及使用的寿命长短。本次设计以 STC12C 系列单片机芯片为核心，用 I2C 总线进行数据传输，设计了自动售水机控制电路。外围采用光照检测电路、温度检测电路（DS18B20）、模数转换电路（PCF8591）、继电器驱动电路、按键和 LED 显示模块（M7

2、4HC573）等。通过自动检测顾客购水时的光照变化驱动继电器吸合从而实现自动售水，同时 LED 显示水量和水费。无人购水时，LED 则显示水温。另外，顾客可以通过按键查询使用费用及余额。外接蜂鸣器电路主要用于余额不足时鸣叫报警。关键词：自动售水机；单片机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 o

3、f 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,

4、 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 c

5、ircuit (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 automatical

6、ly, 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-a

7、utomat；single chip目录第 1 章前言1 1.1 市场调查11.2 设计任务及要求21.3 方案概述2第 2 章器件选择与说明3 2.1 STC12C5A60S2 单片机的特性说明 32.2 PCF8591A/D、D/A 芯片的特性说明52.3 DS18B20 数字温度检测芯片的特性说明. 62.4 M74HC573 移位锁存器的特性说明 72.5 ULN2003A 芯片的特性说明 8第 3 章硬件电路设计10 3.1 模块电路设计及工作原理103.11 单片机主控单元电路设计及工作原理103.12 显示单元电路设计及工作原理113.13 温度检测单元电路设计及工作原理123.

8、14 光敏检测单元电路设计及工作原理133.15 矩阵按键单元电路设计及工作原理143.16 LED 灯单元电路设计及工作原理153.17 继电器单元电路设计及工作原理153.18 蜂鸣器单元电路设计及工作原理163.2 PCB 设计173.21 元件布局173.22 布线工艺及准则173.23 PCB 图设计183.3 电路调试与波形测量193.31 电路中电压、电平测试193.32I2C 总线波形测量与分析203.33测量的波形故障分析22第 4 章 系统软件设计.234.1 开发工具及语言234.2 程序设计思想. 234.3 主程序设计244.4 单元电路子程序设计254.41 显示单

9、元程序设计264.42 温度检测单元程序设计284.43 光敏检测单元程序设计294.44 矩阵按键单元程序设计304.45 LED 灯单元程序设计324.46 继电器单元程序设计334.47 报警单元程序设计34第 5 章 系统调试. 375.1 子程序调试与修改375.11 调试现象375.12 调试心得375.2 主程序调试与修改385.21 调试现象385.22 调试心得385.3 软硬件联调39第 6 章 总结40参考文献41致谢42附录一 整体电路原理图43附录二 程序清单44附录三 运行现象效果图58南京化工职业技术学院毕业设计（论文）第 1 章前言1.1 市场调查随着生活条件的

10、改善及健康意识的提高，饮用纯净水的人群越来越多；随着生活节奏的加快及社会化管理的完善，为节约水资源，便于饮水消费的收费管理，自助收费式饮水机的应用也越来越受到青睐。自动售水机是在原饮水机的基础上，增加用水自动计量及自动收费系统而形成的， 是一种饮水自助消费的高端产品。不同于目前比较常见的饮料自动贩卖机，自动售水机不销售瓶装饮料，只储存大罐纯净水，由顾客按需自由选择消费水量，机器自动扣费， 真正实现环保、节约、卫生。（1）自动售水机的分类从水源使用上分，有自助收费式桶装水饮水机、自助收费式纯净水机及自助收费式管线机。从使用技术上分，有投币式自助收费饮水机、接触式 IC 卡自助收费饮水机及感应卡式

11、 IC 卡自助收费饮水机。从使用计量上分，有时间计量式自助收费饮水机及流量计量式自助收费式纯水机。（2）自助式收费饮水机的工作原理自助式收费饮水机是通过特定的自动收费装置对饮水消费支付进行确认，进而对饮水机的出水进行控制，达到付款消费的目的。A、投币式饮水机的工作原理：投币式饮水机是一种内置了投币管理装置的饮水机。其工作原理是：投币管理装置预设了饮水消费单价，消费者将硬币或纸币投到钱币输入口内，系统对钱币进行识别处理。当投入的钱币达到预设消费价格后，饮水机则允许供给相应容量的水。B、接触式 IC 卡饮水机的工作原理接触式 IC 卡饮水机是一种内置了接触式 IC 卡读写装置的饮水机。消费者在饮水

