畢業(yè)設(shè)計(jì)論文基于單片機(jī)的電熱水器控制器設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)論文 </b></p><p>　　課程設(shè)計(jì)題目：基于單片機(jī)的電熱水器控制器設(shè)計(jì)</p><p>　　學(xué) 院：機(jī)械與電子工程學(xué)院</p><p><b>　　學(xué)生姓名：</b></p><p>　　班 級(jí)：080621</p><p

2、>　　學(xué) 號(hào)：08062137</p><p><b>　　指導(dǎo)教師：</b></p><p>　　2011年11月1日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文設(shè)計(jì)的控制器采用AT89S51單片機(jī)作為控制核心來設(shè)計(jì)智能電熱水器。本設(shè)計(jì)也對(duì)單片機(jī)控制電熱水器

3、實(shí)現(xiàn)智能化的可能性進(jìn)行了分析，利用溫度傳感器、水位檢測(cè)裝置、及模數(shù)轉(zhuǎn)換器等來完成本設(shè)計(jì)。在硬件設(shè)計(jì)方面，主要對(duì)單片機(jī)最小系統(tǒng)及其擴(kuò)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(cè)電路、報(bào)警電路進(jìn)行了詳細(xì)介紹。還詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)中應(yīng)用到的主要芯片的性能和特點(diǎn)，包括AT89S51、74LS377、DS18B20、ADC0809等。在軟件設(shè)計(jì)方面，采用匯編語(yǔ)言編程，是由于其易于為單片機(jī)所識(shí)別，執(zhí)行速度快。最后對(duì)軟件調(diào)試進(jìn)行了誤差分

4、析。</p><p>　　該智能電熱水器設(shè)計(jì)完善，實(shí)現(xiàn)方案簡(jiǎn)單易行。采用軟件設(shè)計(jì)來控制，可以實(shí)現(xiàn)智能檢測(cè)水位及水溫，智能加熱，并且提高了整機(jī)的可靠性及準(zhǔn)確性。</p><p>　　關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)，控制，智能</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　As technology make a

5、 good progress, the applications of single-chip microcomputer become mature all the time. The single-chip microcomputer integrates the various components in a chip, uses the internal bus structure, reduces the connection

6、 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 reliability, i

7、t has been used as a control center all </p><p>　　Since the birth of single-chip microcomputer, it began to walk into a human’s life, such as washing machines, refrigerators, electronic toys, DMB, which equi

8、pped with the single-chip microcomputer, and improved their intelligence, ability. People, who used them, will love them better. The single-chip microcomputer makes human’s life more convenient, comfortable and colorful.

9、 As a result, I use single-chip microcomputer to design intelligent electric water heaters. </p><p>　　This paper mainly discusses the intelligent electric water heater how to work. To achieve system goals, i

10、n 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 correspond

11、ing software design, thus the intelligence of the water heater would become true.</p><p>　　Keywords: single-chip microcomputer, controller, intelligence </p><p><b>　　目 錄</b></p&

12、gt;<p>　　引言………………………………………………………………………………………1</p><p>　　第1章 緒論 ……………………………………………………………………………2</p><p>　　1.1 課題的背景 ………………………………………………………………………2</p><p>　　1.2 課題研究的目的及意義 ……………

13、……………………………………………2</p><p>　　1.3 國(guó)內(nèi)外的研究狀況和成果 ………………………………………………………3</p><p>　　第2章 總體設(shè)計(jì)方案 ………………………………………………………………4</p><p>　　2.1設(shè)計(jì)要求 …………………………………………………………………………4</p><p&g

14、t;　　2.2 方案設(shè)計(jì) …………………………………………………………………………4</p><p>　　第3章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) ………………………………………………………………6</p><p>　　3.1 方案驗(yàn)證…………………………………………………………………………6</p><p>　　3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)…………………………………………………………

15、…………9</p><p>　　3.2.1 電源電路…………………………………………………………………9</p><p>　　3.2.2 鍵盤/顯示接口電路 ……………………………………………………9</p><p>　　3.2.3 報(bào)警電路…………………………………………………………………11</p><p>　　3.2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)

16、換電路……………………………………………………………12</p><p>　　3.2.5 溫度檢測(cè)電路……………………………………………………………13</p><p>　　3.2.6 水位檢測(cè)電路……………………………………………………………15</p><p>　　3.2.7 時(shí)鐘電路…………………………………………………………………16</p>

17、;<p>　　3.2.8 顯示模塊…………………………………………………………………17</p><p>　　3.2.9 AT89S51功能及特性介紹………………………………………………20</p><p>　　第4章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)………………………………………………………………24</p><p>　　4.1 主程序流程框圖………………………

18、……………………………………24</p><p>　　4.2　鍵掃描子程序流程框圖……………………………………………………26</p><p>　　4.3　顯示子程序流程框…………………………………………………………26</p><p>　　4.4 運(yùn)行程序流程框圖…………………………………………………………27</p><p>　　4.5

19、 軟件仿真……………………………………………………………………27</p><p>　　結(jié)論與體會(huì)………………………………………………………………………………29</p><p>　　致謝 ………………………………………………………………………………………30</p><p>　　參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………………30</

20、p><p>　　附錄1程序清單…………………………………………………………………………32</p><p>　　附錄2單片機(jī)的電熱水器控制器原理圖…………………………………………40</p><p><b>　　引 言</b></p><p>　　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(chǎng)上熱水器主要品種有電

21、熱水器、太陽(yáng)能熱水器、燃?xì)鉄崴鳌＞椭袊?guó)的具體情況而言，由于太陽(yáng)能熱水器的使用受天氣原因的限制，使用范圍狹窄；燃?xì)鉄崴饔捎谝允?、天然氣為燃料，而燃料供?yīng)量又難以滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的需求，且不利于環(huán)境，因此電熱水器越來越受到消費(fèi)者的青睞。電熱水器的優(yōu)點(diǎn)是能適應(yīng)任何天氣變化，普通家庭可直接安裝使用，長(zhǎng)時(shí)間通電可以大流量供熱水。使用時(shí)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(hù)裝置，在使用中更為安全。隨著廣大

22、消費(fèi)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(duì)電熱水器的控制要求也越來越高，從現(xiàn)在能到達(dá)設(shè)定溫度后自動(dòng)斷電、自動(dòng)補(bǔ)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(dá)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(shì)。</p><p>　　單片機(jī)是家用電器常用的控制器件，本文介紹了基于AT89S51單片機(jī)控制

