【導(dǎo)讀】即熱式電熱水器溫度控制器系統(tǒng)的任務(wù)非常迫切。針對(duì)這些問題，本文提出了基于單。本設(shè)計(jì)采用美國Atmel公司生產(chǎn)的AT89S51單片機(jī)作為主控芯片和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。制以及工作指示和報(bào)警等，使用C語言編寫系統(tǒng)控制程序。經(jīng)仿真和實(shí)驗(yàn)證明，該即。大等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過反復(fù)測(cè)試，系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。

　　

【正文】 后，才再次啟動(dòng)加 熱管工作，直至水溫重新達(dá)到設(shè)定值。 蜂鳴報(bào)警電路設(shè)計(jì) 報(bào)警及指示燈電路如下圖 所示。當(dāng)用戶設(shè)定的目標(biāo)溫度達(dá)到時(shí)，用聲音的形式提醒用戶，此時(shí)蜂鳴器為三聲斷續(xù)的滴滴的叫聲。在本系統(tǒng)中我們?yōu)橛脩粼O(shè)計(jì)了超限報(bào)警，但溫度低于用戶設(shè)置的目標(biāo)溫度 10℃ 或高于 10℃ 時(shí)，蜂鳴器為連續(xù)滴滴叫聲 ，報(bào)警指示燈閃爍 。如果系統(tǒng)溫度超過 80℃ 時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入故障報(bào)警，蜂鳴器連續(xù)鳴叫 ，湖南工業(yè)大學(xué)本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 報(bào)警指示燈閃爍 。用戶必須復(fù)位系統(tǒng)排除故障才能進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)單片機(jī) 輸出低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器工作發(fā)出報(bào)警聲。 為高電平 時(shí)三極管關(guān)斷，蜂鳴器不工作。 D7 為熱水器加熱指示燈， 低電平有效； D8 為熱水器保溫指示燈， 低電平有效； D6 為報(bào)警指示燈， 低電平有效。 Q59 0 1 2R95 1 0 ΩR 1 01 K ΩV C CP 3 6D6 報(bào)警R 2 01KR51KP 3 5V C CP 3 2L S 1S P E A K E RD8 保溫D7 加熱R 2 11KP 3 3 圖 報(bào)警及指示燈電路 上位機(jī)通信設(shè)計(jì) 以單片機(jī)為主體構(gòu)成的分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)，以附加電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠而被廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制系統(tǒng)中。目前廣泛使用的單片機(jī)產(chǎn)品（如 Intel 的803 ATMEL 的 89S5 GMS97C51 等系列單片機(jī)）芯片中都集成了串行通信接口。使用這些串行通信接口和 RS485 接口驅(qū)動(dòng)芯片就可以 構(gòu)成總線型通信網(wǎng)絡(luò)，從而將多臺(tái)單片機(jī)系統(tǒng)連接成一個(gè)分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。這種 RS485 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有接口簡(jiǎn)單、靈活性好、價(jià)格低、易于控制等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制系統(tǒng)中。目前，在很多的分布式數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中，為了克服單片機(jī)的功能不足，都引入了 PC機(jī)，并采用主從式結(jié)構(gòu)模式，即以 PC 機(jī)為主機(jī)，分布在現(xiàn)場(chǎng)的各個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)為從機(jī)而組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖 所示。 