【正文】 各種實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)中，都可以用單片機(jī)作為控制器。單片機(jī)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理能力和控制能力，可使系統(tǒng)保持在最佳工作狀態(tài)，提高系統(tǒng)的工作效率和產(chǎn)品的質(zhì)量。(4)單片機(jī)在分布式多機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用在比較復(fù)雜的系統(tǒng)中，常采用分布式多機(jī)系統(tǒng)。多機(jī)系統(tǒng)一般有若干臺(tái)功能各異的單片機(jī)組成，各自完成特定的任務(wù)，它們通過(guò)串行通信相互聯(lián)系、協(xié)調(diào)工作。單片機(jī)在這種系統(tǒng)中往往作為終端機(jī)，安裝在系統(tǒng)的某些節(jié)點(diǎn)上，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)量和控制。單片機(jī)的高可靠性和強(qiáng)干擾能力，使它可以置于惡劣環(huán)境的前段工作。(5)單片機(jī)在人類生活中的應(yīng)用自從單片機(jī)誕生以后，它就步入了人類生活，如洗衣機(jī)、電冰箱、電子玩具、收錄機(jī)等家用電器配上單片機(jī)后，提高了智能化程度，增加了功能，備受人們喜愛(ài)。單片機(jī)使人類生活更加方便、舒適、豐富多彩。由ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有4K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。AT89C51有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，片上Flash允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開(kāi)發(fā)成本。其芯片引腳圖如圖1所示。圖1 AT89C51引腳圖 keil軟件語(yǔ)言簡(jiǎn)介Keil C51是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。Keil C51軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。下面詳細(xì)介紹Keil C51開(kāi)發(fā)系統(tǒng)各部分功能和使用。Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。 方案選擇與相關(guān)技術(shù)方案一 集成電路構(gòu)成方案：特點(diǎn)是對(duì)整機(jī)邏輯結(jié)構(gòu)了解的全面透徹，但電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，元器件比較多，裝配用時(shí)長(zhǎng)且成本高，調(diào)試難，故障率高。方案二 可編程FPGA/CPLD方案：目前的發(fā)展方向有廣闊的應(yīng)用前景。它的功能強(qiáng)大，功能部件集成在芯片內(nèi)部，自動(dòng)產(chǎn)生時(shí)鐘等相關(guān)功能。這種方案硬件成本相對(duì)較高，但軟件編程簡(jiǎn)單，通常用在對(duì)時(shí)間精度要求較高的場(chǎng)合。方案三 單片機(jī)編程：用單片機(jī)設(shè)計(jì)電路，由于使用軟硬結(jié)合的方式，所以電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試C也比較方便。系統(tǒng)的功能一般與軟件設(shè)計(jì)相關(guān)，采用軟件編程實(shí)現(xiàn)電子秤稱量。通常用在對(duì)時(shí)間精度要求不高的場(chǎng)合。綜上所述，我選擇第三種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。因?yàn)閱纹瑱C(jī)從根本上改變了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。單片機(jī)代替了模擬電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)的大部分功能，現(xiàn)在已能通過(guò)軟件方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，使用軟硬結(jié)合的方式，更好的實(shí)現(xiàn)數(shù)字中的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器，而且以單片機(jī)為主控制器的設(shè)計(jì)，可以容易地將計(jì)算機(jī)技術(shù)和測(cè)量控制技術(shù)結(jié)合在一起，組成新型的只需要改變軟件程序就可以更新?lián)Q代的“智能化測(cè)量控制系統(tǒng)。這種新型的智能儀表在測(cè)量過(guò)程自動(dòng)化、測(cè)量結(jié)果的數(shù)據(jù)處理以及功能的多樣化方面，都取得了巨大的進(jìn)展。再則由于系統(tǒng)沒(méi)有其它高標(biāo)準(zhǔn)的要求，又考慮到本設(shè)計(jì)中程序部分比較大，根據(jù)總體方案設(shè)計(jì)的分析，設(shè)計(jì)這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的的系統(tǒng)，可以選用帶EPROM的單片機(jī)，由于應(yīng)用程序不大，應(yīng)用程序直接存儲(chǔ)在片內(nèi)，不用在外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器，這樣電路也可簡(jiǎn)化，在這里選用ATMENL生產(chǎn)的AT89CXX系列單片機(jī)。