基于單片機(jī)的電熱水杯設(shè)計(jì)

1、1 熱水壺控制系統(tǒng)總體概述1.1 熱水壺的工作情況對于常規(guī)的電熱水壺，只要接通電源，就開始加熱，直到水沸騰后通過蒸汽來產(chǎn)生聲音報(bào)警。這種設(shè)計(jì)有下面幾個(gè)方面的不足：1. 如水壺中沒水，電源誤接通時(shí)也會(huì)一直加熱，容易引起事故。2. 當(dāng)只需要加熱到沸點(diǎn)以下某一溫度時(shí)，不能及時(shí)給出聲音報(bào)警信號(hào)。3. 當(dāng)水加熱沸騰后不能自動(dòng)停止工作。針對以上不足，在本設(shè)計(jì)方案中，用mc-51單片機(jī)作為控制芯片，管理整個(gè)電熱水壺的工作情況，構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，而且增加了三個(gè)按鍵和六位數(shù)碼管顯示。它的工作情況和常規(guī)的熱水壺相比，有下面幾個(gè)方面的特點(diǎn)：1. 有三個(gè)按鍵，可用來設(shè)置希望加熱到的溫度即報(bào)警的溫度。上電復(fù)位后，

2、設(shè)置溫度初值為20度，每按一下按鍵，溫度設(shè)置值就會(huì)增加1度，整個(gè)溫度設(shè)置值在20100度之間循環(huán)。2. 這個(gè)按鍵還具有啟動(dòng)電熱水壺開始工作的作用。當(dāng)每次電源接通后，只有按鍵按下過之后，電熱水壺才開始加熱，這樣，可以防止電源誤接通時(shí)電熱水壺一直加熱，引發(fā)事故。3. 當(dāng)加熱到設(shè)置溫度時(shí)，單片機(jī)會(huì)控制停止加熱，并通過蜂鳴器給出聲音提示。4. 三位數(shù)碼管在設(shè)置溫度操作時(shí)顯示當(dāng)前設(shè)置的溫度，另三位數(shù)碼管其余時(shí)間實(shí)時(shí)顯示電熱水壺中水的實(shí)際溫度。1.2 mcs-51單片機(jī)控制的總體介紹硬件設(shè)計(jì)的總電路連接框圖如下圖 加熱電路8255報(bào)警電路鍵盤和顯示電路adc0809溫度檢測電路8051光電隔離圖1-1 硬

3、件設(shè)計(jì)的總電路連接框圖單片機(jī)控制熱水壺的硬件構(gòu)成包括8051芯片、8255芯片、地址鎖存器等組成的單片機(jī)控制電路、溫度檢測電路、a/d轉(zhuǎn)換電路、光電隔離電路、鍵盤及顯示電路和溫度加熱電路。整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵電路是單片機(jī)控制電路，是整個(gè)控制的核心，完成信號(hào)的輸入和輸出的轉(zhuǎn)換，即可將溫度檢測電路采樣的輸入的信號(hào)通過a/d轉(zhuǎn)換器adc0809進(jìn)行處理加工后輸出到顯示器進(jìn)行顯示，并可以通過鍵盤對溫度進(jìn)行控制，如此同時(shí)當(dāng)水加熱超過指定的溫度以后，蜂鳴器工作報(bào)警。并對其中部分電路編制子程序，以及相應(yīng)的軟件設(shè)計(jì)。2 電熱水壺控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)2.1 溫度檢測電路和a/d轉(zhuǎn)換器的電路2.1.1 溫度檢測電路圖2-

