【文章內容簡介】 過程分為幾個機器周期，每個機器周期內完成一個基本操作。單片機以每 12 振蕩周期為一個機器周期，晶振頻率為 12MHz 時，機器周期為 12/12us=1us。 圖 31 AT89c51 單片機外圍電路 這部分單元在 proteus 軟件里的 仿真圖如圖 32 所示。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 11 圖 32 AT89c51 單片機外圍電路仿真圖 水位檢測和溫度檢測接口電路 熱水器都有一個蓄水箱，而我們要對其水位和溫度這兩個重要參數(shù)進行相關檢測和控制，這是這一設計的重點，我們只有能夠準確的檢測出這兩個參數(shù)才能對其進行相關控制，才能通過單片機的軟件部分計算什么時候需要進行輔助加熱。 然而 要真確檢測出這些數(shù)據(jù)我們有很多傳感器可以選擇，綜合考慮系統(tǒng)成本等其他相關因素， 在 本設計中我們采用分段式的這種液位傳感器，在水位顯示上我們也是采用分這種傳感器。水位檢測部分的硬件連接如圖 33 所示。 圖 33 水位監(jiān)測及顯示接口電路 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 12 檢測原理如下： 當水箱中無水， 4 個非門輸入端全部由一個大小為 1M 歐姆的上拉電阻我們把他上啦成高電平， 所以圖中各非門輸出就都是低電平，這樣發(fā)光二極管 LED1～ LED4 就都不會點亮 。向水箱注水當水位高出非門 1 那個時候由于水的導電作用使得非門 1 的輸入探針導電這就使得，使其輸入端很容易的變?yōu)榱说碗娖?，所以自然而然其輸出端就變?yōu)榱烁唠娖剑? LED 就 點亮了，其他的都是一個道理就不一一舉例。 隨著水位的上升， 各非門輸出相繼為高電平， LED 依次點亮。 因為水 是有電阻的這就提醒我們所選的上拉電阻不可以太小，要足夠大，以保證在水位升高的過程中能把非門的輸入端絕對的上啦成為低電平。更具經(jīng)驗 ， 這個 上拉電阻我們一般選擇在 500k～ 1M 歐姆左右就足以解決上訴問題且能很好地滿足電路的工作要求。這部分電路單元在proteus 里的仿真圖如 34 所示。由于 proteus 里做不出水箱所以本設計里將水位到達的那一位置用開關來表示，即水位到了那一位置， 開關閉合。 如圖所示， 假設水位到達第一個水位段， 則開關 1 閉合， LED 1 亮，依此類推。 為了使 AT89C51 隨時能夠 讀出當前的水位情況， 這里把水位信號直接連接 這里把水位信號直接連接到 ～ 。蓄水箱溫度檢測電路采用 DS18B20 芯片使其換成脈沖信號， 與 P2. 0 相連送到 AT89C51 的 的 I/O 口，通過測量輸出脈沖頻率的大小來換算成水溫高低信號，其在 來換算成水溫高低信號，在 proteus 里的仿真圖如圖 35 所示。 圖 34 水位檢測電路仿真圖 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 13 圖 35 DS18B20 與 AT89C51 連接圖仿真 上水及排空控制電路和輔助加熱電路 太陽能熱水器要具有自動上水以及手動排空的功 能。其結構圖如圖 36 所示。 圖 36 上水及排空結構圖 太陽能熱水器開始工作后， 其水箱里是要有一定水位的， 在這里設定為 1 單位水（這個單位是指水箱滿水位后將其平均分成 N 份中的一份），不足 1 單位水時通過單片機控制冷水水閥來向太陽能熱水器水箱里加水，到 1 單位后通過水位檢測得到結果送到單片機里 得到結果送到單片機里， 其通過控制冷水水閥停止加水。 在單片機里設定用內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 14 水時間及溫度 后， 由于各地日照時間不一樣， 因此預加熱時間通常是在用水時間前 1 小時通過單片機查詢得來， 預加熱時間到達后開啟輔助 加熱電路， 輔助加熱電路如圖37 所示， 其余部分時間都是有日照來使水溫上升的。 水箱里的水溫超過設定水溫時， 單片機控制冷水水閥向水箱里加 1 單位水，加 1 單位水后通過水位檢測電路返回給單片機，停止加水。在實際生活中，要保持干凈衛(wèi)生，太陽能熱水器里的水每隔一段時間是要定期換水，這一部分功能通過手動控制裝置來控制，就不與單片機相連增加其復雜度。 圖 37 所示是太陽能熱水器的輔助加熱部分，工作原理： 當單片機 口輸出高電平時， 三極管 T1 導通導通， 致使發(fā)光二極管發(fā)光， 同時光敏 三極管 T2 導通， 繼電器閉合， 電阻絲 R1R4 發(fā)熱， 這樣就完成了加熱任務， 此電路雖然簡單， 但在太陽能熱水器 但在太陽能熱水器中是必不可少的。 