基于單片機的電熱水器控制器設計

1、 畢業(yè)論文 課程設計題目：基于單片機的電熱水器控制器設計學 院：機械與電子工程學院學生姓名：彭曉武班 級：080621學 號：08062137指導教師：付志堅2011年11月1日1摘 要本文設計的控制器采用AT89S51單片機作為控制核心來設計智能電熱水器。本設計也對單片機控制電熱水器實現(xiàn)智能化的可能性進行了分析，利用溫度傳感器、水位檢測裝置、及模數(shù)轉(zhuǎn)換器等來完成本設計。在硬件設計方面，主要對單片機最小系統(tǒng)及其擴展、電源電路、鍵盤顯示及接口電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、水位及水溫檢測電路、報警電路進行了詳細介紹。還詳細介紹了設計中應用到的主要芯片的性能和特點，包括AT89S51、74LS377、DS18

2、B20、ADC0809等。在軟件設計方面，采用匯編語言編程，是由于其易于為單片機所識別，執(zhí)行速度快。最后對軟件調(diào)試進行了誤差分析。該智能電熱水器設計完善，實現(xiàn)方案簡單易行。采用軟件設計來控制，可以實現(xiàn)智能檢測水位及水溫，智能加熱，并且提高了整機的可靠性及準確性。關(guān)鍵詞：單片機，控制，智能IIIABSTRACTAs technology make a good progress, the applications of single-chip microcomputer become mature all the time. The single-chip microcomputer integ

3、rates the various components in a chip, uses the internal bus structure, reduces the connection in different chips, enhanced greatly the reliability and anti-jamming capability. In the development of single-chip microcomputer, due to its excellent cost performance, high integration, small size, high

4、 reliability, it has been used as a control center all the time. Since the birth of single-chip microcomputer, it began to walk into a humans life, such as washing machines, refrigerators, electronic toys, DMB, which equipped with the single-chip microcomputer, and improved their intelligence, abili

5、ty. People, who used them, will love them better. The single-chip microcomputer makes humans life more convenient, comfortable and colorful. As a result, I use single-chip microcomputer to design intelligent electric water heaters. This paper mainly discusses the intelligent electric water heater ho

6、w to work. To achieve system goals, in deep analysis of the AT89S51, I made a set of simple and practical control system design. The system is mainly to use single-chip microcomputer to control centers, with specific hardware architecture and the corresponding software design, thus the intelligence

7、of the water heater would become true.Keywords: single-chip microcomputer, controller, intelligence 目 錄引言1第1章 緒論 21.1 課題的背景 21.2 課題研究的目的及意義 21.3 國內(nèi)外的研究狀況和成果 3第2章 總體設計方案 42.1設計要求 4 2.2 方案設計 4第3章 硬件系統(tǒng)設計 63.1 方案驗證63.2 硬件系統(tǒng)設計93.2.1 電源電路93.2.2 鍵盤/顯示接口電路 93.2.3 報警電路113.2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路123.2.5 溫度檢測電路133.2.6 水位檢測

8、電路153.2.7 時鐘電路163.2.8 顯示模塊173.2.9 AT89S51功能及特性介紹20第4章 軟件系統(tǒng)設計244.1 主程序流程框圖244.2鍵掃描子程序流程框圖264.3顯示子程序流程框264.4 運行程序流程框圖274.5 軟件仿真27結(jié)論與體會29致謝 30參考文獻30附錄1程序清單32附錄2單片機的電熱水器控制器原理圖40引 言熱水器是一種可供浴室，洗手間及廚房使用的家用電器。目前市場上熱水器主要品種有電熱水器、太陽能熱水器、燃氣熱水器。就中國的具體情況而言，由于太陽能熱水器的使用受天氣原因的限制，使用范圍狹窄；燃氣熱水器由于以石油、天然氣為燃料，而燃料供應量又難以滿足人

9、們?nèi)找嬖鲩L的需求，且不利于環(huán)境，因此電熱水器越來越受到消費者的青睞。電熱水器的優(yōu)點是能適應任何天氣變化，普通家庭可直接安裝使用，長時間通電可以大流量供熱水。使用時不產(chǎn)生廢氣，使用起來既安全又衛(wèi)生，多數(shù)產(chǎn)品由于采取了過壓、過熱、漏電三重保護裝置，在使用中更為安全。隨著廣大消費者生活水平的提高，電熱水器已成為普通家庭生活中不可缺少的家用電器。隨著科技的發(fā)展和人們生活質(zhì)量的不斷提高，人們對電熱水器的控制要求也越來越高，從現(xiàn)在能到達設定溫度后自動斷電、自動補溫等功能，到電熱水器向更智能化、舒適化、人性化發(fā)展，如電熱水器能快速、穩(wěn)定的達到人們所需求的溫度，以體現(xiàn)電熱水器比一般熱水器具有更大的優(yōu)勢。單片機