4、1-2 電源轉(zhuǎn)換電路圖2-1-3溫度檢測電路通過溫度集成器ad590對外部-55+150范圍內(nèi)的溫度進(jìn)行采樣，在ad590的兩端分別接地和接電源，得到一定的壓差，因此會(huì)得到相應(yīng)的工作電壓，其輸出電流會(huì)隨溫度變化而變化。電流1a/k其輸出電壓為100mv/，經(jīng)運(yùn)算放大器lm358進(jìn)行i/v轉(zhuǎn)化后，再送入a/d轉(zhuǎn)換電路中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，經(jīng)過微處理器處理即可送到led顯示器顯示溫度。2.1.2 a/d轉(zhuǎn)換器電路原理和電路接口圖采用逐次逼近法a/d轉(zhuǎn)換器電路原理。其主要原理為：將一待轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號(hào)u1n與一個(gè)推測信號(hào)ur相比較，根據(jù)推測信號(hào)大于還是小于輸入信號(hào)來決定增大還是減少該推測信號(hào)相等時(shí)，向d

5、/a轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字就是對應(yīng)模擬輸入量的數(shù)字量。1a/d轉(zhuǎn)換器的引腳說明：adc0809是cmos集成電路8位單片a/d轉(zhuǎn)換器。雙列直插28引腳封裝。片內(nèi)有8路模擬開關(guān)、模擬開關(guān)的地址鎖存與譯碼電路、比較器 、256r電阻t型網(wǎng)絡(luò)、樹狀電子開關(guān)、逐次逼近寄存器sar、三態(tài)輸出鎖存，緩沖器、控制與時(shí)序電路等。adc0809引腳功能說明如下：in0in7：8路輸入通道的模擬量輸入端。a、b、c口：8路模擬開關(guān)的三位地址輸入端，用來選擇8路模擬輸入的一路進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換。 ale： 地址鎖存允許。ale有效將三位地址a、b、c鎖存到地址鎖存器中。start：為啟動(dòng)控制輸入端。它與ale可以接在一起，當(dāng)

6、通過程序加上一個(gè)正脈沖便立即開始a/d轉(zhuǎn)換。eoc： 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出端，高電平有效。在此輸出端供給一個(gè)有效信號(hào)則打開三態(tài)輸出鎖存緩沖器，把轉(zhuǎn)換后的結(jié)果送至外部數(shù)據(jù)線。colck：時(shí)鐘輸入端。clock為600khz時(shí)，轉(zhuǎn)換時(shí)間位100us。d0d7：8位數(shù)字輸出段。vcc: 電源輸入端。gnd：接地端。2a/d轉(zhuǎn)換的連接電路及應(yīng)用圖2-1-4 a/d轉(zhuǎn)換的連接電路2.2 單片機(jī)8051芯片介紹和主要電路2.2.1 mcs-51單片微機(jī)8051內(nèi)部部件和接口電路mcs-5單片微機(jī)8051內(nèi)部包含如下部件：8位cpu;振蕩器和時(shí)鐘電路;4k/8k 字節(jié)的程序存貯器;128/256字節(jié)的數(shù)據(jù)存貯器

7、;可尋址外部程序存貯器和數(shù)據(jù)存貯器，各64k字節(jié);二十多個(gè)特殊功能寄存器;32線并行i/o口;1個(gè)全雙工串行i/o口;2/3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器;5/6個(gè)中斷源，2個(gè)優(yōu)先級(jí);具有位尋址功能，有較強(qiáng)的布爾處理能力。圖2-2-1 8051的引腳圖圖2-2-2 單片機(jī)的片外總線結(jié)構(gòu)圖由圖2-2-2可以看到，單片機(jī)的引腳除了電源、復(fù)位、時(shí)鐘接入、用戶i/o口外，其余管腳都是為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展而設(shè)置的。這些引腳構(gòu)成了mcs-51單片機(jī)片外三總線結(jié)構(gòu)：1地址總線（ab）：地址總線寬度為16位，因此，其外部存儲(chǔ)器直接尋址為64k字節(jié)，16位地址總線由p0口經(jīng)地址鎖存器提供低8位地址（a0a7）；p0口直接提

