家用電熱水器水溫的測量與控制設計正文

1、家用電熱水器水溫的測量與控制1簡介11功能介紹 當前，熱水器已成為日常生活中不可缺少的家用電器，設計制照更使用、更方便、更安全、更節(jié)能的熱水器是產(chǎn)品設計師和生產(chǎn)廠家不斷追去的目標?？鞜崾诫姛崴髋c普通電熱水器更大的區(qū)別在于它取消了儲水罐，熱水隨開隨用，無須預熱，減少了電能浪費。另外，它還既有體積小，使用安全，安裝方便等優(yōu)點。其設計要求如下：用2位數(shù)碼管顯示出水溫度，用1位數(shù)碼管顯示設定功率檔位。溫度檢測顯示范圍為0099，精確度為1。設置3個輕觸按鈕，分別為電源開關鍵、“”鍵和“”鍵。加熱功率分09檔，按“”鍵一次遞增至9檔，按“”鍵一次遞減至0。09檔功率依次為0、1/9p、2/9p、3/9

2、p、4/9p、5/9p、6/9p、7/9p、8/9p、和p。出水溫度超過65時停止加熱，并蜂鳴報警，溫度降到45以下時恢復。內(nèi)膽溫度超過105時停止加熱，防止干燒。12方法論證按快熱式電熱水器的功能要求，決定采用如下圖所示的模塊組成系統(tǒng)，主要包括電源電路、單機片控制器、溫度檢測電路、按鍵輸入電路、led數(shù)碼管顯示電路、報警電路和加熱控制電路。8031單片機溫度檢測按鍵輸入電源電路led顯示加熱控制蜂鳴報警過零檢測快熱式電熱水器系統(tǒng)組成框圖快熱式電熱水器為了達到“快熱”的效果，取消了儲水罐，使冷水在進入加熱管后立即被加熱，這就要求加熱管有較大的功率。家用電熱水器一般采用方便、可靠的電熱絲加熱方法

3、。根據(jù)熱學及流體力學原理，結合實際實驗室測試，可以得到水溫與流量、加熱功率之間的關系如表中所列水溫值和流量值可以滿足大多數(shù)家庭用戶使用要求。當最大的加熱功率為7.5kw時，按220v供電計算，電流約為34a，所以要求專線供電。水溫與流量、加熱功率的關系水流量溫度功率/kw22.533.544.547423634325.554484138356.562544642387.57060514641注：進水溫度為15，輸入電壓為ac220v.相關單位：水流量l/min;溫度；功率kw。對于加熱功率的控制，最簡單的方法是由若干不同功率的電熱絲組合得到幾種加熱功率，但由于快熱式熱水器的加熱功率較普通的大，

4、且單位設置較多，用電熱絲組合的方法需要幾組電熱絲和繼電器，成本增高且工作可靠性降低，所以比較理想的是采用可控硅控制功率，電路簡單又控制方便。溫度測量的方法較多，最經(jīng)典的方法就是用熱敏電阻（或熱敏傳感器）組成電橋來采集信號，再經(jīng)放大、a/d轉換后送單片機。目前比較先進的方法是采用專門的集成測溫傳感器（如ds18b20）,直接將溫度轉換成數(shù)字信號傳送給單片機。為了簡化電路，降低成本。本文采用了溫度/頻率轉換電路簡單可靠，成本低廉。2主要芯片及引腳功能介紹2.1 8031 8031單片機是intel公司生產(chǎn)的mcs-51系列單片機中的一種，除無片內(nèi)rom外，其余特性與mcs-51單片機基本一樣。在單

5、片機的40條引腳中有2條專用于主電源的引腳，2條外接晶體的引腳，4條控制或與其它電源復用的引腳，32條輸入/輸出（i/o）引腳。 下面按其引腳功能分為四部分敘述這40條引腳的功能。 主電源引腳vcc和vss vcc（40腳）接+5v電壓； vss（20腳）接地。 外接晶體引腳xtal1和xtal2 xtal1（19腳）接外部晶體的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構成了片內(nèi)振蕩器。當采用外部振蕩器時，對hmos單片機，此引腳應接地；對chmos單片機，此引腳作為驅動端。 xtal2（18腳）接外晶體的另一端。在單片機內(nèi)部，接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部