10、是家用電器常用的控制器件，本文介紹了基于AT89S51單片機控制的電熱水器控制電路，包括溫度測量單片機控制、水溫設定與自動調(diào)節(jié)電路、鍵盤控制、液晶顯示、報警電路五部分，在控制回路采用PID模糊控制方法，基于模糊控制的方法，在強時變、大時滯、非線性系統(tǒng)中的控制效果有著明顯的優(yōu)勢，把二者結(jié)合起來，可使控制器的性能指標達到最優(yōu)的目的。基于模糊控制技術(shù)的單片機控制的電熱水器，是對傳統(tǒng)的電熱水器開關(guān)控制的改造，具有達到設定溫度的時間短、穩(wěn)態(tài)溫度波動小、反應靈敏、抗干擾能力強、節(jié)省電能等優(yōu)點。首先通過按下鍵盤按鍵設定所需的溫度，并通過液晶顯示，再通過溫度傳感器DS18B20測出電熱水器的溫度，送液晶顯示并

11、送單片機與設定水溫加以比較，設定水溫高于實測水溫則通過繼電器觸頭的通斷來控制是否對電熱絲進行加熱，從而實現(xiàn)水溫的測量以及控制，在水溫高于設定溫度時，蜂鳴器報警，其簡潔、智能、精確的優(yōu)點基本能滿足人們的需求，并且將會得到廣泛的應用 。第1章 緒論1.1 課題的背景中國已是熱水器生產(chǎn)大國，伴隨著住宅消費和人們對生活品質(zhì)要求的提高，熱水器已由一個高檔的奢侈品成為居民喬遷新居、廚衛(wèi)裝修的必備產(chǎn)品。近幾年來，隨著人們生活水平的不斷提高，智能化的家用電器逐漸走進千家萬戶，此外，受瓶裝氣和區(qū)域管道燃氣提價影響，而且城鎮(zhèn)的電價普遍有所下調(diào)，許多居民轉(zhuǎn)而選擇相對省錢的電器產(chǎn)品。全國城鎮(zhèn)熱水器擁有率為72.3%，

12、45%的城市居民家庭表示要在今后幾年購買熱水器，市場平均每年的最低需求維持在1000萬臺左右。除太陽能熱水器外，中國熱水器行業(yè)有一定規(guī)模的生產(chǎn)企業(yè)大約有200家。由此可見電熱水器在中國有廣闊的市場，但由此也衍生了很多問題，如漏電，環(huán)保等一系列問題，近年來電熱水器多次出現(xiàn)漏電傷人甚至致死事件，因此其安全性一直為消費者所關(guān)注。 所以對熱水器的改良和智能化設計是大勢所趨。在當今社會，科技日新月異，熱水器技術(shù)飛速發(fā)展，越來越多的科技成果被運用到熱水器的制造中。如今的熱水器產(chǎn)品已經(jīng)絕對不是一個簡單的加熱器，而是科技含量高的現(xiàn)代化家電產(chǎn)品。隨著我國人民生活水平的逐漸提高，其生活條件有了很大的改善，智能化電

13、器在人們?nèi)粘Ｉ钪姓加斜戎卦絹碓酱?，與家庭生活密切相關(guān)的熱水器品種層出不窮，花樣翻新。正是在這樣的背景下，本設計選擇基于AT89S51單片機的智能電熱水器的設計研究。1.2 課題研究的目的及意義本選題目的是基于人們對現(xiàn)代家庭舒適、便利、安全以及多元化信息服務的需要設計出一款經(jīng)濟可靠，精確實現(xiàn)控制的電熱水器控制電路利用單片機控制，即達到較好的效果，又降低了價格，使熱水器更加的經(jīng)濟可靠。利用按鍵精確地設定溫度，精確調(diào)溫使溫度達到使用者要求的溫度，從而實現(xiàn)人性化控制。能進行高溫保護，防止熱水器干燒而導致事故。能實現(xiàn)自動斷電的安全功能，使人們洗浴時能放心享受，利于人們的身體健康1.3 國內(nèi)外研究狀況和

14、成果據(jù)了解，熱水器內(nèi)膽最關(guān)鍵，如果內(nèi)膽損壞就意味著整臺機器報廢。與其他家用產(chǎn)品不同的是，電熱水器沒有必要頻繁升級換代，出于安全性和經(jīng)濟性的考慮，熱水器的耐用性才是廠商需要絞盡腦汁的。空調(diào)的核心是壓縮機，電扇的核心是電機。對于熱水器來說內(nèi)膽是最關(guān)鍵的，從一定意義來說，內(nèi)膽的品質(zhì)就代表熱水器的品質(zhì)。目前的內(nèi)膽技術(shù)紛 繁復雜，但究其本質(zhì)目標都是一樣的：保溫、耐壓、不生銹、無水垢、不滲水是內(nèi)膽的基本要求。 燃氣熱水器設有自動恒溫控制，停氣自動關(guān)機，超水溫泄壓等安全保護功能，即使臨時停氣，仍有儲存的熱水使用。智能化技術(shù)的運用有兩個好處，一是更方便，二是更節(jié)能，按照用戶的使用習慣提前預先加熱，讓使用者隨心