8、供高8位地址（a8a15）。2數(shù)據(jù)總線（db）：數(shù)據(jù)總線寬度為8位，由p0口提供?？刂瓶偩€（cb）：由四根獨(dú)立控制線reset、ea、ale、組成。2.2.2 振蕩電路和時(shí)鐘電路振蕩電路和單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘電路一起構(gòu)成了單片機(jī)的時(shí)鐘方式，根據(jù)硬件不同，連接方式分為內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。圖2-2-3外部時(shí)鐘方式電路圖由上面的圖我們可以看到引腳xtal2就是內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。因此，只需將外部振蕩器的信號(hào)接至引腳xtal2，而把內(nèi)部反相放大器的輸入端xtal1引腳接地。通常接的外部信號(hào)一般為頻率低于12mhz的方波信號(hào)。2.2.3 單片機(jī)的復(fù)位電路1主要復(fù)位電路（1）上電復(fù)位和開關(guān)復(fù)位組合

9、電路：在單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)常會(huì)使用上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位，最常用的上電復(fù)位和開關(guān)復(fù)位組合電路為：圖2-2-4上電復(fù)位和開關(guān)復(fù)位組合電路（2）在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，為了保證復(fù)位電路可靠地工作，常將rc電路接施密特電路后再接入單片機(jī)復(fù)位端，特別適合于應(yīng)用系統(tǒng)現(xiàn)場干擾大，電壓波動(dòng)大的工作環(huán)境。10圖2-2-5抗干擾上電復(fù)位2.2.4 中斷優(yōu)先級(jí)1ie0 （外中斷int0） 最高優(yōu)先級(jí) 0003h2tf0 （定時(shí)器0溢出中斷） 000bh3ie 1 （外中斷int1） 0013h4tf1 （定時(shí)器1溢出中斷） 001bh5ri+ti （串行口中斷） 0023h6tf2+exf2 （定時(shí)器2溢出中斷） 最

10、低優(yōu)先級(jí) 002bh2.2.5 74ls373地址鎖存器芯片介紹通常,地址鎖存器可使用帶三態(tài)緩沖輸出的八d鎖存器74ls373或8282，也可以使用帶清除端的八d鎖存器74ls273，地址鎖存信號(hào)為ale。但用的最多的是74ls373。圖2-2-6 74ls373的結(jié)構(gòu)圖當(dāng)用74ls373作為地址鎖存器時(shí),它們的鎖存控制端g和stb可直接與單片機(jī)的鎖存控制信號(hào)端ale相連,在ale下降沿進(jìn)行地址鎖存。2.3 8255輸出口擴(kuò)展2.3.1 8255的引腳介紹圖2-3-1 8255的引腳圖ad0ad7：三態(tài)地址/數(shù)據(jù)總線。連接cpu的底8位地址/數(shù)據(jù)總線。io/m：ram/io口選擇信號(hào)輸入端。c

11、s：片選信號(hào)輸入端，8255為cs，低電平有效。rd：讀選通信號(hào)輸入端。低電平有效。wr：寫選通信號(hào)輸入段。低電平有效。reset：復(fù)位信號(hào)輸入段。高電平有效，并初始化3個(gè)i/o口為輸入方式。pa0pa7：a口的i/o線、i/o方向由命令字編程設(shè)定。pb0pb7：b口的i/o線、i/o方向由命令字編程設(shè)定。pc0pc7：c口的i/o線，或a口和b口的狀態(tài)控制信號(hào)線。由命令字編程設(shè)定。vcc：+5v電源線。vss: 接地線。8255片內(nèi)256*8位靜態(tài)ram，在速度上與mcs-51完全匹配。當(dāng)io/m=0時(shí)，cpu對8255的ram進(jìn)行讀寫，尋址范圍為00h0ffh。2.3.2 8255與805

