畢業(yè)論文基于單片機的電熱式熱器控制系統(tǒng)

1、 編號 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢畢業(yè)業(yè)論論文文 題 目 基于單片機的電熱式熱器 控制系統(tǒng) 學(xué)生姓名 學(xué) 號 院 系電氣工程系 專 業(yè)機電一體化 班 級429111 指導(dǎo)教師 顧問老師 二一三年十月 摘 要 近十余年來，單片機技術(shù)的發(fā)展極為迅速，廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活的各個 領(lǐng)域。尤其是熱水器的發(fā)展，單片機熱水器的出現(xiàn)人們使用熱水更加方便。 單片機電熱水器控制器主要由水溫水位檢測電路、鍵盤、顯示電路、單片 機、漏電檢測及報警電路等構(gòu)成。它基于熱水器內(nèi)的水溫、水位變化而把水加 到指定位置并加熱到指定溫度，從而實現(xiàn)方便用戶洗浴的目的。溫度傳感器將 采集到的溫度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，通

2、過單片機控制整個電路工作，利用 a/d 轉(zhuǎn)換器，基于水溫水位的變化對采樣到的信號數(shù)據(jù)進行 a/d 轉(zhuǎn)換，通過單片機 系統(tǒng)處理后把實時水溫水位顯示出來，利用模糊控制理論實現(xiàn)熱水器內(nèi)的恒溫 加熱。鍵盤可以輸入指定水溫值（2080）并實時顯示，還可通過設(shè)置完成預(yù) 約加熱功能。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：at89c52 單片機；溫度測量；led 顯示；a/d 轉(zhuǎn)換電路 abstract more than 10 years, single-chip technology developed very rapidly, widely used in all areas of production and life.

3、 especially in the development of the water heater, monolithic appearance of a water heater using hot water more convenient. single-chip electrical water heater controller primarily by water level detection circuit, keyboard, display circuits, microcontrollers, leakage detection and alarm circuit co

4、mposition. it is based on the water heater temperature, water level and add water to a specified location and heated to a specific temperature, thus achieving user- friendly bathing purposes. temperature sensor temperature signal into a voltage signal to be collected, controlled by single-chip circu

5、it as a whole, using the a/d converter, based on water temperature change in the water level of the sampling of the signal a/d conversion data, via the microcontroller system water level display realtime temperature after processing, using fuzzy control theory to achieve constant heating of the wate

6、r heater. keyboard to enter temperature value (2080) and displayed in real time, can be done by setting the appointment heating function. keywords: at89c52 single chip computer; temperature measurement; the led display; a/d circuit 目錄目錄 摘摘 要要. abstractabstract 第一章第一章 緒論緒論.1 1.1 單片機熱水器的優(yōu)勢 .1 1.2 熱水器的

7、發(fā)展前景.1 第二章第二章 單片機的組成應(yīng)用及傳感器的選用單片機的組成應(yīng)用及傳感器的選用.2 2 2.1 單片機的組成應(yīng)用 .2 2.2 傳感器的選用.2 第三章第三章 電熱水器控制系統(tǒng)整體設(shè)計方案電熱水器控制系統(tǒng)整體設(shè)計方案33 3.1 電熱水器控制系統(tǒng)功能說明.3 3.2 系統(tǒng)整體設(shè)計方案.3 第四章第四章 硬件設(shè)計硬件設(shè)計 5 5 4.1 微控制器模塊.5 4.2 溫度測量.6 4.2.1 pt1000 鉑電阻溫度傳感器 .7 4.2.2 溫度信號放大電路.7 4.2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路.8 4.3 實時時鐘.10 4.4 溫度、時鐘顯示電路.10 4.5 看門狗復(fù)位電路 .13 第五章第

8、五章 軟件設(shè)計軟件設(shè)計 15 5.1 整體軟件設(shè)計.15 5.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計.15 第六章第六章 總結(jié)與展望總結(jié)與展望1818 6.1 總結(jié) .18 6.2 展望.18 致謝致謝1919 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).20 第一章第一章 緒論緒論 1.1 單片機熱水器的優(yōu)勢單片機熱水器的優(yōu)勢 隨著科技時代的來臨，單片機為核心的產(chǎn)品在市場中占據(jù)了越來越多的份 額。以單片機為控制器的產(chǎn)品使用方便，價格低廉，越來越受到人們的喜愛。 總所周知，燃?xì)鉄崴饕蚱浒踩[患及越來越高的使用成本正逐漸淡出熱水器 市場；而太陽能熱水器也因其嚴(yán)格受天氣，氣候及安裝條件影響而很難占有很 多市場份額；而儲水式電熱水器因其體積

