畢業(yè)設(shè)計（論文）基于單片機的智能電熱水器(硬件)

1、摘 要這次的設(shè)計采用ateml公司生產(chǎn)的at89s51單片機為核心來設(shè)計智能電熱水器。本設(shè)計也對單片機控制電熱水器實現(xiàn)智能化的可能性進(jìn)行了分析，利用溫度傳感器、水位檢測裝置、等來完成本設(shè)計。設(shè)計分成兩個部分，在硬件設(shè)計方面，主要對單片機最小系統(tǒng)及其擴展、電源電路、鍵盤顯示及接口電路、led顯示電路、水溫檢測電路、加熱電路等進(jìn)行了詳細(xì)介紹。還詳細(xì)介紹了設(shè)計中應(yīng)用到的主要芯片的性能和特點，包括at89s51、74ls240、ds18b20、74hc245等。在軟件設(shè)計方面，采用匯編語言編程，是由于其易于為單片機所識別，執(zhí)行速度快。該智能電熱水器設(shè)計完善，實現(xiàn)方案簡單易行。采用軟件設(shè)計來控制，可以實

2、現(xiàn)智能檢測水位及水溫，智能加熱，并且提高了整機的可靠性及準(zhǔn)確性。關(guān)鍵詞：單片機; 電熱水器; 智能;iabstractthis design uses ateml company produces the at89s51 as the core to design intelligent electric water heater. the design of single-chip microcomputer control and the possibility of electric water heater realize intelligent analyzed, using tem

3、perature sensors, water level detection equipment, etc to complete the design. design is divided into two parts, in terms of hardware design, mainly to the single chip minimize system and its extension, power supply circuit, keyboard display and interface circuit, the led display circuit, water temp

4、erature detection circuit, heating circuit described in detail. also introduces the main application to design characteristics and properties of the chip, including at89s51, 74ls240, ds18b20, 74hc245 etc. in software design, use assembly language programming, is due to its easy to identify, executio

5、n by mcu fast speed. this intelligent electric water heater design perfect, the implementation scheme is simple. using software designed to control, can realize intelligent detection levels and water temperature, intelligent heating, and improve the machines reliability and accuracy. keywords: singl

6、e-chip microcomputer; electric water heater; intelligence; ii目 錄摘要iabstractii目錄iii1 緒論11.1 選題的背景、目的及意義11.2 國內(nèi)外的研究狀況和成果22 總體方案設(shè)計32.1 設(shè)計目標(biāo)以及方案選擇42.2 芯片選擇以及介紹52.2.1 at89s51介紹52.3 數(shù)字溫度傳感器ds18b20介紹 82.3.1 ds18b20的主要特性82.3.2 ds18b20工作原理102.3.3 ds18b20有4個主要的數(shù)據(jù)部件102.3.4 ds18b20的應(yīng)用電路142.4 74ls240簡介16 2.4.1 7

7、4ls240特點介紹162.5 led數(shù)碼管顯示16 2.5.1 led數(shù)碼管介紹162.5.2 led數(shù)碼管顯示方式和典型應(yīng)用電路17 2.5.3 led數(shù)碼管編碼方式182.6 固態(tài)繼電器19 2.6.1 固態(tài)繼電器工作原理193 硬件系統(tǒng)設(shè)計203.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計203.1.1 電源電路203.1.2 單片機系統(tǒng)電路213.1.3 鍵盤接口電路243.1.4 溫度檢測電路243.1.5 溫度顯示電路25 3.1.6 看門狗電路26iii 3.1.7 加熱電路264 軟件系統(tǒng)設(shè)計27 4.1 主程序流程框圖274.2中斷流程圖284.3讀溫度子程序流程圖294.4顯示子程序流程圖30結(jié)論

8、31致謝32參考文獻(xiàn)33附錄1：硬件電路圖34附錄2：程序清單35iv 1. 緒 論1.1 選題的背景、目的及意義熱水器作為我們?nèi)粘Ｉ钪凶顬槌Ｒ姷碾娖髦唬陌l(fā)展與我們的生活密切相關(guān)，從剛開始的燃?xì)鉄崴鏖_始，就給人們的生活方面帶來了很多方便，能在冬天的時候洗一次熱水器是多么愜意的事情啊。在當(dāng)今科技快速飛躍的時代，各式各樣的熱水器不斷的橫空出世，優(yōu)勝劣汰是大自然，生活中的固定規(guī)律。如果能在熱水器發(fā)面增添更加安全，科技的元素，一定會在競爭占有一席之地。作為中國最龐大的產(chǎn)業(yè)群熱水器行業(yè)，歷來就有“三晉分立”之說。其大家族中的三“兄弟”：太陽能、燃?xì)?、電熱水器。伴隨著科技的發(fā)展，人們在環(huán)境，安全

9、，快捷等方面的考慮及意識不斷的增強的今天，熱水器的實用性，安全性，智能化方面也將面臨著市場的考驗。隨著生活節(jié)奏的加快，人們越來越需要方便快捷的生活方式。如今，智能家電已經(jīng)順應(yīng)人們的需求走進(jìn)了消費者的視野。根據(jù)最新的新聞報道，太陽能熱水器和電熱水器逐漸代取燃?xì)鉄崴鳎蔀闊崴魇袌錾献畲蟮内A家。據(jù)不完全統(tǒng)計，城市家庭熱水器普及率在左右。中國家電市場調(diào)查研究課題組經(jīng)過近年的連續(xù)性調(diào)查發(fā)現(xiàn)，我國城市家庭熱水器產(chǎn)品的普及率基本穩(wěn)定在左右，城市家庭較高的普及率說明熱水器市場總體上已進(jìn)入成熟階段。燃?xì)鉄崴骺梢赃B續(xù)供應(yīng)熱水，但其安全問題多年來一直困擾著消費者，雖然國家“西氣東輸”政策已實施，為燃?xì)鉄崴鞯?/p>