15、享用熱水。而在非用水時間則啟動中溫保溫方程式，根據(jù)設定溫度計算出最節(jié)能的保溫溫度，減小熱水器內(nèi)外溫差，因而大大減少保溫加熱次數(shù)，真正做到不拔插頭更省電。在節(jié)能上冰箱等家電產(chǎn)品已經(jīng)走在了前面，熱水器這種用電量很大的產(chǎn)品更加應該推進節(jié)能技術(shù)的普及。對于傳統(tǒng)的電熱水器行業(yè)而言，要想出現(xiàn)本質(zhì)性的突破幾乎是不可能的，而在功能上不斷提升，抓住人性化需求，卻是一條可行之路。而事實正是如此。阿里斯頓、比利奇、史密斯、海爾、美的爭先恐后推出了超大液晶屏、電子線控、超薄時尚、雙管加熱、漏電保護器、防電墻、多口出水等新技術(shù)，尤其是海爾，甚至在電熱水器上增加了按摩功能，專門的噴霧按摩噴嘴，讓消費者可以足不出戶就感受按

16、摩的快樂。國外對智能電熱水器的主要研究成果有：西門子智能電熱水器，采用德國新電腦溫控技術(shù)，確保出水溫度均勻恒定，使沐浴成為真正的享受。西門子家電集團采用西門子在電站技術(shù)上的強大防漏電安全技術(shù)為基礎，開發(fā)出獨有的ELCB德國安全專家模式功能。除具有正常的防漏電裝置外，還具備安全電流自我檢測功能，隨時檢測防漏電系統(tǒng)是否正常工作，雙重保險將個體與電源完全分開，杜絕意外發(fā)生。櫻花IMES智能記憶節(jié)能系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)單時段節(jié)能模式，提供了獨一無二的三時段定時預熱和七種供水模式，其工作過程“聰明伶俐”，它不斷自動存儲、分析主人近一個月用水的具體數(shù)據(jù)，以最經(jīng)濟的模式提前為主人準備熱水，真正實現(xiàn)全天候節(jié)能供水

17、。特別是還具備體貼的停電數(shù)據(jù)保留功能，就算停電48小時，也能自動記憶所有參數(shù)，讓主人毫無后顧之憂。全新的智能中溫保溫功能，徹底彌補了傳統(tǒng)中溫保溫的缺陷，根據(jù)設定水溫、環(huán)境、季節(jié)的不同，自動選擇最節(jié)能的保溫狀態(tài)，避免固定中溫技術(shù)大幅度溫差造成不必要的浪費，縮短加熱時間，切實做到省電節(jié)能 第2章 總體方案設計設計就是根據(jù)題目的要求而對硬件和軟件進行規(guī)劃，并選擇最合適的硬件電路和軟件程序來達到目的。硬件設計是通過對設計要求的分析，對各種元器件的了解，而得出分立元件與集成塊的某些連接方法，以達到設計的功能要求。并且把這些元器件焊接在一塊電路板上。它包括對各種元器件的功能和接法的了解，以及對各種元器件的

18、選擇和設計方案的選擇。軟件設計是分析設計的硬件用程序?qū)崿F(xiàn)其功能，并且調(diào)試優(yōu)化產(chǎn)品功能。2.1 設計要求課題是制作一款基于單片機控制的電熱水器控制系統(tǒng)，使電熱水器按人們的需求能快速、穩(wěn)定的達到人們所需求的溫度，以體現(xiàn)電熱水器比一般熱水器所具有的優(yōu)勢。要求溫度傳感器及轉(zhuǎn)換電路，水溫設定與自動調(diào)節(jié)電路，單片機輸入輸出接口電路以及顯示模塊的設計。其中的難點是實現(xiàn)PID控制溫度。2.2 方案設計方案設計的總體思路如下：首先通過鍵盤設定一個溫度值，然后通過溫度傳感器采集溫度，與設定的溫度進行比較，如果溫度小于設定值電熱水器開始加熱，當水溫達到設定值時，則停止加熱，設定的溫度和水溫通過LED數(shù)碼管顯示出來。

19、當水溫高于某臨界溫度（如70°）時，報警器發(fā)出報警，同時中斷加熱。所以可以得出電路以單片機為核心，包括溫度設定按鍵模塊，LED顯示模塊，報警和輸出電路等模塊組成，其系統(tǒng)模塊框圖見圖2.1溫度設定溫度測量單片機數(shù)碼管顯示報警圖2.1 系統(tǒng)模塊框圖 溫度設定電路。通過一個按鍵產(chǎn)生脈沖輸入單片機來調(diào)節(jié)水溫的設定值。 溫度測定電路，采用溫度傳感器來測量溫度。 單片機，是整個電路的控制核心，實現(xiàn)PID模糊控制。 數(shù)碼管顯示，單片機通過動態(tài)掃描方式輸出并利用數(shù)碼管顯示溫度的設定值和實際測溫值。 報警電路，當實際溫度高于設定溫度時，報警電路報警?；谝陨夏K設計出了電路的基本結(jié)構(gòu)圖，如圖2.2給定

20、單片機SSR驅(qū)動電烤箱溫度傳感器報警及顯示電路圖2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖結(jié)構(gòu)圖中以單片機為核心進行系統(tǒng)設計。通過單片機對偏差進行PID運算，輸出占空比可變的PWM波形，從而控制固態(tài)繼電器的導通時間，即通過調(diào)節(jié)加熱功率即可達到控制溫度恒定的目的。第3章 硬件系統(tǒng)設計3.1 方案驗證目前市場上的電熱水器有連續(xù)水流式，雖具有加熱速度快和體積小的優(yōu)點，但需要的功率大，大多數(shù)家庭供電線路難以承受。而且市場上傳統(tǒng)的機械式電熱水器控制功能不完善，而且精度低、可靠性差，因此電熱水器的智能化成為必然趨勢。采用單片機來實現(xiàn)電熱水器的智能化，主要是因為其采用面向控制的指令系統(tǒng)，實時控制功能特別強。CPU可以直接對I/O口進

