摘要燃氣熱水器在日常生活中使用較多，燃氣熱水器必須安裝在室外通風良好的地方，而且大多都是人工調節水溫，如果在使用過程中需要調節水溫就要出浴室調節，這樣就給使用者帶來極大的不便。本文研究了單片機控制的燃氣熱水器水溫自動調節系統硬件設計的有關問題。本文按照高可靠性、實用性強、操作方便等設計原則，設計了合理的燃氣熱水器溫控系統的結構：論文分析了系統設計要求和各項性能指標，探討了各個元件的選擇問題，提出了采用8位單片機89S51和DS18B20溫度轉換器構成溫度采集系統的方案，較之采用16位的單片機和熱敏電阻加A/D轉換器的溫度采集系統具有較高的性價比；為了提高溫度控制精度，采用數字PID控制，可實現溫度的連續可調；為了提高步進電機的抗干擾能力和驅動能力，設計中采用了施密特觸發器和達林頓功率放大器作為步進電機驅動；為加強系統的安全性能，設計中還加入了看門狗和聲光報警電路；最后，制作出了工程樣板并進行硬件模擬調試。實際調試結果顯示硬件設計基本達到了要求的技術指標，對比分析可知此設備具有良好的應用前景。關鍵詞：單片機；溫度轉換；步進電機；DS18B20ABSTRACTThegaswaterheaterbecomesmoreandmorepopularinourlives.Butitmustbeplacedoutdoorwheretheairconditionisbetter.Whenwewanttochangethetemperatureofwater,wehavetoturnthetapbyhand.Itbringsmuchinconvenienttous,especiallyinbathing.Thispaperstudysomequestionabouthardwaredesignforautomatictemperaturecontrolsystemcomposedofsingechipmicrocomputer.Thispaperdesignthesystembasedontheprincipleofhighreliabilityandsuitableforrealityuse.Itanalysesthemainrequestofthesystemandtalkabouthowtochoosetheelements.Thesystemiscomprisedof8-bitsingechipmicrocomputerATMEL89S51andtemperaturetranslatorchipDS18B20accordingtotherequestofdesign.Comparedtothechoiceof16-bitsingemicrocomputer,A/Dtransformcircuitandsensitiveelement,ithasahighprice-functionratio；Inordertoimprovetheaccuracy,wechoosethePIDcontrolmathtic;forthesamepurpose,weusedagooddrivechipinthesteppingmotorcontrol.Theuseof“Watchdog”chipisgreatlysalutethequestionofreliability.Theresultofexperimentsuggestitaccordtothemaintechniquerequest.Itmusthaveawidespaceofdevelopment.Keywords：Singechipmicrocomputer；temperaturetranslation；steppingmotor；chipDS18B20目錄TOC\o"1-3"\h\z第一章緒論 11.1選題意義 1燃氣熱水器簡介 11.1.2燃氣熱水器的發展趨勢 21.1.3現有燃氣熱水器溫度調節方案及不足 31.2課題的主要研究內容 4第二章系統分析與設計基礎 52.1燃氣熱水器對象分析 5燃氣熱水器系統組成及工作原理 52.1.2燃氣熱水器溫度控制對象分析 62.2燃氣熱水器溫度控制系統設計 8系統的設計要點 8嵌入式系統設計原理 92.3系統的性能指標 102.4本章小結 10第三章硬件電路的設計 113.1核心部件MPUAMETL89S51介紹 113.1.1AMETL89S51概述 113.1.2AMETL89S51片內存儲器 123.1.3MCS-51單片機引腳及其功能 13單片機振蕩電路 153.1.5復位及復位電路 153.2系統硬件總體設計 163.3鍵盤輸入電路的設計 173.4溫度檢測電路的設計 183.4.1采用熱敏電阻 183.4.2采用集成溫度傳感器 193.5數碼顯示電路的設計 233.5.1采用移位寄存器74LS164 233.5.2采用單片機P0口直接驅動 