DSP實(shí)物解剖報(bào)告(電水壺)

1、 關(guān)于電熱水壺的剖析報(bào)告姓 名： 歐陽飛 學(xué) 號： 2013511004 班 級： 1111 電科 關(guān)于電熱水壺的剖析報(bào)告1.引言電熱水壺指一種用于飯店客房內(nèi)供客人自助燒開水的電開水器，一般有分體式電源底座，水沸自動開關(guān)，有水位指示標(biāo)準(zhǔn)和電源指示燈、干燥保護(hù)等安全裝置，一般技術(shù)指標(biāo)為950W左右，水容量從0.5到2公升均有，電壓220240V。1891年電水壺誕生于芝加哥。隨著科技的發(fā)展，快捷、安全、便利、充分利用能源日漸成為了水壺的主要特點(diǎn)，嗜茶的英國人從此便愛上她了。到了二十一世紀(jì)便成為全球的暢銷品。電水壺采用的是蒸氣智能感應(yīng)控溫，具有水沸騰后自動斷電、防干燒斷電的功能。隨著生活的需要，現(xiàn)

2、在的電水壺也正在向多功能方向發(fā)展，如防漏、防燙、鎖水等。本次報(bào)告介紹了基于MCS-51系列單片機(jī)為控制芯片，對電熱水壺工作進(jìn)行控制的方法。通過電加熱電路對水進(jìn)行加熱，并對水的溫度進(jìn)行采樣，采樣信號通過ADC0809將數(shù)字量送入單片機(jī)系統(tǒng)，經(jīng)微機(jī)處理后，結(jié)合鍵盤控制實(shí)現(xiàn)LED顯示，實(shí)現(xiàn)對水的溫度的控制和超過水溫的報(bào)警系統(tǒng)。 2.電水壺的基本結(jié)構(gòu)及分類電熱水壺主要由壺體、電源連接器、發(fā)熱器、蒸汽感應(yīng)控制器和防干燒溫控器等零部件組成。 按結(jié)構(gòu)分為直插式和旋轉(zhuǎn)式。直插式就是壺體與底座不能旋轉(zhuǎn)，用發(fā)熱管直接加熱；旋轉(zhuǎn)式是壺體與底座可以360度旋轉(zhuǎn)，用發(fā)熱盤加熱。市場上的大多數(shù)產(chǎn)品為旋轉(zhuǎn)式。 3

3、.電水壺的工作原理利用水沸騰時(shí)產(chǎn)生的水蒸汽使蒸汽感溫元件的雙金屬片變形，并利用變形通過杠桿原理推動電源開關(guān)，從而使電熱水壺在水燒開后自動斷電。其斷電是不可自復(fù)位的故斷電后水壺不會自動再加熱。這種熱水壺用MC-51單片機(jī)作為控制芯片，管理整個電熱水壺的工作情況，構(gòu)成了一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，而且增加了三個按鍵和六位數(shù)碼管顯示。4. 電熱水壺硬件電路部分及分析4.1 MCS-51單片機(jī)控制的總體介紹單片機(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。整個系統(tǒng)的關(guān)鍵電路是單片機(jī)控制電路，是整個

4、控制的核心，完成信號的輸入和輸出的轉(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，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。4.2 溫度傳感器及其檢測電路分析4.2.1 AD590溫度傳感器的概念圖1 AD590引腳圖溫度檢測電路由熱電偶、運(yùn)算放大器，溫度傳感器AD590等組成，直接輸出電流（1A/K）經(jīng)運(yùn)算放大器LM358進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)化后，可得到電壓輸出，輸出電壓為100mV/，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換通道送到微處理器中。AD590是一種二端式的集成溫度傳感器。由于AD590是一種電流型的溫度傳感器，因此具有較

5、強(qiáng)的抗干擾能力，適用于計(jì)算機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)距離溫度測量和控制，遠(yuǎn)距離信號傳遞時(shí)，可采用一般的雙絞線來完成，其電阻比較大，因此不需要精密電源對其供電，長導(dǎo)線上的壓降一般不影響測量精度；不需要溫度補(bǔ)償和專門的線性電路，AD590引腳圖如圖1所示。 其主要技術(shù)參數(shù)有： 測溫范圍為-55+150。 工作電壓為+4+30V，由于AD590是一種恒流源形式的溫度傳感器，只需在其二端加上一定工作電壓則其輸出電流隨溫度變化而變化，其線性電流輸出為1A/。K，即溫度每變化1，其輸出電流變化1A；它以熱力學(xué)溫標(biāo)零點(diǎn)作為零輸出點(diǎn)，因此在25時(shí)，其輸出電流為298.2A。 精度：經(jīng)過激光平衡調(diào)整，AD590的校準(zhǔn)精度可達(dá)+和

