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正文內(nèi)容

基于at89s51單片機(jī)的智能電熱水器的設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

2025-01-09 01:00 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 60℃ 時(shí),按該鍵不起作用。溫度-鍵:每按一次該鍵,預(yù)設(shè)溫度減 1℃ ,長按該鍵(時(shí)間超過 1秒以上),預(yù)設(shè)溫度快速減小,當(dāng)預(yù)設(shè)溫度減到 30℃ 時(shí),按該鍵不起作用。( 5)設(shè)置 3 個(gè)面板指示燈 。 電源指示燈(紅):接通 220V 電源,該指示燈 點(diǎn)亮。 加熱指示燈(綠):加熱元件工作時(shí),該指示燈被點(diǎn)亮。 報(bào)警指示燈(黃):當(dāng)熱水器出現(xiàn)異常情況時(shí),該指示燈被點(diǎn)亮。 ( 6)報(bào)警設(shè)置 。高溫報(bào)警:當(dāng)檢測溫度高于 65℃ 時(shí),自動報(bào)警。低溫報(bào)警:當(dāng)檢測溫度低于 0℃ 時(shí),自動報(bào)警。缺水報(bào)警:當(dāng)儲水箱內(nèi)缺水時(shí),自動報(bào)警。漏電報(bào)警:當(dāng)熱水器發(fā)生漏電情況時(shí),自動報(bào)警。( 7)設(shè)置一個(gè)蜂鳴器,當(dāng)熱水器出現(xiàn)異常情況而報(bào)警時(shí),由蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲,并自動切斷加熱元件的供電。 方案一:以 AT89S51 單片機(jī)為控制中心的智能電熱水器 AT89S51 單片機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、控制能力強(qiáng)、可靠性高、體 積小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),在許多行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。以 AT89S51 單片機(jī)為核心,配以外圍電路如時(shí)鐘電 6 溫度檢測 AT89S51 水位檢測 漏電檢測 電源電路 加熱電路 顯示電路 圖 AT89S51 控 制的智能電熱水器 路、復(fù)位電路、按鍵、顯示器件即可構(gòu)成交通燈系統(tǒng),結(jié)構(gòu)框圖如圖 : 方案二: PIC16C72 單片機(jī)為控制器件 的智能 電熱水器 PIC16C72 是美國微芯 (Microchip)公司推出的 8/11 位單片機(jī) , 采用寬字節(jié)單周期指令 , 哈佛雙總線和 RISC 結(jié)構(gòu) , 其數(shù)據(jù)吞吐量最高可達(dá) 6MIPS, 這幾乎是其它大多數(shù)8 位微控制器速度的 4 倍 128 腳封裝的 PIC16C72 單片機(jī)內(nèi)集成了以下主要功能 : 2KB片內(nèi) ROM 程序存儲器 , 128KB 數(shù)據(jù)存儲器 ; 22 位 I/O 線 ; 5路 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器 , 2個(gè) 8位 , 1個(gè) 16 位多功能計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器 , 1個(gè)捕捉 /比較 /脈寬調(diào)制 (CCP)部件 。 以 PIC16C72 為控制芯片的電熱水器,雖然功能很強(qiáng)大 , 但是存在一些很需要改進(jìn)的地方: 中斷的現(xiàn)場保護(hù)是中斷應(yīng)用中一個(gè)很重要的部分 由 PIC16C72 的指令系統(tǒng)中沒有專門的 PUSH(入棧 )和 POP(出棧 )指令 , 所以要用一段程序來實(shí)現(xiàn)該功能 。 對可能用到的 W 寄存器和 STATUS 寄存器內(nèi)容進(jìn)行現(xiàn)場保護(hù) 1 然后在中斷服務(wù)程序中對馬達(dá) , 繼電器進(jìn)行控制 1漏電檢 測報(bào)警在中斷里給出 , 而每 50ms 進(jìn)入一次中斷 , 所以發(fā)生漏電時(shí)最多 50ms即可切斷電源 1入口 → 中斷保護(hù) → 控制馬達(dá) → 控制繼電器如果用直流對電機(jī)進(jìn)行控制 , 其轉(zhuǎn)速太快 , 過調(diào)量太大 , 容易引起震蕩 。 通過以上兩種設(shè)計(jì)方法的比較來看 , 實(shí)現(xiàn)電熱水器的智能控制可以有很多種方法。可以采用 可編程序控制器 PLC,各種單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。但考慮到成本控制和軟硬件實(shí)現(xiàn)難度,采用方案一的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),可以進(jìn)一步提高電熱水器的智能作用,能夠保證持續(xù)的熱水供應(yīng),并能夠在異常情況下自動斷電,可以滿足人們?nèi)粘I畹男枰?,提高了人們生活的質(zhì)量。 