243.6步進電機及其驅動電路的設計 25步進電機驅動的特點 25步進電機的主要參數及性能指標 26步進電機的選用 26步進電機的驅動電路的設計 273.7系統的安全性研究 313.7.1系統硬件設計中安全性問題的解決 31安全報警電路 333.8本章小結 34第四章硬件電路的搭建以及產品樣板的制作 354.1Protel99SE概述 354.2電路原理圖的編輯 364.2.1元件放置及連線操作 36元件電氣圖形符號編輯與創建 374.3印刷電路板的設計 38印刷板設計基礎 384.3.2Protel99sePCB的基本設計流程 394.4硬件電路搭建及調試 404.5系統研究的應用前景 414.6本章小結 42結論 44參考文獻 45致謝 46附錄 47第一章緒論1.1選題意義燃氣熱水器簡介所謂燃氣熱水器就是指以氣體燃料燃燒為熱源的熱水器的統稱，是一種小型的熱力設備。它的工作原理大體是這樣：燃氣在燃燒室內完全燃燒，產生高溫煙氣。高溫煙氣流經換熱器，把換熱器中的冷水加熱為所需的衛生熱水。燃氣熱水器有這些分類方式，按使用氣種可以分為使用天然氣、人工煤氣和液化石油氣3種。按結構可分為容積式和直流式。按給排氣方式可分為：直排式、煙道式、平衡式、強排式、強制給排氣式等。相對于其它類型熱水器而言，燃氣熱水器具有這樣一些優勢：不需預熱；節能；不結垢、壽命長；使用成本低；款式超薄纖細，外觀時尚。第一臺燃氣熱水器誕生已經超過了100年。而燃氣熱水器技術的發展主要是二戰之后50多年的時間內完成的。我國的燃氣熱水器生產也有近30年的歷史。燃氣熱水器的發展迄今為止經歷了三個階段：（1）以實現簡單功能為目的的第一階段：作為第一階段代表的燃氣熱水器是熱水流量為5L/min的小型熱水器。采用壓電陶瓷點火方式，小火先著，水氣聯動控制閥、控制點火，互相獨立的氣、水調節閥門，熱電偶式的熄火保護裝置。這種類型的熱水器具有初步的安全性保證，滿足基本功能，操作也不復雜，但很快顯現出的問題在于：點火裝置的可靠性與壽命；熄火保護裝置的壽命；操作的相對煩瑣。特別是熱電偶式熄火保護裝置在點火初期的時間延遲操作，令使用者倍感不便。因此，這一階段的后期，熱水器在此基礎上做了一些更新：點火裝置由壓電陶瓷變為電脈沖式，引入了內置電源，同時取消了熄火保護裝置，水—氣聯動閥是熱水器上唯一的安全裝置。（2）以完善使用特性為目的的第二階段：自吸閥的引入是對完善使用特性的重要貢獻，而以水驅式自動點火作為主要特征，這一進步使燃氣熱水器的技術品質有了一個質的飛躍。雖然這種類型的熱水器仍然由電脈沖點火裝置、水—氣聯動閥、自吸閥、獨立的水—氣調節裝置構成，但其使用性能有了很大的提高，表現為：操作極為方便，使用更為安全。一開水點火便自動進行，在一般情況下，熱水器安裝在浴室外成為可能，這使燃氣熱水器使用的安全隱患大大減低。自吸閥靈敏的熄火保護特性，使熱水器非燃燒狀態的燃氣泄漏現象幾乎不會出現。有別于自吸閥的一些安全裝置也有出現，目前采用自吸閥的燃氣熱水器依然是市場的主流。此外，熱水器的大流量化進一步興起，出水量超過8L/min的品種增加，市場進一步擴大。（3）以追求高品質為目的的第三階段，目前正處在第三階段的興盛期，亦是競爭最激烈的時期。從事熱水器研究與生產的業內人士，同時在追求燃氣熱水器的更高品質。這主要表現在先進控制技術的引入，目的是解決燃氣熱水器使用中仍然存在的主要矛盾：出水溫度調節給使用者帶來的問題，水溫度的調產品，線控熱水器、恒溫熱水器、智能型熱水器亦有出現。同時，在安全節范圍不能滿足其使用要求，盡管這種感覺是錯誤的，只是由于調節過程的復雜性以及使用者對于調節過程的理解障礙所導致，但為解決這一問題，似乎能用熱水器本身提供的裝置自動解決更為合適。這便是追求熱水器更高品質的原因。作為特征性保障方面，缺氧保護裝置、防止不完全燃燒裝置的使用更是使燃氣熱水器的綜合性能有了極大的提高。燃氣熱水器的發展趨勢隨著社會生產力的發展以及人們生活水平的提高，燃氣熱水器也在不斷更新、發展，以滿足人們對較高生活品質的追求。而今燃氣熱水器正朝著以下這些方向發展：（1）安全性能不斷完善燃氣熱水器對人體的安全威脅主要是燃燒所產生的煙氣。隨著排氣方式不斷地改革，熱水器的安全使用已基本得到解決。而安全問題在燃氣熱水器開發過程中始終是處于重要的位置。（2）舒適性的提高燃氣熱水器使用的舒適性便是人們關心的重要問題。作為淋浴用熱水器要實現舒適沐浴有兩個基本要求：一是水溫，二是水量。為提高使用舒適性，國內正在研究的課題有：a）擴大熱水器的負荷調節比，要求不小于20％～100％（即冬夏型功能），國外熱水器負荷調節均在30％～100％；b）發展良好恒溫性能的智能化熱水器，滿足使用過程中水溫波動在設定值±1℃范圍內；c）實現低的水流阻力，大的水量并維持使用過程中水量相對穩定且不低于7L/min；d）熱水器低的運行噪音，希望維持在50～60分貝；e）快速加熱功能，減少開始使用或關機后重新啟動時的冷水量；f）快速水溫恒定功能，以避免淋浴水時冷時熱現象。