10、發(fā)展殺出了一點“血路”，但是消費者的安全心理不能徹底消除、使用成本高及壽命短又制約了燃?xì)鉄崴鞯倪M(jìn)一步發(fā)展，加之由于燃?xì)赓Y源相對缺乏，近幾年其市場份額一直走低正是這些因素的綜合反應(yīng)。反觀電熱水器和太能熱水器，則沒有這方面的憂慮。三大熱水器：燃?xì)鉄崴?廉頗老矣；電熱水器-風(fēng)頭正勁；太陽能熱水器-后勁十足。電熱水器的優(yōu)點：易安裝，不受天氣的影響，不收樓層和供電管道的限制，投入小，隨著技術(shù)進(jìn)步和新產(chǎn)品的開發(fā)，下置式，嵌入式等多種安裝形式的電熱水器先后上市，徹底擺脫了房間空間的限制。中央供水和數(shù)碼智能的電熱水器也全部都進(jìn)入；額市場。電熱水器的安全問題涉及到消費者的生命，又加上近些年的能源危機，人們生

11、活節(jié)奏的加快，智能化電熱水器越來越受到消費者的青睞。在當(dāng)今社會，科技日新月異，熱水器技術(shù)飛速發(fā)展，越來越多的科技成果被運用到熱水器的制造當(dāng)中。如今的熱水器絕不是一個簡單的加熱系統(tǒng)，而是一種科技含量很高，很現(xiàn)代化的家電產(chǎn)品。1 東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 緒論隨著三峽工程的建設(shè)和我國城市加大電網(wǎng)擴容和老居民的電網(wǎng)改造，大功率電器的使用不再受限制。2002年居民用戶的供電可靠率比1997年提高了4.3個百分點，推動了電熱水器在城市的銷量。國家對農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施投入力度不斷加大，加快農(nóng)村電網(wǎng)建設(shè)和改造的步伐，家電消費環(huán)境大為改善，農(nóng)電價格也相對下降，刺激了農(nóng)民對家電的消費量，從而加快了農(nóng)村家電

12、的普及速度。我國占總?cè)丝?0.9%的7.8億農(nóng)民，組成了2.38億個家庭，任何家電商品的普及率只要提高1個百分點，就會增加238萬臺（件）的需求量。只要電熱水器在安全，智能方面做得足夠優(yōu)秀，那么電熱水器的發(fā)展就能保持著非常光明的前景。隨著我國人民生活水平逐漸的提高，其生活條件也有很大的改善，功能多樣，科技含量高的智能化電器在人們?nèi)粘Ｉ钪姓加斜戎匾苍絹碓酱?，與家庭生活密切相關(guān)的熱水器品種各式各樣，花樣翻新。所以就是在這樣的背景下，本課題是選擇基于at89s51單片機的智能電熱水器的設(shè)計研究。 本課題的研究目的是根據(jù)人們對現(xiàn)代家庭舒適，安全，便利以及多元化信息服務(wù)的需要，選擇at89s51單片機

13、設(shè)計出具有智能特征的電熱水器。用at89s51作為控制芯片，就是為了能實現(xiàn)電熱水器的智能化，能夠持續(xù)穩(wěn)定的熱水供應(yīng)，自動斷電的安全功能，使得人們在洗浴時能夠放心享受，有利于人們的身體健康，其務(wù)實性能快速滿足人們對現(xiàn)代生活快節(jié)奏的需求。同時，正如上面內(nèi)容所陳述的那樣，從市場，從需求，從可持續(xù)發(fā)展性等一系列的分析和數(shù)據(jù)中我們能從中得出研究此課題的重要意義。1.2 國內(nèi)外研究狀況和成果電熱水器分為即熱式和儲水式兩種，就是用電加熱水的一種裝置。即熱式電熱水器，也叫快熱式電熱水器，指近幾年一些生產(chǎn)廠家自行研制的專利產(chǎn)品或國外進(jìn)口的技術(shù)含量較高的一些產(chǎn)品。不但具有能夠即開即熱，省時省電，節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點

14、，更是因其具有比普通電熱水器更為可觀的經(jīng)濟效益，越來越受到廣大家電生產(chǎn)廠家和經(jīng)銷商的青睞。在熱水器的發(fā)展過程中，安全技術(shù)成為帶動整個行業(yè)向上提升的決定性力量。熱水器先后經(jīng)歷了水電分離，漏電保護(hù)器，出水?dāng)嚯?，防電墻等四次較大的技術(shù)升級。水電分離-從原始的直熱式加熱到采用水電完全分離的絕緣加熱管，從而避免了水與電的直接接觸，使一邊加熱一邊洗浴成為可能。漏電保護(hù)技術(shù)-從理論上講，加熱管遲早都會損壞的，一旦絕緣失效，就會2東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 緒論導(dǎo)致水電接觸，發(fā)生漏電，威脅用戶生命安全。1997年，海爾等企業(yè)率先在熱水器中采用漏電保護(hù)技術(shù)，保證了露點電流達(dá)到15毫安時，0.1秒內(nèi)自動

