毕业设计（论文）智能型浴室混水阀控制器的设计.doc

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1、 学校代码： 11059 学 号：0410203049本科毕业论文BACHELOR DISSERTATION 论文题目： 智能型浴室混水阀控制器的设计 学位类别： 工 学 学 士 学科专业： 自 动 化 作者姓名： 导师姓名： 完成时间： 2008年6月 智能型浴室混水阀控制器的设计中文摘要随着科技的发展和社会的进步，高新技术正在逐渐改变着人们的生活习惯，其中重要的一个方面就是，使家居呈现智能化。目前的家居生活中，大部分人仍使用着传统的机械式淋浴系统，这种系统不仅易于损坏，而且由于手动调温的不准确性，还易使皮肤烫伤。因此设计出能够自动调节水温的家居用品来满足人们的需求、推进人们的健康生活以实现

2、家居智能化具有重要意义，基于此点，课题设计了智能型浴室混水阀控制器来满足这一要求。在此次设计中，系统以80C51单片机为核心控制器件，由温度采集模块、键盘模块、数码显示模块、步进电机模块和主控制芯片5个部分组成。使用C语言进行程序的编写，通过使用Proteus进行仿真,经过多次的实验达到了毕业设计的基本要求。当系统运行时，由单片机对温度采集模块的输出量进行收集，按下启动键，单片机通过读取变量和设定量进行比较，然后把输出量转换成控制信号，控制步进电机并通过数码管显示设定水温和出口水温。关键字：DS18B20；矩阵键盘；80C51；步进电机；Proteus；C语言The Design of Int

3、elligent Bathroom Mixing Water Valve ControllerABSTRACTNew technology has entered the house gradually and make household intelligent in new era. In peoples home life, most people still use traditional mechanical shower systems that easily be damaged and temperature can not be regulated accurately an

4、d also easily burn the users skin. In a bid to enable the bathroom intelligent, we design the intelligent bathroom mixing water valve to meet peoples need. This design has much practical significance in pushing forward peoples healthy life and household intelligence. The system of which the single-c

5、hip 80C51 is used as centre control part, consists of temperature collection module, keyboard module, digital display module, stepping motor module and main control chip five parts. C language used in the preparation process, through the use of simulation Proteus, after a number of experiments desig

6、ned to meet the basic requirements for graduation.When the system is running, the temperature acquisition by the SCM module output for the collection, press the start button, read through the SCM set of variables and comparisons, and then converted to output control signals, control stepper motor an

7、d through the display of digital temperature settings and export the water temperature.KEYWORD:DS18B20；Matrix keyboard；80C51；Step motor；Proteus；C language目 录第一章 前 言11.1论文的来源及研究背景11.2传统式机械混水阀11.2.1传统式机械混水阀的工作原理11.2.2传统式机械混水阀存在的问题21.3.智能型浴室混水阀21.3.1智能型浴室混水阀控制器基本组成及其工作原理21.3.2 研究内容3第二章 系统方案的选择及论证42.1 系

8、统的功能要求42.2 各模块方案选择及论证42.3.1单片机42.3.2键盘输入模块42.3.3温度显示模块52.3.4温度采集模块52.3.5执行机构52.3.6 系统的硬件框图6第三章 硬件电路的设计与实现73.1单片机73.3.1 80C51简介73.1.2 80C51内部结构93.2键盘输入模块113.2.1键盘接线和按键功能分配113.2.2键盘的扫描原理113.2.3 键盘的工作方式123.3温度显示模块133.3.1 LED显示原理133.3.2 串行显示电路和74LS164简介143.4温度采集模块153.5执行机构模块163.5.1步进电机简介163.5.2步进电机动态指标及

9、术语173.5.3 步进电机在控制上的特点173.5.4步进电机细分驱动器原理183.5.4 L297和L298简介183.5.5 L297和L298构成的驱动电路20第四章 系统软件设计与仿真214.1 软件开发与仿真调试环境和开发语言介绍214.2系统软件设计思想214.3 子程序描述及其流程图224.3.1 温度读取子程序234.3.2 键盘扫描子程序234.3.3 步进电机升降温控制子程序244.4.4 系统总体仿真图25总 结26致 谢27参考文献28附 录29第一章 前 言单片机的出现至今已经有了30多年的历史了；单片机嵌入式技术也经历了几个发展阶段。进入20世纪90年代后，以计算

