电采暖集中控制器的硬件设计

哈尔滨理工大学毕业设计题目电采暖集中控制器的硬件设计院、系测控技术与通信工程学院姓名程浩指导教师卞希宁系主任刘泊2011年6月24日电采暖集中控制器的硬件设计摘要电采暖集中控制器是在智能建筑中用通信网络连接并以电采暖方式进行采暖供热系统的桥梁。电采暖集中控制器可以随时随地控制住宅的温度，能够对室温实现现场和远程的监控，使建筑更加“智能”。本论文阐述了电采暖这一新型采暖方式较以往传统的采暖方式的优势所在以及其现状和发展趋势，系统的介绍了电采暖集中控制器各组成元件的电路，工作特性、原理，以及在该系统中的作用。参照论文附录中所给出的硬件原理图，能够很容易了解该控制器的工作原理。另外，论文中也比较详尽的介绍了电采暖集中控制器分别与通信网络和电采暖系统相互通信的总线规范，尤其着重介绍了I2C总线通信协议。本论文所要完成的设计以硬件设计为主，软件设计为辅。关键词电采暖；单片机；I2C总线COMPUTERHARDWAREDESIGNOFCENTRALIZEDCONTROLLERFORELECTRICHEATINGABSTRACTTHEELECTRICALHEATINGCONCENTRATECONTROLLERISTHEBRIDGECONNECTINGTHECOMMUNICATIONNETANDELECTRICALHEATINGSYSTEMAPPLACATINGTHEELECTRICALHEATINGCONCENTRATECONTROLLER,WECANCONTROLTHETEMPERATUREOFTHEBUILDINGEVERYTIMEANDEVERYWHERE,ITREALIZESTHATWECANTESTANDCONTROLTHETEMPERATUREINANYCASE,THEBUILDINGWILLBECOMEMORE“INTELLIGENT”THISPAPERDESCRIBESTHEADVANTAGEOFTHEELECTRICALHEATINGASANEWHEATINGWAYTHANBEFORE,ANDITSPOTENTIALOFDEVELOPMENT,ANDITINTRODUCESTHEWORKINGCHARACTER,PRINCIPLEOFTHECOMPONENTSTHATCONSISTOFTHECONTROLLERINSYSTEM,ANDTHEFUNCTIONOFTHEMINTHESYSTEMACCORDINGTHEHARDWAREPRINCIPLEFIGUREGIVENINTHISPAPER,ITISEASYTOLEARNTHEWORKPRINCIPLEOFTHISCONTROLLER,ESPECIALLYINTRODUCETHEI2CBUSADDITIONALLY,THISPAPERALSODESCRIBESTHECOMMUNICATEBUSBETWEENTHECONTROLLERANDTHECOMMUNICATIONNETANDHEATINGSYSTEMTHISPAPERCOMPLETESTHEHARDWAREDESIGNBRIEFLYKEYWORDSELECTRICALHEATING,SINGLECHIP,I2CFIELDBUS目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111智能建筑1111智能建筑定义及其功能1112智能建筑的优势212电采暖现状及发展前景313主要研究内容4第2章I2C总线协议621总线的定义622总线的类别623I2C总线介绍724I2C总线协议825I2C总线特点826I2C总线工作原理8261I2C总线的构成及信号类型8262总线的基本操作927本章小结10第3章控制器硬件设计1231设计原则和思想1232设计结构框架1333整体控制器设计的原理14331单片机部分14332语音录放部分15333带E2PROM和WDT功能的电源监控电路17334键盘及显示部分18335光电隔离输出电路22336串行时钟部分2434干扰抑制25341干扰的类别25342硬件干扰抑制技术25343供电部分的抗干扰设计26344软件抗干扰设计2835本章小结30结论31致谢32参考文献33附录A34附录B44第1章绪论11智能建筑在现代科技发展的今天，建筑既是一门科学，同时也是一门艺术。科学是建筑的基础，不断赋予建筑以新的血液和生命力，使建筑充满活力，不断发展，并在不同的时期具有不同的内涵和表现形式1。在信息化时代，科技应用对建筑的影响是质的飞跃。建筑发展至今，已凝聚着人类发展过程中的巨大精神财富。在信息化的今天，我们更要利用先进的信息技术（IT）挖掘和发展这份财富，使建筑具有“智能”，充分发挥建筑的功能，实现人与建筑的和谐，并最优化地利用各种资源，达到“可持续发展”的境界。目前，智能建筑已是一个迅速成长的新兴产业，兴建智能建筑已成为当今经济开发的热点2。111智能建筑定义及其功能智能建筑经过不到二十年的实践，其功能不断完善，实现技术不断更新和成熟。随着高新技术的发展，智能建筑仍将不断采用高新技术，并不断发展。至今，人们对智能本质的认识依然是莫衷一是。但“智能是人类所具有区别其他动物的本质特性，是人类所特有的生理活动过程”的观点得到普遍认可3。