基于单片机的电热水杯设计.doc

1 热水壶控制系统总体概述1.1 热水壶的工作情况对于常规的电热水壶，只要接通电源，就开始加热，直到水沸腾后通过蒸汽来产生声音报警。这种设计有下面几个方面的不足：1. 如水壶中没水，电源误接通时也会一直加热，容易引起事故。2. 当只需要加热到沸点以下某一温度时，不能及时给出声音报警信号。3. 当水加热沸腾后不能自动停止工作。针对以上不足，在本设计方案中，用mc-51单片机作为控制芯片，管理整个电热水壶的工作情况，构成了一个闭环控制系统，而且增加了三个按键和六位数码管显示。它的工作情况和常规的热水壶相比，有下面几个方面的特点：1. 有三个按键，可用来设置希望加热到的温度即报警的温度。上电复位后，设置温度初值为20度，每按一下按键，温度设置值就会增加1度，整个温度设置值在20100度之间循环。2. 这个按键还具有启动电热水壶开始工作的作用。当每次电源接通后，只有按键按下过之后，电热水壶才开始加热，这样，可以防止电源误接通时电热水壶一直加热，引发事故。3. 当加热到设置温度时，单片机会控制停止加热，并通过蜂鸣器给出声音提示。4. 三位数码管在设置温度操作时显示当前设置的温度，另三位数码管其余时间实时显示电热水壶中水的实际温度。1.2 mcs-51单片机控制的总体介绍硬件设计的总电路连接框图如下图 加热电路8255报警电路键盘和显示电路adc0809温度检测电路8051光电隔离图1-1 硬件设计的总电路连接框图单片机控制热水壶的硬件构成包括8051芯片、8255芯片、地址锁存器等组成的单片机控制电路、温度检测电路、a/d转换电路、光电隔离电路、键盘及显示电路和温度加热电路。整个系统的关键电路是单片机控制电路，是整个控制的核心，完成信号的输入和输出的转换，即可将温度检测电路采样的输入的信号通过a/d转换器adc0809进行处理加工后输出到显示器进行显示，并可以通过键盘对温度进行控制，如此同时当水加热超过指定的温度以后，蜂鸣器工作报警。并对其中部分电路编制子程序，以及相应的软件设计。2 电热水壶控制系统的硬件设计2.1 温度检测电路和a/d转换器的电路2.1.1 温度检测电路图2-1-2 电源转换电路图2-1-3温度检测电路通过温度集成器ad590对外部-55+150范围内的温度进行采样，在ad590的两端分别接地和接电源，得到一定的压差，因此会得到相应的工作电压，其输出电流会随温度变化而变化。电流1a/k其输出电压为100mv/，经运算放大器lm358进行i/v转化后，再送入a/d转换电路中进行模数转换，经过微处理器处理即可送到led显示器显示温度。2.1.2 a/d转换器电路原理和电路接口图采用逐次逼近法a/d转换器电路原理。其主要原理为：将一待转换的模拟输入信号u1n与一个推测信号ur相比较，根据推测信号大于还是小于输入信号来决定增大还是减少该推测信号相等时，向d/a转换器输入的数字就是对应模拟输入量的数字量。1a/d转换器的引脚说明：adc0809是cmos集成电路8位单片a/d转换器。双列直插28引脚封装。片内有8路模拟开关、模拟开关的地址锁存与译码电路、比较器 、256r电阻t型网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器sar、三态输出锁存，缓冲器、控制与时序电路等。adc0809引脚功能说明如下：in0in7：8路输入通道的模拟量输入端。a、b、c口：8路模拟开关的三位地址输入端，用来选择8路模拟输入的一路进行a/d转换。 ale： 地址锁存允许。ale有效将三位地址a、b、c锁存到地址锁存器中。start：为启动控制输入端。它与ale可以接在一起，当通过程序加上一个正脉冲便立即开始a/d转换。eoc： 转换结束信号输出端，高电平有效。在此输出端供给一个有效信号则打开三态输出锁存缓冲器，把转换后的结果送至外部数据线。colck：时钟输入端。clock为600khz时，转换时间位100us。d0d7：8位数字输出段。vcc: 电源输入端。gnd：接地端。2a/d转换的连接电路及应用图2-1-4 a/d转换的连接电路2.2 单片机8051芯片介绍和主要电路2.2.1 mcs-51单片微机8051内部部件和接口电路mcs-5单片微机8051内部包含如下部件：8位cpu;振荡器和时钟电路;4k/8k 字节的程序存贮器;128/256字节的数据存贮器;可寻址外部程序存贮器和数据存贮器，各64k字节;二十多个特殊功能寄存器;32线并行i/o口;1个全双工串行i/o口;2/3个16位定时器/计数器;5/6个中断源，2个优先级;具有位寻址功能，有较强的布尔处理能力。