基于單片機(jī)的太陽能熱水器畢業(yè)設(shè)計論文

1、摘要本文提出了一種以MCS51系列單片機(jī)8051為主要控制芯片，輔之以其他功能芯片對太陽能熱水器進(jìn)行控制的設(shè)計方案，使太陽能熱水器使用起來更加方便、安全。本設(shè)計采用的是8051單片機(jī)，其內(nèi)部ROM容量為256B，對于本設(shè)計，無須外部擴(kuò)展存儲器。除了8051，本設(shè)計還用到一些重要的外部功能器件，如采用AD轉(zhuǎn)換器0809來實(shí)現(xiàn)溫度和水位信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換，還有可編程輸入輸出接口8255來實(shí)現(xiàn)鍵盤和顯示器接口。鍵盤由四個按鍵來設(shè)置水溫或水位，用六位LED顯示器分別顯示水溫和水位。本設(shè)計充分利用8051單片機(jī)系統(tǒng)的三總線控制，即數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線的設(shè)計方式，為應(yīng)用系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。通過對

2、8051單片機(jī)的外部功能擴(kuò)展使系統(tǒng)具有自動上水與保溫的功能，還能自動驅(qū)動加熱及上水裝置來滿足系統(tǒng)的設(shè)置，使用起來安全可靠。此外，設(shè)計方案中還考慮了一些抗干擾措施，例如采用光電隔離器4N25使輸入輸出有效隔離，采用硬件去抖動措施解決按鍵抖動的問題等等。本文闡述了此應(yīng)用系統(tǒng)的工作原理，并給出部分硬件及軟件框圖。關(guān)鍵字： 單片機(jī)，溫度控制，水位控制ABSTRACTThis paper presents a kind of design about controlling solar energy water-heater with 8051 and other external facility,

3、making solar energy water-heater more conveni- ency.What this design adopt is 8051, with four thousand units of internal RAM capacity and two hundred and fifty-six units of internal ROM capacity which include the special function register. For this design, it has no necessary to expand external memo

4、rizer. Besides 8051,this design still uses some important external interface facility. For example, I adopt conversion 0809 to realize the transform of water temperature and water level. Furthermore, I control the key-set and display with programmable interface 8255. The design makes use of the thre

5、e-bus-mastering namely total line of data, total line of address and total line of control adequately. So it is easy to realize the function of system. In addition, this design includes some correlative measure of the antiinterferen-ce. For example, I adopt light electricity of partition 4N25 to ins

6、ulate input signal and output signal. I still make use of hardware to solve the problem o-f keys dithering and so on.This paper have expounded the principle of the application system and offered p- artial hardware diagram and software diagram. KEY WORDS： signal-chip processor, temperature-control, w

7、ater lever-control目 錄前言1第一章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計31.1設(shè)計思路31.2設(shè)計總框圖4第二章 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計52.1數(shù)據(jù)采集52.1.1溫度傳感器AD59052.1.2水位傳感器62.1.3采樣保持器92.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換102.2.1AD轉(zhuǎn)換概述 102.2.2ADC0809112.3 MCS-51系列單片機(jī)805113 2.3.1單片機(jī)概述 132.3.2單片機(jī)8051142.4LED數(shù)碼顯示與鍵盤162.4.1可編程并行接口8255172.4.2 6位LED數(shù)碼顯示與鍵盤182.5輸出驅(qū)動與執(zhí)行機(jī)構(gòu)192.5.1加熱器的電路連接與分析192.5.2達(dá)林頓管的原理及應(yīng)用

8、202.5.3上水閥的驅(qū)動電路分析212.6 系統(tǒng)的硬件抗干擾設(shè)計212.6.1按鍵消抖措施212.6.2光電隔離的應(yīng)用23第三章系統(tǒng)軟件部分設(shè)計243.1主程序流程圖243.2 部分中斷服務(wù)程序與子程序25 3.2.1 8255初始化253.2.2 AD轉(zhuǎn)換程序263.2.3 LED數(shù)碼顯示程序283.2.4 鍵盤掃描子程序28結(jié)論31致謝32參考文獻(xiàn)33附錄前言目前，單片機(jī)已進(jìn)入人類生活的各個領(lǐng)域，如家用電器的冰箱、洗衣機(jī)、空調(diào)等，由于配上了單片機(jī)，增加了功能，實(shí)現(xiàn)了智能化，使人類生活更加方便。為了適應(yīng)不同產(chǎn)品對單片機(jī)的不同要求，半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家生產(chǎn)出了各種規(guī)格的單片機(jī)。MCS51系列單片機(jī)

9、是Intel公司繼MCS48系列之后推出的功能更強(qiáng)、速度更快的8位高檔單片微機(jī)系列，更適用于各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)、智能化系統(tǒng)。近幾年來，MCS51系列單片機(jī)的開發(fā)應(yīng)用深受各個應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)注和重視，應(yīng)用十分廣泛，發(fā)展極快，特別是8051，在國內(nèi)是應(yīng)用最多、影響最大的單片機(jī)。本設(shè)計就是以8051單片機(jī)為主要控制芯片，輔之以其他外設(shè)及功能部件，對太陽能熱水器工作進(jìn)行控制。目前，太陽能熱水器以其安全、節(jié)能、無污染等優(yōu)點(diǎn)受到越來越多的消費(fèi)者的歡迎。但太陽能熱水器也存在一些缺點(diǎn)，如陰雨天無法使用，不能顯示水溫水位，無法自動上水，不能根據(jù)用戶的要求設(shè)置水溫水位等，通常須采用太陽能加熱和電加熱相結(jié)合的方式來解決

