基于AT89C51水温控制系统.doc

i 摘摘 要要 随着生活节奏的加快，快热式电热水器省时的特性越来越被生活忙碌的人群所 认可。随着用电环境的改善，不少新建楼房都可以安装即快热式电热水器，这催生 了快热式电热水器的快速增长。 电热水器是一种可供洗手间、厨房、浴室使用的家用电器。 本设计的快热式电热水器系统以单片机为核心，辅以按键，显示电路，利用热 敏电阻对热水器出口温度进行检测，将温度转换成频率，并将其反馈到单片机，用 单片机测出频率大小，从而间接测出温度值，温度/频率转换电路简单可靠，成本低 廉。对于加热功率的控制，本文采用了双向可控硅控制，单片机通过光耦给可控硅 触发信号，控制可控硅的导通角，从而控制电热丝的有效加热功率。为了在关机和 超温保护的状态下能可靠地关断加热电源，电路中加入了继电器来控制加热电源。 其中串联在继电器线圈回路的熔丝为 105时，热保险丝会熔断，防止加热管干烧。 与电热丝并联的 LED 发光管用来指示电热丝的工作状态。 快热式电热水器它体积小，重量轻，要使用热水时，即开即热，无须等待，省 去了加热多余的热水，因此它具有省时、省电、省水的优点。正是基于以上原因， 快热式电热水器在今后有着极为广阔的发展前景。 关键词：关键词：80C51 热敏电阻 双向可控硅 继电器 ii AbstractAbstract With the pace of life speeds up, fast heat-type heaters in the busy lives of more and more recognized by the crowd. With electricity the improvement of the environment, many new buildings that can be installed faster heat-type heaters, which hastened the birth of hot-water heater that is the rapid growth. The electric boiler is one kind may supply the washroom, the kitchen, the bathroom use domestic electric appliances. The design of the fast heat of the water heater system to SCM as the core, supplemented by the keyboard, display circuit, the use of thermal resistance of the water heater temperature detection exports, the temperature will be converted to frequency, and feedback to the microcontroller, with SCM size measured frequency, thus indirectly measured temperature and temperature / frequency conversion circuit is simple and reliable, low cost. The heating power of control, the paper adopted a two-way SCR control, SCM through Optocoupler SCR trigger signal to the control of the SCR on-angle and thus control the effective electric wire heating power. In order to shut down and over- temperature protection of the state can be reliably heated power shutdown, joined the circuit in the relay to control the heating power. One series in the relay coil circuit for the fuse 105 , the fuse will be hot links to prevent the heating of Ganshao. Parallel with the electric wire LED LED electric wire used to indicate the work of state. Quick hot-water heater its small size, light weight, to use the hot water,-the heat, do not have to wait and save the extra hot water heating, so it has a time-saving, energy saving, the provincial water advantages. It is precisely because of these reasons, faster heat-type heaters in the