6、-0.5，全溫區(qū)范圍線性度可達(dá)+和-0.3（AD590M）當(dāng)其在10溫區(qū)范圍內(nèi)校正后測量，精度可達(dá)+和-0.1，在全溫區(qū)范圍內(nèi)（-55+145）使用，精度也可高達(dá)+、-1。4.2.2 溫度檢測電路分析圖2 電源轉(zhuǎn)換電路 在介紹溫度檢測電路之前，首先要了解一下電源轉(zhuǎn)換電路。電壓經(jīng)過四個二極管兩兩導(dǎo)通整流濾波后，再經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換芯片7805就可以將原來交流220V的電壓轉(zhuǎn)換成直流電壓為+5V，即可以得到報(bào)警電路和溫度檢測電路所需要的電壓值。其轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。圖3 溫度檢測電路溫度檢測電路由溫度傳感器AD590等組成，直接輸出電流1A/K，輸出電壓為100mV/，經(jīng)運(yùn)算放大器LM358進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)

7、化后，再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換通道送到微處理器中，R6、R5、R2用于相互配合調(diào)節(jié)溫度測量的滿刻度值。溫度檢測電路如圖3所示。當(dāng)傳感器AD590所處溫區(qū)發(fā)生1的溫度變化時(shí)，流過其所在回路的電流即產(chǎn)生1A的變化，則其輸出電壓的變化為： V0=1A/*100K=100mV/AD590的輸出電流值說明如下：其輸出電流是以絕對溫度零度(-273)為基準(zhǔn),每增加1,它會增加1A輸出電流,因此在室溫25時(shí),其輸出電流Io=(273+25)=298A。Vo的值為Io乘上10K,以室溫25而言,輸出值為2.98V(10K×298A)。 量測Vo時(shí),不可分出任何電流,否則量測值會不準(zhǔn)。 AD

8、590的輸出電流I=(273+T)A(T為攝氏溫度),因此量測的電壓V為(273+T)A ×10K= (2.73+T/100)V。4.3 A/D轉(zhuǎn)換器電路原理及分析4.3.1 A/D轉(zhuǎn)換器連接電路 A/D轉(zhuǎn)換一般都設(shè)置在前向通道中，它將外界輸入的模擬信號轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)總線能接受的數(shù)字量。將一待轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號U1n與一個推測信號Ur相比較，根據(jù)推測信號大于還是小于輸入信號來決定增大還是減少該推測信號相等時(shí)，向D/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，A/D轉(zhuǎn)換的連接電路如圖4所示。由圖4可以看出ADC0809時(shí)鐘CLK由8051ALE信號提供，ALE信號頻率為f/6。用地

9、址線低8位A0、A1、A2（P0.0P0.2）接0809的A、B、C三端用來對8路模擬通道進(jìn)行選擇。EOC經(jīng)非門與8051 相接，0809與8051采用中斷方式聯(lián)絡(luò)，外部中斷1服務(wù)子程序讀A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，并啟動下一次轉(zhuǎn)換。0809啟動條件為START= WR+P2.6，因此啟動時(shí)，應(yīng)用寫指令（使WR=1），并且要保證地址線P2.6=0，其端口地址為DFFFH。ADC0809轉(zhuǎn)換器將信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，再將數(shù)字信號傳入8051進(jìn)行微處理，通過LED顯示溫度。在由于A/D0809具有鎖存的TTL三態(tài)輸出，它的八條數(shù)據(jù)線和8051的八條數(shù)據(jù)線相連，采用線性選址法，其口地址為DFFFH。通道地址A，B，

10、C由數(shù)據(jù)總線DB0，DB2，DB2提供。A，B，C地址線上的信息由ALE上升沿打入地址鎖存器74LS373。圖4 A/D轉(zhuǎn)換的連接電路4.3.2 A/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

11、三位地址A、B、C鎖存到地址鎖存器中。START：為啟動控制輸入端。它與ALE可以接在一起，當(dāng)通過程序加上一個正脈沖便立即開始A/D轉(zhuǎn)換。EOC： 轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端，高電平有效。在此輸出端供給一個有效信號則打開三態(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。4.4振蕩電路和時(shí)鐘電路分析振蕩電路和單片機(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，如圖5所示。圖5 外部時(shí)鐘方式電路圖 MCS-51單片機(jī)芯片