9、大，預(yù)熱時間長，熱水出水量有限， 已不適合現(xiàn)代生活節(jié)奏?？鞜犭姛崴鞯恼Q生代表著熱水器的行業(yè)的發(fā)展方向。 1.2 熱水器的發(fā)展前景熱水器的發(fā)展前景 目前熱水器已成為日常生活中不可缺少的家用電器，設(shè)計制造更實用方便 和安全節(jié)能的熱水器是產(chǎn)品設(shè)計師和生產(chǎn)廠商不斷追求的目標(biāo)。電熱水器是一 種可以供洗手間，廚房，浴室使用的家用電器。擁有無污染，安全和使用方便 等優(yōu)點。隨著人民生活水平的不斷提高和我國電力工業(yè)的不斷發(fā)展，電熱水器 得到不斷普及。電熱式電熱水器是將直接浸在水中的電熱元件或?qū)⒐軆?nèi)通水， 管外通電的新型電熱元件快速加熱，使流經(jīng)電熱元件的冷水瞬間加熱至適當(dāng)溫 度，以供人們沐浴或廚用，稱之為電熱式

10、電熱水器。由于冷水瞬間加熱所需功 率較大，安全性能要求高，故本電熱水器電路的設(shè)計需考慮漏電保護，超溫控 制，停水?dāng)嚯姷扔嘘P(guān)人身安全和設(shè)備保護方面的諸多因素。 第二章第二章 單片機的組成應(yīng)用及傳感器的選用單片機的組成應(yīng)用及傳感器的選用 2.1 單片機的組成應(yīng)用單片機的組成應(yīng)用 單片微型計算機簡稱單片機。它是將處理器 cpu、程序貯存器（rom）、數(shù) 據(jù)貯存器（ram）、輸入/輸出（i/o）接口、定時/計數(shù)器、串行口、系統(tǒng)總線 等集成在一個超大規(guī)模集成電路芯片上。 單片機以其體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便 等優(yōu)點，廣泛用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、功

11、 率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力 等物理量的測量。 2.2 傳感器的選用傳感器的選用 本設(shè)計就是采用單片機和傳感器對溫度的控制，傳感器的選用也是有要求 的在傳感器的線性范圍內(nèi)，希望傳感器的靈敏度越高越好。只有靈敏度高時， 與被測量變化對應(yīng)的輸出信號的值才比較大，有利于信號處理。傳感器的靈敏 度高，與被測量無關(guān)的外界噪聲也容易混入，也會被放大系統(tǒng)放大，影響測量 精度。精度是傳感器的一個重要的性能指標(biāo)，它是關(guān)系到整個測量系統(tǒng)測量精 度的一個重要環(huán)節(jié)。傳感器的精度越高，其價格越昂貴，因此，傳感器的精度 只要滿足整個測量系統(tǒng)的精度要求就可以，不必選得過高。這樣就可

12、以在滿足 同一測量目的的諸多傳感器中選擇比較便宜和簡單的傳感器。 第三章第三章 電熱水器控制系統(tǒng)整體設(shè)計方案電熱水器控制系統(tǒng)整體設(shè)計方案 3.1 電熱水器控制系統(tǒng)功能說明電熱水器控制系統(tǒng)功能說明 本課題采用單片機為主控芯片設(shè)計電熱水器控制系統(tǒng)，其主要任務(wù)是對電 熱水器進行溫度采集與顯示、時鐘的顯示、熱水器的開機方式的控制等。主要 功能如下： （1）測量熱水器內(nèi)的溫度，并通過顯示器實時顯示水溫，顯示范圍為 0 70 （2）正常狀態(tài)下實時顯示時鐘 （3）可以立即開機或在 24 小時內(nèi)任意設(shè)定開機時間 3.2 系統(tǒng)整體設(shè)計方案系統(tǒng)整體設(shè)計方案 電熱水器控制系統(tǒng)的整體設(shè)計方案主要包括硬件設(shè)計方案和軟件

13、設(shè)計方案。 硬件是指以 at89c52 作為整個控制系統(tǒng)的核心，再外接溫度信號采集電路、實 時時鐘電路、熱水器加熱控制開關(guān)、led 顯示電路、鍵盤、復(fù)位與看門狗電路 組成。根據(jù)本設(shè)計所需要的電熱水器功能的需求，在節(jié)約開發(fā)成本、增加系統(tǒng) 安全及可靠性、減小體積等原則下進行電熱水器控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。其系統(tǒng) 硬件框圖如圖 3-1 所示系統(tǒng)硬件框圖。 圖 3-1 系統(tǒng)硬件框圖 微控制器 模塊 at89c52 電源晶振電路 a/d 轉(zhuǎn)換 鍵 盤 復(fù)位電路 實時時鐘 信號放大 電路 水溫采集裝置 設(shè)定功能電路 led 顯示電路 加熱開關(guān) 系統(tǒng)主要采用 51 單片機 at89c52 作為整個控制系統(tǒng)的主控