future has a very broad prospects for development. Keywords: 80C51 Thermistor SCR two-way relay iii 目目 录录 摘 要I ABSTRACT.II 第一章 绪论1 第一节 选题的目的及意义 1 第二节 国内外发展情况 3 第二章 方案论证7 第一节 本设计研究的内容和所做的工作 7 第二节 系统模块的设计 7 第三章 系统硬件电路的设计.9 第一节 主控单片机的选择.9 第二节 系统总电路 .11 第三节 电源电路 .14 第四节 加热控制电路 .15 第五节 温度检测电路 .16 一、多谐振荡器 .16 二、74LS04 与 74LS14 的区别18 第六节 LED 显示电路 .18 一、共阳极数码管的结构和工作原理 .18 二、LED 显示电路19 三、数码管的驱动方式 .20 第七节 按键扫描处理及报警电路 .20 第四章 控制系统的软件设计22 第一节 主程序.23 第二节 加热控制子程序.25 第三节 温度检测子程序.28 第四节 显示扫描子程序.31 第五节 按键扫描处理子程序32 第五章 硬件和软件综合制作及调试.34 第一节 硬件电路制作 .34 第二节 综合调试及性能分析 .36 总 结.38 附 录.39 附录 1 控制源程序清单39 附录 2 快热式热水器控制系统电路图50 附录 3 外文资料51 iv 附录 4 外文翻译54 主要参考文献资料.56 致 谢.57 1 第一章第一章 绪论绪论 第一节第一节 选题的目的及意义选题的目的及意义 近年来，热水器行业的发展趋势可以用一句话来概括，即仍将呈现出以电热水 器为主导，燃气热水器为辅，太阳能热水器为补充，三者互相共生。对电热水器而 言，它具有安全、环保的特点，而且全国电网的改造、电的普及、电价的大幅度下 调，以及用电设施的改善，均为电热水器的迅速普及提供了便利的条件。尤其三峡 工程的建设、核电站的建设，更是为电热水器的推广和普及起到了助推剂的作用。 电热水器对安装的要求也比较简单，它不受空间限制，可以因地制宜。 目前，市场上的热水器主要包括储水式电热水器和燃气式热水器。可两者似乎 都还不能满足所有人的需要,和已经淘汰的直排式燃气热水器相比，如今能买到的所 有热水器都是采用“直排”或者“强排”的方式，通过独立的烟管，把热水器工作时候 产生的废气排到室外。而且，出于安全考虑，这根排烟管是严格禁止安装在厨房、 卫生间的排烟管道里，而必须在窗户上、墙上另外打孔安装。这样不仅会影响居室 美观，而且会破坏屋子的密闭性，况且不少小户型的厨房没有外墙，这安装就不是 小工程了。 相比之下，储水式电热水器不会产生废气，所以安装在厕所也没问题。 只是，水量限制和体积占用过大，使用时预热时间长导致浪费能源以及大量产生水 垢等等，都是它最致命的缺点。面积不大的卫生间是绝对不欢迎这样的大家伙的。 因此，除了这两个常见的类型，一种体积小、出水快的新式热水器快热式电热 水器，开始成为许多人不错的选择。 快热式电热水器，在市场上出现的时间还不长。种类也还不是很多，但是关注 的人却相当不少。这种热水器的外形类似于普通燃气热水器，它的基本原理可以形 容为“以电为能源的燃气热水器”它在体积、加热方面很像燃气热水器，能源 使用方面却又用的是电。 加热速度快，是这种热水器最大的特点。一般来说，它在 春、夏、秋、冬只需要 2 秒以内就能流出热水，比燃气热水器的预热时间要短许多。 这样，不仅节省了大量因为预热而白白浪费的水，而且水量无限，随用随取，是当 今最先进的热水器之一。这种热水器体积却小巧、轻薄，通常只有普通燃气热水器 厚度的一半，更像是一本杂志面积的大小，更是远远小于储水式电热水器。因此， 2 即使安装在卫生 间，不仅空间不受限制，而且也不用另外安装管道排气，只需要设计好安全的电源 即可。水温稳定，也是这种热水器能够普遍实现的功能。虽然，不是所有的即热式 电热水器都能够把水温精确控制到摄氏度级，即使是这个家族里的低端产品，也可 以通过水温区间的控制，实现固定温度、固定水压，再加上与凉水的混合，从而基 本上可以实现出水温度的恒定。快热式家用电热水器的问世是家用电热水器具领域 一次新的进步，它具有使用安全、卫生、不受水压限制，随时可供热水，水温易调 节等优点，弥补了其它热水器的不足，属传统型热水器的替代产品，是家庭、公用 住宅、小型饭店、宾馆理想的配套服务设施。随着气价的上涨，电价的不断下降， 相信今后几年中我国电热水器市场仍将会呈现强劲增长势头。 相对于传统的储水式电热水器与燃气式热水器而言，有如下特点： 小巧美观 传统电热水器的体积庞大。创新的设计理念，将产品外形和功能全 面提升， 快热式电热水器机身玲珑纤巧，手提电脑般小巧，只有 6 到 8 厘米厚，超 薄造型、流线设计、小巧美观，融合了科技和时尚潮流的众多元素，让热水器不再 体积庞大，不再影响浴室美观。快热式电热水器的个头比燃气热水器小，大城市房 价高，许多市民购买的房子面积不大，因此，小巧的快热式电热水器迅速流行。许 多消费者把快热式电热水器安装在面积较小的辅卫里，节省浴室空间，开创全新的 沐浴革命。 快捷 传统电热水器在使用前要经过长时间的预热，一般要等几十分钟至数小 时，很浪费时间。快热式电热水器系列，采用瞬间加热技术，即开即热，即开即浴， 不需长时间的预热，节省您的宝贵时间，让你随心所“浴” 。适合现代社会人们快节 奏的生活需求，因而受到人们的欢迎。 