（3）更加環保我國燃氣熱水器標準中現在除規定了對排煙CO含量的限制外，即限制燃燒不完全程度，還對排煙NOx含量作了要求。（4）向更為節能的方向發展發達國家對燃氣熱水器提出低污染環保要求的同時也提出進一步節能的要求，即鼓勵支持高效低污染燃氣熱水器的研制。節能的深遠意義不僅是節約開支而是國民經濟可持續發展的要求。（5）功能的多元化從單一淋浴發展為多功能的熱水器：a）供暖/淋浴兩用；b）制冷（空調）/淋浴兩用；c）其它多功能多用途的熱水器。燃氣熱水器雖然容量小，但分布量大面廣，其發展和社會的千家萬戶有著密切的關系。目前燃氣熱水器正在向著大容量、高效節能和減少環境污染的方向發展，其發展目標主要包括燃燒系統高效率低污染的自動控制燃燒和熱交換部件傳熱效率的提高、公眾安全性以及滿足現代生活的舒適感。現有燃氣熱水器溫度調節方案及不足目前市場上燃氣熱水器產品的溫度控制基本上采取兩種方案：（1）機械旋鈕式：熱水器的溫度調節是通過機械式旋鈕實現的，有火力調節旋鈕和水量調節旋鈕共同控制。火力調節旋鈕按標識調小時，熱水溫度降低；調大時，熱水溫度升高。水量調節旋鈕按標識調小時，水流量減少，熱水溫度升高；調大時，水流量增大，熱水溫度降低。用戶可以調節合適的熱水溫度（推薦沐浴溫度范圍為38℃～42℃）洗浴。（2）數字式這種方式下，水溫的調節是通過數字控制實現的，當需要出水溫度升高時，則微電腦控制比例閥開大，燃氣壓力升高，水溫升高；反之，則比例閥開小，水溫降低。在實際生活中，我們發現絕大多數的中、低檔產品都采用機械旋鈕式方案，而這些產品恰恰式市場的主流。但是，此類熱水器還存在許多不盡如人意的地方，因為該類燃氣熱水器使用的是煤氣和氧氣進行燃燒產生熱量，需要安裝在室外通風良好的地方，否則氧氣不足會造成煤氣不完全燃燒而產生一氧化碳對人的生命構成威脅，而對熱水器的控制調節都在機體上，以致洗浴時需要預先調節好水溫，有時候遇到水壓不正常就造成水溫浮動不定，使洗浴者又要出來調節水溫，這樣不僅浪費水和燃氣，而且給洗浴者帶來極大不便。基于以上考慮，本方案擬設計一個基于單片機控制的燃氣熱水器水溫自動調節系統，即通過室內的控制器，輸入預定溫度，由執行機構自動快速地調節到預定溫度，以解決上述問題。而單片機控制的機械旋鈕式水溫控制調節系統不失為一種很好的選擇。1.2課題的主要研究內容本論文主要進行燃氣熱水器硬件設計，本文將完成以下幾個方面的工作：（1）在了解燃氣熱水器結構的基礎上，完成燃氣熱水器水溫嵌入式調節控制系統的設計。（2）分析實現該設計的各種芯片功能。（3）掌握Protel99se使用，學會印刷電路板的制作。（4）分析系統的性能要求，完成電路板制作和樣品調試過程。第二章系統分析與設計基礎2.1燃氣熱水器對象分析燃氣熱水器系統組成及工作原理燃氣熱水器結構上包括控制，供水與加熱，燃氣供應與燃燒，供風與排氣等多個組成單元，圖2.1表示出了具體研究的燃氣熱水器的結構。圖2.1燃氣熱水器結構生活水回路，進水一端接冷水，出水一端接洗浴裝置。冷水進水端打開以后，水的壓力控制安全閥打開，燃氣進入噴嘴，同時電子打火裝置也開始工作，燃氣開始在燃燒室內燃燒，冷水經過熱交換器變成熱水供人們使用。通過控制比例閥的大小可以控制火力的大小從而控制水溫。燃氣熱水器溫度控制對象分析影響熱水器出水溫度很多。例如進水溫度，進水流量，燃氣燃燒值，燃氣流量，熱交換器效率，熱水器尺寸和環境溫度等。而且燃氣熱水器的加熱過程具有可變的時延遲特性，運行包括化學反應，傳熱和流體運動等過程，其精確的數學模型很難建立起來。但可通過試驗曲線的測試，對各個控制量進行調整。仿人智能控制不需要建立過程控制對象精確的數學模型，僅需要獲取過程控制對象簡化的模型結構和近似的主要特征參數。不考慮管路系統的復雜性和難控性，根據熱平衡關系： （2.1）其中：——當前出水溫度，單位℃；——當前進水溫度（生活水）或回水溫度（采暖水），單位℃；V——當前水的流量，單位kg/s；k——卡到焦耳的單位轉換系數，為4.18kJ/kCal；W——燃氣熱水器熱負荷（輸入熱量），單位kW；n——燃氣熱水器熱效率。又有：W=VgH（2.2）其中Vg為燃氣流量，H為燃氣的熱值，將式（2.2）代入（2.1）得：=+nVgH/kV（2.3）由該式可以看到，、Vg和V影響的大小，因為本文研究的對象硬件上不對V進行檢測、調節，它只調節Vg，以此來實現對的控制，這也就是燃氣熱水器實現溫度調節的原理。假設出水溫度就是燃氣熱水器水體的溫度，建立熱水器水體溫的微分方程為：(2.4)其中：m——熱水器水體的質量，單位kg；T——熱水器水體溫度，單位℃；c——水的熱容，值為1kcal/kg℃；對（2.4）兩邊進行拉氏變換，得到如下方程：(2.5)(2.6)從上面的結果可以看出，熱水器水體溫度控制的模型是由兩個一階慣性環節，實際的系統存在滯后環節，系統模型還需要串連一個純滯后環節，滯后的時間。