14、模塊，利用 at89c52 的引腳連接其他的外部電路。對于溫度的測量根據(jù)其環(huán)境的特殊性， 溫度信號的采集主要由 pt1000 鉑電阻溫度傳感器、信號放大電路和 a/d 轉(zhuǎn)換 電路組成；對于實時時鐘的實現(xiàn)則是采用現(xiàn)有的 pcf8563 時鐘芯片，主要是取 得時鐘的小時和分鐘；鍵盤主要是用來設(shè)定開機時間、設(shè)定熱水溫度、定時加 熱時間、校準(zhǔn)時鐘，因此需設(shè)定四個按鍵；而為了調(diào)高系統(tǒng)的性能，系統(tǒng)采用 了看門狗復(fù)位電路；對于溫度及實時時鐘的顯示選擇以 ch451 作為驅(qū)動芯片的 led 顯示電路。 第四章第四章 硬件設(shè)計硬件設(shè)計 4.1 微控制器模塊微控制器模塊 根據(jù)圖 4-1 可以看出，本系統(tǒng)主要是使用

15、 at89c52 現(xiàn)有的引腳連接外部的 其它硬件電路，而由于對實時性和微控制器的處理速度要求不高，因此選擇了 具有低電壓、高性能的 at89c52 單片機。它是一個 cmos 工藝的 8 位單片機， 片內(nèi)含有 8kb 的掩膜 rom 和 256 個隨機存取存儲器（ram）單元，8 位的通 用中央處理器（cpu）和閃速存儲單元，并且與 52 系列的其它產(chǎn)品有很好的引 腳兼容，因此是一種性價比較高的單片機。 at89c52 主要性能說明如下：32 個 i/o 口線；片內(nèi)有 8kb 閃速存儲器， 256b 內(nèi)部隨機存取存儲器 ram；3 個 16 位定時/計數(shù)器，用于實現(xiàn)定時或計數(shù) 功能；中斷系統(tǒng)為

16、一個 6 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)；一個可編程全雙工串行通信口； 片內(nèi)振蕩器及時鐘電路，全靜態(tài)工作方式。具有全靜態(tài)工作方式表明它不一定 要求連續(xù)的時鐘定時，在等待內(nèi)部事件期間，時鐘頻率可降至 0hz 的靜態(tài)邏輯 操作。 at89c52 的功能引腳說明：p0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 i/o 口，也即 地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口；p1、p2、p3 是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口， 其輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個 ttl 邏輯門電路，而 p3 口除了 作為一般的 i/o 口線外，更重要的用途是它的第二功能；rst 是復(fù)位輸入； ale/prog 是一個復(fù)用引腳，ale 是地址鎖

17、存允許，prog 是輸入編程脈沖； psen 是外部程序存儲器的讀選通信號；ea/vpp 是外部訪問允許；xtal1 是 振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端；xtal1 是振蕩器反相放大器 的輸出端。 系統(tǒng)設(shè)計的電路原理圖如圖 4-1 所示，d0 為電源指示燈；p0 口連接鍵盤和 指示燈，四個指示燈的功能分別為校準(zhǔn)時鐘、設(shè)定開機時間、設(shè)定熱水溫度和 設(shè)定定時加熱時間，k1k4 分別為公共功能鍵、加鍵、減鍵、開關(guān)按鍵； p1.0p1.2 引腳與模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片 cs5513 相連；p1.5p1.7 引腳與 led 驅(qū)動芯片 ch451 相連；p1.3 和 p1.4 控制實時時鐘的讀寫；p2.

18、0 通過光耦控制電磁閥開關(guān)， 用于啟動和加熱設(shè)備；p2.2p2.7 控制 led 八段數(shù)碼的片選。 c1 20p 11.06m d0 89c52 x1 x2 /ea/vp p2.0 int0 int1 t0 t1 p1.0 p1.1 p1.2 p1.3 p1.4 p1.5 p1.6 p1.7 p0.0 p0.1 p0.2 p0.3 p0.4 p0.5 p0.6 p0.7 rst p2.1 p2.2 p2.3 p2.4 p2.5 p2.6 p2.7 /rd /wr ale/p txd rxd c2 20p r1 3k d1 d3 d2 d4 r4 100 r5 100 r6 100 r7 100

