【文章內(nèi)容簡介】 感器采用 DS18B20 之后，對于水位的控制不假思索的想到要運用水位傳感器，經(jīng)過幾天的資料搜集，發(fā)現(xiàn)水位的傳感器是通過壓力傳感器變換過來的，看到最多的是浮球式液位傳感器，而且此傳感器的適用溫度范圍和測試精度也適合該設計系統(tǒng)，但此方案的缺點是價格非常昂貴；后來又考慮采用應用于電子秤中的數(shù)字壓力傳感器，去測得整個容器中水的變化和容器中液位的換算關系，此想法基于電子秤能夠測得一張紙的重量，但是在實際應用中，考慮到容器的氧化，容器內(nèi)部的水垢增多， 而且容器的外置也會產(chǎn)生整個容器重量的變化，從而造成液位采集的不準確，此壓力傳感器的市場價格也比較昂貴，應用于此控制模型中也是一種浪費；因此我自制了 3根線將容器中的液位分成了 3 個水位擋，通過和電源正極的結合，利用水導電的特性，通過 9012 三極管等元件構成的驅動電路的電平轉換，將液位數(shù)據(jù)輸入 P2口，通過單片機換算轉換成液位數(shù)據(jù)存入一個存儲器單元，隨時讀取。 數(shù)據(jù)顯示系統(tǒng)的設計方案討論 為了能構造一個適合的人機界面，在諸多的顯示器件中數(shù)碼管的液晶字符性顯示器非常適合運用于此控制系統(tǒng)當中的，它的功能特性也完全適 用于此設計系統(tǒng)的功能要求，也不會造成資源的浪費，所以就確定數(shù)碼管作為本此設計系統(tǒng)的顯示器件。為了配合顯示器件，就需設置按鍵，根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和單片機的口線資源，為系統(tǒng)配制了 3個獨立式鍵盤，用來調節(jié)溫度報警值。 北京交通大學海濱學院 畢業(yè)設計（論文） 9 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 系統(tǒng)總體設計 本課題是基于 80C51 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 4位數(shù)碼管顯示水溫， 4位數(shù)碼管顯示預設溫度。（ 2）水溫檢測顯示范圍為 00～99℃，精度為177。 2℃。（ 3）溫度預設范圍為 05～ 60℃，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）電源開啟后，根據(jù)上次設定的溫度（ 220V 總電源不能關閉）自動進入工作狀態(tài)。如 220V 總電源關閉后再開機，預設溫度自動定為 27℃。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 38℃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 05℃時，按該鍵不起作用。（ 5）設置 5個面板指示燈。電源指示燈（紅）：接通 220V 電源，該指示燈點亮。加水指示燈（繼電器旁的綠），加熱指示燈（繼電器旁的紅）：加熱元件工作時，該指示燈被點亮。報警指示燈（紅）：當缺水情況時，該指示燈被點亮。（ 6）報警設置。高溫報警：當檢測溫度高于 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。 本系統(tǒng)需要完成的控制系統(tǒng)技術性能大致總結如下： （ 1） 使用電源 220V AC,功耗小于 5W。 （ 2） 水溫顯示，測溫范圍 099 攝氏度；精度正負 2攝氏度。 （ 3） 水位分檔顯示，分三檔：低，中，高。 （ 4） 具有低水位上水，手動上水等功能。 （ 5） 缺水報警：出現(xiàn)缺水狀態(tài)時，蜂鳴報警，缺水指示燈亮。高溫報警：當溫度高于設定溫度時，蜂鳴報警系統(tǒng)開啟。 為了使設計具有高可靠性，與實際運用的緊密結合性，從經(jīng)濟、實用的角度出發(fā)，我們對熱水器自動控制系統(tǒng)進行精心的設計，在設計過程中，我們綜合多方面的知識進行分析。系統(tǒng)的整體結構圖如下圖所示： 張 勝 ： 基于單片機的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設計 10 圖 單片機最小系統(tǒng) 圖 單片機最小系統(tǒng) （ 1） 單片機 9腳接復位電路，可按復位按鈕 S1 給單片機復位。 （ 2） 晶振采用 12MHZ。 （ 3） 由于單片機只訪問片內(nèi) Flash ROM 并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令，因此單片機的 31 腳接高電平 VCC。 