【正文】 常用的是四位數(shù)碼管，內(nèi)部的 4 個(gè)數(shù)碼管共用 a~dp 這 8 根數(shù)據(jù)線，為人們的使用提供了方便，因?yàn)槔锩嬗?4 個(gè)數(shù)碼管，所以它有 4 個(gè)公共端，加上 a~dp，共有 12 個(gè)引腳，下面便是一個(gè)共陰的四位數(shù)碼管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖（共陽的與之相反）。北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 圖 共陽數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 共陰數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)于單個(gè)數(shù)碼管來說，從它的正面看進(jìn)去，左下角那個(gè)腳為 1 腳，以逆時(shí)針方向依次為 1`10 腳，左上角那個(gè)腳便是 10 腳了，上面兩個(gè)圖中的數(shù)字分別與這 10 個(gè)管腳一一對(duì)應(yīng)。這類數(shù)碼管可以分為共陽極與共陰極兩種，共陽極就是把所有 LED 的陽極連接到共同接點(diǎn) ，而每個(gè) LED 的陰極分別為 a、b、c、d、e、f、g 及 dp（小數(shù)點(diǎn)） ；共陰極則是把所有 LED 的陰極連接到共同接點(diǎn) ，而每個(gè) LED 的陽極分別為a、b、c、d、e、f、g 及 dp（小數(shù)點(diǎn)） ，如下圖所示。圖 水位報(bào)警電路 當(dāng)水位比較低的時(shí)候，紅燈亮，水位在中間的時(shí)候，紅燈和黃燈亮，當(dāng)水位慢的時(shí)候三個(gè)燈都亮，出故障的時(shí)候三個(gè)燈閃。有源蜂鳴器直接接上額定電源就可以連續(xù)發(fā)聲，而無源蜂鳴器則和電磁揚(yáng)聲器一樣，需要接在音頻輸出電路中才能發(fā)聲。這里說的“源”不是指電源，而是指振蕩源。無源蜂鳴器工作的理想信號(hào)方波。但是在某些有源蜂鳴器在特定的交流信號(hào)下也可以工作，只是對(duì)交流信號(hào)的電壓和頻率要求很高，此種工作方式一般不采用。有源蜂鳴器和無源蜂鳴器的差別主要差別為：有源蜂鳴器和無源蜂鳴器的根本區(qū)別是產(chǎn)品對(duì)輸入信號(hào)的要求不一樣；有源蜂鳴器工作的理想信號(hào)是直流電，通常標(biāo)示為VDC、 VDD 等。而利用 I/O 定時(shí)翻轉(zhuǎn)電平來產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)波形的方式會(huì)比較麻煩一點(diǎn)，必須利用定時(shí)器來做定時(shí)，通過定時(shí)翻轉(zhuǎn)電平產(chǎn)生符合蜂鳴器要求的頻率的波形，這個(gè)波形就可以用來驅(qū)動(dòng)蜂鳴器了。PWM 輸出口直接驅(qū)動(dòng)是利用 PWM 輸出口本身可以輸出一定的方波來直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。這里只對(duì)必須用 1/2duty 的方波信號(hào)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的他激蜂鳴器進(jìn)行說明。振動(dòng)膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動(dòng)發(fā)聲。（2）電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動(dòng)膜片及外殼等組成。壓電蜂鳴器片由鋯鈦酸鉛或鈮鎂酸鉛壓電陶瓷材料制成。多諧振蕩由晶體管或集成電路構(gòu)成。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。北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 圖 按鍵電路 報(bào)警溫度用按鍵 S2，S3，S4 來設(shè)置，S2 為調(diào)整鍵，按一次可調(diào)整報(bào)警上限溫度值，按兩次可調(diào)整報(bào)警下限溫度值，按三次數(shù)碼管恢復(fù)到正常溫度顯示。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(duì)行線電平的高低狀態(tài)的檢測(cè)，便可以確認(rèn)按鍵按下與否。按鍵使用上拉電阻方式接入單片機(jī)。按鍵電路本畢業(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(huì)影響其它 I/O 口線的狀態(tài)。 復(fù)位電路雖然簡(jiǎn)單，但其作用非常重要。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(jī)、A/D、D/A 轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計(jì)合適的接口電路。 