12、消费之前，首先要对卡进行充值，在饮水消费时，将卡插入 IC 卡读卡器，读写装置在确认卡内有足够的预存金额后，允许消费取水操作并在 IC 卡内扣除相应的消费金额。C、感应式 IC 卡饮水机的工作原理感应式 IC 卡饮水机的工作原理类似于接触式 IC 卡饮水机，其与接触式 IC 卡饮水机的主要不同点是：感应式 IC 卡纯水机是采用无触点的感应式 IC 卡，利用无线射频的方式对感应式 IC 卡内的消费金额进行消费确认及扣款操作。411.2 设计任务及要求本设计的任务就是完成一个 IC 卡自动售水机控制电路的设计，能实现自动售水、自动计费、温度检测、超额报警的功能。（不含 IC 卡识别读取功能）任务要

13、求：（1）能实现自动控制继电器动作，从而实现自动出水和停水，出水时 LED 指示灯亮；（2）能实现出水过程自动计费，并通过数码管显示出水量和费用；（3）能实现通过按键查询本次使用费用及余额（IC 卡内原有金额通过软件预设）；（4）能实现水温检测和显示。1.3 方案概述本设计用 STC12C 系列高速单片机作为主控制单元，设计了自动售水机控制电路。外围采用光照检测电路、温度检测电路、模数转换电路（PCF8591）、继电器驱动电路、按键和 LED 显示模块（M74HC573）等。（1） 利用 STC12C 系列高速单片机本身强大的功能和内部 EEPROM，用 I2C 总线进行数据传输，可以很方便的

14、实现各种芯片间的快速运作且互不干扰，并能利用软件方便的进行各种功能的实现。（2） 利用光敏元件自动检测顾客购水时 IC 卡遮盖使得光照变暗驱动继电器吸合从而实现自动出水，LED 指示灯亮；当水杯移走时光照变亮继电器复位自动停水，LED指示灯灭；同时 LED 数码管动态显示水量和水费。外接蜂鸣器电路主要用于一次消费超过 0.5 元时自动售水机开始报警。（3） 利用数字温度检测芯片 DS18B20 实现对水温的检测和数据存储，通过芯片PCF8591 进行模数转换传给单片机，并在无人购水时，通过 LED 数码管显示水温。另外，顾客可以通过按键启动、停止系统，可以查询使用费用及余额。（4） 使用矩阵按

15、键，用移位锁存器 M74HC573 驱动继电器和 LED 指示灯，便于将来的功能扩展。因此本系统除了具有较强的现实应用性，还具有较高的可扩展性。本文从自动售水机的原理入手，详细阐述了自动售水机工作的过程，以及元器件的选用、硬件电路的设计、PCB 印制电路图的设计、程序的调试。第 2 章器件选择与说明2.1 STC12C5A60S2 单片机的特性说明根据方案论证的结果,本设计采用 STC12C 系列的 STC12C5A60S2 作为主控芯片，STC 单片机是深圳宏晶科技的 IC 产品。STC12C5A60S2 单片机中包含中央处理器（CPU）、程序存储器（Flash）、数据存储器（SRAM）、定

16、时/计数器、UART 串口、串口 2、I/O 接口、SPI 接口、PCA、看门狗及片内 RC 振荡器和外部晶体振荡电路等模块。STC12C5A60S2 系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。STC 单片机完全兼容传统 51 内核,因此使用的编译器和指令代码都和传统 51 单片机相同,但速度快 8-12 倍。（1） STC12C5A60S2 的引脚及说明STC12C5A60S2 的引脚图如图 2.1 所示：图 2.1 STC12C5A60S2 引脚图P0.0P0.7(3932)：P0 口是一个漏极开路型准双向 I/O 口。在访问外部存储器时， 它是分时多路