10、陰雨天的使用問題。這就需要設(shè)計一套控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)自動電加熱，同時用這套系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動上水、保溫和水溫水位的檢測和顯示。本設(shè)計的目的是設(shè)計適于日常應(yīng)用的能自動上水的太陽能熱水器，要求能自動檢測水的溫度和水位；當(dāng)水位低于30L自動上水；水溫未達(dá)到設(shè)定值而又長時間無變化，系統(tǒng)自動啟動電加熱器將水加熱到設(shè)定溫度，當(dāng)用戶按下加熱鍵時系統(tǒng)也可啟動電加熱器將水加熱到設(shè)定溫度，水溫達(dá)到設(shè)定值后系統(tǒng)自動進(jìn)入保溫狀態(tài)。本設(shè)計的技術(shù)要求是利用LED顯示水溫水位；四個按鍵設(shè)置水溫/水位；A/D轉(zhuǎn)換模塊；上水裝置，電加熱裝置；要求本系統(tǒng)具有較高的抗干擾性、實(shí)時性、能根據(jù)檢測數(shù)據(jù)迅速做出處理。在電子與自動化雜志1998年第

11、5期的內(nèi)容中提到了關(guān)于太陽能熱水器單片機(jī)的控制設(shè)計，其采用的是美國Microchip公司的高性能單片機(jī)PIC16C73，是一種以CMOS工藝制造的具有很高的性能價格比的單片機(jī)，其本身資源：精簡指令的CPU；4KROM；8位A/D等，由于PIC16C73的高性能，所以其太陽能熱水器系統(tǒng)設(shè)計簡單，性能優(yōu)良，工作可靠且成本較低。而本設(shè)計要采用的是MCS51系列單片機(jī)8051，其內(nèi)部ROM為4KB，內(nèi)部RAM為256B（包括特殊功能寄存器），由于其不象PIC16C73那樣自身帶有A/D轉(zhuǎn)換功能，所以要接A/D轉(zhuǎn)換器，以實(shí)現(xiàn)溫度和水位信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換。另外，由于本設(shè)計要用到6位LED顯示器及四個功能按鍵，

12、故采用一片可編程輸入輸出接口芯片8255來實(shí)現(xiàn)這部分的設(shè)計。此外，本設(shè)計方案還考慮了抗干擾措施，如光電隔離、鍵盤消抖等，將在后面詳細(xì)闡述。本系統(tǒng)充分利用了8051單片機(jī)的各種資源，使系統(tǒng)使用方便，安全可靠，克服了太陽能熱水器的一些缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了其運(yùn)行的自動化。第一章 系統(tǒng)總體設(shè)計方案1.1 設(shè)計思路本次設(shè)計的目的是設(shè)計一個太陽能熱水器單片機(jī)控制系統(tǒng)?，F(xiàn)在一般的太陽能熱水器雖然有著不少優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)能、無污染、安全方便等，但在實(shí)際應(yīng)用中也存在著一些缺點(diǎn)，如陰雨天無法使用、無自動上水功能、不顯示水溫水位等等。為了解決上述存在的問題，比較理想的方案就是采用單片機(jī)作為應(yīng)用系統(tǒng)的主控芯片，利用其強(qiáng)大的控制能力

13、和豐富的資源，通過連接各種功能外設(shè)，使系統(tǒng)能正確、有效地完成服務(wù)。在此，我將系統(tǒng)的設(shè)計分為兩大部分，即硬件設(shè)計部分和軟件設(shè)計部分。在硬件部分中，主要解決系統(tǒng)的硬件連接與各功能的分配，各部分的地址分配也被分到硬件部分里。在軟件部分中，則具體分析系統(tǒng)的工作流程，編出部分子程序和中斷服務(wù)程序。1.2 設(shè)計總框圖系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如下：驅(qū)動裝置LED數(shù)碼顯示可編程82558051單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器傳感器被控對象鍵盤光電隔離驅(qū)動裝置執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖1-1 系統(tǒng)總體框圖由圖可知，本系統(tǒng)采用MCS-51系列單片機(jī)8051作為系統(tǒng)的主要控制芯片。根據(jù)本應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)，輸入通道部分需由傳感器采樣溫度和水位信號，經(jīng)A

14、/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，將模擬量信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號后送入8051，再由8051外接的8255送LED數(shù)碼管顯示。鍵盤有四個按鍵來設(shè)置水溫和水位，當(dāng)8051掃描到有按鍵按下時，就輸出控制信號驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，或控制加熱器改變水溫，或控制上水閥改變水位。系統(tǒng)相應(yīng)的功能由編程來具體實(shí)現(xiàn)。第二章 系統(tǒng)硬件部分設(shè)計2.1 數(shù)據(jù)采集2.1.1 溫度傳感器AD5901溫度傳感器AD590的工作原理AD590集成溫度傳感器，內(nèi)部含有放大電路，是一種兩端器件。其工作電壓為+4+30V，測溫范圍是-55150攝氏度，對應(yīng)于熱力學(xué)溫度T每變化1K，輸出電流就變化1A。在298.15K（對應(yīng)于25.15攝氏度）時輸出電流

