基于單片機的變色發(fā)光淋浴噴頭畢業(yè)論文

1、SRT計劃項目研究論文項目名稱: 基于單片機的變色發(fā)光淋浴噴頭 基于單片機的變色發(fā)光淋浴噴頭摘要：本項目利用三基色疊加變色原理，通過51單片機控制PWM調(diào)光電路形成不同光色和光強的組合，利用DS18B20傳感器實時采集溫度控制發(fā)光LED的多彩變色。根據(jù)光色改變來實時監(jiān)控環(huán)境變化，并創(chuàng)造性的將LED燈與淋浴噴頭相結(jié)合，通過光與水的自然相溶性，最終達到了淋浴噴頭智能、時序變光的效果。關鍵詞： LED；51單片機;DS18B20;PWM調(diào)光Luminous shower nozzle based on SCM Xiaomin Abstract: The project will be used th

2、ree primary color principle of superposition, through the SCM to control the PWM dimming circuit which can form the combination of different colors and intensity of light, realize the color changing of the LED which can monitor environmental change timely according to the color changing under the co

3、ntrol of timing temperature, then combine this LED lamp with the shower nozzle creatively，and eventually reach the effect of intelligent, timing light changing of shower nozzle through the solubility of light and the natural water.Keywords: LED;51SCM;DS18B20;PWM circuit 1 引言當前社會是一個高速發(fā)展的社會，技術更可謂是日新月異

4、?，F(xiàn)在浴缸所使用的噴頭一般僅有噴水的功能，隨著人們生活水平的提高，人們對浴室的要求也越來越高，所以我們運用單片機技術實現(xiàn)實時溫度的采集與發(fā)光LED點陣的調(diào)壓來實現(xiàn)燈光的變色，并將此LED燈與淋浴噴頭相結(jié)合，營造出光、水的和諧效果，讓沐浴者能享受到發(fā)光淋浴噴頭帶來的淋浴美感。這種變色發(fā)光淋浴噴頭克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種使用安全、方便、美觀的發(fā)光淋浴噴頭，該淋浴噴頭巧妙地采用了新型的照明技術，解決了水電分離和照明效果問題，大大提高了裝置的安全性和可用性。2 整體方案設計2.1裝置系統(tǒng)整體的設計本設計的整體思路是：（一）溫度和時間控制方面：利用溫度傳感器DS18B20檢測噴頭出水溫度并通過A/D

5、轉(zhuǎn)換將溫度反饋信號送給單片機AT89C52進行處理，在數(shù)碼管上顯示當前環(huán)境溫度值，并將檢測到的溫度信號與預設報警設定值進行比較來控制LED的變化，同時通過單片機的定時功能設定最大洗澡時間上限來控制燈的顏色變化。圖2-1系統(tǒng)構(gòu)成框圖（二）LED變色方面：通過51單片機編程來控制PWM調(diào)光電路形成不同光色和光強的組合，根據(jù)光疊加原理從而達到不同顏色的燈變化出不同亮度的效果。能夠變色的LED正是利用紅、綠、藍三基色原理，通過控制紅、綠、藍三種顏色的灰度來混合出需要的顏色，為了達到這個目的可以在燈里再加一塊集成電路，通過上述脈寬調(diào)制的方式來精確的控制紅綠藍三種顏色的灰度等級，進而實現(xiàn)光色豐富多彩的動態(tài)

6、變化效果。 2.2 方案論證2.2.1溫度傳感器的選擇在本設計中，溫度傳感器的選擇有一下兩種方案：方案一：使用數(shù)字式的DS18B20集成溫度傳感器作為溫度檢測的核心元件，由其檢測并直接輸出數(shù)字信號給單片機進行處理。方案二：使用熱敏電阻作為檢測溫度的核心元件，并通過運算放大器放大，由于熱敏電阻會隨溫度變化而變化，進而產(chǎn)生輸出電壓變化的微弱電壓變化信號，再經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADC0809將微弱電壓變化信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號輸入單片機處理。對于方案二，采用熱敏電阻作為溫度檢測元件，有價格便宜，元件容易購的優(yōu)點，但是熱敏電阻對溫度的細微變化不太敏感，在信號采集、放大以及轉(zhuǎn)換的過程中還會產(chǎn)生失真和誤差，并且由于