單 片 機 復位電路 按鍵電路 報警電路 時鐘振蕩 加水裝置 溫度傳感器 水位傳感器 LED 顯示 蜂鳴器報警 北京交通大學海濱學院 畢業(yè)設計（論文） 11 各單元電路設計 控制單元設計 80C51 芯片有 40 個引腳， 4k bytes flash 片內(nèi)程序存儲器， 128 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ ram）， 32 個外部雙向輸入 /輸出（ i/o）口， 5 個中斷優(yōu)先級 2層中斷嵌套中斷， 2個 16 位可編程定時計數(shù)器 ,2 個全雙工串行通信口，看門狗 （ wdt）電路，片內(nèi)時鐘振蕩器。 80C51 單片機是一種低功耗高性能的 CMOS 8位微控制器，內(nèi)置 8KB 可在線編程閃存。該器件采用 Atmel 公司的高密度非易失性存儲技術生產(chǎn)，其指令與工業(yè)標準的 80C51 指令集兼容。片內(nèi)程序存儲器允許重復在線編程，允許程序存儲器在系統(tǒng)內(nèi)通過 SPI 串行口改寫或用同用的非易失性存儲器改寫。通過把通用的 8位 CPU 與可在線下載的 Flash 集成在一個芯片上， 80C51 便成為一個高效的微型計算機。它的應用范圍廣，可用于解決復雜的控制問題，且成本較低。其結構框圖如圖 所示。 圖 80C51結構框圖 張 勝 ： 基于單片機的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設計 12 圖 80C51 此外， 80C51 設計和配置了震蕩頻率可為 12MHZ 并可通過軟件設置省電模式。空閑模式下， cpu 暫停工作，而 ram 定時計數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結振蕩器而 保存 ram的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。同時該芯片還具有 pdip、 tqfp 和 plcc 等三種封裝形式，以適應不同產(chǎn)品的需求。 主要功能特性： 兼容 mcs51指令系統(tǒng) 4k可反復擦寫 (1000 次） isp flash rom 32個雙向 i/o 口 工作電壓 2個 16位可編程定時 /計數(shù)器 時鐘頻率 033mhz 全雙工 uart 串行中斷口線 128x8bit 內(nèi)部 ram 2個外部中斷源 低功耗空閑和省電模式 中斷喚醒省電模式 北京交通大學海濱學院 畢業(yè)設計（論文） 13 3級加密位 看門狗（ wdt）電路 軟件設置空閑和省電功能 靈活的 isp 字節(jié)和分頁編程 雙數(shù)據(jù)寄存器指針 引腳功能介紹 按照功能， 80C51 的引腳可分為主電源、外接晶體振蕩或振蕩器、多功能 I/O 口、控制和復位等。 I/O 口 80C51 共有四個 8 位的并行 I/O 口： P0、 P P P3 端口，對應的引腳分別是 ～ ， ～ ， ～ ， ～ ，共 32 根 I/O 線。每根線可以單獨用作輸入或輸出。 ① P0 端口，該口是一個 8 位漏極開路的雙向 I/O 口。在作為輸出口時，每根引腳可以帶動 8個 TTL輸入負載。當把 “1” 寫入 P0 時，則它的引腳可用作高阻抗輸入。當對外部程序或數(shù)據(jù)存儲器進行存取時， P0 可用作多路復用的低字節(jié)地址 /數(shù)據(jù)總線，在該模式，P0 口擁有內(nèi)部上拉電阻。在對 Flash 存儲器進行編程時， P0 用于接收代碼字節(jié)；在校驗時，則輸出代碼字節(jié)；此時需要外加上拉電阻。 ② P1 端口，該口是帶有內(nèi)部上拉 電阻的 8位雙向 I/O端口， P1 口的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式） 4 個 TTL 輸入。對端口寫 “1” 時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時可用作輸入口。 P1 口作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。在對 Flash 編程和程序校驗時， P1 口接收低 8位地址。 另外， 與 可以配置成定時 /計數(shù)器 2的外部計數(shù)輸入端（ ）與定時/計數(shù)器 2的觸發(fā)輸入端（ ），如表 所示。 張 勝 ： 基于單片機的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設計 14 表 P1口管腳復用功能 端口引腳 復用功能 T2（定時器 /計算器 2 的外部輸入端） T2EX（定時器 /計算器 2 的外部觸發(fā)端和雙向控制） MOSI（用于在線編程） MISO（用于在線編程） SCK（用于在線編程） ③ P2端口，該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 端口， P2 口的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式） 4 個 TTL 輸入。