15、切斷電源，保證使用者的生命安全。出水?dāng)嚯娂夹g(shù)-1999年，海爾研制成功了出水?dāng)嚯娂夹g(shù)，使用戶再打開熱水器噴頭同時自動切斷電源，關(guān)閉噴頭時自動通電加熱，這樣就避免了電帶使用，使熱水器的安全性能又提高了一大步。防電墻技術(shù)-2002年，海爾發(fā)明了世界第一臺帶“防電墻”功能的熱水器，3決了因用電環(huán)境引起的安全問題，實現(xiàn)了從產(chǎn)品安全到洗浴安全的技術(shù)跨越。經(jīng)過了解，無論什么品牌的電熱水器，內(nèi)膽是電熱水器的關(guān)鍵，產(chǎn)品內(nèi)表面的處理非常重要，它是決定電熱水器保修年限的主要依據(jù)。目前商場里所售的電熱水器主要有以下三種內(nèi)膽：無氧紫銅內(nèi)膽：應(yīng)用在即熱式電熱水器上具有不可比擬的良好特性：它具有熱傳導(dǎo)快，耐壓耐腐蝕，延展

16、性好，抗菌抑菌等,無氧紫銅發(fā)熱系統(tǒng)一般應(yīng)用在歐美發(fā)達(dá)地區(qū)的即熱式電熱水器，大多數(shù)國際品牌均采用紫銅生產(chǎn)即熱式電熱水器的加熱體，紫銅材料的特殊物理和化學(xué)特性,具有加熱快速穩(wěn)定、熱效率高的特點。是目前世界上即熱式電熱水器行業(yè)中公認(rèn)的符合環(huán)保健康潮流的、最成熟穩(wěn)定的加熱體。不銹鋼內(nèi)膽：材質(zhì)好，不易生銹，但焊縫隱患不易發(fā)現(xiàn)，經(jīng)多次熱脹冷縮后，不銹鋼中的鉻會被自來水中的氯離子腐蝕，時間長了可能會在焊接處漏水。搪瓷內(nèi)膽：內(nèi)膽表面的瓷釉為非金屬材料，不生銹，防腐蝕，以厚鋼板做膽體，有較強的耐壓能力，其中高釉包鋼內(nèi)膽防腐保溫性能最佳，壽命更長。除了對耐用性的要求不斷追求，智能化技術(shù)運用是今后技術(shù)發(fā)展的一個總體

17、趨勢，智能化技術(shù)的運用有兩個好處。一是更加方便，二是更加節(jié)能，按照用戶的使用習(xí)慣提前預(yù)先加熱，讓使用者隨心所欲享用熱水，而在非用水時間則啟動中溫保溫方程式，根據(jù)設(shè)定溫度計算出最節(jié)能的保溫溫度，減少熱水器內(nèi)外溫差，因而盡可能減少保溫加熱次數(shù)，真正做到更加省電。從1979年誕生第一臺熱水器開始，熱水器行業(yè)從為數(shù)不多的品牌發(fā)展到現(xiàn)在的品牌林立，從單一的燃?xì)鉄崴靼l(fā)展到電熱水器，太陽能熱水器齊頭并進(jìn)，從產(chǎn)品的功能單一發(fā)展到今天功能多樣，造型各異，色彩斑斕，甚至不少品牌還走出過門走向世界，整個行業(yè)取得了長足的進(jìn)步。各大品牌爭先恐后的退出了超大液晶屏，電子線控，超薄時尚，雙管加熱，漏電保護(hù)器，防電墻，多口

18、出水等新技術(shù)。東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 總體方案設(shè)計 42.總體方案設(shè)計2.1設(shè)計目標(biāo)以及方案選擇目前家電市場上的電熱水器有連續(xù)水流式，雖具有加熱速度快和體積小的優(yōu)點，但需要的功率大，大多數(shù)家庭供電線路難以承受。而且市場上傳統(tǒng)的機械式電熱水器控制功能不完善，而且精度低、可靠性差，因此電熱水器的智能化成為必然趨勢。采用單片機來實現(xiàn)電熱水器的智能化，主要是因為其采用面向控制的指令系統(tǒng)，實時控制功能特別強。cpu可以直接對i/o口進(jìn)行輸入、輸出操作及邏輯運算，并且具有很強的位處理能力，能有針對性的解決由簡單到復(fù)雜各類控制任務(wù)。單片機做為嵌入式應(yīng)用的微型計算機，由于其出色的性價比，極強的實

19、用性，它取得了巨大的發(fā)展。本設(shè)計是針對at89s51單片機在檢測和控制方面的應(yīng)用。 首先單片機上電復(fù)位后對電加熱絲供電進(jìn)行加熱，同時通過鍵盤接口電路輸入設(shè)定的溫度，并顯示。同時通過ds18b20溫度傳感器測量水溫并數(shù)碼管顯示，當(dāng)水溫達(dá)到設(shè)定溫度后停止加熱直到低于設(shè)定溫度時重新加熱。同時對水位進(jìn)行檢測，低水位進(jìn)水。為了防止加熱線圈的頻繁啟動造成的資源浪費和元件損壞，在軟件設(shè)計設(shè)計上當(dāng)與設(shè)定溫度低三度時采用pwm脈寬調(diào)制。達(dá)到節(jié)能和延長加熱絲壽命的效果。方案一：以at89s51單片機為控制中心的智能電熱水器at89s51單片機具有結(jié)構(gòu)簡單、控制能力強、可靠性高、體積小、價格低等優(yōu)點，在許多行業(yè)都得