10、机和软件为核心的数字化技术取得了迅猛发展，不仅广泛渗透到社会经济、军事、交通、通信等相关行业，而且也深入到家电、娱乐、艺术、社会文化等各个领域，并掀起了一场数字化技术革命。作为新型工业发展的新型控制器，单片机具有体积小、功耗低、功能强、性价比高、易于推广应用等显著优点,在自动化装置、智能仪器仪表、过程控制、通信、家用电器等许多领域得到了大量应用。1.1论文的来源及研究背景21世纪是信息的社会，更是现代化的社会。目前，宾馆、家庭以及公共浴室中广泛使用着机械式混水阀，虽然达到了外形设计多种多样、美观大方的效果，但是使用者对水温的调节都是通过手动控制机械式混水阀中热水管道与冷水管道阀门的开启比例来实

11、现。其操作过程往往需要操作者通过肢体触觉来反映混合后水温是否合适，不仅使用很不方便，而且容易导致混水阀门的使用寿命缩短，出水忽冷忽热、不容易调节。随着计算机智能技术的发展，特别是微型计算机技术的发展，利用单片机开发智能型浴室混水阀控制器实现对出水口水温、水流速度以及淋浴头水流方式的控制具有实际的使用价值，对推进人们的健康生活与家居智能化以及节水都具有现实意义1。1.2传统式机械混水阀1.2.1传统式机械混水阀的工作原理在传统的浴室供水系统中，机械式混水阀在一般情况下由一个冷水进水口、一个热水进水口和一个温水出水口构成，而冷、热水的进水管道都是各自独立的，通过一个混水阀或两个混水阀来调节水温，使

12、用者通过调节混水阀旋钮来选择适合自己洗浴的水温。如图1所示：图1 传统型控制器1.2.2传统式机械混水阀存在的问题在日常生活中，使用传统式机械混水阀洗浴时经常出现微弱烫伤，混水阀损坏等事情。这是由于通过机械式混水阀需要手动调节并尝试水温，随着冷热水温差的波动以及冷热水管道各自的压力不同（压力的不同将导致水流速度的变化），需要不断的调试水温，将给洗浴带来极大的不便。1.3.智能型浴室混水阀1.3.1智能型浴室混水阀控制器基本组成及其工作原理1.3.1.1基本组成智能型浴室混水阀控制器采用单片机作为主控制芯片。总控制电路由温度采集模块、温度显示模块、键盘输入模块、步进电机驱动模块、主控制芯片和电源

13、模块六部分组成。1.3.1.2工作原理调温时使用者首先按下键盘“开始”键，输入淋浴温度，按下“确定”键后，在冷水进水管和热水进水管两处的步进电机根据设定的温度及在两进水管处的温度传感器传回的温度信息来调节两进水管的进水量来达到调温的目的，同时通过温度显示模块将出水口的温度传感器检测的温水温度显示出来。系统运行中由温水出水管处的温度传感器检测到的温度反馈到控制芯片，然后和设定的温度值进行比较来调节步进电机的转动量，进而动态的控制冷热水进水管的进水量，以此来达到温度平衡。使用者淋浴完毕，按下“关闭”键后，单片机控制冷热水进水管处两步进电机关闭冷热水进水管停止供水。1.3.2 研究内容智能型浴室混水

14、阀控制器的设计要达到一些相关的指标：第一：每个人对洗浴水温都会有一个想要的范围，设计时要达到一个合适的水温；第二：设计时要充分考虑系统所要达到的功能要求，力争做到硬件和软件划分合理；第三：在硬件设计时要从器件的性能、价格、可扩展性、实用性、编程简单等一些方面综合考虑。第四：在设计一个系统时都要考虑的问题是系统的抗干扰能力，设计适当的抗干扰措施，以保证系统的可靠运行。第二章 系统方案的选择及论证2.1 系统的功能要求（1）从键盘输入设定温度值并显示；（2）通过温度传感器检测三个水管的温度，并显示出水口的温水温度；（3）控制器比较设定温度和出口温度是否一致，不一致就控制电机调节冷热水的进水量。2.

