畢業(yè)論文基于單片機(jī)的電熱式熱器控制系統(tǒng)

1、 編號(hào) 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢畢業(yè)業(yè)論論文文 題 目 基于單片機(jī)的電熱式熱器 控制系統(tǒng) 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 院 系電氣工程系 專 業(yè)機(jī)電一體化 班 級(jí)429111 指導(dǎo)教師 顧問(wèn)老師 二一三年十月 摘 要 近十余年來(lái)，單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展極為迅速，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活的各個(gè) 領(lǐng)域。尤其是熱水器的發(fā)展，單片機(jī)熱水器的出現(xiàn)人們使用熱水更加方便。 單片機(jī)電熱水器控制器主要由水溫水位檢測(cè)電路、鍵盤(pán)、顯示電路、單片 機(jī)、漏電檢測(cè)及報(bào)警電路等構(gòu)成。它基于熱水器內(nèi)的水溫、水位變化而把水加 到指定位置并加熱到指定溫度，從而實(shí)現(xiàn)方便用戶洗浴的目的。溫度傳感器將 采集到的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，通

2、過(guò)單片機(jī)控制整個(gè)電路工作，利用 a/d 轉(zhuǎn)換器，基于水溫水位的變化對(duì)采樣到的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行 a/d 轉(zhuǎn)換，通過(guò)單片機(jī) 系統(tǒng)處理后把實(shí)時(shí)水溫水位顯示出來(lái)，利用模糊控制理論實(shí)現(xiàn)熱水器內(nèi)的恒溫 加熱。鍵盤(pán)可以輸入指定水溫值（2080）并實(shí)時(shí)顯示，還可通過(guò)設(shè)置完成預(yù) 約加熱功能。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：at89c52 單片機(jī)；溫度測(cè)量；led 顯示；a/d 轉(zhuǎn)換電路 abstract more than 10 years, single-chip technology developed very rapidly, widely used in all areas of production and life.

3、 especially in the development of the water heater, monolithic appearance of a water heater using hot water more convenient. single-chip electrical water heater controller primarily by water level detection circuit, keyboard, display circuits, microcontrollers, leakage detection and alarm circuit co

4、mposition. it is based on the water heater temperature, water level and add water to a specified location and heated to a specific temperature, thus achieving user- friendly bathing purposes. temperature sensor temperature signal into a voltage signal to be collected, controlled by single-chip circu

5、it as a whole, using the a/d converter, based on water temperature change in the water level of the sampling of the signal a/d conversion data, via the microcontroller system water level display realtime temperature after processing, using fuzzy control theory to achieve constant heating of the wate

6、r heater. keyboard to enter temperature value (2080) and displayed in real time, can be done by setting the appointment heating function. keywords: at89c52 single chip computer; temperature measurement; the led display; a/d circuit 目錄目錄 摘摘 要要. abstractabstract 第一章第一章 緒論緒論.1 1.1 單片機(jī)熱水器的優(yōu)勢(shì) .1 1.2 熱水器的

7、發(fā)展前景.1 第二章第二章 單片機(jī)的組成應(yīng)用及傳感器的選用單片機(jī)的組成應(yīng)用及傳感器的選用.2 2 2.1 單片機(jī)的組成應(yīng)用 .2 2.2 傳感器的選用.2 第三章第三章 電熱水器控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案電熱水器控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案33 3.1 電熱水器控制系統(tǒng)功能說(shuō)明.3 3.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案.3 第四章第四章 硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì) 5 5 4.1 微控制器模塊.5 4.2 溫度測(cè)量.6 4.2.1 pt1000 鉑電阻溫度傳感器 .7 4.2.2 溫度信號(hào)放大電路.7 4.2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路.8 4.3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘.10 4.4 溫度、時(shí)鐘顯示電路.10 4.5 看門(mén)狗復(fù)位電路 .13 第五章第

8、五章 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) 15 5.1 整體軟件設(shè)計(jì).15 5.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計(jì).15 第六章第六章 總結(jié)與展望總結(jié)與展望1818 6.1 總結(jié) .18 6.2 展望.18 致謝致謝1919 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).20 第一章第一章 緒論緒論 1.1 單片機(jī)熱水器的優(yōu)勢(shì)單片機(jī)熱水器的優(yōu)勢(shì) 隨著科技時(shí)代的來(lái)臨，單片機(jī)為核心的產(chǎn)品在市場(chǎng)中占據(jù)了越來(lái)越多的份 額。以單片機(jī)為控制器的產(chǎn)品使用方便，價(jià)格低廉，越來(lái)越受到人們的喜愛(ài)。 總所周知，燃?xì)鉄崴饕蚱浒踩[患及越來(lái)越高的使用成本正逐漸淡出熱水器 市場(chǎng)；而太陽(yáng)能熱水器也因其嚴(yán)格受天氣，氣候及安裝條件影響而很難占有很 多市場(chǎng)份額；而儲(chǔ)水式電熱水器因其體積