12、內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成一個自激振蕩器。在圖5中，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。通常接的外部信號一般為頻率低于12MHZ的方波信號。另外，由于XTAL2端的邏輯電平不是TTL的，故還需要接一個上拉電阻。4.5 基于單片機(jī)的復(fù)位電路圖6 上電復(fù)位和開關(guān)復(fù)位組合電路 通常單片機(jī)復(fù)位操作有上電復(fù)位、信號復(fù)位、運(yùn)行監(jiān)視復(fù)位。本產(chǎn)品其主要復(fù)位電路為上電復(fù)位和開關(guān)

13、復(fù)位組合電路，如圖6所示，在這兩種簡單復(fù)位電路中，干擾容易串人復(fù)位端，在大多數(shù)情況下，不會造成單片機(jī)錯誤復(fù)位，但會引起內(nèi)部某些寄存器錯誤復(fù)位。4.6 8255輸出口擴(kuò)展 8255是可編程RAM/IO擴(kuò)展器，片內(nèi)有256*8位靜態(tài)RAM，2個8位和1個6位可編程并行I/O接口，以及1個14位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。還有地址鎖存器和多路轉(zhuǎn)換的地址/數(shù)據(jù)總線，可直接與MCS-51單片微機(jī)相連接。因此還是MCS-51應(yīng)用系統(tǒng)最適用的擴(kuò)展器件。  8255與8051的外部接口電路如圖7所示，可以看出8051通過地址鎖存器與8255相連， 8255的片選信號CS及口地址選擇線A0、A1分別由805

14、1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：FF7FH8255的工作方式可由CPU寫入一個控制字到8255控制字寄存器來選擇。方式控制字共有八位，D7位為置方式標(biāo)志，有效為1，假設(shè)要求8255工作方式0，且A口作為輸出，B

15、口作為輸出，C口作為輸入，則可得控制字為81H。圖7 8255與8051的外部接口電路4.7 光電隔離器電路分析圖8 總電路框圖在開關(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。光電隔離器的種類繁多，常用的有發(fā)光二極管/光敏三極管、發(fā)光二極管/光敏復(fù)合晶體管、發(fā)光二極管/光敏電阻，發(fā)光二極管/光觸發(fā)可控硅等，但從其隔離方法這一角度來看，都是一樣的，即都通過電光電這種轉(zhuǎn)換，利用“光”這一環(huán)節(jié)完成隔離功能。如圖8所示，總電路框圖中有一個光電離合，它是GaAs紅外發(fā)光二極管和光敏三極管組成。當(dāng)發(fā)光二極管有正向電流通過

16、時(shí)，即產(chǎn)生人眼看不見的紅外光，其光譜范圍為7001000nm。光敏三極管接收光以后便導(dǎo)通。而當(dāng)該電流撤去時(shí)，發(fā)光二極管熄滅，三極管截止。利用這種特性即可達(dá)到開關(guān)控制的目的。由于該器件是通過電光電這種轉(zhuǎn)換來實(shí)現(xiàn)對輸出設(shè)備進(jìn)行控制的，彼此之間沒有電氣連接，因而起到隔離作用，隔離電壓與光電隔離器的結(jié)構(gòu)有關(guān)。4.8 鍵盤及顯示電路分析按鍵所用開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，均利用了機(jī)械觸點(diǎn)的合、斷。一個電壓信號通過機(jī)械的斷開、閉合過程。鍵盤抖動波形圖如圖9所示。圖9 鍵盤抖動波形圖由于機(jī)械觸點(diǎn)的彈性作用，一個按鍵開關(guān)在閉合時(shí)不會馬上穩(wěn)定地接通，在斷開時(shí)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，

17、抖動時(shí)間的長短由按鍵的機(jī)械特性決定，一般為510ms，這是一個很重要的時(shí)間參數(shù)，在很多場合都要用到。按鍵的穩(wěn)定閉合時(shí)間由操作人員的按鍵動作持續(xù)時(shí)間決定，一般為十分之幾秒到幾秒時(shí)間。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)，必須消除按鍵抖動的影響，這也是按鍵抗干擾的主要的一個方面。4.9 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。行線通過上拉電阻接到+5V上。平時(shí)無按鍵動作時(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

18、。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。這一點(diǎn)是識別矩陣鍵盤按鍵是否被按下的關(guān)鍵所在.由于矩陣鍵盤中行、列線為多用鍵共用，各按鍵均影響該鍵所在行和列的電平。因此個按鍵彼此將相互發(fā)生影響，所以必須將、列線信號配合起來并作適當(dāng)?shù)奶幚?，才能確定閉合鍵的位置。（2）按鍵的識別方法矩陣鍵盤按鍵的識別方法分兩步進(jìn)行：第一步，識別鍵盤有無鍵被按下；第二步，如果有鍵被按下，識別出具體的按鍵。識別鍵盤有無鍵按下的方法是讓所有列線均置為0電平，檢查各行線電平是否有變化，如果有變化，則說明有鍵被按下，如果沒有變化，則說明無鍵被按下,識別具體按鍵的方法是（亦稱為掃描法）：逐行置零電平，

