家用电热水器控制电路的设计(申瞳)

1、盐城工学院本科生毕业设计说明书（2010）毕业设计说明书家用电热水器控制电路的设计专业电气工程及其自动化学生姓名申 瞳班级bm电气061学号0651420135指导教师夏菽兰 王吉林完成日期2010年6月3日家用电热水器控制电路的设计摘 要：设计说明书简述了热水器的发展历史，阐述了快热式家用电热水器控制电路的构成及工作原理。整个控制电路主要由电源电路、单片机控制器、温度检测电路、按键输入电路、led显示电路、蜂鸣报警电路和加热控制电路组成。其中温度检测电路设计采用温度/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。

2、为了达到快热的效果使冷水在进入加热管后立即被加热，加热电路设计采用方便可靠的电热丝加热，对于加热功率的控制设计采用双向可控硅控制功率，电路简单且控制方便。报警电路在温度超过规定值时报警使控制电路自动调整温度。直流稳压电源部分则为整个控制电路提供能量。系统程序设计包括主函数程序、显示扫描子函数程序、按键扫描处理子程序、加热控制函数程序与温度检测函数程序等的设计。设计说明书重点阐述了系统的工作原理、硬件构成、各部分的主要功能以及软件的结构和实现。关键词：电热水器；at89c51；控制电路the control circuit design of the appliance electric wat

3、er heaterabstract: the developing history of water heater is stated simply and the constitution and controlling principle of water heater system are expounded.the entire circuit is mainly from by the circuit of the power,controller of the scm, the circuit of temperature measures, the circuit of key

4、input, the circuit of led,the bee chirps in the warning circuit and heats the control circuit.the circuit of the temperature measures designs and adopts temperature/frequency to change and examine the warm law, change temperature information into a frequency signal directly,determines the frequency

5、size with the monolithic integrated circuit, thus measure temperature value indirectly, it is reliable that temperature/frequency changes the circuit simply,the cost is cheap.for reach hot result make cold water in enter heat, immediately in charge of soon, heat the circuit and design and adopt the

6、convenient and reliable heating wire to be heated,design and adopt the two-way silicon controlled rectifier to control the power as to heating control of power, the electric circuit is simple also the control convenience, alarm circuit main examination system temperature,when the temperature surpass

7、es the rating reports to the police causes the control circuit automatic control warm ,the direct current voltage-stabilized source are partial provides the energy for the entire control circuit, the design of the circuit. the system designs program and includes the main function procedure, reveal t

8、hat scans the sub function procedure, the button scans and deals with the subprogram, heat and control the design that function procedure and temperature measure the function procedure etc.systematic operation principle that the design instruction has been explained especially, hardware constitution

9、,each part of main functions as well as software structure and realization.key words: electrical water heater ; at89c51; control circuit目 录1概 述12方案论证23 系统组成器件的选用33.1 单片机at89c5133.1.1 功能特性描述43.1.2 单片机的工作方式83.1.3 8051的基本时钟周期93.2 数码管93.2.1 数码管的基本组成93.2.2 多位数码管的显示103.3 三端固定输出稳压器7805114 系统硬件电路的设计124.1 直流

10、稳压电源电路134.2 显示电路134.4 过零检测电路154.5 温度检测电路155 系统程序的设计165.1 主函数165.2 显示扫描子函数175.3 按键扫描处理子程序185.4 加热控制函数195.5 温度检测函数216 结束语24参考文献25致 谢26附 录27附录1程序清单28附录2 电路原理图36附录3 电路pcb图37快热式家用电热水器控制电路的设计1概 述目前市场上热水器主要品种有电热水器、太阳能热水器、燃气热水器。就中国的具体情况而言，由于太阳能热水器的使用受天气原因的限制，使用范围狭窄；燃气热水器由于以石油、天然气为燃料，而燃料供应量又难以满足人们日益增长的需求，且不利

11、于环境，因此电热水器越来越受到消费者的青睐。快热式家用电热水器就是让通过机体的水流即刻转化成理想水温的热水器。它的问世是家用电热器具领域一次新的进步，弥补了其它热水器的不足，属传统型热水器的替代产品。快热式家用电热水器在欧美等西方国家已经有数十年历史，省时、方便、节能、节水、环保等特性已得到广大用户认可，而中国市场尚未全面推广，主要归根于用电设施尚未得到根本性的改善。目前，随着全国电网的改造，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有利的条件。据国务院近期发布的调查结果显示，目前电热水器取代燃气热水器已经占据了国内热水器市场近60%的市场份额，并呈现出不断增