9、大，預(yù)熱時(shí)間長(zhǎng)，熱水出水量有限， 已不適合現(xiàn)代生活節(jié)奏?？鞜犭姛崴鞯恼Q生代表著熱水器的行業(yè)的發(fā)展方向。 1.2 熱水器的發(fā)展前景熱水器的發(fā)展前景 目前熱水器已成為日常生活中不可缺少的家用電器，設(shè)計(jì)制造更實(shí)用方便 和安全節(jié)能的熱水器是產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和生產(chǎn)廠商不斷追求的目標(biāo)。電熱水器是一 種可以供洗手間，廚房，浴室使用的家用電器。擁有無(wú)污染，安全和使用方便 等優(yōu)點(diǎn)。隨著人民生活水平的不斷提高和我國(guó)電力工業(yè)的不斷發(fā)展，電熱水器 得到不斷普及。電熱式電熱水器是將直接浸在水中的電熱元件或?qū)⒐軆?nèi)通水， 管外通電的新型電熱元件快速加熱，使流經(jīng)電熱元件的冷水瞬間加熱至適當(dāng)溫 度，以供人們沐浴或廚用，稱之為電熱式

10、電熱水器。由于冷水瞬間加熱所需功 率較大，安全性能要求高，故本電熱水器電路的設(shè)計(jì)需考慮漏電保護(hù)，超溫控 制，停水?dāng)嚯姷扔嘘P(guān)人身安全和設(shè)備保護(hù)方面的諸多因素。 第二章第二章 單片機(jī)的組成應(yīng)用及傳感器的選用單片機(jī)的組成應(yīng)用及傳感器的選用 2.1 單片機(jī)的組成應(yīng)用單片機(jī)的組成應(yīng)用 單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)。它是將處理器 cpu、程序貯存器（rom）、數(shù) 據(jù)貯存器（ram）、輸入/輸出（i/o）接口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口、系統(tǒng)總線 等集成在一個(gè)超大規(guī)模集成電路芯片上。 單片機(jī)以其體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便 等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實(shí)現(xiàn)諸如電壓、功

11、 率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長(zhǎng)度、硬度、元素、壓力 等物理量的測(cè)量。 2.2 傳感器的選用傳感器的選用 本設(shè)計(jì)就是采用單片機(jī)和傳感器對(duì)溫度的控制，傳感器的選用也是有要求 的在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。只有靈敏度高時(shí)， 與被測(cè)量變化對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)的值才比較大，有利于信號(hào)處理。傳感器的靈敏 度高，與被測(cè)量無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會(huì)被放大系統(tǒng)放大，影響測(cè)量 精度。精度是傳感器的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精 度的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價(jià)格越昂貴，因此，傳感器的精度 只要滿足整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過(guò)高。這樣就可

12、以在滿足 同一測(cè)量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡(jiǎn)單的傳感器。 第三章第三章 電熱水器控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案電熱水器控制系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案 3.1 電熱水器控制系統(tǒng)功能說(shuō)明電熱水器控制系統(tǒng)功能說(shuō)明 本課題采用單片機(jī)為主控芯片設(shè)計(jì)電熱水器控制系統(tǒng)，其主要任務(wù)是對(duì)電 熱水器進(jìn)行溫度采集與顯示、時(shí)鐘的顯示、熱水器的開(kāi)機(jī)方式的控制等。主要 功能如下： （1）測(cè)量熱水器內(nèi)的溫度，并通過(guò)顯示器實(shí)時(shí)顯示水溫，顯示范圍為 0 70 （2）正常狀態(tài)下實(shí)時(shí)顯示時(shí)鐘 （3）可以立即開(kāi)機(jī)或在 24 小時(shí)內(nèi)任意設(shè)定開(kāi)機(jī)時(shí)間 3.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案 電熱水器控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案主要包括硬件設(shè)計(jì)方案和軟件

13、設(shè)計(jì)方案。 硬件是指以 at89c52 作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，再外接溫度信號(hào)采集電路、實(shí) 時(shí)時(shí)鐘電路、熱水器加熱控制開(kāi)關(guān)、led 顯示電路、鍵盤(pán)、復(fù)位與看門(mén)狗電路 組成。根據(jù)本設(shè)計(jì)所需要的電熱水器功能的需求，在節(jié)約開(kāi)發(fā)成本、增加系統(tǒng) 安全及可靠性、減小體積等原則下進(jìn)行電熱水器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。其系統(tǒng) 硬件框圖如圖 3-1 所示系統(tǒng)硬件框圖。 圖 3-1 系統(tǒng)硬件框圖 微控制器 模塊 at89c52 電源晶振電路 a/d 轉(zhuǎn)換 鍵 盤(pán) 復(fù)位電路 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 信號(hào)放大 電路 水溫采集裝置 設(shè)定功能電路 led 顯示電路 加熱開(kāi)關(guān) 系統(tǒng)主要采用 51 單片機(jī) at89c52 作為整個(gè)控制系統(tǒng)的主控