15、恰好等于298.15A。這表明，其輸出電流I（A）與熱力學(xué)溫度T（K）嚴(yán)格成正比。AD590的電路符號為： AD590作為一種高阻電流源，不存在反饋線上的電壓信號損失和噪聲干擾問題，其等效于一個高阻抗的恒流源，其輸出阻抗大于10M，能大大減小因電源電壓波動而產(chǎn)生的測溫誤差。例如，當(dāng)電源電壓從5V變化到10V時，所引起的電流最大變化量僅為1A，等價于1攝氏度的測溫誤差。2AD590在本系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用由AD590構(gòu)成的溫度檢測電路如圖2-1所示：從圖中可知，由MC1403型帶隙基準(zhǔn)電壓源輸出的+2.5V基準(zhǔn)電壓，經(jīng)可調(diào)電阻R1接AD590的正極，并且還經(jīng)過CD4051型八選一模擬開關(guān)接LM324

16、型四運(yùn)放中的一個運(yùn)算放大器反向輸入端。AD590的負(fù)極接-5V電源。設(shè)通過R1、R2的電流分別為I0、I1，則AD590的電流表達(dá)式為IO=I0+I1 （2-1）因?yàn)長M324的電壓增益AVO1,所以圖2-1中的M點(diǎn)為虛地，即UM為零伏。只要在0以下調(diào)整R1，使I0等于AD590在該溫度下的工作電流值（此時I1=0，IO=I0），I0即為恒定值，在測溫過程中I1僅隨IO變化。顯然，溫度上升t時，I1必須增加到t1A，使LM324的輸出電壓UO（V）為 （2-2）由于與被測溫度t成正比，從而實(shí)現(xiàn)了t/U轉(zhuǎn)換，這就是利用AD590測量攝氏溫度的原理。分別用于校準(zhǔn)0和100。硅二極管VD（1N400

17、1）可防止LM324進(jìn)入飽和狀態(tài)。多路模擬開關(guān)CD4051的通斷狀態(tài)受單片微機(jī)的控制。2.1.2 水位傳感器1壓差式液位傳感器的工作原理壓差式液位傳感器是根據(jù)液面的高度與液壓成比例的原理制成的。如果液體的密度恒定，則液體加在測量基準(zhǔn)面上的壓力與液面到基準(zhǔn)面的高度成正比，因此通過壓力的測定便可得知液面的高度。如圖2-2所示，其基準(zhǔn)面上的壓力由下式確定，即 （2-3）式2-3中，為測量基準(zhǔn)面的壓力；為液體的密度；為液面距測量基準(zhǔn)面的高度；為所控最高液面與最小液面之間的高度；為最小液面距測量基準(zhǔn)面的高度。由于需要測定的是高度，因此移動壓力傳感器的零點(diǎn)，把零點(diǎn)提高，就可以得到壓力與液面高度成比例的輸出

18、。 當(dāng)儲液罐為密封型時（見圖2-3） 壓差、液位高度及零點(diǎn)的移動關(guān)系如下：高壓側(cè)的壓力為 （2-4）低壓側(cè)的壓力為 （2-5）壓力差為 （2-6）式2-4至2-6中，為液體的密度；為所控最高液面與最低液面之間的高度；為最小控制液面距測量基準(zhǔn)面的高度；為填充液體密度；為罐內(nèi)壓力；為填充液面距最小液位的高度。同樣，只要移動壓差式傳感器的零點(diǎn)，就可以得到壓差與液面高度成比例的輸出。圖2-4是壓差式液位傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。它由壓差傳感器和電路兩部分組成。壓差傳感器實(shí)際上是一個差動電容式壓力傳感器，它由動電極感壓膜片、固定電極隔液膜片等組成。當(dāng)被測的壓力差加在高壓側(cè)和低壓側(cè)的輸入口時，該壓力差經(jīng)隔液膜片

19、的傳遞作用于感壓膜片上，感壓膜片便產(chǎn)生位移，從而使動電極與固定電極之間的電容量發(fā)生變化。用電路將這種變化進(jìn)行轉(zhuǎn)換及放大，便可獲得與壓力差成比例的直流電壓輸出。 這種傳感器具有可靠性高、性能穩(wěn)定、體積小和重量輕等特點(diǎn)，因此，廣泛應(yīng)用于液面測量和液面自動控制。2液位變送器CB900本系統(tǒng)采用液位變送器CB900作為采樣水位信號的傳感器，現(xiàn)簡單介紹一下CB900。CB900系列液位變送器是采用高性能擴(kuò)散硅膜片差壓傳感技術(shù)，將液位壓差轉(zhuǎn)換為420mA或15V標(biāo)準(zhǔn)直流信號，可作液位傳感器。其工作電壓為12V。CB900的工作原理：加于變送器的壓力（或差壓）使變送器內(nèi)膜片變形，從變形的擴(kuò)散硅膜片上檢出與差

20、壓或成線形變化的電信號，并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)信號輸出。具體工作原理見上一節(jié)，這里不再累述。2.1.3 采樣保持器在對模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時，從啟動變換到變換結(jié)束，需要一定的時間，即AD轉(zhuǎn)換器的孔徑時間。當(dāng)輸入信號頻率較高時，由于孔徑時間的存在，會造成較大的孔徑誤差。要防止這種誤差的產(chǎn)生，必須在A/D轉(zhuǎn)換開始時將信號電平保持不變，而在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后又能跟蹤輸入信號的變化，即輸入信號處于取樣狀態(tài) 。能完成上述功能的器件稱為取樣保持器。由上述分析可知，取樣保持器在保持階段相當(dāng)于一個“模擬信號存儲器”。在A/D轉(zhuǎn)換過程中，取樣保持對保證A/D轉(zhuǎn)換的精確度具有重要作用。取樣保持電路的基本原理如圖2-1所示。