17、转换的地址(低 8 位)和数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。在EPROM 编程时，它接收指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻。P1.0P1.7(1-8)：P1 口是带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。在 EPROM 编程和程序验证时，它接收低 8 位地址。P2.0P2.7(21-28)：P2 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。在访问外部存储器时，它送出高 8 位地址。在对 EFROM 编程和程序验证期间，它接收高 8 位地址。P3.0P3.7(10-17)：P3 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。（2） STC12C5

18、A60S2 的特性对于 STC12C5A60S2，主要特性为:l 增强型 8051 CPU,单时钟/机器周期,指令代码完全兼容 8051。l 工作电压: 5.5V-3.3V(5V 单片机)。l 工作频率范围：0-35MHZ，相当于普通 8051 的 0-420MHZ。l 通用 I/O 口，复位后为：准双向口/弱上拉（普通 8051 的传统 8051 口）可设置成四种模式：准双向口/弱上拉、推挽/强上拉、仅为输入/高阻、开漏。每个 I/O 口驱动能力均可达到 20mA，但整个芯片最大不要超过 55mA。l 有 EEPROM 功能。l 有看门狗。l 内部集成 MAX810 专用复位电路。l 外部掉

19、电检测电路：在 P4.6 口有一个低门槛比较器。l 2 个时钟输出口，可由 T0 的溢出在 P3.4/T0 输出时钟，可由 T1 的溢出在 P3.5/T1 输出时钟。l A/D 转换，10 位精度 ADC，共 8 路，转换速度可达 250K/S（每秒钟 25 万次）。l 工作温度范围：-40-+85C（工业级）/0-75C（商业级）。（3） STC 单片机的优点对于自动售水机的应用需要，STC12C5A60S2 单片机有以下突出的优点：l 较高的处理速度和时钟频率，新品之间的操作互不干扰。l 内部有 EEPROM，可用于掉电存放各芯片的参数及相关数据。l ISP/IAP 功能，使芯片可以在线下

20、载程序，便于产品的软件升级。l 内部有看门狗，使各芯片可以工作在恶劣的电磁环境下。l 宽电压范围，芯片的负载端电压的波动不会影响其正常运作。l 小型封装，便于 PCB 的紧凑化设计。2.2 PCF8591A/D、D/A 芯片的特性说明PCF8591 是单片集成、单电源供电、低功耗 8 位 A/D、D/A 转换器，具有 4 个模拟输入、一个模拟输出和一个串行 I2C 总线接口。3 个地址端 A0、A1 和 A2 可用于硬件地址编程，允许将最多 8 个器件连接至同一个 I2C 总线而不需要额外硬件。器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过两线双向 I2C 总线传输。（1） PCF8591 的引

21、脚及说明PCF8591 的引脚图如图 2.2 所示：图 2.2 PCF8591 引脚图l AIN0AIN3：模拟信号输入端。l A0A3：引脚地址端。l VDD、VSS：电源端（2.56V）。l SDA、SCL：I2C 总线的数据线、时钟线。l OSC：外部时钟输入端，内部时钟输出端。l EXT：内部、外部时钟选择线，使用内部时钟时 EXT 接地。l AGND：模拟信号地。l AOUT：D/A 转换输出端。l VREF：基准电源端。（2） PCF8591 的性能参数和特性l 单电源供电l 工作电压：2.5V-6Vl 待机电流低l I2C 总线串行输出l 通过 3 个硬件地址引脚编址l 采样速率

22、取决于 I2C 总线速率l 4 个模拟输出可编程为单端或差分输入l 自动增量通道选择l 模拟电压范围：VSS-VDDl 片上跟踪与保持电路l 8 位逐次逼近式 A/D 转换l 带一个模拟输出的乘法 DAC（3） PCF8591 功能描述I2C 总线系统中的每一片 PCF8591 通过地址到该器件来激活。该地址包括固定部分和可编程部分。可编程部分必须根据地址引脚 A0、A1 和 A2 来设置。I2C 总线协议中的地址必须是起始条件后作为第一个字节发送。地址字节的最后一位是用于设置以后数据传输方向的读、写位。2.3 DS18B20 数字温度检测芯片的特性说明DS18B20 数字温度计以 9 位数字