生活水加熱系統模型結構如圖2.2所示。圖2.2燃氣熱水器加熱系統模型從以上分析的簡化模型可以看出，加熱系統工作的水流量是不確定的，按照燃氣熱水器的型號不同，正常的生活水工作流量范圍是3L/min～9L/min，不同的水量使得加熱系統的開環增益各異，而且實際應用中，水流往往有一定幅度的波動。此外，這兩個過程還含有純滯后環節。這些因素給燃氣熱水器溫度控制帶來了難度，控制的難度造成現有溫度控制算法的控制效果不理想。鑒于PID控制理論在一些難控過程中的成功運用，本文將其應用于燃氣熱水器溫度控制。2.2燃氣熱水器溫度控制系統設計系統的設計要點燃氣熱水器控制器的設計主要考慮的要點是安全性、舒適性、操作方便性以及成本等因素。這些要點尤其是對控制器的應用軟件設計提出了較強約束和嚴格要求。（1）安全性：安全性是整個系統設計首先需要考慮的問題，雖然燃氣熱水器發展到今天可以認為基本解決了安全性的問題，但是諸如燃氣泄漏、煙氣泄漏、水溫偏高導致燙傷等安全事故還是偶有發生，所以保證系統運行安全可靠是控制器設計的基本要求。安全性設計首先要解決的問題就是避免燃氣泄漏和煙氣泄漏，要保證做到燃氣熱水器工作于燃燒狀態時煙道暢通；要嚴格控制燃氣閥的開閉；要做到控制器意外死機后燃氣閥能及時關閉等。其次要解決的安全性設計問題是避免生活水和采暖水水溫偏高，要保證水溫過高時控制器中斷加熱或停機報警。（2）舒適性：舒適性即洗浴的舒適性，也就是要求對生活水出水溫度進行良好的控制。溫度控制是控制器設計的最重要的任務，控制器設計是否成功關鍵就是看它對出水溫度的控制效果。參照普通燃氣熱水器的標準，燃氣熱水器生活水溫度控制的指標如下：a）控溫精度：熱水器的實際出水溫度達到穩態后與設定出水溫度相比較，其穩態誤差不大于±1℃b）初始加熱時間和超調量：按GB6932-94之規定，在標準測試條件下，將燃氣熱水器的進水量調至額定水流量，設定出水溫度為進水溫度加上20℃，燃氣熱水器從冷機開始起動加熱并將水加熱至設定溫度的時間不大于20秒，且燃氣熱水器的出水溫度的超調不大于3c）進水量變化時的超調：按GB6932-94之規定，在標準測試條件下，將燃氣熱水器的進水量調至額定水流量，在燃氣熱水器的出水溫度達到穩定后，將燃氣熱水器的進水量瞬時變化±20%時，燃氣熱水器出水溫度的超調不大于±3℃；將燃氣熱水器的進水量瞬時下調50%時，燃氣熱水器出水溫度的超調不大于8從指標可以看出，對生活水溫控制的“穩、快、準”要求較高。另外為了保證舒適性，在進水量不同的情況下也要求對生活水溫度進行良好的控制，也就是要求控制器的魯棒性要強。（3）操作方便性：控制器對使用者是不可見的，他只有通過控制器的人機接口將指令傳達給系統。操作的方便性就是力求設計簡便的流程來實現使用者設置工作方式、設置洗浴、采暖溫度等操作，以達到雙功能燃氣熱水器使用方便快捷的目的。（4）成本：燃氣熱水器最終是要形成產品，進入千家萬戶使用。而成本是一個產品必須考慮的，盡可能在滿足各方面要求的前提下降低成本是廠家追求的。作為整個產品的一部分，控制器也必須盡量壓低成本，盡量做到用較小。（5）功能要求：控制器的設計要體現出產品的智能化，除了要實現生活水出水溫度控制以外，它還要具有如下功能：提供人機交互——用戶可以設置出水溫度；故障報警等等。嵌入式系統設計原理嵌入式系統一般由嵌入式微處理器為核心構成，實現對其它設備的控制、監視、管理等功能。在實際應用中，嵌入式系統更多是以單片機為核心組成。以單片機為核心的嵌入式系統具有功能強大，成本低廉等特點，已經被廣泛應用于各領域中，也被應用于燃氣熱水器控制。如今，國內外多款燃氣熱水器產品也是選用的以單片機為核心的控制器。燃氣熱水器是面向市場的產品，成本控制非常重要。以嵌入式系統構建燃氣熱水器控制器，相對于其它控制器實現方案在成本上具有非常大的優勢，同時也能滿足控制器在功能等其它方面的要求。此外，嵌入式設計理論經過長期發展已經比較成熟，形成了一套較完善的理論，該理論給雙功能燃氣熱水器控制器的硬件、軟件設計提供了指導，有利于控制器的順利開發。2.3系統的性能指標1．測溫范圍：0～99因為被控參數是水，其工作狀態始終是液態，所以其工作溫度就是在0～99℃之間，兩位LED數碼管顯示，其顯示數值范圍是0～99℃，代表溫度范圍是0～99℃2．設定溫度用戶可以自行設定任何一個測量點的溫度數值，數字小鍵盤輸入、兩位LED數碼管顯示，其顯示數值范圍是0～99，代表溫度范圍是0～99℃4．掉電數據保護和系統故障復位利用硬件看門狗（watchdog）電路，具有掉電數據保護功能和系統故障復位功能。當系統突然失電時，可以利用硬件看門狗中的EEPROM數據儲存器，將控制系統中的正在運算的數值和結果保存起來，當系統恢復供電后，單片機再從看門狗中讀出這些數據，從而保證了系統中臨時數據的安全。