21、行輸入、輸出操作及邏輯運算，并且具有很強的位處理能力，能有針對性的解決由簡單到復雜各類控制任務。單片機做為嵌入式應用的微型計算機，由于其出色的性價比，極強的實用性，它取得了巨大的發(fā)展。本課題是基于AT89S51單片機的智能電熱水器的控制器的設計，要達到的控制要求有：（1）用兩位數(shù)碼管顯示水溫，兩位數(shù)碼管顯示預設溫度。（2）水溫檢測顯示范圍為0099，精度為±1。（3）溫度預設范圍為3060，當檢測溫度低于預設溫度1時，開始加熱；檢測溫度高于預設溫度1時，停止加熱。（4）設置3個程序按鍵。電源開關(guān)鍵：電源關(guān)閉時，4個數(shù)碼管熄滅，加熱元件斷電，但單片機系統(tǒng)正常工作，熱水器面板上的電源指示

22、燈點亮。電源開啟后，根據(jù)上次設定的溫度（220V總電源不能關(guān)閉）自動進入工作狀態(tài)。如220V總電源關(guān)閉后再開機，預設溫度自動定為40。溫度+鍵：每按一次該鍵，預設溫度加1，長按該鍵（時間超過1秒以上），預設溫度快速增加，當預設溫度加到60時，按該鍵不起作用。溫度鍵：每按一次該鍵，預設溫度減1，長按該鍵（時間超過1秒以上），預設溫度快速減小，當預設溫度減到30時，按該鍵不起作用。（5）設置3個面板指示燈。電源指示燈（紅）：接通220V電源，該指示燈點亮。加熱指示燈（綠）：加熱元件工作時，該指示燈被點亮。報警指示燈（黃）：當熱水器出現(xiàn)異常情況時，該指示燈被點亮。（6）報警設置。高溫報警：當檢測溫度

23、高于65時，自動報警。低溫報警：當檢測溫度低于0時，自動報警。缺水報警：當儲水箱內(nèi)缺水時，自動報警。漏電報警：當熱水器發(fā)生漏電情況時，自動報警。（7）設置一個蜂鳴器，當熱水器出現(xiàn)異常情況而報警時，由蜂鳴器發(fā)出報警聲，并自動切斷加熱元件的供電。方案一：以AT89S51單片機為控制中心的智能電熱水器AT89S51單片機具有結(jié)構(gòu)簡單、控制能力強、可靠性高、體積小、價格低等優(yōu)點，在許多行業(yè)都得到了廣泛的應用。以AT89S51單片機為核心，配以外圍電路如時鐘電路、復位電路、按鍵、顯示器件即可構(gòu)成交通燈系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1.1：溫度檢測AT89S51水位檢測漏電檢測電源電路加熱電路顯示電路圖3.1 A

24、T89S51控制的智能電熱水器 方案二：PIC16C72單片機為控制器件的智能電熱水器PIC16C72是美國微芯(Microchip)公司推出的8/11位單片機，采用寬字節(jié)單周期指令，哈佛雙總線和RISC結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)吞吐量最高可達6MIPS，這幾乎是其它大多數(shù)8位微控制器速度的4倍128腳封裝的PIC16C72單片機內(nèi)集成了以下主要功能：2KB片內(nèi)ROM程序存儲器，128KB數(shù)據(jù)存儲器；22位I/O線；5路8位A/D轉(zhuǎn)換器，2個8位，1個16位多功能計數(shù)器/定時器，1個捕捉/比較/脈寬調(diào)制(CCP)部件。以PIC16C72為控制芯片的電熱水器，雖然功能很強大，但是存在一些很需要改進的地方：中斷

25、的現(xiàn)場保護是中斷應用中一個很重要的部分由PIC16C72的指令系統(tǒng)中沒有專門的PUSH(入棧)和POP(出棧)指令，所以要用一段程序來實現(xiàn)該功能。對可能用到的W寄存器和STATUS寄存器內(nèi)容進行現(xiàn)場保護1然后在中斷服務程序中對馬達，繼電器進行控制1漏電檢測報警在中斷里給出，而每50ms進入一次中斷，所以發(fā)生漏電時最多50ms即可切斷電源1入口中斷保護控制馬達控制繼電器如果用直流對電機進行控制，其轉(zhuǎn)速太快，過調(diào)量太大，容易引起震蕩。通過以上兩種設計方法的比較來看，實現(xiàn)電熱水器的智能控制可以有很多種方法?？梢圆捎每删幊绦蚩刂破鱌LC，各種單片機來實現(xiàn)。但考慮到成本控制和軟硬件實現(xiàn)難度，采用方案一的