19、 k1 k2 k3 r8 10k r9 10k r10 10k r11 10k k4 v+sclk /cs sdo ain+ ain- v - vref cs5513 c1 10u c2 10u/16v 2.5v c3 0.1u r1 3.6k pcf8563 oscivdd oscoo ou ut t / /i in nt ts sc cl l v vs ss ss sd da a vcc r r2 2 5 5. .1 1k k r r1 1 5 5. .1 1k k 3 32 2. .8 8k k 1 15 5p p ch451 load din dclk vcc dig0 dig1 di

20、g2 dig3 dig4 dig5 dig6 dig7 gnd dout rst seg0 seg1 seg2 seg3 seg4 seg5 seg6 seg7 vcc 光耦 電磁閥開 關(guān) r12 10k imp813 rfivcc rst/pfo wdi wdo gnd /mr vcc c2 10u/16 v c1 10u vcc 圖 4-1 系統(tǒng)原理圖 4.2 溫度測量溫度測量 溫度測量是電熱水器控制系統(tǒng)中一個至關(guān)重要的部分，其測量過程是比較 復(fù)雜的。測量溫度的標(biāo)尺是溫度計，按照其測量方式可以分為接觸式和非接觸 式兩種。接觸式測量儀表比較簡單、可靠，測量精度高，但是因為測溫元件與 被測介質(zhì)

21、需要進行充分的熱交換，需要一定的時間才能達(dá)到熱平衡，所以存在 測溫延遲現(xiàn)象，同時受耐高溫和耐低溫材料的限制，不能應(yīng)用于這些極端的溫 度測量。非接觸式儀表測溫儀是通過熱輻射的原理來測量溫度的，測溫元件不 需要與被測介質(zhì)接觸，測溫范圍廣，不受測溫上限的限制，也不會破壞被測物 體的溫度場，反應(yīng)速度一般也比較快，比較適合此控制系統(tǒng)的要求。 在這里溫度測量主要由 pt1000 鉑電阻溫度傳感器、信號放大電路和模數(shù)轉(zhuǎn) 換電路組成。 4.2.1 pt1000 鉑電阻溫度傳感器鉑電阻溫度傳感器 溫度傳感器就是利用各種物理性質(zhì)隨溫度變化的規(guī)律把溫度信號轉(zhuǎn)換為電 量的儀器。pt1000 電阻溫度傳感器則是熱電阻式

22、溫度傳感器的一種。 鉑電阻是一種對溫度比較敏感的器件，它的電阻溫度系數(shù)大而且穩(wěn)定，電 阻值與溫度成一定函數(shù)關(guān)系。并且具有電阻率高、熱容量小、反應(yīng)速度快、材 料的示值復(fù)現(xiàn)性高和耐氧化等特點，因此被用來作為 0926溫度群內(nèi)的國際 標(biāo)準(zhǔn)溫度計。但是鉑電阻的特性曲線是非線性的，在-190t0時 rt=r01+at+bt2 +c(t-100) t3 ，在 0t630.74時 rt=r01+at+bt2 ，在設(shè) 計時必須進行線性化校正。 式中 r0、rt 為溫度 0和t熱電阻的電阻值，t為任意溫度。 a、b、c 為溫度系數(shù)，由實驗確定，它們的數(shù)值分別為 a=3.9080210-3 ，b= -5.8021

23、0-7 ，c= -4.2210-7 。 由公式可以看出，r0 值不同時，在同樣溫度下 rt 的值也不同。 本系統(tǒng)采用的是 r0=1000 歐姆的鉑電阻溫度傳感器，溫度要求范圍為 070，所以適合式 rt=r01+at+bt2。此外，引線電阻會影響到測溫精度，而 由于系統(tǒng)對溫度測量精度要求不高，因此采用二線制接法，這種接法需要的材 料少價格低，簡單實用，只要直接將傳感器的兩根引線接到放大器的反饋電阻 即可。 4.2.2 溫度信號放大電路溫度信號放大電路 由溫度傳感器采集到的信號比較弱，難以直接進行 a/d 轉(zhuǎn)換，所以必須一 個合適的放大電路來將這個信號放大。放大電路的本質(zhì)是能量的控制和轉(zhuǎn)換， 是

24、在輸入信號作用下，通過放大電路將直流電源的能量轉(zhuǎn)換成負(fù)載所獲得的能 量，使負(fù)載從電源所獲得的能量大于信號源所提供的能量，因此電子電路放大 的基本特征是功率放大。放大器的種類很多，但在模擬輸入通道中使用的是一 種具有高放大倍數(shù)并帶有深度負(fù)反饋的直接耦合放大器， ，增益大，可靠性高， 價格低和使用方便等特點。因此選用噪聲小，抗干擾能力較強的 tlc2201 功率 放大器。pt1000 與 tlc2201 的接口電路如圖 4-2 所示。 圖 4-2 溫度信號放大電路 由圖 4-2 可知，運算放大器 u1的連接方式是電壓跟隨器的方式，這種連接 方式不僅能夠使可以驅(qū)動的負(fù)載電阻較小，而且電壓跟隨器還可以