智能建筑是指这样一类建筑（1）具有控制网络（INFRANET,INTERNET基础设施；（2）在控制网络和信息网络集成的基础上，具有获取、处理、理解、再生和运用建筑内外信息的“人工智能”；（3）提供一个投资合理、高效率、舒适、温馨、便利的生活、娱乐和工作环境；（4）具有可持续发展的能力。智能建筑一方面通过环保材料减少对环境的破坏和对人体健康的影响，另一方面通过对可再生资源的充分利用，并通过维持适宜的内部生态环境和方便高效的工作条件实现效益的最大化。智能建筑内部环境的人性化表现为智能建筑内部的温、湿度不仅应根据不同人的生活习性进行调节和控制，保持空气新鲜，而且建筑内的所有设备应与使用者友好。为了实现上述目标，智能建筑必须具有一个先进的集成管理系统，对建筑内的所有建筑进行监控和管理，对所有的业务流程进行控制和管理。建筑内的设备可以分为楼宇设备、通信设备、办公设备以及其他类型设备四大类；其中，楼宇设备包括空调、供热、给排水、变配电、照明、电梯、消防和安全设备（包括防盗报警设备，智能识别设备。电视监控设备）等。智能建筑是一个综合的复杂系统，通常可以分解为若干个子系统。智能建筑运用系统工程的观点，对建筑物的结构、系统、服务和管理四个基本要素以及它们之间的内在联系进行优化组合（系统集成），从而提供一个投资合理、高效舒适、安全、方便的环境。112智能建筑的优势1传统的自动控制是建立在确定的模型基础上的，而智能控制的研究对象则存在模型严重的不确定性，即模型未知或知之甚少者模型的结构和参数在很大的范围内变动，比如工业过程的病态结构问题、某些干扰的无法预测，致使无法建立其模型,这些问题对基于模型的传统自动控制来说很难解决。2传统的自动控制系统的输入或输出设备与人及外界环境的信息交换很不方便，希望制造出能接受印刷体、图形甚至手写体和口头命令等形式的信息输入装置，能够更加深入而灵活地和系统进行信息交流，同时还要扩大输出装置的能力，能够用文字、图纸、立体形象、语言等形式输出信息。另外,通常的自动装置不能接受、分析和感知各种看得见、听得着的形象、声音的组合以及外界其它的情况。为扩大信息通道,就必须给自动装置安上能够以机械方式模拟各种感觉的精确的送音器，即文字、声音、物体识别装置可喜的，,近几年计算机及多媒体技术的迅速发展,为智能控制在这一方面的发展提供了物质上的准备，使智能控制变成了多方位“立体”的控制系统。3传统的自动控制系统对控制任务的要求要么使输出量为定值调节系统，要么使输出量跟随期望的运动轨迹跟随系统，因此具有控制任务单一性的特点，而智能控制系统的控制任务可比较复杂，例如在智能机器人系统中，它要求系统对一个复杂的任务具有自动规划和决策的能力，有自动躲避障碍物运动到某一预期目标位置的能力等。对于这些具有复杂的任务要求的系统,采用智能控制的方式便可以满足。4与传统自动控制系统相比，智能控制系统具有足够的关于人的控制策略、被控对象及环境的有关知识以及运用这些知识的能力。5传统的控制理论对线性问题有较成熟的理论，而对高度非线性的控制对象虽然有一些非线性方法可以利用，但不尽人意。而智能控制为解决这类复杂的非线性问题找到了一个出路，成为解决这类问题行之有效的途径。工业过程智能控制系统除具有上述几个特点外，又有另外一些特点，如被控对象往往是动态的，而且控制系统在线运动，一般要求有较高的实时响应速度等，恰恰是这些特点又决定了它与其它智能控制系统如智能机器人系统、航空航天控制系统、交通运输控制系统等的区别，决定了它的控制方法以及形式的独特之处。6与传统自动控制系统相比，智能控制系统能以知识表示的非数学广义模型和以数学表示的混合控制过程，采用开闭环控制和定性及定量控制结合的多模态控制方式。7与传统自动控制系统相比，智能控制系统具有变结构特点,能总体自寻优，具有自适应、自组织、自学习和自协调能力。8与传统自动控制系统相比，智能控制系统有补偿及自修复能力和判断决策能力。总之,智能控制系统通过智能机自动地完成其目标的控制过程，其智能机可以在熟悉或不熟悉的环境中自动地或人机交互地完成拟人任务。12电采暖现状及发展前景直接以电作为热源的电采暖，近年在我国已得到广泛的应用，成为众多采暖形式花园中一朵绮丽的鲜花。电能是清洁的二次能源。电采暖是一种高级的采暖形式。随着我国社会经济的快速发展、人民生活水平的大幅度提高、环保意识的不断加强和建筑物保温节能结构的逐渐完善，电采暖方式必将更加受到人们的欢迎，并得到迅速的发展4。电采暖作为城市集中供暖的重要补充，适合当前我国对环保、节能的要求。电采暖没有传统供暖所不可避免的煤灰、烟尘、废气等污染问题；系统可以实现分户计量、分室控制；运行中无扬尘、噪音、异味，用户也能够按需求精确地控制各室室温，能够给人一个清新、温暖、健康的生活环境，同时又享受到低谷电价带来的实惠；开发商也减少了跑、冒、滴、漏带来的麻烦并解决了长期以来采暖收费难的问题。从采暖的热能源上看，传统的煤与现在的天然气、油等开采性能源将会越来越贵，而电能的价格今后将相对低廉，从城市长远发展考虑，选择清洁能源电采暖应该是最符合趋势、最为人性化的。集中供热作为城市建筑采暖的基本建设原则，到目前已发展到相当高的水平，其中热电联产被认为是能源利用最有效的形式。但是，近年来由于技术经济的高速发展，情况有了较大的改变。一方面，以集中锅炉房和热电站为中心的集中供热在大力发展，另方面，空调产品也大量进入普通居民家中，使得城乡居民的用电负荷急剧上升，特别是在夏季的用电高峰期，因而，为适应市场的需求，各城市均对民用供电系统进行了彻底改造，同时，也兴建了大批的电站工程，以满足城市供电增长的需求，而高峰期过后，电站的能力就被闲置，造成极大的投资浪费。