23、的電熱水器控制電路，包括溫度測(cè)量單片機(jī)控制、水溫設(shè)定與自動(dòng)調(diào)節(jié)電路、鍵盤控制、液晶顯示、報(bào)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(qiáng)時(shí)變、大時(shí)滯、非線性系統(tǒng)中的控制效果有著明顯的優(yōu)勢(shì)，把二者結(jié)合起來，可使控制器的性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的目的?；谀：刂萍夹g(shù)的單片機(jī)控制的電熱水器，是對(duì)傳統(tǒng)的電熱水器開關(guān)控制的改造，具有達(dá)到設(shè)定溫度的時(shí)間短、穩(wěn)態(tài)溫度波動(dòng)小、反應(yīng)靈敏、抗干擾能力強(qiáng)、節(jié)省電能等優(yōu)點(diǎn)。首先通過按下鍵盤按

24、鍵設(shè)定所需的溫度，并通過液晶顯示，再通過溫度傳感器DS18B20測(cè)出電熱水器的溫度，送液晶顯示并送單片機(jī)與設(shè)定水溫加以比較，設(shè)定水溫高于實(shí)測(cè)水溫則通過繼電器觸頭的通斷來控制是否對(duì)電熱絲進(jìn)行加熱，從而實(shí)現(xiàn)水溫的測(cè)量以及控制，在水溫高于設(shè)定溫度時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，其簡(jiǎn)潔、智能、精確的優(yōu)點(diǎn)基本能滿足人們的需求，并且將會(huì)得到廣泛的應(yīng)用 。</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p&

25、gt;<p><b>　　1.1 課題的背景</b></p><p>　　中國(guó)已是熱水器生產(chǎn)大國(guó)，伴隨著住宅消費(fèi)和人們對(duì)生活品質(zhì)要求的提高，熱水器已由一個(gè)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(jìn)千家萬戶，此外，受瓶裝氣和區(qū)域管道燃?xì)馓醿r(jià)影響，而且城鎮(zhèn)的電價(jià)普遍有所下調(diào)，許多居民轉(zhuǎn)而選擇相對(duì)省錢的電器產(chǎn)品。全

26、國(guó)城鎮(zhèn)熱水器擁有率為72.3%，45%的城市居民家庭表示要在今后幾年購(gòu)買熱水器，市場(chǎng)平均每年的最低需求維持在1000萬臺(tái)左右。除太陽(yáng)能熱水器外，中國(guó)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(guó)有廣闊的市場(chǎng)，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(fèi)者所關(guān)注。 所以對(duì)熱水器的改良和智能化設(shè)計(jì)是大勢(shì)所趨。</p><p>

27、;　　在當(dāng)今社會(huì)，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(yùn)用到熱水器的制造中。如今的熱水器產(chǎn)品已經(jīng)絕對(duì)不是一個(gè)簡(jiǎn)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(guó)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(shè)計(jì)選擇基于AT89S51單片機(jī)的智能電熱水器的設(shè)計(jì)研究。</p><p&

28、gt;　　1.2 課題研究的目的及意義</p><p>　　本選題目的是基于人們對(duì)現(xiàn)代家庭舒適、便利、安全以及多元化信息服務(wù)的需要設(shè)計(jì)出一款經(jīng)濟(jì)可靠，精確實(shí)現(xiàn)控制的電熱水器控制電路</p><p>　?、倮脝纹瑱C(jī)控制，即達(dá)到較好的效果，又降低了價(jià)格，使熱水器更加的經(jīng)濟(jì)可靠。</p><p>　?、诶冒存I精確地設(shè)定溫度，精確調(diào)溫使溫度達(dá)到使用者要求的溫度，從而實(shí)現(xiàn)

29、人性化控制。</p><p>　?、勰苓M(jìn)行高溫保護(hù)，防止熱水器干燒而導(dǎo)致事故。</p><p>　?、苣軐?shí)現(xiàn)自動(dòng)斷電的安全功能，使人們洗浴時(shí)能放心享受，利于人們的身體健康</p><p>　　1.3 國(guó)內(nèi)外研究狀況和成果</p><p>　　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(tái)機(jī)器報(bào)廢。與其他家用產(chǎn)品不同的是，電熱水器沒有必要頻

30、繁升級(jí)換代，出于安全性和經(jīng)濟(jì)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(jī)，電扇的核心是電機(jī)。對(duì)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(fù)雜，但究其本質(zhì)目標(biāo)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。 </p><p>　　燃?xì)鉄崴髟O(shè)有自動(dòng)恒溫控制，停氣自動(dòng)關(guān)機(jī)，超水溫泄壓等安全保護(hù)功能，即使臨時(shí)停氣，仍有儲(chǔ)存的熱水使

31、用。智能化技術(shù)的運(yùn)用有兩個(gè)好處，一是更方便，二是更節(jié)能，按照用戶的使用習(xí)慣提前預(yù)先加熱，讓使用者隨心享用熱水。而在非用水時(shí)間則啟動(dòng)中溫保溫方程式，根據(jù)設(shè)定溫度計(jì)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(yīng)該推進(jìn)節(jié)能技術(shù)的普及。</p><p>　　對(duì)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

32、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(shí)正是如此。阿里斯頓、比利奇、史密斯、海爾、美的爭(zhēng)先恐后推出了超大液晶屏、電子線控、超薄時(shí)尚、雙管加熱、漏電保護(hù)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(fèi)者可以足不出戶就感受按摩的快樂。國(guó)外對(duì)智能電熱水器的主要研究成果有：</p><p>　　西門子智能電熱水器，采用德國(guó)新電腦溫控技術(shù)

33、，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(tuán)采用西門子在電站技術(shù)上的強(qiáng)大防漏電安全技術(shù)為基礎(chǔ)，開發(fā)出獨(dú)有的ELCB德國(guó)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(cè)功能，隨時(shí)檢測(cè)防漏電系統(tǒng)是否正常工作，雙重保險(xiǎn)將個(gè)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(shí)段節(jié)能模式，提供了獨(dú)一無二的三時(shí)段定時(shí)預(yù)熱和七種供水模式，其工作過程“聰明伶俐”，它不斷自動(dòng)存儲(chǔ)、分析主人近一個(gè)月