6、振蕩器時，對hmos單片機，該引腳接外部振蕩器的信號，即把外部振蕩器的信號直接接到內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端；對xhmos，此引腳應懸浮。 控制或與其它電源復用引腳rst/vpd、ale/prog、psen和ea/vpp rst/vpd（9腳）當振蕩器運行時，在此腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使單片機復位。推薦在此引腳與vss引腳之間連接一個約8.2k的下拉電阻，與vcc引腳之間連接一個約10f的電容，以保證可靠地復位。 vcc掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保證內(nèi)部ram的數(shù)據(jù)不丟失。當vcc主電源下掉到低于規(guī)定的電平，而vpd在其規(guī)定的電壓范圍（50.5v）內(nèi)，vpd就向內(nèi)部ram提供備用電

7、源。 ale/prog（30腳）：當訪問外部存貯器時，ale（允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ale端仍以不變的頻率周期性地出現(xiàn)正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。然而要注意的是，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ale脈沖。ale端可以驅動（吸收或輸出電流）8個ls型的ttl輸入電路。 對于eprom單片機（如8751），在eprom編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖（prog）。 psen（29腳）：此腳的輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。在從外部程序存儲器取指令（或常數(shù)）期間，每個機器周期兩次psen有效

8、。但在此期間，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的psen信號將不出現(xiàn)。psen同樣可以驅動（吸收或輸出）8個ls型的ttl輸入。 ea/vpp（引腳）：當ea端保持高電平時，訪問內(nèi)部程序存儲器，但在pc（程序計數(shù)器）值超過0fffh（對851/8751/80c51）或1fffh（對8052）時，將自動轉向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程序。當ea保持低電平時，則只訪問外部程序存儲器，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。對于常用的8031來說，無內(nèi)部程序存儲器，所以ea腳必須常接地，這樣才能只選擇外部程序存儲器。 對于eprom型的單片機（如8751），在eprom編程期間，此引腳也用于施加21v的編程電源（

9、vpp）。 輸入/輸出（i/o）引腳p0、p1、p2、p3（共32根） p0口（39腳至32腳）：是雙向8位三態(tài)i/o口，在外接存儲器時，與地址總線的低8位及數(shù)據(jù)總線復用，能以吸收電流的方式驅動8個ls型的ttl負載。 p1口（1腳至8腳）：是準雙向8位i/o口。由于這種接口輸出沒有高阻狀態(tài)，輸入也不能鎖存，故不是真正的雙向i/o口。p1口能驅動（吸收或輸出電流）4個ls型的ttl負載。對8052、8032，p1.0引腳的第二功能為t2定時/計數(shù)器的外部輸入，p1.1引腳的第二功能為t2ex捕捉、重裝觸發(fā)，即t2的外部控制端。對eprom編程和程序驗證時，它接收低8位地址。 p2口（21腳至2

10、8腳）：是準雙向8位i/o口。在訪問外部存儲器時，它可以作為擴展電路高8位地址總線送出高8位地址。在對eprom編程和程序驗證期間，它接收高8位地址。p2可以驅動（吸收或輸出電流）4個ls型的ttl負載。 p3口（10腳至17腳）：是準雙向8位i/o口，在mcs-51中，這8個引腳還用于專門功能，是復用雙功能口。p3能驅動（吸收或輸出電流）4個ls型的ttl負載。 作為第一功能使用時，就作為普通i/o口用，功能和操作方法與p1口相同。 作為第二功能使用時，各引腳的定義如下所示。 口線引腳 第二功能 p3.0 10 rxd（串行輸入口） p3.1 11 txd（串行輸出口） p3.2 12 in

11、t0（外部中斷0） p3.3 13 int1（外部中斷1） p3.414 t0（定時器0外部輸入） p3.5 15 t1（定時器1外部輸入） p3.616 wr（外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖） p3.7 17 rd（外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖）值得強調的是，p3口的每一條引腳均可獨立定義為第一功能的輸入輸出或第二功能。2.2 外部存儲器2764 2764 eprom是具有28根引腳的雙列直插式器件，圖中給出其引腳排列圖。2764具有8k（10248）字節(jié)容量， 共需要有13根地址線（213=8192） a12a0進行尋址，加上8條數(shù)據(jù)線d7d0、一條片選信號線ce、一條數(shù)據(jù)輸出選通線oe、一條編程電源線vp

12、p及編程脈沖輸入線pgm， 另外有一條正電源線ucc及接地線gnd，其第26號引腳為nc，使用時應接高電平。在非編程狀態(tài)時upp及pgm端應接高電平。其中片選信號為保證多片存貯系統(tǒng)中地址的正確選擇，數(shù)據(jù)輸出選通線保證時序的配合，編程電源線及編程脈沖輸入線可實現(xiàn)程序的電編程。 upp 1 28 ucc a12 2 27 pgm a7 3 26 nc a6 4 25 a8 a5 5 24 a9 a4 6 23 a11 a3 7 2764 22 oe a2 8 21 a10 a1 9 20 ce a0 10 19 d7 d0 11 18 d6 d1 12 17 d5 d2 13 16 d4 gnd