电采暖具有较好的市场前景是由它的特点决定的。它不同于其他采暖方式的特点是1具有较高的舒适性1电采暖是由温控器控制的，电源是连续供应的。人们可根据自己的需要随时将房间的温度调到最舒适的程度。2地热电缆和电热膜具有低温辐射采暖的特点。它们或安装到地板下，或安装到顶棚上。热能辐射到人们的身上有一种站到阳光下的舒服的感觉。2占地面积小、没有排放物、具有较好的社会经济和环保效益比起传统的热水采暖方式，电采暖不需要建设锅炉房和供热管网。建设锅炉房和供热管网要占用土地。电采暖在室内不占有（地热电缆和电热膜）或很少占有（电暖气）有效使用面积。没有了热水管路，更便于室内的装修和布置，并大大减少了由于穿管造成的隔层传音，杜绝了漏水事故。3使用放心，基本做到免维修地热电缆密封于地面水泥沙浆内，电热膜的电热元件包含在抗老化的电热膜内，电热元件均不与空气接触，单位电器元件的功率很小，工作温度不大于60OC，又都布置在人碰不到的地方，因此极不易造成故障。对流电暖器也具有较长的寿命，据法国厂家资料，法国对流电暖器的使用寿命不小于10年，即使其发热元件坏了，也只要换上一个相应元件就行了。4符合国家用电政策，经济上用户能够承受，相对节能近年来随着国民经济发展，我国的发电能力大大增加，甚至在某些地区还出现相对过剩的情况，为此电力部门出台了一系列鼓励用电的政策。电采暖用电量较大且在用电峰期和谷期用电量基本相同，如采取一些措施，谷期得用电量还可能高于峰期这对电网是非常有利的。5便于计量和收费热量是商品，供热实行分户计量是大是大势所趋，目前热水采暖热量的计量还存在一些问题，主要是热表价钱贵、精度低和返修率高。电量的计量是很容易做到的，而电卡的使用又使收费变得非常容易。13主要研究内容电采暖集中控制器是智能建筑采暖系统的中间组成部分，通过集中控制能够实现对建筑内部温度的自动控制、远程监控、现场调节等诸多方面的控制，使智能建筑更加人性化，给用户带来更多方便与舒适。由于水平有限，只能简单研究一下1了解智能建筑及其特点。2基本了解I2C总线协议及其工作原理。3提出硬件设计的大致思想，画出结构框架。4简单设计控制器硬件电路。电采暖集中控制器可以与电话网络相连接，识别声音信号，判断声音持续的时间来确定加热的时间长短和温度高低，以达到远程控温的目的。另外，该控制器具有键盘以及数码显示部分，可以选定房间号码对其进行设定，比如该房间的加热时间，预达到温度值等等，该系统的输出部分与电采暖加热系统相连，有输出信号时，采暖系统便开始加热。第2章I2C总线协议21总线的定义总线对于任何计算机系统来说，都是一个非常重要的部件。就其功能而言，总线是计算机各模块之间进行信息传输的通道，它包括通道控制，仲裁方法和传输方式等基本内容。I/O总线以机械形式，电气特性和通信协议等方法在插件板之间建立了一个标准，以规定CPU与磁盘驱动器，显示器和打印机等外设之间的数据传送。随着计算机技术的快速发展，总线结构也越来越复杂，总线功能越来越强。了解总线，对于设计，开发微机产品的工程人员来说显得特别重要5。22总线的类别不同的微机系统或同一系统的不同层次的总线是不同的。对于各种各样的总线，可以从不同的角度进行分类。按照数据传送方式的不同，可以将总线分为并行总线和串行总线。当距离较近时为了提高传输速度可以采用并行总线；而距离较远或系统之间，为了减少连线，降低开销，可以采用串行总线。一般按照总线的使用范围和功能来划分可分为四类。1片内总线片内总线位于集成电路内部，用来连接各功能单元的信息通路，它是ALU寄存器和控制器之间的信息通路。过去这种总线是由芯片生产厂家设计的，微机系统的设计者和用户并不关心。但是随着微电子学的发展，出现了ASIC技术，用户可以按照自己的要求借助CAD技术，设计自己的专用芯片。在这种情况下，用户就必须掌握内总线技术。2片外总线片外总线是指在电路板上连接各插件的公共通路。比如CPU及其支持芯片与其局部资源之间的通路即属于主板局部总线。这些资源可以是主板资源，也可以是插在主板局部总线扩展槽上的功能扩展板上的资源。目前，PC系列机上比较流行的主板局部总线有ISA,EISA,VESA,PCI以及AGP等标准总线。不同的应用场合有不同的总线标准。例如，串行通信的EIA，RS232总线，用于硬盘接口的IDE，SCSI,用于连接仪器仪表的IEE488,VXI,用于并行打印机的CENRONICS等总线。这种总线往往不是非微处理器专有的，而一般引用了工业领域已有的标准，所以它是一种高科技的技术6。23I2C总线介绍新一代单片机技术的显著特点之一就是串行扩展总线的推出。在没有专门的串行扩展总线时，除了可以使用UART串行口的移位寄存器方式扩展方式扩展并行I/O外，只能通过并行总线扩展外围器件。由于并行总线扩展时连线过多，外围器件工作方式各异，外围器件与数据存储器混合编址等，都给单片机应用系统设计带来较大的困难。外围器件在系统中软、硬件的独立性较差，无法实现单片机应用系统的模块化、标准化设计7。I2C总线最显著的特点是规范的完整性，结构的独立性和用户使用时的“傻瓜”化。它有严格的规范，如接口的电器特性、信号时序、信号传输的定义、总线状态设置、总线管理规则及总线状态处理等。