7、熱敏電阻的R-T關系的非線性，其自身對溫度的變化存在較大的誤差，雖然可以通過一定電路來修正，但這個不僅將使電路變得更加復雜，而且在人體所處環(huán)境溫度變化過程中難以檢測到小的溫度變化。故該方案不適合本系統(tǒng)。對于方案一，由于數(shù)字式集成溫度傳感器DS18B20的高度集成化，大大降低了外界放大轉(zhuǎn)換等電路的誤差因數(shù)，溫度誤差變的很小，并且由于其檢測溫度的原理與熱敏電阻檢測的原理有著本質(zhì)的不同，使得其溫度分辨力極高。溫度值在器件內(nèi)部轉(zhuǎn)化成數(shù)字量直接輸出，簡化了系統(tǒng)程序的設計，又由于該溫度傳感器采用先進的單總線技術，與單片機的接口變的非常簡潔，抗干擾能力強，因此該方案適用于本系統(tǒng)。2.2.2控制器核心的選擇在

8、本設計中采用壓AT89C52單片機作為控制核心，通過軟件編程的方法進行溫度檢測和判斷，并在其I/O口輸出控制信號。AT89C52單片機工作電低，性能高，片內(nèi)含8k字節(jié)的只讀程序存儲器ROM和256字節(jié)的隨機數(shù)據(jù)存儲器RAM，它兼容標準的MCS-51指令系統(tǒng)，單片機價格便宜，適合本設計系統(tǒng)。2.2.3變色方案的選擇 本設計開始選擇比較簡單的“流水燈”式變色方案，但后來調(diào)試發(fā)現(xiàn)燈光變化較為單調(diào)，燈光突變明顯，而且不夠靈活，后來通過查閱資料加入了PWM脈寬調(diào)制的方式來調(diào)節(jié)LED，發(fā)現(xiàn)通過控制每個LED燈管接通電源的時間不僅可以調(diào)節(jié)燈的顏色，而且可以調(diào)節(jié)燈的亮度變化，為我們顏色的多樣選擇提供了很大的便

9、利，能夠較好的達到我們預期的效果，適合本設計系統(tǒng)。3 單元模塊的硬件設計3.1溫度采集電路設計溫度傳感是由DALLAS（達拉斯公司）生產(chǎn)的可以把溫度信號直接轉(zhuǎn)換成串行數(shù)據(jù)信號供單片機使用，而且硬件開銷很低，抗干擾能力強，精度高。DS18B20信息僅需要單總線通信，使用非常方便。DS18B20其管腳有三個端，其中DQ為數(shù)字信號端，GND為電源地，VDD為電源輸入端。對DS18B20進行讀寫編程時，必須保證讀寫時的時序，否則將無法讀取溫度結(jié)果。主機控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過3個步驟：每一次讀寫前都要對DS18B20進行復位，復位完成后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對D

10、S18B20進行預定操作，溫度采集電路如下所示：圖3-1溫度采集電路3.2 LED變色電路設計LED（LightEmittingDiode），即發(fā)光二極管。是一種半導體固體發(fā)光器件。它是利用固體半導體芯片作為發(fā)光材料。當兩端加上正向電壓，半導體中的少數(shù)截流子和多數(shù)截流子發(fā)生復合，放出過剩的能量而引起光子發(fā)射，直接發(fā)出紅、橙、黃、綠、青、藍、紫、白色的光。脈沖寬度調(diào)制(PWM)，簡稱脈寬調(diào)制， 是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模

11、擬電路進行控制的一種非常有效的技術。我們的電路正是通過對單片機編寫相應的程序來控制PWM調(diào)光電路，進而控制每個LED燈管接通電源的時間來調(diào)節(jié)燈的顏色形成不同光色和光強的組合，根據(jù)三基色原理達到不同顏色的燈變化出不同亮度的效果。LED變色電路如下所示： 圖3-2-1 配色方案 圖3-2-2 LED變色控制電路3.3 啟動與晶振電路設計啟動按鍵可以為整個系統(tǒng)提供啟動開關，按下啟動按鍵時，RST端產(chǎn)生高電平，使單片機啟動。啟動后，其片內(nèi)各寄存器狀態(tài)改變，片內(nèi)RAM內(nèi)容不變。晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。通常一個系統(tǒng)共用一個晶振，以便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而