省时 快热式电热水器从开机到出水温度达到 45，加热时间只需要 5 秒左右， 基本上做到了即开即热。普通电热水器加热时间比较长，而且会出现一个人洗完澡 以后，第二个人必须再等水温升高才能洗的情况。而快热式电热水器用时打开，不 用就关闭，基本上不存在等待的问题。另外，快热式电热水器对水压没有什么要求， 因此不会像燃气热水器一样，由于水压不足而不能使用。 节能 传统电热水器除庞大体积之外，漫长的预热、保温过程，且必需的加热 和储存多余热水，造成严重的电能浪费。快热式电热水器无需储水保温，加热迅速， 无需预热，无散热损失，用多少加热多少，避免热水不够或多余浪费；节水节电， 3 节能明显；能源损耗极低，节能高效；快热式电热水器的额定功率达到 35006000 瓦，可能有消费者认为，这么大的功率，耗电量一定很大。其实，快热式电热水器 不用提前预热，所以没有预热时的热能量散失，而且加热时间比较短，所以实际用 电量不大。根据相关调查数据显示，它比预热式贮水式电热水器节电 30%以上。在 中国大部分地域，以洗澡十分钟计算，一般夏天 0.2 度电，春秋 0.5 度电，冬天 1 度电，节能效果显著，真正节能先锋！ 安全 传统燃气式热水器造成的煤气中毒和爆炸事故，屡见不鲜。快热式电热 水器采用全程电脑智能控制，水电分离，全球领先的水电隔离加热结构，具有防漏 电、防超温、防干烧、防环境漏电、故障自检等多种保护。不会导致煤气中毒。避 免漏电伤人，安全超温保护装置-当水温达到 65，热水器自动断电，停止加热， 防止皮肤烫伤，保护热水器及使用安全；漏电保护装置-当检测到漏电电流时，热 水器即会在 0.01 秒之内自动断电，保障安全；防干烧保护装置；多重安全保护，全 防水防电机身，确保沐浴安全万无一失。 长寿 快热式电热水器是冷水通过加热体后直接被加热，属于“活水” ，对人体 健康也有益处；水垢的形成温度一般为 60以上,而洗浴时的热水温度一般不会高 于 45，因而在管路内也不易形成水垢。所以即热式电热水器的使用寿命也较贮水 式电热水器长，一般是贮水式电热水器的 23 倍。 环保 快速电热水器使用清洁电能源，使用时无有毒气体产生，不用污染空气， 不会影响人体健康。 安装方便 快热式电热水器体积小、重量轻，可以直接安装在浴室内，调温伸 手可及，无需破坏墙体安装煤气管道及通风装置。 使用无限制 使用快热式电热水器，热水源源不断，不会受容积大小限制，想 洗多久就洗多久，告别了储水式电热水器的预热等待，让快乐更简单。本控制系统 设计主要通过 80C51 单片机来实现对电热水器的温度、功率显示及加热控制和继电 保护，80C51 单片机体积小，结构简单，功耗低。相信今后几年低功耗必将成为电 热水器这一行业的热点。 第二节第二节 国内外发展情况国内外发展情况 1964 年，周恩来总理出访亚非十一国时带回了两台日本“乐升“牌燃气热水器， 指示有关部门研制。但人们忙于运动，研制一事几经耽搁。1979 年底，我国第一台 4 投放市场的燃气热水器才在南京诞生。与此同时，我国的不带任何安全装置的燃气 热水器在各地开始土法上马，批量生产，年生产能力发展到 20 多万台。1985 年， 我国第一台后制式燃气热水器在广东顺德研制成功。1988 年，随着万家乐品牌的面 世，我国燃气具行业迎来了新的春天。万家乐人继创制我国第一台后制式燃气热水 器之后，一改土法上马、测试进口样机自行开发的作风，引进日本、德国、瑞士等 具国际先进水平的技术与设备，生产带熄火保护安全装置的直排式热水器。庞大的 市场需求，刺激着国内众多企业风涌而至，纷纷投向或转产燃气热水器这一新兴行 业。这些企业中有的从国外引进全套生产设备，有的以国营军工大厂凭雄厚实力投 入生产，乡镇企业、私人企业更是争先恐后跻身竞争行列。近年来，随着国外品牌 大举抢滩中国市场，燃气具行业也出现合资潮。一些国内知名生产厂家被外方控股 而失去自有品牌，如广东神州、南京玉环等，更有外资企业携巨资在华设办合资企 业，如上海水仙能率、浙江松下等。中国燃气具行业呈现一派空前的万马奔腾的新 景象。 据来自市场的反馈信息，如今国产热水器无论在销量、产量、市场占有率上均 已占绝对优势，令来势汹汹的进口品牌只能退避三舍，打破了进口热水器试图瓜分 中国市场的美梦。究其原因，国产热水器在质量上已与进口品牌相差无几，但价格 却比进口产品低一半以上。在售后服务上，国内厂家也较外国公司重视。这与国内 几大热水器生产厂家以自己的实力捍卫民族品牌所作的不懈努力是分不开的。总体 上说，八十年代中期，国内市场上销售的燃气热水器 95%以上为国产产品，基本上 以仿制日本的产品为主，追求机型的灵巧，外观的华丽和样式多变，操作的简便。 进入九十年代以来，很多企业一方面从日本、德国、意大利等国家引进了各种先进 设备和技术，加上国内企业不断对产品进行改造、改型，积极倡导科技进步，更加 注重产品的安全性、功能性，使燃气具行业得到了稳步健康的发展。 科技先导，安全第一，我国燃气具行业经过十几年的飞速发展，在全体科研工 作者努力创新、不断进取下，燃气热水器历经了几次不同的技术变革：点火方式由 压电式电子点火过渡到电脉冲点火，进而发展到水控全自动点火；排烟方式由直排 式到烟道式到平衡式，再到强制排烟式；安全装置形式由熄火保护到缺氧保护，到 防止不完全燃烧，再到强制排烟保护。八十年代末期是我国燃气热水器的直排式(电 子点火、电脉冲点火)时代，热水器从无任何安全保护装置发展到配有熄火保护和过 压保护等安全装置，水温、水量均衡稳定，但热水器的容量低，局限于生产 5 升产 5 品。