23、量的形式反映器件的温度值。DS18B20 通过一个单线接口发送或接收信息，因此在中央微处理器和 DS18B20 之间仅需一条连接线（加上地线）。用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得， 无需外部电源。因为每个 DS18B20 都有一个独特的片序列号，所以多只 DS18B20 可以同时连接在一根单线总线上，这样就可以把温度传感器放在许多不同的地方。（1） DS18B20 的引脚及说明一般 DS18B20 芯片为 TO-92 封装，有三个引脚，分别是：电源端 VDD、接地端GND、数据端 DQ。（2） DS18B20 的主要特性：l 先进的单总线数据通信。l 全数字温度转换及输出。l 最高

24、12 位分辨率，精度可达0.5 摄氏度。l 12 位分辨率时的最大工作周期为 750 毫秒。l 检测温度范围为-55-125C。l 64 位光刻 ROM，内置产品序列号，方便多机挂接。l 内置 EEPROM，限温报警功能。l 应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统。l 多样封装形式，适应不同硬件系统。（3） 控制器对 DS18B20 的操作流程 复位：复位就是由控制器给 DS18B20 单总线至少 480us 的低电平信号。当DS18B20 接到此复位信号后则会在 15-60us 后会发一个芯片的存在脉冲。 存在脉冲：在复位电平结束后，控制器应该将数据单总线拉高，以便于在

25、15-60us 后接收存在脉冲，存在脉冲为一个 60-240us 的低电平信号。如果复位电平的时间不足或是单总线的电路断路都不会接到存在脉冲。 控制器发送 ROM 指令：ROM 指令共有 5 条，每一个工作周期只能发一条，ROM 指令分别是读 ROM 数据、指定匹配芯片、跳跃 ROM、芯片搜索、报警芯片搜索。ROM 指令为 8 位长度，功能是对片内的 64 位光刻 ROM 进行操作。其主要目的是为了分辨一条总线上挂接的多个器件并处理。单总线上可以同时挂接多个操作，并通过每个器件上独有的 ID 号来区别，一般只挂接单个 DS18B20 芯片是可以跳过 ROM 指令。 控制器发送存储操作指令：在

26、ROM 指令发送给 DS18B20 之后，紧接着就是发送存储操作指令了。操作指令同样为 8 位，共 6 条，存储器操作指令分别是写 RAM 数据、读 RAM 数据、将 RAM 数据复制到 EEPROM、温度转换、将 EEPROM 中的报警值复制到 RAM、工作方式切换。存储器操作指令的功能是命令 DS18B20 做什么工作， 是芯片控制的关键。 执行或数据读写：一个存储操作指令结束后则将进行指令执行或数据的读写。这个操作要视存储器操作指令而定，如执行温度转换指令则控制其必须等待 DS18B20 执行其指令，一般转换时间为 500us；如执行数据读写指令则需要严格遵守 DS18B20 的读写时序

27、来操作。2.4 M74HC573 移位锁存器的特性说明M74HC573 是八进制三态反转透明锁存器，当锁存使能端为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的；当锁存使能端变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存。（1） M74HC573 的引脚及说明M74HC573 的引脚图如图 2.3 所示：图 2.3 M74HC573 引脚图l OE：output_enable，输出使能；l LE：latch_enable，数据锁存使能；l Dn：第 n 路输入数据；l On：第 n 路输出数据；（2） M74HC573 的功能真值功能表如表 2.1 所示：表 2.1 M74HC573 真值表输入输出输出使

28、能锁存使能DQLHHHLHLLLLX不变HXXZl 第一行/第二行：当 OE0、LE1 时，输出端数据等于输入端数据；l 第三行：当 OE0、LE0 时，输出端保持不变，锁存；l 第四行：当 OE1 是无论 Dn、LE 为何，输出端为高阻态。在这种状态下，可以多个芯片并联输出；但是，这些芯片中只能有一个处于非高阻态状态，否则会将芯片烧毁。2.5 ULN2003A 芯片的特性说明（1） ULN2003A 的概述ULN2003A 是高耐压、大电流、内部由七个硅 NPN 达林顿管组成的是一个 7 路反向器电路，内部还集成了一个消线圈反电动势的二极管，可用来驱动继电器。它是双列 16 脚封装,NPN