14、模塊，利用 at89c52 的引腳連接其他的外部電路。對(duì)于溫度的測(cè)量根據(jù)其環(huán)境的特殊性， 溫度信號(hào)的采集主要由 pt1000 鉑電阻溫度傳感器、信號(hào)放大電路和 a/d 轉(zhuǎn)換 電路組成；對(duì)于實(shí)時(shí)時(shí)鐘的實(shí)現(xiàn)則是采用現(xiàn)有的 pcf8563 時(shí)鐘芯片，主要是取 得時(shí)鐘的小時(shí)和分鐘；鍵盤(pán)主要是用來(lái)設(shè)定開(kāi)機(jī)時(shí)間、設(shè)定熱水溫度、定時(shí)加 熱時(shí)間、校準(zhǔn)時(shí)鐘，因此需設(shè)定四個(gè)按鍵；而為了調(diào)高系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)采用 了看門(mén)狗復(fù)位電路；對(duì)于溫度及實(shí)時(shí)時(shí)鐘的顯示選擇以 ch451 作為驅(qū)動(dòng)芯片的 led 顯示電路。 第四章第四章 硬件設(shè)計(jì)硬件設(shè)計(jì) 4.1 微控制器模塊微控制器模塊 根據(jù)圖 4-1 可以看出，本系統(tǒng)主要是使用

15、 at89c52 現(xiàn)有的引腳連接外部的 其它硬件電路，而由于對(duì)實(shí)時(shí)性和微控制器的處理速度要求不高，因此選擇了 具有低電壓、高性能的 at89c52 單片機(jī)。它是一個(gè) cmos 工藝的 8 位單片機(jī)， 片內(nèi)含有 8kb 的掩膜 rom 和 256 個(gè)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（ram）單元，8 位的通 用中央處理器（cpu）和閃速存儲(chǔ)單元，并且與 52 系列的其它產(chǎn)品有很好的引 腳兼容，因此是一種性價(jià)比較高的單片機(jī)。 at89c52 主要性能說(shuō)明如下：32 個(gè) i/o 口線；片內(nèi)有 8kb 閃速存儲(chǔ)器， 256b 內(nèi)部隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 ram；3 個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，用于實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù) 功能；中斷系統(tǒng)為

16、一個(gè) 6 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)；一個(gè)可編程全雙工串行通信口； 片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路，全靜態(tài)工作方式。具有全靜態(tài)工作方式表明它不一定 要求連續(xù)的時(shí)鐘定時(shí)，在等待內(nèi)部事件期間，時(shí)鐘頻率可降至 0hz 的靜態(tài)邏輯 操作。 at89c52 的功能引腳說(shuō)明：p0 口是一組 8 位漏極開(kāi)路型雙向 i/o 口，也即 地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口；p1、p2、p3 是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口， 其輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4 個(gè) ttl 邏輯門(mén)電路，而 p3 口除了 作為一般的 i/o 口線外，更重要的用途是它的第二功能；rst 是復(fù)位輸入； ale/prog 是一個(gè)復(fù)用引腳，ale 是地址鎖

17、存允許，prog 是輸入編程脈沖； psen 是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)；ea/vpp 是外部訪問(wèn)允許；xtal1 是 振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端；xtal1 是振蕩器反相放大器 的輸出端。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖 4-1 所示，d0 為電源指示燈；p0 口連接鍵盤(pán)和 指示燈，四個(gè)指示燈的功能分別為校準(zhǔn)時(shí)鐘、設(shè)定開(kāi)機(jī)時(shí)間、設(shè)定熱水溫度和 設(shè)定定時(shí)加熱時(shí)間，k1k4 分別為公共功能鍵、加鍵、減鍵、開(kāi)關(guān)按鍵； p1.0p1.2 引腳與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 cs5513 相連；p1.5p1.7 引腳與 led 驅(qū)動(dòng)芯片 ch451 相連；p1.3 和 p1.4 控制實(shí)時(shí)時(shí)鐘的讀寫(xiě)；p2.

18、0 通過(guò)光耦控制電磁閥開(kāi)關(guān)， 用于啟動(dòng)和加熱設(shè)備；p2.2p2.7 控制 led 八段數(shù)碼的片選。 c1 20p 11.06m d0 89c52 x1 x2 /ea/vp p2.0 int0 int1 t0 t1 p1.0 p1.1 p1.2 p1.3 p1.4 p1.5 p1.6 p1.7 p0.0 p0.1 p0.2 p0.3 p0.4 p0.5 p0.6 p0.7 rst p2.1 p2.2 p2.3 p2.4 p2.5 p2.6 p2.7 /rd /wr ale/p txd rxd c2 20p r1 3k d1 d3 d2 d4 r4 100 r5 100 r6 100 r7 100

19、 k1 k2 k3 r8 10k r9 10k r10 10k r11 10k k4 v+sclk /cs sdo ain+ ain- v - vref cs5513 c1 10u c2 10u/16v 2.5v c3 0.1u r1 3.6k pcf8563 oscivdd oscoo ou ut t / /i in nt ts sc cl l v vs ss ss sd da a vcc r r2 2 5 5. .1 1k k r r1 1 5 5. .1 1k k 3 32 2. .8 8k k 1 15 5p p ch451 load din dclk vcc dig0 dig1 di