12、长的趋势。从增长速度来看，快热式家用电热水器年增长率高达40%。为此，进行快热式家用电热水器的技术改进和完善，提高其能量利用率对节约能源和环境保护，都有着不可忽视的重要意义。快热式家用电热水器无需储水罐，热水即开即用，无需预热，减少了电能的浪费，应用价值极高。另外还具有体积小、使用安全、安装方便、水温恒定、不易结水垢、使用寿命长等优点。其设计的功能要求如下：用2位数码管显示水温，能显示设定功率位。温度检测显示范围为0099，精度为1。设置3个功率档位指示灯，14档1个灯亮，58档2个灯亮，9档3个灯亮；0档无功率输出，档位灯不亮。设置3个轻触按钮，分别为电源“开关”、“+”、“-”键。加热功率

13、分为09 档。按“+”键依次递增至 9 档，按“-”键依次递减至 0 档。09 档功率依次为0、1/9p、2/9p、3/9p、4/9p、5/9p、6/9p、7/9p、8/9p 和 p。出水温度超过65时停止加热，并蜂鸣报警，温度降到45以下时恢复。内胆温度超过105时停止加热，防止干烧。2方案论证目前，随着全国电网的改造，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有利的条件。据国务院近期发布的调查结果显示，目前电热水器取代燃气热水器已经占据了国内热水器市场近60%的市场份额，并呈现出不断增长的趋势。从增长速度来看，即热式电热水器年增长率高达40%。为此，进行快

14、热式家用电热水器的技术改进和完善，提高其能量利用率对节约能源和环境保护，都有着不可忽视的重要意义。按照快热式电热水器的功能要求，设计采用如图 2-1 所示的模块组成系统，即由电源电路、单片机控制器、温度检测电路、按键输入电路、led显示电路、蜂鸣报警电路和加热控制电路组成，以实现设计的功能。单片机温度检测按键输入电源led显示蜂鸣报警加热控制 图2-1快热式电热水器系统组成框图为了达到“快热”的效果，快热式电热水器取消了储水罐，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。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

15、功率之间的关系如表2-1所列。表中所列水温值可以满足大多数家庭用户的使用要求，当最大加热功率为7.5kw时，按220v供电计算，电流约为34a，所以要求专线供电。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，但由于快热式家用电热水器的加热功率比普通的大，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，成本较高且工作可靠性降低，所以比较理想的方法是采用可控硅控制功率，电路简单且控制方便。表2-1水温与流量、加热功率的关系注：进水温度为15，输入电压为ac220v。温度检测的方法也较多，最经典的方法就是用热敏电阻（或热敏传感器）组成电桥来采集信号，再经放大

16、、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（例如：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，本设计采用了温度/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。3 系统组成器件的选用3.1 单片机at89c51 表3-1列出了几种类型单片微机的主要性能，它们内部除了具有cpu外，还包括rom、ram、4*8i/o口和2个16位定时/计数器，它们都是功能很强的单片微型计算机。但由于80c51片内为掩膜rom，故内部程序不能改写，不能用于实验开发。87c51具

17、有片内eprom，是真正的单片微机，但由于价格较贵，且程序改写时要用紫外线擦除，时间较长，所以用得较少。80c31在市场上的价格很低，但片内没有rom，必须在片外扩展一片eprom，非常不便。at89c51片内具有可电擦除的fperom，可以快速、多次地编程，且价格不高，所以用得非常广泛，目前开发用的mcs-51产品绝大多数用89c51。at89c51是一个低电压、高性能cmos 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准mcs-51指令系统，片内内置

18、通用8位中央处理器，内置功能强大的单片微机的at89c51为课题的具体设计提供了高性价比的解决方案。表3-1单片微机主要性能的比较型号rom形式片内rom片内ram寻址范围定时/计数器i/o口串行i/o口外部中断主要技术特点80c31外接rom4k128264 k2164uart2cmos基本型，时钟频率上限12、16、24、30、33mhz80c51rom4k128264 k2164uart287c51eprom4k128264 k2164uart289c51fperom4k128264 k2164uart2可快速、多次写入at89c51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输