34、用水的具體數(shù)據(jù)，以最經(jīng)濟(jì)的模式提前為主人準(zhǔn)備熱水，真正實(shí)現(xiàn)全天候節(jié)能供水。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(shí)，也能自動(dòng)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(bǔ)了傳統(tǒng)中溫保溫的缺陷，根據(jù)設(shè)定水溫、環(huán)境、季節(jié)的不同，自動(dòng)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(fèi)，縮短加熱時(shí)間，切實(shí)做到省電節(jié)能 </p><p>　　第2章 總體方案設(shè)計(jì)</p&g

35、t;<p>　　設(shè)計(jì)就是根據(jù)題目的要求而對(duì)硬件和軟件進(jìn)行規(guī)劃，并選擇最合適的硬件電路和軟件程序來達(dá)到目的。</p><p>　　硬件設(shè)計(jì)是通過對(duì)設(shè)計(jì)要求的分析，對(duì)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(dá)到設(shè)計(jì)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(duì)各種元器件的功能和接法的了解，以及對(duì)各種元器件的選擇和設(shè)計(jì)方案的選擇。軟件設(shè)計(jì)是分析設(shè)計(jì)的硬件用程序?qū)崿F(xiàn)其功能，并且調(diào)

36、試優(yōu)化產(chǎn)品功能。</p><p><b>　　2.1 設(shè)計(jì)要求</b></p><p>　　課題是制作一款基于單片機(jī)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(dá)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(shì)。要求溫度傳感器及轉(zhuǎn)換電路，水溫設(shè)定與自動(dòng)調(diào)節(jié)電路，單片機(jī)輸入輸出接口電路以及顯示模塊的設(shè)計(jì)。其中的難點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)PID控制溫度。<

37、/p><p><b>　　2.2 方案設(shè)計(jì)</b></p><p>　　方案設(shè)計(jì)的總體思路如下：首先通過鍵盤設(shè)定一個(gè)溫度值，然后通過溫度傳感器采集溫度，與設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，如果溫度小于設(shè)定值電熱水器開始加熱，當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)定值時(shí)，則停止加熱，設(shè)定的溫度和水溫通過LED數(shù)碼管顯示出來。當(dāng)水溫高于某臨界溫度（如70°）時(shí)，報(bào)警器發(fā)出報(bào)警，同時(shí)中斷加熱。所以可以得出電

38、路以單片機(jī)為核心，包括溫度設(shè)定按鍵模塊，LED顯示模塊，報(bào)警和輸出電路等模塊組成，其系統(tǒng)模塊框圖見圖2.1</p><p>　　圖2.1 系統(tǒng)模塊框圖</p><p>　　溫度設(shè)定電路。通過一個(gè)按鍵產(chǎn)生脈沖輸入單片機(jī)來調(diào)節(jié)水溫的設(shè)定值。</p><p>　　溫度測(cè)定電路，采用溫度傳感器來測(cè)量溫度。</p><p>　　單片機(jī)，是整個(gè)電路的控制

39、核心，實(shí)現(xiàn)PID模糊控制。</p><p>　　數(shù)碼管顯示，單片機(jī)通過動(dòng)態(tài)掃描方式輸出并利用數(shù)碼管顯示溫度的設(shè)定值和實(shí)際測(cè)溫值。</p><p>　　報(bào)警電路，當(dāng)實(shí)際溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，報(bào)警電路報(bào)警。</p><p>　　基于以上模塊設(shè)計(jì)出了電路的基本結(jié)構(gòu)圖，如圖2.2</p><p><b>　　圖2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</b&g

40、t;</p><p>　　結(jié)構(gòu)圖中以單片機(jī)為核心進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過單片機(jī)對(duì)偏差進(jìn)行PID運(yùn)算，輸出占空比可變的PWM波形，從而控制固態(tài)繼電器的導(dǎo)通時(shí)間，即通過調(diào)節(jié)加熱功率即可達(dá)到控制溫度恒定的目的。</p><p>　　第3章 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　3.1 方案驗(yàn)證</b></p><p>　　目前市

41、場(chǎng)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(diǎn)，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(chǎng)上傳統(tǒng)的機(jī)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(shì)。采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)電熱水器的智能化，主要是因?yàn)槠洳捎妹嫦蚩刂频闹噶钕到y(tǒng)，實(shí)時(shí)控制功能特別強(qiáng)。CPU可以直接對(duì)I/O口進(jìn)行輸入、輸出操作及邏輯運(yùn)算，并且具有很強(qiáng)的位處理能力，能有針對(duì)性的解決由簡(jiǎn)單到復(fù)雜各類控制任務(wù)。單片機(jī)做為嵌入式應(yīng)用的

42、微型計(jì)算機(jī)，由于其出色的性價(jià)比，極強(qiáng)的實(shí)用性，它取得了巨大的發(fā)展。</p><p>　　本課題是基于AT89S51單片機(jī)的智能電熱水器的控制器的設(shè)計(jì)，要達(dá)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(yù)設(shè)溫度。（2）水溫檢測(cè)顯示范圍為00～99℃，精度為±1℃。（3）溫度預(yù)設(shè)范圍為30～60℃，當(dāng)檢測(cè)溫度低于預(yù)設(shè)溫度1℃時(shí)，開始加熱；檢測(cè)溫度高于預(yù)設(shè)溫度1℃時(shí)，停止加熱。（4）設(shè)置3個(gè)程序按

43、鍵。電源開關(guān)鍵：電源關(guān)閉時(shí)，4個(gè)數(shù)碼管熄滅，加熱元件斷電，但單片機(jī)系統(tǒng)正常工作，熱水器面板上的電源指示燈點(diǎn)亮。電源開啟后，根據(jù)上次設(shè)定的溫度（220V總電源不能關(guān)閉）自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)。如220V總電源關(guān)閉后再開機(jī)，預(yù)設(shè)溫度自動(dòng)定為40℃。溫度+鍵：每按一次該鍵，預(yù)設(shè)溫度加1℃，長(zhǎng)按該鍵（時(shí)間超過1秒以上），預(yù)設(shè)溫度快速增加，當(dāng)預(yù)設(shè)溫度加到60℃時(shí)，按該鍵不起作用。溫度－鍵：每按一次該鍵，預(yù)設(shè)溫度減1℃，長(zhǎng)按該鍵（時(shí)間超過1秒以上），預(yù)設(shè)