26、控制系統(tǒng)設計，可以進一步提高電熱水器的智能作用，能夠保證持續(xù)的熱水供應，并能夠在異常情況下自動斷電，可以滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枰岣吡巳藗兩畹馁|(zhì)量。智能電熱水器將由AT89S51單片機作為控制芯片，經(jīng)分析設計要求，初步確定其由8個模塊組成，如下圖所示： 溫度檢測AT89S51水位檢測漏電檢測加熱保溫指示電源電路加熱電路顯示電路蜂鳴器圖3.2 基于AT89S51的智能電熱水器時鐘電路用來產(chǎn)生時鐘信號供單片機工作，晶振采用12MHz，平衡電容采用33pF。復位電路在系統(tǒng)上電或運行過程中對單片機進行初始化操作。按鍵采用獨立式熱鍵，用來擴展系統(tǒng)功能，分別可以實現(xiàn)電源開關(guān)、溫度增加和溫度減少三個功能。

27、數(shù)碼管用來顯示水溫和水位兩組數(shù)據(jù)，所有數(shù)碼管采用共陽接法，段控端接在單片機同一I/O口，位控端分別接在不同位的I/O口。發(fā)光二極管用來指示系統(tǒng)運行狀態(tài)，電源指示燈（紅）：接通220V電源，該指示燈點亮。加熱指示燈（綠）：加熱元件工作時，該指示燈被點亮。報警指示燈（黃）：當熱水器出現(xiàn)異常情況時，該指示燈被點亮。ISP接口通過并口與PC機連接，實現(xiàn)單片機與PC機通訊，用編譯器對源程序進行調(diào)試及編譯，通過ISP接口將形成的二進制目標程序下載到AT89S51單片機上。依據(jù)設計要求，系統(tǒng)上電復位后按默認值開始運行，然后開始檢測溫度按鍵，若無按鍵，則按設定溫度進行工作；若溫度鍵已按下，則開始設定溫度范圍，

28、并按新的設定值開始加熱。接著繼續(xù)檢測溫度按鍵，若無按鍵，則接著上一步的執(zhí)行（以新的設定值開始工作）。若有按鍵，則重新設定溫度范圍，如此循環(huán)。另外，在運行主程序的時候，首先要檢測水位，若達不到預設值，則斷電，蜂鳴器報警；若達到預設值,則開始檢測水溫。3.2 硬件系統(tǒng)設計單片機應用系統(tǒng)的硬件電路設計包含兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴展，即單片機內(nèi)部的功能單元，如ROM、RAM、I/O、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當?shù)男酒?，設計相應的電路。二是系統(tǒng)的配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設備，如鍵盤、顯示器、打印機、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等，要設計合適的接口電路。本

29、設計中只用最小系統(tǒng)加上鍵盤、顯示、ISP接口電路，單片機本身資源可以滿足設計要求，所以不必對單片機進行擴展。系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)以AT89S51單片機為核心，主要分兩部分：直流穩(wěn)壓電源和智能電熱水器控制電路，其原理圖見附錄二。直流穩(wěn)壓電源由變壓器、整流橋、濾波電路、穩(wěn)壓電路組成。智能電熱水器系統(tǒng)由時鐘電路、復位電路、報警電路、ISP在線編程接口電路鍵盤、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和顯示接口電路組成。3.2.1 電源電路電源電路按元件類型可分為電子管穩(wěn)壓電路、三極管穩(wěn)壓電路、可控硅穩(wěn)壓電路、集成穩(wěn)壓電路等。根據(jù)調(diào)整元件與連接方法，可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型；根據(jù)調(diào)整元件工作狀態(tài)不同，可分為線性和開關(guān)穩(wěn)壓電路。本設計中采用

30、了線性工作狀態(tài)的線性集成穩(wěn)壓電源。直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成，設計框圖：電源變壓器整流濾波電路穩(wěn)壓電路輸入電壓U1輸出電壓U2圖3.3 直流穩(wěn)壓電源3.2.2 鍵盤接口電路本畢業(yè)設計的按鍵采用獨立式按鍵，是直接用I/O口線構(gòu)成的單個按鍵電路，其特點是每個按鍵單獨占用一根I/O口線，每個按鍵的工作不會影響其它I/O口線的狀態(tài)。獨立式按鍵的典型應用如圖： AT89S51P1.0P1.1P1.2ABC+5V圖3.4 獨立式按鍵 圖3.5 七段數(shù)碼管按鍵輸入均采用低電平有效，此外，上拉電阻保證了按鍵斷開時，I/O口線有確定的高電平。當I/O口線內(nèi)部有上拉電阻時，外電路不

31、可接上拉電阻。獨立式按鍵的軟件常采用查詢式結(jié)構(gòu)。先逐位查詢每根I/O口線的輸入狀態(tài)，如某一根I/O口線輸入為低電平，則可確認該I/O口線所對應的按鍵已按下，然后，再轉(zhuǎn)向該鍵的功能處理程序，具體編程見程序清單。3.2.3 報警電路熱水器工作環(huán)境潮濕，為了保證使用者安全，控制器應具備漏電檢測功能。在正常情況下，流過磁環(huán)的電流大小相等，方向相反，磁環(huán)檢測線圈無感應電流信號，漏電檢測集成電路輸出低電平。當出現(xiàn)漏電電流時，由于流過磁環(huán)的電流不平衡，于是磁環(huán)檢測線圈感應出漏電信號，經(jīng)集成電路M54123L放大輸出高電平，經(jīng)三極管倒相后輸出至單片機。單片機接收到漏電信號，則停止加熱、保溫及鍵盤操作，結(jié)束程序