21、主要由保持電容C，輸入、輸出緩沖放大器以及控制開關(guān)S組成。圖中，兩個放大器均接成跟隨形式，取樣期間，開關(guān)閉合，輸入跟隨器的輸出給電容器C快速充電；保持期間，開關(guān)斷開，由于輸出緩沖放大器的輸入阻抗極高，電容器上存儲的電荷基本維持不變，保持充電時的最終值供A/D轉(zhuǎn)換。取樣保持器工作狀態(tài)由外部控制信號控制，由于開關(guān)狀態(tài)的切換需要一定的時間，因此實(shí)際保持的信號電壓會存在一定的誤差，這個誤差必須遠(yuǎn)小于A/D的轉(zhuǎn)換時間，同時也必須遠(yuǎn)小于信號的變化時間。2.2 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換2.2.1 AD轉(zhuǎn)換器概述由于單片微機(jī)面向測控領(lǐng)域的應(yīng)用，常需將連續(xù)變化的模擬量轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量，才能送計算機(jī)進(jìn)行數(shù)值處理。反之，由計算機(jī)

22、數(shù)值處理的數(shù)字量也必須經(jīng)轉(zhuǎn)換成模擬量，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)變化的模擬量控制。前者稱為模/數(shù)轉(zhuǎn)換（簡稱A/D），后者稱為數(shù)/模轉(zhuǎn)換（簡稱D/A）。本系統(tǒng)僅用A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換器按其轉(zhuǎn)換的原理，可分為四種：計數(shù)式、雙積分式、逐次逼近式和并行式。目前最常用的是雙積分式和逐次逼近式。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器的主要優(yōu)點(diǎn)是，抗干擾能力強(qiáng)，價格便宜。逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是，速度高，其轉(zhuǎn)換時間在幾微秒到幾百微秒之間。常用的逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器主要有：美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的ADC0801ADC0805，ADC0808/0809，精度都是8位，轉(zhuǎn)換時間約為100s。其中，ADC0808/0809增加了8路模擬

23、開關(guān)，可對8路模擬信號進(jìn)行分時采樣。本設(shè)計需分別采樣溫度與水位信號，故采用ADC0809作為轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。2.2.2 ADC08091ADC0809的主要特性分辨率為8位；轉(zhuǎn)換時間為100s；無零度和滿刻度調(diào)整；單一+5V供電，模擬輸入電壓為05V，正負(fù)5V，正負(fù)10V；8路通道轉(zhuǎn)換，帶鎖存控制邏輯；具有鎖存的三態(tài)輸出，輸出與TTL兼容；功耗為15mW。2ADC0809的工作原理ADC0809是最常用的8位A/D轉(zhuǎn)換器，屬CMOS工藝逐次逼近型。ADC0809由單一+5V電源供電，片內(nèi)帶有鎖存功能的8路模擬電子開關(guān)，可對05V8路的輸入模擬電壓信號分時進(jìn)行轉(zhuǎn)換，完成一次轉(zhuǎn)換約需100s

24、，輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，可直接與MCS-51數(shù)據(jù)總線相接，通過適當(dāng)?shù)耐饨与娐?，還可對05V的雙極性模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。ADC0809的工作時鐘為10kHz1.2MHz。在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時，路地址先送到AC地址輸入端。然后在ALE輸入端加一個正跳變脈沖，將路地址鎖存到ADC0809內(nèi)部的路地址寄存器中。這樣，對應(yīng)路的模擬電壓就和內(nèi)部變換電路接通。為了啟動變換工作序列，必須在START端加一個負(fù)跳變信號。此時變換工作開始進(jìn)行，標(biāo)志ADC0809正在工作的狀態(tài)信號是EOC由高電平（閑狀態(tài)）變成為低電平（工作狀態(tài)）。一旦變換結(jié)束，EOC信號就又由低電平變成高電平。此時，只要在OE端加一高電

25、平，即可打開數(shù)據(jù)線的三態(tài)緩沖器從D0D7數(shù)據(jù)線讀得一次變換后的數(shù)據(jù)。3ADC0809的外特性ADC0809片內(nèi)集成了8路模擬多路開關(guān)、地址鎖存與譯碼、8位A/D轉(zhuǎn)換器以及8位三態(tài)輸出鎖存器四部分組成。了解芯片的外特性是設(shè)計系統(tǒng)的基礎(chǔ)，ADC0809各引腳的功能含義如下：D0D7：8位二進(jìn)制數(shù)字量輸出端口。N0IN7：8路模擬量開關(guān)輸入端口。Vcc：+5V工作電源。GND：接地端。VREF（+）、VREF（-）：參考電壓（+）、（-）連接端。START：A/D轉(zhuǎn)換啟動信號輸入端口，高電平有效。ALE：地址鎖存允許信號輸入端口，ALE的下降沿將地址輸入鎖存器。EOC：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端口，開