振蕩器的反相放大器輸出。在對(duì) Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，這條引腳接收 12V 編程電壓 Vpp。但是，如果鎖定位 1 被編程，則 EA在復(fù)位時(shí)被鎖存。當(dāng) 80C51 在執(zhí)行來自外部存儲(chǔ)器的指令時(shí)，每一個(gè)機(jī)器周期 PSEN 被激活 2 次。 程序存儲(chǔ)器允許信號(hào)。在需要時(shí)，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(shí) ALE 才被激活。一般情況下，ALE 是振蕩器頻率的 6 分頻信號(hào)，可用于外部定時(shí)或時(shí)鐘。在存取外部存儲(chǔ)器時(shí)，這個(gè)輸出信號(hào)用于鎖存低字節(jié)地址。DISRTO 位的默認(rèn)狀態(tài)，是復(fù)位高電平輸出功能使能?？撮T狗定時(shí)器（Watchdog）溢出后，該引腳會(huì)保持 98 個(gè)振蕩周期的高電平。表 P3 端口引腳與復(fù)用功能表端口引腳 復(fù)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(shí)器 0 的外部輸入）北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 T1（定時(shí)器 1 的外部輸入） WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）表 （續(xù)） 復(fù)位輸入端。在 80C51 中，同樣 P3 口還用于一些復(fù)用功能，如表 所列。對(duì)端口寫“1”時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時(shí)可用作輸入口。在對(duì) Flash 編程和程序校驗(yàn)期間，P2 口也接收高位地址或一些控制信號(hào)。P2 口作輸入口使用時(shí)，因?yàn)橛袃?nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。張勝： 基于單片機(jī)的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 表 P1 口管腳復(fù)用功能端口引腳 復(fù)用功能 T2（定時(shí)器/計(jì)算器 2 的外部輸入端） T2EX（定時(shí)器/計(jì)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(dòng)（吸收或輸出電流方式）4 個(gè) TTL 輸入。在對(duì) Flash 編程和程序校驗(yàn)時(shí)，P1 口接收低8 位地址。對(duì)端口寫“1”時(shí)，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，此時(shí)可用作輸入口。在對(duì) Flash 存儲(chǔ)器進(jìn)行編程時(shí)，P0 用于接收代碼字節(jié)；在校驗(yàn)時(shí)，則輸出代碼字節(jié)；此時(shí)需要外加上拉電阻。當(dāng)把“1”寫入 P0 時(shí)，則它的引腳可用作高阻抗輸入。①P0 端口，該口是一個(gè) 8 位漏極開路的雙向 I/O 口。 I/O 口80C51 共有四個(gè) 8 位的并行 I/O 口：P0、PPP3 端口，對(duì)應(yīng)的引腳分別是 ～ ， ～ ， ～ ， ～ ，共 32 根 I/O 線。 靈活的 isp 字節(jié)和分頁編程 看門狗（wdt）電路 中斷喚醒省電模式 北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 2 個(gè)外部中斷源 全雙工 uart 串行中斷口線 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器 32 個(gè)雙向 i/o 口 兼容 mcs51 指令系統(tǒng) 同時(shí)該芯片還具有 pdip、tqfp 和 plcc 等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。圖 80C51 結(jié)構(gòu)框圖張勝： 基于單片機(jī)的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 圖 80C51 此外，80C51 設(shè)計(jì)和配置了震蕩頻率可為 12MHZ 并可通過軟件設(shè)置省電模式。它的應(yīng)用范圍廣，可用于解決復(fù)雜的控制問題，且成本較低。片內(nèi)程序存儲(chǔ)器允許重復(fù)在線編程，允許程序存儲(chǔ)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(chǔ)器改寫。80C51 單片機(jī)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。