智能电热壶的设计毕业论文.doc

工工 学学 院院 毕毕 业业 设设 计 计 论论 文文 题 目 智能电热壶的设计 专 业 机电技术教育 班 级 073 班 姓 名 方良赟 学 号 1664070303 指导教师 张平娟 日 期 2010 年 11 月 15 日 目目 录录 摘要 1 关键词 1 引言 1 1 单片机的发展与应用 1 1 1 单片机简介 1 1 2 单片机的技术发展 1 1 3 单片机的应用 2 2 单片机 AT89C51 的基本数据 3 2 1 AT89C51 概述 3 2 2 AT89C51 功能特性概述 4 2 3 AT89C51 的最小系统 6 3 智能电热壶的基本数据 7 3 1 智能电热壶的工作原理 7 3 2 报警电路的实现 8 3 3 1 报警电路控制元件的选择 9 3 2 2 报警电路的工作原理 9 3 2 3 报警电路的电路设计 10 3 3 控制电路的实现 11 3 3 1 控制电路控制元件的选择 11 3 3 2 控制电路的工作原理 11 3 3 3 控制电路的电路设计 12 3 4 其它电路的实现 15 3 4 1 时钟电路的实现 15 3 4 2 复位电路的实现 15 4 具体设计 16 4 1 硬件连接总原理图 16 4 2 程序设计 17 4 2 1 程序流程图 17 4 2 2 总程序及各函数功能简介 18 5 系统调试与结果 24 6 总结 25 7 致谢 25 参考文献 26 智能电热壶的设计智能电热壶的设计 摘要摘要 本文介绍了的是一款基于AT89C51单片机设计的智能电热壶 智能电热壶由报警电路和控制 电路两大部分组成 主要是介绍智能电热壶的报警功能和自动控制功能的设计和实现 采用AT89C51单 片机配合继电器 扬声器等的使用 给出了设计过程与编程方法 并用keil和Proteus软件进行调制仿 真 实现了智能电热壶的自动报警 智能控制 关键词关键词 AT89C51 自动报警 智能控制 引言引言 基于单片机的智能控制技术在各领域的用途越来越广泛 常见于笔记本电脑 智能数码相机 智能玩具 智能导航系统 智能电冰箱 智能空调 智能手机 智能家居等设备 它是这些设备中 科技含量最核心的部分之一 1 同时 这项技术能够综合运用单片机和信息传输和处理等方面 我 们在报纸上 网络上 电视上经常看到各种由于电热壶所引发的火灾 给广大消费者的生命安全和 财产安全带来了很大的隐患 因此一款更安全 智能 人性化的电热壶产品成了一种需求 和必然 的发展趋势 本课题就是利用我们学到的知识和当前的发展状况 研究单片机控制继电器和报警电路以实现 自动报警和智能控制功能 最终功能是可以通过硬件和软件的配合实现智能电热壶的这一功能 1 1 单片机的发展与应用单片机的发展与应用 1 11 1 单片机简介单片机简介 在通用微机中央处理器基础上 将输入 输出 I O 接口电路 时钟电路以及一定容量的存储 器等部件集成在同一芯片上 再加上必要的外围器件 如晶体振荡器 就构成了一个较为完整的计 算机硬件系统 由于这类计算机系统的基本部件均集成在同一芯片内 因此被称为单片微控制器 Single Chip Micro Controller 简称单片机 或微控制单元 Micro Controller Unit 简称 MCU 2 1 21 2 单片机的技术发展单片机的技术发展 1974 年 12 月 美国著名的仙童 Fairchild 公司推出了世界上第一台单片机 F8 该机由两块 集成电路芯片组成 结构新颖 并具有与众不同的指令系统 深受民用电器和仪器仪表领域的欢迎 和重视 从此单片机开始迅速发展 应用范围也在不断扩大 现已成为微型计算机的重要分支 单 片机的发展大致经历了外围集成 总线完善 功能集成 全方位发展等技术发展阶段 至今已走过 了四代的历程 3 1 第一代单片机 1974 1976 这是单片机的初级阶段 以 Fairchild 公司的 F8 为代表 该时期生产的单片机的特点是 字 长为 4 位 内部结构简单 制造工艺落后 集成度低 2 第二代单片机 1976 1980 这是单片机的技术成熟阶段 8 位单片机已经出现 以 Intel 公司的 MCS 一 48 为代表 该系 列的单片机在片内已经集成了 8 位 CPU 并行 I O 接口 8 位定时器 计数器 RAM 和 ROM 等功能 部件 但无串行 I O 接口 寻址范围不大于 4 KB 它性能低 品种少 应用范围也不广 3 第三代单片机 1980 1983 这是单片机的推广阶段 8 位单片机技术走向成熟 其技术特点是完善了外部总线 确立了单 片机的基本控制功能 以 Intel 公司的 MCS 一 51 为代表 MCS 一 51 是 Intel 公司在 MCS 一 48 基础 上推出的更完善 更典型的单片机系列 该阶段的单片机均带有串行 I 口 且具有多级中断 处理系统 定时器 计数器为 16 位 片内的 RAM 和 ROM 容量相对较大 寻址范围可达 64 KB 这 一代单片机结束了计算机单片集成的简单形式 真正开创了单片机作为微控制器的发展道路 而这 个时期的单片机由于其优良的性价比和及其广泛的领域 特别适合我国 的国情 故在我国广泛应 用 4 第四代单片机 1983 一 这是 8 位高性能单片机和 16 位单片机并行发展的阶段 16 位单片机除了 CPU 为 16 位以外 片内的 RAM 和 ROM 容量进一步增大 以 Intel 公司的 MCS 一 96 系列为代表 其片内的 RAM 增加为 232 B ROM 为 8KB 