I2C总线在单片机应用系统设计中的意义在现代消费类产品、通讯类产品、仪器仪表、工业测控系统中，逐渐形成了以一个或多个单片机组成的智能系统，这些应用系统硬件结构都有相似之处1单片机电路已日趋简单化和标准化；2都有一些外围通用电路；3面对系统特殊应用的一些电路，如无线电、电视、音像系统中的数字调谐、编码、解码、图象处理、LED/LCD显示器、打印机接口等外围设备模块等。在单片机应用系统中推广I2C总线后将会大大改变单片机应用系统结构性能、对单片机的应用开发带来以下好处1可最大限度地简化结构。二线制的I2C总线使得各电路单元之间只需要最简单的连接，而且总线接口都已集成在器件中，不需另加总线接口电路。2可实现电路系统的模块化、标准花设计。在I2C总线上各单元电路除了个别中断引线外，相互之间没有其它连线，用户常用的单元电路基本上与系统电路无关，故极易形成用户自己的标准化、模块化设计。3标准I2C总线模块的组合开发方式大大地缩短了新品的开发周期。4I2C总线各节点具有独立的电气特性，各节点单元电路能在相互不受影响的情况下，甚至在系统供电情况下，接入或撤除。5I2C总线系统构成具有最大的灵活性。系统改型设计或对已加工好的电路板需扩展功能时，对原有设计及电路板系统影响小。6I2C总线系统可方便地对某一节点进行故障诊断与跟踪，有极好的可维护性。设计该控制器时，通信网络与其接口通信时，可以采用RS232串行通信，其他可采用I2C总线通信8。24I2C总线协议I2CINTERINTEGRATEDCIRCUIT总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C总线产生于在20世纪80年代，最初为音频和视频设备开发，如今主要在服务器管理中使用，其中包括单个组件状态的通信。例如管理员可对各个组件进行查询，以管理系统的配置或掌握组件的功能状态，如电源和系统风扇。可随时监控内存、硬盘、网络、系统温度等多个参数，增加了系统的安全性，方便了管理。25I2C总线特点I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。由于接口直接在组件之上，因此I2C总线占用的空间非常小，减少了电路板的空间和芯片管脚的数量，降低了互联成本。总线的长度可高达25英尺，并且能够以10KBPS的最大传输速率支持40个组件。总线的另一个优点是，它支持多主控MULTIMASTERING，其中任何能够进行发送和接收的设备都可以成为主总线。一个主控能够控制信号的传输和时钟频率。当然，在任何时间点上只能有一个主控。26I2C总线工作原理261I2C总线的构成及信号类型I2C总线是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。在CPU与被控IC之间、IC与IC之间进行双向传送，最高传送速率100KBPS。各种被控制电路均并联在这条总线上，但就像电话机一样只有拨通各自的号码才能工作，所以每个电路和模块都有唯一的地址，在信息的传输过程中，I2C总线上并接的每一模块电路既是主控器（或被控器），又是发送器（或接收器），这取决于它所要完成的功能。CPU发出的控制信号分为地址码和控制量两部分，地址码用来选址，即接通需要控制的电路，确定控制的种类；控制量决定该调整的类别（如对比度、亮度等）及需要调整的量。这样，各控制电路虽然挂在同一条总线上，却彼此独立，互不相关9。I2C总线在传送数据过程中共有三种类型信号，它们分别是开始信号、结束信号和应答信号。开始信号SCL为高电平时，SDA由高电平向低电平跳变，开始传送数据。结束信号SCL为低电平时，SDA由低电平向高电平跳变，结束传送数据10。应答信号接收数据的IC在接收到8BIT数据后，向发送数据的IC发出特定的低电平脉冲，表示已收到数据。CPU向受控单元发出一个信号后，等待受控单元发出一个应答信号，CPU接收到应答信号后，根据实际情况作出是否继续传递信号的判断。若未收到应答信号，由判断为受控单元出现故障。目前有很多半导体集成电路上都集成了I2C接口。带有I2C接口的单片机有CYGNAL的C8051F0XX系列，PHILIPSP87LPC7XX系列，MICROCHIP的PIC16C6XX系列等。很多外围器件如存储器、监控芯片等也提供I2C接口11。262总线的基本操作I2C规程运用主/从双向通讯。器件发送数据到总线上，则定义为发送器，器件接收数据则定义为接收器。主器件和从器件都可以工作于接收和发送状态。总线必须由主器件（通常为微控制器）控制，主器件产生串行时钟（SCL）控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件13。SDA线上的数据状态仅在SCL为低电平的期间才能改变，SCL为高电平的期间，SDA状态的改变被用来表示起始和停止条件。参见图21。图21改变条件图起始条件结束条件地址或应答数据可改变SCLSDA1控制字节在起始条件之后，必须是器件的控制字节，其中高四位为器件类型识别符（不同的芯片类型有不同的定义，E2PROM一般应为1010），接着三位为片选，最后一位为读写位，当为1时为读操作，为0时为写操作。如图22所示。2写操作写操作分为字节写和页面写两种操作，对于页面写根据芯片的一次装载的字节不同有所不同14。3读操作读操作有三种基本操作当前地址读、随机读和顺序读。