图2-2-1 8051的引脚图图2-2-2 单片机的片外总线结构图由图2-2-2可以看到，单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入、用户i/o口外，其余管脚都是为了实现系统扩展而设置的。这些引脚构成了mcs-51单片机片外三总线结构：1地址总线（ab）：地址总线宽度为16位，因此，其外部存储器直接寻址为64k字节，16位地址总线由p0口经地址锁存器提供低8位地址（a0a7）；p0口直接提供高8位地址（a8a15）。2数据总线（db）：数据总线宽度为8位，由p0口提供。控制总线（cb）：由四根独立控制线reset、ea、ale、组成。2.2.2 振荡电路和时钟电路振荡电路和单片机内部的时钟电路一起构成了单片机的时钟方式，根据硬件不同，连接方式分为内部时钟方式和外部时钟方式。图2-2-3外部时钟方式电路图由上面的图我们可以看到引脚xtal2就是内部时钟发生器的输入端。因此，只需将外部振荡器的信号接至引脚xtal2，而把内部反相放大器的输入端xtal1引脚接地。通常接的外部信号一般为频率低于12mhz的方波信号。2.2.3 单片机的复位电路1主要复位电路（1）上电复位和开关复位组合电路：在单片机系统设计过程中，经常会使用上电复位和手动复位，最常用的上电复位和开关复位组合电路为：图2-2-4上电复位和开关复位组合电路（2）在实际应用系统中，为了保证复位电路可靠地工作，常将rc电路接施密特电路后再接入单片机复位端，特别适合于应用系统现场干扰大，电压波动大的工作环境。10图2-2-5抗干扰上电复位2.2.4 中断优先级1ie0 （外中断int0） 最高优先级 0003h2tf0 （定时器0溢出中断） 000bh3ie 1 （外中断int1） 0013h4tf1 （定时器1溢出中断） 001bh5ri+ti （串行口中断） 0023h6tf2+exf2 （定时器2溢出中断） 最低优先级 002bh2.2.5 74ls373地址锁存器芯片介绍通常,地址锁存器可使用带三态缓冲输出的八d锁存器74ls373或8282，也可以使用带清除端的八d锁存器74ls273，地址锁存信号为ale。但用的最多的是74ls373。图2-2-6 74ls373的结构图当用74ls373作为地址锁存器时,它们的锁存控制端g和stb可直接与单片机的锁存控制信号端ale相连,在ale下降沿进行地址锁存。2.3 8255输出口扩展2.3.1 8255的引脚介绍图2-3-1 8255的引脚图ad0ad7：三态地址/数据总线。连接cpu的底8位地址/数据总线。io/m：ram/io口选择信号输入端。cs：片选信号输入端，8255为cs，低电平有效。rd：读选通信号输入端。低电平有效。wr：写选通信号输入段。低电平有效。reset：复位信号输入段。高电平有效，并初始化3个i/o口为输入方式。pa0pa7：a口的i/o线、i/o方向由命令字编程设定。pb0pb7：b口的i/o线、i/o方向由命令字编程设定。pc0pc7：c口的i/o线，或a口和b口的状态控制信号线。由命令字编程设定。vcc：+5v电源线。vss: 接地线。8255片内256*8位静态ram，在速度上与mcs-51完全匹配。当io/m=0时，cpu对8255的ram进行读写，寻址范围为00h0ffh。2.3.2 8255与8051的外部接口电路图2-3-2 8255与8051的外部接口电路由上图可以看出8051通过地址锁存器与8255相连， 8255的片选信号cs及口地址选择线a0、a1分别由8051的p0.7、p0.0、p0.1经地址锁存器74ls373后提供。故8255的a、b、c口及控制口地址分别为ff7ch、ff7dh、ff7eh、ff7fh。8255的复位端与8051的复位端相连，都接到8051的复位电路上。必须根据外围设备的类型选择8255的操作方式，并在初始化程序中把相应控制字写入操作口。8255的编程如下：各端口地址是：a口地址：ff7ch b口地址：ff7dh c口地址：ff7eh 控制口地址：ff7fh2.4 单片机的抗干扰电路2.4.1 光电隔离抗干扰的简介在开关量输出通道中，为防止现场强电磁干扰或工频电压会通过输出通道反串到测控系统，一般需采取通道隔离技术。最常见的隔离器件是光电隔离器。