20、g2 dig3 dig4 dig5 dig6 dig7 gnd dout rst seg0 seg1 seg2 seg3 seg4 seg5 seg6 seg7 vcc 光耦 電磁閥開(kāi) 關(guān) r12 10k imp813 rfivcc rst/pfo wdi wdo gnd /mr vcc c2 10u/16 v c1 10u vcc 圖 4-1 系統(tǒng)原理圖 4.2 溫度測(cè)量溫度測(cè)量 溫度測(cè)量是電熱水器控制系統(tǒng)中一個(gè)至關(guān)重要的部分，其測(cè)量過(guò)程是比較 復(fù)雜的。測(cè)量溫度的標(biāo)尺是溫度計(jì)，按照其測(cè)量方式可以分為接觸式和非接觸 式兩種。接觸式測(cè)量?jī)x表比較簡(jiǎn)單、可靠，測(cè)量精度高，但是因?yàn)闇y(cè)溫元件與 被測(cè)介質(zhì)

21、需要進(jìn)行充分的熱交換，需要一定的時(shí)間才能達(dá)到熱平衡，所以存在 測(cè)溫延遲現(xiàn)象，同時(shí)受耐高溫和耐低溫材料的限制，不能應(yīng)用于這些極端的溫 度測(cè)量。非接觸式儀表測(cè)溫儀是通過(guò)熱輻射的原理來(lái)測(cè)量溫度的，測(cè)溫元件不 需要與被測(cè)介質(zhì)接觸，測(cè)溫范圍廣，不受測(cè)溫上限的限制，也不會(huì)破壞被測(cè)物 體的溫度場(chǎng)，反應(yīng)速度一般也比較快，比較適合此控制系統(tǒng)的要求。 在這里溫度測(cè)量主要由 pt1000 鉑電阻溫度傳感器、信號(hào)放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn) 換電路組成。 4.2.1 pt1000 鉑電阻溫度傳感器鉑電阻溫度傳感器 溫度傳感器就是利用各種物理性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電 量的儀器。pt1000 電阻溫度傳感器則是熱電阻式

22、溫度傳感器的一種。 鉑電阻是一種對(duì)溫度比較敏感的器件，它的電阻溫度系數(shù)大而且穩(wěn)定，電 阻值與溫度成一定函數(shù)關(guān)系。并且具有電阻率高、熱容量小、反應(yīng)速度快、材 料的示值復(fù)現(xiàn)性高和耐氧化等特點(diǎn)，因此被用來(lái)作為 0926溫度群內(nèi)的國(guó)際 標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)。但是鉑電阻的特性曲線是非線性的，在-190t0時(shí) rt=r01+at+bt2 +c(t-100) t3 ，在 0t630.74時(shí) rt=r01+at+bt2 ，在設(shè) 計(jì)時(shí)必須進(jìn)行線性化校正。 式中 r0、rt 為溫度 0和t熱電阻的電阻值，t為任意溫度。 a、b、c 為溫度系數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定，它們的數(shù)值分別為 a=3.9080210-3 ，b= -5.8021

23、0-7 ，c= -4.2210-7 。 由公式可以看出，r0 值不同時(shí)，在同樣溫度下 rt 的值也不同。 本系統(tǒng)采用的是 r0=1000 歐姆的鉑電阻溫度傳感器，溫度要求范圍為 070，所以適合式 rt=r01+at+bt2。此外，引線電阻會(huì)影響到測(cè)溫精度，而 由于系統(tǒng)對(duì)溫度測(cè)量精度要求不高，因此采用二線制接法，這種接法需要的材 料少價(jià)格低，簡(jiǎn)單實(shí)用，只要直接將傳感器的兩根引線接到放大器的反饋電阻 即可。 4.2.2 溫度信號(hào)放大電路溫度信號(hào)放大電路 由溫度傳感器采集到的信號(hào)比較弱，難以直接進(jìn)行 a/d 轉(zhuǎn)換，所以必須一 個(gè)合適的放大電路來(lái)將這個(gè)信號(hào)放大。放大電路的本質(zhì)是能量的控制和轉(zhuǎn)換， 是

24、在輸入信號(hào)作用下，通過(guò)放大電路將直流電源的能量轉(zhuǎn)換成負(fù)載所獲得的能 量，使負(fù)載從電源所獲得的能量大于信號(hào)源所提供的能量，因此電子電路放大 的基本特征是功率放大。放大器的種類很多，但在模擬輸入通道中使用的是一 種具有高放大倍數(shù)并帶有深度負(fù)反饋的直接耦合放大器， ，增益大，可靠性高， 價(jià)格低和使用方便等特點(diǎn)。因此選用噪聲小，抗干擾能力較強(qiáng)的 tlc2201 功率 放大器。pt1000 與 tlc2201 的接口電路如圖 4-2 所示。 圖 4-2 溫度信號(hào)放大電路 由圖 4-2 可知，運(yùn)算放大器 u1的連接方式是電壓跟隨器的方式，這種連接 方式不僅能夠使可以驅(qū)動(dòng)的負(fù)載電阻較小，而且電壓跟隨器還可以