13、14 15 d3 2764 引腳排列圖2764芯片由單一正5v電源供電，工作電流100ma，維持電流50ma，讀出時間最大為250ns，是一種高速大容量eprom存貯器。其工作方式見下表。2764的工作方式引 腳方 式ce（20）oe（22）pgm（27）upp（1）ucc（28）輸 出d7d0讀00+5+5+5數(shù)據(jù)輸出維 持+5v+5+5高 阻 態(tài)編 程00pp+5數(shù)據(jù)輸入編程校驗005vpp+5數(shù)據(jù)輸出編程禁止+5vpp+5高 阻 態(tài)2.3地址鎖存器74ls373 74ls373為三態(tài)輸出的八d透明鎖存器,輸出端o0-o7可直接與總線相連。當三態(tài)允許控制端oe為低電平時，o0-o7為正常邏

14、輯狀態(tài)，可用來驅動負載或總線。當oe為高電平時，o0-o7呈高阻態(tài)，即不驅動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當鎖存允許端le為高電平時，o隨數(shù)據(jù)d而變。當le為低電平時，o被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當le端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善400mv。 373引出端符號： d0d7-數(shù)據(jù)輸入端oe-三態(tài)允許控制端（低電平有效） le-鎖存允許端 q0-q7-輸出端 2.4移位寄存器74ls16474ls164為ttl單向8位移位寄存器，可實現(xiàn)串行輸入，并行輸出。其中a.b（第1、2腳）為串行數(shù)據(jù)輸入端，2個引腳按邏輯與運算規(guī)律輸入信號，共一個輸入信

15、號時可并接。clock（第8腳）為時鐘輸入端，可連接到串行口的txd端。clear（第9腳）為復位端，當r=0時，移位寄存器各位復0，只有當r=1時，時鐘脈沖才起作用。q1q8（第3-6和10-13引腳）并行輸出端可分別接led顯示器的ha各段對應的引腳上。每一個時鐘信號的上升沿加到clock 端時，移位寄存器移一位，8個時鐘脈沖過后，8位二進制數(shù)全部移入74ls164中。在給出了8個脈沖后，最先進入74ls164的第一個數(shù)據(jù)到達了最高位。2.5數(shù)據(jù)鎖存器74ls273是8位鎖存器，內(nèi)部包含了8個d觸發(fā)器。其引線圖及真值表如下：d0d7：8位數(shù)據(jù)輸入端q0q7：8位數(shù)據(jù)輸出端s：復位端，低電平

16、有效cp：脈沖輸入端，在每個脈沖的上升沿將輸入端di的狀態(tài)所存在qi輸出端，并將此狀態(tài)保持到下一個時鐘脈沖的上升沿。3系統(tǒng)硬件電路設計快熱式熱水器控制系統(tǒng)電路由7部分電路組成：單片機系統(tǒng)及外圍電路、電源電路、按鍵輸入電路、led數(shù)碼管顯示電路、報警電路、加熱控制電路和溫度檢測電路。3.1 單片機系統(tǒng)及外圍電路單片機是一個最小應用系統(tǒng)，但是，由于應用系統(tǒng)中有一些功能器件無法集成到芯片內(nèi)部，如晶振電路、復位電路等，需要在芯片外加接相應的電路。另外，應該跟據(jù)單片機的具體運行情況配置片外存儲器。 3.1.1晶振電路單片機雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外部附加電路，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在x1

17、和x2引腳上外接定時元件，內(nèi)部的電路便產(chǎn)生自激振蕩。在本設計中，采用外接晶體與電容組成的并聯(lián)諧振回路來實現(xiàn)內(nèi)部振蕩器產(chǎn)生單晶片工作所需的時鐘信號。3.1.2復位電路在本設計中，采用上電復位電路，在上電瞬間，rc電路充電，reset引腳端出現(xiàn)脈沖，只要reset引腳保持10ms以上高電平，則單片機能有效復位。3.1.3存儲器的擴展在設計的溫度檢測與控制系統(tǒng)中，選用的主芯片為8031，其內(nèi)部沒有程序存儲器，所以必須在芯片外部進行程序存儲器的擴展，在本設計中，eprom選擇2764。因為8031內(nèi)部裝有數(shù)據(jù)存儲器，在本系統(tǒng)中，需要處理的數(shù)據(jù)量不大，所以沒有對系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)存儲器的擴展。由于8031單片