26、始轉(zhuǎn)換時為低電平，一旦轉(zhuǎn)換結(jié)束時輸出高電平。OE：完成轉(zhuǎn)換后數(shù)字量輸出允許控制信號輸入端口，高電平有效，用以打開三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器的輸出。CLK：時鐘信號輸入端。A、B、C：地址輸入端口。用三位編碼組成3：8譯碼輸出，選通8路模擬電子開關(guān)，實(shí)現(xiàn)IN0IN78路選1。A、B、C三位地址的輸入與8路通道的對應(yīng)關(guān)系如下： 4ADC0809在系統(tǒng)設(shè)計方案中的應(yīng)用 AD轉(zhuǎn)換硬件原理圖如下： 根據(jù)對ADC0809的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC的不同處理方法，8051（將在下一節(jié)介紹）配置ADC0809可分為：查詢方式和中斷方式。本系統(tǒng)采用的是中斷方式，由系統(tǒng)的硬件電路圖可知，當(dāng)ADC0809的轉(zhuǎn)換工作結(jié)束時，EOC送出

27、高電平，經(jīng)一非門后成低電平，送入8051的INT0引腳，提出中斷請求，8051響應(yīng)該中斷讀入轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，完成一次A/D轉(zhuǎn)換。ADC0809需要外接變換時鐘和參考電壓，在實(shí)際應(yīng)用中變換時鐘常將MCS-51單片機(jī)的時鐘經(jīng)分頻得到。而參考電壓常用現(xiàn)成的由廠家提供的高精度電源集成塊。在本設(shè)計中，借用主機(jī)8051的ALE作為ADC0809的CLK。本設(shè)計中有兩個模擬輸入信號：水溫信號和水位信號，所以需要兩路模數(shù)轉(zhuǎn)換，故采用IN0和IN1來分別作為水位和水溫模擬量的輸入通道，由AC地址譯碼選通。利用8051的低三位地址線A0A2輸出路地址，分別與地址輸入端口AC連接。采用地址線選方式，用8051的P2.

28、6引腳與讀、寫信號組合作為ADC0809的START、ALE和OE信號。即P2.6低電平有效。所以，在軟件編程時ADC0809的地址為：P2.6即A14=0，由A0A2給出通道（IN0IN7）的選通地址碼，由此可知，ADC0809的口地址為0B000H。AD轉(zhuǎn)換硬件原理圖如下：2.3 MCS-51系列單片機(jī)80512.3.1單片機(jī)概述隨著大規(guī)模集成技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，為滿足實(shí)時應(yīng)用領(lǐng)域的急切需要，要求進(jìn)一步縮小體積和降低成本，實(shí)現(xiàn)了把組成計算機(jī)的五大部分集成在一塊芯片上，既在一塊芯片上集成了：CPU、振蕩器電路、ROM和RAM存儲器、定時/計數(shù)器和并行/串行接口等，一塊芯片就構(gòu)成一臺具有一定功能

29、的計算機(jī)，稱為單片微型計算機(jī)。單片機(jī)是在一塊大規(guī)模集成電路（LSI）或大規(guī)模集成電路（VLSI）芯片上集成的一臺微型計算機(jī)，它具有許多獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，體積小、低功耗、低電壓、低成本、面向控制、可以滿足工業(yè)控制的不同要求，已進(jìn)入人類生活的各個領(lǐng)域，如家用電器中的冰箱、彩電等，由于是用單片機(jī)控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)功能更多，使用更方便，更加智能化。單片微機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)是“面向測控”。因此，它總是以其強(qiáng)有力的信息處理、檢測、控制以及指揮中心，成為整個應(yīng)用系統(tǒng)的首腦，從而對單片微機(jī)的功能要求、規(guī)模大小和復(fù)雜程度等隨應(yīng)用系統(tǒng)的不同而不同。MCS-51單片微機(jī)正是以其外部功能擴(kuò)展簡單、靈活、方便的特點(diǎn)，滿足了廣泛的各種不

30、同應(yīng)用系統(tǒng)的要求，成為應(yīng)用最廣的單片機(jī)系列，既可構(gòu)成最簡單系統(tǒng)，也可設(shè)計成相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)。8位單片機(jī)是目前廣泛應(yīng)用的主要機(jī)型。32.3.2 MCS-51系列單片機(jī)805118051內(nèi)部的功能部件8位CPU；振蕩器和時鐘電路；4K字節(jié)的程序存儲器ROM；128數(shù)據(jù)存儲器RAM；可尋址外部程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器各64K字節(jié)；20多個特殊功能寄存器；32線并行I/O口；1個全雙工串行I/O口；2個16位定時/計數(shù)器；5個中斷源，有2個優(yōu)先級，同級中斷則按優(yōu)先順序查詢；具有較強(qiáng)功能的位處理（布爾）能力。28051的主要外部功能引腳說明Vss：電路低電平；Vcc：正常運(yùn)行時為+5V電源；RST：復(fù)位信號

31、輸入端；ALE：允許地址鎖存信號輸出。當(dāng)訪問外部存儲器時，ALE信號的負(fù)跳變將P0口上的低8位地址送入鎖存器。在非訪問外部存儲器期間，ALE仍以1/6振蕩頻率固定不變的速率輸出，因而它能作外部時鐘或定時信號用。當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將以1/12振蕩頻率輸出。PSEN：訪問外部程序存儲器選通信號，低電平有效；EA：訪問內(nèi)部或外部程序存儲器選擇信號。高電平為訪問內(nèi)部程序存儲器，低電平只訪問內(nèi)部程序存儲器；P0口：8位漏極開路雙向并行I/O端口，當(dāng)訪問外部存儲器時，它是地址總線（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，外部不擴(kuò)展而單片應(yīng)用時，則作雙向I/O口用 ；P1口：8位準(zhǔn)雙向并行I/O端口；P2口：8位準(zhǔn)雙