应当注意的是最后一个读操作的第9个时钟周期不是“不关心”。为了结束读操作，主机必须在第9个周期间发出停止条件或者在第9个时钟周期内保持SDA为高电平、然后发出停止条件15。另外，在I2C总线的应用中应注意的事项总结为以下几点1）严格按照时序图的要求进行操作；2）若与口线上带内部上拉电阻的单片机接口连接，可以不外加上拉电阻；3）程序中为配合相应的传输速率，在对口线操作的指令后可用NOP指令加一定的延时；4）为了减少意外的干扰信号将E2PROM内的数据改写可用外部写保护引脚（如果有），或者在E2PROM内部没有用的空间写入标志字，每次上电时或复位时做一次检测，判断E2PROM是否被意外改写16。27本章小结本章介绍了I2C总线协议定义，I2C总线特点，I2C总线功能和组成，图22控制字节配置图设备类型标识10R/WA0A1A201I2C总线工作原理。I2C总线是区域网络连接和输送的桥梁。为本文提供了坚实基础。第3章控制器硬件设计31设计原则和思想由于计算机和电子器件的飞速发展，现在的数字化仪器几乎很少有不带有单片机的。因此，智能在设计该控制器时，会遇到一些关于设计和调试的问题。1设计原则1功能及技术指标首先按照要求的功能和技术指标进行总体框架设计，保证仪器在规定的工作环境里面能正常工作。2可靠性要求可靠性是仪器在规定的条件下和规定的时间里，完成规定功能的能力，一般用年均无故障时间、鼓掌率、失效率或平均寿命等指标来表示。设计时必须考虑到系统的各个环节，保障仪器长期可靠地工作。3便于操作和维护设计时要充分考虑到用户操作方便，尽量减少按键和开关，提供良好的人机界面。应该具有很好的可维护性，仪器结构规范化、模块化，通过故障诊断程序对现场故障进行定位。4降低成本，提高仪器的性能价格比。结合器件功能，综合对比，尽量使用功能满足要求、价格低廉的器件，从而减少成本消耗，降低成本，提高产品的性能价格比。2设计思想1采用自上而下的设计方法，从总体到局部，再到细节先考虑整体目标，明确任务，把整体分解成若干个子任务，并考虑子任务之间的关系。这样就把较大的、复杂的、难解决的问题分解成若干个小的、简单的、容易解决的问题。另外，在某些场合也可以采取自底向上的设计方法。为了完成某个任务，可以利用现有的电路、模块或器件，综合成一个满足要求的系统。这种系统虽然未必是最简单、最优化的方案，但只要能完成预期任务，仍不失为快捷、高效解决问题的方法。2软件和硬件折中微计算机是智能仪器的核心，它既控制管理整个测试过程，又进行各种数据处理。智能仪器中有些功能靠硬件实现，有些功能利用软件或硬件都可以完成。硬件和软件都有各自的特点。软件可以完成许多复杂的运算，修改方便，但执行速度比硬件慢。硬件是各种元器件的物理实体，通过物理效应实现测量。硬件的成本高，组装起来不易改动。软件和硬件各有千秋，多使用硬件可以提高仪器的工作速度，减轻软件负担，但结构比较复杂；使用软件代替部分硬件会简化仪器结构，降低硬件成本，同时也增加了软件开发的成本。在大批量投产时，软件的易复制性可以降低成本。软件运行速度慢，实时性不如硬件。在设计时必须根据具体问题，分配软件和硬件的任务，决定系统中哪些功能由硬件实现，哪些功能由软件实现，确定软件和硬件的关系。软件和硬件的配置应该从仪器的功能、成本、研制周期和费用等多方面综合考虑。32设计结构框架语音录放芯片CPU电源监控电路串行时钟芯片显示键盘光电隔离输出电路图31系统结构图电采暖集中控制系统的功能及其特点在第一章中已经有所介绍，结合以往所学的知识和搜集到的文献资料，针对设计的目的对其进行整体分析，可初步拟订该系统的基本框架如上图31所示。系统基本框图如上所示，可以看出，该控制系统主要由六大部分构成（一）CPU为该控制器的核心部分，CPU采用89C51单片机；（二）语音芯片采用ISD1420；（三）带有看门狗（WDT）和E2PROM存储功能的电源监控电路；（四）键盘及显示部分除16个按键和4位LED数码管，还需要ZLG7290I2C接口键盘及LED驱动器（五）光电隔离部分采用光电耦合器TIL117组合电路，该系统的串行时钟芯片为HT1380。以上是系统设计的整体思路，对于系统各个部分的元件及其性能特点和在该系统中的作用将在以下的节中一一介绍。33整体控制器设计的原理331单片机部分单片微型机（简称单片机）作为微型计算机很重要的一个分支，自70年代问世以来，以极其高的性能价格比，受到了人们的重视和关注，应用很广，发展也很快。单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强、环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易。正因为如此，在我国，单片机已经广泛应用在智能仪器仪表、机电设备过程控制、自动监控、家用电器和数据处理等各方面。单片机与微型计算机类似，具有三总线，可以进行算术运算和逻辑运算，并通过控制逻辑由总线将运算结果输出到存储器和I/O设备等。但是，它与微型计算机在内在表现和外在表现方面又有许多差别，概括起来，单片机具有以下特点1它是一种微控制器，主要面向工程控制领域；2应用注重现场工程，因此体积小；3I/O功能控制性强，但内部存储量较小，具有局限性；4功耗低；5价格低。由于上述特点和优越性能，单片机在工业、民用、军用等工程领域得到广泛应用。