18、機的 p0口是分時復用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此在進行程序存儲器擴展時，必須利用地址鎖存器將地址信號從地址/數(shù)據(jù)總線中分離出來。下面對系統(tǒng)進行程序存儲器的擴展，2764與單片機的連接如下圖所示：如圖，2764中的a0-a7地址輸入線與地址鎖存器74ls373相連，a8-a12這5根地址輸入線與8031的p2口的p2.0-p2.4直接相連，2764的q0-q7與8031的p0口相連，輸出允許端oe與8031的psen相連，外部程序存儲器選端接地，將74ls373的ce接地、g腳接8031的ale信號。在ale降為低電平時，p0口低八位地址被74ls373鎖存保持。3.2 溫度檢測控制電路3.2.1溫

19、度檢測電路選擇 溫度檢測電路主要任務就是將溫度信號轉化為電信號，我們設計了三種方案可供選擇。 方案一 使用熱敏電阻之類的器件利用其感溫效應，將溫度信號轉換成電壓或電流信號采集過來，進行a/d轉換后傳給單片機。方案二 利用反相器組成的rc多諧振蕩器作溫度/頻率轉換電路，直接將溫度信號轉換成頻率信號，用單片機測出頻率大小從而間接測出溫度值。方案三 利用集成測溫傳感器（如ds18b20），直接將溫度轉換成數(shù)字信號傳給單片機。在以上三個方案中，方案一需要用到a/d轉換電路、感溫電路，比較麻煩，成本較高。方案三需要用到集成測溫傳感器，成本也較高。方案二硬件電路最為簡單、可靠，批量生產(chǎn)成本最低，故在此設計

20、中采用方案二，即用溫度/頻率轉換電路。3.2.2傳感器選擇常用的溫度檢測元件主要有熱電偶、熱電阻、熱敏電阻等。熱電偶主要是利用兩種不同金屬的熱電效應，產(chǎn)生接觸電勢隨溫度變化而變化，從而達到測溫的目的。測溫范圍寬(-1802800攝氏度)，測量準確，尤其是在高溫區(qū)比其他類型傳感器有更高測量精度，價格適中，線性度較好。但其輸出電壓受冷端溫度影響，需要進行冷端溫度補償，使電路變得復雜，且在0100攝氏度內(nèi)測量精度不如熱敏電阻，在本設計中并非最佳方案。熱電阻是利用金屬的電阻率隨溫度變化而變化的特性，將溫度量轉化成電阻量。其優(yōu)點是準確度高，穩(wěn)定性高，性能可靠，熱慣性小、復現(xiàn)性好。鉑電阻物理化學性質穩(wěn)定但

21、價格較高，銅電阻價格便宜但化學性質活潑，易氧化，都不易選用。熱敏電阻由金屬氧化物或半導體材料制成，利用其電阻隨溫度變化而變化的特征來測量溫度，測溫范圍在-50150攝氏度，靈敏度高、熱惰性小響應快、壽命長、體積小、價格便宜。但電阻值與溫度是非線性關系，給較寬溫區(qū)標度變換帶來一定困難但可利用內(nèi)部程序加以解決。在此設計中我們選用mf52型珠狀ntc熱敏電阻（mf52eb:標稱電阻r=1000歐姆，材料常數(shù)b=3270k，工作溫度范圍-40+150攝氏度）。3.2.3rc環(huán)形多諧振蕩器構成與工作原理rc環(huán)形多諧振蕩器是在由三個反相器組成的振蕩電路中加入rc環(huán)路，如圖所示。它不但增大了環(huán)路延遲時間，降

22、低了振蕩頻率，而且通過改變rc的數(shù)值可以調節(jié)振蕩頻率。其中rs是限流電阻，值不大，約100歐姆。由于加入rc環(huán)路電路的振蕩周期大大增加，邏輯門電路的傳輸延遲時間同其相比可忽略， rc環(huán)形多諧振蕩器工作過程如下： 第一個暫穩(wěn)狀態(tài)（t1t2）設在t1時 uo由0上跳到1，則 ua由1下跳到0、 ub由0上跳到1。根據(jù)電容c的電壓不能躍變的特點知必定引起一個rc電路的暫態(tài)過程。 首先，uc必定跟隨ua下跳。這個負跳變保持uo為1。其次，由于ub為高電平、uc為低電平，故有電流通過電阻r對電容c進行充電，并使uc逐漸上升。在t2時uc上升到門電路的閾值電壓ut，使uo由1下跳到0，則ua由0上跳到1，