同時，當系統出現故障死機或者程序跑飛進入某個死循環后，可以利用看門狗電路向單片機發出復位信號，使系統重新開始運行。5．報警功能當溫度測量數值偏離設定數值時，系統會自動報警，以提醒用戶及時查明故障原因和解決問題。同時當溫度調節到位也由蜂鳴器發聲，告知用戶溫度調節完畢，實現智能化。2.4本章小結本章主要分析燃氣熱水器系統組成和工作原理，分析溫度控制對象，結合控制系統設計的要點和原理，提出了系統的性能指標并了解整個系統大概的研究方向和制作方法，為以后全面展開工作做好了準備。第三章硬件電路的設計3.1核心部件MPUAMETL89S51介紹3.1.1AMETL89S51概述下圖是MCS-51系列單片機的基本結構框圖。圖3.1單片機基本結構框圖在—小塊芯片上，集成了一個微型計算機的各個組成部分，每一片單片機包括；（1）一個8位的微處理器CPU。（2）片內數據存儲器RAM（128B/256B），用以存放可以讀/寫的數據，加運算的中間結果、最終結果以及欲顯爾的數據等。（3）片內程序存儲器ROM/EPROM（4KB/8KB），用以存放程序、一些原始數據和表格。但也有—些單片機內部不帶ROM/EPROM，如8031、8032、80C31等。（4）四個8位并行I/O（輸入/輸出）接口P0—P3，每個口可以用作輸入，也可以用作輸出。（5）兩個或三個定時/計數器，每個定時/計數器都可以設置成計數方式，用以對外部事件進行計數，也可以設置成定時方式，并可根據計數或定時的結果實現計算機控制。定時器T1還可以用來做通訊時的波特率發生器，這點將在后面進一步介紹。（6）五個中斷源的小斷控制系統。（7）一個全雙工UART（通用異步接收發送器）的串行I/O口，可實現單片機與單片機或其它微機之間串行通信。（8）片內振蕩器和時鐘產生電路，但石英晶體和微調電容需要外接，最高允許振蕩頻率為12MHz。以上各個部分通過內部數據總線相連接。3.1.2AMETL89S51片內存儲器89S51片內有以ROM（程序存儲器，只能讀）和RAM（數據存儲器，可讀、可寫）兩類，它們有各自獨大的存儲地址中間，與一般微機的存儲器配發方式很不相同．（1）程序存儲器（ROM）89S51及875l的片內程廳存儲器容量為4K字節，地址從0000H開始，用于存放程序和表格數據常數。（2）數據存儲器（RAM）89S51/8751/8031片內數據存儲器均為128字節，地址為00H～7FH，用于存放運算的中間結果、數據哲存以及數據緩沖等。在這128字節的RAM中，有32個字節單元可指定為工作寄存器，這同一般微處理器不同。89S51的片內RAM和工作寄存器排在一個隊列里統一編址。此外，89S51單片機內部中還有SP、DPTR、PCON、…、IE、IP等特殊功能寄存器，它們也同128字節RAM在一個隊列里編址，地址80H～FFH。在這128字節RAM單元中有21個特殊功能寄存器（SFR），達些特殊功能寄存器還包括P0～P3門鎖存器。MCS-51單片機引腳及其功能MSC-51系列中各種芯片的引腳是互相兼容的，如89S51、8751和8031均采用40引腳雙列直插封裝（DIP）方式。當然，個同芯片之間引腳功能也略有差異。89S51單片機是高性能單片機、因為受到引腳數日的限制，所以有不少引腳具有第二功能，其中有些功能是8751芯片所專有的，如圖3.2所示。圖3.2MCS-51引腳圖各引腳功能簡要說明如下：1.電源引腳Vcc和VssVcc（40腳）：電源端，為十5V。Vss（20腳）：接地端。2.時鐘電路引腳XTAL1和XTAL2XTAL2（18腳）；接外部晶體和微調電容的一端。在89S51片內它是振蕩電路反相放大器的輸出端，振蕩電路的頻率就是晶體固有頻率。若需采用外部時鐘電路時，該引腳輸入外時鐘脈沖。要檢查89S51/8031的振蕩電路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脈沖信號輸出。XTAL1（19腳）：接外部晶體和微調電容的另一端。在片內它是振蕩電路反相放大器的輸入端，在采用外部時鐘時，該引腳必須按地。3.控制信號引腳RST、ALE、和RST/（9腳）：RST是復位信號輸入端，高電平有效。當此輸入端保持兩個機器周期（24個時鐘振蕩周期）的高電平時，就可以完成復位操作。RST引腳的第二功能是，即備用電源的輸入端。當主電源Vcc發生故障，降低到低電平規定值時，格十5V電源自動接入RST瑞，為RAM提供備用電源，以保證存儲在RAM中的信息不丟失，以使復電后能繼續正常運行。ALE/（ADDRESSLATCHENABLE/PROGRAMMING，30腳）：地址鎖存允許信號端。當89S51上電正常工作后，ALE引腳不斷向外輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。