因为光信号的传送不受电场、磁场的干扰，可以有效地隔离电信号。2.4.2 光电隔离器的原理电路图2-4-1光电隔离器的原理电路2.4.3 光电隔离的电路在一般微机控制系统中，由于大都采用ttl电平，不能直接驱动发光二极管，所以通常加一个驱动区，如7406和7407等。图2-4-2光电隔离的电路当输出ttl电平为低电平时，7406输出为高电平，发光二极管截止，光电隔离器处于截止状态，vo端输出高电平；而当输出控制电平为高电平时，7406输出为低电平，发光二极管导通，光电隔离器处于导通状态，vo端输出低电平。图2-4-3总电路框图2.5 键盘及显示电路2.5.1 键盘输入特点按键所用开关为机械弹性开关，均利用了机械触点的合、断。一个电压信号通过机械的断开、闭合过程。 图2-5-1 键盘抖动波形图按键的闭合与否，反应在电压的上就是呈现出高电平或低电平，所以通过电平的高低状态的检测，便可确认按键按下没有。为了确保按键的状态，必须消除按键抖动的影响，这也是按键抗干扰的主要的一个方面。2.5.2 矩阵键盘的概述1矩阵键盘的工作原理：按键设置在行、列线交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接到+5v上。平时无按键动作时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由与此行线相连的列线电平决定。列线电平如果为低,则行线电平为低，列线电平如果为高，则行线电平亦为高。2键盘的工作方式由图2-5-4可见键盘采用编程扫描方式工作，pb口输出逐行扫描信号，pa口输入8位列信号，均为低电平有效。8255a的a0、a1上，cs与p2.7相接，wr、rd分别与8051的wr、rd相连。2.5.3 led显示原理及显示方式1led显示器结构led显示块是由发光二极管显示字段的显示器件。在单片机应用系统中通常使用的是7段led。这种显示块有共阴极和共阳极两种。图2-5-3 led显示器引脚图共阴极led显示块的发光二极管阴极共地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；共阳极led显示块的发光二极管阳极并接。2led显示器的显示方式在单片机应用系统中使用led显示块构成n位led显示器。n根led显示器由n根位选线和8*n根段选线。根据显示方式不同，为选线与段选线的连接方法不同。段选线控制字符选择，为选线控制显示位的亮、暗。2.5.5 系统应用对于显示部分，从8255输出的显示信息经74ls373锁存缓冲，用来对led的各段进行段选，各位led显示器采用共阴极接法，通过控制阴极的电位来实现各位的选通。通过8255的扫描输出经2003来实现位选，用来显示设定的温度值和当前的温度值，以便进行调节。键盘部分采用13键盘矩阵，列回复信号送至8255的pc0口，连接后仍作为列选择线；行选择线则是与显示部分的位选线共用。初始时，将列选择线置为高电平，当有按键按下时，列选择线的电位取决于列选择线，通过相应行的电平状态判断有无按键按下，可以通过键盘的配合来调节温度的设定值。 图2-5-4键盘和显示器接口电路的接线图2.6 加热电路和报警装置2.6.1 加热电路图2-6-1 加热电路图电热器件由双向可控硅ks控制，ks由光电耦合器 4n25和晶体管9013触发。单片机8051的p2.0端输出的触发信号，经7407后，送到光电耦合器4n25。p2.0端输出高电平时，4n25没有电流输入，晶体管t截止，双向晶闸管ks关断，电热器不加热。当p2.0端输出低电平时，7407输出低电平，4n25的输入电流约为18m，输出端的电流大3.6m，经晶体管9013放大后，双向可控硅门极的电流可达200 m，双向可控硅导通，电热器加热。电阻r3的作用是限制触发电流，当双向可控硅ks的功率较小时，r3的值可由30改为100。2.6.2 报警装置首先通过按键对要达到的温度进行设定，通过加热装置对水进行加热，当加热温度达到或超过设定值时，将加热信号送到8051中，通过微处理器处理后，输出到p1口报警，并通过三极管驱动扬声器或蜂鸣器报警。图2-6-2 报警装置的硬件电路图3 单片机的软件设计3.1 总的程序设计框图 开 始初 始 化开始加热吗？温度达到设定值吗？是按键按下吗？