20、到了廣泛的應(yīng)用。以at89s51單片機為核心，配以外圍電路如時鐘電路、復(fù)位電路、按鍵、顯示器件即可構(gòu)成交通燈系統(tǒng)，下圖為硬件實現(xiàn)電路的方框圖：at89s51單片機溫度測量電源電路加熱電路鍵盤電路顯示電路水位檢測圖2-1 at89s51控制的智能電熱水器 方案二：pic16c72單片機為控制器件的智能電熱水器pic16c72是美國微芯(microchip)公司推出的8/11位單片機，采用寬字節(jié)單周期指令，哈佛雙總線和risc結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)吞吐量最高可達(dá)6mips，這幾乎是其它大多數(shù)8位微控制器速度的4倍128腳封裝的pic16c72單片機內(nèi)集成了以下主要功能：2kb片內(nèi)rom程序存儲器，128kb

21、數(shù)據(jù)存儲器；22位i/o線；5路8位a/d轉(zhuǎn)換器42個8位，1個16位多功能計數(shù)器/定時器，1個捕捉/比較/脈寬調(diào)制(ccp)部件。 以pic16c72為控制芯片的電熱水器，雖然功能很強大，但是存在一些很需要改進(jìn)的地方：中斷的現(xiàn)場保護(hù)是中斷應(yīng)用中一個很重要的部分由pic16c72的指令系統(tǒng)中沒有專門的push(入棧)和pop(出棧)指令，所以要用一段程序來實現(xiàn)該功能。對可能用到的w寄存器和status寄存器內(nèi)容進(jìn)行現(xiàn)場保護(hù)1然后在中斷服務(wù)程序中對馬達(dá)，繼電器進(jìn)行控制1漏電檢測報警在中斷里給出，而每50ms進(jìn)入一次中斷，所以發(fā)生漏電時最多50ms即可切斷電源1入口中斷保護(hù)控制馬達(dá)控制繼電器如果用

22、直流對電機進(jìn)行控制，其轉(zhuǎn)速太快，過調(diào)量太大，容易引起震蕩。通過以上兩種設(shè)計方法的比較來看，實現(xiàn)電熱水器的智能控制可以有很多種方法?？梢圆捎每删幊绦蚩刂破鱬lc，各種單片機來實現(xiàn)。但考慮到成本控制和軟硬件實現(xiàn)難度，采用方案一的控制系統(tǒng)設(shè)計，可以進(jìn)一步提高電熱水器的智能作用，能夠保證持續(xù)的熱水供應(yīng)，并能夠在異常情況下自動斷電，可以滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枰?，提了人們生活的質(zhì)量。綜合以上條件以及畢設(shè)的要求，我選擇方案一，以單片機at89s51單片機作為控制中心的智能電熱水器。2.2芯片的選擇以及介紹2.2.1 at89s51介紹 at89s51是一個低功耗，高性能cmos 8位單片機，片內(nèi)含4k byt

23、es isp(in-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的flash只讀程序存儲器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)及80c51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和isp flash存儲單元，at89s51在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。圖2-2 at89s51結(jié)構(gòu)框圖51、主要性能 l內(nèi)部程序存儲器：4kbl內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器：128bl外部程序存儲器：可擴展到64kb。l外部數(shù)據(jù)存儲器：可擴展到64kb。l輸入/輸出口線：32根（4個端口，每個端口8根）。6東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 總體方案設(shè)

24、計 定時/計數(shù)器：2個16位可編程的定時計數(shù)器。l串行口：全雙工，二根。l寄存器區(qū)：在內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的128b中劃出一部分作為寄存器區(qū)，分為四個區(qū)，l每個區(qū)8個通用寄存器。l中斷源：5個中斷源， 2個優(yōu)先級別。l堆棧：最深128b。l布爾處理機：即位處理機，對某些單元的某位做單獨處理。l 指令系統(tǒng)（系統(tǒng)時鐘為12mhz時）：大部分指令執(zhí)行時間為1us；少部分指令，執(zhí)行時間為2us; 只有乘、除指令的執(zhí)行時間為4us。 2、引腳功能說明圖2.1.1是mcs-51的引腳結(jié)構(gòu)圖，有雙列直插封裝（dip）方式和方形封裝方式。下面分別敘述這些引腳的功能。3、 主電源引腳 vcc：電源端。 gnd：接地端

25、。(2) 外接晶體引腳xtal1和xtal2 xtal1：晶體振蕩器接入的一個引腳。當(dāng)采用外部振蕩器時，此引腳接地。 xtal2：晶體振蕩器接入的另一個引腳。采用外部振蕩器時，此引腳作為外部振蕩信號的輸入端。(3) 控制或與其他電源復(fù)用引腳rst，ale/，/vpprst：復(fù)2位輸h入端。當(dāng)振蕩器運行時，在該引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位。ale/：當(dāng)訪問外部存儲器時，ale（地址鎖存允許）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ale端仍以不變的頻率（此頻率為振蕩器頻率的1/6）周期性地出現(xiàn)正脈沖信號。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。然而注意的是：每當(dāng)