32、并發(fā)出報警信號，蜂鳴器連續(xù)嗚響。在漏電保護及自檢不合格情況下，只有關(guān)閉電源及排除故障后，重新接通電源才能工作。 圖3.6 報警電路3.2.4模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 ADC0809的管腳分布及其與AT89S51的主要接口示意圖： 圖3.7 ADC0809引腳及與AT89S51連接示意圖由上圖可知，ADC0809由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。IN0IN7為8條模擬量輸入通道，A

33、DC0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是05V，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。 數(shù)字量輸出及控制線：11條ST為轉(zhuǎn)換啟動信號。當ST上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當EOC為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7D0為數(shù)字量輸出線。 CLK為時鐘輸入信號線。因ADC0809的

34、內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ，VREF（），VREF（）為參考電壓輸入。地址輸入和控制線：4條ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當ALE線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。A，B和C為地址輸入線，用于選通IN0IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表所示： 表3.1 ADC0809通道選擇表CBA選擇的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7ADC0809應用說明：（1） ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存

35、器，可以與AT89S51單片機直接相連。 （2） 初始化時，使ST和OE信號全為低電平。 （3） 送要轉(zhuǎn)換的那一通道的地址到A，B，C端口上。 （4） 在ST端給出一個至少有100ns寬的正脈沖信號。 （5） 是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號來判斷。 （6） 當EOC變?yōu)楦唠娖?，這時給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機了。3.2.5溫度檢測電路溫度模塊是硬件模塊非常重要的一個模塊，溫度檢測主要任務是檢測系統(tǒng)的采樣溫度，并通過相應的轉(zhuǎn)換，把系統(tǒng)的溫度轉(zhuǎn)換成單片機能處理的數(shù)字信號。本文采用溫度傳感器DS18B20采集電熱水器的實時溫度, 提供給AT89S51的P3.2口作為數(shù)據(jù)輸入。圖3.8

36、AT89S51的P3.2口在本次設計中我們所控的對象為水溫。其電路原理框圖如下： 圖3.9 溫度檢測電路DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有3引腳TO92小體積封裝形式；溫度測量范圍為55125,可編程為9位12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達0.0625，被測溫度用符號擴展的16位數(shù)字量方式串行輸出，支持3V5.5V的電壓范圍，使系統(tǒng)設計更靈活、方便；其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。以上特點使DS18

37、B20非常適用于遠距離多點溫度檢測系統(tǒng)。分辨率設定，及用戶設定的報警溫度存儲在EEPROM中，掉電后依然保存。DS18B20使電壓、特性有更多的選擇，讓我們可以構(gòu)建適合自己的經(jīng)濟的測溫系統(tǒng)。如圖2所示DS18B20的2腳DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；1腳GND為電源地；3腳VDD為外接供電電源輸入端。當傳感器工作時，如果水溫超過60，將溫度傳給單片機，蜂鳴器報警，并斷電；如果水溫低于30，熱水器開始工作，加熱指示燈亮。3.2.6水位檢測水位檢測為三個并聯(lián)的不同阻值的電阻，電路的電極電流較小(幾個微安)，電腐蝕小，適用水電阻變化范圍大(幾K一100K歐)。某電阻所在水位未到達，電阻截止；水位到達，

38、電阻導通，組成并聯(lián)電路。將不同阻值所分得的電壓經(jīng)PTB1轉(zhuǎn)換后，可判斷出水位信息（高、中、低、干燒）。3.2.7時鐘電路單片機內(nèi)部有一個高增益反向放大器，輸入端為芯片引腳，輸出端為引腳。而在芯片外部和 之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。晶體震蕩頻率高，則系統(tǒng)的時鐘頻率也高，單片機運行速度也就快，但反過來運行速度快對存儲器的速度要求就高，對印制電路板的工藝要求也高，所以，這里使用震蕩頻率為12MHz的石英晶體。震蕩電路產(chǎn)生的震蕩脈沖并不直接是使用，而是經(jīng)分頻后再為系統(tǒng)所用，震蕩脈沖經(jīng)過二分頻后才作為系統(tǒng)的時鐘信號。在設計電路板時，振蕩器和電容應盡量靠近單片機，以避免干擾

39、。需要注意的是：電路板時，振蕩器和電容應盡量安裝得與單片機靠近，以減小寄生電容的存在更好的保障振蕩器穩(wěn)定、可靠的工作電路圖如圖2.27所示圖 3.10 時鐘電路3.2.8 顯示模塊現(xiàn)在驅(qū)動LED數(shù)碼管流行采用單片機設計電路，但發(fā)現(xiàn)一些顯示（LED數(shù)碼管）電路設計復雜，沒有充分利用單片機的電器特點、沒有采用“硬件軟化”的方法。直接用單片機的8位數(shù)據(jù)口作為數(shù)碼管的8段顯示驅(qū)動口。這種顯示方式雖然簡便，電路也最簡單，但顯示的位數(shù)很少（只用四位）。但已經(jīng)滿足了此次設計要求，所以選用此種方式。LED數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)及工作原理    LED數(shù)碼管（LED Segment

