【文章內(nèi)容簡介】 60℃ 時，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，按該鍵不起作用。（ 5）設(shè)置 3 個面板指示燈 。 電源指示燈（紅）：接通 220V 電源，該指示燈 點亮。 加熱指示燈（綠）：加熱元件工作時，該指示燈被點亮。 報警指示燈（黃）：當(dāng)熱水器出現(xiàn)異常情況時，該指示燈被點亮。 （ 6）報警設(shè)置 。高溫報警：當(dāng)檢測溫度高于 65℃ 時，自動報警。低溫報警：當(dāng)檢測溫度低于 0℃ 時，自動報警。缺水報警：當(dāng)儲水箱內(nèi)缺水時，自動報警。漏電報警：當(dāng)熱水器發(fā)生漏電情況時，自動報警。（ 7）設(shè)置一個蜂鳴器，當(dāng)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。 方案一：以 AT89S51 單片機為控制中心的智能電熱水器 AT89S51 單片機具有結(jié)構(gòu)簡單、控制能力強、可靠性高、體 積小、價格低等優(yōu)點，在許多行業(yè)都得到了廣泛的應(yīng)用。以 AT89S51 單片機為核心，配以外圍電路如時鐘電 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 ， 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 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 8位 ， 1個 16 位多功能計數(shù)器 /定時器 ， 1個捕捉 /比較 /脈寬調(diào)制 (CCP)部件 。 以 PIC16C72 為控制芯片的電熱水器，雖然功能很強大 ， 但是存在一些很需要改進的地方： 中斷的現(xiàn)場保護是中斷應(yīng)用中一個很重要的部分 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現(xiàn)該功能 。 對可能用到的 W 寄存器和 STATUS 寄存器內(nèi)容進行現(xiàn)場保護 1 然后在中斷服務(wù)程序中對馬達 ， 繼電器進行控制 1漏電檢 測報警在中斷里給出 ， 而每 50ms 進入一次中斷 ， 所以發(fā)生漏電時最多 50ms即可切斷電源 1入口 → 中斷保護 → 控制馬達 → 控制繼電器如果用直流對電機進行控制 ， 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)計方法的比較來看 ， 實現(xiàn)電熱水器的智能控制可以有很多種方法?？梢圆捎?可編程序控制器 PLC，各種單片機來實現(xiàn)。但考慮到成本控制和軟硬件實現(xiàn)難度，采用方案一的控制系統(tǒng)設(shè)計，可以進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 單片機作為控制芯片，經(jīng)分析設(shè)計要求，初步確定其由 8 個模塊組成，如下圖所示： 7 時鐘電路用來產(chǎn)生時鐘信號供單片機工作 ， 晶振采用 12MHz， 平衡電容采用 33pF。復(fù)位電路在系統(tǒng)上電或運行過程中對單片機進行初始化操作。按鍵采用獨立式熱鍵，用來擴展系統(tǒng)功能，分別可以實現(xiàn)電源開關(guān)、溫度增加和溫度減少三個功能。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)運行狀態(tài) ， 電源指示燈（紅）：接通 220V 電源，該指示燈點亮。加熱指示燈（綠）：加熱元件工作時，該指示燈被點亮。報警指示燈（黃）：當(dāng)熱水器出現(xiàn)異常情況時，該指示燈被點亮。 ISP 接口通過并口與 PC 機連接，實現(xiàn)單片機與 PC機通訊，用編譯器對源程序進行調(diào)試及編譯，通過 ISP 接口將形成的二進制目標(biāo)程序下載到 AT89S51 單片機上。 依據(jù)設(shè)計要求，系統(tǒng)上電復(fù)位后按默認值開始運行，然后開始檢測溫度按鍵，若無按鍵，則按設(shè)定溫度進行工作；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，在運行主程序的時候，首先要檢測水位，若達不到預(yù)設(shè)值，則斷電，蜂鳴器報警；若達到預(yù)設(shè)值 ,則開始 檢測 水溫 。 硬件 系統(tǒng)設(shè)計 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)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(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O(shè)計相應(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、 A/D、 D/A 轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計合適的接口電路。本設(shè)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(shè)計要求，所以不必對單片機進行擴展。 系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)以 AT89S51 單片機為核心，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)由時鐘電路、復(fù)位電路、報警電路、 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，在橋式整流電路中，由于每兩只二極管只導(dǎo)通半個周期，故流過每個二極管的平均電流僅為負載電流的一半，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，使負載電壓波形平滑，故電容應(yīng)與負載并聯(lián)。橋式整流電路帶電阻負載時的輸出直流電壓 U0=， 接上電容濾波后，空載時的輸出直流電壓 U0=UC=U2。所以，接上負載時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、負載和溫度變化時，維持輸出直流電壓的穩(wěn)定。由于三端式穩(wěn)壓器只有三個引出端子，具有應(yīng)用時外接元件少、使用方便、性能穩(wěn)定、價格低廉等優(yōu)點，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，以防過載而損壞。一般不需要接元件即可工作，有時 為改善性能也 會 加少量元件。 ○ 2 負壓系列： 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：給單片機及其他控制電路提供電源。 電源設(shè)計是電路設(shè)計很重要關(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 +5V電壓， 一個 +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)藏保護功能、體積小、性價比高、工作穩(wěn)定可靠等特點。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為兩個電壓之和，也就是 R1兩端電壓與 R2兩端電壓之和。而 IR2實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是一個固定電阻，小 10 于 240歐姆。所以 IRl是一個恒定的電流。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， ID的值基本上是一個恒定的值。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)計電源電路原理圖見附錄 3。 鍵盤接口電路 本畢業(yè)設(shè)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) 。獨立式按鍵的典型應(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， 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，外電路不可接上拉電阻。獨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，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。單片機接收到漏電信號，則停止加熱 、 保溫及鍵盤操作，結(jié)束程序并發(fā)出報警信號，蜂鳴器連續(xù)嗚響。在漏電保護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 8 路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個 A/D轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通 8 個 模擬通道，允許 8 路模擬量分時輸入，共用 A/D 轉(zhuǎn)換器進行轉(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，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，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中