對端口寫 “1” 時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時可用作輸入口。 P2 口作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流。 在訪問外部程序存儲器或 16 位的外部數(shù)據(jù)存儲器時， P2口送出高 8 位地址，在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器時， 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），在整個訪問期間不會改變。在對 Flash 編程和程序校驗期間， P2 口也接收高位地址或一些控制信號。 ④ P3端口，該口是帶有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 端口， P3 口的輸出緩沖器可驅動（吸收或輸出電流方式） 4 個 TTL 輸入。對端口寫 “1” 時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時可用作輸入口。 P3 口作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外 部信號拉低的引腳會輸出一個電流。 在 80C51 中，同樣 P3 口還用于一些復用功能，如表 。在對 Flash 編程和程序校驗期間， P3 口還接收一些控制信號。 表 P3端口引腳與復用功能表 端口引腳 復用功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） INT0（外部中斷 0） INT1（外部中斷 1） 北京交通大學海濱學院 畢業(yè)設計（論文） 15 T0（定時器 0的外部輸入） T1（定時器 1的外部輸入） WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選 通） 表 （續(xù)） 復位輸入端。在振蕩器運行時，在此腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使其單片機復位?？撮T狗定時器（ Watchdog）溢出后，該引腳會保持 98個振蕩周期的高電平。在 SFR AUXR（地址 8EH）寄存器中的 DISRTO 位可以用于屏蔽這種功能。 DISRTO 位的默認狀態(tài)，是復位高電平輸出功能使能。 。在存取外部存儲器時，這個輸出信號用于鎖存低字節(jié)地址。在對 Flash 存儲器編程時，這條引腳用于輸入編程脈沖 PROG。一般情況下，ALE 是振蕩器頻率的 6 分頻信號，可用于外部定時或時鐘。但是，在對外部數(shù)據(jù)存儲器每次存取中，會跳過一個 ALE 脈沖。在需要時，可以把地址 8EH 中的 SFR 寄存器的 0 位置為“1” ，從而屏蔽 ALE 的工作；而只有在 MOVX 或 MOVC 指令執(zhí)行時 ALE 才被激活。在單片機處于外部執(zhí)行方式時，對 ALE 屏蔽位置 “1” 并不起作用。 程序存儲器允許信號。它用于讀外部程序存儲器。當 80C51 在執(zhí)行來自外部存儲器的指令時，每一個機器周期 PSEN 被激活 2次。在對外部數(shù)據(jù)存儲器的每次存取中， PSEN 的 2次激活會被跳過。 。為了確保單片機從地址為 0000H～ FFFFH 的外部程序存儲器中讀取代碼，故要把 EA 接到 GND 端，即地端。但是，如果鎖定位 1被編程，則 EA在復位時被鎖存。當執(zhí)行內(nèi)部程序時， EA 應接到 Vcc。在對 Flash 存儲器編程時，這條引腳接收 12V編程電壓 Vpp。 振蕩器的反相放大器輸入，內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 振蕩器的反相放大器輸出。 復位電路設計 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 轉換器等，要設計合適的張 勝 ： 基于單片機的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設計 16 接口電路。本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。 復位電路雖然簡單，但其作用非常重要。一個單片機系統(tǒng)能