29、晶体管矩阵,最大驱动电压为 50V,电流为 500mA,输入电压为 5V。它的输出端允许通过电流为 200mA，饱和压降 VCE 约 1V 左右，耐压约为 36V。采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器或固体继电器，也可直接驱动低压灯泡。通常单片机驱动 ULN2003A 时，上拉 2K 的电阻较为合适，同时，COM 引脚应该悬空或接电源。（2） ULN2003A 的引脚图ULN2003A 的引脚图如图 2.4 所示：图 2.4 ULN2003A 引脚图第 3 章系统硬件电路设计3.1 模块电路设计及工作原理系统的硬件框图如图 3.1 所示：图 3.1 系统的硬件框图系统硬件电路原理

30、图见附录一。3.1.1 单片机主控单元电路设计及工作原理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

31、 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

32、 P3.3/INT1 P3.2/INT0 P3.1/TxD P3.0/RxDU121图 3.2 单片机主控单元电路图单片机主控单元的电路原理图如图 3.2 所示。时钟是采用的内部方式，在 XTAL1 和 XTAL2 端外接石英晶振作定时元件，内部反向放大器自激振荡，产生时钟。时钟发生器对振荡脉冲二分频。因此，时钟是一个双向信号，由 P1 相和 P2 相构成。STC12C5A60S2 系列单片机有 5 种复位方式：外部 RST 引脚复位、外部低压检测复位、软件复位、掉电复位/上电复位、看门狗复位。但在此单片机系统电路图上采用的是外部 RST 引脚复位，在复位电路部分采用的是独立按键复位方式。RS

33、T 引脚作为信号的输入端，复位信号是高电平有效，高电平的有效持续时间应为 24 个振荡周期以上，如时钟频率为 12MHZ，则复位信号至少持续 2us 以上，才可以使单片机复位。3.1.2 显示单元电路设计及工作原理VCC7SEG_47SEG_4R22 330R21 330R20 330R19 330R18 330R17 330R16 330R15 330VCCU15 M74HC573M1RY6U25CA 21WR34321dp gf e d c bDS1DS2Y72 1 WR3GND 1112345678910M74HC573M1ROEVCC LED1Q1D2Q2D3Q3D4Q4D5Q5D6Q

34、6D7Q7D8Q8GNDU25AA74HC02U144 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图 3.3 显示单元的电路图显示单元的电路原理图如图 3.3 所示。数码管的显示分两个部分：一个部分是数码管的段码显示；另一个部分是数码管的位数显示。数码管的显示是

35、由 M74HC573 双向移位寄存器控制的，M74HC573 双向移位寄存器上有一位是 LE 使能端，使能端 LE 是间接由单片机系统上的 P25、26、27 三个口控制的，这三个口输出到 3/8 译码器芯片74HC138，再通过的与非门芯片 74HC02 的输出信号来控制 M74HC573 的使能端，从而实现不同的功能。若 P25、26、27 三个口的状态都是高电平，则芯片 74HC138 的 3/8 译码器的输出状态为第 7 个状态，则对应的芯片 M74HC573 的 LE 使能端有动作的是U14 芯片 M74HC573，此芯片 M74HC573 控制的是数码管的段码显示。若 P27、26

36、 两个口的状态是高电平，P25 口的状态是低电平，则芯片 74HC138 的 3/8 译码器的输出状态为第 6 个状态，则对应的芯片 M74HC573 的 LE 使能端有动作的是 U15 芯片M74HC573，此芯片 M74HC573 控制的是数码管的位数显示。由于此电路图上使用的数码管是共阳型数码管，所以当数码管的段码为低电平时数码管亮。当显示数码管的位数时，是使控制数码管的芯片 M74HC573 的输出信号为相应的高电平，此位数码管才会被选中起作用，当此位数码管的段码为低电平时，此时数码管才会亮。3.1.3 温度检测单元电路设计及工作原理U1201716151413121110 28 27

37、 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.