25、緩沖因前一 級輸入阻抗較小而損耗在前級輸出電阻中的信號。運放 u2采用同相比例放大器 的連接方式，同相比例放大器有高的輸入阻抗，但其輸出阻抗很低，因此可以 對前后級電路起到隔離作用。圖 4-2 中 r1 是一個限流電阻，防止電流太大而損 壞穩(wěn)壓二極管 z2；c1、c2 分別是陶瓷電容和電解電容，主要是用于濾除電源 的高頻干擾和低頻干擾；r2 與 r3 并聯(lián)后再串聯(lián) r4 形成一個電壓可調(diào)的電路， 并同時輸入到 u1的同相輸入端；rpt 是鉑電阻傳感器的應(yīng)變電阻值，在溫度發(fā) 生變化的時候，電阻相應(yīng)改變。u2的同相輸入端輸入的是 u1輸出的固定信號， 其反相輸入端是由 r8 與 rpt 連接成一個

26、負(fù)反饋的放大電路，放大后的模擬信號 由 cs5513-ain+標(biāo)識的引腳輸出，最后將接入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。 4.2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 由于鉑電阻傳感器采集到的溫度信號是模擬信號，不能直觀的觀測到，因 此需要一個模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將這種模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后進行分析。對于 a/d 轉(zhuǎn)換器的選擇，一般是從轉(zhuǎn)換器的位數(shù)、轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率、與主 cpu 接 口以及數(shù)據(jù)輸出是否方便、穩(wěn)定性及抗干擾能力等幾個方面來分析決定的。本 系統(tǒng)中采集對象是溫度。它的變化速率但是精度要求比較高，因此在保證精度 位數(shù)的同時不需要很快的轉(zhuǎn)換速率。綜合比較后，選用 cs5513 芯片作為模數(shù) 轉(zhuǎn)換電路的核心部分。cs5

27、513 是 20 位的串行輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，它可以進行 直流測量。 cs5513 引腳的功能： （1）模擬部分的引腳（如圖 4-3） v+、v-：為正負(fù)電源引腳，cs5513 可工作于單電源或雙電壓源模式 ain+、ain-：差分模擬輸入 vref：參考電壓輸入，轉(zhuǎn)換器的參考電壓為 vref 和 v-之間的電壓，此 電壓最低為 2.5v，最高為（v+）-（v-）v （2）數(shù)字部分引腳及功能（如圖 4-3） sdo：串行數(shù)據(jù)輸出，sdo 輸出的邏輯低電平是以的邏輯低電平為基準(zhǔn) cs 的，所以 cs5513 沒有專用的接地管腳 sclk：串行時鐘輸入，用于控制 cs5513 中的 sdo 引腳的輸

28、出。當(dāng) sclk 為高電平并持續(xù) 2ms 后，cs5513 進入休眠狀態(tài)，要終止這種狀態(tài)只需將 sclk 置為低電平即可 ：片選端，當(dāng)為高電平時，sdo 串口數(shù)據(jù)輸出端輸出為高阻態(tài)；當(dāng) cscs 為低電平時，sdo 輸出數(shù)據(jù) cs cs5513 與模擬輸入的接口電路如圖 4-3 所示，經(jīng)由信號放大電路放大后的 模擬信號輸入到 cs5513 的 ain+端 圖 4-3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路 4.3 實時時鐘實時時鐘 實時時鐘的縮寫是 rtc（real-time clock） 。rtc 是集成電路，通常稱為 時鐘芯片。本設(shè)計采用 pcf8563 時鐘芯片實現(xiàn)，它是一款工業(yè)級低功耗的 cmos 實時時鐘/日

29、歷芯片。它提供一個可編程時鐘輸出，一個中斷輸出和掉電 檢測器，所有的地址和數(shù)據(jù)通過 ic 總線接口串行傳遞。最大總線速度為 400kb/s，每次讀寫數(shù)據(jù)后，內(nèi)嵌的字地址寄存器會自動產(chǎn)生增量。pcf8563 是 一款性價比極高的時鐘芯片，它已被廣泛應(yīng)用于電表、水表、氣表、電話傳真、 機便攜式儀器等產(chǎn)品上。pcf8563 芯片引腳排列如圖 4-4 所示。 圖 4-4 pcf863 的引腳排列 其引腳功能如下： 1 osci：振蕩器輸入 2osco：振蕩器輸出 ：中斷輸出，開漏輸出模式（獲得更大的驅(qū)動） ，低電平有效 int vss：接地 1 sda：串行數(shù)據(jù) i/o 接口 2 scl：串行時鐘輸入