12、1的外部接口電路圖2-3-2 8255與8051的外部接口電路由上圖可以看出8051通過地址鎖存器與8255相連， 8255的片選信號(hào)cs及口地址選擇線a0、a1分別由8051的p0.7、p0.0、p0.1經(jīng)地址鎖存器74ls373后提供。故8255的a、b、c口及控制口地址分別為ff7ch、ff7dh、ff7eh、ff7fh。8255的復(fù)位端與8051的復(fù)位端相連，都接到8051的復(fù)位電路上。必須根據(jù)外圍設(shè)備的類型選擇8255的操作方式，并在初始化程序中把相應(yīng)控制字寫入操作口。8255的編程如下：各端口地址是：a口地址：ff7ch b口地址：ff7dh c口地址：ff7eh 控制口地址：ff

13、7fh2.4 單片機(jī)的抗干擾電路2.4.1 光電隔離抗干擾的簡介在開關(guān)量輸出通道中，為防止現(xiàn)場強(qiáng)電磁干擾或工頻電壓會(huì)通過輸出通道反串到測控系統(tǒng)，一般需采取通道隔離技術(shù)。最常見的隔離器件是光電隔離器。因?yàn)楣庑盘?hào)的傳送不受電場、磁場的干擾，可以有效地隔離電信號(hào)。2.4.2 光電隔離器的原理電路圖2-4-1光電隔離器的原理電路2.4.3 光電隔離的電路在一般微機(jī)控制系統(tǒng)中，由于大都采用ttl電平，不能直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，所以通常加一個(gè)驅(qū)動(dòng)區(qū)，如7406和7407等。圖2-4-2光電隔離的電路當(dāng)輸出ttl電平為低電平時(shí)，7406輸出為高電平，發(fā)光二極管截止，光電隔離器處于截止?fàn)顟B(tài)，vo端輸出高電平；而

14、當(dāng)輸出控制電平為高電平時(shí)，7406輸出為低電平，發(fā)光二極管導(dǎo)通，光電隔離器處于導(dǎo)通狀態(tài)，vo端輸出低電平。圖2-4-3總電路框圖2.5 鍵盤及顯示電路2.5.1 鍵盤輸入特點(diǎn)按鍵所用開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，均利用了機(jī)械觸點(diǎn)的合、斷。一個(gè)電壓信號(hào)通過機(jī)械的斷開、閉合過程。 圖2-5-1 鍵盤抖動(dòng)波形圖按鍵的閉合與否，反應(yīng)在電壓的上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平，所以通過電平的高低狀態(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(dòng)的影響，這也是按鍵抗干擾的主要的一個(gè)方面。2.5.2 矩陣鍵盤的概述1矩陣鍵盤的工作原理：按鍵設(shè)置在行、列線交點(diǎn)上，行、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端。行線通過上

15、拉電阻接到+5v上。平時(shí)無按鍵動(dòng)作時(shí)，行線處于高電平狀態(tài)，而當(dāng)有按鍵按下時(shí)，行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。列線電平如果為低,則行線電平為低，列線電平如果為高，則行線電平亦為高。2鍵盤的工作方式由圖2-5-4可見鍵盤采用編程掃描方式工作，pb口輸出逐行掃描信號(hào)，pa口輸入8位列信號(hào)，均為低電平有效。8255a的a0、a1上，cs與p2.7相接，wr、rd分別與8051的wr、rd相連。2.5.3 led顯示原理及顯示方式1led顯示器結(jié)構(gòu)led顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中通常使用的是7段led。這種顯示塊有共陰極和共陽極兩種。圖2-5-3 led顯示器

16、引腳圖共陰極led顯示塊的發(fā)光二極管陰極共地。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮；共陽極led顯示塊的發(fā)光二極管陽極并接。2led顯示器的顯示方式在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用led顯示塊構(gòu)成n位led顯示器。n根led顯示器由n根位選線和8*n根段選線。根據(jù)顯示方式不同，為選線與段選線的連接方法不同。段選線控制字符選擇，為選線控制顯示位的亮、暗。2.5.5 系統(tǒng)應(yīng)用對于顯示部分，從8255輸出的顯示信息經(jīng)74ls373鎖存緩沖，用來對led的各段進(jìn)行段選，各位led顯示器采用共陰極接法，通過控制陰極的電位來實(shí)現(xiàn)各位的選通。通過8255的掃描輸出經(jīng)2003來實(shí)現(xiàn)位選，用來顯示設(shè)定的溫度值

