【正文】 國商業(yè)聯(lián)合會前不久的統(tǒng)計，電熱水器的市場份額在銷售數(shù)量和銷售收入兩 個方面都已經(jīng)超過了長期以來占優(yōu)勢的燃?xì)鉄崴鳌? 目前市場上的電熱水器又連續(xù)水流式和貯水式，前者雖具有加熱速度快和體積小的優(yōu)點，但需要的功率大，大多數(shù)家庭供電線路難以承受。 基于單片機(jī)的室內(nèi)熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計 2 1 硬件元器件介紹 、 單片機(jī)最小系統(tǒng) 本電路硬件的核心是 ATMEL 生產(chǎn)的 AT89S51 單片機(jī)，它是一種高性能、低功耗的 8 位單片機(jī)，片內(nèi)帶有一個 4K 字節(jié)的 FLASH 可編程可擦除的存儲器，它采用 CMOS 工藝和 ATMEL 公司的高密度非易失性存儲技術(shù)，其引腳和指令系統(tǒng)與 MSC51單片機(jī)兼容。 ? AT89S51 的 主要性能參數(shù) ? 與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 ? 4KB 在線系統(tǒng)編程（ ISP） FLASH 閃速存儲器 ? 1000 次擦寫周期 ? — 的工作電壓范圍 ? 全靜態(tài)工作模式： 0Hz~33Hz ? 3 級程序加密鎖 ? 128 8 字節(jié) 內(nèi)部 RAM ? 32 個可編程 I/O 口線 ? 2 個 16 位定時 /計數(shù)器 ? 6 個中斷源 ? 全雙工串行 UART 通道 ? 低功耗空閑和掉電模式 ? 中斷可從空閑模式喚醒系統(tǒng) ? 看門狗（ WDT）及雙數(shù)據(jù)指針 ? 掉電標(biāo)識和快速編程特性 ? 靈活的在線系統(tǒng)編程（ ISP 字節(jié)或頁寫模式） AT89S51 引腳 圖： 基于單片機(jī)的室內(nèi)熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計 3 、 引腳功能說明 Vcc： 電源電壓 GND： 地 P0 口 ： P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/0 口 ， 也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口 。 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時 ， 這組口線分時轉(zhuǎn)換地址 (低 8 位 )和數(shù)據(jù)總線復(fù)用 ， 在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻 。 P1 口 ： P1 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口 ， P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動 (吸收或輸出電流 )4 個 TTL 邏輯門 電路 ， 對端口寫 “ 1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平 ， 此時可作輸入 口 。 Flash 編程和程序校驗期間 ， P1 接收低 8 位地址 。 對端口寫“ 1”， 通過內(nèi)部的上拉電阻 把端口拉到高電平 ， 此時可作輸入口 ， 作輸入口使用時 ， 因為內(nèi)部存在上拉電阻 ， 某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流 。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器 （ 如執(zhí)行 MOVX Ri 指令 ） 時 ，P2 口線上的內(nèi)容 （ 也即特殊功能寄存器 （ SFR） 區(qū)中 P2 寄存器的內(nèi)容 ）， 在整個訪問期間不改變 。 P3 口 ： P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/0 口 。 對 P3口寫入 “ 1 ” 時 ， 它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口 。 P3 口除了作為一般的 I / 0 口線外 ， 更重要的用途是它的第二功能 ， 如下表所示 ： 在 P3 口還接收一些用于 Flash閃速存儲器編程和程序校驗控制信號 。 當(dāng)振蕩器工作時 ， RST 引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以 上高電平將使單片機(jī)復(fù)位 。 DISRT0 圖 、 P3 口第二功能圖 基于單片機(jī)的室內(nèi)熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計 5 位缺省為 RESET 輸出高電平打開狀態(tài) 。 即使不訪問外部存儲器 ， ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的正脈沖信號 ， 因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的 。 當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器 ,沒有兩次有效的 PSEN 信號 。 欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器 （ 地址為 0000HFFFFH）， EA 端必須保持低電平 （ 接地 ）。 