P C 機(jī)RS232轉(zhuǎn)換器控 制 器R S 4 8 5對(duì) 象 1 對(duì) 象 2 對(duì) 象 3控 制 器R S 4 8 5控 制 器R S 4 8 5 圖 上位機(jī)控 制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 湖南工業(yè)大學(xué)本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 一般的 PC 機(jī)串行口為標(biāo)準(zhǔn) RS232 口， 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 RS232 采用負(fù)邏輯，即：邏輯“ 1”為 － 5V～ － 15V，邏輯“ 0”為 +5V～ +15V；另外，驅(qū)動(dòng)器最大只允許有 2500pF的電容負(fù)載，且通信距離受此電容限制。因此， 150pF/m 的通信電纜的最大通信距離為 15m，若每米電纜的電容量有所減少，則通信距離即可增長(zhǎng)。 RS232 傳輸距離較短的另一原因是其屬于單端信號(hào)傳送，這種傳送存在共地噪聲且不能抑制共模干擾，因此， RS232 一般用于 20m以內(nèi)的通信。 而對(duì)于大多數(shù)分布式控制系統(tǒng)來說，其通信距離一般為幾十米到幾千米不等，顯然， RS232 接口不能滿足此類 系統(tǒng)的要求，目前廣泛采用的是 RS485 收發(fā)器。 RS485收發(fā)器采用的平衡發(fā)送和差分接收具有抑制共模干擾的能力，加上收發(fā)器具有很高的靈敏度，能檢測(cè)低達(dá) 200mV 的電壓，因此，傳輸信號(hào)可在千米以外得到恢復(fù) [11]。本熱水器的擴(kuò)展通信接口電路如圖 所示。 C 1 +1C 1 3C 2 +4C 2 5T 1 I N11T 2 I N10R 1 O U T12R 2 O U T9G N D15V D D2V C C16T 1 O U T14T 2 O U T7R 1 I N13R 2 I N8V E E6U6M A X 2 3 2C 1 1 0 .1 u FC 1 0 0 .1 u FC90 .1 u FP 3 0P 3 1162738495J3D B 9 C80 .1 u FV C CRO1RE2DE3DI4G N D5A6B7V C C8U7M A X 4 8 5 C P AR 2 31 0 KQ89 0 1 3R 2 41 0 kV C CV C CR 2 51KR 2 61K 圖 通信電 平轉(zhuǎn)換電路 隔電墻技術(shù) 其實(shí)“隔電墻”是一種簡(jiǎn)稱，它確切的表述法應(yīng)是“水電阻衰減隔離法”。在一般的印象中，水是一種導(dǎo)體，與電接觸是十分危險(xiǎn)的。其實(shí)，任何物體都是有電阻的，因此在符合經(jīng)濟(jì)性原則的前提下就可能被改造成符合人們 需要的器具而造福人類。 “隔電墻”（即水電阻衰減隔離法）就是利用了水本身所具有的電阻（如國標(biāo)規(guī)定在 15℃ 時(shí)水的電阻應(yīng)大于 1300Ω cm），通過對(duì)電熱水器內(nèi)通水管路材質(zhì)的選擇、管徑和距離的確定形成“隔電墻”。當(dāng)電熱水器通電工作時(shí)，加熱內(nèi)膽中的水即使有電，也會(huì)在通過“隔電墻”時(shí)被水本身的電阻衰減掉而達(dá)到將電隔離的目的，在熱水器進(jìn)出水兩端達(dá)到幾乎為零的電壓和 ，大大優(yōu)于國標(biāo)。采用“隔電墻”技術(shù)不僅可以阻隔電熱水器本身可能產(chǎn)生的漏電，也可以阻隔因地線帶電或水 管帶電而對(duì)淋浴者帶來的安全威脅。湖南工業(yè)大學(xué)本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 第 3 章 軟件設(shè)計(jì) 本即熱式電熱水器溫度控制系統(tǒng)程序由 MCS51 單片機(jī) C 語言編寫，該軟件主要由以下幾個(gè)子模塊組成：主程序模塊，按鍵掃描模塊，溫度采集和處理模塊，溫度顯示模塊，加熱模塊等 ，程序源代碼見附錄 Ⅱ 。 主程序 模塊 在主程序中，主要完成的任務(wù)包括 系統(tǒng)的開機(jī)自檢、加熱控制系統(tǒng)各部件 的初始化 和實(shí)現(xiàn)各功能子程序的調(diào)用，單片機(jī)通過循環(huán)對(duì)檢測(cè)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)開始工作便進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)，主程序流程圖如圖 所示。 開 始系 統(tǒng) 初 始 化開 機(jī) 顯 示 ” ” 2 S溫 度 轉(zhuǎn) 換 一 次調(diào) 顯 示 程 序有 鍵 按 下 ？ 