CPU訪問片外存儲器時，ALE輸出信號作為鎖存低8位地址的控制信號。在CPU訪問片外數據存儲器時，每取指一次（一個機器周期）會丟失一個脈沖。平時不訪問片外存儲器時，ALE端也以1/6的振蕩頻率固定輸出正脈沖，因而ALE信號可以用作對外輸出時鐘或定時信號。如果你想看一下805l／803l芯片的好壞，可用示波器查看ALE端是否有脈沖信號輸出，如有脈沖信號輸出，則89S51／8031基本上是好的。／（31腳）：外部程序存儲器地址允許輸入端/固化編程電壓輸入端。當引腳接高電平時，CPU只訪問片內EPROM/ROM并執行內部程序存儲器中的指令，但在PC的（程序計數器）值超過OFFFH（對8751/89S51為4K）時，將自動轉向執行片外程序存儲器內的程序。一般通過一個1K左右的電阻接入高電平。當輸入信號引腳接低電平（接地）時，CPU只訪問外部EPROM／RDM并執行外部程序存儲器中的指令，而不管是否有片內程序存儲器。對于無片內ROM的8031或8032，須外擴EPROM，此時必須將引腳按地。如使用有片內ROM的89S51，外擴EPROM也是可以的，但也要使接地。此引腳的第二功能，是對8751片內EPROM固化編程時，作為施加較高編程電壓（一般21V）輸入端。單片機振蕩電路89S51芯片內部有一個高增益反相放大器，用于構成振蕩器。反相放大器及輸入端為XTALl，輸出端為XTAL2，分別為89S51的引腳19和18。在XTALl和XTAL2兩端跨接石英晶體及兩個電容就構成了穩定的自激振蕩器，見圖3.3。圖3.3振蕩電路電容器C1和C2通常都取20pF左右，對振蕩頻率有微調作用。振蕩頻率范圍是1.2～12MHz。在本系統中晶振選為12MHz,電容選用33PF。復位及復位電路1.復位操作復位是單片機的初始化操作，其主要功能是把PC初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執行程序。除了進入系統的正常初始化之外，當由于程序運行出錯或操作錯誤使系統處于死鎖狀態時，為了擺脫困境，也需按復位鍵重新啟動。除PC之外，復位操作還對其他一些寄存器有影響，比如P0～P3寄存器，復位后都變成高電平。還有一些其他特殊的寄存器復位后都變成低電平。2.復位電路復位電路操作有上電自動復位和按鍵手動復位兩種方式。在系統中，我們用了上電自動復位。下面上電自動復位的原理簡單介紹，按鍵手動復位這在不再講述。復位電路圖如左圖上電瞬間，RST端的電位與相同，隨著充電電流的減小，RST端的電位逐漸下降，只要在RST處有時間足夠長的閾值以上納電壓時就能可靠復位。復位電路雖然很簡單，但其作用非常重要。一個單片機系統能否正常運行，首先要檢查是否能復位成功，初步檢查可用示波器探頭監視RST引腳，上點后觀察是否有足夠幅度的波形輸出（瞬時的）。在系統的調試過程中，就遇到過復位電路帶來的問題，所以說復位電路運行的好壞對單片機硬件電路的調試很重要。3.2系統硬件總體設計燃氣熱水器溫度控制系統硬件部分按核心處理器、外圍電路和外部設備三部分來進行設計。核心處理器選用ATMEL公司生產的89S51系列單片機，該單片機功能強大，資源豐富，運算速度快，滿足我們溫度控制系統的設計需要。外圍電路設計必要的電源電路，復位電路等。外部設備分為幾個部分加以設計：鍵盤輸入電路、數碼管顯示電路，溫度采樣電路、外部看門狗電路及蜂鳴器報警電路、步進電機驅動電路。系統設計了一路模擬量轉數字量輸入（熱水器出水口溫度）；三開關量輸入（溫度加一信號、溫度減一信號、確定輸入信號）；數碼管顯示部分由兩位10進制數碼顯示，顯示范圍為0～99度。控制器硬件結構電路原理如圖3.4所示。單單片機溫度傳感器鍵盤輸入電路時鐘電路安全報警電路驅動電路數碼顯示電路看門狗電路步進電機圖3.4硬件結構原理圖3.3鍵盤輸入電路的設計由于本系統要求的輸入，僅為用戶預設的兩位溫度值，故所需要的鍵數比較少，用3個單鍵（加一，減一，確定）即可。可以用單片機的五個中斷源中的三個進行設計，也可以用中斷擴展進行設計。由于單片機引腳有限，在設計初期還不能確定是否有多出來的資源供使用，還有考慮到鍵盤響應的及時性和單片機運行的效率，所以本系統采用中斷擴展控制方式，即三個單鍵先分別與三個I/O口相連，然后再通過與門連接到單片機外部中斷0接口。其電路圖如圖3.5所示。3.5鍵盤輸入電路3.4溫度檢測電路的設計采用熱敏電阻采用溫度傳感器鉑電阻Pt1000。鉑熱電阻的物理化學性能在高溫和氧化性介質中很穩定，它能用作工業測溫元件，且此元件線性較好。在0—100攝氏度時，最大非線性偏差小于0.5攝氏度。鉑熱電阻與溫度關系是，Rt=R0（1+At+Bt×t）；其中Rt是溫度為t攝氏度時的電阻；R0是溫度為0攝氏度時的電阻；t為任意溫度值，A，B為溫度系數。通過運算放大器將信號放大，然后輸入AD轉換器，這樣就把模擬信號轉換為數字信號了，電路原理圖如圖3.6所示。