19、入/输出（i/o）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，at89c51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的flash存储器可有效地降低开发成本。3.1.1 功能特性描述at89c51提供以下标准功能：4k字节flash闪速存储器，128字节内部ram，32个i/o口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路，同时，at89c51可降至0hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止cpu的工作，但允许ram，定时

20、/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存ram中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。a) 主要功能特性 兼容mcs-51指令系统 4k可反复擦写(1000次)flash rom 32个双向i/o口 可编程uarl通道 两个16位可编程定时/计数器 全静态操作0-24mhz 1个串行中断 128x8bit内部ram 两个外部中断源 共6个中断源 可直接驱动led 3级加密位 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 b) fperom的编程at89c51的i/o口p0、p1、p2和p3除具有与80c51相同的一些性能和用途外，在fperom编程时，p

21、0口接收代码字节，并在程序检验时输出代码字节，但在程序校验时需要外部上拉负载电阻，在fperom编程和程序校验期间，p1口接收低位地址字节，p2口接收高位地址字节和一些控制信号，p3口也接收一些fperom编程和校验用的信号，此时ale/prog引脚是编程脉冲输入（prog）端，在fperom编程期间，如果选择12v编程电压、那么ea/vp引脚也允许接受12v编程电压（vp）。c) at89c51单片微机内部结构at89c51单片微机内部由cpu、4kb的fperom ，128b的ram，两个16位的定时/计数器t0和t1，4个8位的i/o端p0、p1、p2、p3等组成。单片微机内部最核心的部

22、分是cpu，它是单片微机的大脑和心脏。cpu的主要功能是产生各种控制信号，控制存储器、输入/输出端口的数据传输、数据的算术运算、逻辑运算以及位操作处理等，cpu按其功能可分为运算器和控制器两部分。控制器由程序计数器pc、指令储存器、指令译码器、实时控制与条件转移逻辑电路等组成。它的功能是对来自存储器中的指令进行译码，通过实时控制电路，在规定的时刻发出各种操作所需的内部和外部的控制信号，使各部分协调工作，完成指令所规定的操作。运算器由算术逻辑器部件alu、累加器acc、暂存器、程序状态字寄存器psw、bcd码运算调整电路等组成。为了提高数据处理和位操作功能，片内增加了一个通用寄存器b和一些专用寄

23、存器，还增加了位处理逻辑电路的功能。d) at89c51单片微机引脚说明引脚功能描述：vcc：供电电压gnd：接地p0口：p0口为一个8位漏级开路双向i/o口，每脚可吸收8个ttl门电流。当p1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在flash编程时，p0口作为原码输入口，当flash进行校验时，p0口输出原码，此时p0外部必须被拉高。p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4个ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内

24、部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。p2口：p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口当用作外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。p3口：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/

25、o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入端时，被外部拉低p3口将将用上拉电阻输出电流。p3口除作为一般的i/o口线外，更重要的功能是它的第二功能，如表3-2所示。表3-2 p3口引脚第二功能对照表口线第二功能信 号 名 称p3.0rxd串行数据接收p3.1txd串行数据发送p3.2int0外部中断0申请p3.3int1外部中断1申请p3.4t0定时器/计数器0计数输入p3.5t1定时器/计数器1计数输入p3.6wr外部ram写选通p3.7rd外部ram读通ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许输出脉冲用于锁存地址的低8位字

26、节。即使不访问外部存储器，ale仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ale脉冲。对flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（sfr）区中的8eh单元的d0位置位，可禁止ale操作，该位置位后，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ale无效。：程序储存允许（）输出是外部程序存储器的读选通信号，当89c51由外部程序存储器取指令（数据）时，每个机器周期两次有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器时，这两次有效的信号不出现。 ea/vp：

27、外部访问允许。欲使cpu仅访问外部程序存储器，ea端必需保持低电平（接地）。如ea端为高电平，cpu则执行内部存储器的指令。flash存储器编程时，该引脚加上+12v的编程允许电源vp，当然这必须是该器件是使用12v编程电压vp。rst：复位输入，当振荡器工作时，rst引脚上将出现2个机器周期以上高电平将使单片机复位。xtal1：振荡器的反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 xtal2：振荡器的反相放大器的输出端。图3-1 at89c51引脚封装图e）时钟振荡器at89c51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚xtal1和xtal2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作