25、緩沖因前一 級(jí)輸入阻抗較小而損耗在前級(jí)輸出電阻中的信號(hào)。運(yùn)放 u2采用同相比例放大器 的連接方式，同相比例放大器有高的輸入阻抗，但其輸出阻抗很低，因此可以 對(duì)前后級(jí)電路起到隔離作用。圖 4-2 中 r1 是一個(gè)限流電阻，防止電流太大而損 壞穩(wěn)壓二極管 z2；c1、c2 分別是陶瓷電容和電解電容，主要是用于濾除電源 的高頻干擾和低頻干擾；r2 與 r3 并聯(lián)后再串聯(lián) r4 形成一個(gè)電壓可調(diào)的電路， 并同時(shí)輸入到 u1的同相輸入端；rpt 是鉑電阻傳感器的應(yīng)變電阻值，在溫度發(fā) 生變化的時(shí)候，電阻相應(yīng)改變。u2的同相輸入端輸入的是 u1輸出的固定信號(hào)， 其反相輸入端是由 r8 與 rpt 連接成一個(gè)

26、負(fù)反饋的放大電路，放大后的模擬信號(hào) 由 cs5513-ain+標(biāo)識(shí)的引腳輸出，最后將接入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。 4.2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 由于鉑電阻傳感器采集到的溫度信號(hào)是模擬信號(hào)，不能直觀的觀測(cè)到，因 此需要一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將這種模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行分析。對(duì)于 a/d 轉(zhuǎn)換器的選擇，一般是從轉(zhuǎn)換器的位數(shù)、轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率、與主 cpu 接 口以及數(shù)據(jù)輸出是否方便、穩(wěn)定性及抗干擾能力等幾個(gè)方面來(lái)分析決定的。本 系統(tǒng)中采集對(duì)象是溫度。它的變化速率但是精度要求比較高，因此在保證精度 位數(shù)的同時(shí)不需要很快的轉(zhuǎn)換速率。綜合比較后，選用 cs5513 芯片作為模數(shù) 轉(zhuǎn)換電路的核心部分。cs5

27、513 是 20 位的串行輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，它可以進(jìn)行 直流測(cè)量。 cs5513 引腳的功能： （1）模擬部分的引腳（如圖 4-3） v+、v-：為正負(fù)電源引腳，cs5513 可工作于單電源或雙電壓源模式 ain+、ain-：差分模擬輸入 vref：參考電壓輸入，轉(zhuǎn)換器的參考電壓為 vref 和 v-之間的電壓，此 電壓最低為 2.5v，最高為（v+）-（v-）v （2）數(shù)字部分引腳及功能（如圖 4-3） sdo：串行數(shù)據(jù)輸出，sdo 輸出的邏輯低電平是以的邏輯低電平為基準(zhǔn) cs 的，所以 cs5513 沒(méi)有專用的接地管腳 sclk：串行時(shí)鐘輸入，用于控制 cs5513 中的 sdo 引腳的輸

28、出。當(dāng) sclk 為高電平并持續(xù) 2ms 后，cs5513 進(jìn)入休眠狀態(tài)，要終止這種狀態(tài)只需將 sclk 置為低電平即可 ：片選端，當(dāng)為高電平時(shí)，sdo 串口數(shù)據(jù)輸出端輸出為高阻態(tài)；當(dāng) cscs 為低電平時(shí)，sdo 輸出數(shù)據(jù) cs cs5513 與模擬輸入的接口電路如圖 4-3 所示，經(jīng)由信號(hào)放大電路放大后的 模擬信號(hào)輸入到 cs5513 的 ain+端 圖 4-3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 4.3 實(shí)時(shí)時(shí)鐘實(shí)時(shí)時(shí)鐘 實(shí)時(shí)時(shí)鐘的縮寫(xiě)是 rtc（real-time clock） 。rtc 是集成電路，通常稱為 時(shí)鐘芯片。本設(shè)計(jì)采用 pcf8563 時(shí)鐘芯片實(shí)現(xiàn)，它是一款工業(yè)級(jí)低功耗的 cmos 實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日

29、歷芯片。它提供一個(gè)可編程時(shí)鐘輸出，一個(gè)中斷輸出和掉電 檢測(cè)器，所有的地址和數(shù)據(jù)通過(guò) ic 總線接口串行傳遞。最大總線速度為 400kb/s，每次讀寫(xiě)數(shù)據(jù)后，內(nèi)嵌的字地址寄存器會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生增量。pcf8563 是 一款性價(jià)比極高的時(shí)鐘芯片，它已被廣泛應(yīng)用于電表、水表、氣表、電話傳真、 機(jī)便攜式儀器等產(chǎn)品上。pcf8563 芯片引腳排列如圖 4-4 所示。 圖 4-4 pcf863 的引腳排列 其引腳功能如下： 1 osci：振蕩器輸入 2osco：振蕩器輸出 ：中斷輸出，開(kāi)漏輸出模式（獲得更大的驅(qū)動(dòng)） ，低電平有效 int vss：接地 1 sda：串行數(shù)據(jù) i/o 接口 2 scl：串行時(shí)鐘輸入