圖3.6熱敏電阻測溫電路采用集成溫度傳感器采用集成器件DS18B20，DS18B20是DALLAS公司生產的一線式數字溫度傳感器，具有3引腳TO－92小體積封裝形式；溫度測量范圍為－55℃～＋125℃，可編程為9位～12位A/D轉換精度，測溫分辨率可達0.0625℃，被測溫度用符號擴展的16位數字量方式串行輸出；其工作電源既可在遠端引入，也可采用寄生電源方式產生；多個DS18B20可以并聯到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節省大量的引線和邏輯電路。以上特點使DS18B20非常適用于遠距離多點溫度檢測系統。1.DS18B20的內部結構DS18B20內部結構如圖3.7所示，主要由4部分組成：64位ROM、溫度傳感器、非揮發的溫度報警觸發器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管腳排列如圖3.8所示，DQ為數字信號輸入／輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端。圖3.7DS18B20的內部結構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，每個DS18B20的64位序列號均不相同。64位ROM的排的循環冗余校驗碼。ROM的作用是使每一個DS18B20都各不相同，這樣就可以實現一根總線上掛接多個DS18B20的目的。圖3.8DS18B20的管腳排列DS18B20中的溫度傳感器完成對溫度的測量，用16位符號擴展的二進制補碼讀數形式提供，以0.0625℃/LSB形式表達，其中S為符號位。例如＋125℃的數字輸出為07D0H，＋25.0625℃的數字輸出為0191H，－25.0625℃的數字輸出為FF6FH，－溫度值低字節LSB76543210溫度值高字節MSBSSSSS1098圖3.9溫度值轉換關系高低溫報警觸發器TH和TL、配置寄存器均由一個字節的EEPROM組成，使用一個存儲器功能命令可對TH、TL或配置寄存器寫入。其中配置寄存器的格式如下：0R1R011111R1、R0決定溫度轉換的精度位數：R1R0=“00”，9位精度，最大轉換時間為93.75ms；R1R0=“01”，10位精度，最大轉換時間為187.5ms；R1R0=“10”，11位精度，最大轉換時間為375ms；R1R0=“11”，12位精度，最大轉換時間為2.DS18B20的存儲器DS18B20溫度傳感器的內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E2RAM，后者存放高溫度和低溫度觸發器TH、TL和結構寄存器。高速暫存器是一個9字節的存儲器。開始兩個字節包含被測溫度的數字量信息；第3、4、5字節分別是TH、TL、配置寄存器的臨時拷貝，每一次上電復位時被刷新；第6、7、8字節未用，表現為全邏輯1；第9字節讀出的是前面所有8個字節的CRC碼，可用來保證通信正確。表3.1DS18B20暫存寄存器分布寄存器內容字節地址溫度最低數字位0溫度最高數字位1高溫限值2低溫限值3保留4保留5計數剩余值6每度計數值7CRC校驗8該字節各位的意義如下：TMR1R011111低五位一直都是1，TM是測試模式位，用于設置DS18B20在工作模式還是在測試模式。在DS18B20出廠時該位被設置為0，用戶不要去改動。R1和R0用來設置分辨率，如表3.2所示：（DS18B20出廠時被設置為12位）表3.2分辨率設置表R1R0分辨率溫度最大轉換時間009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms3.DS18B20和89S51的接口圖3.10以MCS－51系列單片機為例，畫出了DS18B20與微處理器的典型連接。圖3.10（a）中DS18B20采用寄生電源方式，其VDD和GND端均接地，圖3.10（b）中DS18B20采用外接電源方式，其VDD端用3V～5。5V電源供電。其電路結構如下。（a）寄生電源工作方式（b）外接電源工作方式圖3.10DS18B20與微處理器的典型連接圖考慮到本系統溫度測量的范圍，測量精度，系統穩定性以及成本等因素，本系統選用集成電路數字測溫芯片DS18B20來完成溫度測量以及溫度值A/D轉換的功能。3.5數碼顯示電路的設計采用移位寄存器74LS164顯示部分主要由串入并出移位寄存器74LS164和數碼管等組成，其原理組成框圖見圖3.11所示。它共有四個接線端子，均有主板提供，74LS164為8位串入并出移位寄存器，它將串行輸入的數據由各觸發器輸出端并行輸出。在時鐘脈沖上升沿圖3.11移位寄存器數碼顯示電路作用下將已存入的數據右移一次，通過軟件控制顯示出來。該方案的特點是僅使用單片機的串行通信接口，占用單片機硬件資源少，需要用軟件彌補。