值得一提的是，由于单片机是数字技术，而其应用十分广泛，因此，它在很大程度上正在改变传统设计方法。在软件和扩展口支持下，单片机可以代替以往由模拟和数字电路实现的系统，而在自动化、智能化程度、系统精度、系统功能变化等方面都是用传统方法设计的系统所不可比拟的。CPU的能力主要体现在数据处理的速度和精度的提高。一般CPU的字长的增加、硬部件的扩充、总线速度的提高、指令系统的扩充和效率的提高来实现。单片机内部除CPU以外还包括各种类型的存储器、I/O口等部件。高档单片机存储器种类多、容量大，一般作为程序存储器的ROM、EPROM、E2PROM或FLASH达几十KB，作为数据存储器的RAM达KB。I/O口包括并行口、串行口、串行扩展口、定时/计数器（具有定时输出、捕捉输入、监视器WATCHDOG等功能）。有的还配置了A/D转换器、脉宽调制输出PWM、正弦波发生器、CRT控制器、LED和LCD驱动器等。一些高性能的单片机对外部存储器、I/O口的寻址范围高达几兆字节，有的单片机还可以选择某些I/O口作为系统的扩展总线使用。在集中控制系统中所采用的单片机是89C51单片机，该系列单片机是采用高性能的静态80C51设计。由先进CMOS工艺制造并带有非易失性FLASH程序存储器。全部支12时钟和6时钟操作。P89C51X2和P89C52X2/54X2/58X2分别包含128字节和256字节RAM、32条I/O口线、3个16位定时/计数器、6输入4优先级嵌套中断结构、1个串行I/O口（可用于多机通信、I/O扩展或全双工UART）以及片内振荡器和时钟电路。此外，由于器件采用了静态设计，可提供很宽的操作频率范围（频率可降至0）可实现两个由软件选择的节电模式空闲模式和掉电模式。空闲模式冻结CPU，但RAM、定时器、串口和中断系统仍然工作。掉电模式保存RAM的内容，但是冻结振荡器，导致所有其它的片内功能停止工作。由于设计是静态的，时钟可停止而不会丢失用户数据运行可从时钟停止处恢复。89C51单片机接口如32图所示。图3289C51单片机接口图332语音录放部分信息储存器件ISD1400CHIPCORDER系列是单片高质量、短周期的录放音电路采CMOS工艺，内部包含片上时钟麦克前置放大器，自动增益控制，带通滤波器平滑滤波器和功率放大器由ISD1400组成的最小应用系统仅包含一个麦克喇叭几个阻容元件，两个开关和电源录制的信息存放在内部不挥发单元中，断电后可以长久保存。这种独特的单片解决方案使用了ISD的专利模拟存储技术语音和音频信号不经过转换直接以原来状态存储到内部存储器，可以实现高质量的语音复制。语音录放部分一端与通信网络相连，另一端与单片机相连接。该部分能够通过识别电话响铃时间的长短来决定加热系统工作的时间，从而达到预期的温度，大大的体现了人工智能远程控制的优越性。具体如33图所示图33ISO1420语音电路图语音录放部分可以通过ISD1400系列芯片来实现，常用的语音芯片有ISD1420，ISD2560，ISD3000/4000等型号，它们是由美国ISD公司生产的，有在台湾等地封装的，也有国内小公司买来硅片在国内封装打上自己型号的，质量参次不齐，但在使用上是基本兼容的。20秒到2分钟短时间的产品可以选择ISD1420或ISD2590，它们采用引脚直接管理操作，一般不需要外部设计软件就可以使用，技术含量不大，不需要购买专用开发工具，用户自己可以轻松开发。216分钟长时间的产品可以选择ISD4000系列，这个型号的产品需要外部驱动软件，而且如果软件设计不可靠，容易造成录音丢失，特别是在上电的过程中，因此可以见到有些产品采用了电源布丁模块来解决这个难题。我们推出了多款工业级语音功能模块，提供功能强大可靠的语音应用平台。应用时应注意有时在电路上电时发现会有不希望的录音操作发生，或者在充电时如果VCC上升的速度比REC快也会发生这种现象。发生这种现象后会影响到原来信息的播放，严重的会完全覆盖原来录制的信息。为了避免这种现象的发生可以在REC脚和VCC之间放置一个0001UF的电容，在上电时REC上的电压接近VCC，当电源电压稳定后REC的电平将被电路可靠地设置为高,除非人为的将REC电平拉低。这样就能避免错误的进入录音状态由于这种非正常的操作跟多种因素有关，例如用户印制板的分布电容。因此不是所有的设计都能避免这种现象的发生，但是仍然建议在设计中包含这个电容，以增加设计的可靠性。333带E2PROM和WDT功能的电源监控电路系统结构框图中带E2PROM和WDT功能的电源监控电路，可以采用一个CAT1161来实现。CAT1161为基于微控器的系统提供了一个完整的存储和监控方案，运用低功耗CMOS技术在片内集成了带硬件存储写保护的串行EEPROM存储器16K节能型系统电源监控电路和一个看门狗定时器存储器以I2C总线作为接口。当一个软件或硬件的误操作引起系统的暂停或挂起时16秒的看门狗电路可将系统恢复到默认状态CAT1161的看门狗定时器监控SDA线这样就不再需要增加PC板的跟踪功能低价位的CAT1162不含看门狗定时器。电源监控和复位电路可在电源电压上升/下降时保护存储器和系统控制器并防止产生掉电。CAT1161具有5个门槛电压，支持5V、33V和3V的系统，一旦电源电压超出允许范围，复位信号立即有效，从而防止系统微控制器ASIC或外外围器件继续工作。