44、溫度快速減小，當(dāng)預(yù)設(shè)溫度減到30℃時(shí)，按該鍵不起作用。（5）設(shè)置3個(gè)面板指示燈。電源指示燈（紅）：接通220V電源，該指示燈點(diǎn)亮。加熱指示燈（綠）：加熱元件工作時(shí)，該指示燈被點(diǎn)亮。報(bào)警指示燈（黃）：當(dāng)熱水器出現(xiàn)異常情況時(shí)，該指示燈被點(diǎn)亮。（6</p><p>　　方案一：以AT89S51單片機(jī)為控制中心的智能電熱水器</p><p>　　AT89S51單片機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制能力強(qiáng)、可靠性

45、高、體積小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，在許多行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。以AT89S51單片機(jī)為核心，配以外圍電路如時(shí)鐘電路、復(fù)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：</p><p>　　方案二：PIC16C72單片機(jī)為控制器件的智能電熱水器</p><p>　　PIC16C72是美國(guó)微芯(Microchip)公司推出的8/11位單片機(jī)，采用寬字節(jié)單周期指令，哈佛雙總線和RIS

46、C結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)吞吐量最高可達(dá)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(jī)內(nèi)集成了以下主要功能：2KB片內(nèi)ROM程序存儲(chǔ)器，128KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；22位I/O線；5路8位A/D轉(zhuǎn)換器，2個(gè)8位，1個(gè)16位多功能計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，1個(gè)捕捉/比較/脈寬調(diào)制(CCP)部件。</p><p>　　以PIC16C72為控制芯片的電熱水器，雖然功能很強(qiáng)大，但是存在一些很需要改進(jìn)的地方：

47、中斷的現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)是中斷應(yīng)用中一個(gè)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(shí)現(xiàn)該功能。對(duì)可能用到的W寄存器和STATUS寄存器內(nèi)容進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)1然后在中斷服務(wù)程序中對(duì)馬達(dá)，繼電器進(jìn)行控制1漏電檢測(cè)報(bào)警在中斷里給出，而每50ms進(jìn)入一次中斷，所以發(fā)生漏電時(shí)最多50ms即可切斷電源1入口→中斷保護(hù)→控制馬達(dá)→控制繼電器如果用直流對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，其轉(zhuǎn)速太快，過調(diào)量太大，容易引起震

48、蕩。</p><p>　　通過以上兩種設(shè)計(jì)方法的比較來看，實(shí)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(jī)來實(shí)現(xiàn)。但考慮到成本控制和軟硬件實(shí)現(xiàn)難度，采用方案一的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可以進(jìn)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(yīng)，并能夠在異常情況下自動(dòng)斷電，可以滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枰?，提高了人們生活的質(zhì)量。</p><p>　　智能電熱水器將由AT89S5

49、1單片機(jī)作為控制芯片，經(jīng)分析設(shè)計(jì)要求，初步確定其由8個(gè)模塊組成，如下圖所示：</p><p>　　時(shí)鐘電路用來產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)供單片機(jī)工作，晶振采用12MHz，平衡電容采用33pF。復(fù)位電路在系統(tǒng)上電或運(yùn)行過程中對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化操作。按鍵采用獨(dú)立式熱鍵，用來擴(kuò)展系統(tǒng)功能，分別可以實(shí)現(xiàn)電源開關(guān)、溫度增加和溫度減少三個(gè)功能。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(yáng)接法，段控端接在單片機(jī)同一I/O口，位控端分

50、別接在不同位的I/O口。發(fā)光二極管用來指示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，電源指示燈（紅）：接通220V電源，該指示燈點(diǎn)亮。加熱指示燈（綠）：加熱元件工作時(shí)，該指示燈被點(diǎn)亮。報(bào)警指示燈（黃）：當(dāng)熱水器出現(xiàn)異常情況時(shí)，該指示燈被點(diǎn)亮。ISP接口通過并口與PC機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與PC機(jī)通訊，用編譯器對(duì)源程序進(jìn)行調(diào)試及編譯，通過ISP接口將形成的二進(jìn)制目標(biāo)程序下載到AT89S51單片機(jī)上。</p><p>　　依據(jù)設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)上電復(fù)位

51、后按默認(rèn)值開始運(yùn)行，然后開始檢測(cè)溫度按鍵，若無按鍵，則按設(shè)定溫度進(jìn)行工作；若溫度鍵已按下，則開始設(shè)定溫度范圍，并按新的設(shè)定值開始加熱。接著繼續(xù)檢測(cè)溫度按鍵，若無按鍵，則接著上一步的執(zhí)行（以新的設(shè)定值開始工作）。若有按鍵，則重新設(shè)定溫度范圍，如此循環(huán)。另外，在運(yùn)行主程序的時(shí)候，首先要檢測(cè)水位，若達(dá)不到預(yù)設(shè)值，則斷電，蜂鳴器報(bào)警；若達(dá)到預(yù)設(shè)值,則開始檢測(cè)水溫。</p><p>　　3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p&g

52、t;<p>　　單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如ROM、RAM、I/O、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計(jì)相應(yīng)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(shè)備，如鍵盤、顯示器、打印機(jī)、A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計(jì)合適的接口電路。本設(shè)計(jì)中只用最小系統(tǒng)加上鍵盤、顯示、ISP接口電路，單片機(jī)本身資源可以滿足設(shè)計(jì)要

53、求，所以不必對(duì)單片機(jī)進(jìn)行擴(kuò)展。</p><p>　　系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)以AT89S51單片機(jī)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(shí)鐘電路、復(fù)位電路、報(bào)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。</p><p>　　3.2.1 電源電路</p>

54、<p>　　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(shè)計(jì)中采用了線性工作狀態(tài)的線性集成穩(wěn)壓電源。</p><p>　　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(shè)計(jì)框圖：</p><p>　　3.2.2 鍵盤接口電路

55、</p><p>　　本畢業(yè)設(shè)計(jì)的按鍵采用獨(dú)立式按鍵，是直接用I/O口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路，其特點(diǎn)是每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根I/O口線，每個(gè)按鍵的工作不會(huì)影響其它I/O口線的狀態(tài)。獨(dú)立式按鍵的典型應(yīng)用如圖：</p><p>　　圖3.5 七段數(shù)碼管</p><p>　　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(shí)，I/O口線有確定的高電平。當(dāng)I/O口線內(nèi)部有