12、通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時鐘頻率。3.4 電路總圖電路總圖如下所示，主要包括電源接口電路、溫度采集電路、LED變色PWM電路、系統(tǒng)啟動與晶振電路、彩燈接口電路等。 圖3-4 系統(tǒng)電路總圖4 軟件程序的設計4.1 系統(tǒng)工作總流程系統(tǒng)運行的總流程如下圖所示。系統(tǒng)上電后自動復位開始初始化系統(tǒng)各個模塊。溫度傳感器開始測溫，數(shù)碼管顯示測試數(shù)據(jù)，單片機開始根據(jù)溫度參數(shù)處理，并控制報警或PWM調(diào)光電路，產(chǎn)生不同的控制信號，使LED燈變化出不同的光色。 圖4-1 軟件總流程圖4.2 DS18B20測溫程序在進行硬件設計時了解到。DS18B20是單總線器件所

13、以對操作時序控制要求較嚴格。所以DS18B20驅(qū)動的編寫應嚴格按時序來寫。首先我們必須對DS18B20芯片進行復位如圖16所示，為DS18B20的復位操作。圖4-2-1 DS18B20復位時序圖根據(jù)上面時序圖可知：復位就是由控制器（單片機）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1560uS后回發(fā)一個芯片的存在脈沖。存在脈沖：在復位電平結(jié)束之后，控制器應該將數(shù)據(jù)單總線拉高，以便于在1560uS后接收存在脈沖，存在脈沖為一個60240uS的低電平信號。至此，通信雙方已經(jīng)達成了基本的協(xié)議，接下來將會是控制器與18B20間的數(shù)據(jù)通信。所以能編寫出DS1

14、8B20如下測溫程序流程圖如下： 圖4-2-2DS18B20測溫流程圖4.3 PWM調(diào)光程序本系統(tǒng)主控采用的是AT89S52，由于沒有帶PWM功能，只能通過軟件編程模擬產(chǎn)生PWM。本系統(tǒng)使用了單片機T0計時器中斷的方式長生PWM。PWM調(diào)光程序流程圖如下： 圖4-3 調(diào)光流程圖4.4 報警控制程序 根據(jù)設計要求。系統(tǒng)檢測到DS18B20溫度高于40度時系統(tǒng)需要報警提示，即讓LED燈變?yōu)榧t色。否則電路繼續(xù)正常工作。 報警控制程序如下：圖4-4報警流程圖5 系統(tǒng)調(diào)試5.1 按鍵顯示部分的調(diào)試 起初根據(jù)設計編寫的系統(tǒng)程序：程序的按鍵接口采用P3口，經(jīng)過編譯沒有出錯，但在仿真調(diào)試時，數(shù)碼管顯示的只是亂

15、碼，沒有正確的顯示溫度，按鍵功能也不靈的，當按鍵按下時，顯示并不變化。經(jīng)過查找分析，發(fā)現(xiàn)按鍵掃描程序沒有按鍵消抖部分，按鍵在按下與松手時，都會有一定程序的抖動，從而可能使單片機做出錯誤的判斷，導致按鍵條件預設溫度時失靈，甚至根本不工作。因此必須在按鍵掃描程序中加入消抖部分，即在按鍵按下與松手時加入延時判斷，以檢測按鍵是否真的按下或已完全松手。在按鍵加入了消抖程序，數(shù)碼管能夠正常的顯示，按鍵也能正常的工作，達到了較好的效果。 5.2 傳感器DS18B20溫度采集部分調(diào)試由于數(shù)字式集成溫度傳感器DS18B20的高度集成化，為軟件的設計和調(diào)試帶來了極大的方便，體積小、低功耗、高精度為控制電機的精度和

16、穩(wěn)定提供了可能。軟件設計采用了P2.7口為數(shù)字溫度輸入口，但是需要對輸入的數(shù)字信號進行處理后才能顯示，從而多了溫度轉(zhuǎn)換程序。通過軟件設計，實現(xiàn)了對環(huán)境溫度的連續(xù)檢測，由于硬件LED個數(shù)的限制，只顯示了預設溫度的整數(shù)部分。在溫度轉(zhuǎn)換程序中，為了能夠正確的檢測到并顯示溫控的小數(shù)位，程序中把檢測到的溫度與10 相乘后，再按一個三位的整數(shù)來處理。如果把39.7變成397來處理，這樣為程序的編寫帶來了方便。6總結(jié)本次設計的系統(tǒng)從硬件設計和軟件編寫到Altium Designer Winter 09的仿真，再到用單片機開發(fā)板的調(diào)試，直到最后的電路板焊接，每一個過程都使用到大學里學到的知識，整個過程把大學里