32、向并行I/O端口，當(dāng)訪問外部存儲器時作高8位地址用，不做外部功能擴(kuò)展（單片應(yīng)用）時，則作準(zhǔn)雙向I/O口用；P3口：具有內(nèi)部上拉電路的8位準(zhǔn)雙向并行I/O端口，它還提供特殊的第二功能，它的每一位均可獨(dú)立定義為第一功能的I/O口和第二特殊功能，其具體含義為如下P3.0RXD，串行數(shù)據(jù)接收端P3.1TXD，串行數(shù)據(jù)發(fā)送端P3.2INT0，外部中斷0請求端，低電平有效P3.3INT1，外部中斷1請求端，低電平有效P3.4T0，定時/計數(shù)器0外部事件計數(shù)輸入端P3.5T1，定時/計數(shù)器1外部事件計數(shù)輸入端P3.6WR，外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通，低電平有效P3.7RD，外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通，低電平有效3805

33、1的具體應(yīng)用8051作為系統(tǒng)的主要控制芯片起著指揮中心的作用，是系統(tǒng)輸入部分和輸出部分建立聯(lián)系的橋梁。由于本設(shè)計是小型應(yīng)用系統(tǒng)，8051內(nèi)部的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器已夠用，所以不需要外擴(kuò)ROM和RAM。 關(guān)于8051與ADC0809的硬件接口設(shè)計思路已經(jīng)在上一節(jié)介紹過了，在這里就不再重復(fù)。如圖2-7，8051控制著整個系統(tǒng)的運(yùn)行。在運(yùn)行過程中，8051不斷輸出信號控制溫度傳感器AD590和水位傳感器CB900，使它們自動檢測水溫、水位，采集信號，當(dāng)8051啟動ADC0809實(shí)行轉(zhuǎn)換時，傳感器的信號經(jīng)處理后送入ADC0809，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)8051讀入處理后送LED顯示。同時，根據(jù)事先編好的程序

34、，如果溫度或水位沒有達(dá)到要求（如本系統(tǒng)要求水位不可低于30L，水溫如果未達(dá)到設(shè)定值而又長時間無變化就自動加熱，達(dá)到設(shè)定值后自動保溫）則8051就驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的操作，直到系統(tǒng)滿足設(shè)定的條件，達(dá)到自控的目的。當(dāng)8051掃描到有按鍵按下時，便轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)，即調(diào)節(jié)水溫或者水位，在調(diào)整LED數(shù)碼顯示的同時去驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來加熱或者上水來實(shí)現(xiàn)使用者的設(shè)置。2.4 LED數(shù)碼顯示和鍵盤2.4.1 可編程并行接口8255由于主機(jī)的I/O口數(shù)量有限，在大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)中均需外擴(kuò)I/O接口部件。Intel配套外圍接口器件的種類齊全，并與MCS-51單片微機(jī)外部接口配置邏輯電路極為簡單、方便，這

35、也是MCS-51單片微機(jī)應(yīng)用廣泛的原因之一。8255是Intel公司生產(chǎn)的可編程并行I/O接口芯片，它具有3個8位的并行I/O口，分別成為PA、PB、PC口，其中PC口又分為高4位口和低4位口兩部分。它們都可通過軟件編程來設(shè)置各I/O口的工作方式。8255I/O口多功能強(qiáng)，與8051配置接口設(shè)計簡單。如果全用單片機(jī)本身的并行口作鍵盤和顯示器接口，會占用過多的端口而影響其他控制任務(wù)的實(shí)現(xiàn)，因此本系統(tǒng)采用8255作為LED數(shù)碼顯示和鍵盤的并行接口。18255的外特性D0D7：雙向數(shù)據(jù)總線；CS：片選信號端，低電平有效；RD/WR：讀/寫選通信號端，低電平有效；A0、A1：通道選擇信號，它與CS、W

36、R、RD的信號端組合，用來控制PA、PB、PC三個通道口和控制字端口及其功能選擇。它通常與地址總線的最低位A1A2相連；RESET：復(fù)位信號輸入端，高電平有效，復(fù)位后全部內(nèi)部寄存器，包括控制字寄存器均清“0”，所有通道均置為輸入方式，24條I/O引腳均呈高阻狀態(tài)；PA口（PA07）：一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖而輸入鎖存功能的輸入/輸出通道口；PB口（PB07）：一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖而輸入緩沖功能的輸入/輸出通道口；PC口（PC07）：一個8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖而輸入緩沖功能的輸入/輸出通道口；Vcc：+5V電源；GND：接地端。28255的應(yīng)用8255有三種工作方式，其操作方式是通過軟件

37、編程將方式控制字寫入8255的控制字寄存器進(jìn)行選擇的。因此在使用8255之前必須要先對其初始化編程。由系統(tǒng)的硬件設(shè)計圖可知，8255的CS與8051的P2.7相連，即P2.7=0，由此可知，分配給8255的地址空間為7FFC7FFFH，其中，PA口地址為7FFCH，PB口地址為7FFDH，PC口地址為7FFEH，控制口地址為7FFFH。在本設(shè)計中，鍵盤由8255的A端口PA0和PA1作列掃描，由C端口的PC0和PC1作行輸入口。顯示器為6位LED數(shù)碼顯示，共陰極接法。數(shù)位的掃描信號也由8255的A端口PA0PA5提供，字段信號由8255的B端口PB0PB7輸出。采用7406和7407進(jìn)行驅(qū)動。