56、上拉電阻時(shí)，外電路不可接上拉電阻。獨(dú)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(rèn)該I/O口線所對(duì)應(yīng)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。</p><p>　　3.2.3 報(bào)警電路</p><p>　　熱水器工作環(huán)境潮濕，為了保證使用者安全，控制器應(yīng)具備漏電檢測(cè)功能。在正常情況下，流過磁環(huán)的電流大小相

57、等，方向相反，磁環(huán)檢測(cè)線圈無感應(yīng)電流信號(hào)，漏電檢測(cè)集成電路輸出低電平。當(dāng)出現(xiàn)漏電電流時(shí)，由于流過磁環(huán)的電流不平衡，于是磁環(huán)檢測(cè)線圈感應(yīng)出漏電信號(hào)，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(jī)。單片機(jī)接收到漏電信號(hào)，則停止加熱、保溫及鍵盤操作，結(jié)束程序并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，蜂鳴器連續(xù)嗚響。在漏電保護(hù)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。</p><p><b>

58、;　　圖3.6 報(bào)警電路</b></p><p>　　3.2.4模數(shù)轉(zhuǎn)換電路</p><p>　　ADC0809的管腳分布及其與AT89S51的主要接口示意圖：</p><p>　　圖3.7 ADC0809引腳及與AT89S51連接示意圖</p><p>　　由上圖可知，ADC0809由一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一

59、個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)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(dāng)OE端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。IN0－IN7為8條模擬量輸入通道，ADC0809對(duì)輸入模擬量要求：信號(hào)單極性，電壓范圍是0－5V，若信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)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。 &l

60、t;/p><p>　　數(shù)字量輸出及控制線：11條ST為轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng)ST上跳沿時(shí)，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時(shí)，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)EOC為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號(hào)，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7－D0為數(shù)字量輸出線。 </

61、p><p>　　CLK為時(shí)鐘輸入信號(hào)線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ，VREF（＋），VREF（－）為參考電壓輸入。</p><p>　　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(dāng)ALE線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A，B和

62、C為地址輸入線，用于選通IN0－IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如下表所示：</p><p>　　表3.1 ADC0809通道選擇表</p><p>　　ADC0809應(yīng)用說明：</p><p>　?。?） ADC0809內(nèi)部帶有輸出鎖存器，可以與AT89S51單片機(jī)直接相連。 </p><p>　?。?） 初始化時(shí)，使ST和OE信號(hào)全為

63、低電平。 </p><p>　?。?） 送要轉(zhuǎn)換的那一通道的地址到A，B，C端口上。 </p><p>　?。?） 在ST端給出一個(gè)至少有100ns寬的正脈沖信號(hào)。 </p><p>　?。?） 是否轉(zhuǎn)換完畢，我們根據(jù)EOC信號(hào)來判斷。 </p><p>　　（6） 當(dāng)EOC變?yōu)楦唠娖?，這時(shí)給OE為高電平，轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出給單片機(jī)了。<

64、/p><p>　　3.2.5溫度檢測(cè)電路</p><p>　　溫度模塊是硬件模塊非常重要的一個(gè)模塊，溫度檢測(cè)主要任務(wù)是檢測(cè)系統(tǒng)的采樣溫度，并通過相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，把系統(tǒng)的溫度轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能處理的數(shù)字信號(hào)。</p><p>　　本文采用溫度傳感器DS18B20采集電熱水器的實(shí)時(shí)溫度, 提供給AT89S51的P3.2口作為數(shù)據(jù)輸入。</p><p>　　圖

65、3.8 AT89S51的P3.2口</p><p>　　在本次設(shè)計(jì)中我們所控的對(duì)象為水溫。其電路原理框圖如下：</p><p>　　圖3.9 溫度檢測(cè)電路</p><p>　　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TO－92小體積封裝形式；溫度測(cè)量范圍為－55℃～＋125℃,可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.062

66、5℃，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出，支持3V～5.5V的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便；其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個(gè)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(diǎn)使DS18B20非常適用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)。分辨率設(shè)定，及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在EEPROM中，掉電后依然保存。DS18

67、B20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(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)。如圖2所示DS18B20的2腳DQ為數(shù)字信號(hào)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。</p><p>　　當(dāng)傳感器工作時(shí)，如果水溫超過60℃，將溫度傳給單片機(jī)，蜂鳴器報(bào)警，并斷電；如果水溫低于30℃，熱水器開始工作，加熱指示燈亮。</p><p><b>　　3.2.6水位檢測(cè)<

68、;/b></p><p>　　水位檢測(cè)為三個(gè)并聯(lián)的不同阻值的電阻，電路的電極電流較小(幾個(gè)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(dá)，電阻截止；水位到達(dá)，電阻導(dǎo)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）。</p><p><b>　　3.2.7時(shí)鐘電路</b></p&

69、gt;<p>　　單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)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(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。晶體震蕩頻率高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也高，單片機(jī)運(yùn)行速度也就快，但反過來運(yùn)行速度快對(duì)存儲(chǔ)器的速度要求就高，對(duì)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

70、系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)。在設(shè)計(jì)電路板時(shí)，振蕩器和電容應(yīng)盡量靠近單片機(jī)，以避免干擾。需要注意的是：電路板時(shí)，振蕩器和電容應(yīng)盡量安裝得與單片機(jī)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</p><p>　　圖 3.10 時(shí)鐘電路</p><p>　　3.2.8 顯示模塊</p><p>　　現(xiàn)在驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管流行采用單片機(jī)設(shè)計(jì)電路，但發(fā)現(xiàn)

71、一些顯示（LED數(shù)碼管）電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，沒有充分利用單片機(jī)的電器特點(diǎn)、沒有采用“硬件軟化”的方法。直接用單片機(jī)的8位數(shù)據(jù)口作為數(shù)碼管的8段顯示驅(qū)動(dòng)口。這種顯示方式雖然簡(jiǎn)便，電路也最簡(jiǎn)單，但顯示的位數(shù)很少（只用四位）。但已經(jīng)滿足了此次設(shè)計(jì)要求，所以選用此種方式。</p><p>　　LED數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)及工作原理</p><p>　　LED數(shù)碼管（LED Segment Displays）是由多

72、個(gè)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(gè)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(gè)小數(shù)點(diǎn)，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(yáng)兩類，了解LED的這些特性，對(duì)編程是很重要的，因?yàn)椴煌愋偷臄?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(yáng)極數(shù)碼管