AT89CXX系列與MCS51相比有兩大優(yōu)勢(shì)：第一，片內(nèi)存儲(chǔ)器采用閃速存儲(chǔ)器，使程序?qū)懭敫臃奖?；第二，提供了更小尺寸的芯片，使整個(gè)硬件電路體積更小。此外價(jià)格低廉、性能比較穩(wěn)定的MCPU，具有4K8ROM、2568RAM、2個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器、4個(gè)8位I/O接口。這些配置能夠很好地實(shí)現(xiàn)本儀器的測(cè)量和控制要求。最后選擇了AT89C51這個(gè)比較常用的單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能要求。AT89C51內(nèi)部帶有4KB的程序存儲(chǔ)器，基本上已經(jīng)能夠滿足需要。數(shù)據(jù)顯示是電水壺的一項(xiàng)重要功能，是人機(jī)交換的主要組成部分，它可以將測(cè)量電路測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)微處理器處理后直觀的顯示出來(lái)。數(shù)據(jù)顯示部分可以有以下兩種方案供選擇的組成有以下兩種方案可供選擇：方案一 LED數(shù)碼管顯示。方案二 LCD液晶顯示。LCD液晶顯示器是一種極低功耗顯示器，從電子表到計(jì)算器，從袖珍時(shí)儀表到便攜式微型計(jì)算機(jī)以及一些文字處理機(jī)都廣泛利用了液晶顯示器，因此最終選用了LCD液晶顯示[7]。智能電水壺一般都具有報(bào)警和通訊功能，報(bào)警主要用于系統(tǒng)運(yùn)行出錯(cuò)、當(dāng)實(shí)時(shí)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)定值為提醒用戶而設(shè)置。在本系統(tǒng)中，設(shè)置報(bào)警的目的就是在實(shí)時(shí)溫度達(dá)到預(yù)設(shè)定值時(shí)，發(fā)出聲報(bào)警信號(hào)，提示用戶，防止損壞器具。報(bào)警電路是由單片機(jī)的I/O口來(lái)控制的，當(dāng)測(cè)量的溫度超過(guò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)所設(shè)定的數(shù)值時(shí)，通過(guò)程序使單片機(jī)的I/O值，從而三極管導(dǎo)通，使蜂鳴器SPEAKER發(fā)出報(bào)警聲。(1)電源分析電源是提供電壓的裝置。把其他形式的能轉(zhuǎn)換成電能的裝置叫做電源。電源是向電子設(shè)備提供功率的裝置，也稱電源供應(yīng)器，它提供計(jì)算機(jī)中所有部件所需要的電能。電源功率的大小，電流和電壓是否穩(wěn)定，將直接影響電子系統(tǒng)的工作性能和使用壽命。有條件的可以使用電源模塊來(lái)為系統(tǒng)供電。一般電路的設(shè)計(jì)電源分為兩種：系統(tǒng)自帶電源電路，能夠從市電中提取電源供設(shè)備使用。另一種是通過(guò)外部電路提供電源，該電路適用于不太常使用或需要與其他電路配合使用的電路中。(2)電源電路選擇：方案一：采用線性電源電路。該電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，制作成本低，制作方便但功耗大，體積笨重，有一定的發(fā)熱量，并切效率較低一般低于60%。方案二：采用開(kāi)關(guān)電源電路。此類電路工作在高頻狀態(tài)，無(wú)需體積笨重的工頻變壓器。但該電路制作成本高，需要使用專用的高頻變壓器。此類變壓器需要專門制作，才能完成需要的功能，電源工作效率高，轉(zhuǎn)換率可以達(dá)到80%以上。此類電源一般工作在需要大功率的工作場(chǎng)合。 根據(jù)本電路的設(shè)計(jì)目的，需要的供電功率并不大但穩(wěn)定的電源，而本設(shè)計(jì)的主要目的是制作智能電水壺系統(tǒng)，沒(méi)有必要在這里花費(fèi)太多的精力。因此電路采用線性電源進(jìn)行供電[5]。單片機(jī)控制熱水壺的硬件構(gòu)成包括8051芯片、地址鎖存器等組成的單片機(jī)控制電路、溫度檢測(cè)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(cè)電路采樣的輸入的信號(hào)輸出到顯示器進(jìn)行顯示，并可以通過(guò)鍵盤對(duì)溫度進(jìn)行控制，與此同時(shí)當(dāng)水加熱超過(guò)指定的溫度以后，蜂鳴器工作報(bào)警[4]。硬件設(shè)計(jì)的總電路連接框圖如圖2：?jiǎn)纹瑱C(jī)AT89C51報(bào)警電路鍵盤和顯示電路加熱電路溫度檢測(cè)電路圖2件設(shè)計(jì)的總電路連接框圖電熱水壺控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，可以把硬件電路分成六個(gè)子模塊，即給芯片供電的+5V的電源轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、溫度檢測(cè)電路、繼電器、鍵盤顯示電路以及加熱和報(bào)警電路。圖3源轉(zhuǎn)換電路T1為電為源變壓器，它將交流電網(wǎng)電壓220V變成整流電路要求的交流電壓，電壓經(jīng)過(guò)四個(gè)二極管兩兩導(dǎo)通整流濾波后，再經(jīng)過(guò)三端穩(wěn)壓芯片7805就可以將原來(lái)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(cè)電路所需要的電壓值[14]。單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳X1和X2分別是此放大器的輸入和輸出端。在X1和X2兩端跨接晶體就構(gòu)成了穩(wěn)定的自激振蕩器，其發(fā)出的脈沖直接送入內(nèi)部的時(shí)鐘電路。