且片内集成有高速 I O 部件 多通道 10 位模 数 A D 转换器等 目前 将测控系统中使用的电路技术 接口技术 多通道模 数 A D 转换部件等直接应用到 单片机中 增强了外围电路功能 强化了智能控制特征的单片机不断涌现 同时 32 位单片机也 已进入实用阶段 4 1 31 3 单片机的应用单片机的应用 目前单片机已被广泛应用于国民经济的各个领域 对企业技术改造和产品更新换代起到了重要 的作用 下面仅就一些典型应用方面进行介绍 1 工业自动化方面 自动化能使工业系统处于最佳状态 可以提高经济效益 改善产品质量和减轻劳动强度 自动 化技术被广泛应用于机械 电子 电力 石油 化工 纺织 食品等工业领域中 在工业自动化技 术中 无论是过程控制技术 数据采集和测控技术 还是生产线上的机器人技术 都有单片机的参 与 由于单片机体积小 可以把它做到产品的内部 取代部分老式机械零件和电子元器件 缩小了 产品体积 增强了功能 实现了不同程度的智能化 机电一体化技术将发挥愈来愈重要的作用 如 国内外有相当一部分汽车工业 其汽车生产流水线控制 以及汽车自身的点火控制 反锁制动 牵 引 转向等控制都是采用单片机实现的 又如电脑缝纫机 用单片机代替了传统机械凸轮花样控制 不仅简化了机械结构 减少了加工工序和设备 而且使缝纫机性能大大提高 并能提供许多老式缝 纫机无法提供的缝纫花样 2 智能化仪器仪表 智能化仪器仪表是目前国内外应用单片机最多 最活跃的领域 现代仪器仪表 例如 测试仪 表和医疗仪器等 的自动化和智能化要求越来越高 在各类 包括温度 湿度 流量 流速 电压 频率 功率 厚度 角度 长度 硬度 元素测定等 仪器仪表中引入单片机 使仪器仪表向数字 化 智能化 微型化 多功能化方向发展 此外 单片机的使用还有助于提高仪器仪表的精度和准 确度 简化结构 减小体积及重量后易于携带和使用 并具有降低成本 增强抗干扰能力 便于增 加仪器仪表的显示 报警和自诊断等功能 增强抗干扰能力 便于增加仪器仪表的显示 报警和自 诊断等功能 如便携式心率监护仪 采用单片机能判断心跳过缓 心跳过速 停搏 漏搏等异常心 率 3 生活中的电器产品 当前 家用电器产品的一个重要发展趋势是不断提高其智能化程度 通过采用单片机进行控制 智能化家用电器将给我们带来更大的舒适和方便 例如 电脑全自动洗衣机 电冰箱 空调 电脑 微波炉 电视机和音像视频设备等 进一步改善生活质量 可以把我们的生活变得更加丰富多彩 如电子秤 是出现最早 最典型的一种单片机应用产品 内装单片机接收信息 计价处理时能立即 显示单价 售价 在菜场 商店里获得广泛应用 高级电子玩具的出现使玩具智能化 有很大的发 展潜力 尤其是在国际市场需求量较大 4 军事装备方面 科技强军 国防现代化离不开单片机 在现代化的飞机 军舰 坦克 大炮 导弹火箭和雷达 等各种军用装备上 都有单片机深入其中 近些年来 单片机正朝着高性能和多品种方向发展 尤 其是 MCS 51 系列单片机 由于它具有价格低廉 应用软件齐全 开发方便等特点 已成为目前单 片机中的主流机型 单片机的发展速度非常快 从有关统计资料提供的数据来看 单片机的产量已 占整个微机 包括一般的微处理器 产量的 80 以上 单片机正处在上升的前沿时期 就其整体的 发展趋势而言 单片机正向着大容量 高性能化 低价格化和外围电路内装化发展 随着半导体集成工艺的进步 外围电路也将是大规模的 应用时可把所需要的外围电路装入 单片机芯片内 从而简化外围电路的设计 未来的单片机将会使系统单片化 随着社会的进步和科 学技术的发展 单片机的发展及对单片机的需求和它在各个领域中的应用将得到进一步扩大 5 2 2 单片机单片机 AT89C51AT89C51 的基本数据的基本数据 MCS 51 是美国 Intel 公司的 8 位高档单片机系列 是在 MCS 51 系列基础上发展而来的 也是 我国目前应用最广的一种单片机系列 6 2 12 1 AT89C51AT89C51 概述概述 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压 高性能 CMOS8 位单片机 片内含 4Kbytes 的可反复擦 写的只读程序存储器和 128byte 的随机数据存储器 器件采用 ATMEL 公司高密度 非易失性存储技 术生产 兼容标准 MCS 51 指令系统 片内置通用 8 位中央处理器和 FLASH 存储单元 功能强大 AT89C51 单片机可灵活应用于各种控制领域 实物如图 1 所示 图 1 AT89C51 实物图 主要性能参数 7 与 MCS 51 产品指令和引脚完全兼容 4K 字节可重擦写 FLASH 闪速存储器 1000 次擦写周期 全静态操作 0Hz 24MHz 三级加密程序存储器 128 8 字节内部 RAM 32 个可编程 I O 口线 2 个 16 位定时 计数器 6 个中断源 可编程串行 UART 通道 低功耗空闲和掉电模式 2 22 2 AT89C51AT89C51 功能特性功能特性 AT89C51 是一种带 4K 字节闪存可编程可擦除只读存储器 FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory 的低电压 高性能 CMOS 8 位微处理器 AT89C2051 是一种带 2K 字节 闪存可编程可擦除只读存储器的单片机 单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000 次 该器 