38、8255的端口A和端口B均作為輸出口，控制字PA位和PB位均為1，端口C作輸入口，控制字PC2，PC1為0，其他位不用為0，控制字為3H。8051輸出的數(shù)據(jù)是通過鎖存器74LS373送入8255的， 74LS373的作用是暫存8051輸出的8位數(shù)據(jù)。2.4.2 6位LED數(shù)碼顯示和鍵盤本設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計要求，用了6位LED數(shù)碼管，其中，3位顯示溫度，其它三位顯示水位，顯示值精確到個位。且根據(jù)程序的編寫來分時顯示設(shè)定值以及實(shí)際值。當(dāng)使用者有按鍵要求時，6位數(shù)碼管顯示使用者設(shè)定的溫度和水位，設(shè)定結(jié)束后及其它工作時間，6位LED顯示熱水器當(dāng)前的實(shí)際溫度和水位值。用四個2*2按鍵作為熱水器的功能鍵，

39、即1號按鍵：水位設(shè)定鍵（按一下加1L水），2號按鍵：開始加水鍵，3號按鍵：水溫設(shè)定鍵（按一下升1攝氏度，在0攝氏度與100攝氏度之間循環(huán)），以及4號按鍵：開始加熱鍵。按1號鍵對水位進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置結(jié)束后按2號鍵即啟動進(jìn)水裝置；按3號鍵可對水溫進(jìn)行設(shè)置，設(shè)定結(jié)束后按4號鍵即啟動加熱裝置。2.5 輸出驅(qū)動與執(zhí)行機(jī)構(gòu)2.5.1加熱器的電路連接與分析電熱型功率接口通常用繼電器或可控硅控制，本設(shè)計采用的是雙向可控硅控制的電熱型功率接口。電路圖見圖2-9。電熱器件由雙向可控硅KS控制，KS由光電耦合器4N25和晶體管9013觸發(fā)采用直流脈沖觸發(fā)，觸發(fā)電壓由變壓器的其中一個繞組L2提供，經(jīng)整流濾波后，產(chǎn)生觸發(fā)

40、電流。單片機(jī)8051的P1.7端輸出的觸發(fā)信號，經(jīng)7407后，送到光電耦合器4N25。P1.7端輸出高電平時，4N25沒有電流輸入，晶體管T截止，雙向晶閘管KS關(guān)，電熱器不加熱。當(dāng)P1.7輸出低電平時，7404輸出低電平，4N25輸出的電流經(jīng)晶體管9013放大后流向雙向可控硅門極，雙向可控硅導(dǎo)通，電熱器加熱。過零檢測電路由變壓器B的其中一個繞組L3和電容器C2組成。L3產(chǎn)生2.5V的交流電壓，通過C2交連到T0和T1端。T0是過零檢測端，它可對過零的上升信號檢測而發(fā)生中斷；T1也是過零檢測端，它可對過零的下降信號檢測而發(fā)生中斷。把T0和T1產(chǎn)生的中斷綜合處理，即可得到電源電壓過零的時刻。其中，

41、T0和T1采用溢出中斷方式。2.5.2 達(dá)林頓管的原理與應(yīng)用由8051輸出的控制信號要經(jīng)過光電隔離后去控制上水閥進(jìn)行工作，但由于控制信號太小，需要接驅(qū)動電路將信號適當(dāng)放大，在這里，我采用的是達(dá)林頓管。達(dá)林頓管采用復(fù)合連接方式，將兩只或更多只晶體管的集電極連在一起，而將第一只晶體管的發(fā)射極直接耦合到第二只晶體管的基極，依次級連而成。達(dá)林頓管具有增益高、開關(guān)速度快、能簡化設(shè)計電路等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)采用的是由兩只NPN型晶體管構(gòu)成的達(dá)林頓管，其基本電路如下所示： 圖2-10 達(dá)林頓管基本電路2.5.3 上水閥的驅(qū)動電路及分析單片機(jī)8051的P1.6利用OC門與光電耦合器4N25相連，4N25的輸出接達(dá)林

42、頓管作為上水閥的驅(qū)動電路。P1.6為低電平時，4N25有電流流入，達(dá)林頓管驅(qū)動上水閥打開，向熱水器充水。 2.6 系統(tǒng)的硬件抗干擾設(shè)計2.6.1 按鍵消抖1鍵盤輸入的特點(diǎn)鍵盤實(shí)質(zhì)上是一組按鍵開關(guān)的集合。通常，按鍵所用開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，均利用了機(jī)械觸電的合、斷。由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個按鍵開關(guān)在閉合時不會馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時也不會一下斷開。因而，在閉合和斷開的瞬間均伴隨著一連串的抖動，抖動時間的長短由按鍵的機(jī)械特性決定，一般為510ms。按鍵的穩(wěn)定閉合時間由操作人員的按鍵動作持續(xù)時間決定，一般為十分之幾秒到幾秒時間。按鍵的閉合與否，反映在電壓上就是出現(xiàn)高電平或低電平，所以通過電平的高低