進(jìn) 入 按 鍵 處 理 程 序0 . 5 S 到 ？調(diào) 溫 度 處 理 程 序NYYN 圖 主程序流程圖 湖南工業(yè)大學(xué)本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 按鍵掃描模塊 由于不同的季節(jié)對(duì)熱水的溫度有不同的要求，因此即熱式電熱水器的出水溫度可通過鍵盤來設(shè)置適宜的數(shù)值。根據(jù)功能設(shè)置了三個(gè)鍵，分別為 溫度設(shè)定 鍵、溫度增加鍵和減少鍵。在軟件設(shè)計(jì)上主要采用掃描來檢測(cè)有無鍵按下，當(dāng)檢測(cè)到低電平時(shí)，調(diào)用 溫度顯示程序來完成 延時(shí)消除抖動(dòng)，防止誤觸發(fā)。 程序流程圖如 所示 。 開 始有 鍵 按 下 ？置 按 鍵 標(biāo) 志 ， 取 鍵 值調(diào) 顯 示 程 序 ， 等待 按 鍵 釋 放按 鍵 已 釋 放 ？清 按 鍵 標(biāo) 志設(shè) 定 鍵 按 下 ？設(shè) 定 位 左 移“ ＋ ” 鍵 按 下 ？“ － ” 鍵 按 下 ？閃 爍 位 加 一閃 爍 標(biāo) 志 值 不 為 0 ？閃 爍 標(biāo) 志 值 不 為 0 ？閃 爍 位 減 一閃 爍 位 9 ?閃 爍 位 0 ?閃 爍 標(biāo) 示 值 3閃 爍 值 清 0 ， 回 正常 溫 度 顯 示返 回閃 爍 位 歸 0閃 爍 位 回 9YNYNYYNNNYYYYYYNNNNN 圖 按鍵掃描程序流程圖 湖南工業(yè)大學(xué)本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 溫度顯示模塊 溫度顯示模塊主要用于實(shí)時(shí)顯示出水口溫度的值和設(shè)定溫度的值， 采用 LED 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描，每次選通一個(gè)數(shù)碼管，每 隔 5ms 刷新一次，為了使顯示更穩(wěn)定，程序中采用了消隱處理，程序流程圖如圖 所示。 開 始消 隱閃 爍 標(biāo) 志 值 不 為 0 ？送 檢 測(cè) 溫 度 段 碼返 回NY選 通 位 控 制改 變 位 控 制 字送 設(shè) 定 溫 度 段 碼 圖 溫度顯示程序流程圖 數(shù)據(jù) 采集模塊 溫度采集程序 溫度采集 程序 主要完成 對(duì) 溫度數(shù)據(jù)的讀出、 存取、 計(jì)算和 處理等子程序的調(diào)用，程序流程圖如圖 所示。 湖南工業(yè)大學(xué)本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 開 始調(diào) 讀 溫 度 程 序調(diào) 溫 度 處 理 程 序?qū)?際 溫 度 8 0 ℃ ？置 超 高 溫 標(biāo) 志實(shí) 際 溫 度 － 設(shè) 定 溫 度 5 ℃ ?0 ℃ 實(shí) 際 溫 度 － 設(shè) 定 溫 度 5 ℃ ?置 超 溫 標(biāo) 志置 保 溫 標(biāo) 志是 負(fù) 溫 度 ？清 所 有 標(biāo) 志返 回YNYNNYYN調(diào) 加 熱 報(bào) 警 程 序 圖 溫度采集程序流程圖 湖南工業(yè)大學(xué)本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 讀取溫度子程序 讀取溫度子程序 的主要功能是讀出 DS18B20 中 RAM 中的 9 字節(jié)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)保存到暫存器里。程序流程圖如圖 所示。 開 始復(fù) 位 D S 1 8 B 2 0發(fā) 跳 過 R O M 命 令發(fā) 溫 度 轉(zhuǎn) 換 命 令調(diào) 顯 示 程 序約 1 S 鐘 到 ？發(fā) 跳 過 R O M 命 令發(fā) 讀 取 溫 度 命 令溫 度 值 移 入 暫 存 器返 回YN 圖 讀取溫度數(shù)據(jù)程序流程圖 溫度數(shù)據(jù)處理子程序 溫度數(shù)據(jù)處理程序主要完成溫度的字節(jié)合并、正負(fù)判斷和顯示緩存的處理等操作，并把最新數(shù)據(jù)移送到顯示緩存區(qū)。程序流程圖如圖 所示。 湖南工業(yè)大學(xué)本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 開 始合 并 溫 度 高 低 位 為一 個(gè) 字溫 度 值 取 補(bǔ) 碼 置 負(fù)溫 度 標(biāo) 志溫 度 零 下 ？計(jì) 算 溫 度 值 保 留 一位 小 數(shù)溫 度 數(shù) 據(jù) 移 入 顯 示寄 存 器有 負(fù) 溫 標(biāo) 志 ？