件采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造 与工业标准的 MCS 51 指令集和输出管脚相兼容 由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中 ATMEL 的 AT89C51 是一种高效微控制器 AT89C51 各种型号芯片的引脚是互相兼容的 目前 AT89C51 单片机多采用 40 只引脚的双列直插封 装 DIP 方式 外形及引脚排列如图所示 8 图 2 AT89C51 引脚图 4040 只引脚按其功能可分为如下只引脚按其功能可分为如下 3 3 类 类 1 电源及时钟引脚 Vcc Vss XTALl XTAL2 2 控制引脚 ALE RESET 即 RST PSENEA 3 I O 口引脚 P0 P1 P2 P3 为 4 个 8 位 I O 口的外部引脚 2 2 12 2 1 电源及时钟引脚电源及时钟引脚 1 1 电源引脚 电源引脚 电源引脚接入单片机的工作电源 1 Vcc 40 引脚 接 5V 电源 2 Vss 20 引脚 接地 2 2 时钟引脚 时钟引脚 1 XTALl 19 引脚 片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路的输入端 使用片内振荡器时 该引脚连接外部石英晶体和微调电容 2 XTAL2 18 引脚 片内振荡器反相放大器的输出端 当使用片内振荡器时 该引脚连接外 部石英晶体和微调电容 当采用外接时钟源时 引脚 XTALl 接收外部时钟振荡器的信号 XTAL2 悬 空 2 2 22 2 2 控制引脚控制引脚 控制引脚提供控制信号 有的引脚还具有复用功能 1 RST 9 引脚 复位信号输入端 高电平有效 当单片机运行时 在此引脚加上持续时间大 于 2 个机器周期 24 个时钟振荡周期 的高电平时 就可以对单片机完成复位操作 在单片机正常 工作时 此引脚应为 0 5V 的低电平 2 VPP 31 引脚 为外部程序存储器访问允许控制端 当 EA 引脚接高电平时 在 PCEA EA 值不超出 0FFFH 即不超出片内 4KBFlash 存储器的地址范围 的情况下 单片机读片内程序存储器 4KB 但超出 0FFFH 即超出片内 4KB Flash 存储器地址范围 时 将自动转向访问外部程序存储 器中的程序 当 EA 引脚为低电平时 对程序存储器的读操作只限定在外部程序存储器 地址为 0000H FFFFH 片内的 4KB Flash 程序存储器不起作用 VPP 为该引脚的第二功能 为编程电压输入端 对于 AT89C51 单片机 在对片内 Flash 固化编 程时 加在 VPP 引脚的编程电压为 5V 或 12V 3 ALE 30 引脚 ALE 为低 8 位地址锁存允许信号 在系统扩展时 ALE 的负跳沿将 P0PROG 口发出的低 8 位地址锁存在外接的地址锁存器中 然后 P0 口再作为数据端口使用 以实现 P0 口的 低 8 位地址和数据的分时复用 为该引脚的第二功能 在对片内 Flash 存储器编程时 此PROG 引脚作为编程脉冲输入端 4 29 引脚 读外部程序存储器的选通信号 在单片机读外部程序存储器时 此引脚PSEN 输出脉冲的负跳沿作为读外部程序存储器的选通信号 此引脚接外部程序存储器的 输出允许 OE 端 在访问外部 RAM 时信号无效 9 PSEN 2 2 32 2 3 并行并行 I OI O 引脚引脚 P0P0 口口 P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I O 口 也即地址 数据总线复用口 作为输出口用时 每位能吸收电流的方式 8 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 时 可作为高阻抗输入端用 在访问 外部数据存储器或程序存储器时 这组口线分时转换地址 低 8 位 和数据复用 在访问期间激活 内部上拉电阻 在 FLASH 编程时 P0 口接收指令字节 而在程序校验时 输出指令字节 校验时 要求外接上拉 电阻 P1P1 口口 P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 的输出缓冲级可驱动 吸收或输出电 流 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平 此时可作输入 口 作输入口使用时 因为内部存在上拉电阻 某个引脚被外部信号拉低时输出一个电流 FLASH 编程和程序校验期间 P1 接收低 8 位地址 P2P2 口口 P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 的输出缓冲级可驱动 吸收或输出电 流 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 通过内部的上拉电阻把端口拉倒高电平 此时可作输入 口 作输入口使用时 因为内部存在上拉电阻 某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 在访 问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器时 P2 口送出高 8 位地址数据 在访问 8 位地址 的外部数据存储器时 P2 口输出 P2 锁存器的内容 FLASH 编程或校验时 P2 