加热温度采样in0停止加热、蜂鸣器响主程序结束ny按键处理ynyn 图3-1主程序流程图3.2 8255的程序设计3.2.1 8255的程序的初始化8255的编程如下：由第四章可得8255各端口地址是：a口地址：ff7ch b口地址：ff7dh c口地址：ff7eh 控制口地址：ff7fh假设要求8255工作方式0，且a口作为输出，b口作为输出，c口作为输入，则工作程序如下：mov a,#81 h ;方式0，a口、b口输出，c口输入mov dptr,#0ff7fh ;控制寄存器地址dptrmovx dptr,a ;方式控制字控制寄存器mov dptr,#0ff7ch ;a口地址dptrmovx a,dptr ;从a口读数据mov dptr,#0ff7dh ;b口地址dptrmov a,data1 ;要输出的数据data1amovx dptr,a ;将data1送b口输出mov dptr,#0ff7eh ;c口地址dptrmov a,data2 ;data2amovx dptr,a ;将data2送c口输出3.2.2 对端口c的置位/复位8255的c口8位中的任一位，均可用指令来置位或复位。例如，如果想把c口的第6位pc5置1,相应的控制字为:00001011b=0bh，程序如下：mov dptr,#0ff7fh :控制口地址dptrmov a,#0bh ;控制字amovx dptr,a ;控制字控制口 ;pc5=1如果想把c口的第6位pc5复位，相应的控制字为：00001010b=0ah。程序如下：mov dptr,#0ff7fh ;控制口地址dptrmov a,#0ah ;控制字amovx dptr,a ;控制字送到控制口 ;pc5=03.3 键盘和显示接口电路程序设计3.3.1 键盘和显示器的程序设计 8255在mcs-51单片机应用系统中广泛用于连接外部设备，如打印机、键盘、显示器以及作为控制信息的输入、输出口。 8255初始化开始置段，位选码的初值8255初始化位选码pb口查段选码表段选码pa口选择下一位延时1ms指向下一显示单元6位显示完否？ n 返 回 图3-2 程序框图程序如下：dis： mov a，#00000011b ;8255pa、pa、pb口为输出，pc口为输入 mov dptr，#ff7ch ;8255命令口地址送dptr movx dptr，a ;写命令mov r0，#50h ;5055h单元存6个显示数据 mov r3，#7fh ;第1位led的位选码7fh mov a，r3again：mov dptr，#7f01h ；指向pa口 movx dptr，a ；位选码送pa口 mov a，r0 ；取显示数据 mov dptr，#dseg ；取段选码表首址 movc a，a+dptr ；取段选码 mov dptr，#7f02h ；指向pb口 movx dptr，a ；段选码送pb口 acall dl1ms ；延时1ms inc r0 ；指向下一显示数据单元mov a，r3 jnb acc.0，out ；6位显示完，转outrr a ；未完，调整为下一位选码mov r3，a ajmp again ；继续显示下一位out： ret ；子程序返回dseg： db 3fh，06h，5bh ；显示0，1，2db 4fh，66h，6dh ；显示3，4，5db 77h，7ch，39h ；显示a，b，cdb 5eh，79h，71h ；显示d，e，fdl1ms： mov r7，#01h ；延时1ms子程序dl0： mov r6，#0ffhdl1： djnz r6，dl1dlnz r7，dl0 ret 3.3.2 键盘扫描子程序本方案中用延时10ms子程序进行软件消抖；通过设置处理标志来区分闭合键是否已处理过。开始8255初始化调显示子程序并熄灭子程序调全列置零扫描子程序有按键否？ n y调显示子程序延时约10ms调全列置零扫描子程序确有按键？ n y n y6列完否？ n y定位键号调显示子程序并熄灭显示器调全列置零扫描子程序按键释放？ n返回 图3-3 程序流程图在扫描键盘的过程中应兼顾显示器的显示。程序如下：keysub： mov a，#00000011b ；8255pa、pb口输出，pc口输入 mov dptr，#ff7fh ；控制字地址送dptr movx dptr，a ；向8255输出控制字begin： acall dis ；调显示子程序 acall clear ；清零显示器，即熄灭 acall ccscan ；全列置零扫描，判有无按键按下 jnz ink1 ；有键按下，转ink1ajmp begin ink1： acall dis ；调显示子程序，延时89ms acall dl1ms acall dl1