15、2 各模块方案选择及论证图2 是系统结构的框图，包括了六个模块。现对其选型做简要说明。中央处理单元（单片机）键盘输入模块温度显示模块温度采集模块执行单元模块电源模块图2 系统结构框图2.3.1单片机目前，生产单片机的公司很多，但技术成熟、芯片工作稳定性好的就少了。主流的生产厂家主要有：Intel 公司、Atmel 公司、Maxim 公司等等。综合考虑系统使用到的单片机内部存储资源、系统处理信号的种类、处理数据的速度、系统的 I/O口开销，以及系统的可扩展性能，本系统选用了Intel公司的80C51单片机芯片。2.3.2键盘输入模块键盘作为数据输入接口，是大部分自动控制系统不可或缺的一部分。而键

16、盘的接线方法主要有两种：独立式键盘和矩阵式键盘。在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键（9键）。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。此次设计需要用键盘进行输入数据，数据的输入有两种方法：方法一：使用两个按键，每次按下自动累计加一，进行温度设定。其优点是使用I/O口较少，但是

17、十分不方便。方法二：使用多个键对应输入数据，此方法输入简单。但是使用多个按键输入需要占用较多的I/O口，通过对上文的了解可知，本次设计适合选用矩阵式键盘2。2.3.3温度显示模块该模块主要是对出水口的温水温度和键盘设定的温度进行显示，温度由两位数据组成。目前的显示方法有LCD显示、7段数码管显示和VGA显示等等。LCD和VGA显示器件价格都比较昂贵，并且驱动程序复杂，而7段数码管具有价格便宜、原理简单、显示数字清晰等诸多优点，在大型报时屏幕、银行利率显示、城市霓虹灯建设中得到广泛应用。7段数码管分为共阴和共阳两种，它们显示时主要是显示代码不同。在本设计中就采用7段共阳数码管作为显示器件。2.3

18、.4温度采集模块该模块主要是对两个进水管、一个出水管的温度，即冷水、热水和温水的温度进行检测，然后送到单片机中进行数据处理。在温度采集器件中，有热电偶、热敏电阻、AD590、DS18B20等等温度传感器。热电偶和热敏电阻检测电路复杂，实用的是AD590和DS18B20。AD590作为模拟量温度传感器，需要A/D转换模块，将增大系统的设计难度，而且其价格贵。DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS182之后推出的一种改进型智能温度传感器，测温范围是55125。 最高分辨率可达0.0625C。这个传感器可以直接读出被测温度值，而且采用三线制与单片机相连，减少了外部的硬件电路，具有成本低和易

19、使用的特点。因此本设计的温度传感器选用了DS18B20。2.3.5执行机构在系统中，控制对象为冷水管和热水管的进水量，为了准确的控制进水量，使用步进电机，这种电机是一步一步转动的，不同型号的步进电机的步进角不同，但它们都能精确定位。2.3.6 系统的硬件框图通过对系统进行选型，确定电源模块主要是+5V和+36V的两个电源，温度采集模块是DS18B20，键盘输入是4*4矩阵键盘，温度显示是数码管，执行单元是步进电机。系统硬件框图如图3所示：图3 系统硬件框图第三章 硬件电路的设计与实现3.1单片机3.3.1 80C51简介80C51的引脚图如图4所示图4 80C51引脚图现就各个引脚功能简要介绍

20、如下：(1)电源引脚：(40):接+5V电源； （20）：接地。(2)I/O总线：P0.0P0.7（P0口）：8位漏极开路型双向并行I/O口；P1.0P1.7（P1口）：具有内部上拉电阻的8位准双向I/O口；P2.0P2.7（P2口）：8位具有内部上拉电阻的准双向I/O口；P3.0P3.7（P3口）：8位具有内部上拉电阻的准双向I/O口，每一位又具有特殊功能。具体功能见表1。表1 P3口各位的第二功能P3口管脚第二功能P3.0RXD（串行输入端）P3.1TXD（串行输出端）P3.2INT0（外部中断0输入端，低电平有效）P3.3INT1（外部中断1输入端，低电平有效）P3.4T0（定时器/计数