亦接收高位地址和一些控制信号 P3P3 口口 P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P3 口输出缓冲级可驱动 4 个 TTL 逻 辑门电路 对 P3 口写 1 时 它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口 此时 被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流 10 P3 口除了作为一般的 I O 线外 更重要的用途是它的第二功能 如表 1 所示 11 表 1 P3 口的第二功能 端口引脚第二功能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行口输出口 P3 2 INT0 外中断 0 P3 3 INT1 外中断 1 P3 4 T0 定时 计数器 0 P3 5 T1 定时 计数器 1 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 此外 P3 口还接收一些用于 FLASH 闪存存储器编程器和程序校验的控制信号 2 32 3 AT89C51AT89C51 的最小系统的最小系统 AT89C51 的最小系统由单片机连接复位电路和晶振电路组成如图 3 4 所示 图 3 单片机复位电路 复位电路复位电路 复位原理复位原理 复位操作有手动复位和上电自动复位 智能电热壶的设计采用的是一种上电自动复 位电路 在复位电路上电的瞬间 RC 电路充电 由于电容上电压不能突变 所以 RST 引脚出现高 电平 RST 引脚出现的高电平将会随着对电容 C 的充电过程而逐渐回落 为了保证 RST 引脚出现的 高电平持续两个机器周期以上的时间 需要合理地选择其电阻和电容的参数值 而电阻和电容参数 的取值随着时钟频率的不同而变化 12 在单片机应用系统中 除单片机本身需要复位外 外部扩展接口电路等也需要复位 所以系统 需要一个同步的复位信号 为了保证系统可靠工作 CPU 应在系统所有芯片的初始化完成后再对其 进行读写 因此硬件电路应保证单片机复位后 CPU 开始工作时 所有的外部扩展接口电路全部复位 完毕 即外部扩展接口电路的复位操作完成在前 单片机的复位操作完成在后 也可以采用软件的 方式提供这种保证 在主程序的开始部分加入延时 然后再对单片机进行初始化操作 复位状态 复位状态 单片机复位后 进入初始状态 初始化后 其状态如下 13 1 程序计数器 PC 0000H 即复位后单片机从 0000H 单元开始执行程序 一般在 0000H 单 元 存放一条转移指令 转移到主程序中 2 P0 一 P3 口 FFH 即各 U0 锁存器置 1 可以直接输入 3 堆栈指针 SP 07H 即堆栈的栈顶地址为 07H 单元 07H 单元为工作寄存器区 一般需 要堆栈时 将 SP 赋值 应超过 30H 4 其余的 SFR 均为 00H 5 片内 MM 为随机值 内部寄存器的复位状态 图 4 单片机的时钟电路 时钟电路时钟电路 5l 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 XTALl 和 XTAL2 分别是此放 大器的输入端和输出端 51 单片机的时钟可由内部方式或外部方式产生 智能电热壶的设计当中 采用的是内部方式 内部时钟方式的硬件电路如图 4 所示 在 XTALl 和 XTAL2 引脚接上一个晶振 在晶振上加上两个稳定频率的 C1 和 c2 对外接电容值虽然没有严格的要求 但电容的大小多少会 影响振荡频率的高低 振荡器的稳定性 起振的快速性和温度的稳定性 其典型值为 30pF 晶振 频率典型值为 6MHz 12MHz 14 3 3 智能电热壶智能电热壶的基本数据的基本数据 经过几十年的发展 中国电热壶市场已经进入成熟期 前些日 电器 记者在采访中了解到 目前国内城镇居民对电热壶产品的认知率已超过70 这类产品的国内市场占有率已从1999年的 10 99 上升到2005年的23 45 而进一步的统计数字还显示 1999 2005年电热水壶产量的复合增 长率为26 36 产值的复合增长率为35 00 产量 出口量和内销量同步迅速增加 行业内预测 认为 2006年国内电热水壶市场将会迎来历史上第一个快速成长期 2006年电热水壶预计销量在 9OO万台左右 市场规模将达20亿元 市场迅猛的增长使电热水壶这个本无太多看点的小家电产品 开始变得引人注目 15 有数据显示 目前全球 90 以上的电热水壶产品来自中国 广东东菱凯琴集团董事长助理潘 卫东告诉记者 目前国产电热水壶在国际市场上占据主导地位 许多企业的产品质量已经完全符 合欧美市场对电热水壶产品环保 健康 安全等方面的要求 总体出口逐年增加 我们公司每年都 有 1200 万台电热壶走上国际市场 16 3 13 1 智能电热壶的控制原理智能电热壶的控制原理 自动报警功能 自动报警功能 当智能电热壶加热到设定的温度后 用AT89C51单片机产生 嘀 嘀 报警 声从P1 0端口输出 产生频率为1KHz 根据图5可知 1KHZ方波从P1 0输出0 2秒 接着0 2秒从 P1 0输出电平信号 如此循环下去 就形成我们所需的报警声了 这样就可以达到提醒用户的作用 智能控制功能 智能控制功能 当智能电热壶加热到设定的温度后 AT89C51单片机将会从P1 3端口输出一个 电平 用来触发可控硅 当可控硅在触发电流的作用下导通时 控制电路开始工作 此时继电器的 