28、为反馈元件的片外石英晶体和陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。振荡电路见图3-2所示。 (a)内部振荡电路 (b) 外部振荡电路图3-2 振荡电路外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容c1、c2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容c1、c2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，应选30pf10pf，而如选择陶瓷谐振器应选择40pf10pf。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大低电平持续的时间应符合技术条件的要

29、求。3.1.2 单片机的工作方式单片机的工作方式包括：复位方式、程序执行方式、单步执行方式、低功耗操作方式以及eprom编程和校验方式。a) 复位方式rst引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，高电平有效的持续时间应为24个振荡周期以上。若时钟频率为6mhz，则复位信号至少持续4s以上，才可以使单片机复位。单片机的复位方式有上电自动复位和手工复位两种。b) 程序执行方式程序执行方式是单片机的基本工作方式，所执行的程序可以放在内部rom、外部rom，或者同时放在内、外rom中。则应使 =0；否则，可令=1。由于复位之后 pc=0000h，所以程序的执行总是从地址0000h开始的。但真正的

30、程序一般不可能从 0000h 开始存放，因此，需要在 0000h 单元存放一条转移指令，从而使程序转移到真正的程序入口地址。c) 单步执行方式单步执行方式是使程序的执行处于外加脉冲（通常用一个按键产生）的控制下，一条指令一条指令的执行，即按一次键，执行一条指令。单步执行方式可以利用8051的中断控制实现。其中断系统规定：从中断服务程序返回以后，至少要执行一条指令后才能重新进入中断。将外加脉冲加到int0输入，平时为低电平。通过编程规定int0信号是低电平有效，因此不来脉冲时总是处于响应中断的状态。因此，只有int0上来一个正脉冲，才能通过第一、第二两条指令返回主程序并执行一条指令。由于int0

31、此时已回到0，故重新进入中断，在第一条指令处等待正脉冲的到来，从而实现来一个脉冲执行一条指令的单步操作。d) 低功耗操作方式cmos型单片机有两种低功耗操作方式：节电方式和掉电方式。在节电方式下，cpu停止工作，而ram、定时器、串行口和中断系统继续工作；在掉电方式下，仅给片内ram供电，片内所有其它的电路均不工作。3.1.3 8051的基本时钟周期振荡周期：指振荡源的周期，若为内部产生方式，则为石英晶体的振荡周期。时钟周期：（称s周期）为振荡周期的两倍，时钟周期=振荡周期p1+振荡周期p2。机器周期：一个机器周期含6个时钟即由12个振荡周期组成。指令周期：是指执行一条指令所占用的全部时间。一

32、个指令周期通常含有14个机器周期。机器周期和指令周期是两个很重要的衡量单片机工作速度的值。若外接12晶振时，8051的四个周期的值为：振荡周期=1/12； 时钟周期=1/6；机器周期=1； 指令周期=14。3.2 数码管3.2.1 数码管的基本组成在各种数字系统中都需要将数字直观的显示出来。设计采用两位的led数码管来实时的来显示温度。数码管中的每一段都当于一个发光二极管，8段数码管则具有8个发光二极管。对于“共阳极”的数码管，内部每个发光二极管的阳极被接在一起，成为该各段的公共选通线；发光二极管的阴极则成为段选线。对于“共阴极”数码管，则正好相反，内部发光二极管的阴极接在一起，阳极成为段选线

33、。这两种数码管的驱动方式是不同的。当需要点亮“共阳极”数码管的一段时，公共段需接高电平（即写逻辑1）、该段的段选线接低电平（即写逻辑0），从而该段被点亮。当需要点亮“共阴极”数码管的一段时，公共段需接低电平（即写逻辑0）、该段的段选线接高电平（即写逻辑1），该段被点亮。这样每一个字符对应一个7位二进制码(若包括小数点,就是8位二进制码,这种代码称为显示代码)。各发光二极管的排列顺序为g、f、e、d、b、c、a,与显示的各位一一对应。一般来说在一个字节中按照a、b、c、d、e、f、g、dp的顺序放置字型码，比如在一个“共阴极”数码管上要显示“1”，则b、c段需被点亮，因此在段选线中写入60h。