40、 Displays）是由多個發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字型的器件，引線已在內(nèi)部連接完成，只需引出它們的各個筆劃，公共電極。LED數(shù)碼管常用段數(shù)一般為7段有的另加一個小數(shù)點，還有一種是類似于3位“+1”型。位數(shù)有半位，1，2，3，4，5，6，8，10位等等.，LED數(shù)碼管根據(jù)LED的接法不同分為共陰和共陽兩類，了解LED的這些特性，對編程是很重要的，因為不同類型的數(shù)碼管，除了它們的硬件電路有差異外，編程方法也是不同的。圖2.2.8.2是共陰和共陽極數(shù)碼管的內(nèi)部電路，它們的發(fā)光原理是一樣的，只是它們的電源極性不同而已。顏色有紅，綠，藍，黃等幾種。LED數(shù)碼管廣泛用于儀表，時鐘，車站，家電等場合

41、。選用時要注意產(chǎn)品尺寸顏色，功耗，亮度，波長等。下面將介紹常用LED數(shù)碼管內(nèi)部引腳圖片圖3.12 這是一個7段兩位帶小數(shù)點 10引腳的LED數(shù)碼管圖3.12 引腳定義每一筆劃都是對應一個字母表示 DP是小數(shù)點.LED數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動電路來驅(qū)動數(shù)碼管的各個段碼，從而顯示出我們要的數(shù)位，因此根據(jù)LED數(shù)碼管的驅(qū)動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。A、靜態(tài)顯示驅(qū)動： 靜態(tài)驅(qū)動也稱直流驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動是指每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O埠進行驅(qū)動，或者使用如BCD碼二-十進位*器*進行驅(qū)動。靜態(tài)驅(qū)動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用I/O埠多，如驅(qū)動5個數(shù)碼

42、管靜態(tài)顯示則需要5×840根I/O埠來驅(qū)動，要知道一個89S51單片機可用的I/O埠才32個呢。故實際應用時必須增加*驅(qū)動器進行驅(qū)動，增加了硬體電路的復雜性。B、動態(tài)顯示驅(qū)動：    數(shù)碼管動態(tài)顯示介面是單片機中應用最為廣泛的一種顯示方式之一，動態(tài)驅(qū)動是將所有數(shù)碼管的8個顯示筆劃"a,b,c,d,e,f,g,dp "的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極COM增加位元選通控制電路，位元選通由各自獨立的I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位元選通COM端電路的控制，

43、所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位元就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。   透過分時輪流控制各個LED數(shù)碼管的COM端，就使各個數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動態(tài)驅(qū)動。在輪流顯示過程中，每位元數(shù)碼管的點亮時間為12ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極體的余輝效應，盡管實際上各位數(shù)碼管并非同時點亮，但只要掃描的速度足夠快，給人的印象就是一組穩(wěn)定的顯示資料，不會有閃爍感，動態(tài)顯示的效果和靜態(tài)顯示是一樣的，能夠節(jié)省大量的I/O埠，而且功耗更低。本次設計是使用了8段4位共陰數(shù)碼管的動態(tài)顯示方式。然而，設計中發(fā)現(xiàn)如果嚴格按照一般的數(shù)碼管用法，即adp段對應單片機數(shù)據(jù)

44、位的高到低位一一對應，但是數(shù)碼管的封裝不是按順序一一對應的，布線和做板就比較麻煩。因此設計時既然用單片機譯碼就在硬件連接的基礎上做軟件譯碼，這樣就方便了電路的布線，也體現(xiàn)了單片機編程的靈活性。數(shù)碼管的數(shù)據(jù)位由單片機的P0口控制，數(shù)碼管的段選由P2.4P2.7控制。本次系統(tǒng)設計中的數(shù)碼管與單片機的連接如下圖3.13所示。圖3.13 數(shù)碼管與單片機的連接圖基于以上數(shù)碼管的硬件連接，在單片機編程時要對數(shù)碼管進行軟件譯碼，各數(shù)字所對應的碼字如下表所示：表3.2 八段共陰數(shù)碼管段碼顯示字符共陰段碼顯示字符共陰段碼00xEB80xFB10x2890xFA20x73A0xF930x7AB0x9B40xB8C

45、0xC350xDAd0x3B60xDBE0xD370x68F0xD12.2.9 AT89S51功能特點介紹 (1)主要性能參數(shù)：與 MCS-51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容4k字節(jié)在線系統(tǒng)編程（ISP）Flash 閃速存儲器1000次擦寫周期 4.05.5V 的工作電壓范圍全靜態(tài)工作模式：0Hz33MHz三級程序加密鎖128×8字節(jié)內(nèi)部RAM32個可編程I/O口線 2個16位定時/計數(shù)器6個中斷源全雙工串行UART通道低功耗空閑和掉電模式看門狗（WDT）及雙數(shù)據(jù)指針掉電標識和快速編程特性靈活的在線系統(tǒng)編程（ISP字節(jié)或頁寫模式）(2)串行編程指令設置：串行編程指令設置為一個4字節(jié)協(xié)議。(3

46、)并行編程接口：采用控制信號的正確組合可對Flash閃速存儲陣列中的每一代碼字節(jié)進行寫入和存儲器的整片擦除，寫操作周期是自身定時的，初始化后，它將自動定時到操作完成。(4)功能特性概述：AT89S51 提供以下標準功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，看門狗（WDT），兩個數(shù)據(jù)指針，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89S51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中