21、器0外部事件计数输入端）P3.5T1（定时器/计数器1外部事件计数输入端）P3.6WR（外部数据存储器写选通信号，低电平有效）P3.7RD（外部数据存储器读选通信号，低电平有效） (3)时钟：XTAL1（19）：片内振荡器反相放大器的输入端。XTAL2（18）：片内振荡器反相器的输出端，也是内部时钟发生器的输入端。(4)控制总线：RST/VPD（9）：复位输入信号，当该引脚上出现2个机器周期以上的高电平时，可实现复位操作。当引脚为掉电保护后备电源之输入引脚。ALE/（30）：地址锁存允许/编程信号线。当CPU访问外部存储器时，ALE用来锁存P0输出的地址信号的低8位。它的频率为振荡器频率的1/

22、6。（29）：外接程序存储器读选通信号。/（31）：访问内部程序存储器的控制信号。当=1时，CPU从片内ROM读取指令；=0时，CPU从片外ROM读取指令。 (4)复位电路和晶振电路：为了保证单片机正常工作，必须给单片机系统接上复位电路和晶振电路。复位电路复位电路是当系统需要重新启动时，使程序从头开始执行。复位电路接在80C51单片机的9号引脚（RST/VPD），具体接线如图5所示：图5 复位电路晶振电路晶振电路是给系统提供时钟频率，晶振频率越高，系统的运行速度越快。单片机的晶振输入端可以有两种输入方式：内部时钟方式和外部时钟方式。内部时钟方式如图6所示。外部时钟方式用得很少，当要使用时，将X

23、TAL1接地，XTAL2接外部振荡器就行。这种接法对外部振荡信号无特殊要求，人们一般采用频率低于12MHz的方波信号。在本系统中使用的晶振频率为12MHz，这对于处理的数据不是太多的系统来讲，已经够用了。电容为两个30pf瓷片电容。图6 晶振电路3.1.2 80C51内部结构该单片机是在一块芯片中集成了CPU、RAM、ROM、定时器/计数器和多功能I/O口等一台计算机所需要的基本功能部件。其基本结构框图如图7所示，包括：图7 80C51 内部结构图一个8位CPU；4KB ROM或EPROM；128字节RAM数据存储器；21个特殊功能寄存器SFR；4个8位并行I/O口，其中P0、P2为地址/数据

24、线，可寻址64KB ROM和64KB RAM；一个可编程全双工串行口；具有5个中断源，两个优先级，嵌套中断结构；两个16位定时器/计数器；一个片内振荡器及时钟电路。I/O口介绍：P0、P1、P2、P3P0口（P0.0 - P0.7）是一个8位漏极开路型双向I/O口，在访问外部存储器时，它是分时传送的低字节地址和数据总线，P0口能以吸收电流的方式驱动八个LSTTL负载。P1口（P1.0 - P1.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口，能驱动(吸收或输出电流)四个LSTTL负载。P2口（P2.0 - P2.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地

25、址。P2口可以驱动(吸收或输出电流)四个LSTTL负载。P3口（P3.0 - P3.7）是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口，能驱动(吸收或输出电流)四个LSTTL负载3。3.2键盘输入模块3.2.1键盘接线和按键功能分配根据前一章的分析可知，采用44的矩阵式键盘是最有效的。不但节省单片机的I/O口资源，而且价格便宜，操作简单，实用美观，其具体接线如图8所示。图8 按键连线图根据系统的功能要求，我们将键盘分配为数字键（0、1、2、3、4、5、6、7、8、9）、功能键（开始、关闭）和待定键四个。数字键用于输入设定的淋浴温度，功能键用于系统的输入设定温度后的确认和关闭。3.2.2键盘的扫描原

26、理 识别按键的方法很多，其中，最常见的方法是扫描法。行扫描法 行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，介绍过程如下。1、判断键盘中有无键按下将全部行线置低电平，然后检测列线的状态。只要有一列的电平为低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的键位于低电平线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。2、判断闭合键所在的位置 在确认有键按下后，即可进入确定具体闭合键的过程。其方法是：依次将行线置为低电平，即在置某根行线为低电平时，其它线为高电平。在确定某根行线位置为低电平后，再逐行检测各列线的电平状态。若某列为低，则该列线与置为低电平的行线交叉处的

27、按键就是闭合的按键。3.2.3 键盘的工作方式在单片机应用系统中，键盘扫描只是CPU的工作内容之一。CPU对键盘的响应取决于键盘的工作方式，键盘的工作方式应根据实际应用系统中CPU的工作状况而定，其选取的原则是既要保证CPU能及时响应按键操作，又不要过多占用CPU的工作时间。通常，键盘的工作方式有三种，即编程扫描、定时扫描和中断扫描。1）编程扫描方式编程扫描方式是利用CPU完成其它工作的空余调用键盘扫描子程序来响应键盘输入的要求。在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求，直到CPU重新扫描键盘为止。键盘扫描程序一般应包括以下内容： （1）判别有无键按下。 （2）键盘扫描取得闭合键的行、列值