26、訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ale 脈沖。在對flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（）。如果需要的話，通過對專用寄存器（sfr）區(qū)中8eh單元的d0位置數(shù)，可禁止ale操作。該位置數(shù)后，只有在執(zhí)行一7條movx或movc指令期間，ale才會被激活。另外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，該設(shè)定禁止ale位無效。：程序存儲允許（）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號。當(dāng)80c51東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 總體方案設(shè)計 由外部程序存儲器取指令（或常數(shù)）時，每個機器周期兩次有效（即輸出2個脈沖）。但在此期間內(nèi)，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的信號將不出現(xiàn)。/v

27、pp：外部訪問允許端。要使cpu只訪問外部程序存儲器（地址為0000hffffh），則端必須保持低電平（接到gnd端）。然而要注意的是，如果保密位lb1被編程，復(fù)位時在內(nèi)部會鎖存端的狀態(tài)。當(dāng)端保持高電平（接vcc端）時，cpu則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的程序。在flash存儲器編程期間，該引腳也用于施加12v的編程允許電源vpp（如果選用12v編程）。輸入/輸出引腳p0.0p0.7，p1.0p1.7，p2.0p2.7和p3.0p3.7。 p0端口（p0.0p0.7）：p0是一個8位漏極開路型雙向i/o端口。作為輸出口用時，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動8個ttl輸入，對端口寫1時，又可作高阻抗輸入端用

28、。在訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，它是分時多路轉(zhuǎn)換的地址（低8位）/數(shù)據(jù)總線，在訪問期間激活了內(nèi)部的上拉電阻。在flash編程時，p0端口接收指令字節(jié)；而在校驗程序時，則輸出指令字節(jié)。驗證時，要求外接上拉電阻 p1端口（p1.0p1.7）：p1是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o端口。p2的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4個輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（iil）。在對flash編程和程序校驗時，p1接收低8位地址。p2端口（p2.0p2.7）：p2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o端口。p2的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或輸出電流方式）4個t

29、tl輸入。對端口寫1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。p2作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（iil）。在訪問外部程序存儲器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行movxdptr指令）時，p2送出高8位地址。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行movxri指令）時，p2口引腳上的內(nèi)容（就是專用寄存器（sfr）區(qū)中p2寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不會改變。在對flash編程和程序校難期間，p2也接收高位地址和一些控制信號。 p3端口（p3.0p3.7）：p3是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o端口。p3的輸出緩沖器可驅(qū)動（吸收或

30、輸出電流方式）4個ttl輸入。對端口寫1時，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電位，這時可用作輸入口。p3作輸入口使用時，因為有內(nèi)部的上拉電阻，那些被外部信號拉低的引腳會輸出一個電流（iil）。在at89c51中，p3端口還用于一些復(fù)用功能。復(fù)用功能如表2-1所列。在對flash編程或程序校驗地，p3還接收一些控制信號。8東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 總體方案設(shè)計 表1 p3各端口引腳與復(fù)用功能表端口引腳復(fù)用功能p3.0rxd（串行輸入口）p3.1txd（串行輸出口）p3.2（外部中斷0）p3.3（外部中斷1）p3.4t0（定時器0的外部輸入）p3.5t1（定時器1的外部輸入）8東華理工大

31、學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 總體方案設(shè)計 2.3 數(shù)字溫度傳感器ds18b20介紹2.3.1 ds18b20的主要特性 1、適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5v，在寄生電源方式下可由數(shù) 據(jù)線供電 2、獨特的單線接口方式，ds18b20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與ds18b20的雙向通訊 3、ds18b20支持多點組網(wǎng)功能，多個ds18b20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫。 4、ds18b20在使用中不需要任何外圍元件，全部 傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。5、溫范圍55125，在-10+85時精度為0.5 。6、可編程 的分辨率為912

32、位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實現(xiàn)高精度測溫。97、在9位分辨率時最多在 93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快。8、測量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號，以”一 線總線”串行傳送給cpu，同時可傳送crc校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力。 9、負(fù)壓特性：電源極性接反時，芯片不會因發(fā)熱而燒毀， 但不能正常工作。圖2-3 ds18b20內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.3.2 ds18b20工作原理 ds18b20的讀寫時序和測溫原理與ds1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時的延時時間由2s 減

33、為750ms。 ds18b20測溫原理如圖2-3所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振 隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在55所對應(yīng)的一個基數(shù)值。計數(shù)器1對 低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器1重 新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即 為所測溫度。圖2-3中的斜率累加器用于補償和修正測溫過程中

34、的非線性，其輸出用于修正計數(shù)器1的預(yù)置值。 9圖2-4 ds18b20測溫原理框圖2.3.3 ds18b20有4個主要的數(shù)據(jù)部件 （1）光刻rom中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該ds18b20的地址序列碼。64位光刻rom的排列是：開始8位 （28h）是產(chǎn)品類型標(biāo)號，接著的48位是該ds18b20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼（crc=x8+x5+x4+1）。光刻rom的作用 是使每一個ds18b20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個ds18b20的目的。 （2）ds18b20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號擴展的

35、二進(jìn)制補碼讀數(shù)形式提供，以 0.0625/lsb形式表達(dá)，其中s為符號位。這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲在18b20的兩個8比特的ram中，二進(jìn)制中的前面5位是符號位，如果測得的溫度大于0， 這5位為0，只要將測到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測到的數(shù)值需要取反加1再乘于0.0625即可得到實際 溫度。 例如+125的數(shù)字輸出為07d0h，+25.0625的數(shù)字輸出為0191h，-25.0625的數(shù)字輸出為ff6fh，-55的數(shù)字輸出為fc90h 。10表2 ds18b20溫度數(shù)據(jù)表 （3）ds18b20溫度傳感器的存儲器 ds18b20溫度傳感器