XTAL2： 振蕩器反相放大器的輸出端 。 同時 ， AT89S51 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作 ， 并支持 兩種軟件可選的節(jié)電工作模式 。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容 ， 但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位 。 看門狗定時器 （ WDT）： WDT 是為了解決 CPU 程序運行時可能進(jìn)入混亂或死循環(huán)而設(shè)置 ， 它由一個 14bit 計數(shù)器和看門狗復(fù)位 SFR（ WDTRST） 構(gòu)成 。 掉電模式 ： 在掉電模式下 ， 振蕩器停止工作 ， 進(jìn)入掉電模式的指令是最后一條被執(zhí)行的指令 ， 片內(nèi) RAM 和特殊功能寄存器的內(nèi)容在終止掉電模式前被凍結(jié) 。 復(fù)位后將 重新定義全部特殊功能寄存器但不改變 RAM 中的內(nèi)容 ， 在 Vcc 恢復(fù)到正常工作電平前 ， 復(fù)位應(yīng)無效 ，且必須保持一定時間以使振蕩器重啟動并穩(wěn)定工作 。 DS18B20 數(shù)字溫度計提供 9 位溫度讀數(shù)，指示器件的溫度信息經(jīng)過單線接口送入 DS1820 或從 DS1820 送出 ， 因此從中央處理器到 DS1820 僅需連接一條線 和地。 、 DS18B20 介紹 可編程溫度傳感器 DS18B20 的特性： 獨特的單線接口方式， DS1820 在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與 DS1820 的雙向通訊。 ? DS1820 在使用中 可用數(shù)據(jù)線供電， 不需要任何外圍元件。 ? 測量結(jié)果以 9 位數(shù)字量方式串行傳送。 ? 在 1 秒（典型值）內(nèi)把溫度變換為數(shù)字。 、 功能 原理 解說 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成： 64 位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。 配置寄存器中 R1， R0 決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)： R1R0＝ ‘ 00?,9位精度，最大轉(zhuǎn)換時間為 ms； R1R0 = ?01?,10 位精度，最大轉(zhuǎn)換時間為 ms； R1R0 = ?10?,11 位精度，最大轉(zhuǎn)換時間為 375 ms；R1R0 =?11?,12 位精度，最大轉(zhuǎn)換時間為 750 ms；未編程時默認(rèn)為 12位精度。作為另一種可供選擇的方法， DS1820 也可用外部 5V 電源供電 。在單線接口情況下，在ROM 操作未定建立之前不能使用存貯器和控制操作。 一個控制操作命令指示 DS18B20 完成溫度測量。每一溫度告警觸發(fā)器 TH 和 TL 構(gòu)成一個字節(jié)的 EEPROM。使用存儲器操作命令可以寫 TH 和 TL 。所有數(shù)據(jù)均以最低有效位在前的方式被讀寫。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器 2 的脈沖輸入。計數(shù)器 1 對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器 1 的預(yù)置值減到 0 時，溫度寄存器的值將加 1 ，計數(shù)器 1 的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器 1 重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器 2 計數(shù)到 0 時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。 基于單片機(jī)的室內(nèi)熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計 9 在正常測 溫情況下， DS18B20 的測溫分辯率為 ℃ 以 9 位數(shù)據(jù)格式表示，其中最低有效位（ LSB）由比較器進(jìn)行 ℃ 比較，當(dāng)計數(shù)器 1 中的余值轉(zhuǎn)化成溫度后低于 ℃ 時，清除溫度寄存器的最低位（ LSB），當(dāng)計數(shù)器 1 中的余值轉(zhuǎn)化成溫度后高于 ℃ ，置位溫度寄存器的最低位（ LSB） 。實測溫度與數(shù)字輸出的對應(yīng) 關(guān)系如下圖 ： 圖 、數(shù)字溫度傳感器輸出溫度 /數(shù)據(jù)關(guān)系 圖 、溫度測量原理 基于單片機(jī)的室內(nèi)熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計 10 在 DS18B20 完成溫度變換之后，溫度值與存在 TH 和 TL內(nèi)的告警觸發(fā)值相比較。 TH 或 TL 的最高位直接對應(yīng)于 16 位溫度寄存器的符號位。只要告警標(biāo)志置位， DS18B20 就將響應(yīng)告警搜索命令，這也就允許單線上多個 DS18B20 同時進(jìn)行溫度測量，即使某處溫度越限，也可以識別正在告警的器件。 LED數(shù)碼管有共陰極和共陽極之分，這里采用的是共陰極接法。