73、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(lán)，黃等幾種。LED數(shù)碼管廣泛用于儀表，時(shí)鐘，車站，家電等場(chǎng)合。選用時(shí)要注意產(chǎn)品尺寸顏色，功耗，亮度，波長(zhǎng)等。下面將介紹常用LED數(shù)碼管內(nèi)部引腳圖片</p><p>　　圖3.12 這是一個(gè)7段兩位帶小數(shù)點(diǎn) 10引腳的LED數(shù)碼管</p><p>　　圖3.12 引腳定義</p><

74、p>　　每一筆劃都是對(duì)應(yīng)一個(gè)字母表示 DP是小數(shù)點(diǎn).</p><p>　　LED數(shù)碼管要正常顯示，就要用驅(qū)動(dòng)電路來驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管的各個(gè)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(dòng)方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動(dòng)態(tài)式兩類。</p><p>　　A、靜態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)： </p><p>　　靜態(tài)驅(qū)動(dòng)也稱直流驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)是指每個(gè)數(shù)碼管的每一個(gè)段碼都由一個(gè)單片機(jī)的

75、I/O埠進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，或者使用如BCD碼二-十進(jìn)位*器*進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。靜態(tài)驅(qū)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是編程簡(jiǎn)單，顯示亮度高，缺點(diǎn)是占用I/O埠多，如驅(qū)動(dòng)5個(gè)數(shù)碼管靜態(tài)顯示則需要5×8＝40根I/O埠來驅(qū)動(dòng)，要知道一個(gè)89S51單片機(jī)可用的I/O埠才32個(gè)呢。故實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須增加*驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，增加了硬體電路的復(fù)雜性。</p><p>　　B、動(dòng)態(tài)顯示驅(qū)動(dòng)：    數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示介面是單片機(jī)中應(yīng)用最為廣

76、泛的一種顯示方式之一，動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)是將所有數(shù)碼管的8個(gè)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(gè)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(dú)立的I/O線控制，當(dāng)單片機(jī)輸出字形碼時(shí)，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個(gè)數(shù)碼管會(huì)顯示出字形，取決于單片機(jī)對(duì)位元選通COM端電路的控制，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(huì)亮。

77、</p><p>　　透過分時(shí)輪流控制各個(gè)LED數(shù)碼管的COM端，就使各個(gè)數(shù)碼管輪流受控顯示，這就是動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)。在輪流顯示過程中，每位元數(shù)碼管的點(diǎn)亮?xí)r間為1～2ms，由于人的視覺暫留現(xiàn)象及發(fā)光二極體的余輝效應(yīng)，盡管實(shí)際上各位數(shù)碼管并非同時(shí)點(diǎn)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(huì)有閃爍感，動(dòng)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。</p><

78、;p>　　本次設(shè)計(jì)是使用了8段4位共陰數(shù)碼管的動(dòng)態(tài)顯示方式。然而，設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)如果嚴(yán)格按照一般的數(shù)碼管用法，即a～dp段對(duì)應(yīng)單片機(jī)數(shù)據(jù)位的高到低位一一對(duì)應(yīng)，但是數(shù)碼管的封裝不是按順序一一對(duì)應(yīng)的，布線和做板就比較麻煩。因此設(shè)計(jì)時(shí)既然用單片機(jī)譯碼就在硬件連接的基礎(chǔ)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(jī)編程的靈活性。</p><p>　　數(shù)碼管的數(shù)據(jù)位由單片機(jī)的P0口控制，數(shù)碼管的段選由P2.4～P2

79、.7控制。本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的數(shù)碼管與單片機(jī)的連接如下圖3.13所示。</p><p>　　圖3.13 數(shù)碼管與單片機(jī)的連接圖</p><p>　　基于以上數(shù)碼管的硬件連接，在單片機(jī)編程時(shí)要對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行軟件譯碼，各數(shù)字所對(duì)應(yīng)的碼字如下表所示：</p><p>　　表3.2 八段共陰數(shù)碼管段碼</p><p>　　2.2.9 AT89S51功能特點(diǎn)

80、介紹</p><p>　　(1)主要性能參數(shù)：</p><p>　　與 MCS-51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容</p><p>　　4k字節(jié)在線系統(tǒng)編程（ISP）Flash 閃速存儲(chǔ)器</p><p>　　1000次擦寫周期 </p><p>　　4.0－5.5V 的工作電

81、壓范圍</p><p>　　全靜態(tài)工作模式：0Hz－33MHz</p><p><b>　　三級(jí)程序加密鎖</b></p><p>　　128×8字節(jié)內(nèi)部RAM</p><p>　　32個(gè)可編程I/O口線 </p><p>　　2個(gè)16

82、位定時(shí)/計(jì)數(shù)器</p><p><b>　　6個(gè)中斷源</b></p><p>　　全雙工串行UART通道</p><p>　　低功耗空閑和掉電模式</p><p>　　看門狗（WDT）及雙數(shù)據(jù)指針</p><p>　　掉電標(biāo)識(shí)和快速編程特性</p><p>　　靈活的在線

83、系統(tǒng)編程（ISP字節(jié)或頁(yè)寫模式）</p><p>　　(2)串行編程指令設(shè)置：</p><p>　　串行編程指令設(shè)置為一個(gè)4字節(jié)協(xié)議。</p><p>　　(3)并行編程接口：</p><p>　　采用控制信號(hào)的正確組合可對(duì)Flash閃速存儲(chǔ)陣列中的每一代碼字節(jié)進(jìn)行寫入和存儲(chǔ)器的整片擦除，寫操作周期是自身定時(shí)的，初始化后，它將自動(dòng)定時(shí)到操作完

84、成。</p><p>　　(4)功能特性概述：</p><p>　　AT89S51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，看門狗（WDT），兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，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C

85、PU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)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(gè)硬件復(fù)位。</p><p><b>　　(5)芯片擦除：</b></p><p>　　在并行編程模式，利用控制信號(hào)的正確組合并保持ALE/PROG引腳200ns－500ns的低電平脈沖寬度即可完成擦除操作。在串行編程模式，芯

86、片擦除操作是利用擦除指令進(jìn)行。在這種方式，擦除周期是自身定時(shí)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。</p><p>　　(6)Flash閃速存儲(chǔ)器的串行編程：</p><p>　　將RST接至Vcc，程序代碼存儲(chǔ)陣列可通過串行ISP接口進(jìn)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