九十年代初，全自动水控式揭开了燃气热水器的一个新时期。1990 年下半年我 国第一台水控式燃气热水器诞生，同时厂家引进了国外大批的先进设备，采用进口 的关键部件，并在熄火保护和稳压装置的基础上，配备了过热和缺氧保护装置，优 良的质量和方便的水、气联动操作性能使水控式燃气热水器迅速覆盖了全国各大中 城市。 九十年代中期，随着燃气热水器的大面积普及，消费者对燃气热水器的安全性 能和方便使用性能提出了更多更新的要求，燃气具行业进入了一个调整时期。在新 的形势下，厂家多方面地为用户着想，加大了产品质量和产品性能两大方面的工作 力度。在质量管理方面，注重与国际惯例接轨，以通过 ISO9001 国际质量体系认证 为手段，按照该体系严格规范内部管理与售后服务管理。在产品性能方面，加大了 安全性能和方便使用性能的研究力度先后推出了一批带有特殊安全装置和方便使用 装置的直排式和烟道式燃气热水器，其中具有代表意义有三种装置：一是防止不完 全燃烧装置；二是 20 分钟定时提示装置；三是冬夏火力切换装置，可以随季节变化 切换该装置，按用户所需大幅度调节水温，从根本上解决了气温高时用热水器水温 较高易烫伤、低水压启动时水温严重偏高这一困扰消费者多年的难题，成为真正意 义上的低水压启动热水器。近一、两年来，经过实践摸索和广泛借鉴国外的先进经 验，燃气热水器生产厂家和广大消费者，都逐步认识到强排式水控热水器才是最为 安全和方便的燃气热水器，一个水、气、电一体化强排式燃气热水器的新时代已经 悄然来临。强制排烟燃气热水器和强制排烟、冬夏型燃气热水器，具有安全性能好、 热水产率大、热效率高、安装使用方便等特点。微电脑芯片控制，气电一体化计， 水气电联合全自动控制。采用强制排烟方式，能将燃烧产生的废气全部排至室外， 保证使用更加安全，并特设烟道堵塞和防倒风安全保护装置。电源插头带防漏电装 置，确保使用安全。具有先排烟后点火，先熄火后停排烟功能。同时具有 20 分钟定 时提示、熄火保护、接地保护、过热保护、过压安全保护、防冻结安全保护等功能。 另外，为方便用户安装，还专门设计并配置了小口径的不锈钢可伸缩弯曲的排 烟管道。强制排烟燃气热水器被公认为目前国内最具安全性和先进性的热水器，是 符合中国国情并极有发展前途、能为消费者提供最大安全保障的新一代产品。可以 说，生产厂家对燃气热水器的不断升级换代，为消费者提供方便的同时，也把安全 的可能性提供给了消费者。但事实上，尽管国家和企业作出了种种努力，仍不能彻 6 底解决热水器的安全问题。权威人士忠告：使用燃气热水器就会有安全事故发生， 但只要正确选购和规范化使用，就能避免事故的发生。据有关资料统计，我国 70%- 80%的安全事故是消费者使用不当等人为因素造成的，而所使用的热水器事后经权威 机构检验有的是合格产品。作为消费者，在享受人生、领略现代文明的同时，增强 自己的生命保护意识，熟悉燃气热水器的使用基本常识，选择高品质、高安全性的 产品，是非常有必要的。全社会也要加强热水器的科普知识宣传。燃气热水器安全 事故警钟长鸣，对我们来说，燃气热水器的安全问题将是一个持久的话题，中国燃 气热水器事业的发展任重道远。 快热式电热水器在国外使用相当广泛，尤其是在欧美和东南亚地区。快热式热 水器自五六年前开始进入市场，受使用环境和产品技术的影响，几年来一直处于比 较缓慢的发展状态中。前些年，快热式产品在国内市场上曾经出现过一段时间，由 于当时国内电力条件不成熟，对大功率的电产品一般无法正常使用，也没有好技术 来保证其质量与安全，种种因素限制了其在国内的发展。2003 年以来，随着涉足企 业的增多，产品技术上的日趋成熟和稳定,加之国内用电环境的日益改善,一些专业 即热式电热水器的生产企业已经掌握了产品的核心技术,市场在局部地区开始启动， 增长速度快速提升。在北京，广州，沈阳甚至占据了家用热水器市场份额的前三强 。 几年后的今天，市场再度“蠢蠢欲动”。快热式电热水器行业中一些比较优秀的 品牌，向市场中推出了技术较为成熟的洗涤用洗澡用即热式产品，如哈佛水晶发热 体快热式电热水器，但是更多的则是一些技术还不是很成熟、有待于市场检验的产 品。近几年来，随着人们生活水平的不断提高，国家电网改造和相关规定的出台， 电力工业迅速发展，预示了快热式产品在国内的广泛前景。根据国家住宅设计规范 （GF500%-1999）现有商品住房的电器线路导线必须采用铜芯线，每套住宅进线截 面积不小于 10m,分支引线不得小于 2.5，电表规格不得小于 20（40）A，所以 现购新标准住宅用户，都有条件使用上述这种安全、方便的快热式电热水器，确保 产品万无一失，安全系数达 100%，通过检测，快热式比传统的热水器可节省 40% 的能耗，用多少热水加热多少，没有热水用不完时的浪费和使用中途热水供应不足 的现象，热水利用率 100%，因为它既不需要提前预热，也不需保温，省去了大量的 额外开支，给用户带来真正的实惠。即热式产品作为新型环保产品在我国广泛使用 已是大势所趋，符合现代消费潮流。一切迹象都在预示着快热式的春天就要来临了。 7 第二章第二章 方案论证方案论证 第一节第一节 本设计研究的内容和所做的工作本设计研究的内容和所做的工作 （1）对温度精确控制，采用高性能的热敏电阻实时采集热水器内水温，将温度信 号转变为电压信号后送单片机处理，可用高清晰度的数码管进行实时显示。用2位数 码管显示出水温度，能显示设定功率档位。 （2）温度检测显示范围为 00-99，精度为1。 （3）设置 3 个功率档位指示灯，1-4 档 1 个灯亮，5-8 档 2 个灯亮，9 档 3 个灯 全亮，0 档无功率输出，档位灯不亮。 （4）设置 3 个轻触按钮，分别为电源开关键、 “+” 键和“-”键。加热功率分为 0-9 档，按“+”键依次递增至 9 档，按“-”键依次递减至 0。0-9 档功率依次为 0、19P、29P、39P、49P、59P、69P、79P、89P 和 P。 （5）超温断电保护并具有报警功能，当出水温度超过 65时停止加热，并蜂鸣 报警，温度降至 45以下时恢复。 （6）可靠的水位采集电路，实时采集水位供查询时进行显示，当水位过低时给出 提示并停止加热，内胆温度超过 105时停止加热，防止干烧。 第二节第二节 系统模块的设计系统模块的设计 按快热式电热水器的功能要求，决定采用如图 2-1 所示的模块组成系统， 温度检测 单 片 机 LED 显示 8 图 2-1 快热式电热水器系统组成框图 该系统主要包括电源电路模块、单片机控制器、温度检测电路模块、按键输入 电路模块、LED 数码管及指示电路模块、报警电路和加热控制电路模块。 快热式电热水器为了达到“快热”的效果，取消了储水罐，使冷水在进入加热 管后立即被加热，这就要求加热管有较大的功率。家用电热水器一般采用方便、可 靠的电热丝加热方法。根据热学及流体力学原理，结合实际实验室测试，可以得到 水温与流量、加热功率之间的关系如表 1 所列。 表 2-1 中所列水温值和流量值可以满足大多数家庭用户使用要求。当最大的加热 功率为 7.5KW 时，按 220V 供电计算，电流约为 34A，所以要求专线供电。 表 2-1 水温与流量、加热功率之间的关系 水流量L/min 温度 功率kw 22.533.54 4.54742363432 5.55448413835 6.56254464238 7.57060514641 注：进水温度为 15，输入电压为 AC220V 对于加热功率的控制，最简单的方法是由若干不同功率的电热丝组合得到几种 加热功率，但由于快热式热水器的加热功率较普通的大，且档位设置较多，用电热 丝组合的方法需要几组电热丝和继电器，成本增高且工作可靠性降低，所以比较理 想的是采用可控硅控制功率，电路简单又控制方便。 温度检测的方法较多，最经典的方法就是用热敏电阻（或热敏传感器）组成电 按键输入 电 源加热控制 蜂鸣报警 9 桥来采集信号，再经放大，A/D 转换后送单片机。目前比较先进的方法是采用专门 的集成测温传感器（如 DS18B20） ，直接将温度转换成数字信号传送给单片机。为了 简化电路，降低成本，本文采用了温度/频率转换测温法，直接将温度信息转换成频 率信号，用单片机测出频率大小，从而间接测出温度值，温度/频率转换电路简单可 靠，成本低廉。 第三章第三章系统硬件电路的设计系统硬件电路的设计 第一节第一节主控单片机的选择主控单片机的选择 采用一种选用以 AT89C51 为核心的单片机控制方案。AT89C51 单片机是美国 ATMEL 公司生产的，他与 Intel 公司 MCS-51 系列单片机兼容，采用 CMOS 工艺制造， 节电性能好。AT89C51 提供了以下的标准功能：片内含 4kB 字节的可重编程闪速存 储器 E2PROM 和 128B 的内部 RAM、32 根 IO 引线、2 个 16b 定时器计数器、1 个 五向量两级中断结构、1 个全双工串行口。本芯片是对嵌入式控制应用提供的一个 高度灵活和成本低的解决方案。AT89C51 的上述优点和功能在本设计中能够得以充 分利用，加以必要的辅助硬件电路能使本设计完善，所以选用 AT89C51 作为本设计 的主控芯片。下面是对 AT89C51 的简单介绍： 80C51 内置中央处理单元、128 字节内部数据存储器 RAM、32 个双向输入/输出 (I/O)口、2 个 16 位定时/计数器和 5 个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片 内时钟振荡电路。此外，80C51 还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲 和掉电模式。在空闲模式下冻结 CPU 而 RAM 定时器、串行口和中断系统维持其功能。 掉电模式下，保存 RAM 数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。 10 图 3-1 单片机管脚图 Vss(20 脚):接地 VCC（40 脚）: 主电源+5V XTAL1（19 脚）:接外部晶体的一端。在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。在 采用外部时钟时，对于 HMOS 单片机，该端引脚必须接地；对于 CHMOS 单片机，此引 脚作为驱动端。 XTAL2（18 脚）: 接外部晶体的另一端。在片内它是一个振荡电路反相放大器的输 出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率。若需采用外部时钟电路，对于 HMOS 单片机， 该引脚输入外部时钟脉冲；对于 CHMOS 单片机，此引脚应悬浮。 RST（9 脚）: 单片机刚接上电源时，其内部各寄存器处于随机状态，在该脚输入 24 个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位（RESET）。 