34、7段数码管的段位顺序及引脚图如3-3图所示。 图3-3 7段led数码管的内部结构图8数码管的段位顺序及引脚图如3-4图所示。 图3-4 8段led数码管的内部结构图3.2.2 多位数码管的显示利用多个数字led显示器可以显示多位数字。一个n位的led显示器有n根位选线和8n根段选线。根据显示方式的不同，位选线和段选线的连接方式也不同。段选线控制显示字符的字形，位选线控制显示位的亮、暗。多位数字led显示器的显示控制方式有静态显示方式和动态显示方式两种形式。本设计需要实时显示温度，所以采用动态显示方式。在多位led显示时，为了简化硬件电路，通常将所有位的段选线相应地并联在一起，由一个单片机的8

35、位i/o口控制，形成段选线的多路复用。而各位数码管的共阳极或共阴极分别由单片机独立的i/o口线控制，顺序循环地点亮每位数码管，这样的数码管驱动方式就称为“动态扫描”。在这种方式中，虽然每一时刻只选通一位数码管，但由于人眼具有一定的“视觉残留”，只要延时时间设置恰当，便会感觉到多位数码管同时被点亮了。3.3 三端固定输出稳压器7805集成稳压器其功能可将非稳定直流电压变成稳定的直流电压。集成稳压器与分立器件构成的稳压电路相比具有成本低、体积小、使用简单、性能稳定等优点，同时又具有各种完善的保护功能。集成稳压器按其工作方式不同可分为串联型、并联型和开关型三种。三端固定输出稳压器是一种典型的串联调整

36、式稳压电路，图3-5是它的电路方框图。从图中可以看出，它由启动电路、基准电路、误差放大电路、调整管、取样电阻等组成，与分立元件的串联型稳压电路工作原理完全相同。7805稳压器是一种固定的正电压集成电路，它广泛应用于各种电子设备中，作电压稳压器使用。在芯片的内部设有过热、过流及调整管安全工作区保护电路，所以电路使用安全可靠。图3-5 7805内部结构框图图3-6 lm7805稳压器引脚图三端固定式稳压器的基本应用电路如图3-7所示。只要把正输入电压vin加到lm7805的输入端，lm7805的公共端接地，其输出端便能输出芯片标称正电压vout。图3-7 三端稳压器基本应用电路 4 系统硬件电路的

37、设计快热式热水器控制系统电路框图如图2-1所示，由7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显示电路、蜂鸣报警电路、加热控制电路和温度检测电路。控制器采用采用成本低廉且工作可靠的89c51，采用12mhz晶振。89c51对电源要求并不严格，电源电路采用普通的市电经降压整流，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。显示电路采用两位共阳数码管，由2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。4.1 直流稳压电源电路直流稳压电源一般由电源变压器、整流、滤波及稳压电路所组成。基本电路如图4-1所示。电源变

38、压器的作用是将电网220v的交流电压变换成整流滤波电路所需的交流电压；整流电路的作用是将交流电压变成单向脉动的直流电压，该电路采用单相桥式整流电路，由整流二极管d2、d3、d4、d5组成，这样由于d3、d5和d2、d4两对二极管交替导通，致使负载上在电压的整个周期内都有电流流过，而且方向不变；滤波电路由电容、电感等储能元件组成。它的作用是尽可能地将单向脉动电压中的交流成分滤掉，使输出电压成为比较平滑的直流电压，由于经整流电路后输出的波形中含有的交流分量，会影响负载电路的正常工作，这里采用截止频率低于整流输出电压基波频率的低通滤波电路；稳压部分选用输出电压固定的三端集成稳压器lm7805，利用三

39、端固定输出电压集成稳压器可以使输出的直流电压在电网电压或负载电流发生变化时保持稳定。直流稳压电源电路参数选择：其中c7和c9为滤波电容，输出端接入c9可以进一步滤除纹波。c5和c6是防止自激用的，输出端接电容c6能改善负载的瞬态影响，使电路稳定工作。本设计取c5=，c6=，c7=，c9=。图4-1 电源电路4.2 显示电路显示电路采用8段led显示器，由于led导通电压在1.5v左右，工作电流每段约为10ma，直接接在+5v电平上会使数码管过亮导致损坏，需接一个100300的限流电阻。也由于微控制器的驱动功率的限制，所以需要使用放大驱动电路来控制led的显示。段选线占用一个8位i/o口，由于各