28、。 （3）用计算法或查表法得到键值。 （4）判断闭合键是否释放，如没释放则继续等待。 （5）将闭合键键号保存，同时转去执行该闭合键的功能。2）定时扫描方式:定时扫描方式就是每隔一段时间对键盘扫描一次，它利用单片机内部的定时器产生一定时间（例如10ms）的定时，当定时时间到就产生定时器溢出中断，CPU响应中断后对键盘进行扫描，并在有键按下时识别出该键，再执行该键的功能程序。3）中断扫描方式采用上述两种键盘扫描方式时，无论是否按键，CPU都要定时扫描键盘，而单片机应用系统工作时，并非经常需要键盘输入，因此，CPU经常处于空扫描状态，为提高CPU工作效率，可采用中断扫描工作方式。其工作过程如下：当无

29、键按下时，CPU处理自己的工作，当有键按下时，产生中断请求，CPU转去执行键盘扫描子程序，并识别键号。3.3温度显示模块 显示模块要完成设定温度和温水温度的显示，并且温水的温度要实时显示出来。为此我们选择动态显示模式，LED选择共阳的7段数码管，并且使用单片机的串口P3.0（RXD）和P3.1（TXD）进行显示。基于这种显示方式，我们需要选择串行数据输入、并行数据输出的驱动芯片74LS164来驱动LED。3.3.1 LED显示原理 LED显示器由7条发光二极管组成显示字段，有的还带有一个小数点Dp。将7段发光二极管阴极连在一起，称为共阴接法，当某个字段的阳极为高电平时，对应的字段就点亮，如图9

30、所示。点亮LED显示器有两种方法：静态显示和动态显示。所谓静态显示，就是显示某一字符时，相应的发光二极管恒定的导通或截止，这种方式，每一显示位都需要一个8位的输出口控制，占用的硬件资源较多，一般仅用于显示位数校少的场合。所谓动态显示，就是一位一位地轮流点亮各位显示器。对每一位显示器而言，每隔一段时间点亮一次。显示位的亮度跟导通电流有关，也和点亮时间与间隔时间的比例有关。为了显示字符，要给LED显示器提供显示段码（或字型代码），段码位对应关系如下：表2 段码位对应表段码位D7D6D5D4D3D2D1D0显示位Dpgfedcba下表为十六进制数、H、P、U和-的显示段码：表3 段码显示对应表字型共

31、阳极段码共阴极段码字型共阳极段码共阴极段码0C03FA88771F906B837C2A45BCC6393B04FDA15E49966E86795926DF8E716827DH89767F807P8C738807FUC13E9906F-BF403.3.2 串行显示电路和74LS164简介串行显示电路由4个共阳的7段数码管和4片74LS164芯片组成。其工作原理基本情况如下：单片机的P3.1引脚不断地发出时钟脉冲，存在数据缓冲区SBUF里的数据从P3.0口一位一位的移出，只要来一个脉冲，就输出一位数据，并且对于单片机，串行移位输出的方式是从低位开始，即先移出低位数据D0，最后移出高位数据D7。为了

32、实时显示设定温度和温水温度，使用1S显示一次数据的方式。共阳数码管串行显示电路如图9所示。图9 共阳管串行显示74LS164介绍：74LS164为8位数据串行输入、并行输出移位寄存器，采用DIP14引脚封装。其引脚图如图10所示，功能表如表4所示。引脚A、B接在一起作为数据输入端，移位脉冲接8号引脚Clock，到分别接数码管的a到dp。当需要显示多位数据时，将下一位的数据输入端接上一个芯片的。表4 74LS164 对应表输入输出清除时钟A B LXX XL L LHLX X HH HH HL XL HX LL 图10 74LS164引脚图3.4温度采集模块在设计中，有三处的温度需要进行快速采集