30、 3 clkout：時鐘輸出，開漏模式 vdd：正電源 4.4 溫度、時鐘顯示電路溫度、時鐘顯示電路 led 是 light emiting diode（發(fā)光二極管）的縮寫，它是能將電信號轉(zhuǎn)換 為光信號的電子發(fā)光器件，也稱數(shù)碼管。數(shù)碼管有 7 段和 8 段之分，8 段數(shù)碼 管是在 7 段基礎(chǔ)上再加了一個圓點形的發(fā)光二極管，用于顯示小數(shù)點。 數(shù)碼管的特點如下：發(fā)光響應(yīng)快，亮度強，高頻特性好；而且隨著材料的 不同，數(shù)碼管還能發(fā)出紅、黃、綠、藍(lán)等多種顏色的光。 機械性能好，體積小，重量輕，價格低廉；能與 cmos 和 ttl 電路配 合使用；使用壽命長。 工作電壓低，驅(qū)動電流適中。每段工作電流為 5

31、10ma，一只數(shù)碼管的 7 段 led 全亮需要電流為 3570ma。這樣大的電流需要由驅(qū)動電路提供，本系 統(tǒng)使用 ch451 作為 8 段數(shù)碼管的驅(qū)動。 在使用中，為了給發(fā)光二極管加驅(qū)動電壓，它們應(yīng)有一個公共引腳，公共 引腳有如下兩種接法： 共陰極接法。把發(fā)光二極管的陰極連在一起構(gòu)成陰極公共引腳，使用時 陰極公共引腳接地，這樣陽極引腳上加高電平的發(fā)光二極管就導(dǎo)通點亮，而加 低電平的則不亮。 共陽極接法。把發(fā)光二極管的陽極連在一起作為陽極公共引腳，使用時 陽極公共引腳接+5v。這樣陰極引腳上加低電平的發(fā)光二極管即可導(dǎo)通點亮， 而加高電平的則不點亮。 本系統(tǒng)需要顯示溫度和時鐘兩個部分，溫度顯示需

32、要 2 個數(shù)碼管，時鐘顯 示需要 4 個（小時、分鐘）數(shù)碼管。因此需要可以驅(qū)動 6 個 數(shù)碼管的驅(qū)動電路。 本系統(tǒng)采用 ch451 芯片作為 led 顯示的驅(qū)動電路的核心。 ch451 是一個整合了數(shù)碼管顯示驅(qū)動和鍵盤掃描控制的多功能外圍芯片。 ch451 內(nèi)置 rc 振蕩電路，可以直接動態(tài)驅(qū)動 8 位數(shù)碼管或者 64 位數(shù)碼管，具 有 bcd 譯碼或不譯碼功能，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的左移、右移、左循環(huán)、右循環(huán)、各數(shù) 字獨立閃爍等控制功能；在外部接口方面，ch451 可選擇簡潔的 1 線串行接口 或高速 4 線串行接口，且內(nèi)置上電復(fù)位，可提供高電平有效復(fù)位和低電平有效 復(fù)位兩種輸出，同時內(nèi)置看門狗電路。

33、其引腳引腳排列如圖 4-5 所示。 引腳功能如下： 1seg0seg7 數(shù)碼管的段驅(qū)動高電平有效，鍵盤掃描輸入，高電平有 效，帶下拉。dig0dig7：數(shù)碼管的字驅(qū)動，低電平有效，鍵盤掃描輸入，高電 平有效，帶下拉。 2vcc：正電源，持續(xù)電流不小于 200ma。 3gnd：接地，持續(xù)電流不小于 200ma。 4dout:串行接口的數(shù)據(jù)輸出。 5load：4 線串行接口的數(shù)據(jù)輸入控制，帶上拉。 6din：4 線串行接口的數(shù)據(jù)輸入控制，帶上拉。 7dclk：串行接口數(shù)據(jù)時鐘，帶上拉。 圖 4-5 ch451 引腳圖 圖 4-6 ch451 與外部電路連接圖 如圖 4-6 所示，電路中主要元件是數(shù)