（3） 由于單片機(jī)只訪問片內(nèi) Flash ROM 并執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令，因單片機(jī)復(fù)位電路按鍵電路報(bào)警電路時(shí)鐘振蕩加水裝置溫度傳感器水位傳感器LED 顯示蜂鳴器報(bào)警北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 此單片機(jī)的 31 腳接高電平 VCC。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：張勝： 基于單片機(jī)的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 圖 總體設(shè)計(jì)方框圖單片機(jī)最小系統(tǒng)圖 單片機(jī)最小系統(tǒng)（1） 單片機(jī) 9 腳接復(fù)位電路，可按復(fù)位按鈕 S1 給單片機(jī)復(fù)位。高溫報(bào)警：當(dāng)溫度高于設(shè)定溫度時(shí)，蜂鳴報(bào)警系統(tǒng)開啟。（4）具有低水位上水，手動(dòng)上水等功能。（2）水溫顯示，測(cè)溫范圍 099 攝氏度；精度正負(fù) 2 攝氏度。 （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(dòng)切斷加熱元件的供電。缺水報(bào)警：當(dāng)儲(chǔ)水箱內(nèi)缺水時(shí)，自動(dòng)報(bào)警。高溫報(bào)警：當(dāng)檢測(cè)溫度高于 65℃時(shí)，自動(dòng)報(bào)警。報(bào)警指示燈（紅）：當(dāng)缺水情況時(shí)，該指示燈被點(diǎn)亮。電源指示燈（紅）：接通 220V 電源，該指示燈點(diǎn)亮。溫度－鍵：每按一次該鍵，預(yù)設(shè)溫度減 1℃，長(zhǎng)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 05℃時(shí)，按該鍵不起作用。如 220V 總電源關(guān)閉后再開機(jī)，預(yù)設(shè)溫度自動(dòng)定為 27℃。 （3）溫度預(yù)設(shè)范圍為 05～60℃，當(dāng)檢測(cè)溫度低于預(yù)設(shè)溫度 1℃時(shí)，開始加熱；檢測(cè)溫度高于預(yù)設(shè)溫度 1℃時(shí)，停止加熱。 （2）水溫檢測(cè)顯示范圍為00～99℃，精度為177。為了配合顯示器件，就需設(shè)置按鍵，根據(jù)系統(tǒng)的功能要求和單片機(jī)的口線資源，為系統(tǒng)配制了 3 個(gè)獨(dú)立式鍵盤，用來調(diào)節(jié)溫度報(bào)警值。水位控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案討論此系統(tǒng)要進(jìn)行水溫水位控制，馬上想到的是水溫水位的兩個(gè)參數(shù)的控制，在溫度傳感器采用 DS18B20 之后，對(duì)于水位的控制不假思索的想到要運(yùn)用水位傳感器，經(jīng)過幾天的資料搜集，發(fā)現(xiàn)水位的傳感器是通過壓力傳感器變換過來的，看到最多的是浮球式液位傳感器，而且此傳感器的適用溫度范圍和測(cè)試精度也適合該設(shè)計(jì)系統(tǒng)，但此方案的缺點(diǎn)是價(jià)格非常昂貴；后來又考慮采用應(yīng)用于電子秤中的數(shù)字壓力傳感器，去測(cè)得整個(gè)容器中水的變化和容器中液位的換算關(guān)系，此想法基于電子秤能夠測(cè)得一張紙的重量，但是在實(shí)際應(yīng)用中，考慮到容器的氧化，容器內(nèi)部的水垢增多，而且容器的外置也會(huì)產(chǎn)生整個(gè)容器重量的變化，從而造成液位采集的不準(zhǔn)確，此壓力傳感器的市場(chǎng)價(jià)格也比較昂貴，應(yīng)用于此控制模型中也是一種浪費(fèi)；因此我自制了 3 根線將容器中的液位分成了 3個(gè)水位擋，通過和電源正極的結(jié)合，利用水導(dǎo)電的特性，通過 9012 三極管等元件構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路的電平轉(zhuǎn)換，將液位數(shù)據(jù)輸入 P2 口，通過單片機(jī)換算轉(zhuǎn)換成液位數(shù)據(jù)存入一個(gè)存儲(chǔ)器單元，隨時(shí)讀取。綜上所述，我選擇 80C51 芯片作為本次設(shè)計(jì)的主控芯片，主要因?yàn)檫@個(gè)芯片的存儲(chǔ)空間比較大，可以運(yùn)用很多場(chǎng)所，與本設(shè)計(jì)也相符。方案二：采用 AT89C51 芯片，它具有 AT89C2051 芯片的所有功能，且 IO 口數(shù)相對(duì)較多，價(jià)錢相對(duì)也比較便宜，但存儲(chǔ)空間不是非常大。含有中斷、定時(shí)/計(jì)數(shù)器。