PSEN（29 脚）: 在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器读选通信号。 CPU 在向片外存储器取指令期间，PSEN 信号在 12 个时钟周期中两次生效。不过，在 访问片外数据存储器时，这两次有效 PSEN 信号不出现。PSEN 端同样可驱动 8 个 LSTTL 负载。我们根据 PSEN、ALE 和 XTAL2 输出端是否有信号输出，可以判别 80C51 是否在工作。 ALE/PROG（30 脚）:在访问片外程序存储器时，此端输出负脉冲作为存储器读选通 信号。在 FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频 11 率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的 1/6。因此它可用作对外部输出的 脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部 执行状态 ALE 禁止，置位无效。 EA/VPP（31 脚）: 当 EA 端输入高电平时，CPU 从片内程序存储器地址 0000H 单元开 始执行程序。当地址超出 4KB 时，将自动执行片外程序存储器的程序。当 EA 输入低 电平时，CPU 仅访问片外程序存储器。在对 87C51EPROM 编程时，此引脚用于施加编 程电压 VPP。 输入/输出引脚： （1）P0.0P0.7 (39 脚32 脚) （2）P1.0P1.7 （1 脚8 脚） （3）P2.0P2.7 （26 脚21 脚） （4）P3.0P3.7 （10 脚17 脚） 单片机系统的扩展原则：一个单片机应用系统的硬件电路设计包括两部分内容：一 是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如 ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中 断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设 计相应的电路。二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显 示器、打印机、A/D、D/A 转换器等，要设计合适的接口电路。 系统的扩展和配置应遵循以下原则： （1）尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。为硬件系统的标准化、模块 化打下良好的基础。 （2）系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适 当余地，以便进行二次开发。 （3）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影 响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实殃，以简化硬件结构。但必 须注意，由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用 CPU 时间。 （4）系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。如选用 CMOS 芯片单片机构成低 功耗系统时，系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。 （5）可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分，它包括芯片、器件选择、 12 去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。 （6）单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作 不可靠，可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。 （7）尽量朝“单片”方向设计硬件系统。系统器件越多，器件之间相互干扰也越强， 功耗也增大，也不可避免地降低了系统的稳定性。随着单片机片内集成的功能越来 越强，真正的片上系统 SoC 已经可以实现，如 ST 公司新近推出的 PSD32系列 产品在一块芯片上集成了 80C32 核、大容量 FLASH 存储器、SRAM、A/D、I/O、 两个串口、看门狗、上电复位电路等等。 第二节第二节 系统总电路系统总电路 采用如图 2-1 所示的模块组成系统电路，包括电源电路、单片机控制器、温度 检测电路、按键输入电路、LED 数码管及指示电路、报警电路和加热控制电路。 快热式热水器控制系统电路如图 3-2（附录 2）所示。它由七部分电路组成：单 片机系统及外围电路、电源电路、按键输入电路、LED 数码管及指示灯电路、报警 电路、加热控制电路和温度检测电路。 80C51 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英 晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡器。 