【文章內(nèi)容簡介】 系統(tǒng)， 溫度檢測單 片 機LED 顯示8 圖 21 快熱式電熱水器系統(tǒng)組成框圖該系統(tǒng)主要包括電源電路模塊、單片機控制器、溫度檢測電路模塊、按鍵輸入電路模塊、LED 數(shù)碼管及指示電路模塊、報警電路和加熱控制電路模塊?？鞜崾诫姛崴鳛榱诉_到“快熱”的效果，取消了儲水罐，使冷水在進入加熱管后立即被加熱，這就要求加熱管有較大的功率。家用電熱水器一般采用方便、可靠的電熱絲加熱方法。根據(jù)熱學(xué)及流體力學(xué)原理，結(jié)合實際實驗室測試，可以得到水溫與流量、加熱功率之間的關(guān)系如表 1 所列。 表 21 中所列水溫值和流量值可以滿足大多數(shù)家庭用戶使用要求。當(dāng)最大的加熱功率為 時，按 220V 供電計算，電流約為 34A，所以要求專線供電。表 21 水溫與流量、加熱功率之間的關(guān)系 水流量∕L/min 溫度∕℃功率∕kw2 3 4 47 42 36 34 32 54 48 41 38 35 62 54 46 42 38 70 60 51 46 41注：進水溫度為 15℃，輸入電壓為 AC220V對于加熱功率的控制，最簡單的方法是由若干不同功率的電熱絲組合得到幾種加熱功率，但由于快熱式熱水器的加熱功率較普通的大，且檔位設(shè)置較多，用電熱絲組合的方法需要幾組電熱絲和繼電器，成本增高且工作可靠性降低，所以比較理想的是采用可控硅控制功率，電路簡單又控制方便。溫度檢測的方法較多，最經(jīng)典的方法就是用熱敏電阻（或熱敏傳感器）組成電按鍵輸入電 源 加熱控制蜂鳴報警9橋來采集信號，再經(jīng)放大，A/D 轉(zhuǎn)換后送單片機。目前比較先進的方法是采用專門的集成測溫傳感器（如 DS18B20） ，直接將溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送給單片機。為了簡化電路，降低成本，本文采用了溫度/頻率轉(zhuǎn)換測溫法，直接將溫度信息轉(zhuǎn)換成頻率信號，用單片機測出頻率大小，從而間接測出溫度值，溫度/頻率轉(zhuǎn)換電路簡單可靠，成本低廉。第三章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計第一節(jié) 主控單片機的選擇采用一種選用以 AT89C51 為核心的單片機控制方案。AT89C51 單片機是美國ATMEL 公司生產(chǎn)的，他與 Intel 公司 MCS51 系列單片機兼容，采用 CMOS 工藝制造，節(jié)電性能好。AT89C51 提供了以下的標(biāo)準功能：片內(nèi)含 4kB 字節(jié)的可重編程閃速存儲器 E2PROM 和 128B 的內(nèi)部 RAM、32 根 I／O 引線、2 個 16b 定時器／計數(shù)器、1 個五向量兩級中斷結(jié)構(gòu)、1 個全雙工串行口。本芯片是對嵌入式控制應(yīng)用提供的一個高度靈活和成本低的解決方案。AT89C51 的上述優(yōu)點和功能在本設(shè)計中能夠得以充分利用，加以必要的輔助硬件電路能使本設(shè)計完善，所以選用 AT89C51 作為本設(shè)計的主控芯片。下面是對 AT89C51 的簡單介紹： 80C51 內(nèi)置中央處理單元、128 字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器 RAM、32 個雙向輸入/輸出(I/O)口、2 個 16 位定時/計數(shù)器和 5 個兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)時鐘振蕩電路。此外，80C51 還可工作于低功耗模式，可通過兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結(jié) CPU 而 RAM 定時器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下，保存 RAM 數(shù)據(jù)，時鐘振蕩停止，同時停止芯片內(nèi)其它功能。10 圖 31 單片機管腳圖Vss(20 腳):接地 VCC（40 腳）: 主電源+5V XTAL1（19 腳）:接外部晶體的一端。在片內(nèi)它是振蕩電路反相放大器的輸入端。在采用外部時鐘時，對于 HMOS 單片機，該端引腳必須接地；對于 CHMOS 單片機，此引腳作為驅(qū)動端。 XTAL2（18 腳）: 接外部晶體的另一端。在片內(nèi)它是一個振蕩電路反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率是晶體振蕩頻率。若需采用外部時鐘電路，對于 HMOS 單片機，該引腳輸入外部時鐘脈沖；對于 CHMOS 單片機，此引腳應(yīng)懸浮。 RST（9 腳）: 單片機剛接上電源時，其內(nèi)部各寄存器處于隨機狀態(tài)，在該腳輸入 24個時鐘周期寬度以上的高電平將使單片機復(fù)位（RESET）。 