36、的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存ram和一個非易失性的可電擦除的eepram,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器 th、tl和結(jié)構(gòu)寄存器。 （4）配置寄存器 該字節(jié)各位的意義如下：表3 配置寄存器結(jié)構(gòu)低五位一直都是”1”，tm是測試模式位，用于設(shè)置ds18b20在工作模式還是在測試模式。在ds18b20出廠時該位被設(shè)置為0，用 戶不要去改動。r1和r0用來設(shè)置分辨率，如下表所示：（ds18b20出廠時被設(shè)置為12位） 表4 溫度分辨率設(shè)置表r1r0分辨率溫度最大轉(zhuǎn)換時間009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms（5）高速暫存存儲器 高速暫存存儲器由9個字節(jié)組成

37、，其分配如表4所示。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)11換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補碼形式存放在 高速暫存存儲器的第0和第1個字節(jié)。單片機可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式如表1所示。對應(yīng)的溫度計算： 當(dāng)符號位s=0時，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)s=1時，先將補碼變?yōu)樵a，再計算十進(jìn)制值。第九個字節(jié)是 冗余檢驗字節(jié)。表5 ds18b20暫存寄存器分布寄存器內(nèi)容 字節(jié)地址溫度值低位 （ls byte）0溫度值高位 （ms byte）1高溫限值（th）2低溫限值（tl）3配置寄存器4保留5保留6保留7crc校驗值8 根據(jù)ds18b20的通訊協(xié)議，主機（單片機）控制ds18b20

38、完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前都要對ds18b20進(jìn)行 復(fù)位操作，復(fù)位成功后發(fā)送一條rom指令，最后發(fā)送ram指令，這樣才能對ds18b20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主cpu將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后 釋放，當(dāng)ds18b20收到信號后等待1660微秒左右，后發(fā)出60240微秒的存在低脈沖，主cpu收到此信號表示復(fù)位成功。 12表6 rom指令表指 令 約定代碼功 能讀rom33h讀ds1820溫度傳感器rom中的編碼（即64位地址） 符合 rom 55h發(fā)出此命令之后，接著發(fā)出 64 位 rom 編碼，訪問單總線上與該編碼相對應(yīng)的 ds1820 使之作出響應(yīng)，為下一步對該 ds1

39、820 的讀寫作準(zhǔn)備。 搜索 rom 0foh用于確定掛接在同一總線上 ds1820 的個數(shù)和識別 64 位 rom 地址。為操作各器件作好準(zhǔn)備。 跳過 rom 0cch忽略 64 位 rom 地址，直接向 ds1820 發(fā)溫度變換命令。適用于單片工作。 告警搜索命令 0ech執(zhí)行后只有溫度超過設(shè)定值上限或下限的片子才做出響應(yīng)。 表7 ram指令表指 令 約定代碼功 能溫度變換44h啟動ds1820進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，12位轉(zhuǎn)換時最長為750ms（9位為93.75ms）。結(jié)果存入內(nèi)部9字節(jié)ram中。 讀暫存器 0beh 讀內(nèi)部ram中9字節(jié)的內(nèi)容 寫暫存器 4eh 發(fā)出向內(nèi)部ram的3、4字節(jié)寫上、

40、下限溫度數(shù)據(jù)命令，緊跟該命令之后，是傳送兩字節(jié)的數(shù)據(jù)。 復(fù)制暫存器 48h 將ram中第3 、4字節(jié)的內(nèi)容復(fù)制到eeprom中。 重調(diào) eeprom 0b8h 將eeprom中內(nèi)容恢復(fù)到ram中的第3 、4字節(jié)。 讀供電方式 0b4h 讀ds1820的供電模式。寄生供電時ds1820發(fā)送“ 0 ”，外接電源供電 ds1820發(fā)送“ 1 ”。 132.3.4 ds18b20的應(yīng)用電路 ds18b20測溫系統(tǒng)具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點。下面就是ds18b20幾個不同應(yīng)用方式下的 測溫電路圖：ds18b20寄生電源供電方式電路圖 如下面所示，在寄生電源供電方式下，ds1

41、8b20從單線信號線上汲取能量：在信號線dq處于高電平期間把能量儲存在內(nèi)部 電容里，在信號線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）充電。 獨特的寄生電源方式有三個好處： 1）進(jìn)行遠(yuǎn)距離測溫時，無需本地電源 2）可以在沒有常規(guī)電源的條件下讀取rom 3）電路更加簡潔，僅用一根i/o口實現(xiàn)測溫 5.1、要想使ds18b20進(jìn)行精確的溫度轉(zhuǎn)換，i/o線必須保證在溫度轉(zhuǎn)換期間提供足夠的能量，由 于每個ds18b20在溫度轉(zhuǎn)換期間工作電流達(dá)到1ma，當(dāng)幾個溫度傳感器掛在同一根i/o線上進(jìn)行多點測溫時，只靠4.7k上拉電阻就無法提供足夠的 能量，會造成無法轉(zhuǎn)換溫度或溫度誤差