线圈通电 断开加热电路 电热壶开始停止加热 以达到智能控制的作用 以免用户在未听到报警 声 但是电热壶还在加热 导致火灾等突发事件 有了智能控制系统以后可以很好的保证安全性能 同时还可以起到节能的作用 比较人性化 3 3 2 2 报警报警电路的实现电路的实现 3 2 13 2 1 报警电路控制元件的选择报警电路控制元件的选择 1 1 音频放大模块音频放大模块 LM386 是一种低电压通用型音频集成功率放大器 广泛应用于收音机 对讲机和信号发生器中 内部设定 增益为 20dB 当在 1 与 8 引出端外接电容与电阻时 其增益增加可达 200dB 以内的任何值 当输出自动偏置到电源电压一半 输入端参考地 6V 电源工作时静态功率只有 24mW LM386 的外形与管脚图 如图 5 6 所示 它采用 8 脚双列直插式塑料 图 5 LM386 外形与管脚图 图 6 LM386 的管脚图与内部电路图 表一 LM386 的电特性 2 2 扬声器扬声器 扬声器又称 喇叭 是一种十分常用的 电声换能器件 在发声的电子电气设备 中都能见到它 如图7 图 7 扬声器 扬声器的主要性能指标扬声器的主要性能指标 扬声器的主要性能指标有 灵敏度 频率响应 额定功率 额定阻抗 指向性以及失真度等参 数 额定功率额定功率 扬声器的功率有标称功率和最大功率之分 标称功率称额定功率 不失真功率 它 是指扬声器在额定不失真范围内容许的最大输入功率 在扬声器的商标 技术说明书上标注的功率 即为该功率值 最大功率是指扬声器在某一瞬间所能承受的峰值功率 为保证扬扬器工作的可靠性 要求扬声器的最大功率为标称功率的 2 3 倍 额定阻抗额定阻抗 扬声器的阻抗一般和频率有关 额定阻抗是指音频为 400Hz 时 从扬声器输入端测 得的阻抗 它一般是音圈直流电阻的 1 2 1 5 倍 一般动圈式扬声器常见的阻抗有 4 8 16 32 等 频率响应频率响应 给一只扬声器加上相同电压而不同频率的音频信号时 其产生的声压将会产生变化 一般中音频时产生的声压较大 而低音频和高音频时产生的声压较小 当声压下降为中音频的某一 数值时的高 低音频率范围 叫该扬声器的频率响应特性 理想的扬声器频率特性应为 20 20KHz 这样就能把全部音频均匀地重放出来 然而 这是做不到的 每一只扬声器只能较好地 重放音频的某一部分 失真失真 扬声器不能把原来的声音逼真地重放出来的现象叫失真 失真有两种 频率失真和非线 性失真 频率失真是由于对某些频率的信号放音较强 而对另一些频率的信号放音较弱造成的 失 真破坏了原来高低音响度的比例 改变了原声音色 而非线性失真是由于扬声器振动系统的振动和 信号的波动不够完全一致造成的 在输出的声波中增加一新的频率成分 指向特性指向特性 用来表征扬声器在空间各方向辐射的声压分布特性 频率越高指向性越狭 纸盆越 大指向性越强 扬声器参数 扬声器参数 扬声器的参数是指采用专用的扬声器测试系统所测试出来的扬声器具体的各种性能参数值 其 常用的参数主要包括 Z Fo 0 SPL Qts Qms Qes Vas Mms Cms Sd BL Xmax Gap gauss 以下分别是这 几种参数其物理意义 Z 是指扬声器的电阻值 包括有 额定阻抗和直流阻抗 单位 欧姆 ohm 通常指额定阻抗 扬声器的额定阻抗 Z 即为阻抗曲线第一个极大值后面的最小阻抗模值 即图 1 中点 B 所对应的阻 抗值 它是计算扬声器电功率的基准 直流阻抗直流阻抗 DCR 是指在音圈线圈静止的情况下 通以直流信号 而测试出的阻抗值 我们通常 所说的 4 欧或者 8 欧是指额定阻抗 ACR 交流阻抗 音圈线圈动态下所测出的阻值 Fo 最低共振频率最低共振频率 是指扬声器阻抗曲线第一个极大值对应的频率 单位单位 赫兹 Hz 扬声器的阻抗曲线图是扬声器在正常工作条件下 用恒流法或恒压法测得的扬 声器阻抗模值随频率变化的曲线 0 扬声器的效率扬声器的效率 是指扬声器输出声功率与输入电功率的比率 SPL 声压级声压级 是指喇叭在通以额定阻抗 1W 的电功率的电压时 在参考轴上与喇叭相距 1m 的点上 单位单位 分贝 dB 产生的声压 Qts 扬声器的总品质因数值 Qms 扬声器的机械品质因数值 Qes 扬声器的电品质因数值 Vas 喇叭的有效容积喇叭的有效容积 是指密闭在刚性容器中空气的声顺与扬声器单元的声顺相等时的容积 Mms 振动质量振动质量 是指扬声器在运动过程中参与振动各部件的质量总和 包括鼓纸部分 音圈 弹波以 单位单位 克 gram 及参与振动的空气质量等 Cms 力顺力顺 是指扬声器振动系统的支撑部件的柔顺度 其值越大 扬声器的整个振动系统越 软 单位单位 毫米 牛顿 mm N Sd 振动面积振动面积 是指在扬声器的振动过程中 鼓纸 振膜的有效振动面积 单位 平方米 m2 BL 磁力磁力 间隙磁感应强度与有效音圈线长的乘积 单位 T M Xmax 音圈在振动过程中运动的线性行程 单位 毫米 mm Gap Gauss 间隙磁感应强度值 单位 特斯拉 Tesla 所选用的扬声器相关参数 所选用的扬声器相关参数 品牌品牌JM型号型号4070 种类种类纸盆式 直接辐射 用途用途扩音 外形外形椭圆形组成方式组成方式组合式 额定功率额定功率2 W 额定阻抗额定阻抗8 频率响应频率响应2300 kHz 指向性指向性全指向 灵敏度灵敏度85 dB W 性噪比性噪比95 dB 谐波失真谐波失真3 TMD 3 3 2 22 2 报警电路的工作原理报警电路的工作原理 3 3 2 32 3 