PSEN（29 腳）: 在訪問片外程序存儲器時，此端輸出負脈沖作為存儲器讀選通信號。CPU 在向片外存儲器取指令期間，PSEN 信號在 12 個時鐘周期中兩次生效。不過，在訪問片外數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效 PSEN 信號不出現(xiàn)。PSEN 端同樣可驅(qū)動 8 個LSTTL 負載。我們根據(jù) PSEN、ALE 和 XTAL2 輸出端是否有信號輸出，可以判別 80C51是否在工作。 ALE/PROG（30 腳）:在訪問片外程序存儲器時，此端輸出負脈沖作為存儲器讀選通信號。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE 端以不變的頻11率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執(zhí)行MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 EA/VPP（31 腳）: 當(dāng) EA 端輸入高電平時，CPU 從片內(nèi)程序存儲器地址 0000H 單元開始執(zhí)行程序。當(dāng)?shù)刂烦?4KB 時，將自動執(zhí)行片外程序存儲器的程序。當(dāng) EA 輸入低電平時，CPU 僅訪問片外程序存儲器。在對 87C51EPROM 編程時，此引腳用于施加編程電壓 VPP。 輸入/輸出引腳： （1）— (39 腳—32 腳) （2）— （1 腳—8 腳） （3）— （26 腳—21 腳） （4）— （10 腳—17 腳） 單片機系統(tǒng)的擴展原則：一個單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包括兩部分內(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(yīng)用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計相應(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、A/D、D/A 轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計合適的接口電路。系統(tǒng)的擴展和配置應(yīng)遵循以下原則： （1）盡可能選擇典型電路，并符合單片機常規(guī)用法。為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)。 （2）系統(tǒng)擴展與外圍設(shè)備的配置水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當(dāng)余地，以便進行二次開發(fā)。 （3）硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案會產(chǎn)生相互影響，考慮的原則是：軟件能實現(xiàn)的功能盡可能由軟件實殃，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。但必須注意，由軟件實現(xiàn)的硬件功能，一般響應(yīng)時間比硬件實現(xiàn)長，且占用 CPU 時間。 （4）系統(tǒng)中的相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配。如選用 CMOS 芯片單片機構(gòu)成低功耗系統(tǒng)時，系統(tǒng)中所有芯片都應(yīng)盡可能選擇低功耗產(chǎn)品。 （5）可靠性及抗干擾設(shè)計是硬件設(shè)計必不可少的一部分，它包括芯片、器件選擇、12去耦濾波、印刷電路板布線、通道隔離等。 （6）單片機外圍電路較多時，必須考慮其驅(qū)動能力。驅(qū)動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠，可通過增設(shè)線驅(qū)動器增強驅(qū)動能力或減少芯片功耗來降低總線負載。 （7）盡量朝“ 單片” 方向設(shè)計硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)器件越多，器件之間相互干擾也越強，功耗也增大，也不可避免地降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨著單片機片內(nèi)集成的功能越來越強，真正的片上系統(tǒng) SoC 已經(jīng)可以實現(xiàn)，如 ST 公司新近推出的 μPSD32系列產(chǎn)品在一塊芯片上集成了 80C32 核、大容量 FLASH 存儲器、SRAM、A/D 、I/O、兩個串口、看門狗、上電復(fù)位電路等等。第二節(jié) 系統(tǒng)總電路采用如圖 21 所示的模塊組成系統(tǒng)電路，包括電源電路、單片機控制器、溫度檢測電路、按鍵輸入電路、LED 數(shù)碼管及指示電路、報警電路和加熱控制電路?？