1、- i -本科毕业论文（20 届）基于 ARM 的智能健康饮水机控制系统的研究所在学院专业班级 电子信息科学与技术学生姓名指导教师完成日期- ii -基于 ARM 的智能健康饮水机控制系统的研究目 录前言 .2第 1 章 设计方案 .3第 1.1 节 课题分析 .3第 1.2 节 饮水机的发展与现状 .3第 1.3 节 系统硬件方案分析 .3第 1.4 节 系统软件方案分析 .4第 2 章 系统的硬件设计 .5第 2.1 节 电路系统框图 .5第 2.2 节 主控制单元的设计 .5第 2.3 节 饮水机内部电路图 .7第 2.4 节 光电耦合器 pc817.8第 2.5 节 人体感应开关 TA
2、D-K220BD.10第 2.6 节 温度传感器电路设计 .11第 2.7 节 键盘电路的设计 .13第 2.8 节 显示电路的设计 .13第 3 章 系统的软件设计 .15第 3.1 节 系统的主程序设计 .15第 3.2 节 系统主程序流程图 .15第 3.3 节 温度传感器电路程序的设计 .16第 4 章 系统调试及性能分析 .17第 4.1 节 系统测试 .17第 4.2 节 性能分析 .19结论 .20参考文献 .21致谢 .22附录 .23附录 1：实物照片说明 .23附录 2：部分源程序 .26第 1 页基于 ARM 的智能健康饮水机控制系统的研究【摘要】：论文详细阐述了基于 A
3、RM 的智能健康饮水机系统的硬件组成、软件设计以及系统调试。系统以 OPEN103Z 开发板作为控制核心，使用单线数字温度传感器DS18B20 构成前置信号采集电路，对在普通饮水机进行加热检测并通过 TAD-K220BD 人体感应开关控制饮水机工作，再由 PC817 光电耦合器检测其加热次数，以及通过按键模拟出饮水机各种工作状态，最后实现 LCD 液晶屏显示运行天数、空闲时间、饮水次数、工作状态、健康指导等信息。 【关键词】：OPEN103Z 温度传感器 DS18B20 人体感应开关 TAD-K220BD 光电耦合 PC817 Abstract:This paper expounds the
4、intelligent healthy water machine system basedon ARM hardware composition, software design and system debugging. System to OPEN103Z development board as the control core, using the single line digital temperature sensor DS18B20 a first signal acquisition circuit, heated in ordinary warm water machin
5、e for testing and through the TAD -K220BD human body induction switch control water machine work, again by PC817 photoelectric coupler to detect its heating time, and various working state through the button to simulate water dispenser, finally realize the LCD screen display days running, free time,
6、 frequency of drinking water, working status, health guidance, etc.Key words: OPEN103Z DS18B20 TAD-K220BD PC817第 2 页前言自动化已深入到各个领域，大到军事、航天，小到楼宇、电梯。自动化控制在工业生产领域，不断的发挥着提高效率，控制质量，节约成本等重要作用，已经成为除“工艺” 、 “电气”等之外，不可或缺的生产保障范围。从饮水机问世以来，在中国的市场发展趋势逐年上升。人们对饮水机的选择已经不是停留在过去的眼光，而是高标准，不仅使用而且要求外形脱俗，而在功能上，我们也有了更高的要求。因
7、此，智能健康的饮水机已是饮水机发展的必然趋势。设计出一个全新的智能饮水控制系统可以满足人们的需求，该系统具有温度检测、是否需要启动饮水机加热，检测是否有人饮用等功能。本次设计的智能饮水机控制，就是要符合人们需求的生活用水，先要把水烧开，然后使水温保持一定的温度，同时检测此次加热的水有多长时间没有被饮用，是否需要放水换水。掌握好对饮水机的控制，就能在一定程度上把我们身边的水充分利用起来，防止了每次加热都使水沸腾，既节能又能更好的满足人们的需求。 目前广泛使用的饮水机，具有价格低廉，制造简便等优点。但随着用户长时间的使用，这些饮水机功能单一、能耗较大、长时间饮用饮水机的水对健康不利等缺点逐渐暴露出
8、来。因此，本次设计的主要目的在于，设计出一个全新的智能健康控制系统。第 3 页第 1 章 设计方案第 1.1 节 课题分析根据任务书的要求，设计一个基于 ARM 的健康智能饮水机的装置，要利用温度传感器检测实时温度，通过人体感应开关控制饮水机工作，利用光电耦合器检测加温次数，由按键模拟出饮水机各种工作状态，最后实现 LCD 液晶屏显示运行天数、空闲时间、饮水次数、工作状态、健康指导等信息，本次毕业设计的主要任务是能对饮水机各种工作状态下进行检测和控制。设计中采用 ARM 来实现控制，涉及的模块有温度的采集模块，键盘显示模块，人体感应模块，光电耦合模块等几个部分。要实现系统的设计要用到的知识点有