17、和當(dāng)前的溫度值，以便進(jìn)行調(diào)節(jié)。鍵盤部分采用1×3鍵盤矩陣，列回復(fù)信號(hào)送至8255的pc0口，連接后仍作為列選擇線；行選擇線則是與顯示部分的位選線共用。初始時(shí)，將列選擇線置為高電平，當(dāng)有按鍵按下時(shí)，列選擇線的電位取決于列選擇線，通過相應(yīng)行的電平狀態(tài)判斷有無按鍵按下，可以通過鍵盤的配合來調(diào)節(jié)溫度的設(shè)定值。 圖2-5-4鍵盤和顯示器接口電路的接線圖2.6 加熱電路和報(bào)警裝置2.6.1 加熱電路圖2-6-1 加熱電路圖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)。單片機(jī)8051的p2.0端輸出的觸發(fā)信號(hào)，經(jīng)7407后，送到光電耦合器4n25。p2.0端輸出高電

18、平時(shí)，4n25沒有電流輸入，晶體管t截止，雙向晶閘管ks關(guān)斷，電熱器不加熱。當(dāng)p2.0端輸出低電平時(shí)，7407輸出低電平，4n25的輸入電流約為18m，輸出端的電流大3.6m，經(jīng)晶體管9013放大后，雙向可控硅門極的電流可達(dá)200 m，雙向可控硅導(dǎo)通，電熱器加熱。電阻r3的作用是限制觸發(fā)電流，當(dāng)雙向可控硅ks的功率較小時(shí)，r3的值可由30改為100。2.6.2 報(bào)警裝置首先通過按鍵對要達(dá)到的溫度進(jìn)行設(shè)定，通過加熱裝置對水進(jìn)行加熱，當(dāng)加熱溫度達(dá)到或超過設(shè)定值時(shí)，將加熱信號(hào)送到8051中，通過微處理器處理后，輸出到p1口報(bào)警，并通過三極管驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器或蜂鳴器報(bào)警。圖2-6-2 報(bào)警裝置的硬件電路圖3

19、 單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)3.1 總的程序設(shè)計(jì)框圖 開 始初 始 化開始加熱嗎？溫度達(dá)到設(shè)定值嗎？是按鍵按下嗎？加熱溫度采樣in0停止加熱、蜂鳴器響主程序結(jié)束ny按鍵處理ynyn 圖3-1主程序流程圖3.2 8255的程序設(shè)計(jì)3.2.1 8255的程序的初始化8255的編程如下：由第四章可得8255各端口地址是：a口地址：ff7ch b口地址：ff7dh c口地址：ff7eh 控制口地址：ff7fh假設(shè)要求8255工作方式0，且a口作為輸出，b口作為輸出，c口作為輸入，則工作程序如下：mov a,#81 h ;方式0，a口、b口輸出，c口輸入mov dptr,#0ff7fh ;控制寄存器地址dptrm

20、ovx dptr,a ;方式控制字控制寄存器mov dptr,#0ff7ch ;a口地址dptrmovx a,dptr ;從a口讀數(shù)據(jù)mov dptr,#0ff7dh ;b口地址dptrmov a,data1 ;要輸出的數(shù)據(jù)data1amovx dptr,a ;將data1送b口輸出mov dptr,#0ff7eh ;c口地址dptrmov a,data2 ;data2amovx dptr,a ;將data2送c口輸出3.2.2 對端口c的置位/復(fù)位8255的c口8位中的任一位，均可用指令來置位或復(fù)位。例如，如果想把c口的第6位pc5置1,相應(yīng)的控制字為:00001011b=0bh，程序如下：