40、位的段选线并联,段线码的输出对各位来说都是相同的。因此，同一时刻，如果各位的位选线都处于选通状态的话，2位led将显示相同的字符。若要各位led能够显示出与本位相应的显示字符，就必须采用扫描显示方式，即在某一位的位选线处于选通状态时，其他各位的位选线处于关闭状态，这样。两位led中只有选通的那一位显示出字符，而其它各位则是熄灭的。同样，在下一时刻，只让下一位的位选线处于选通状态，而其它的位选线处于关闭状态。如此循环下去，就可以使各位“同时”显示出将要显示的字符。由于人眼有视觉暂留现象，只要每位显示间隔足够短，则可以造成多位同时亮的假象，达到显示的目的。led数码管工作在动态显示方式时，段选码端

41、口用来输出显示字符的段选码， 输出位选码。 不断送待显示字符的段选码，不断送出不同的位扫描码，并使每位显示字符停留显示一段时间，一般为15ms。利用眼睛的视觉惯性，从显示器上便可以见到相当稳定的数字显示。显示电路图如图4-2所示。 图4-2 数码管显示电路4.3 加热控制电路图4-3为加热控制电路原理图。电加热丝的加热功率由双向可控硅来控制，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，电路中加入继电器来控制加热电源，继电器是一种当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件，

42、继电器的继电特性：继电器的输入信号x从零连续增加达到衔铁开始吸合时的动作值xx，继电器的输出信号立刻从y=0跳跃到y=ym,即常开触点从断到通。一旦触点闭合，输入量x继续增大，输出信号y将不再起变化。当输入量x从某一大于xx值下降到xf，继电器开始释放，常开触点断开。其中串联在继电器线圈回路的熔丝为105的热保险丝，当温度超过105时，热保险会熔断，防止加热管干烧。与继电器并联的二极管有效的保护其正常的工作。与电热丝并联的led发光管用来指示电热丝的工作状态。图4-3 加热控制电路图4.4 过零检测电路过零检测是根据频移键控过零率的大小来检测已调信号中频率的变化。可控硅触发信号中需要对市电进行

43、过零检测，以实现触发脉冲的相位延迟。本电路中利用三极管8050和一个“非”门实现过零检测，其路如图4-4所示。图4-4 过零检测电路图4.5 温度检测电路温度检测电路如图4-5所示。温度/频率转换电路是利用反相器组成的rc振荡器，其中r24是一个热敏电阻，热敏电阻的基本电气特性是它们随其温度变化而改变自身电阻。它们不产生信号，热敏电阻温度会随周围温度或电流通过热敏电阻而导致的自热而改变。当电路通电时温度的变化即会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公式表示。 (4-1)温度检测电路如图4-5所示。图4-5 温度检测电路图5 系统程序的设计按快热式热水器的

44、功能，系统程序必须实现以下的任务：显示扫描、按键扫描处理、加热控制、温度检测（包括超温报警）。51系列单片机实现多任务的方法就是分时复用，在程序设计时要相应地分配好各任务的cpu占用时间。对以上几个任务稍加分析可以看出，显示扫描和加热控制任务相对而言有实时要求，而温度检测任务则可定时（ 0.5 1 s ）实现。5.1 主函数系统在上电复位后，先对温度寄存器、档位寄存器赋默认值，并进行消除超温标志，设置定时器及中断的工作方式等初始化工作。本设计中每运行一次有实时要求的子程序（即显示扫描、按键扫描、加热控制）约占用5mscpu时间，运行测温子程序的时间间隔为0.5ms，那么循环次数应为100次。图

45、5-1为主函数程序流程图。图5-1 主函数程序流程图5.2 显示扫描子函数显示子函数完成两位共阳数码管的扫描显示任务，图5-2为显示扫描子程序流程图。图5-2 显示扫描子程序流程图5.3 按键扫描处理子程序按键扫描子程序负责逐个扫描档位“+”、档位“-”和开关按键是否被按下，若有按键被按下则作出相应的处理。图5-3为按键扫描子程序流程图。图5-3按键扫描子函数程序流程图5.4 加热控制函数加热控制程序根据用户设定的加热档位和系统当前的状态，来决定是否加热或控制加热的功率并点亮相应的指示灯。若有超温标志还应打开蜂鸣器报警。图5-4为加热控制函数程序流程图。图5-4加热控制函数程序流程加热控制程序