9、单片机的原理和应用，温度传感器的原理和应用，人体感应开关的原理和应用，光电耦合器的原理和应用，以及按键电路和 LCD 显示电路的设计等。第 1.2 节 饮水机的发展与现状我国的水家电产业还处在萌芽期，发展很不规范，还不能解决人类的健康饮水问题。主要体现在水家电产品国家标准不完善，行业不规范，没有统一的执行标准，比如已经发展几十年的饮水机产品，到现在还没有一个行业标准，其次市场上的水家电不能满足消费者的健康需求，人为地限制了水家电产品的快速发展。这些问题对水家电企业来说除了挑战外，更是机遇。从 1992 年安吉尔生产出中国第一台饮水机开始，饮水机加桶装水的方便、快捷、健康的饮水方式便在中国兴起，
10、到了 1999 年，市场逐渐成熟，美的、沁园、浪木等企业也开始生产符合国家安全的饮水机 9。2006 年以后，研究发现，有内胆饮水机的水垢和节能问题渐渐暴漏。所以安吉尔和美的推出了外置加热的沸腾胆饮水机产品，以独特的热胆外置方式加热饮用水，现喝现烧更节能、更易清洁加热杯内壁。沁园推出了无热胆系列产品，由于宣传角度和内部造型新颖，曾经热卖一时，但是火爆之后，大量问题暴漏，水垢、二次污染、节能、安全这些问题都没有解决，导致客诉增多，名声衰退，低迷不前。所以饮水机的发展趋势近 10 年左右还会以外形优美的外加热饮水机为主，传统饮水机为辅，无热胆为异形的发展路线走下去。第 1.3 节 系统硬件方案分析
11、单片机是大规模集成电路技术发展的产物，属于第四代电子计算机。它是把中央处理单元 CPU、随机存取存储器 RAM、只读存储器 ROM、定时/计数器以及 I/O 输入输出接口电路等主要计算机部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算器，它的特点是：第 4 页功能强大、运算速度快、体积小、价格低廉、稳定可靠、应用广泛。由此可见，采用单片机设计控制系统，不仅可以降低开发成本，精简系统结构，而且控制算法由软件实现，还可以提高系统的兼容性和可靠性。目前，市面上的单片机不仅种类繁多，而且在性能方面也各有所长。ARM 处理器是Acorn 计算机有限公司面向低预算市场设计的第一款 RISC 微处理器。更早称作 A
12、corn RISC Machine。ARM 处理器本身是 32 位设计，但也配备 16 位指令集。一般来讲比等价32 位代码节省达 35%，却能保留 32 位系统的所有优势。ARM 处理器的三大特点是：耗电少功能强、16 位/32 位双指令集和合作伙伴众多。所以本次设计选用 STM32 开发板Open103Z 是一块以 STM32F103ZET6 为主控芯片的开发板，它带有丰富的扩展接口，支持各类外围模块的接入，易于实现系统的设计与调试。第 1.4 节 系统软件方案分析目前 C 语言是一种计算机程序设计语言，它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它由美国贝尔实验室的 Dennis M.
13、 Ritchie 于 1972 年推出，1978 年后，C 语言已先后被移植到大、中、小及微型机上，它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序 10。它的应用范围广泛，具备很强的数据处理能力，不仅仅是在软件开发上，而且各类科研都需要用到 C 语言，适于编写系统软件，三维，二维图形和动画，具体应用比如单片机以及嵌入式系统开发。所以此次设计使用 C 语言进行软件的设计。第 5 页第 2 章 系统的硬件设计第 2.1 节 电路系统框图ARM 主芯片220V 交流电饮水机硬件电路光电耦合电路LCD 显示电路温度传感器电路图 2-1 系统框图
14、从系统框图可以看的出温度传感器信号，光电耦合电路信号均为饮水机温控系统的输入信号，LCD 显示电路信号则为饮水机温控系统的输出信号。系统框图也充分的体现出了单片机作为整个系统的核心部件的这一理念。所有的外围的设备围绕单片机作为单片机的功能模块与单片机进行信息交换和通信。核心部件单片机对所有的外围设备数字温度传感器、光电耦合电路等器件反馈的信息在软件的设定下进行综合分析，发出指令信号给 LED 显示器工作状态。设计框图作为整个设计方案的灵魂将自始至终的指导设计的全过程，在以后的设计中将完全按照框图所列的模块进行分模块设计。这样一来使整个设计简化为六个部分，各部分又可以单独的进行设计，这样一来通过
15、对各个模块的多种方案进行分析比较确定最佳选择并将其作为最终选择，最后将各模块的最佳方案进行组合得到我们的最终设计方案。第 2.2 节 主控制单元的设计在最小系统中，采用 STM32F103ZET6 微控制器，工作频率可达 72MHz，内置 2 个12 位 ADC，16 个外部模拟信号输入通道，可达 1s 转换时间，转换范围是 03.6V；支持 7 个 DMA 通道，可操作多种通用外设，如定时器、ADC、USAR 等；按照 STM32 最小系统的设计规范，最小系统构成如图 2-2 所示。第 6 页图 2-2 STM32F103ZET6 最小系统结构图根据图 2-2 的 STM32F103ZET6