智能電 熱水器將由 AT89S51 單片機(jī)作為控制芯片,經(jīng)分析設(shè)計(jì)要求,初步確定其由 8 個(gè)模塊組成,如下圖所示: 7 時(shí)鐘電路用來產(chǎn)生時(shí)鐘信號供單片機(jī)工作 , 晶振采用 12MHz, 平衡電容采用 33pF。復(fù)位電路在系統(tǒng)上電或運(yùn)行過程中對單片機(jī)進(jìn)行初始化操作。按鍵采用獨(dú)立式熱鍵,用來擴(kuò)展系統(tǒng)功能,分別可以實(shí)現(xiàn)電源開關(guān)、溫度增加和溫度減少三個(gè)功能。數(shù)碼管用來顯示水溫和水位兩組數(shù)據(jù), 所有數(shù)碼管采用共陽接法,段控端接在單片機(jī)同一 I/O口,位控端分別接在不同位的 I/O 口 。 發(fā)光二 極管用來指示 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài) , 電源指示燈(紅):接通 220V 電源,該指示燈點(diǎn)亮。加熱指示燈(綠):加熱元件工作時(shí),該指示燈被點(diǎn)亮。報(bào)警指示燈(黃):當(dāng)熱水器出現(xiàn)異常情況時(shí),該指示燈被點(diǎn)亮。 ISP 接口通過并口與 PC 機(jī)連接,實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與 PC機(jī)通訊,用編譯器對源程序進(jìn)行調(diào)試及編譯,通過 ISP 接口將形成的二進(jìn)制目標(biāo)程序下載到 AT89S51 單片機(jī)上。 依據(jù)設(shè)計(jì)要求,系統(tǒng)上電復(fù)位后按默認(rèn)值開始運(yùn)行,然后開始檢測溫度按鍵,若無按鍵,則按設(shè)定溫度進(jìn)行工作;若溫度鍵已按下,則開始設(shè)定溫度范圍,并按新的設(shè)定值開始加熱。接著繼續(xù)檢測 溫度按鍵,若無按鍵,則接著上一步的執(zhí)行(以新的設(shè)定值開始工作)。若有按鍵,則重新設(shè)定溫度范圍 , 如此循環(huán)。另外,在運(yùn)行主程序的時(shí)候,首先要檢測水位,若達(dá)不到預(yù)設(shè)值,則斷電,蜂鳴器報(bào)警;若達(dá)到預(yù)設(shè)值 ,則開始 檢測 水溫 。 硬件 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容:一是系統(tǒng)擴(kuò)展,即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元,如 ROM、 RAM、 I/O、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí),必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展,選擇適當(dāng)?shù)男酒?,設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。二是系統(tǒng)的配置,溫度檢測 AT89S51 水位檢測 漏電檢測 加熱保溫指示 電源電路 加熱電路 顯示電路 蜂鳴器 圖 基于 AT89S51 的智能電熱水器 8 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(jī)、 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換器等,要設(shè)計(jì)合適的接口電路。本設(shè)計(jì)中只用最小系統(tǒng)加上鍵盤、顯示、 ISP 接口電路,單片機(jī)本身資源可以滿足 設(shè)計(jì)要求,所以不必對單片機(jī)進(jìn)行擴(kuò)展。 系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)以 AT89S51 單片機(jī)為核心,主要分兩部分:直流穩(wěn)壓電源和智能電熱水器控制電路,其原理圖見附錄二。直流穩(wěn)壓電源由變壓器、整流橋、濾波電路、穩(wěn)壓電路組成。智能電熱水器系統(tǒng)由時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、報(bào)警電路、 ISP 在線編程接口電路鍵盤、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和顯示接口電路組成。 電源電路 電源電路按元件類型可分為電子管穩(wěn)壓電路、三極管穩(wěn) 壓電路、可控硅穩(wěn)壓電路、集成穩(wěn)壓電路等。根據(jù)調(diào)整元件與連接方法,可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型;根據(jù)調(diào)整元件工作狀態(tài)不同,可分為線性和開關(guān)穩(wěn)壓電路。本設(shè)計(jì)中采用了線性工作狀態(tài)的線性集成穩(wěn)壓電源。 