23、ub由1下跳到0。 第二個暫穩(wěn)狀態(tài)（t2t3）首先，和第一個暫穩(wěn)狀態(tài)相似，各門電路的狀態(tài)發(fā)生上述翻轉后，由于電容電壓不能躍變之故，uc必定跟隨ua上跳。這個正跳變保持uo為0。其次，由于ub為低電平、uc為高電平，電容c經(jīng)r及g2門開始放電，并使uc逐漸下降。在t3時uc下降到ut，使uo又由0上跳到1，開始重復第一個暫穩(wěn)狀態(tài)。uouaubuct1t2t3由于電容c的充、放電在自動地進行，故在輸出端uo得到連續(xù)的方波，各點波形如圖。其頻率由電容的充放電的時間常數(shù)決定。經(jīng)過估算，震蕩頻率f=1.1rc。3.3電源電路本設計中，采用了電壓穩(wěn)定的直流電源供電。小功率穩(wěn)壓電源的組成可以用圖表示，它是由

24、電源變壓器、整流、濾波和穩(wěn)壓電路等四部分組成。電源變壓器是將交流電網(wǎng)220v的電壓變?yōu)樗枰碾妷褐?，然后通過整流電路將交流電壓變成脈動的直流電壓。由于此脈動的直流還含有較大的紋波，必須通過濾波電路加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。但這樣的電壓還隨電網(wǎng)電壓波動、負載和溫度的變化而變化。因而在整流、濾波電路之后，還需要接穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路的作用是當電網(wǎng)電壓波動、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓穩(wěn)定。3.3.1整流電路整流電路的任務是將交流電變換成直流電。完成這一任務主要是靠二極管的單向導電作用，因此二極管是構成整流電路的關鍵元件。在小功率（1kw以下）整流電路中，常見的幾種整流電路有單相半波、

25、全波、橋式和倍壓整流電路。本設計中采用的是單相橋式整流電路。電路如圖所示，圖中t1為電源變壓器，他的作用是將交流電網(wǎng)220v電壓變成整流電路要求的交流電壓。四只整流二極管結成電橋形式。橋式整流電路的優(yōu)點是輸出電壓高，紋波電壓小，管子所承受的最大反向電壓較低，同時因電源變壓器在正、負半周內(nèi)都有電源供給負載，電源變壓器得到充分的利用，效率較高。濾波電路用于濾除整流輸出電壓中的紋波，一般由電抗元件組成，如在負載電阻兩端并聯(lián)電容器c，或在整流電路輸出端與負載間串聯(lián)電感器l，以及由電容、電感組合而成的各種復式濾波電路。由于電抗元件在電路中有儲能作用，并聯(lián)的電容器c在電源供給的電壓升高時，能把部分能量存儲

26、起來，而當電源電壓降低時，就把電場能量釋放出來，使負載電壓比較平滑，即電容c具有平波的作用；與負載串聯(lián)的電感l(wèi)，當帶能源供給的電流增加時，它把能量存儲起來，而當電流減小時，又把磁場能量釋放出來，使負載電流比較平滑，即電感l(wèi)也有平波的作用。濾波電路分為電容輸入式（電容器c接在最前面）和電感輸入式（電感器l接在最前面）。本設計屬于小功率電源，因而采用電容輸入式。3.3.2穩(wěn)壓電路電子設備中常使用輸出電壓固定的集成穩(wěn)壓器。由于它只有輸入、輸出和公共引出端，故稱之為三端穩(wěn)壓器。三段穩(wěn)壓器由啟動電路、基準電路、取樣比較放大電路、調整電路和保護電路等部分組成。本設計中采用的就是輸出電壓固定的穩(wěn)壓器（780

27、5）。圖中電路靠近引腳處介入電容c5、c9用來實現(xiàn)頻率補償，防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激振蕩和抑制電路引入的高頻干擾，c6是點解電容，以減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。3.4加熱控制電路如圖所示為加熱控制電路原理圖，電熱絲的加熱功率由雙向可控硅控制，單片機通過光耦（moc3023）給可控硅觸發(fā)信號，控制可控硅的導通角，從而控制電熱絲的有效加熱功率。為了在關機和超溫保護的狀態(tài)下能可靠地關斷加熱電源，電路中加入了繼電器來控制加熱電源。其中串聯(lián)在繼電器線圈回路的熔絲為105時，熱保險絲會熔斷，防止加熱管干燒。與電熱絲并聯(lián)的led發(fā)光管用來指示電熱絲的工作狀態(tài)。主要器件介紹光控晶閘管光控晶閘管是