34、碼管顯示驅(qū)動芯片 ch451，驅(qū)動 6 個 帶小數(shù)點的 8 段數(shù)碼管。在 ch451 的段輸出端即 seg0seg7 加 200 歐姆的限流 電阻調(diào)節(jié)數(shù)碼管的工作電流，ch451 的位選擇輸出端 dig0dig7 的輸出為低電 平有效，因此選用共陰極型數(shù)碼管。數(shù)碼管的公共端分別接至 dig0dig5，由 ch451 控制刷新相應(yīng)的位顯示。 4.5 看門狗復(fù)位電路看門狗復(fù)位電路 對單片機應(yīng)用系統(tǒng)來說，可靠性有著至關(guān)重要的作用。這是因為單片機應(yīng) 用的現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣，極易受到干擾而出現(xiàn)故障；而一旦出現(xiàn)故障，就有可 能導(dǎo)致系統(tǒng)失控，甚至造成極嚴(yán)重的后果。 為了提高系統(tǒng)的可靠性，除采取足夠的硬件措施外

35、，還應(yīng)對程序進行監(jiān)視， 因為系統(tǒng)可靠與否最終體現(xiàn)在程序上。最常見的程序運行故障是“跑飛”和死 循環(huán)。為了避免出現(xiàn)這些使系統(tǒng)不能正常運行的故障，在及時發(fā)現(xiàn)的同時，能 夠使系統(tǒng)自動恢復(fù)，本設(shè)計采用了看門狗電路。看門狗是一種軟硬件結(jié)合的監(jiān) 視方法，把其中用來感知程序失控的硬件比作“狗” 。在程序執(zhí)行過程中通過指 令不斷地給該電路發(fā)送脈沖信號（喂狗） ，以維持其在一個固定的狀態(tài)（狗處于 安靜狀態(tài)） 。當(dāng)程序失控時不能在規(guī)定時間“喂狗” ，硬件電路的預(yù)定狀態(tài)就不 能維持（狗叫）了。 本系統(tǒng)采用了 imp813 芯片用于看門狗復(fù)位電路，imp813 主要是作為 watchdog 計數(shù)器重定用的。當(dāng)程序跑飛

36、時，如果在 1.6 秒內(nèi)沒有觸發(fā)該電路 （wdi 無脈沖輸入） ，則 wdo 輸出由高電平變?yōu)榈碗娖剑⒈３衷?140ms 以 上，imp813 就產(chǎn)生復(fù)位信號，自動復(fù)位，同時看門狗定時器清 0。若將 wdo 端與 mr 連接，則可組成上電復(fù)位及看門狗復(fù)位電路。實際應(yīng)用時，將第 rst 接 cpu 的復(fù)位腳，mr 腳與 wdo 腳相連，wdi 腳與 cpu 的 p2.1 相連。在軟 件設(shè)計中，p2.1 不斷輸出脈沖信號。如系統(tǒng)死機導(dǎo)致 p2.1 無脈沖信號輸出，則 1.6 秒后在 imp813 的 wdo 腳輸出低電平。該低電平加到 mr 腳， imp813 產(chǎn) 生復(fù)位輸出，使 cpu 有效復(fù)

37、位，擺脫死循環(huán)的困境。另外，當(dāng)電源電壓低于門 限值 4.65v 時，imp813 也產(chǎn)生復(fù)位輸出，使 cpu 不執(zhí)行任何動作直至電源電 壓恢復(fù)正常。其與單片機連接方式如圖 4-7 所示 。 4-7 看門狗復(fù)位電路 第五章第五章 軟件設(shè)計軟件設(shè)計 5.1 整體軟件設(shè)計整體軟件設(shè)計 電熱水器上電后，首先進行系統(tǒng)初始化，設(shè)置時鐘時間；其次顯示當(dāng)前的 溫度和時鐘，并判斷加熱開關(guān)是否打開，執(zhí)行相應(yīng)的操作；如果有功能鍵按下， 則進入功能設(shè)定界面，包括校準(zhǔn)時鐘、設(shè)定開機時間、設(shè)定熱水溫度和設(shè)定加 熱時間 4 種功能，設(shè)定完畢后，再次按下功能鍵表示設(shè)定生效；若無功能鍵按 下或者功能鍵設(shè)定完畢后，則進行各種條件

38、的判斷并執(zhí)行相應(yīng)的操作；最后各 種條件判斷完畢后，程序回到溫度的讀取與顯示，進而開始新一輪的程序運行。 系統(tǒng)軟件整體設(shè)計流程圖如圖 5-1 所示。 開始 初始化 設(shè)置時間值 顯示溫度 顯示時間 加熱鍵 開 開始加熱 功能鍵按下 關(guān) k=2k=3k=1k=4 設(shè)定時鐘設(shè)定開機方式設(shè)定熱水溫度設(shè)定加熱時間 再次按下功能鍵確認(rèn)設(shè)定8s未按下 未按 按下 是否設(shè)定 開機時間 開機時間到開始加熱 是否設(shè)定溫度溫度到停止加熱 未按 按下 y n y n y n 是否定時 加熱時間 定時時間到停止加熱 y n yy nn 圖 5-1 系統(tǒng)軟件整體設(shè)計流程圖 5.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計模數(shù)轉(zhuǎn)換軟件設(shè)計 通電后