报警电路的电路设计报警电路的电路设计 硬件设计方法硬件设计方法 1 把 单片机系统 区域中的 P1 0 端口用导线连接到 音频放大模块 区域中的 SPK IN 端口上 2 在 音频放大模块 区域中的 SPK OUT 端口上接上一个 8 欧或者是 16 欧的喇叭 程序设计方法程序设计方法 1 我们用单片机实定时 计数器 T0 来产生 700HZ 和 500HZ 的频率 根据定时 计数器 T0 我们取定时 250us 因此 700HZ 的频率要经过 3 次 250us 的定时 而 500HZ 的频率要 经 过 4 次 250us 的定时 2 在设计过程 只有当按下 SP1 之后 才启动 T0 开始工作 当 T0 工作完毕 回到最初状 态 3 叮 和 咚 声音各占用 0 5 秒 因此定时 计数器 T0 要完成 0 5 秒的定时 对于以 250us 为基准定时 2000 次才可以 图 5 智能电热壶的报警电路 LCD12864 在市面上主要分为两种 一种是采用 ST7920 控制器 另一种是采用 KS0108 控制器 对于本设计到底采用哪种控制器 我们就有了两种方案 方案一 方案一 我们采用ST7920控制器 ST7920 控制器系列中文图形液晶模块的软件特性主要由ST7920 控制 驱动器决定 ST7920 同时作为控制器和驱动器 它可提供33 路common 输出和64 路segment输出 ST7920 可以分别控制显示三种字型 分别是CGROM 自带字库 HCGROM 和CGRAM 自编字库 的字型 在液晶屏上显示8 16 点阵的字符和16 16 点阵的汉字时 首先要按照系统的要求完成 显示光标的位置和显示方式等功能设置 这由指令寄存器完成 然后向数据寄存器 DDRAM 中写 入相应字符或汉字的位元资料 可认为是字符地址 以便在LCD 上显示 具体说来 显示半宽字型的数字 英文 符号等 ASCII 时 先根据功能需要向指令寄存器写 功能设置 再将 8 位的位元资料写入到 DDRAM 即可 范围为 00H 07FH 的编码 显示中文字型时 也是先向指令寄存器写功能设置 将 16 位的位元资料写入到 DDRAM 中 在写入位元资料的时候 先写高八位 再写低八位 并且是连续输入 起首地址应该是个半宽数字字符的偶数倍 否则系统 将把半宽的数字字符的编码默认为汉字的高位元组 使显示产生错误 所以 在半宽字型和中文字 型混合显示的时候 如果遇到在奇数个半宽地址显示时 通常是用占半宽字节的空格来跳过 由于 它带有中文字库字模 价格略高一点 当显示汉字信息时 只需调用其字库内的字码 9 方案二 方案二 另一种就是采用KS0108控制器 KS0108的主要特点是 1 内藏64 64 4 096位显示RAM RAM中每位数据对应LCD屏上一个点的亮 暗状态 2 KS0108具有64路列驱动输出 3 KS0108的读 写操作时序与51单片机相容 可直接与51单片机接口相连 4 KS0108及其兼容控制驱动器的占空比 为1 32 1 64 KS0108控制器不带字库 8 位并行数据接口 适配M6800 系列时序 拥有64 64 位 512 字 节 的显示存储器 其数据直接作为显示驱动信号 在显示数据时 需要将显示目标的点阵信息输 入DDRAM 然后通过读写命令将这些点阵信息按一定的规则显示在液晶面板上 对应的液晶屏点阵 上方为低位 下方为高位 因此在横向上 也就是Y 就一共是128列数据 分为CS1和CS2两个64列来 写入 在竖方向上 也就是X 一字节数据显示8个点 竖向64个点分为8个字节 称做8页 X 0 7 通过上述简单的比较 我们不难发现这两种控制器的驱动能力相差不大 也都能完成我们的设 计 其中ST7920自带中文字库 相对于KS0108将会使设计更简单 但是 通常我们不需要显示大量 的汉字 加之带字库的控制器它价格较高 并且不带字库的控制器更有利于我们对液晶显示的规则 的理解 因此 我们选择KS0108控制器 3 33 3 控制电路的实现控制电路的实现 3 3 13 3 1 控制电路控制电路控制元件的选择控制元件的选择 1 1 可控硅 可控硅 可控硅 Silicon Controlled Rectifier 简称 SCR 是一种大功率电器元件 也称晶闸管 它具有体积小 效率高 寿命长等优点 在自动控制系统中 可作为大功率驱动器件 实现用小功率控件控制大功率设备 它在交直流电 机调速系统 调功系统以及随动系统中得到了广泛的应用 可控硅分单向可控硅和双向可控硅两种 本次设计的控制电路中将采用单向可控硅 单向可控硅的表示符号 如图 4 21 a 所示 它有 3 个引脚 其中 A 为阳极 K 为阴极 O 为控制极 它由 4 层半导体材料组成 可等效于和两个三极 如图所示 从图中所示看出 它的符号基本上与前面介绍过的大功率场效应开关管的符号相同 但它们的工作原理却有所不同 当阳极电位高 于阴极电位且控制极电流增大到一定值 触发电流 时 可控硅由截止转为导通 一旦导通后 即使为零 可控硅 仍保持导通状态 直到阳极电位小于或等于阴极电位时为止 即阳极电流小于维持电流时 可控硅才由导通变为 截止 其特性曲线如图所示 单向可控硅的表示符号 与场效应管的比较 单向可控硅的单向可控硅的特性曲线 可控硅的实体图可控硅的实体图 2 2 固态继电器 固态继电器 输入固态继电器是近年来广泛使用的新型电子继电器和开关量输出控制元件 它的输入控制电 流比较小 用 TTL HTL CMOS 电路或者增加简单的辅助电路就可以十分方便地直接启动 它适用于 