30、 3 clkout：時(shí)鐘輸出，開(kāi)漏模式 vdd：正電源 4.4 溫度、時(shí)鐘顯示電路溫度、時(shí)鐘顯示電路 led 是 light emiting diode（發(fā)光二極管）的縮寫(xiě)，它是能將電信號(hào)轉(zhuǎn)換 為光信號(hào)的電子發(fā)光器件，也稱數(shù)碼管。數(shù)碼管有 7 段和 8 段之分，8 段數(shù)碼 管是在 7 段基礎(chǔ)上再加了一個(gè)圓點(diǎn)形的發(fā)光二極管，用于顯示小數(shù)點(diǎn)。 數(shù)碼管的特點(diǎn)如下：發(fā)光響應(yīng)快，亮度強(qiáng)，高頻特性好；而且隨著材料的 不同，數(shù)碼管還能發(fā)出紅、黃、綠、藍(lán)等多種顏色的光。 機(jī)械性能好，體積小，重量輕，價(jià)格低廉；能與 cmos 和 ttl 電路配 合使用；使用壽命長(zhǎng)。 工作電壓低，驅(qū)動(dòng)電流適中。每段工作電流為 5

31、10ma，一只數(shù)碼管的 7 段 led 全亮需要電流為 3570ma。這樣大的電流需要由驅(qū)動(dòng)電路提供，本系 統(tǒng)使用 ch451 作為 8 段數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)。 在使用中，為了給發(fā)光二極管加驅(qū)動(dòng)電壓，它們應(yīng)有一個(gè)公共引腳，公共 引腳有如下兩種接法： 共陰極接法。把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成陰極公共引腳，使用時(shí) 陰極公共引腳接地，這樣陽(yáng)極引腳上加高電平的發(fā)光二極管就導(dǎo)通點(diǎn)亮，而加 低電平的則不亮。 共陽(yáng)極接法。把發(fā)光二極管的陽(yáng)極連在一起作為陽(yáng)極公共引腳，使用時(shí) 陽(yáng)極公共引腳接+5v。這樣陰極引腳上加低電平的發(fā)光二極管即可導(dǎo)通點(diǎn)亮， 而加高電平的則不點(diǎn)亮。 本系統(tǒng)需要顯示溫度和時(shí)鐘兩個(gè)部分，溫度顯示需

32、要 2 個(gè)數(shù)碼管，時(shí)鐘顯 示需要 4 個(gè)（小時(shí)、分鐘）數(shù)碼管。因此需要可以驅(qū)動(dòng) 6 個(gè) 數(shù)碼管的驅(qū)動(dòng)電路。 本系統(tǒng)采用 ch451 芯片作為 led 顯示的驅(qū)動(dòng)電路的核心。 ch451 是一個(gè)整合了數(shù)碼管顯示驅(qū)動(dòng)和鍵盤(pán)掃描控制的多功能外圍芯片。 ch451 內(nèi)置 rc 振蕩電路，可以直接動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng) 8 位數(shù)碼管或者 64 位數(shù)碼管，具 有 bcd 譯碼或不譯碼功能，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的左移、右移、左循環(huán)、右循環(huán)、各數(shù) 字獨(dú)立閃爍等控制功能；在外部接口方面，ch451 可選擇簡(jiǎn)潔的 1 線串行接口 或高速 4 線串行接口，且內(nèi)置上電復(fù)位，可提供高電平有效復(fù)位和低電平有效 復(fù)位兩種輸出，同時(shí)內(nèi)置看門(mén)狗電路。

33、其引腳引腳排列如圖 4-5 所示。 引腳功能如下： 1seg0seg7 數(shù)碼管的段驅(qū)動(dòng)高電平有效，鍵盤(pán)掃描輸入，高電平有 效，帶下拉。dig0dig7：數(shù)碼管的字驅(qū)動(dòng)，低電平有效，鍵盤(pán)掃描輸入，高電 平有效，帶下拉。 2vcc：正電源，持續(xù)電流不小于 200ma。 3gnd：接地，持續(xù)電流不小于 200ma。 4dout:串行接口的數(shù)據(jù)輸出。 5load：4 線串行接口的數(shù)據(jù)輸入控制，帶上拉。 6din：4 線串行接口的數(shù)據(jù)輸入控制，帶上拉。 7dclk：串行接口數(shù)據(jù)時(shí)鐘，帶上拉。 圖 4-5 ch451 引腳圖 圖 4-6 ch451 與外部電路連接圖 如圖 4-6 所示，電路中主要元件是數(shù)