87、，編程前需將芯片擦除。芯片擦除則將存儲(chǔ)代碼陣列全寫為FFH。外部系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)需接至XTAL1端或在XTALl和XTAL2接上晶體振蕩器。最高的串行時(shí)鐘（SCK）不超過l/16晶體時(shí)鐘，當(dāng)晶體為33MHz時(shí)，最大SCK頻率為2MHz。Flash閃速存儲(chǔ)器的串行編程方法：</p><p>　　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3－33MHz的

88、時(shí)鐘頻率，等候10ms。</p><p>　　將編程使能指令發(fā)送到MOSI（Pinl.5），編程時(shí)鐘接至SCK（Pinl.7），此頻率需小于晶體時(shí)鐘頻率的l/16。</p><p>　　代碼陣列的編程可選字節(jié)模式或頁(yè)模式。寫周期是自身定時(shí)的，一般不大于 0.5ms（5V 電壓時(shí)）。</p><p>　　任意代碼單元均可由MISO（Pinl.6）和讀指令選擇相應(yīng)的地址

89、回讀數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。</p><p>　　編程結(jié)束應(yīng)將RST置為“L”以結(jié)束操作。</p><p>　　斷電次序：如果需要的話按這個(gè)方法斷電，假如沒有使用晶體，將XATL置為低，RST置低，關(guān)斷Vcc。</p><p><b>　　(7)數(shù)據(jù)校驗(yàn)：</b></p><p>　　數(shù)據(jù)校驗(yàn)也可在串行模式下進(jìn)行，在這個(gè)模式下，在

90、一個(gè)寫周期中，通過輸出引腳MISO串行回讀一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)的最高位將作為最后寫入字節(jié)的反碼。</p><p>　　(8)AT89S51單片機(jī)最小系統(tǒng)</p><p>　　AT89S51單片機(jī)最小系統(tǒng)由AT89S51單片機(jī)及其外圍電路組成，外圍電路包括時(shí)鐘電路和復(fù)位電路兩部分。</p><p>　　時(shí)鐘電路：時(shí)鐘電路為單片機(jī)產(chǎn)生時(shí)序脈沖，單片機(jī)所有運(yùn)算與控制過程都是在統(tǒng)一

91、的時(shí)序脈沖的驅(qū)動(dòng)下的進(jìn)行的，時(shí)鐘電路就好比人的心臟。同樣，如果單片機(jī)的時(shí)鐘電路停止工作（晶振停振），那么單片機(jī)也就停止運(yùn)行了。當(dāng)采用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，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(gè)晶振，兩個(gè)引腳對(duì)地分別再接入一個(gè)電容即可產(chǎn)生所需的時(shí)鐘信號(hào)，電容的容量一般在幾十皮法，如30PF。</p><p>　　單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反向放大器，輸入端為芯片引腳XTAL1，輸

92、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(gè)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(jià)格便宜）振蕩器以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中， C1和C2的大小會(huì)對(duì)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(shí)取C=30+/-10pF，陶瓷振蕩器時(shí)取C=40+/-10pF，典型值為40pF。在

93、設(shè)計(jì)電路板時(shí)，振蕩器和電容應(yīng)盡量安裝得與單片機(jī)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(dòng)內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器向主機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)，因?yàn)闀r(shí)鐘發(fā)生器的輸入是一個(gè)二分頻電路，所以對(duì)外部振蕩信號(hào)的脈寬無特殊要求，但必須保證高、低電平的最小寬度。</p><p>　　復(fù)位電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)的復(fù)位電路分上電復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位。它是利用外部復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)Vcc上升時(shí)間不超過1ms（RC=

94、τ），振蕩器啟動(dòng)時(shí)間不超過10ms。在加電情況下，這個(gè)電路可以使單片機(jī)復(fù)位。在加電開機(jī)時(shí)，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(zhǎng)時(shí)間，以滿足復(fù)位操作的要求。按鍵電平復(fù)位是將復(fù)位端通過電阻與Vcc相連。在按鍵電平復(fù)位和按鍵脈沖復(fù)位兩種簡(jiǎn)單的復(fù)位電路中，干擾易串入復(fù)位端，在大多數(shù)情況下，不會(huì)造成單片機(jī)的錯(cuò)誤復(fù)位，但會(huì)引起內(nèi)部寄存器錯(cuò)誤復(fù)位，這里可在復(fù)位

95、端引腳上接一個(gè)去藕電容。需說明的是，如復(fù)位電路中R、C的值選擇不當(dāng)，使復(fù)位時(shí)間過長(zhǎng)，單片機(jī)將處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。</p><p>　　為了使用方便和設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)化及設(shè)計(jì)要求，我們采用上電復(fù)位和按鍵電平復(fù)位相結(jié)合的方法。復(fù)位后，單片機(jī)從0000H單元開始執(zhí)行程序，并初始化一些專用寄存器為復(fù)位狀態(tài)值，受影響的專用寄存器如下表所示：</p><p>　　表3.3 專用寄存器狀態(tài)表</p>

96、<p>　　圖3.14 單片機(jī)最小系統(tǒng) </p><p>　　第4章 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟</p><p>　　軟件軟是電路必不可少的一部分，是整個(gè)電路的靈魂部分，只有軟硬件完美的配合才是一個(gè)完整的電路設(shè)計(jì)，下面將著重介紹系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)</p><p>　　軟件設(shè)計(jì)由主程序，鍵掃描子程序及若干功能模塊子程序組成。其中

97、主控制器子程序包括A/D轉(zhuǎn)換子程序（水位、水溫），鍵盤處理及顯示子程序，加熱控制子程序（使用輸出比較功能），漏電保護(hù)子程序等組成。主程序要先初始化系統(tǒng)的工作參數(shù)，主要是單片機(jī)的定時(shí)器，COP模塊、A/D轉(zhuǎn)換、端口、鍵中斷等的工作模式參數(shù)設(shè)定，之后系統(tǒng)主程序循環(huán)調(diào)用各個(gè)功能模塊子程序，對(duì)相關(guān)事件的處理依靠標(biāo)志位和判斷標(biāo)志位實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　4.1 主程序流程框圖</p><p>　