在微机测控系统中作为输出通道的控制元件 它利用晶体管或可控硅进行无触点输出 具有无噪声 无抖动 无回跳 速度快 体积小 重量轻 寿命长 工作可靠的特点 而且耐冲击 抗潮湿 抗 腐蚀 在单片机应用系统中 固态继电器已逐渐取代传统的继电器和磁力启动器 固态继电器按其 负载类型分类 可以分为直流型 DC SSR 和交流型 AC SSR 两类 直流固态继电器 DC SSR 的 内部原理及外引脚图如图 18 43 所示 交流 SSR 的原理图 用于小交流负载的方法 从输入的角度分析 因为它的输入为一光耦 根据前面的分析 他它可以用 OC 们或晶体管直 接驱动 其驱动电流一般小于 15mA 输入电压在 4 32V 之间 依照这个参数 应用时可选用合适 的工作电压 并配以适当的限流电阻 驱动交流型 SSR 元件时 它的输入电压为 4 32V 开关时 间小于 20us 输入电流小于 500mA 可以加接一个晶体管直接驱动 交流 SSR 元件输出时 可用于 AC 220V 或 380V 市电负载场合 输出断态电流小于 10mA 因为 SSR 的输出开关器件是可控硅 所 以依旧存在通态压降和断态漏电流的问题 SSR 的通态压降一般小于 2V 断态漏电流通常为 5 10mA 在应用系统中 一定要注意这两个参数的值 特别在控制小功率外设时 不要发生误动作 设计时 应当让 SSR 的开关电流至少为断态电流的 10 倍 若负载电流低于该数值 则应在负 载两端并联一个电阻 R 以提高开关电流 如图 18 47 所示 当负载为感性时 也可在负载两端 并联电阻 以防误动作 3 43 4 LCD12864LCD12864 引脚连接图 引脚连接图 本设计中 LCD12864 引脚连接图如图 5 所示 DB0 DB7 E R W RS CS1 CS2 RST VDD A K Vee Vo Vss P2 口 P3 0 P3 1 P3 2 P3 3 P3 4 Vcc GND R1 R2 图 5 LCD12864 引脚连接图 具体的电路还有两个电阻 一个背光限流电阻 一个液晶驱动电压调节电阻 背光电阻任何时 候需在 LEDA 引脚与电源之间串上个 100 欧的电位器接上电源 调节电位器到合适亮度 具体值最 好是到调试完程序能够正常显示后再将阻值确定换成固定电阻 液晶驱动电压的调整在数据线 电源线都接好的前提下 Vee 15v 和地之间接一个电位器 中 间接 Vo 通过调节电位器来调节 Vo 上的电压 当 Vo 上为 15V 时为全暗 液晶显示为全黑 当 Vo 为 0 V 时为全亮 调节电位器使屏幕从全暗刚好变到亮时 便可进行程序的调试 待屏幕显示正常 后 进行对比度的细调 然后测量这两边的阻值在地和 Vo 之间 Vo 和 Vee 之间换成两个固定电阻 焊上就好了 10 注意在 Vo 的电压是在一个很小的范围有效 一般在 2 2V 2 5V 这个范围 仔细调节 Vo 和 地之间的电阻使 Vo 上的电压在 2 3V 3 53 5 LCD12864LCD12864 的内部结构的内部结构 LCD12864 屏是分为左 右两块控制的 其中 IC1 IC2 为列驱动 IC3 为行驱动 CS1 CS2 为 片选信号 选通组合信号 CS1 CS2 00 时 同时选中 CS1 CS2 01 时 选通 IC1 CS1 CS2 10 时 选通 IC2 如图 6 所示 图 6 LCD12864 内部结构框图 3 63 6 1286412864 内部功能器件 内部功能器件 LCD12864包括IC1 IC2 IC3三个驱动器 它们都是由指令寄存器 数据寄存器 BF 标志 显示 控制触发器 XY 地址计数器 DDRAM 以及 Z 地址计数器等器件组成 了解这些器件有利于我们编程 11 指令寄存器指令寄存器 IR IR IR 是用于寄存指令码 与数据寄存器数据相对应 当 D I 0 时 在 E 信号下降沿的作用下 指令码写入 IR 数据寄存器数据寄存器 DR DR DR 是用于寄存数据的 与指令寄存器寄存指令相对应 当 D I 1 时 在下降沿作用下 图形 显示数据写入 DR 或在 E 信号高电平作用下由 DR 读到 DB7 DB0 数据总线 DR 和 DDRAM 之间的数 据传输是模块内部自动执行的 忙标志 忙标志 BFBF BF 标志提供内部工作情况 BF 1 表示模块在内部操作 此时模块不接受外部指令和数据 BF 0 时 模块为准备状态 随时可接受外部指令和数据 利用 STATUS READ 指令 可以将 BF 读到 DB7 总线 从而检验模块之工作状态 显示控制触发器显示控制触发器 DFFDFF 此触发器是用于模块屏幕显示开和关的控制 DFF 1 为开显示 DISPLAY OFF DDRAM 的内容就 显示在屏幕上 DFF 0 为关显示 DISPLAY OFF DDF 的状态是指令 DISPLAY ON OFF 和 RST 信号 控制的 XYXY 地址计数器地址计数器 XY 地址计数器是一个 9 位计数器 高 3 位是 X 地址计数器 低 6 位为 Y 地址计数器 XY 地址计 数器实际上是作为 DDRAM 的地址指针 X 地址计数器为 DDRAM 的页指针 Y 地址计数器为 DDRAM 的 Y 地址指针 X 地址计数器是没有记数功能的 只能用指令设置 Y 地址计数器具有循环记数功能 各显示数据写入后 Y 地址自动加 1 Y 地址指针从 0 到 63 显示数据显示数据 RAMRAM DDRAMDDRAM DDRAM 是存储图形显示数据的 数据为 1 表示显示选择 数据为 0 表示显示非选择 