在电源电压超出复位门槛电压200MS之后，复位信号撤除。由于带有高电平和低电平复位信号所以可以很方便地连接到微控制器和其它IC。另外，芯片还有一个复位管脚，用作手动复位按钮的去抖输入。CAT1161存储器含有16字节的页写特性，除此之外，写保护管脚WP和VCC检测电路可实现对硬件数据的写保护，只要VCC下降到低于复位门槛电平之后或上电时VCC电压上升到复位门槛电平之前VCC检测电路都会禁止存储器的写操作。CAT1161如34图所示。图34CAT1161电路图334键盘及显示部分该部分由ZLG7290I2C接口键盘及LED驱动器、键盘和LED数码显示器构成。该部分的基本结构框图如35图所示。图35基本结构图ZLG7290芯片介绍第一芯片特点ZLG7290I2C接口键盘及LED驱动器采用I2C串行接口，提供键盘中断信号，方便与处理器接口；可驱动8位共阴数码管或64只独立LED和64个按键；可控扫描位数可控任一数码管闪烁；提供数据译码和循环移位段寻址等控制；8个功能键可检测任一键的连击次数；无需外接元件即直接驱LED可扩展驱动电流和驱动电压；提供工业级器件多种封装形式PDIP24SO24。第二引脚及说明采用24引脚封装引脚图如图1所示其引脚功能分述如36图所示。ZLG7290键盘及LED驱动器键盘LED数码显示器图36引脚说明图第三功能描述1键盘部分ZLG7290可采样64个按键或传感器可检测每个按键的连击次数其基本功能如下1）键盘去抖动处理当键被按下和放开时可能会出现电平状态反复变化称作键盘抖动若不作处理会引起按键盘命令错误,所以要进行去抖动处理以读取稳定的键盘状态为准2）双键互锁处理当有两个以上按键被同时按下时ZLG7290只采样优先级高的按键优先顺序为S1S2S64，如同时按下S2和S18时采样到S23）连击键处理当某个按键按下时输出一次键值后如果该按键还未释放该键值连续有效就像连续压按该键一样这种功能称为连击，连击次数计数器REPEATCNT可区别出单击某些功能不允许连击如开关或连击判断连击次数可以检测被按时间以防止某些功能误操作，如连续按5秒经入参数设置状态4）功能键处理功能键能实现2个以上按键同时按下来扩展按键数目或实现特殊功能如PC机上的“SHIFT”，“CTRL”“ALT”键典型应用图中的S57S64为功能键。2显示部分在每个显示刷新周期ZLG7290按照扫描位数寄存器（SCANNUM）指定的显示位数N，把显示缓存DPRAM0至DPRAMN的内容按先后循序送入LED驱动器，实现动态显示减少N值可提高每位显示扫描时间的占空比，以提高LED亮度显示缓存中的内容不受影响修改闪烁控制寄存FLASHONOFF可改变闪烁频率和占空比亮和灭的时间。ZLG7290提供两种控制方式寄存器映象控制和命令解释控制。如上述对显示部分的控制寄存器映象控制是指直接访问底层寄存器实现基本控制功能。这些寄存器需用字节操作命令解释控制是指通过解释命令缓冲区（CMDBUF0至CMDBUF1）中的指令间接访问底层寄存器实现扩展控制功能，如实现寄存器的位操作对显示缓存循环移位对操作数译码等操作。通信接口ZLG7290的I2C接口传输速率可达32KBIT/S，容易与处理器接口并提供键盘中断信号提高主处理器时间效率ZLG7290的从地址（SLAVEADDRESS）为70H01110000B。有效的按键动作（普通键的单击，连击和功能键状态变化），都会令系统寄存器（SYSTEMREG）的KEYAVI位置1，/INT引脚信号有效（变为低电平）。用户的键盘处理程序可由/INT引脚低电平中断触发，以提高程序效率；也可以不采样/INT引脚信号节省系统的I/O数，而轮询系统寄存器的KEYAVI位，要注意读键值寄存器会令KEYAVI位清0，并会令/INT引脚信号无效。为确保某个有效的按键动作所有参数寄存器的同步性，建议利用I2C通信的自动增址功能连续读REPEATCNT，FUNCTIONKEY和KEY寄存器，但用户无需太担心寄存器的同步性问题，应为键参数寄存器变化速度较缓慢（典型250MS，最快9MS）ZLG7290内可通过I2C总线访问的寄存器地址范围为00H至17H，任一寄存器都可按字节直接读写，也可以通过命令接口间接读写或按位读写。支持自动增址功能（访问一寄存器后寄存器子地址（SUBADDRESS）自动加一）和地址翻转功能（访问最后一寄存器（子地址17H）后寄存器子地址翻转为00H），ZLG7290的控制和状态查询全部都是通过读/写寄存器实现的，用户只需象读写24C02内的单元一样。即可实现对ZLG7290的控制关于I2C总线访问的细节请参考I2C总线规范。键盘部分智能仪器仪表通常采用钮子开关、键盘、拨盘作为输入操作器件。键盘是一种在智能仪器仪表中最常用的输入操作器件。它具有结构简单、工作可靠、容易控制、使用寿命长等优点。由若干个按键组成的键盘，其电路结构可分为独立键结构和矩阵键盘结构，独立键盘结构中，每个键单独占用一根I/O线，每根I/O线上的按键工作状态不会影响其他I/O口线上的状态；矩阵键盘的按键排列为行列式结构，也称行列式键盘结构，按键数目较多时，可以应用这种键盘，从而来节省I/O口线。在设计该系统时，键盘部分可采用4行4列共16个按键的矩阵键盘，只占用8根I/O线，可以对选项进行按键调节。键盘部分电路如图37所示。图37键盘部分电路图显示部分为了能以十进制数码直观地显示数字系统中的运行数据，目前广泛使用了七段字形显示器（或称七段数码管）。