直流穩(wěn)壓電源一般由電 源變壓器、整流濾波電路及穩(wěn)壓電路所組成,設(shè)計(jì)框圖: 各部分簡介: ( 1)電源變壓器 電源變壓器作用是將電網(wǎng) 220V 的交流電壓 V1變換成整流濾波電路所需的交流電壓 V2。變壓器副邊與原邊的功率比 P2/P1=η,式中η為變壓器的效率。 ( 2)整流濾波電路 整流電路將交流電壓變成單向脈動的直流電壓。濾波電路用來濾除整流后單向脈動電壓中的交流成份,合之成為平滑的直流電壓。 常用的整流電路有全波整流電路、半波整流電路、橋式整流電路及倍壓整流電路。小功率直流電源因功率比較小,通常采用單相交流供電。由于橋式整流電路克服了半波整流的缺點(diǎn),在橋式整流電路中,由于每兩只二極管只導(dǎo)通半個(gè)周期,故流過每個(gè)二極管的平均電流僅為負(fù)載電流的一半,與半波整流電路相比較,其輸出電壓提高,電源變壓器 整流濾波電路 穩(wěn)壓電路 輸入電壓 U1 輸出電壓 U2 圖 直流穩(wěn)壓電源 9 脈動成分減少。 整流電路將交流電變?yōu)槊}動直流電 , 但其中含有大量的交流成分(稱為紋波電壓)。為了獲得平滑 的直流電壓,應(yīng)在整流電路的后面加接濾波電路,以濾去交流成分。濾波電路常見的有電容濾波電路、電感濾波電路及π型濾波電路。本設(shè)計(jì)采用電容濾波電路。電容濾波電路主要利用電容兩端電壓不能突變的特性,使負(fù)載電壓波形平滑,故電容應(yīng)與負(fù)載并聯(lián)。橋式整流電路帶電阻負(fù)載時(shí)的輸出直流電壓 U0=, 接上電容濾波后,空載時(shí)的輸出直流電壓 U0=UC=U2。所以,接上負(fù)載時(shí)的橋式整流電容濾波電路的輸出電壓介于上述兩者之間,其大小與放電時(shí)間常數(shù) RLC有關(guān), RLC 越大, U0越大。 ( 3)穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓電路的作用是當(dāng)輸入交流電源電壓波 動、負(fù)載和溫度變化時(shí),維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。由于三端式穩(wěn)壓器只有三個(gè)引出端子,具有應(yīng)用時(shí)外接元件少、使用方便、性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),因而廣泛應(yīng)用。三端式穩(wěn)壓器有兩種,一種稱為固定輸出三端穩(wěn)壓器,另一種稱為可調(diào)輸出三端穩(wěn)壓器。它們的基本組成及工作原理都相同,均采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。 ( 4) 三端固定輸出集成穩(wěn)壓器通用產(chǎn)品有 CW7800T 系列和 CW7900 系列。 ○ 1 正壓系列: CW7800 系列,該系列穩(wěn)壓塊有過流、過熱和調(diào)整管工作保護(hù),以防過載而損壞。一般不需要接元件即可工作,有時(shí) 為改善性能也 會 加少量元件。 ○ 2 負(fù)壓系列: CW7900 系列與 CW7800 系列相比,除了輸出電壓極性、引腳定義不同外,其它特點(diǎn)都相同。 (5)穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)分為兩種: 一是特性指標(biāo) , 包括允許的輸入電壓、輸出電壓、輸出電流及輸出電壓調(diào)節(jié)范圍等;另一種是質(zhì)量指標(biāo),用來衡量輸出直流電壓的穩(wěn) 定程度,包括穩(wěn)壓系數(shù)(或電壓調(diào)整流器率)、輸出電阻 、溫度系數(shù)及紋波電壓等。 ( 6)電路目的:給單片機(jī)及其他控制電路提供電源。 電源設(shè)計(jì)是電路設(shè)計(jì)很重要關(guān)節(jié)。它的穩(wěn)定與否涉及到電路是否能穩(wěn)定工作。按要 求需要一個(gè) +5V電壓, 一個(gè) +12V左右可調(diào)電壓。 于是采用可調(diào)壓芯片 LM317,它是穩(wěn)壓芯片。 LM317是三端穩(wěn)壓集成電路,最大輸出電流為 ,輸出電壓范圍為 ~37V。它具有輸出電壓可變、內(nèi)藏保護(hù)功能、體積小、性價(jià)比高、工作穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。用它制作輸出電壓可變穩(wěn)壓電源,調(diào)節(jié)可變電阻 R2,便可從 LM317輸出端獲得 UO(可變輸出電壓 )。 從電路中可以看出, LM317的輸出電壓 (也就是穩(wěn)壓電源的輸出電壓 )U0為兩個(gè)電壓之和,也就是 R1兩端電壓與 R2兩端電壓之和。而 IR2實(shí)際上是兩路電流之和,一路是經(jīng)R1流向 R2的電流 IRI,其大小為 URI/Rl。因 URI為恒定電壓 , Rl是一個(gè)固定電阻,小 10 于 240歐姆。所以 IRl是一個(gè)恒定的電流。另一路是 LM317調(diào)整端流出的電流 ID, ID的平均值是 50μA左右,最大值一般不超過 100μA。而且在 LM317穩(wěn)定工作時(shí), ID的值基本上是一個(gè)恒定的值。調(diào)節(jié) R2阻值即可調(diào)節(jié) LM317輸出電壓 UO。 