圖 37 輔助加熱電路圖 4X4 矩陣鍵盤設計 在我們常見的一些單片機系統(tǒng)中，如果所需要設定的按鍵數(shù)量比較多的時候，我們內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 15 就可以考慮矩陣式鍵盤，這種鍵盤通常也被稱作行列式鍵盤，這種鍵盤與那種獨立式按鍵鍵盤相比較能夠節(jié)省出很多的 I/0 口。 圖 38 中為 AT89C51 單片機 P1 口構成的中斷方式 4 4 鍵盤鍵盤電路。 通常， 鍵盤的工作方式有三種， 即編程掃 描、 定時掃描和中斷掃描。 采用編程掃描或定時掃描方式時，這樣的話不管我們是不是去按下其中的一個鍵， CPU 都會無時無刻不停的去掃描鍵盤，但是我們都知道單片機應用系統(tǒng)在正常工作時的情況下，其實根本不需要經(jīng)常的去燒苗其鍵盤輸入， 這樣的話就是說： CPU 基本一直處在一種 空掃描的狀態(tài)下，極大的浪費了 CPU 資源。 為能夠更好的提高CPU 的 工作效率，在本設計中我們選擇中斷掃描的這樣一種工作方式。 它的工作過程如下： 只要沒有按 鍵按下的時候， CPU 就可以不去掃描只 處理自己的工作； 當 有任意一個鍵按下的時候， 就 產(chǎn)生一個中斷請求信號， CPU 停下自己的工作在 去執(zhí)行鍵盤掃描的子程序，這樣在識別鍵號。 圖 38 中， 鍵盤的行線與 P1 口的低四位相連，鍵盤的列線與 P1 口的高四位相連，因此， ～ 是鍵輸出線， ～ 是掃描輸入線。圖中的 4 輸入與門用于產(chǎn)生按鍵中斷，其輸入端與各行線相連， 在通過上拉電阻接至 +5V 電源電源， 其輸出端接至單片機的外部中斷輸入端。 電路工作過程如下： 當鍵盤無鍵按下時， 與門各輸入端均為高電平， 保持輸出端為高電平； 當有鍵按下時， 輸出端為低電平， 向 CPU 申請中斷， 若 CPU 開放外部中斷， 則會響應中斷請求，轉去執(zhí)行鍵盤掃描子程序。 16 個鍵號 個鍵號 Ki（ I =0F ）次序為從左向右，從上向下依次排列。 圖 38 AT89C51 P1 口構成的 4 4 中斷方式鍵盤 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 16 這部分電路在 proteus 里的仿真圖如圖 39 所示。 圖 39 中斷方式鍵盤電路的仿真圖 鍵盤掃描工作原理： 我們假設 以圖中“ 8” 號鍵的識別過程作為一個例子來詳細的說明掃描法究竟是如何識別某一個按鍵的過程。 按鍵按下，那么和這個鍵相連的兩條行線、列線就會導通， 行線在沒 有任何鍵按下的時候是處于高電平的。 這就 必須把每一條列線都讓其處在低電平， 只有在這樣的情況下， 如果再有某個鍵按下的時候， 那么這個鍵 所在的那一行，行電平就會由高電平轉變?yōu)榈碗娖健? 這時 CPU 就會 根據(jù)這一行電平的變化，來判定相應行的到底是否有鍵按下。 為進一步的確定具體是那一個鍵， 這就 不能同時把所有的列線在同一個時刻全部都處在低電平，我們可以在某一時刻僅僅讓其中一條列線處在低電平，而其余的所有都處在高電平，在另一時刻的時候， 就 讓下一列處在低電平，這樣循環(huán)下去。 在“ 8” 號鍵按下時的整個工作過程， 當?shù)?0 列處于低電平時，第 2 行處于低電平，而第 2 列處于低電平時，第 2 行卻處于高電平，由此可判定按下的鍵應是第 2 行與第 0 列的交叉點， 即 8 號鍵。 16 個鍵號， 0 ～ 9 定義為數(shù)字鍵了， A ～ F 定義為功能鍵， A 定義為時間，即 A 按下進行時間設定， B 定義為溫度，即 B 按下進行溫度設定， C 定義為上水，即 C 按下單片機通過外接設備對水箱進行加水， D 定義為確定鍵。 E 定義為清除鍵。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 17 顯示接口電路的設計 LED 數(shù)碼管顯示是利用半導體發(fā)光制成條形的發(fā)光二極管， 封裝在一起組成數(shù)字或其他符 號形狀。數(shù)碼管根據(jù)公共端不同，分為共陰極和共陽極兩種形式。 本設計中選用 7SEGMPX4CC 4 個共陰極二極管顯示器。 這種類型的顯示器，在它的內部中，除各個公共端外，是把各個顯示器的同名端并聯(lián)起來的。比如說，四位一體的 LED 顯示器，是每個腳的同名端并接，所以仍是有 8 個引腳，再加上 4 個公共端，就是有 12 個引腳 。本設計中這部分的仿真電路圖如圖 310 所示。 