17、的知識系統(tǒng)的串在了一起。本系統(tǒng)以單片機為控制核心，以家用淋浴噴頭為裝置環(huán)境，通過溫度傳感器DS18B20來檢測環(huán)境溫度，實現(xiàn)了根據(jù)環(huán)境溫度變化調(diào)節(jié)LED的顏色，在一定范圍內(nèi)能實現(xiàn)噴頭的發(fā)光變色效果，基本完成了基于單片機的變色發(fā)光淋浴噴頭的設計。參考文獻：1 李學龍.使用單片機控制的智能遙控風扇J.電子電路制作,2003,9:13-15.2 郭天祥.新概念51單片機C語言教程M.電子工業(yè)出版社,2009：34-36.3 胡全.51單片機的數(shù)碼管動態(tài)顯示技術J.信息技術,2009,13:25-26.4 王會明.智能電風扇控制器的研制J.電子與自動化,1998,5(4):25-26.5 孫號.Pro

18、teus軟件在設計電子電路中的應用J.儀表技術,2009,8:74-75.6 當方微型計算機控制技術M中國水利水電出版社,2001,6:56-58.7 胡漢才單片機原理及其借口技術M清華大學出版社，1996.3:78-80.8 趙新民智能儀器設計基礎M哈爾濱工業(yè)大學出版社，1999.4:38-41.9 潘新，民王，燕芳微型計算機控制技術M電子工業(yè)出版社，2003:72-74.10 方佩敏.LED變色燈的剖析 M. 電子世界.2006年第11期:11-1311 閆朝華,潘燈海.半導體制冷應用在電冰箱上的研究J.家電科技.2002(12): 64-6612.汪守棟.一種基于AT89C2051單片機

19、的溫控變色燈J.科技信息.2010（33）:45-47附錄：系統(tǒng)程序#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar code table2=0xfb,0xef,0xab,0xbb,0xaf,0xbf,0xeb; / 紅 綠 淡白 紫 淡清 藍 黃uchar code table=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71;uchar code table1=0xbf,0x86,0xdb,0xcf,

20、0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef;sbit K1=P34; / 開啟sbit DS=P22; /define interfacesbit dula=P26;int temp; sbit wela=P27;uchar num=0,num1=0,flag=0,flag1;uint CYCLE=600,PWM_LOW=0，temp;/定義周期并賦值void delay(uint count) /delay uint i; while(count) i=200; while(i0) i-; count-; void Delay_1ms(uint xms)uint i,j;fo

21、r(i=xms;i0;i-)for(j=122;j0;j-);void Delay1(uint t) while(-t);void dsreset(void) /send reset and initialization command uint i; DS=0; i=103; while(i0)i-; DS=1; i=4; while(i0)i-;bit tmpreadbit(void) /read a bit uint i; bit dat; DS=0;i+; /i+ for delay DS=1;i+;i+; dat=DS; i=8;while(i0)i-; return (dat);u

22、char tmpread(void) /read a byte date uchar i,j,dat; dat=0; for(i=1;i=8;i+) j=tmpreadbit(); dat=(j1); /讀出的數(shù)據(jù)最低位在最前面，這樣剛好一個字節(jié)在DAT里 return(dat);void tmpwritebyte(uchar dat) /write a byte to ds18b20 uint i; uchar j; bit testb; for(j=1;j1; if(testb) /write 1 DS=0; i+;i+; DS=1; i=8;while(i0)i-; else DS=0;

23、 /write 0 i=8;while(i0)i-; DS=1; i+;i+; void tmpchange(void) /DS18B20 begin change dsreset(); delay(1); tmpwritebyte(0xcc); / address all drivers on bus tmpwritebyte(0x44); / initiates a single temperature conversionuint tmp() /get the temperature float tt; uchar a,b; dsreset(); delay(1); tmpwritebyte(0xcc); tmpwritebyte(0xbe); a=tmpread(); b=tmpread(); temp=b; temp=8; /two byte compose a int variable temp=temp|a; tt=temp*0.0625; temp=tt*10+0.5; return temp;void display1(uint temp)/顯示程序 uchar A1,A2,A2t,A3; A1=temp/100; A2t=temp%100; A2=A2t/10; A3=A2t%10; dula=0; P0=tableA1;/顯示百位 dula=1;