43、狀態(tài)的檢測，便可確認(rèn)按鍵按下沒有。為了確保按鍵的狀態(tài)，必須消除按鍵抖動的影響，這也是按鍵抗干擾的主要的一個方面，同時，由于按鍵一般與系統(tǒng)是通過傳輸線相連的，傳輸線很容易受到電磁干擾的影響，因此鍵盤傳輸線的抗干擾問題也是按鍵接口電路應(yīng)該解決的問題。2按鍵接口電路的消抖措施消除按鍵抖動影響通常有硬件、軟件兩種方法，本系統(tǒng)采用的是硬件方法：雙穩(wěn)態(tài)消抖。其電路原理如圖2-1所示：設(shè)按鍵首先處于a位置，此時RS觸發(fā)器的與非門輸出端OUT1為高電平1，與非門2的輸出端OUT2為0，此輸出引入到與非門1的一個輸入端，會把與非門1鎖住，使其固定輸出為1。如果此時按下此鍵，即使按鍵在a位置因彈性而產(chǎn)生瞬間抖動，

44、形成一連串的抖動波形，即與非門1輸入端出現(xiàn)了一連串的高和低電平，由于與非門2的輸入端在按鍵沒有到達(dá)b位置時始終是0，所以無論與非門1輸入端的信號電平怎么變化，與非門1輸出端OUT1的輸出恒為1。當(dāng)按鍵到達(dá)b時，一旦與非門2的輸入端呈現(xiàn)低電平時，RS觸發(fā)器將出現(xiàn)狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)，此時，OUT2端輸出為1，OUT1端輸出為0 。 圖2-12 雙穩(wěn)態(tài)消抖電路OUT1又引回與非門2的一個輸入端，鎖住與非門2，保證其輸出恒為1，這樣即使按鍵出現(xiàn)抖動，也不會影響OUT2的輸出，因此OUT1的輸出也恒為0。同樣，在松開按鍵的過程中，只要接通a，輸出為1，在接通a的過程中，即使產(chǎn)生了彈性抖動，只要按鍵不與按鍵b發(fā)生

45、接觸，RS觸發(fā)器的輸出將保持不變。由以上分析可知，如果在按鍵信號輸入端加上一個RS觸發(fā)器就可以消除按鍵抖動產(chǎn)生的干擾。2.6.2 光電隔離光電隔離器主要用于電信號的隔離和傳輸，它通常把發(fā)光器件和受光器件置于同一殼體內(nèi)，在發(fā)光器件端口加入控制電信號，使得發(fā)光器件發(fā)光，受光器件受光，產(chǎn)生光電效應(yīng)，輸出電信號，從而可以實(shí)現(xiàn)電光電的信號傳輸和控制。本設(shè)計采用的光電隔離器是4N25。4N25由發(fā)光二極管和光敏三極管組成。當(dāng)發(fā)光二極管流有一定電流時，發(fā)光二極管就發(fā)光，發(fā)出的光照射到光敏三極管上，就會產(chǎn)生一定的基極電流，使光敏三極管導(dǎo)通。若沒有電流（或電流非常小）流過發(fā)光二極管，則其不發(fā)光，光敏三極管就處于

46、截止?fàn)顟B(tài)。 圖2-13 光電隔離器4N25第三章 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計3.1 主程序流程圖本設(shè)計屬于小型應(yīng)用系統(tǒng)，系統(tǒng)并不復(fù)雜，但要求一定的可靠性和抗干擾性。單片機(jī)的主頻為12kHz，顯示部分由定時器中斷控制?？偟膩碚f，軟件的實(shí)現(xiàn)沒有高難度的算法，在這里省略了詳細(xì)的程序。下圖為主程序流程圖：開始 初始化掃描鍵盤有鍵按下嗎？Y響應(yīng)中斷N采樣水位信號并處理 低于30L？低于30L？ Y啟動上水閥N N溫度信號采樣并處理等于設(shè)定值？N啟動加熱器Y圖3-1 主程序流程圖3.2 部分中斷服務(wù)程序3.2.1 8255初始化8255的初始化程序?yàn)椋篜I8255：MOV DPTR，#7FFFH ；8255控制寄存

47、器地址送A MOV A，#3H ；控制字送A MOVX DPTR，A ；方式控制寫入8255控制寄存器3.2.2 A/D轉(zhuǎn)換程序1A/D轉(zhuǎn)換中斷子程序流程圖中斷返回等待從IN0重新開始轉(zhuǎn)換兩路都轉(zhuǎn)換過？啟動A/D轉(zhuǎn)換 轉(zhuǎn)換個數(shù)記錄加1修改緩沖區(qū)地址存入緩沖區(qū)讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果開始 圖3-2 AD轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)程序流程圖2A/D轉(zhuǎn)換程序在主程序中要對INT0外部中斷進(jìn)行預(yù)置，然后啟動ADC0809進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。設(shè)由IN0路開始，IN0和IN1輪流輸入。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)子程序，把轉(zhuǎn)換結(jié)果讀入8051的累加器，并存入相應(yīng)緩沖存儲單元50H51H，再由主程序?qū)@些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。轉(zhuǎn)換程序如下：預(yù)置外部中斷0 SETB IT0 ；置INT0為下降沿觸發(fā)SETB EA ；總中斷開放SETR EX0 ；開放INT0中斷啟動ADC0809MOV DPTR，#0D000H ；ADC0809口地址MOV R0，#50 ；R0作存數(shù)緩沖器指針MOV R1，#00H ；R1作通道數(shù)指針MOV A，R1 ；從IN0開始MOVX DPTR，A ；啟動轉(zhuǎn)換 ；繼續(xù)主程序，等待中斷中斷子程序ORG 0003H ； INT0中斷向量地址AJMP RDDAT ；轉(zhuǎn)移至讀入數(shù)據(jù)處RDDAT： MOVX A，DPTR ；讀入數(shù)據(jù)MOV R0，