外接晶体以及电容 C1 和 C2 构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对 外接电容的值没有严格的要求，但电容的大小多少会影响振荡器频率的高低、振荡 器的稳定性、起振的快速性和温度稳定性。在设计印制电路板时，晶体或陶瓷谐振 器和电容应尽可能安装的与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好的保证振荡器 稳定和可靠的工作。为了提高温度稳定性，应采用具有温度补偿性的单片陶瓷电容。 51 单片机常选择振荡器频率为 6MHz 或 12MHz 的石英晶体，随着集成电路制造 工艺技术的发展，单片机的时钟频率也在逐步提高，现在的高速单片机时钟芯片的 频率已达 40MHz。 本设计控制器采用成本低廉且工作可靠的 80C51 或其兼容系列的单片机，采用 12MHz 的晶振。 80C51 对电源要求不甚严格，电源电路采用普通的市电降压整流， 然后经集成稳压器（7805）稳压输出+5V 电压，按键采用轻触小按钮。显示电路采 13 用两位共阳极数码管，由两个三极管 9012 驱动。3 个 LED 指示灯用于指示加热功率。 报警电路采用 5V 的自鸣式蜂鸣器。 电源采用输出为正 5V 直流电压的稳压电源电路。IC 采用集成稳压器 7805 三端 稳压器。它是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成 本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最 为广泛的一种单片式集成稳压器件。当输出电流较大时，7805 应配上散热板。其中 的电容起滤波作用。 14 U3C 74LS04 U3A 74LS04 U3B 74LS04 R24 1K t R4 100 C1 0.056F C2 1F +5V C3 33F 12 Y1 12MHZ C4 33F R5 8.2K C8 10F +5V R1 10K +5V U3D 74LS04 Q1 8050 R2 1M R3 10K D2D5 IN40074 T1 220/9V 1 2 3 4 220V S1 S2 S3 U4 5V Q2 9012 +5V R6 4.7K D1 IN4007 C7 1000F/16V C5 0.1F VinVout GND 7805 U1 13 C9 470F/10V +5V C6 0.1F U5 MOC3023 R7 510 EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 P1.7 8 P1.6 7 P1.5 6 P1.4 5 P1.3 4 P1.2 3 P1.1 2 P1.0 1 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P0.0 39 P0.1 38 P0.2 37 P0.3 36 P0.4 35 P0.5 34 P0.6 33 P0.7 32 RXD 10 TXD 11 ALE/P 30 PSEN 29 WR 16 RD 17 P2.7 28 P2.6 27 P2.5 26 P2.4 25 P2.3 24 P2.2 23 P2.1 22 P2.0 21 +5V R8 2K/1W Q6 BTA41 R25 heater R22 20K/2W LED1 D6 IN4007 K1 F1 FUSE Q5 9012 R23 4.7K LED4 LED3 LED2 80C51 R19 510 R20 510 R21 510 R9 4.7K R10 4.7K Q3 9012 Q4 9012 +5V f 6 g 7 e 5 d 4 c 3 DP 8 b 2 a 1 DS1 共共 f 6 g 7 e 5 d 4 c 3 DP 8 b 2 a 1 DS2 共共 R11 2008 R12 R13 R14 R15 R16 R17 R1812 34 56 89 图 3-2 快热式电热水器控制系统电路图 15 第三节第三节 电源电路电源电路 电源采用输出为正 5V 直流电压的稳压电源电路。IC 采用集成稳压器 7805 三端 稳压器。它是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、成 本低、性能好、工作可靠性高、使用简捷方便等特点，成为目前稳压电源中应用最 为广泛的一种单片式集成稳压器件。当输出电流较大时，7805 应配上散热板。 C5、C7 分别为输入端滤波电容，C6，C9 为输出端滤波电容。如图 3-3 在论文中所示 图 3-3 电源电路 220V 交流市电通过电源变压器变换成交流低压，再经过桥式整流电路也是波浪 形的，只是整流好些峰谷差小些而已，不可能是完完全全的一条直线那种直流，必 须滤波。图中第一组电解电容和瓷片是为了抑制高频干扰。电解电容对这种高频电 流的电阻很大 也就是说光用一只大的电解电容对高频干扰的吸收能力比较差。有高 频电流的情况下，瓷片电容的效果很好 但是这些电容的特点是容量不能做得很大 （或者说容量大时成本非常高） 所以单独用一个这样的电容也不行。所以把两种电 容并联起来 取长补短，效果很好。经过第一组电容的滤波后，在固定式三端稳压器 LM7805 的 Vin 和 GND 两端形成一个并不十分稳定的直流电压(该电压常常会因为市 电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化)。