42、極大。 因此，圖2-5電路只適應(yīng)于單一溫度傳感器測溫情況下使用，不適宜采用電池供電系統(tǒng)中。并 且工作電源vcc必須保證在5v，當(dāng)電源電壓下降時，寄生電源能夠汲取的能量也降低，會使溫度誤差變大。 圖2-5 寄生電源供電方式5.2、ds18b20寄生電源強上拉供電方式電路圖 改進(jìn)的寄生電源供電方式如下面圖5所示，為了使ds18b20在動態(tài)轉(zhuǎn)換周期中獲得足夠的電流供應(yīng)，當(dāng)進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換或拷貝到 e2存儲器操作時，用mosfet把i/o線直接拉到vcc就可提供足夠的電流，在發(fā)出任何涉及到拷貝到e2存儲器或啟動溫度轉(zhuǎn)換的指令后，必須在最 多10s內(nèi)把i/o線轉(zhuǎn)換到強上拉狀態(tài)。在強上拉方式下可以解決電流供應(yīng)

43、不走的問題，因此也適合于多點測溫應(yīng)用，缺 點就是要多占用一根i/o口線進(jìn)行強上拉切換。 5.3、ds18b20的外部電源供電方式 在外部電源供電方式下，ds18b20工作電源由vdd14引腳接入，此時i/o線不需要強上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證 轉(zhuǎn)換精度，同時在總線上理論可以掛接任意多個ds18b20傳感器，組成多點測溫系統(tǒng)。注意：在外部供電的方式下，ds18b20的gnd引腳不能懸空 ，否則不能轉(zhuǎn)換溫度，讀取的溫度總是85。 圖2-6 外部供電方式單點測溫電路圖圖2-7 外部供電方式的多點測溫電路圖 外部電源供電方式是ds18b20最佳的工作方式，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強，而且

44、電路也比較簡單，可以開發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點溫度 監(jiān)控系統(tǒng)。站長推薦大家在開發(fā)中使用外部電源供電方式，畢竟比寄生電源方式只多接一根vcc引線。在外接電源方式下， 可以充分發(fā)揮ds18b20寬電源電壓范圍的優(yōu)點，即使電源電壓vcc降到3v時，依然能夠保證溫度量精度。 152.4 74ls240簡介lsttl 型八緩沖器/總線驅(qū)動器（三態(tài)、反相）。2.4.1 74ls240特點介紹特點 （1）三態(tài)輸出驅(qū)動總線或緩沖存貯器地址寄存器。 （2）pnp 輸入減小了直流負(fù)載； （3）輸入端上的滯后電壓改善了噪聲容限。2.5 led數(shù)碼管顯示 在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，如果需要顯示的內(nèi)容只有數(shù)碼和某些字母，使用led

45、數(shù)碼管是一種較好的選擇。led數(shù)碼管顯示清晰、成本低廉、配置靈活，與單片機接口簡單易行。2.5.1 led數(shù)碼管介紹led數(shù)碼管是由發(fā)光二極管作為顯示字段的數(shù)碼型顯示器件。圖2.5.1為0.5inled數(shù)碼管的外形和引腳圖，其中七只發(fā)光二極管分別對應(yīng)ag筆段構(gòu)成“”字形另一只發(fā)光二極管dp作為小數(shù)點。因此這種led顯示器稱為七段數(shù)碼管或八段數(shù)碼管。圖2-8 led數(shù)碼管led數(shù)碼管按電路中的連接方式可以分為共陰型和共陽型兩大類，如圖2.5.1示b、c所示。共陽型是將各段發(fā)光二極管的正極連在一起，作為公共端com，公共端com接高電平，ag、dp各筆段通過限流電阻接控制端。某筆段控制端低電平時，

46、該筆段發(fā)光，高電平時不發(fā)光?？刂七@幾段筆段發(fā)光，就能顯示出某個數(shù)碼或字符。共陰型是將各數(shù)碼發(fā)光二極管的負(fù)極連在一起，作為公共端com接地，某筆段通過限流電阻接高電平時發(fā)光。 16led數(shù)碼管按其外形尺寸有多種形式，使用較多的是0.5in和0.8in；按顯示顏色也有多種形式，主要有紅色和綠色；按亮度強弱可分為高亮和普亮，指通過同樣的電流顯示亮度不一樣，這是因發(fā)光二極管的材料不一樣而引起的。led數(shù)碼管的使用與發(fā)光二極管相同，根據(jù)其材料不同正向壓降一般為1.52v額定電流為10ma，最大電流為40ma。靜態(tài)顯示時取10ma為宜，動態(tài)掃描顯示可加大，加大脈沖電流，但一般不超過40ma。2.5.2 l

47、ed數(shù)碼管顯示方式和典型應(yīng)用電路led數(shù)碼管顯示電路在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中可分為靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式。1.靜態(tài)顯示方式在靜態(tài)顯示方式下，每一位顯示器的字段需要一個8位i/o口控制，而且該i/o口須有鎖存功能，n位顯示器就需要n個8位i/o口，公共端可直接接+5v（共陽）或接地（共陰）。顯示時，每一位字段碼分別從i/o控制口輸出，保持不變直至cpu刷新顯示為止。也就是各字段的亮滅狀態(tài)不變。靜態(tài)顯示方式編程較簡單，但占用i/o口線多，即軟件簡單、硬件成本高，一般適用顯示位數(shù)較少的場合。2.動態(tài)掃描顯示方式當(dāng)要求顯示位數(shù)較多時，為簡化電路、降低硬件成本，常采用動態(tài)掃描顯示電路。所謂動態(tài)掃描顯示電路