常用的七段数码显示器件（1）半导体数码管（LIGHTEMITTINGDIODE）。这种数码管的每一段都是一个发光二极管，因而把它叫做半导体数码管（简称LED）或LED数码管。发光二极管使用的材料与普通的硅二极管和锗二极管不同，有磷砷化镓、磷化镓等几种，且杂质浓度很高，当外加正向电压时，大量的电子和空穴在扩散过程中复合，其中一部分电子从导带跃迁回价带，把多余的能量以光的形式释放出来，成为一定波长的可见光，清晰悦目。磷砷化镓制成的发光二极管，其光波波长与所掺磷和砷的比例有关，含磷的比例越高波长越短，同时发光效率越低。目前，常用的磷砷化镓发光二极管有BS201，BS202。半导体数码管具有工作电压低、体积小、寿命长、可靠性高等优点，而且响应时间短（一般不超过01微妙），亮度也比较高。（2）液晶数码管（LIGUIDCRYSTALDISPLAY）；液晶是一种既有液体的流动性又具有光特性的有机化合物。它的透明度和呈现的颜色受外加电场的影响，利用这一特点便可做成电场控制的七段数码显示器件。液晶本身并不发光，而是借助与外来光显示数码，所以它是一种被动式显示器件。液晶显示器的最大优点是功耗小，由于它本身不会发光，仅仅靠外界光线显示字形，所以亮度很差。综合考虑，该系统中的显示部分采用四位LED数码显示管，显示值可以是相应的房间号码，时间值或温度值等。显示部分电路如图38所示。EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U189C51C280001UFWPSCLKI/ODRESSCLKI/ODRESR110KD14007VCCB1CH_BATTERY36VC16PHZ38MHZC222PC322POSCOUTOSCINOSCOUTOSCINSDA2SCL2SDA2RECINT0INT0C4470PR4100KVCCC2701UFC2601UFC2501UFC2401UFC2301UFRST1C301000UF/9VRST1VCCR53KR63KR73KR83KDIG1DIG2DIG3DIG4DIG1DIG2DIG3DIG4D24007D34007D44007D54007SEGASEGBSEGCSEGDABFCGDEDPA7B6C4D2E1F9G10DP5GND3GND8L1LED05ABFCGDEDPA7B6C4D2E1F9G10DP5GND3GND8L2LED05ABFCGDEDPA7B6C4D2E1F9G10DP5GND3GND8L3LED05ABFCGDEDPA7B6C4D2E1F9G10DP5GND3GND8L4LED05SEGA1SEGB1SEGC1SEGD1DIG3RST1DIG1DIG2213456789RPRP333K8DIG4213456789RPRP233K8SEGA213456789RPRP133K8SEGBWPSEGCNC1SEGDWPSEGENC1SEGFHZ232768KHZSEGGHZ132768KHZSEGHS16R11S15R12S14R13S13R14S12R15S11R16S10R17S9R18S8S7S6S5S4S3S2S1125463U2TIL117125463U9TIL117125463U8TIL117125463U7TIL117125463U6TIL117125463U5TIL117125463U4TIL117125463U3TIL117VCC12J5SIP2DIG4DIG3DIG2DIG1SEGE1SEGF1VCCSEGG1SEGH1DIG5SCL3DIG6SDA3DIG7SCL3SDA3SDA3SCL3RST2VCCSEGA1SEGBSEGCSEGD1SEGEDC1RESET2WP3GND4SDA5SCL6RESET7VCC8U16CAT1161SEGFDIG5SEGG1SEGH1SEGH1SEGG1SEGF1SEGE1SEGD1SEGC1SEGB1SEGA1DIG7DIG7DIG7DIG7DIG7DIG7DIG7DIG7LED8RED03LED7RED03LED6RED03LED5RED03LED4RED03LED3RED03LED2RED03LED1RED03RST2FN0VCCCM0CK0FN1CM1C2222UFCK1R3182KFN2VPPCM2VPPCK2CK15FN3CM15CM3CK14CK3CM14FN4CK13CM4CM13CK4CK12FN5CM12CM5CK5FN6CM6CK6FN7CM7CK7R191MCK11C501UFCM11CK10CM10CK9CM9FN0CK8CK0CM8R201MC601UFFN1CK1R211M12345678910J4IDC10C701UF12345678910J3IDC10SEGH1SEGG1SEGF1SEGE1FN2SEGC1CK2SEGD1R221MSEGB1C801UFSEGA1FN3CK3R231MC1101UFC2147UFC20220UFVCCFN4P07CK4P06R241MP05C1201UFP04P03P02P01P00FN5CK5R251MC901UFFN6CK6X2R261MX1C1001UFRST2P07P06P05P04FN7P03CK7P0212345678910J1IDC10P011234567891