28、一種利用一定波長的光照信號作為觸發(fā)信號的晶閘管。如圖5。由于光信號和電信號有很好的隔離作用，絕緣性和抗干擾性優(yōu)越，所以光控晶閘管常用于高電壓電路中，如高壓直流輸電。雙向晶閘管（雙向可控硅）在交流電力控制電路中，為了對波形的正、負半周都進行控制，需要兩只普通晶閘管的反并聯(lián)結構。如圖4。雙向晶閘管具有正、負兩個方向的導同性，可以看成是一對反并聯(lián)的普通晶閘管，但其具有觸發(fā)電路簡單、工作穩(wěn)定可靠的優(yōu)點。固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器是一種無觸點通斷功率型電子開關，又名固態(tài)開關，當施加觸發(fā)信號后其回路呈導通狀態(tài)，無信號時呈阻斷狀態(tài)。它沒有任何可動部件或點，實現(xiàn)了具有電磁繼電器的功能。隨著半導體技術的不斷發(fā)展，固態(tài)

29、開關性能不斷提高，價格不斷下降，在單片機應用系統(tǒng)中也更加廣泛。固態(tài)繼電器不僅實現(xiàn)了小信號對大電流功率負載的開關控制，而且還具有隔離功能。光耦器件 光耦器件也成為光電耦合器或著光電隔離器，它是一種以光為中間媒介來傳輸電信號的器件，通常把發(fā)光器件和光檢測器封裝在管殼內(nèi)。當輸入端加電信號時，發(fā)光器件發(fā)出光信號，光檢測接收到光信號后就產(chǎn)生光電流，從輸出端輸出，從而實現(xiàn)了“電光電”轉換。光電耦合器之所以能在傳輸信號的同時有效地抑制間脈沖和各種噪聲干擾，大大提高通道上的信噪比，其主要原因如下：.光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百毆，而干擾源阻抗較大，通常為幾百千歐。有分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，

30、但饋送到光電耦合器輸入端的噪聲電壓很小，只能形成微弱的電流，由于沒有足夠的能量而不能使二極管發(fā)光，從而被抑制。.光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯(lián)系，也沒有共地，之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此回路一側的各種干擾噪聲都很難通過光電耦合器饋送到另一側，避免共阻抗耦合的干擾信號的產(chǎn)生。光電耦合器的主要優(yōu)點是單向傳輸信號，輸入端和輸出端完全實現(xiàn)了電器隔離，抗干擾能力強，使用壽命長。光電耦合器還適用于對響應速度要求很高的場合，它的響應速度快。3.5過零檢測電路可控硅出觸發(fā)信號中需要對市電進行過零檢測，以實現(xiàn)觸發(fā)脈沖的相位延時。本電路中是利用三極管8050和一個“非”門實現(xiàn)過零檢測的

31、，電路如圖所示。3.6獨立式鍵盤接口設計獨立式按鍵就是各按鍵相互獨立。每個按鍵各接一根輸入線，可直接與cpu的i/o口相接，一根輸入線上的按鍵工作狀態(tài)不會影響其他輸入線上的工作狀態(tài)。因此通過檢測輸入線上的電平狀態(tài)可以很容易判斷哪個按鍵被按下了。獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結構簡單。但每個按鍵占用一根輸入口線，在按鍵數(shù)量較多時輸入口浪費大，故此種鍵盤適用于按鍵較少或操作速度較高的場合。3.7led顯示及其接口電路線led顯示塊是由二極管顯示字段組成的顯示器。這種顯示塊有共陽極和共陰極兩種組成。本設計采用共陽極設計，共陽極led顯示塊的發(fā)光二極管的陽極連接在一起，此公共陽極接正電壓。當某個發(fā)光二極

32、管的陰極接低電平，發(fā)光二極管被點亮，相應的段被點亮。在單片機應用系統(tǒng)中，顯示器顯示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示。所謂靜態(tài)顯示，就是每一個顯示器都要占用單獨的具有鎖存功能的i/o接口用于筆劃段字形代碼。這樣單片機只要把要顯示的字形代碼發(fā)送到接口電路，就不用管它了，直到要顯示新的數(shù)據(jù)時，再發(fā)送新的字形碼，因此，使用這種方法單片機中cpu的開銷小,占用i/o資源較多；需要大量的硬件來實現(xiàn)鎖存，代價昂貴，本設計中采用動態(tài)顯示，將所有的段選線（數(shù)據(jù)線）并聯(lián)在一起，由一個8位的接口電路控制，而共陽極點分別由相應的8031的i/o口線控制。位選碼控制i/o口在該顯示位送入選通電平以保證該位顯示相應字