溫 度 十 位 顯 示“ － ” , 百 位 不 顯 示溫 度 十 位 為 0 ?百 位 顯 示 ”－ ”溫 度 十 位 為 0 ?溫 度 百 位 為 0 ?溫 度 百 位 不 顯 示溫 度 十 位 不 顯 示返 回YNYNNYYNYN 圖 溫度數(shù)據(jù)處理程序流程圖 加熱控制程序 加熱控制程序 根據(jù)用戶設(shè)定的溫 度和系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)，決定是否加熱并點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈。若有超溫標(biāo)志，還應(yīng)打開蜂鳴器報(bào)警。加熱控制程序如圖 所示。 湖南工業(yè)大學(xué)本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 開 始有 超 溫 標(biāo) 志 ?接 通 固 態(tài) 繼 電 器斷 開 固 態(tài) 繼 電 器有 保 溫 標(biāo) 志 ?有 超 溫 標(biāo) 志 ?蜂 鳴 一 聲 保 溫 指 示燈 亮清 超 溫 標(biāo) 志清 保 溫 標(biāo) 志蜂 鳴 報(bào) 警 報(bào) 警 指 示燈 亮返 回YNYNYN 圖 加熱控制程序流程圖 湖南工業(yè)大學(xué)本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 第 4 章 溫度控制系統(tǒng) Proteus 軟件仿真 Proteus 單片機(jī)仿真工具的背景介紹 Proteus 軟件由 Labcenter 公司開發(fā)，是目前世界上最先進(jìn)、最完整的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真平臺(tái) ， 它組合了高級(jí)原理布圖、混合模式 Spice 仿真 以及實(shí)時(shí)狀態(tài)反映 來實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 Proteus 產(chǎn) 品系列也包含了我們革命性的 VSM 技術(shù) ,用戶可以對(duì)基于微控制器的設(shè)計(jì)連同所有的周圍電子器件一起仿真。 可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路及微控制器系統(tǒng)與外設(shè)的混合電路系統(tǒng)的電路仿真、軟件仿真、系統(tǒng)協(xié)同仿真等功能，是目前唯一能夠?qū)Ω鞣N 處理器進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真、 調(diào)試與測(cè)試的 EDA 工具。微控制器系統(tǒng)相關(guān)的仿真需要建立編譯和調(diào)試環(huán)境，可以選擇 Keil 181。Vision3 軟件。該軟件支持眾多不同公司 的芯片，集編輯、編譯和程序仿真等于一體，同時(shí)還支持 PLM、匯編和 C 語言的程序 設(shè)計(jì) 。 它的界面友好易學(xué)，在調(diào)試程序、軟件仿真方面有很強(qiáng)大的功能 [12]。 Proteus 仿真軟件的組成 Proteus 仿真軟件 ISIS 的工作界面是一種標(biāo)準(zhǔn)的 Windows 界面，如圖 所示。包括：標(biāo)題欄、主菜單、標(biāo)準(zhǔn)工具欄、繪圖工具欄、狀態(tài)欄、對(duì)象選擇按鈕、預(yù)覽對(duì)象方位控制按鈕、仿真進(jìn)程控制按鈕、預(yù)覽窗口、對(duì)象選擇器窗口、圖形編輯窗口。 圖 Proteus ISIS 的 設(shè)計(jì)界面 湖南工業(yè)大學(xué)本 科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 Proteus 仿真軟件的特點(diǎn) 1． 實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)仿真和 SPICE 電路仿真相結(jié)合 具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真、RS232 動(dòng)態(tài)仿真、 I2C 調(diào)試器、 SPI 調(diào)試器、鍵盤和 LCD 系統(tǒng)仿真的功能。有各種虛擬儀器，如示波器、邏輯分析儀、信號(hào)發(fā)生器等。 2． 支持主流單片機(jī)系統(tǒng)的仿真 目前支持的單片機(jī)類型有 ： 68000 系列、 8051 系列、 AVR 系列、 PIC12 系列、 PIC16系列、 PIC18 系列、 Z80 系列、 H