再考慮到成本控制和軟硬件實(shí)現(xiàn)難度，采用方案三的控制系統(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(dòng)斷電，可以滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枰岣吡巳藗兩畹馁|(zhì)量。相比 PIC 和 PLC，單片機(jī)技術(shù)新、先進(jìn)、體積小、精度高、功能擴(kuò)展極其方便，且衡量之下它的成本較之其它方案要低些。通過以上三種設(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。在電機(jī)電路設(shè)計(jì)方面，采用的三極管的導(dǎo)通截止來控制點(diǎn)擊的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，雖然設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，但是過多的使用三極管以及二極管類的元器件，也會(huì)使成本升高。但是在過程中只能檢測(cè)三點(diǎn)，雖然可以擴(kuò)展，但是占了太多的 I/O 口，容易造成資源的浪費(fèi)。所以不采用這種方法。在模擬量輸入、輸出同時(shí)存在時(shí)，所需內(nèi)存總數(shù)=模擬量路數(shù)*250；同時(shí)，應(yīng)考慮 PLC 提供的內(nèi)部繼電器和寄存器的數(shù)量，以便節(jié)省資源。一種方法是根據(jù)編程實(shí)際使用的節(jié)點(diǎn)數(shù)計(jì)算，即編完程序之后，根據(jù)節(jié)點(diǎn)數(shù)計(jì)算出實(shí)際使用容量。 方案二:根據(jù)控制系統(tǒng)要求，首先確定 PLC 的控制模塊，估算出所需要的 I/O 點(diǎn)數(shù)（數(shù)字輸入/輸出量、模擬輸入/輸出量） ，再增加 10%~20%的備用量，以便隨時(shí)增加控制功能，保證系統(tǒng)投入運(yùn)行后能夠替換個(gè)別故障點(diǎn)或彌補(bǔ)遺漏的點(diǎn)數(shù)，統(tǒng)計(jì)出 I/O 總點(diǎn)數(shù)后饑渴確定 PLC 的控制規(guī)模，從而確定存儲(chǔ)器（用于存儲(chǔ)用戶程序和數(shù)據(jù)）的容量，存儲(chǔ)器容量除了根據(jù) PLC 的控制規(guī)模確定。 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)的張勝： 基于單片機(jī)的電熱水器水溫水位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 地方：中斷的現(xiàn)場(chǎng)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。 報(bào)警系統(tǒng)該系統(tǒng)利用蜂鳴器報(bào)警，系統(tǒng)故障報(bào)警和水溫水位信息報(bào)警，以便及時(shí)掌握水溫水位控制系統(tǒng)的工作狀況，系統(tǒng)自己不能處理的就可以人工輔助處理，這樣能讓系統(tǒng)更好的運(yùn)行在穩(wěn)定狀況下。 當(dāng) h=c 時(shí)，傳感器電阻阻值 R 為 0，對(duì)應(yīng)，系統(tǒng)處于 100%水位。 當(dāng) ahb 時(shí)，傳感器電阻阻值 R 為 2R，對(duì)應(yīng)，系統(tǒng)處于 30%水位。本控制裝置就是利用水的導(dǎo)電性來完成的。本系統(tǒng)需顯示水位，水位分低、中、高三檔，均用發(fā)光二極管來指示。北京交通大學(xué)海濱學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 本控制系統(tǒng)可以時(shí)時(shí)采集熱水器內(nèi)部水溫通過 LED 顯示水溫，由于太陽能熱水器實(shí)際溫度不會(huì)超過 100 攝制度，所以本系統(tǒng)采用兩位顯示，測(cè)量范圍為 00~99 攝氏度，溫度可以精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位。此系統(tǒng)是為多子系統(tǒng)的綜合性控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)過程中也是分塊實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)調(diào)試，最后進(jìn)行綜合實(shí)現(xiàn)，以下就從各子系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行分別進(jìn)行說明。當(dāng)水位從高到低，出現(xiàn)缺水狀態(tài)時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，缺水指示燈亮，繼電器開始工作，熱水器容器上水，水位上升超過“低”水位后，缺水指