33、符。如此輪流，使每位顯示該位應顯字符，并保持延時一段時間，即逐個地循環(huán)點亮各位顯示器。當掃描頻率足夠高時，利用人眼的視覺殘留效應（約幾十毫秒），看起來如同全部顯示器同時顯示一樣，以達到顯示的目的。由于8031做外部存儲器擴展后剩余i/o接口不多，故本設計利用8031的串行口顯示接口，使用口資源比較少，只用p3口的rxd和txd應用8031的串行口方式0的輸出方式，在串行口外接8位位移寄存器74ls164構成顯示器接口。位移寄存器74ls164的qaqh口作為8位led的段碼輸出口。當8031串行口工作在方式0的發(fā)送狀態(tài)時，串行數(shù)據(jù)由p3.0(rxp)送出，位移時鐘由p3.1(txd)送出。在位

34、移時鐘作用下，串行口發(fā)送緩沖器的數(shù)據(jù)一位一位地從p3.0移入74ls164中。但是，由于74ls164并無輸出控制端，因而在串行輸出過程中，其輸出端的狀態(tài)會不斷變化，故在此設計中在74ls164的輸出端應加接三態(tài)門或所存器控制，以便保證串行輸入結束后再輸出數(shù)據(jù)。我們選用8位鎖存器74ls273控制位移寄存器輸出。其數(shù)據(jù)輸入端（d0d7）接位移寄存器輸出端（q0q7），脈沖輸入端cp由8031的p3.4控制。當8位led的段碼輸完后，在cp輸入一上升沿將輸入端d0d7的狀態(tài)鎖存在q0q7輸出端點亮相應的led，并將此狀態(tài)保持到下一個時鐘脈沖的上升沿。3.8報警電路在本設計中，采用單頻音報警電路，

35、其發(fā)音元件采用壓電蜂鳴器，這種蜂鳴器只需在其兩引線上加3-15v的直流電壓，就能產(chǎn)生3khz左右的蜂鳴振蕩音響，適合在單片機應用系統(tǒng)中使用。p1.5接晶體管基極輸入端，當p1.5輸出低電平“0”時，晶體管導通，壓電蜂鳴器獲得電壓而發(fā)出報警鳴音，p1.5輸出高電平“1”時，三極管退出導通狀態(tài)，蜂鳴器停止發(fā)音。4系統(tǒng)程序的設計根據(jù)軟件部分設計思路，根據(jù)應用系統(tǒng)的功能要求編寫程序分為如下：（1）首先確定一些常數(shù)、地址。這些常數(shù)、地址在設計硬件階段已被直接或間接地確定下來。如當某器件的連線設計好后，其端口地址就確定了，當器件的功能被確定下來后，其控制字也就確定了。（2）在pc機上編寫用戶程序。（3）運

36、行仿真軟件，對源程序進行匯編，查錯，形成機器碼。 由于條件限制，根據(jù)設計要求思想，我們只針對硬件設計中確定的常數(shù)、地址完成幾個程序的設計。具體為主程序設計和加熱控制程序設計。而運行仿真軟件部分，以及燒寫到芯片上等步驟都不在本設計中出現(xiàn)。 在程序編寫過程中，可以采用匯編語言或c語言兩種高級語言來完成。匯編語言即是指用助記符形式的指令來編寫程序。具有結構簡單，執(zhí)行速度快，程序易于優(yōu)化，編譯時占用存儲空間少的優(yōu)點。但是，其可讀性差，需要熟悉指令系統(tǒng)，編者要有一定的程序設計經(jīng)驗。而對于c語言來說，雖然其程序實時性不強，機構不夠緊湊，且編譯后占用存儲空間比較大，但由于其程序可讀性高，通用性強，適用于不熟

37、悉單片機的指令系統(tǒng)的用戶。所以，我們決定采用c語言來進行程序設計。按快熱式熱水器的功能，系統(tǒng)程序必須實現(xiàn)顯示掃描、按鍵掃描處理、加熱控制和溫度檢測（包括超溫報警）4項任務。51系列單片機實現(xiàn)多任務運行的方法就是分時復用，在程序設計時要相應的分配好各任務的cpu占用時間。對于以上幾個任務稍加分析可以看出，顯示掃描和加熱控制任務相對而言有實時要求，而溫度檢測任務則可以用定時（0.51s）實現(xiàn)。4.1 主程序系統(tǒng)在上電復位后，先對溫度寄存器、檔位寄存器賦默認值，并進行清除超溫標志，設置定時器及中斷系統(tǒng)的工作方式等初始化工作。由于51系列單片機沒有停機指令，所以可以利用主程序設置死循環(huán)反復運行各個任務