21、mov dptr,#0ff7fh :控制口地址dptrmov a,#0bh ;控制字amovx dptr,a ;控制字控制口 ;pc5=1如果想把c口的第6位pc5復(fù)位，相應(yīng)的控制字為：00001010b=0ah。程序如下：mov dptr,#0ff7fh ;控制口地址dptrmov a,#0ah ;控制字amovx dptr,a ;控制字送到控制口 ;pc5=03.3 鍵盤和顯示接口電路程序設(shè)計(jì)3.3.1 鍵盤和顯示器的程序設(shè)計(jì) 8255在mcs-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中廣泛用于連接外部設(shè)備，如打印機(jī)、鍵盤、顯示器以及作為控制信息的輸入、輸出口。 8255初始化開始置段，位選碼的初值8255初始

22、化位選碼pb口查段選碼表段選碼pa口選擇下一位延時(shí)1ms指向下一顯示單元6位顯示完否？ n 返 回 圖3-2 程序框圖程序如下：dis： mov a，#00000011b ;8255pa、pa、pb口為輸出，pc口為輸入 mov dptr，#ff7ch ;8255命令口地址送dptr movx dptr，a ;寫命令mov r0，#50h ;5055h單元存6個(gè)顯示數(shù)據(jù) mov r3，#7fh ;第1位led的位選碼7fh mov a，r3again：mov dptr，#7f01h ；指向pa口 movx dptr，a ；位選碼送pa口 mov a，r0 ；取顯示數(shù)據(jù) mov dptr，#ds

23、eg ；取段選碼表首址 movc a，a+dptr ；取段選碼 mov dptr，#7f02h ；指向pb口 movx dptr，a ；段選碼送pb口 acall dl1ms ；延時(shí)1ms inc r0 ；指向下一顯示數(shù)據(jù)單元mov a，r3 jnb acc.0，out ；6位顯示完，轉(zhuǎn)outrr a ；未完，調(diào)整為下一位選碼mov r3，a ajmp again ；繼續(xù)顯示下一位out： ret ；子程序返回dseg： db 3fh，06h，5bh ；顯示0，1，2db 4fh，66h，6dh ；顯示3，4，5db 77h，7ch，39h ；顯示a，b，cdb 5eh，79h，71h ；顯示

24、d，e，fdl1ms： mov r7，#01h ；延時(shí)1ms子程序dl0： mov r6，#0ffhdl1： djnz r6，dl1dlnz r7，dl0 ret 3.3.2 鍵盤掃描子程序本方案中用延時(shí)10ms子程序進(jìn)行軟件消抖；通過設(shè)置處理標(biāo)志來區(qū)分閉合鍵是否已處理過。開始8255初始化調(diào)顯示子程序并熄滅子程序調(diào)全列置零掃描子程序有按鍵否？ n y調(diào)顯示子程序延時(shí)約10ms調(diào)全列置零掃描子程序確有按鍵？ n y n y6列完否？ n y定位鍵號(hào)調(diào)顯示子程序并熄滅顯示器調(diào)全列置零掃描子程序按鍵釋放？ n返回 圖3-3 程序流程圖在掃描鍵盤的過程中應(yīng)兼顧顯示器的顯示。程序如下：keysub： mov a，#00000011b ；8255pa、pb口輸出，pc口輸入 mov dptr，#ff7fh ；控制字地址送dptr movx dptr，a ；向8255輸出控制字begin： acall dis ；調(diào)顯示子程序 acall clear ；清零顯示器，即熄滅 acall ccscan ；全列置零掃描，判有無按鍵按下 jnz ink1 ；有鍵按下，轉(zhuǎn)ink1ajmp begin ink1： acall dis ；調(diào)顯示子程序，延時(shí)89ms acall dl1ms acall dl