【正文】 圖21 AT89S51控制的智能電熱水器

方案二：PIC16C72單片機(jī)為控制器件的智能電熱水器 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RISC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42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。 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：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(méi)有專門的PUSH(入棧)和POP(出棧)指令，所以要用一段程序來(lái)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(guò)調(diào)量太大，容易引起震蕩。通過(guò)以上兩種設(shè)計(jì)方法的比較來(lái)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(lái)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崃巳藗兩畹馁|(zhì)量。綜合以上條件以及畢設(shè)的要求，我選擇方案一，以單片機(jī)AT89S51單片機(jī)作為控制中心的智能電熱水器。 AT89S51介紹 AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，AT89S51在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。圖22 AT89S51結(jié)構(gòu)框圖5主要性能 l 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器：4KBl 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：128Bl 外部程序存儲(chǔ)器：可擴(kuò)展到64KB。l 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：可擴(kuò)展到64KB。l 輸入/輸出口線：32根（4個(gè)端口， 每個(gè)端口8根）。6東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 總體方案設(shè)計(jì) 定時(shí)/計(jì)數(shù)器：2個(gè)16位可編程的定時(shí)計(jì)數(shù)器。l 串行口：全雙工，二根。l 寄存器區(qū)：在內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的128B中劃出一部分作為寄存器區(qū)， 分為四個(gè)區(qū)，l 每個(gè)區(qū)8個(gè)通用寄存器。l 中斷源：5個(gè)中斷源， 2個(gè)優(yōu)先級(jí)別。l 堆棧：最深128B。l 布爾處理機(jī)：即位處理機(jī)， 對(duì)某些單元的某位做單獨(dú)處理。l 指令系統(tǒng)（系統(tǒng)時(shí)鐘為12MHZ時(shí)）：大部分指令執(zhí)行時(shí)間為1us；少部分指令，執(zhí)行時(shí)間為2us。 只有乘、除指令的執(zhí)行時(shí)間為4us。 引腳功能說(shuō)明，有雙列直插封裝（DIP）方式和方形封裝方式。下面分別敘述這些引腳的功能。 主電源引腳① VCC：電源端。② GND：接地端。(2) 外接晶體引腳XTAL1和XTAL2① XTAL1：晶體振蕩器接入的一個(gè)引腳。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，此引腳接地。② XTAL2：晶體振蕩器接入的另一個(gè)引腳。采用外部振蕩器時(shí)，此引腳作為外部振蕩信號(hào)的輸入端。(3) 控制或與其他電源復(fù)用引腳RST，ALE/，/VppRST：復(fù)2位輸H入端。當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在該引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ALE端仍以不變的頻率（此頻率為振蕩器頻率的1/6）周期性地出現(xiàn)正脈沖信號(hào)。因此，它可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)目的。然而注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE 脈沖。在對(duì)Flash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（）。如果需要的話，通過(guò)對(duì)專用寄存器（SFR）區(qū)中8EH單元的D0位置數(shù)，可禁止ALE操作。該位置數(shù)后，只有在執(zhí)行一7條MOVX或MOVC指令期間，ALE才會(huì)被激活。另外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，該設(shè)定禁止ALE位無(wú)效。：程序存儲(chǔ)允許（）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。當(dāng)80C51東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 總體方案設(shè)計(jì) 由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或常數(shù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效（即輸出2個(gè)脈沖）。但在此期間內(nèi)，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)將不出現(xiàn)。/Vpp：外部訪問(wèn)允許端。要使CPU只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H～FFFFH），則端必須保持低電平（接到GND端）。然而要注意的是，如果保密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)在內(nèi)部會(huì)鎖存端的狀態(tài)。當(dāng)端保持高電平（接Vcc端）時(shí)，CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的程序。在Flash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳也用于施加12V的編程允許電源Vpp（如果選用12V編程）。輸入/～，～，～～。① P0端口（～）：P0是一個(gè)8位漏極開(kāi)路型雙向I/O端口。作為輸出口用時(shí)，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL輸入，對(duì)端口寫1時(shí)，又可作高阻抗輸入端用。在訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，它是分時(shí)多路轉(zhuǎn)換的地址（低8位）/數(shù)據(jù)總線，在訪問(wèn)期間激活了內(nèi)部的上拉電阻。在Flash編程時(shí)，P0端口接收指令字節(jié)；而在校驗(yàn)程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)。驗(yàn)證時(shí)，要求外接上拉電阻② P1端口（～）：P1是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4個(gè)輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流（IIL）。在對(duì)Flash編程和程序校驗(yàn)時(shí)，P1接收低8位地址。③P2端口（～）：P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P2的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4個(gè)TTL輸入。對(duì)端口寫1時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時(shí)可用作輸入口。P2作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流（IIL）。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行MOVX@DPTR指令）時(shí)，P2送出高8位地址。在訪問(wèn)8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行MOVX@RI指令）時(shí)，P2口引腳上的內(nèi)容（就是專用寄存器（SFR）區(qū)中P2寄存器的內(nèi)容），在整個(gè)訪問(wèn)期間不會(huì)改變。在對(duì)Flash編程和程序校難期間，P2也接收高位地址和一些控制信號(hào)。④ P3端口（～）：P3是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口。P3的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流方式）4個(gè)TTL輸入。對(duì)端口寫1時(shí)，通過(guò)內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時(shí)可用作輸入口。P3作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流（IIL）。在AT89C51中，P3端口還用于一些復(fù)用功能。復(fù)用功能如表21所列。在對(duì)Flash編程或程序校驗(yàn)地，P3還接收一些控制信號(hào)。8東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 總體方案設(shè)計(jì) 表1 P3各端口引腳與復(fù)用功能表端口引腳復(fù)用功能RXD（串行輸入口）TXD（串行輸出口）（外部中斷0）（外部中斷1）T0（定時(shí)器0的外部輸入）T1（定時(shí)器1的外部輸入）8東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 總體方案設(shè)計(jì) 數(shù)字溫度傳感器DS18B20介紹 DS18B20的主要特性 適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：～，在寄生電源方式下可由數(shù) 據(jù)線供電 獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊 DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫。 DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部 傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。溫范圍－55℃～＋125℃，在10～+85℃時(shí)精度為177。℃ ?？删幊?的分辨率為9～12位，℃、℃、℃℃，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫。9在9位分辨率時(shí)最多在 ，12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以”一 線總線”串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力。 負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀， 但不能正常工作。圖23 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 DS18B20工作原理 DS18B20的讀寫時(shí)序和測(cè)溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由2s 減為750ms。 DS18B20測(cè)溫原理如圖23所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振 隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在－55℃所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì) 低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重 新開(kāi)始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即 為所測(cè)溫度。圖23中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。 9　　圖24 DS18B20測(cè)溫原理框圖 DS18B20有4個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件 （1）光刻ROM中的64位序列號(hào)是出廠