33、：冷水进水管处、热水进水管处和温水出水管处。日常生活中人们淋浴的温度大约为20到50，在设计系统时，设计温度范围为0到99。经过前一章分析，这个模块中要使用DS18B20进行温度采集，交给单片机处理。具体模拟如图11。图11 DS18B20仿真连接图3.5执行机构模块3.5.1步进电机简介步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机就转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变

34、得非常的简单。但它的控制电路必须由双环形脉冲信号和功率驱动电路组成。步进电机可分为三种类型：（1）反应式步进电机（VR）反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5，但噪声和振动都很大，目前这种电机已被淘汰；（2）永磁式步进电机（PM）永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角有7.5、15和30；（3）混合式步进电机（HB）混合式步进电机兼具了永磁式和反应式两种电机的优点。它可以分为两相和五相两种，两相的步进角一般为1.8，而五相的步进角一般为0.72。五相步进电机控制角较佳、加减速时间较短、动态惯性较低。它广泛应用于各种领域中，我们也选择二相的混合式步进电机作为执行

35、机构。同时，选择应用广泛的步进电机驱动芯片L297和L298来驱动步进电机。3.5.2步进电机动态指标及术语步距角精度：步进电机每转过一个步距角的实际值与理论值的误差。用百分比表示：误差/步距角*100%。不同运行拍数其值不同，四拍运行时应在5%之内，八拍运行时应在15%以内。失步：电机运转时运转的步数，不等于理论上的步数。称之为失步。失调角：转子齿轴线偏移定子齿轴线的角度，电机运转必存在失调角，由失调角产生的误差，采用细分驱动是不能解决的。最大空载起动频率：电机在某种驱动形式、电压及额定电流下，在不加负载的情况下，能够直接起动的最大频率。最大空载的运行频率：电机在某种驱动形式，电压及额定电流

36、下，电机不带负载的最高转速频率。运行矩频特性：电机在某种测试条件下测得运行中输出力矩与频率关系的曲线称为运行矩频特性，这是电机诸多动态曲线中最重要的，也是电机选择的根本依据。3.5.3 步进电机在控制上的特点1.步进电机的输出角与输入的脉冲个数严格成正比，故控制输入步进电机的脉冲个数就能控制位移量；2.步进电机的转速与输入的脉冲频率成正比，只要控制脉冲频率就能调节步进电机的转速；3.步进电机有保持力矩，当停止输入脉冲时，只要维持绕组内电流不变，电动机轴可以保持在某固定位置上，不需要机械制动装置；4.改变通电相序即可改变电动机转向；5.步进电机相邻齿之间存在误差，但是不会产生累计误差；6.步进电

37、机转动惯量较小，使得它能够较快的起动和停止；7.步进电机的确定是效率较低，带负载能力较差，调速范围较小。3.5.4步进电机细分驱动器原理步进电机控制中已蕴含了细分的机理。如三相步进电机按ABC的顺序轮流通电，步进电机为整步工作。而按AACCCBBBAA的顺序通电，则步进电机为半步工作。以AB为例，若将各相电流看作是向量，则从整步到半步的变换，就是在与之间插入过渡向量，因为电流向量的合成方向决定了步进电机合成磁势的方向，而合成磁势的转动角度本身就是步进电机的步进角度。显然，的插入改变了合成磁势的转动大小，使得步进电机的步进角度由变为0.5 ，从而也就实现了2步细分。由此可见，步进电机的细分原理就

38、是通过等角度有规律的插入电流合成向量，从而减小合成磁势转动角度，达到步进电机细分控制的目的。在三相步进电机的A相与B相之间插入合成向量AB，则实现了2步细分。要再实现4步细分，只需在A与AB之间插入3个向量，使得合成磁势的转动角度，就实现了4步细分。但4步细分与2步细分是不同的，由于 3个向量的插入是对电流向量的分解，故控制脉冲已变成了阶梯波。细分程度越高，阶梯波越复杂4。3.5.4 L297和L298简介L298为步进电机的驱动芯片，对于混合式二相四线的步进电机，用L298来驱动是行得通的。L298的内部结构图如图12所示。图12 L298内部结构图L297作为L298的辅助芯片，共同构成二

