【文章內(nèi)容簡介】 個獨立式鍵盤，用來調(diào)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(jié)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(jié)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(jié)構(gòu)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 總體設計方框圖單片機最小系統(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 此單片機的 31 腳接高電平 VCC。 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(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。圖 80C51 結(jié)構(gòu)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?？臻e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(jié)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、PPP3 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。①P0 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。②P1 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(qū)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(qū)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(qū)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 所列。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） T0（定時器 0 的外部輸入）北京交通大學海濱學院畢業(yè)設計（論文） 15 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(zhuǎn)換器等，要設計合適的接口電路。本設計中只用最小系統(tǒng)加上鍵盤、顯示、ISP 接口電路，單片機本身資源可張勝： 基于單片機的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設計 16 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)能恢復正常運行，首先要檢查是否能復位成功，其中手動復位開關比較常用，如圖所示：圖 手動開關復位電路手動開關未按下之前，電容正極處于充電狀態(tài)，當按鍵按下去后，VCC 與 GND 導通，電容放電，從而實現(xiàn)放電。按鍵電路本畢業(yè)設計的按鍵采用獨立式按鍵，是直接用 I/O 口線構(gòu)成的單個按鍵電路，其特點是每個按鍵單獨占用一根 I/O 口線，每個按鍵的工作不會影響其它 I/O 口線的狀態(tài)。當有按鍵被按下時說明用戶要手動上水。按鍵使用上拉電阻方式接入單片機。未按下時對單片機輸入一個高電平，按下后輸入一個低電平。鍵的閉合與否，反映在行線輸出電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平，如果高電平表示斷開的話，那么低電平則表示閉合，所以通過對行線電平的高低狀態(tài)的檢測，便可以確認按鍵按下與否。為了確保 CPU 對一次按鍵動作只確認一次按鍵，必須消除抖動的影響。北京交通大學海濱學院畢業(yè)設計（論文） 17 圖 按鍵電路 報警溫度用按鍵 S2，S3，S4 來設置，S2 為調(diào)整鍵，按一次可調(diào)整報警上限溫度值，按兩次可調(diào)整報警下限溫度值，按三次數(shù)碼管恢復到正常溫度顯示。 顯示單元設計報警電路的設計蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產(chǎn)品中發(fā)生器。一、蜂鳴器主要分為（1）壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。多諧振蕩由晶體管或集成電路構(gòu)成。當接通電源后，多諧振蕩器起振，輸出 ~ 的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴器發(fā)聲。壓電蜂鳴器片由鋯鈦酸鉛或鈮鎂酸鉛壓電陶瓷材料制成。在陶瓷片的兩個鍍上銀電極，經(jīng)極化和老化處理后，再與黃銅片或不銹鋼片粘著一起。（2）電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發(fā)聲。蜂鳴器的驅(qū)動由于自激蜂鳴器是直流電壓驅(qū)動的，不需要利用交流信號進行驅(qū)動，只需對驅(qū)動口輸出驅(qū)動電平并通過三極管放大驅(qū)動電流就能使蜂鳴器發(fā)出聲音，很簡單，這里就不對張勝： 基于單片機的電熱水器水溫水