98、　水溫時(shí)繼電器常開觸頭閉合，電熱絲加熱，否則返回。當(dāng)水溫大于臨界溫度值時(shí)，蜂鳴器報(bào)警并且停止加熱。圖4.1顯示了本系統(tǒng)的主程序流程圖。</p><p>　　圖4.1 主程序流程圖</p><p>　　4.2 鍵掃描子程序流程框圖</p><p>　　4.3顯示子程序流程框圖</p><p>　　3.4　運(yùn)行程序流程框圖</p>

99、<p><b>　　3.5 軟件仿真</b></p><p>　　Proteus 產(chǎn)品系列包含了革命性的VSM技術(shù)，用戶可以對(duì)基于微控制器的設(shè)計(jì)連同所有的周圍電子器件一起仿真，用戶甚至可以實(shí)時(shí)采用諸如LED/LCD、鍵盤、RS232終端等動(dòng)態(tài)外設(shè)模型來對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行交互仿真。ISIS提供給用戶圖形外觀包括線寬、填充類型、字符等的全部控制，使用戶能夠生成如雜志上看到一樣精美的原理圖，遠(yuǎn)勝

100、過CAD軟件繪制出的稀薄的線條。畫完圖可以以圖形文件輸出，或者拷貝到剪切板以便其他文件使用。這就使得ISIS成為制作技術(shù)文件，學(xué)術(shù)論文，項(xiàng)目報(bào)告的理想工具，也是PCB設(shè)計(jì)的一個(gè)出色的前端，其畫圖的外形由風(fēng)格模板定義。</p><p>　　此界面下調(diào)出元件組成原理圖，調(diào)試流程如下：按鍵→上電復(fù)位→水位檢測(cè)→水溫檢測(cè)→數(shù)碼管顯示→下載程序運(yùn)行：</p><p>　　圖4.5 軟件仿真示意圖&l

101、t;/p><p>　　程序調(diào)試分為三個(gè)部分：按鍵調(diào)試，指示燈顯示調(diào)試，及數(shù)碼管顯示。在具體仿真的過程中，按鍵調(diào)試時(shí)，應(yīng)注意按鍵的次序，首先是溫度+鍵，然后測(cè)試溫度-鍵，否則有時(shí)會(huì)出現(xiàn)數(shù)碼管顯示延時(shí)現(xiàn)象，這種情況主要跟程序設(shè)計(jì)有關(guān)?；诰幊谭矫嬗行┍∪醯那闆r，應(yīng)該嚴(yán)格按照按鍵次序進(jìn)行調(diào)試。指示燈調(diào)試時(shí)，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)指示燈無顯示或者不明顯、亮度不夠的情況，這是由于指示燈電壓過低造成的。數(shù)碼管顯示時(shí)，只要前兩個(gè)步驟進(jìn)行順利，

102、其就可以正常顯示。由于本設(shè)計(jì)采用獨(dú)立式按鍵，主程序調(diào)試結(jié)束后，各部分運(yùn)行正常，能夠顯示水位及水溫結(jié)果。另外，此設(shè)計(jì)采用的溫度檢測(cè)模塊，檢測(cè)精度不高，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)溫度跳躍式顯示，比如：有時(shí)此一時(shí)刻溫度顯示為59℃，下一時(shí)刻會(huì)顯示66℃。此種情況出現(xiàn)的原因，本人認(rèn)為是由于，溫度檢測(cè)模塊的內(nèi)阻過熱，導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果不夠準(zhǔn)時(shí)和準(zhǔn)確。這是硬件方面的問題，暫時(shí)還沒有找到可替換的模塊，所以無法解決，但不影響整體的效果。</p><p&g

103、t;<b>　　結(jié)論與體會(huì)</b></p><p>　　基于AT89S51單片機(jī)的智能電熱水器控制器，經(jīng)過調(diào)試可以滿足設(shè)計(jì)要求。首先由傳感器檢測(cè)水溫，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換，發(fā)送到單片機(jī)控制中心,當(dāng)水溫小于設(shè)置范圍1℃時(shí)，單片機(jī)控制繼電器對(duì)電熱水器加熱；當(dāng)水溫超過溫度設(shè)置范圍1℃時(shí)，單片機(jī)控制繼電器斷電，停止加熱；當(dāng)溫度超過99℃時(shí)，蜂鳴器報(bào)警斷電；當(dāng)水位小于系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)控制繼電器斷電，停止加

104、熱。</p><p>　　本次課程設(shè)計(jì)是對(duì)所學(xué)知識(shí)的一次綜合性運(yùn)用。其中包括對(duì)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、和數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)、單片機(jī)等知識(shí)的運(yùn)用。從而完成了本次設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自身知識(shí)的不足，也發(fā)現(xiàn)我們必須具備專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)以外，才能成功的設(shè)計(jì)出一件合格的東西。這次課程設(shè)計(jì)收獲很多，體會(huì)也很深刻，并且對(duì)我們所學(xué)的東西也產(chǎn)生了濃厚的興趣。在設(shè)計(jì)過程中，也學(xué)會(huì)了很多新的東西，PROTEL軟件繪制電路原理圖和PCB圖，以

105、及一些仿真軟件的應(yīng)用，最典型的就是PROTEUS軟件的應(yīng)用，以及與KEIL軟件的聯(lián)合使用功能。當(dāng)然最重要的是學(xué)到了關(guān)于基本電子設(shè)計(jì)的一些基本方法，同時(shí)也加深了對(duì)一些常用的電子元件的理解及其基本用法的掌握。除此之外，我覺得在這次設(shè)計(jì)的過程中，我發(fā)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)精神的重要性，很多時(shí)候一個(gè)人的力量是有限的，一個(gè)人不可能什么都會(huì)，什么都能自己解決，還是有需要他人幫助的時(shí)候，我覺得人與人之間的相互幫助很有必要，這樣不僅能幫助大家很快的解決問題，還能提高我

106、們每個(gè)人的實(shí)際水平，也培養(yǎng)了我們的團(tuán)隊(duì)合作精神，這些能力對(duì)于我們今后的學(xué)習(xí)和工作都很有幫助。</p><p>　　由于時(shí)間關(guān)系，本次設(shè)計(jì)中還有不盡完善之處。希望在以后的學(xué)習(xí)生涯中不斷的完善和改進(jìn)。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本文是在我的導(dǎo)師講師的悉心指導(dǎo)下完成的，從論文題目的選定，大綱的編寫，資料的收集與