16、 系统结构图，本课题设计研究主要用到以下模块：2.2.1. STM32F103ZET6STM32 功能强大，下面仅列出 STM32F103ZET6 的核心资源参数：内核：Cortex-M3 32-bit RISC；工作频率：72MHz，1.25 DMIPS/MHz ；工作电压：2-3.6V；封装：LQFP144；I/O 口：112；存储资源：512K Flash，64K RAM（103Z 带 E 后缀的存储器最大） ；接口资源：3xSPI， 5xUSART，2xI2S ，2xI2C，1xFSMC，1xLCD，1xSDIO，1xUSB，1xCAN；模数转换：3xAD（12 位，1us，分时 21
17、 通道） ，2xDA （12 位） ；调试下载：支持 JTAG/SWD 接口的调试下载，支持 IAP；FSMC+SPI 接口（ FSMC-A + SPI）方便接入 LCD + 触摸屏模块。2.2.2. STM32F103 性能特点内核：ARM32 位 Cortex-M3 CPU，最高工作频率 72MHz，1.25DMIPS/MHz。单周期乘法和硬件除法。存储器：片上集成 32-512KB 的 Flash 存储器。6-64KB 的 SRAM 存储器。时钟、复位和电源管理：2.0-3.6V 的电源供电和 I/O 接口的驱动电压。 POR、PDR 和可编程的电压探测器（PVD ） 。4-16MHz
18、的晶振。内嵌出厂前调校的 8MHzRC 振荡电路。内部 40kHz的 RC 振荡电路。用于 CPU 时钟的 PLL。带校准用于 RTC 的 32kHz 的晶振。低功耗：3 种低功耗模式：休眠，停止，待机模式。为 RTC 和备份寄存器供电的第 7 页VBAT。调试模式：串行调试（SWD）和 JTAG 接口。DMA：12 通道 DMA 控制器。支持的外设：定时器，ADC，DAC，SPI，IIC 和USART。2 个 12 位的 us 级的 A/D 转换器（16 通道）：A/D 测量范围：0-3.6V。双采样和保持能力。片上集成一个温度传感器。2 通道 12 位 D/A 转换器：STM32F103x
19、C,STM32F103xD,STM32F103xE 独有。最多高达 112 个的快速 I/O 端口：根据型号的不同，有 26，37，51，80，和 112 的 I/O 端口，所有的端口都可以映射到 16 个外部中断向量。除了模拟输入，所有的都可以接受 5V 以内的输入。最多多达 11 个定时器：4 个 16 位定时器，每个定时器有 4 个 IC/OC/PWM 或者脉冲计数器。2 个 16 位的 6 通道高级控制定时器：最多 6 个通道可用于 PWM 输出。2 个看门狗定时器（独立看门狗和窗口看门狗） 。Systick 定时器：24 位倒计数器。2 个 16 位基本定时器用于驱动 DAC。最多多
20、达 13 个通信接口：2 个 IIC 接口（SMBus/PMBus） 。5 个 USART 接口（ISO7816 接口，LIN，IrDA 兼容，调试控制） 。 3 个 SPI 接口（18Mbit/s） ，两个和 IIS 复用。CAN 接口（2.0B） ，USB2.0 全速接口，SDIO 接口。ECOPACK 封装： STM32F103xx 系列微控制器采用 ECOPACK 封装形式。第 2.3 节 饮水机内部电路图图 2-3 饮水机硬件走线图电路图分析:当人体红外感应传感器检测到有人来的时候，饮水机通电开始正常工作，此时温度控制开关 1、2 都处于闭合状态。饮水机处于加热状态，红、绿灯亮。当温
21、度达到设定范围时，温度开关 1 断开，此时只有黄灯亮。当人体红外传感器在持续 3 分钟内没有检测第 8 页到有人，温度控制开关 1、2 断开，饮水断电不工作。当黄线和蓝线之间有电压时，只有黄灯亮；当黄线和红线之间有电压时，只有红灯亮；当红线和蓝线之间有电压时，蓝灯亮。第 2.4 节 光电耦合器 pc817本次设计中连接加热器体的加热控制器将采用光耦合器（optical coupler，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一 3。光耦合器一般由三
22、部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED） ，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离
23、，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。光耦合器是 70 年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中 6。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。由 PC817 的基本应用电路可知，三个基本元件分别为发光二极管限流电阻 R2，光敏三极管集电极限流电阻 R1 和 PC817，Vin 为指示灯两端，Vo 为输出响应电压。依照图 2-5 搭建测试电路，R2 取 5K，R1 取 60K，R3 取 10K，VCC 为 5V，测量 Vout 是否有高电平信号，则送入单片机。