48、是將顯示各位的所有相同字段線連在一起，每一位的a段連在一起，b段連在一起g段連在一起，共8段，由一個8位i/o口控制，而每一位的公共端（共陽或共陰com）由另一個i/o口控制，如圖4-4所示。這種連接方式由于將多位字段線連在一起，當(dāng)輸出字段碼時，由于多門同時選通，每一位將顯示相同的內(nèi)容。因此要顯示不同的內(nèi)容，必須采取輪流顯示的方式。即在某一瞬間時，只讓某一位的字位線處于選通狀態(tài)（共陰極led數(shù)碼管為低電平，共陽極為高電平），其他各位的字位線處于開斷狀態(tài)，同時字段線上輸出這一位相應(yīng)要顯示字符的字段碼。在這一瞬時，只有這一位在顯示，其他幾位暗。同樣在下一瞬時，單獨顯示下一位，這樣依次輪流顯示，循環(huán)

49、掃描。由于人的視覺滯留效應(yīng)，人們看到的是多位同時穩(wěn)定顯示。172.5.3 led數(shù)碼管編碼方式當(dāng)led數(shù)碼管與單片機相連時，一般將led數(shù)碼管的各筆段引腳a、b、g、dp按某一順序接到mcs51型單片機某一個并行i/o口d0、d1、d7，當(dāng)該i/o口輸出某一特定數(shù)據(jù)時，就能使led數(shù)碼管顯示出某個字符。例如要使共陽極led數(shù)碼管顯示“0”，則a、b、c、d、e、f各筆段引腳為低電平，g和dp為高電平。表8 共陽極led數(shù)碼管顯示數(shù)字“0”時各管段編碼c0h稱為共陽極led數(shù)碼管顯示“0”的字段碼，不計小數(shù)點的字段碼稱為七段碼，包括小數(shù)點的字段稱為八段碼。led數(shù)碼管編碼方式有多種，按小數(shù)點計否

50、可分為七段碼和八段碼；按共陰共陽可分為共陰字段碼和共陽字段碼，不計小數(shù)點的共陰字段碼與共陽字段碼互為反碼；按a、b、g、dp編碼順序是高位在前，還是低位在前，又可分為順序字段碼和逆序字段碼。甚至在某些特殊情況下將a、b、g、dp順序打亂編碼。表9為共陰和共陽led數(shù)碼管幾種八段編碼表。表9 共陰和共陽led數(shù)碼管幾種八段編碼共陰順序小數(shù)點暗共陰逆序小數(shù)點暗共陽順序小數(shù)點亮共陽順序小數(shù)點暗dp g f e d c b a16進(jìn)制a b c d e f g dp16進(jìn)制00 0 1 1 1 1 1 13fh1 1 1 1 1 1 0 0fch40hc0 h10 0 0 0 0 1 1 006h0

51、1 1 0 0 0 0 0 60h79hf9 h20 1 0 1 1 0 1 15bh1 1 0 1 1 0 1 0dah24ha4 h30 1 0 0 1 1 1 14fh1 1 1 1 0 0 1 0f2h30hb0 h40 1 1 0 0 1 1 066h0 1 1 0 0 1 1 066h19 h99 h50 1 1 0 1 1 0 16dh1 0 1 1 0 1 1 0b6h12 h92 h60 1 1 1 1 1 0 17dh1 0 1 1 1 1 1 0beh02 h82 h70 0 0 0 0 1 1 107h1 1 1 0 0 0 0 0e0h78 hf8 h80 1 1 1

52、 1 1 1 17fh1 1 1 1 1 1 1 0feh00 h80 h90 1 1 0 1 1 1 16fh1 1 1 1 0 1 1 0f6h10 h90 h182.6固態(tài)繼電器固態(tài)繼電器是一種有繼電特性的無觸點式電子開關(guān)。具有壽命長、可靠性高、開關(guān)速度快、電磁干擾小、無噪聲、無火花等特點。 2.6.1 固態(tài)繼電器的工作原理圖2-9 固態(tài)繼電器原理圖固態(tài)繼電器由三部分組成：輸入電路、隔離（耦合）和輸出電路，在輸入電路控制端加入信號后，ic1光電耦合器內(nèi)光敏三極管呈導(dǎo)通狀態(tài)，r1串接電阻對輸入信號進(jìn)行限流，以保證光耦合器不致?lián)p壞。發(fā)光二極管led指示輸入端控制信號，二級管vd1可防止輸入信號正負(fù)極性接反時對光耦ic1造成的損壞。v1在線路中起到交流電壓檢測作用，使固態(tài)繼電器在電壓過零時開啟、負(fù)載電流過零時關(guān)斷。當(dāng)ic1光敏三極管截止時（控制端無信號輸入時），v1通過r2獲得基極電流使之飽和導(dǎo)通，從而使scr可控硅門極觸發(fā)電壓ugt被箝在低電位而處于關(guān)斷狀態(tài)，最終導(dǎo)致bta雙向可控硅在門極控制端r6上無觸發(fā)脈沖而處于關(guān)斷狀態(tài)。 19東華理工大學(xué)長江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 硬件系統(tǒng)設(shè)計 3.硬件系統(tǒng)設(shè)計3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計單片機應(yīng)用系統(tǒng)的