鞜崾綗崴骺刂葡到y(tǒng)電路如圖 32（附錄 2）所示。它由七部分電路組成：單片機系統(tǒng)及外圍電路、電源電路、按鍵輸入電路、LED 數(shù)碼管及指示燈電路、報警電路、加熱控制電路和溫度檢測電路。80C51 單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成一個自激振蕩器。外接晶體以及電容 C1 和 C2 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值沒有嚴格的要求，但電容的大小多少會影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度穩(wěn)定性。在設(shè)計印制電路板時，晶體或陶瓷諧振器和電容應(yīng)盡可能安裝的與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠的工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用具有溫度補償性的單片陶瓷電容。51 單片機常選擇振蕩器頻率為 6MHz 或 12MHz 的石英晶體，隨著集成電路制造工藝技術(shù)的發(fā)展，單片機的時鐘頻率也在逐步提高，現(xiàn)在的高速單片機時鐘芯片的頻率已達 40MHz。本設(shè)計控制器采用成本低廉且工作可靠的 80C51 或其兼容系列的單片機，采用12MHz 的晶振。 80C51 對電源要求不甚嚴格，電源電路采用普通的市電降壓整流，然后經(jīng)集成穩(wěn)壓器（7805）穩(wěn)壓輸出+5V 電壓，按鍵采用輕觸小按鈕。顯示電路采13用兩位共陽極數(shù)碼管，由兩個三極管 9012 驅(qū)動。3 個 LED 指示燈用于指示加熱功率。報警電路采用 5V 的自鳴式蜂鳴器。 電源采用輸出為正 5V 直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。IC 采用集成穩(wěn)壓器 7805 三端穩(wěn)壓器。它是一種標(biāo)準化、系列化的通用線性穩(wěn)壓電源集成電路，以其體積小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用簡捷方便等特點，成為目前穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。當(dāng)輸出電流較大時，7805 應(yīng)配上散熱板。其中的電容起濾波作用。14+VYMHZ8DQ~INT/9inouGOEPXWhearfgdcb共圖 32 快熱式電熱水器控制系統(tǒng)電路圖15第三節(jié) 電源電路電源采用輸出為正 5V 直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。IC 采用集成穩(wěn)壓器 7805 三端穩(wěn)壓器。它是一種標(biāo)準化、系列化的通用線性穩(wěn)壓電源集成電路，以其體積小、成本低、性能好、工作可靠性高、使用簡捷方便等特點，成為目前穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件。當(dāng)輸出電流較大時，7805 應(yīng)配上散熱板。CC7 分別為輸入端濾波電容，C6，C9 為輸出端濾波電容。如圖 33 在論文中所示圖 33 電源電路220V 交流市電通過電源變壓器變換成交流低壓，再經(jīng)過橋式整流電路也是波浪形的，只是整流好些峰谷差小些而已，不可能是完完全全的一條直線那種直流，必須濾波。圖中第一組電解電容和瓷片是為了抑制高頻干擾。電解電容對這種高頻電流的電阻很大 也就是說光用一只大的電解電容對高頻干擾的吸收能力比較差。有高頻電流的情況下，瓷片電容的效果很好 但是這些電容的特點是容量不能做得很大（或者說容量大時成本非常高） 所以單獨用一個這樣的電容也不行。所以把兩種電容并聯(lián)起來 取長補短，效果很好。經(jīng)過第一組電容的濾波后，在固定式三端穩(wěn)壓器LM7805 的 Vin 和 GND 兩端形成一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓(該電壓常常會因為市電電壓的波動或負載的變化等原因而發(fā)生變化)。此直流電壓經(jīng)過 LM7805 的穩(wěn)壓和第二組電容的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度好的直流輸出電壓。16 第四節(jié) 加熱控制電路圖 34 放在論文中所示為加熱控制電路原理圖，加熱控制是通過單片機輸出口,控制晶體三極管,從而控制繼電器的通斷即加熱絲的通斷來完成。電熱絲的加熱功率由雙向可控硅控制，單片機通過光耦給可控硅觸發(fā)信號，控制可控硅的導(dǎo)通角，從而控制電熱絲的有效加熱功率。為了在關(guān)機和超溫保護的狀態(tài)下能可靠地關(guān)斷加熱電源，電路中加入了繼電器來控制加熱電源。其中串聯(lián)在繼電器線圈