此直流电压经过 LM7805 的稳压和 第二组电容的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。 16 第四节第四节 加热控制电路加热控制电路 图 3-4 放在论文中所示为加热控制电路原理图，加热控制是通过单片机输出口,控 制晶体三极管,从而控制继电器的通断即加热丝的通断来完成。电热丝的加热功率由 双向可控硅控制，单片机通过光耦给可控硅触发信号，控制可控硅的导通角，从而 控制电热丝的有效加热功率。为了在关机和超温保护的状态下能可靠地关断加热电 源，电路中加入了继电器来控制加热电源。其中串联在继电器线圈回路的熔丝为 105时，热保险丝会熔断，防止加热管干烧。与电热丝并联的 LED 发光管用来指示 电热丝的工作状态。 可控硅触发信号中需要对市电进行过零检测，以实现触发脉冲的相位延时。本 电路中利用三极管 8050 和一个“非”门实现过零检测的，电路如图 3-5 放在论文中 所示。 9012 是一种常用的 PNP 型贴片用于低频放大 8050 是一种常用的低电压,大电流,小信号的 NPN 型三极管,和 8550（PNP）相对. Q6 BTA41 R8 2K/1W R25 heater R22 20K/2W R7 510 R23 4.7K Q5 9012 U5 MOC3023 D6 IN4007 LED1 P1.7 +5V +5V P1.6 K1 F1 FUSE 220V 图 3-4 加热控制电路图 17 图 3-5 过零检测电路图 桥式整流器是利用二极管的单向导通性进行整流的最常用的电路，常用来将交 流电转变为直流电。 原理：桥式整流是对二极管半波整流的一种改进。半波整流利用二极管单向导通特 性，在输入为标准正弦波的情况下，输出获得正弦波的正半部分，负半部分则损失 掉。桥式整流器利用四个二极管，两两对接。输入正弦波的正半部分是两只管导通， 得到正的输出；输入正弦波的负半部分时，另两只管导通，由于这两只管是反接的， 所以输出还是得到正弦波的正半部分。 桥式整流器对输入正弦波的利用效率比半波 整流高一倍。桥式整流是交流电转换成直流电的第一个步。 第五节第五节 温度检测温度检测电路电路 一、多谐振荡器一、多谐振荡器 多谐振荡器是利用深度正反馈，通过阻容耦合使两个电子器件交替导通与截止， 从而自激产生方波输出的振荡器。常用作方波发生器。 多谐振荡器是一种能产生矩形波德自激振荡器，也称矩形波发生器。 “多谐”是 指矩形波中除了基波成分外，还含有丰富的高次谐波成分。多谐振荡器没有稳态， 只有两个暂稳态。在工作时，电路的状态在这两个暂稳态之间自动的交替变换，由 18 此产生矩形波脉冲信号，常用作脉冲信号源及时序电路中的时钟信号。 温度检测电路如图 3-6 放在论文中所示，温度/频率变换电路是利用反相器组成 的 RC 多谐振荡器，其中的 R24 是一个热敏电阻，当温度变化时引起热敏电阻的阻 值变化，从而改变了振荡器输出的方波频率。 该频率的估算可用如下的公式： f1.1RC 56 U3C 74LS04 R24 1K t C1 0.056F R4 100 34 12 U3A 74LS04 U3B 74LS04 INT0 图 3-6 温度检测电路图 “热敏电阻”一词源于对“热度敏感的电阻”这一描述的概括。热敏电阻包括两 种基本的类型，分别为正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻。负温度系数热 敏电阻非常适用于高精度温度测量。要确定热敏电阻周围的温度,可以借助 Steinhart-Hart 公式：T=1/(A0+A1(lnRT)+A3(lnRT3) 来实现。其中，T 为开氏温度； RT 为热敏电阻在温度 T 时的阻值；而 A0、A1 和 A3 则是由热敏电阻生产厂商提 供的常数。 热敏电阻的阻值会随着温度的改变而改变，而这种改变是非线性的， Steinhart-Hart 公式表明了这一点。在进行温度测量时，需要驱动一个通过热敏电 阻的参考电流，以创建一个等效电压，该等效电压具有非线性的响应。我们可以使 用配备在微控制器上的参照表，尝试对热敏电阻的非线性响应进行补偿。即使我们 可以在微控制器固件上运行此类算法，但是还是需要一个高精度转换器用于在出现 极端值温度时进行数据捕获。另一种方法是，您可以在数字化之前使用“硬件线性 19 化”技术和一个较低精度的 ADC。其中一种技术是将一个电阻 RSER 与热敏电阻 RTHERM 以及参考电压或电源进行串联。将 PGA（可编程增益放大器）设置为 1V/V， 但在这样的电路中，一个 10 位精度的 ADC 只能感应很有限的温度范围（大约 25C） 。 二、二、74LS0474LS04 与与 74LS1474LS14 的区别的区别 74LS04 与 74LS14 都是 74 系列的非门。他们的区别是：1、输出：74LS04 和 74LS14 是一样的。如果同一个公司，输出参数都是一样的。2、输入：两者不同的 是输入不一样。74LS04 输入是 TTL 电平，74LS14 输入是施密特输入（有滞回特性） 。 因为输入不一样，两个芯片的应用场合也有所不同。74LS04 多用于板内一般数据的 “非”控制，而 74LS14 一般用于某些信号的整形或者异受干扰/关键信号的信号缓 冲等。大部分情况下 74LS14 可以替代 74LS04。 74ALS04 和 74LS04 都