這里用 軟件查表， 把機(jī)器運行的二 十進(jìn)制 BCD 碼 轉(zhuǎn)化成 十進(jìn)制的代碼，并通過顯示器顯示出來。 圖 、 LED 原理圖及段碼值 基于單片機(jī)的室內(nèi)熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計 11 、 LED 數(shù)碼顯示器的接口 在本設(shè)計中采用了以軟件為主的 接 口方法。在電路里，驅(qū)動器是必不可少的，因為僅靠接口是提供不了較大的電流供 LED 顯示器使用。 、 可編程 RAM I/O 接口 8155 芯片 介紹 8155 是 Intel 公司生產(chǎn)的可編程多功能接口芯片。 8155 可以直接跟 51 系列單片機(jī)連接，不需要鄭家硬件電路，使單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的最常用的一種接口芯片。 A 口、 B 口既可以作為基本 I/O 口，也可以作為宣統(tǒng) I/O 口； C 口除了可以作為基本 I/O 口外，還可以用作 A 口、 B 口的應(yīng)答控制 聯(lián)絡(luò)信號 。 8155 的引腳介紹： RST：復(fù)位信號輸入端，高電平有效。 AD0～ AD7：三態(tài)的地址 /數(shù)據(jù)總線。單片 機(jī)與 8155 之間的地址、數(shù)據(jù)、命令與狀態(tài)信息都是通過這個總線口傳送的。 WR ：寫選通信號，控制對 8155 的寫操作，低電平有效。 IO/ M ： 8155 的 RAM 存儲器或 I/O 口選擇線。 ALE：地址鎖存信號。因此， P0 口輸出的低 8 位地址信號不需外接鎖存器。 PB0～ PB7： 8 位通用 I/O 口，功能同 A 口。 TIMER IN：定時 /計數(shù)器脈沖輸入端。 VCC：＋ 5V 電源。當(dāng) CE ＝基于單片機(jī)的室內(nèi)熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計 13 0， IO/ M ＝ 0 時，選中 8155 片內(nèi) RAM，這時 8155 只能作片外 RAM使用，其 RAM 的低 8 位編址為 00H～ FFH；當(dāng) CE ＝ 0， IO/ M ＝ 1 時，選中 8155 的 I/O 口，其端口地址的低 8 位由 AD7～ AD0 確定，如表 1所示。 表 1 8155 芯片的 I/O 口地址 AD7～ AD0 選擇 I/O 口 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 命令 /狀態(tài)寄存器 A 口 B 口 C 口 定時器低 8 位 定時器高 6 位及方式 8155 的 I/O 工作方式選擇是通過對 8155 內(nèi)部命令寄存器設(shè)定控制字實現(xiàn)的。 在 ALT1～ ALT4 的不同方式下， A 口、 B 口及 C 口的各位工作方式如下： ALT1： A 口， B 口為基本輸入 /輸出， C 口為輸入方式。 ALT3： A 口為選通輸入 /輸出， B 口為基本輸入 /輸出。 ALT4： A 口、 B 口為選通輸入 /輸出。 基于單片機(jī)的室內(nèi)熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計 14 、 LED 顯示方法 通常 LED 顯示器的顯示方法有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示方法。為了實現(xiàn) LED 顯示器的動態(tài)掃描顯示 ，除了要給顯示器提供顯示段碼之外，還要對顯示器進(jìn)行位的控制，即通常 所說的“段控”和“位控”。 圖 、 8155 命令字格式圖 圖 、 LED 掃描原理圖 基于單片機(jī)的室內(nèi)熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計 15 在進(jìn)行動態(tài)掃描時，一般不知道要顯示什么內(nèi)容，這樣也就無從選擇被顯示字符的顯示段碼。 、 加熱控制 器 MOC3041 該部分采用了 Motorola 公司推出的單片集成可控硅驅(qū)動器件MOC3041，作為對加熱器的驅(qū)動和控制。 、 MOC3041 引腳 圖及 說明 圖 、 MOC3041 引腳圖 圖 、加熱原理圖 基于單片機(jī)的室內(nèi)熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計 16 1：此腳為陽極，輸入 Vcc 2：此腳為陰極 3： NC 4：主終端 5： 子端口，此腳不接 6：主終端 、 鍵盤 控制 電路 用 AT89S51 的并行口 P1 接 44 矩陣鍵盤，以 － 作輸入線，以 － 作輸出線；在數(shù)碼管上顯示每個按鍵的 “0～ 9”序號以及兩個功能鍵“ *”（設(shè)溫鍵）、“ ”（定時鍵）。用戶通過鍵盤可以向CPU 輸入數(shù)據(jù)、地址和命令。這里采用的是 線反轉(zhuǎn)法 。 首先將行線作為輸出線，列線作為輸入線。如列線某一鍵被按下，則該列線值為 0。那么閉合鍵所在的行線 上的值必定為 0。將行值和列值合并起來就得到一個特征值 ，用此特征值對應(yīng)查表就可以得到我們設(shè)定的按鍵值。 消除鍵的抖動 可采用軟件方法來消除鍵抖動 問題。一般情況下，延遲消抖 的時間約為 10～ 20ms。不需浮球，無需干簧管，外部無機(jī)械動作，壽命長，性能穩(wěn)定，一經(jīng)安裝無需調(diào)試、維護(hù)，即使外表積有污垢，它也表現(xiàn)出色。 電 子式水位開關(guān)特點如下： 特性：耐污、耐傾