既然 ID和 IRl對調(diào)節(jié)輸出電壓 UO都起到了一定作用,并且 IR1是由 R1提供, IRI大小也沒有任何限制, LM317輸出電壓服從 +IDR2=UO關(guān)系。 可調(diào)穩(wěn)壓電路原 理圖如圖 。 圖 可調(diào)穩(wěn)壓電路原理圖 +5V電壓也是利用三端穩(wěn)壓集成電路得到的,采用 7805芯片。其用法和 LM317差別不大,如下圖所示。 LM7805的 1端是電源的輸入端, 3端是輸出端, 2端是接地端。 圖 7805三端穩(wěn)壓電源電路 本設(shè)計(jì)電源電路原理圖見附錄 3。 鍵盤接口電路 本畢業(yè)設(shè)計(jì)的按鍵采用獨(dú)立式按鍵,是直接用 I/O 口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路,其特點(diǎn)是每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根 I/O 口線,每個(gè)按鍵的工作不會影響其它 I/O 口線的狀態(tài) 。獨(dú)立式按鍵的典型應(yīng)用如圖: V i n2ADJ1+ V ou t3L M 31 7C31 0u FD14 00 1D24 00 1R12 00R25 . 1KGNDC10 . 1u FC21 00 0u FV o utV i nI n p u t1O u t p u t3GND2L M 7 8 0 5C41 0 0 u FC50 . 1 u FUi Uo 11 AT89S51 A B C +5V 圖 獨(dú)立式按鍵 圖 七段數(shù)碼管 按鍵輸入均采用低電平有效,此外,上拉電阻保證了按鍵斷開時(shí), I/O 口線有確定的高電平。當(dāng) I/O 口線內(nèi)部有上拉電阻時(shí),外電路不可接上拉電阻。獨(dú)立式按鍵的軟件常采用查詢式結(jié)構(gòu)。先逐位查詢每根 I/O 口線的輸入狀態(tài),如某一根 I/O 口線輸入為低電平,則可確認(rèn)該 I/O 口線所對應(yīng)的按鍵已按下,然后,再轉(zhuǎn)向該鍵的功能處理程序,具體編程見程序清單。 報(bào)警電路 熱水器工 作環(huán)境潮濕,為了保證使用者安全,控制器應(yīng)具備漏電檢測功能。 在正常情況下,流過磁環(huán)的電流大小相等,方向相反,磁環(huán)檢測線圈無感應(yīng)電流信號,漏abfcgdeD PY1234567abcdefg8dpdpGND9D S 1D P Y _ 9 12 電檢測集成電路輸出低電平。當(dāng)出現(xiàn)漏電電流時(shí),由 于 流過磁環(huán)的電流不平衡,于是磁環(huán)檢測線圈感應(yīng)出漏電信號,經(jīng)集成電路 M54123L 放大輸出高電平,經(jīng)三極管倒相后輸出至單片機(jī)。單片機(jī)接收到漏電信號,則停止加熱 、 保溫及鍵盤操作,結(jié)束程序并發(fā)出報(bào)警信號,蜂鳴器連續(xù)嗚響。在漏電保護(hù)及自檢不合格情況下,只有關(guān)閉電源及排除故障后, 重新接通電源才能工作 。 圖 2.. 報(bào)警電路 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 ADC0809 的管腳 分布及其與 AT89S51 的主要接口示意圖: 圖 ADC0809 引腳及與 AT89S51 連接示意圖 R6R3R4U1B E L LD1Y E L L O W Q1N P N1 2 VP2.0(A8)21AT89S51IN 026m s b 2 1212 220IN 1272 3192 418IN 2282 582 615IN 312 714ls b 2 817IN 42E O C7IN 53A D D A25IN 64A D D B24A D D C23IN 75A L E22re f( )16E N A B L E9S T A R T6re f( + )12C L O C K10A D C 08 0 9P 0. 0P 0. 1P 0. 2P 0. 3P 0. 4P 0. 5P 0. 6P 0. 7P 0. 0P 0. 1P 0. 2C L K 13 由上圖可知, ADC0809 由一個(gè) 8 路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè) A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通 8 個(gè) 模擬通道,允許 8 路模擬量分時(shí)輸入,共用 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存 A/D 轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量,當(dāng) OE 端為高電平時(shí),才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。 IN0- IN7 為 8 條模擬量輸入通道 , ADC0809 對輸入模擬量要求:信號單極性,電壓范圍是 0- 5V,若信號太小,必須進(jìn)行放大;輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中
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