39、相或四相步进电机的驱动电路。对电机进行控制时，只需要控制L297的CW/ 和两个端口，前者为正反转控制，后者为步进脉冲频率，改变频率可以改变电机的速度；改变占空比可以改变电机的加速度。其内部结构图如图13所示:图13 L297内部结构图3.5.5 L297和L298构成的驱动电路单片机的P3.3和P3.5控制第一台步进电机，P3.2和P3.7控制第二台步进电机。P3.2、P3.3接CW/ ，P3.5、P3.7接。其具体接线图如图14所示。图14 L297和L298构成的驱动电路第四章 系统软件设计与仿真4.1 软件开发与仿真调试环境和开发语言介绍对于单片机系统的开发最早是处于汇编级的开发阶段，

40、虽然单片机和普通计算机的指令系统非常相似，但拥有自己的特殊的指令。在单片机的开发中逐渐引入了高级语言，C语言就是其中一种，对于习惯汇编语言的人来说，高级语言的可控性不好。但是汇编语言可读性以及可维护性不强，特别是当没有进行很好标注时，往往自己写过的程序，在自己以后看时，也是看不懂啊！而且再次写程序时还要对每个模块进行编写，没有很好的可重用性。而使用C语言进行单片机系统的开发，就能很好的解决这些问题。C语言具有良好的模块化，容易阅读和维护的优点5。对于模块化而言，我们很容易把C语言的程序进行移植，功能化的代码很容易从一个工程移植到另一个工程，从而减少了系统开发员开发系统的时间。而且，使用C语言编

41、写的程序更符合人们的思考习惯，更容易阅读。C语言编程还有一个特点是使程序员尽量减少对硬件的操作。KeilC51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，通过查看编译后生成的汇编代码，我们就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。当前较好的C语言编译系统的编译效率已经基本达到中高级程序开发人员的水平，尤其是用于开发较为复杂的单片机应用系统时更具优势6。Proteus是英

42、国Labcenter electronics公司研发的EDA工具软件。PROTEUS不仅是模拟电路、数字电路、模/数混合电路的设计与仿真平台，更是目前世界上最先进、最完整的多种型号微控制器系统的设计与仿真平台。它真正实现了在计算机上完成了从原理图设计、电路分析与仿真、单片机代码级调试与仿真、系统测试与功能验证到形成PCB的完整的电子设计、研发过程7。此软件与KeilC51结合使用是设计更加简单方便，因此选用Proteus本次毕业设计的仿真软件。4.2系统软件设计思想根据系统设计的主要内容，对系统的功能要求做出如下结论：1.从键盘输入设定的温度值并显示。2.通过温度传感器检测到三个水管的温度，并

43、显示出口温水温度。3.通过单片机，比较设定的温度和出口温水温度是否一致，不一致就控制步进电机调节冷热水的进水量。对此要求进行系统的总体设计：当系统启动时，对系统进行初始化，然后设定所需的温度并通过数码管显示出来，然后对系统的出口水温进行检测并显示出来，把设定温度和出口检测温度的数据送到单片机处理单元进行处理，对温差进行判断，根据温差的情况进行调整系统的运行情况，看看是否要对混水阀门进行调整。依次思想进行循环。直至检测到系统停止信号，推出程序。总体系统流程图如图15：图15 系统总体流程图4.3 子程序描述及其流程图根据要完成的功能，其系统子程序包括：温度读取子程序、按键扫描子程序、步进电机驱动

44、控制子程序（升、降温控制）、温差判断子程序以及单片机的头文件定义。其总系统程序见附录1。4.3.1 温度读取子程序设计中需要采用3个DS18B20温度传感器进行温度的检测，并传送到单片机进行数据的处理。程序见附录3。读取DS18B20流程图如图16：图16 读取DS18B20 流程图4.3.2 键盘扫描子程序本程序主要是为了获取设定所需要的温度，以及启动和复位程序的按键。对按键进行扫描。其流程分为按键扫描和判定程序。程序见附录3。按键扫描程序其流程图如图17：判断是否有键按下延时并消抖判断按键位置再次判断是否有键按下NNYY开始返回图17 键盘扫描流程图4.3.3 步进电机升降温控制子程序升温控制子程序：该程序用于当设定温度高于出水口水温温度时，要想达到希望的温度必需增加热水的进水量（或者减少冷水的进水量），通过调节热水阀的步进电机来增大热水或者通过调节冷水阀的步进电机来减少冷水进水量来提高出水口水温。降温控制子程序：该程序用于当设定温度低于出水口水温温度时，要想带到希望的温度必需减少热水