34、碼管顯示驅(qū)動(dòng)芯片 ch451，驅(qū)動(dòng) 6 個(gè) 帶小數(shù)點(diǎn)的 8 段數(shù)碼管。在 ch451 的段輸出端即 seg0seg7 加 200 歐姆的限流 電阻調(diào)節(jié)數(shù)碼管的工作電流，ch451 的位選擇輸出端 dig0dig7 的輸出為低電 平有效，因此選用共陰極型數(shù)碼管。數(shù)碼管的公共端分別接至 dig0dig5，由 ch451 控制刷新相應(yīng)的位顯示。 4.5 看門(mén)狗復(fù)位電路看門(mén)狗復(fù)位電路 對(duì)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可靠性有著至關(guān)重要的作用。這是因?yàn)閱纹瑱C(jī)應(yīng) 用的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣，極易受到干擾而出現(xiàn)故障；而一旦出現(xiàn)故障，就有可 能導(dǎo)致系統(tǒng)失控，甚至造成極嚴(yán)重的后果。 為了提高系統(tǒng)的可靠性，除采取足夠的硬件措施外

35、，還應(yīng)對(duì)程序進(jìn)行監(jiān)視， 因?yàn)橄到y(tǒng)可靠與否最終體現(xiàn)在程序上。最常見(jiàn)的程序運(yùn)行故障是“跑飛”和死 循環(huán)。為了避免出現(xiàn)這些使系統(tǒng)不能正常運(yùn)行的故障，在及時(shí)發(fā)現(xiàn)的同時(shí)，能 夠使系統(tǒng)自動(dòng)恢復(fù)，本設(shè)計(jì)采用了看門(mén)狗電路?？撮T(mén)狗是一種軟硬件結(jié)合的監(jiān) 視方法，把其中用來(lái)感知程序失控的硬件比作“狗” 。在程序執(zhí)行過(guò)程中通過(guò)指 令不斷地給該電路發(fā)送脈沖信號(hào)（喂狗） ，以維持其在一個(gè)固定的狀態(tài)（狗處于 安靜狀態(tài)） 。當(dāng)程序失控時(shí)不能在規(guī)定時(shí)間“喂狗” ，硬件電路的預(yù)定狀態(tài)就不 能維持（狗叫）了。 本系統(tǒng)采用了 imp813 芯片用于看門(mén)狗復(fù)位電路，imp813 主要是作為 watchdog 計(jì)數(shù)器重定用的。當(dāng)程序跑飛

36、時(shí)，如果在 1.6 秒內(nèi)沒(méi)有觸發(fā)該電路 （wdi 無(wú)脈沖輸入） ，則 wdo 輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，并保持?140ms 以 上，imp813 就產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，自動(dòng)復(fù)位，同時(shí)看門(mén)狗定時(shí)器清 0。若將 wdo 端與 mr 連接，則可組成上電復(fù)位及看門(mén)狗復(fù)位電路。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將第 rst 接 cpu 的復(fù)位腳，mr 腳與 wdo 腳相連，wdi 腳與 cpu 的 p2.1 相連。在軟 件設(shè)計(jì)中，p2.1 不斷輸出脈沖信號(hào)。如系統(tǒng)死機(jī)導(dǎo)致 p2.1 無(wú)脈沖信號(hào)輸出，則 1.6 秒后在 imp813 的 wdo 腳輸出低電平。該低電平加到 mr 腳， imp813 產(chǎn) 生復(fù)位輸出，使 cpu 有效復(fù)

37、位，擺脫死循環(huán)的困境。另外，當(dāng)電源電壓低于門(mén) 限值 4.65v 時(shí)，imp813 也產(chǎn)生復(fù)位輸出，使 cpu 不執(zhí)行任何動(dòng)作直至電源電 壓恢復(fù)正常。其與單片機(jī)連接方式如圖 4-7 所示 。 4-7 看門(mén)狗復(fù)位電路 第五章第五章 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) 5.1 整體軟件設(shè)計(jì)整體軟件設(shè)計(jì) 電熱水器上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，設(shè)置時(shí)鐘時(shí)間；其次顯示當(dāng)前的 溫度和時(shí)鐘，并判斷加熱開(kāi)關(guān)是否打開(kāi)，執(zhí)行相應(yīng)的操作；如果有功能鍵按下， 則進(jìn)入功能設(shè)定界面，包括校準(zhǔn)時(shí)鐘、設(shè)定開(kāi)機(jī)時(shí)間、設(shè)定熱水溫度和設(shè)定加 熱時(shí)間 4 種功能，設(shè)定完畢后，再次按下功能鍵表示設(shè)定生效；若無(wú)功能鍵按 下或者功能鍵設(shè)定完畢后，則進(jìn)行各種條件

38、的判斷并執(zhí)行相應(yīng)的操作；最后各 種條件判斷完畢后，程序回到溫度的讀取與顯示，進(jìn)而開(kāi)始新一輪的程序運(yùn)行。 系統(tǒng)軟件整體設(shè)計(jì)流程圖如圖 5-1 所示。 開(kāi)始 初始化 設(shè)置時(shí)間值 顯示溫度 顯示時(shí)間 加熱鍵 開(kāi) 開(kāi)始加熱 功能鍵按下 關(guān) k=2k=3k=1k=4 設(shè)定時(shí)鐘設(shè)定開(kāi)機(jī)方式設(shè)定熱水溫度設(shè)定加熱時(shí)間 再次按下功能鍵確認(rèn)設(shè)定8s未按下 未按 按下 是否設(shè)定 開(kāi)機(jī)時(shí)間 開(kāi)機(jī)時(shí)間到開(kāi)始加熱 是否設(shè)定溫度溫度到停止加熱 未按 按下 y n y n y n 是否定時(shí) 加熱時(shí)間 定時(shí)時(shí)間到停止加熱 y n yy nn 圖 5-1 系統(tǒng)軟件整體設(shè)計(jì)流程圖 5.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計(jì)模數(shù)轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計(jì) 通電后