39、cs5513 將進行模數(shù)轉(zhuǎn)換工作，同時更新輸出寄存器。當(dāng)輸出寄存 器有新的數(shù)據(jù)，而此時處于低電平時，sdo 串口數(shù)據(jù)輸出端將呈現(xiàn)低電平， cs 表 明有新的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可以執(zhí)行輸出操作了。要讀出所有的數(shù)據(jù)需要發(fā) 24 個 clk 脈沖，在 clk 脈沖的上升沿，從 sdo 串口數(shù)據(jù)端讀出數(shù)據(jù)，在 clk 脈 沖的下降沿輸出寄存器中的數(shù)據(jù)到 sdo 串口 數(shù)據(jù)輸出端。一旦整個轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)被讀完，sdo 串口數(shù)據(jù)輸出端又呈現(xiàn)高阻 態(tài)，如果我們正在讀數(shù)據(jù)而新的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)又完成了，那么新的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)將丟失， 輸出寄存器不被更新。用戶并不需要讀出每一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果。當(dāng)新數(shù)據(jù)有效時， 如果在等待 17 個內(nèi)部時鐘周期后

40、沒有執(zhí)行讀操作，新數(shù)據(jù)將丟失，sdo 串口 數(shù)據(jù)輸出端又呈現(xiàn)高阻態(tài)。 cs5513 的輸出字為 24bit（如表 5.2） ，其中 d0d19 為 20bit 有效數(shù)據(jù) d20 和 d23 通常為 0 。od 為振蕩檢測標(biāo)志位，當(dāng)調(diào)制器不穩(wěn)定或輸入超出最大滿 量程范圍的過大電壓時被置 1，當(dāng)調(diào)制器穩(wěn)定后被清 0。of 標(biāo)志位，沒有溢出 時被清 0，當(dāng)輸入信號正向超出正的滿量程范圍或負(fù)向超出負(fù)的滿量程范圍時 被置 1。 表 5.2 cs5513 的輸出字 d23d22d21d20d19d18d17d16d15d14d13d12 0ofod0msb18171615141312 d11d10d9d8

41、d7d6d5d4d3d2d1d0 11109876543210lsb 讀 ad 轉(zhuǎn)換值的函數(shù)是模數(shù)轉(zhuǎn)換設(shè)計軟件的主要部分，其程序流程圖 5-2 所示，按照 cs5513 的時序與其特性，開始讀 4 位數(shù)據(jù)，然后再讀 20 位 ad 轉(zhuǎn) 換后的值，這樣可以分別看數(shù)據(jù)和別的標(biāo)志位，并且要對讀取到的數(shù)據(jù)進行判 斷，確定讀取的是否為正確數(shù)據(jù)，同時在讀取過程中要關(guān)閉串行口中斷，以免 上位機取得不正確數(shù)值 開始 片選信號cs=0 串口數(shù)據(jù)輸出 sdo=1？ 讀ad高4位 讀ad低20位 出錯？ 片選信號cs=1 結(jié)束 n y y n 圖 5-2 /d 模數(shù)轉(zhuǎn)換流程圖 第六章第六章 總結(jié)與展望總結(jié)與展望 6

42、.1 總結(jié)總結(jié) 本課題設(shè)計了一個以 at89c52 單片機為主控芯片的電熱水器控制系統(tǒng)，這 個控制系統(tǒng)是以 at89c52 單片機作為主控芯片，外接溫度測量電路、實時時鐘 電路、看門狗復(fù)位電路，并以 8 段共陰極數(shù)碼管作為顯示模塊，以 ch451 作為 顯示模塊的驅(qū)動芯片，構(gòu)成了整個硬件電路。該系統(tǒng)具備簡單、經(jīng)濟的特點， 鍵盤控制方式來設(shè)定功能等參數(shù)增加了系統(tǒng)的靈活性，對水溫的采集和顯示、 實時時鐘的顯示增加了系統(tǒng)的實用性。 電熱水器內(nèi)部器件較多，控制也較為復(fù)雜，應(yīng)該說本設(shè)計是真實電熱水器 控制系統(tǒng)一個小的縮影，整個系統(tǒng)的構(gòu)架具有很高的應(yīng)用價值，可以在此構(gòu)架 的基礎(chǔ)上，增加多種傳感器和其他一些智能化設(shè)計，實現(xiàn)一個功能齊全的電熱 水器控制系統(tǒng)。在本次設(shè)計過程中