46、通过控制继电器的通断来决定是否给电热丝通电加热，而加热功率的大小则由双向可控硅的导通角决定。系统程序利用外中断int1检测市电的过零点，检测到过零点后，立即根据设定的加热档位给定时器t1赋一个延迟参数，并打开定时器t1，允许其中断。 当定时器t1计满溢出后触发中断，t1中断程序就会给可控硅发一个触发信号，使其导通。图5-5和5-6分别是过零检测函数程序流程图和可控硅触发信号控制函数程序流程图。 图5-5过零检测函数程序流程图图5-6可控硅触发信号控制程序流程图5.5 温度检测函数温度检测函数的基本原理是将温度/频率转换电路测得的频率与事先建立好的温度/频率表进行比较，查找出与该频率相应的温度值

47、。在实验测试后建立的温度/频率表是0100所对应的频率值，它是一个频率对应于温度递减的非线性函数，在c语言中可以用一个一维数组tab101来表示，下标为温度，数组元素为频率值。计算温度的方法采用高效准确的二分法查表，查表的过程如下：a)先给定查找温度的最大值tmax和最小值tmin，即确定查找范围。根据已有的温度表默认最大值 tmax=100，最小值tmin =0。b)假定测得的温度temp为最大值和最小值的中间值，即temp=（tmax+tmin）/ 2c)将实际测得的频率值t0rig与假定温度temp在表格中对应的频率tabtemp相比较，如果相等，那么假定温度就是当前实际温度，即完成查找

48、。d)如果t0rig tabtemp，说明实际温度应该在tmin和temp之间，修改查找范围令tmax = temp，同理如果t0rig 1，那么重复a、b、c、d、e、f步骤，直到完成查找。温度检测程序完成温度计算后便刷新系统当前温度寄存器，并判断有无超温、置位或清除相应的标志位。图5-7为温度检测函数程序流程图。图5-7 温度检测函数程序流程图单片机使用外中断int0和计时器t0检测输入频率的大小，为了减少测量系统的误差相对值和随机误差对测量精度的影响，程序取100个方波周期的和作为测量结果，使用静态变量px0count进行外中断的计数，在测量开始时，我们给px0count赋值2是为了让频

49、率测量有准确的起点。另外，为了区分测频的开始和结束，还使用了测频开始标志位t0st和测频完成标志位testok。图5-8为频率测试函数程序流程图。图5-8 频率测试函数程序流程图6 结束语经过了很长时间的设计，终于完成了要求的电路设计课题，这是对以前知识的重温。这次的设计是一次比较完整的设计，也是比较全面的一次，更是对我四年来所学知识最全面的一次考查，这次设计使我从理论学习的轨道上引向实际方面来。把过去的定性分析，定量计算逐步和工程估算等手段结合起来，使我掌握了工程设计的基本步骤和方法。这对我以后的工作也是一次具有实践意义的训练。本次设计主要运用集成稳压器7805与单片机89c51基本上实现了

50、课题的设计要求。设计中时采用数码管显示水温，设置功率档调节，出水温度自动控制。系统硬件电路设计包括加热控制、温度检测等电路的设计，系统程序设计包括主函数程序、显示扫描子函数程序、按键扫描处理子程序、加热控制函数程序与温度检测函数程序等的设计。在设计中过程中，遇到不懂的地方，就及时的向老师和同学请教，确保设计工作顺利进行。经过本次的设计，使我体会到知识系统性和综合性的重要，并且也使我了解到丰富的知识经验和技能是日积月累的结果。参考文献1 郇玉龙，赵宁，卢洪武.用at89c51单片机设计智能家用电热水器j.实用电子制作，2007,(10)：33-35.2 李天恩.微电脑控制全自动电热水器j.福建信

51、息技术教育，2006,(6)：9-12.3 何芳.热水器温度控制板设计j.现代电子技术，2007,(22)：13-16.4 莫建鹏，於黄忠，罗敬雅.一种频率检测温度方法的实现.电路的电子元器件应用j 2007,(2)：26-28.5 康华光.模拟电子技术基础m.北京：高等教育出版社，2006.6 阎石.数字电子技术基础m.北京：高等教育出版社，2006.7 丁元杰.单片微机原理及应用m.北京：机械工业出版社，2007.8 马忠梅.单片机的c语言应用程序设计m.北京：北京航空航天大学出版社，2005.9 全新实用电路集粹丛书编辑委员会. 报警器.警示器应用电路集粹m.北京： 机械工业出版社，2005.9 黄继昌.实用单元电路及应用m.北京