39、cs5513 將進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)更新輸出寄存器。當(dāng)輸出寄存 器有新的數(shù)據(jù)，而此時(shí)處于低電平時(shí)，sdo 串口數(shù)據(jù)輸出端將呈現(xiàn)低電平， cs 表 明有新的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可以執(zhí)行輸出操作了。要讀出所有的數(shù)據(jù)需要發(fā) 24 個(gè) clk 脈沖，在 clk 脈沖的上升沿，從 sdo 串口數(shù)據(jù)端讀出數(shù)據(jù)，在 clk 脈 沖的下降沿輸出寄存器中的數(shù)據(jù)到 sdo 串口 數(shù)據(jù)輸出端。一旦整個(gè)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被讀完，sdo 串口數(shù)據(jù)輸出端又呈現(xiàn)高阻 態(tài)，如果我們正在讀數(shù)據(jù)而新的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)又完成了，那么新的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)將丟失， 輸出寄存器不被更新。用戶并不需要讀出每一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果。當(dāng)新數(shù)據(jù)有效時(shí)， 如果在等待 17 個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期后

40、沒(méi)有執(zhí)行讀操作，新數(shù)據(jù)將丟失，sdo 串口 數(shù)據(jù)輸出端又呈現(xiàn)高阻態(tài)。 cs5513 的輸出字為 24bit（如表 5.2） ，其中 d0d19 為 20bit 有效數(shù)據(jù) d20 和 d23 通常為 0 。od 為振蕩檢測(cè)標(biāo)志位，當(dāng)調(diào)制器不穩(wěn)定或輸入超出最大滿 量程范圍的過(guò)大電壓時(shí)被置 1，當(dāng)調(diào)制器穩(wěn)定后被清 0。of 標(biāo)志位，沒(méi)有溢出 時(shí)被清 0，當(dāng)輸入信號(hào)正向超出正的滿量程范圍或負(fù)向超出負(fù)的滿量程范圍時(shí) 被置 1。 表 5.2 cs5513 的輸出字 d23d22d21d20d19d18d17d16d15d14d13d12 0ofod0msb18171615141312 d11d10d9d8

41、d7d6d5d4d3d2d1d0 11109876543210lsb 讀 ad 轉(zhuǎn)換值的函數(shù)是模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)軟件的主要部分，其程序流程圖 5-2 所示，按照 cs5513 的時(shí)序與其特性，開(kāi)始讀 4 位數(shù)據(jù)，然后再讀 20 位 ad 轉(zhuǎn) 換后的值，這樣可以分別看數(shù)據(jù)和別的標(biāo)志位，并且要對(duì)讀取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行判 斷，確定讀取的是否為正確數(shù)據(jù)，同時(shí)在讀取過(guò)程中要關(guān)閉串行口中斷，以免 上位機(jī)取得不正確數(shù)值 開(kāi)始 片選信號(hào)cs=0 串口數(shù)據(jù)輸出 sdo=1？ 讀ad高4位 讀ad低20位 出錯(cuò)？ 片選信號(hào)cs=1 結(jié)束 n y y n 圖 5-2 /d 模數(shù)轉(zhuǎn)換流程圖 第六章第六章 總結(jié)與展望總結(jié)與展望 6

42、.1 總結(jié)總結(jié) 本課題設(shè)計(jì)了一個(gè)以 at89c52 單片機(jī)為主控芯片的電熱水器控制系統(tǒng)，這 個(gè)控制系統(tǒng)是以 at89c52 單片機(jī)作為主控芯片，外接溫度測(cè)量電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘 電路、看門(mén)狗復(fù)位電路，并以 8 段共陰極數(shù)碼管作為顯示模塊，以 ch451 作為 顯示模塊的驅(qū)動(dòng)芯片，構(gòu)成了整個(gè)硬件電路。該系統(tǒng)具備簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)， 鍵盤(pán)控制方式來(lái)設(shè)定功能等參數(shù)增加了系統(tǒng)的靈活性，對(duì)水溫的采集和顯示、 實(shí)時(shí)時(shí)鐘的顯示增加了系統(tǒng)的實(shí)用性。 電熱水器內(nèi)部器件較多，控制也較為復(fù)雜，應(yīng)該說(shuō)本設(shè)計(jì)是真實(shí)電熱水器 控制系統(tǒng)一個(gè)小的縮影，整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)架具有很高的應(yīng)用價(jià)值，可以在此構(gòu)架 的基礎(chǔ)上，增加多種傳感器和其他一些智能化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)功能齊全的電熱 水器控制系統(tǒng)。在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中