X1和X2兩端將晶振、電容C1和C2與內(nèi)部的反相放大器連接起來(lái)組成并聯(lián)諧振電路，圖中CC2為22PF，對(duì)頻率有微調(diào)作用，振蕩頻率范圍在2~12MHZ。此設(shè)計(jì)單片機(jī)時(shí)鐘電路如圖4示:圖4單片機(jī)的時(shí)鐘電路系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行和重新啟動(dòng)靠復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，復(fù)位使CPU和其它部件處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。此設(shè)計(jì)單片機(jī)的復(fù)位電路如圖5示:圖5單片機(jī)的復(fù)位電路在單片機(jī)運(yùn)行期間，利用按鍵也可以完成復(fù)位操作。單片機(jī)復(fù)位操作使單片機(jī)進(jìn)入初始化狀態(tài)。復(fù)位后，程序計(jì)數(shù)器PC=0000H，因此，程序從0000H地址單元開(kāi)始執(zhí)行。運(yùn)行中的復(fù)位操作不會(huì)改變片內(nèi)RAM的內(nèi)容。復(fù)位是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的。所謂最小系統(tǒng)，是指一個(gè)真正可用的單片機(jī)最小配置系統(tǒng),其作用主要是為了保證單片機(jī)系統(tǒng)能正常工作。對(duì)于單片機(jī)內(nèi)部資源已能滿足系統(tǒng)需要的，可直接采用最小系統(tǒng)。51型片內(nèi)有4K的ROM/EPROM，因此，只需要外接晶體振蕩器和復(fù)位電路就可構(gòu)成最小系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)的單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖6示。 圖6單片機(jī)最小系統(tǒng)在外部振蕩電路中，為電路提供正常的時(shí)鐘脈沖。在復(fù)位電路中，單片機(jī)RESET管腳一方面經(jīng)10uF的電容接至電源正極，實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)復(fù)位，另一方面經(jīng)開(kāi)關(guān)S接電源。其主要功能是把PC初始化為0000H，是單片機(jī)從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序，除了進(jìn)入系統(tǒng)的初始化之外，當(dāng)由于程序出錯(cuò)或者操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，為了擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)，因此，復(fù)位電路是單片機(jī)系統(tǒng)中不可缺少的一部分[10]。溫度由 DALLAS 公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 采集。DS18B20 測(cè)溫范圍為55℃～+125℃，測(cè)溫分辨率可達(dá) ℃，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位補(bǔ)碼形式串行輸出。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。 DS18B20內(nèi)部有一個(gè)9字節(jié)的高速存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)溫度值。其中前兩個(gè)字節(jié)是測(cè)得的溫度數(shù)據(jù)——第1字節(jié)的內(nèi)容是溫度的低八位，第2字節(jié)是溫度的高八位；第3和第4字節(jié)是溫度上限TH與溫度下限TL的易失性拷貝，第5字節(jié)是結(jié)構(gòu)寄存器的易失性拷貝，這三個(gè)字節(jié)的內(nèi)容在每一次上電復(fù)位時(shí)被刷新；第 8這三個(gè)字節(jié)用于內(nèi)部計(jì)算；第9個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)，可用來(lái)保證通信的正確性。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)出后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在此存儲(chǔ)器的第1和第2個(gè)字節(jié)。單片機(jī)可通過(guò)單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后，其中高5位是符號(hào)位，中間7位是整數(shù)位，最低4位是小數(shù)位。 DS18B20最大的特點(diǎn)是單總線數(shù)據(jù)傳輸方式，因此對(duì)讀寫的數(shù)據(jù)位有著嚴(yán)格的時(shí)序要求。時(shí)序包括：初始化時(shí)序、讀時(shí)序、寫時(shí)序。每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是從單片機(jī)啟動(dòng)寫時(shí)序開(kāi)始，如果要求DS18B20回送數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫命令后，單片機(jī)需啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收。數(shù)據(jù)和命令的傳輸都是低位在先[11]。本設(shè)計(jì)是用單片機(jī)控制繼電器達(dá)到以弱控強(qiáng)的電路，下面再來(lái)介紹一下單片機(jī)和強(qiáng)電之間的橋梁電磁繼電器。電磁繼電器是有觸點(diǎn)電繼電器是有觸點(diǎn)電繼電器的一種。它是利用電磁效