DDRAM 与地 址和显示位置的关系见表 3 Z Z 地址计数器地址计数器 Z 地址计数器是一个 6 位计数器 此计数器具备循环记数功能 它是用于显示行扫描同步 当 一行扫描完成 此地址计数器自动加 1 指向下一行扫描数据 RST 复位后 Z 地址计数器为 0 Z 地址计数器可以用指令 DISPLAY START LINE 预置 因此 显示屏幕的起始行就由此指令控 制 即 DDRAM 的数据从哪一行开始显示在屏幕的第一行 此模块的 DDRAM 共 64 行 屏幕可以循环 滚动显示 64 行 3 73 7 LCD1286LCD1286 指令系统指令系统 该类液晶显示模块的指令系统比较简单 总共只有 7 种 其指令表如表 2 所示 表 2 LCD12864 指令表 12 指令码 指令 R WD IDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 显示开关 0000111111 0 设置起始行 0011显示起始行 0 63 设置页 X 地址 0010111X 地址 0 7 设置列 Y 地址 0001Y 地址 0 63 读状态 10BUSY0ON OFFRST0000 写显示数据 01写数据 读显示数据 10读数据 其功能详解如下 显示开关控制显示开关控制 DISPLAY DISPLAY ON OFF ON OFF 代码形式 R WD IDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 000000000D D 1 开显示 DISPLAY ON 意即显示器可以进行各种显示操作 D 0 关显示 DISPLAY OFF 意即不能对显示器进行各种显示操作 设置显示起始行设置显示起始行 DISPLAY DISPLAY STARTSTART LINE LINE 代码形式 R WD IDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 0011A5A4A3A2A1A0 前面在 Z 地址计数器中已经描述了显示起始行是由 Z 地址计数器控制的 A5 A0 这 6 位地址 自动送入 Z 地址计数器 起始行的地址可以是 0 63 的任意一行 有规律地改变显示起始行 就可 以使 LCD 实现显示滚屏的效果 设置页地址 设置页地址 SETSET PAGEPAGE X X ADDRESS ADDRESS 代码形式 R WD IDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 0010111A2A1A0 所谓页地址就是 DDRAM 的行地址 8 行为一页 模块共 64 行即 8 页 A2 A0 表示 0 7 页 读 写数据对地址没有影响 页地址由本指令或 RST 信号改变复位后页地址为 0 页地址与 DDRAM 的对 应关系如下表所示 表 3 DDRAM 地址表 CS1 1CS2 1 Y 01 626301 6263行号 X DB0DB0DB0DB0DB0DB0DB0DB0DB0DB00 0DB7DB7DB7DB7DB7DB7DB7DB7DB7DB77 DB0DB0DB0DB0DB0DB0DB0DB0DB0DB08 DB7DB7DB7DB7DB7DB7DB7DB7DB7DB755 X 7DB0DB0DB0DB0DB0DB0DB0DB0DB0DB056 DB7DB7DB7DB7DB7DB7DB7DB7DB7DB763 设置了页地址和列地址 就唯一确定了显示 RAM 中的一个单元 这样单片机就可以用读 写指 令读出该单元中的内容或向该单元写进一个字节数据 设置设置 Y Y 地址地址 SET SET Y Y ADDRESS ADDRESS 代码形式 R WD IDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 0001A5A4A3A2A1A0 此指令的作用是将 A5 A0 送入 Y 地址计数器 作为 DDRAM 的 Y 地址指针 在对 DDRA M 进行读 写操作后 Y 地址指针自动加 1 指向下一个 DDRAM 单元 读状态读状态 STATUS STATUS READ READ 代码形式 R WD IDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 00BUSY0ON 0FRST0000 该指令用来查询液晶显示模块内部控制器的状态 当 R W 1 D I 0 时 在 E 信号为 H 的作用 下 状态分别输出到数据总线 DB7 DB0 的相应位 BUSY 1 内部操作 BUSY 0 准备就绪 ON OFF 1 显示开 ON OFF 0 显示关 RST 1 复位 RST 0 正常工作 在 BUSY 和 RESET 状态时 除读状态指令外 其它指令均不对液晶显示模块产生作用 因此在 对液晶显示模块操作之前要查询 BUSY 状态 以确定是否可以对液晶显示模块进行操作 写显示数据写显示数据 WRITE WRITE DISPLAYDISPLAY DATE DATE 代码形式 R WD IDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0 01D7D6D5D4D3D2D1D0 D7 D0 为显示数据 此指令把 D7 D0 写入相应的 DDRAM 单元 Y 地址指针自动加 1 读显示数据读显示数据 READ READ DISPLAYDISPLAY DATE