圖 310 顯示電路 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 18 數(shù)碼管的分類： 數(shù)碼管 如果 按段數(shù)分為七段 的和八段的數(shù)碼管， 八段 的就是 比七段 的 多 出 一個二極管（ 也就是顯示小數(shù)點的那一位 ） ； 如果按照顯示“ 8”的個數(shù)的多少來分的話那就可以分為： 1 位， 2 位和 4 位數(shù)碼管；假設按照他們內部單元的連接方式來分的話就可以分為共陰和共陽極，把每個小發(fā)光二極管的陽極相連所得到的就是共陽極數(shù)碼管，在使用的時候需要在公共端接一個高電平，在電路中某 一字段 的 發(fā)光二極管 由于電平的變化使得其 陰極 變 為 了 低電平， 那么這時候這一字段就 會 點亮 ，反之。 驅動方式 ：要使 數(shù)碼管要正常顯示，就要 使 用驅動電路來驅動數(shù)碼管的各個段碼， 這樣才能 顯示出我們要的 那一個 數(shù)字，因此根據(jù) 所用的 數(shù)碼管的 使用的不同的驅動方式， 這樣就 可以 兩種一種是 靜態(tài)式和 另一種 動態(tài)式。 ① 靜態(tài)顯示驅動： 通常我們所稱的直流驅動也就是通常所謂的 靜態(tài)驅動。靜態(tài)驅動指 的就是將 數(shù)碼管 里 的每一個段碼都 要由 單片機 中的某一個 的 I/O端口 來 進行驅動 顯示。 ② 動態(tài)顯示驅動：數(shù)碼管 的 動態(tài)顯示接口 在一般的常見的 單片機 的使用中是非常廣泛的也是最為常見的 一種 普通的 顯示方式之一 。 數(shù)碼管應用 電流：靜態(tài)時 的時候 推薦使用 1015mA 的電流，當 動態(tài) 的時候 ， 由于 16/1 動態(tài)掃描 的時候 ， 那么 平均電流 就 為 45mA，峰值 為 電流 5060mA。 顯示效果： 由于發(fā)光二極管 內部本身 基本上屬于電流 的 敏感 型 器件， 而 其正向 電 壓降的分散性就 很大， 而且與 溫度 還有很大關系 ，數(shù)碼管 必須要 具有 十分 良好的亮度 以及 均勻度， 這就要求他 具有 非常 恒定 而且穩(wěn)定 的工作電流， 還要盡量避免被溫度以及其他外界因素所干擾。 另外， 如果遇到 溫度變化 的時候 驅動芯片 必須能夠很好的 自動調節(jié) 其 輸出電流的大小 以此來 實現(xiàn)色差 以及 平衡溫度 的 補償。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 19 安全性： 發(fā)光管很容易收到損壞的即便 使是 很短 時間的電流過載也 是非常有 可能對 這 發(fā)光管非常嚴重且是 永久性的 嚴重 損壞， 假設采用恒流驅動 后 就可以 防止由于 各種由于 電流故障所引起的 導致 數(shù)碼管的大面積損壞。 像其他一般 超大規(guī)模集成電路 一樣都是 具有熱保護功能 的 ， 假設其中 任何一片的 數(shù)碼管 溫度超過 其本身的 一定值 的時候就可以 自動關斷 了 ，并且 還 可 以很容易的 在控制室內看到 所有的 故障顯示。 怎樣 來 測量數(shù)碼管 的 引腳，分共陰和共陽 ? 找公共共陰和公共共陽首先，我們找個電源（ 3 到 5 伏）和 1 個 1K（幾百的也歐的也行）的電阻， VCC 串接個電阻后和 GND 接在任意 2 個腳上，組合有很多，但總有一個 LED會發(fā)光的找到一個就夠了，然后用 GND 不動， VCC（串電阻）逐個碰剩下的腳，如果有多個 LED（一般是 8 個），那它就是共陰的了。相反用 VCC 不動， GND 逐個碰剩下的腳，如果有多個 LED（一般是 8 個），那它就是共陽的。也可以直接用數(shù)字萬用表，紅表筆是電源的正極，黑表筆是電源的負極。 特殊元件介紹 AT89C51 芯片 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) FLASH 存儲器 （ FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、 非常 高性能 的 CMOS 8 位 主流 微處理器， 也 就是人們 俗稱 單片機 。單片機的可擦除只讀存儲器 是限制的不可以無限制擦除只 可以反復擦除 1000 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器 的先進的 制造 技術而 制造 成的 ，他是 與 通常的 工業(yè)標準的 MCS51 的 指令集 以及 輸出管腳 全部相互 兼容 的，可以有很好的兼容性 。由于將 具有很 多功能 的 8位 CPU和閃爍存儲器 而組合而成在 單個芯片 當中 中 。 主要特性： 與 MCS51 兼容 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 20 4K 字節(jié) 的 可編程 FLASH 存儲器 壽命： 1000