47、的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。(5)芯片擦除：在并行編程模式，利用控制信號的正確組合并保持ALE/PROG引腳200ns500ns的低電平脈沖寬度即可完成擦除操作。在串行編程模式，芯片擦除操作是利用擦除指令進行。在這種方式，擦除周期是自身定時的，大約為500ms。擦除期間，用串行方式讀任何地址數(shù)據(jù)，返回值均為00H。(6)Flash閃速存儲器的串行編程：將RST接至Vcc，程序代碼存儲陣列可通過串行ISP接口進行編程，串行接口包含SCK線、MOSI（輸入）和MISO（輸出）線。將RST拉高后，在其它操作前必須發(fā)出編程使能指令，編程前需將芯片擦除。芯片擦除則將

48、存儲代碼陣列全寫為FFH。外部系統(tǒng)時鐘信號需接至XTAL1端或在XTALl和XTAL2接上晶體振蕩器。最高的串行時鐘（SCK）不超過l/16晶體時鐘，當晶體為33MHz時，最大SCK頻率為2MHz。Flash閃速存儲器的串行編程方法：上電次序：將電源加在Vcc和GND引腳，RST置為“H”，如果XTAL和XTAL2接上晶體或者在XTAL1接上333MHz的時鐘頻率，等候10ms。將編程使能指令發(fā)送到MOSI（Pinl.5），編程時鐘接至SCK（Pinl.7），此頻率需小于晶體時鐘頻率的l/16。代碼陣列的編程可選字節(jié)模式或頁模式。寫周期是自身定時的，一般不大于 0.5ms（5V 電壓時）。任意

49、代碼單元均可由MISO（Pinl.6）和讀指令選擇相應的地址回讀數(shù)據(jù)進行校驗。編程結(jié)束應將RST置為“L”以結(jié)束操作。斷電次序：如果需要的話按這個方法斷電，假如沒有使用晶體，將XATL置為低，RST置低，關(guān)斷Vcc。(7)數(shù)據(jù)校驗：數(shù)據(jù)校驗也可在串行模式下進行，在這個模式下，在一個寫周期中，通過輸出引腳MISO串行回讀一個字節(jié)數(shù)據(jù)的最高位將作為最后寫入字節(jié)的反碼。(8)AT89S51單片機最小系統(tǒng)AT89S51單片機最小系統(tǒng)由AT89S51單片機及其外圍電路組成，外圍電路包括時鐘電路和復位電路兩部分。時鐘電路：時鐘電路為單片機產(chǎn)生時序脈沖，單片機所有運算與控制過程都是在統(tǒng)一的時序脈沖的驅(qū)動下的

50、進行的，時鐘電路就好比人的心臟。同樣，如果單片機的時鐘電路停止工作（晶振停振），那么單片機也就停止運行了。當采用內(nèi)部時鐘時，連接方法如下圖所示，在晶振引腳XTAL1（19腳）和XTAL2（18腳）引腳之間接入一個晶振，兩個引腳對地分別再接入一個電容即可產(chǎn)生所需的時鐘信號，電容的容量一般在幾十皮法，如30PF。單片機內(nèi)部有一個高增益反向放大器，輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端為引腳XTAL2。而在芯片外部XTAL1和 XTAL2之間跨接晶體震蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。外接晶體（石英或陶瓷，陶瓷的精度不高，但價格便宜）振蕩器以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋

51、回路中， C1和C2的大小會對振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度特性有一定的影響。因此建議在采用石英晶體振蕩器時取C=30+/-10pF，陶瓷振蕩器時取C=40+/-10pF，典型值為40pF。在設計電路板時，振蕩器和電容應盡量安裝得與單片機靠近，以減小寄生電容的存在，更好的保障振蕩器穩(wěn)定、可靠的工作。在任何情況下，振蕩器始終驅(qū)動內(nèi)部時鐘發(fā)生器向主機提供時鐘信號，因為時鐘發(fā)生器的輸入是一個二分頻電路，所以對外部振蕩信號的脈寬無特殊要求，但必須保證高、低電平的最小寬度。復位電路：單片機的復位電路分上電復位和按鍵手動復位。它是利用外部復位電路來實現(xiàn)的。當Vcc上升時間不超過1ms

52、（RC=），振蕩器啟動時間不超過10ms。在加電情況下，這個電路可以使單片機復位。在加電開機時，RST上的電壓從Vcc逐漸下降，RST引腳的電位是Vcc與電容電壓的差，RST上的電壓必須保證在斯密特觸發(fā)器的閥值電壓以上足夠長時間，以滿足復位操作的要求。按鍵電平復位是將復位端通過電阻與Vcc相連。在按鍵電平復位和按鍵脈沖復位兩種簡單的復位電路中，干擾易串入復位端，在大多數(shù)情況下，不會造成單片機的錯誤復位，但會引起內(nèi)部寄存器錯誤復位，這里可在復位端引腳上接一個去藕電容。需說明的是，如復位電路中R、C的值選擇不當，使復位時間過長，單片機將處于循環(huán)復位狀態(tài)。為了使用方便和設計電路簡化及設計要求，我們采用上電復位和按鍵電平復位相結(jié)合的方法。復位后，單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序，并初始化一些專用寄存器為復位狀態(tài)值，受影響的