38、。把有實時要求的子程序（顯示掃描、按鍵掃描、加熱控制）放在最內(nèi)層的循環(huán)中，計算其運行一次占用的cpu時間，然后根據(jù)溫度檢測定時的間隔時間，計算出該循環(huán)的循環(huán)次數(shù)。本例中每運行一次有實時要求的子程序（即顯示掃描、按鍵掃描、加熱控制）約占用5mscpu時間，運行測溫子程序的時間間隔為0.5s，那么循環(huán)次數(shù)應為100次。4.1.1主程序流程圖開 始系統(tǒng)初始化按鍵掃描顯示掃描完成100次循環(huán)？溫度檢測刷新顯示溫度、檔位加熱控制4.1.2 主程序清單以下是快熱式電熱水器控制程序的主程序部分。第一部分為整個程序的函數(shù)聲明以及變量定義。/*-快熱式熱水器程序mcu 8031 xal 12mhz-*/ #in

39、clude /源程序文件需要包含其他源程序文件時，應在本程序頭包含8031的sfr寄存器#includevoid delay(unsigned int ); /延時函數(shù)void display(void); /顯示函數(shù)unsigned char keyscan(void); /按鍵掃描處理函數(shù)void heatctrl(void); /加熱控制函數(shù)void temptest(void); /測溫函數(shù)sbit swkey = p1o; /開關鍵sbit upkey = p11; /加熱檔位“+”鍵 sbit downkey = p12; /加熱檔位“-”鍵sbit buzz = p15; /蜂鳴

40、器輸出端sbit triac = p16; /可控硅出發(fā)信號輸出端sbit relay = p17; /繼電器控制信號輸出端 signed char data ctemp; /當前測得水溫寄存器unsigned char data dispram3=0x10,0x10,0x10; /顯示區(qū)緩存unsigned char data heatpower,px0count; /加熱檔位寄存器、外中斷0計數(shù)器bit tempov; /超溫標志/*-主函數(shù) void main(void)無參數(shù)，無返回值循環(huán)調用按鍵掃描、顯示掃描和加熱控制函數(shù)-*/void main(void) unsigned cha

41、r i; ctemp = 15; /初始化水溫寄存器heatpower = 5; /初始化加熱檔位為5檔tempov = 0; /清除超溫標志swkey =0; /默認開關鍵被按下，進入待機tmod = 0x11; /設定t0和t1工作方式為16位定時器 tcon = 0x05; /設置外中斷0和1為下降沿觸發(fā)ip = 0x01; /設置外中斷0優(yōu)先 ie = 0x80; /打開總中斷while (1) for(i=0;i送顯示段碼選通并延時2ms改變位選字消隱4.4按鍵掃描處理子程序 按鍵掃描子程序負責逐個掃描檔位“+”鍵、檔位“-”鍵和開關鍵是否被按下，若有按鍵被按下，則作出相應處理。4.

42、5溫度檢測程序溫度檢測程序的基本原理就是將溫度/頻率轉換電路測得的頻率與事先建立好的溫度/頻率表進行比較，查出與該頻率相應的溫度值。在實驗測試后建立的溫度/頻率表是0100c溫度所對應的頻率值。它是一個頻率對應于溫度遞減的非線性函數(shù)，在c語言中用一個一維數(shù)組tab101來表示，下標為溫度，數(shù)組元素為頻率值。計算溫度的方法采用高效、準確的二分法查表。5系統(tǒng)的抗干擾措施在設計微型機時，應注意總線的驅動能力；總線的終端負載；防止總線競爭；在有干擾時，采取措施，保證微型機正常工作。在微型機電路板設計時，應遵循數(shù)字電路板設計的原則。各芯片的電源到地之間加濾波電容；芯片不用的輸入端應小心處理，不要懸空；采用加阻尼的辦法減少信號的輻射。對于開關信號的隔離，是比較容易做到且代價不高。例如，使用光電隔離器或使用繼電器都可以。應采用濾波電容，引線盡可能短，平行走向的引線不要太長，以減小沖擊電流的影響。(1)電源電路的抗干擾措施采用性能好的穩(wěn)壓電源。目前，最常用串聯(lián)調整穩(wěn)壓的電源或開關式穩(wěn)壓電源。無論采用哪一種，都必須消除自激，減小波紋，抑制在穩(wěn)壓電源中出現(xiàn)的噪聲，使它既不能引入外來的干擾，又保證自身不產(chǎn)生干擾。(2)光電耦合隔離措施采用光電耦合可以將主機與前向、后向以及其他主機部分切斷電路