19、其余各列置為高電平，檢查各行線電平的變化，如果某行電平由高電平變?yōu)榱汶娖剑瑒t可確定此行此列交叉點(diǎn)處的按鍵被按下。（3）鍵盤的工作方式單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤掃描只是CPU的工作內(nèi)容之一。CPU在忙于各項(xiàng)工作任務(wù)時(shí),如何兼顧鍵盤的輸入，取決于鍵盤的工作方式。鍵盤的工作方式的選取應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中CPU工作的忙，閑情況而定.其原則是既要保證能及時(shí)響應(yīng)按鍵操作，又要不過多占用CPU的工作時(shí)間。通常，鍵盤工作方式有三種，即：編程掃描、定時(shí)掃描和中斷掃描。CPU對鍵盤的掃描采用程序控制方式，一旦進(jìn)入鍵掃描狀態(tài),則反復(fù)地掃描鍵盤，等待用戶從鍵盤上輸入命令或數(shù)據(jù)。而在執(zhí)行鍵入命令或處理輸入數(shù)據(jù)過程中，CPU

20、將不再響應(yīng)鍵入要求，直到CPU返回重新掃描鍵盤為止。在圖10所示的鍵盤和顯示器接口電路的接線圖，可以看出鍵盤采用編程掃描方式工作，PB口輸出逐行掃描信號，PA口輸入8位列信號，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。圖10鍵盤和顯示器接口電路的接線圖4.10 加熱電路和報(bào)警裝置分析4.10.1 加熱電路分析電水壺的加熱電路圖如圖11所示，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)。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

21、的觸發(fā)信號，經(jīng)7407后，送到光電耦合器4N25。P2.0端輸出高電平時(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。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INT0和INT1端。INT0是過零檢測端，它可對過零的上升信號檢測而產(chǎn)生中斷；

22、INT1也是過零檢測端，它可對過零的下降信號檢測而產(chǎn)生中斷。把INTO和INT1產(chǎn)生的中斷綜合處理，即可得到電源電壓過零的時(shí)刻。圖11 加熱電路圖4.10.2 報(bào)警裝置分析圖12 報(bào)警裝置的硬件電路圖通過按鍵對要達(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)動揚(yáng)聲器或蜂鳴器報(bào)警，其硬件電路圖如圖12所示。5.電熱水壺的外形其實(shí)，現(xiàn)行社會中的電熱水壺的形體是林林總總，下面就四大類對其進(jìn)行簡要介紹：6.產(chǎn)品的缺點(diǎn)（1）質(zhì)量安全問題 電熱水壺的主要零件是發(fā)熱盤和塑料模具。一些不法電熱

23、水壺生產(chǎn)企業(yè)為了節(jié)省成本，不惜使用不合規(guī)格的發(fā)熱盤和低檔次的非食品級塑料，不僅縮短產(chǎn)品的使用壽命，同時(shí)更對消費(fèi)者造成安全隱患。（2）滲漏問題 由于加熱和冷卻過程中，底部溫度與外殼溫度不一致，金屬與塑料膨脹系數(shù)不同，導(dǎo)致聯(lián)接處容易漏水，造成電水壺膠木插座碳化、短路、壺體金屬熔融、保險(xiǎn)熔絲熔斷等各類故障。如何改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少漏水量，消除安全隱患是該型號熱水壺設(shè)計(jì)過程中的一個重要問題，對于現(xiàn)實(shí)生活具有重要意義。  （3）爆裂問題 目前,電熱水壺的大部分產(chǎn)品的設(shè)計(jì)都是考慮在戶內(nèi)使用，所以在塑料資料中沒有加UV穩(wěn)定型，在戶外使用會容易使塑料爆裂。因此不能長期在戶外特別是陽光直射下使用。7.產(chǎn)品發(fā)展趨勢（1）保溫 中國家庭傳統(tǒng)使用的電暖水瓶為什么一直沒被淘汰呢？就是因?yàn)樵瓉黼娝畨爻丝旖葜獠]有保溫功能，這是不符合中國人傳統(tǒng)飲水習(xí)慣具有保溫功能的水壺，大多有二個發(fā)熱管，有一個保溫發(fā)熱管