采用單片機P0口直接驅動本設計驅動電路電路原理圖如圖3.12所示。系統使用共陰極兩位數碼圖3.12P0口直接驅動數碼顯示電路管，使用單片機的P0口作為段選，P2.0、P2.1作為位選。使用2N5401PNP型小功率三極管做功率放大以驅動數碼管，該方案結構簡單可靠，使用上拉電阻，驅動能力強，成本低，故本設計使用該方案，電路原理圖如圖3.12所示。3.6步進電機及其驅動電路的設計由于我們所設計的系統主要在浴室中使用，負載較小，其次電源比油源和氣源使用方便的原因，以及為了降低制造及控制成本，綜合考慮以上各種驅動方式的優缺點，所以我們采用了步進電機作為驅動單元。步進電機驅動的優點是：步進電機的步距角不受供電電壓波動及環境變化的影響。執行機構的運行速度隨脈沖頻率變化而改變，當脈沖頻率不變時步進電機即保持恒速運行（步進電機不丟步的情況下）。步進電機的某一相保持通電狀態，電磁轉矩將轉子鎖定，起自鎖作用，無需專設制動器。步進電機驅動的特點步進電機是一種將電脈沖信號轉換成角位移（或線位移）的機電元件。對這種電機施加一個電脈沖后，其轉軸就轉過一個角度，稱為一步：脈沖數增加，角位移（或線位移）就隨之增加，脈沖頻率高，則步進電機旋轉速度就高，反之就低；分配脈沖的相序改變后，步進電機的轉向則隨之而變。步進電機的運動狀態和通常勻速旋轉的電動機有一定的差別，它是步進形式的運動，故也稱其為步進電動機。步進電機有其獨特的優點，歸納起來主要有：1）步距值不受各種干擾因素的影響。簡而言之，轉子運動的速度主要取決于脈沖信號的頻率，而轉子運動的總位移量取決于總的脈沖個數。2）位移與輸入脈沖信號相對應，步距誤差不長期積累。因此可以組成結構較為簡單而又具有一定精度的開環控制系統，也可以在要求更高精度時組成閉環控制系統。3）可以用數字信號直接進行開環控制，整個結構簡單廉價。4）無刷，電動機本體部件少，可靠性高。5）控制性能好。起動、停車、反轉及其他運行方式的改變，都在少數脈沖內完成，在一定的頻率范圍內運行時，任何運行方式都不會丟步。6）停止時有自鎖能力。7）步距角選擇范圍大，可在幾角分至180“大范圍內選擇。在小步距情況下，通常可以在超低速下高轉距穩定的運行。步進電機的主要參數及性能指標1.相數m電器上獨立成系統而存在的回路個數即是相數。步進電機的相數可以為任意數，通常m為2，3，4，5，6等。2.步距角在不帶任何減速裝置的情況下，輸入一個脈沖信號，步進電機所轉過的機械角位移即步距角。3.距角特性步進電機靜轉矩和失調角的關系稱為矩角特性。靜轉矩是指步進電機轉子靜止時，控制繞組通以直流電，由失調角（定轉子齒中心線間夾角）的存在而引起的電磁轉矩。當繞組內電流不變時，靜轉矩隨失調角在一個齒距角范圍內變化一個周期，在近似分析中視距角特性為正弦曲線。4.最大靜轉矩即距角特性上最大電磁轉矩值。它的值取決于繞組內電流的值及通電相數。步進電機的選用任何一個控制系統的控制效果，最終取決于執行機構的選擇。所以，執行機構的選擇是一個不容忽略的問題。由于本系統中，步進電機直接帶動控制面板上的火力控制旋鈕，從而間接控制燃氣量調節閥的開度，以達到控制水溫的效果。對步進電機只有扭矩上的要求和經濟型以及控制性能方面的要求。所以電機的選擇相對教容易，在本設計中，選用的步進電機為KHP35F2001。該電機的主要技術參數如下：驅動電壓：12V步距角：1.8°步進電機的驅動電路的設計步進電機是一種將電脈沖信號轉換成直線或角位移的執行元件，它不能直接接到交直流電源上工作，而必須使用專用設備—步進電機控制驅動系統。典型步進電機控制驅動系統如圖3.13所示。圖3.13典型步進電機控制驅動控制系統框圖變頻信號源是一個脈沖頻率從幾赫到幾十千赫可以連續變化的信號發生器，它為環形分配器提供脈沖序列。環形分配器的主要功能是把來自控制環環節的脈沖序列按一定的規律分配后，經過功率放大器的放大驅動步進電機的轉動。環形分配器主要有兩大類：一類是用計算機軟件設計的方法實現環分器要求的功能，通常稱軟環形分配器。另一類是用硬件構成的環形分配器，通常稱為硬環形分配器。功率放大器主要對環形分配器的較小輸出信號進行放大，以達到驅動步進電機的目的。本課題所設計的步進電機控制驅動電路主要由AT89S51單片機、集成施密特觸發器74HC14，功率驅動芯片ULN2003A組成，如圖3.14所示。使用此驅動電路的工作原理為由軟件做脈沖分配器，通過單片機的P1口輸出控制字，P1口內置有上拉電阻，驅動能力較強。P1口輸出的信號經過施密特觸發器，使再電路狀態轉換時，通過電路內部的正反饋過程使輸出電壓波形的邊沿變得很陡，從而消除干擾，使系統反應迅速。施密特觸發器出來的信號經過ULN2003放大后驅動步進電機工作。圖3.14步進電機驅動電路1.ULN2003A介紹美國Sprague公司生產的ULN2003A由7組達林頓晶體管陣列和相應的電阻網絡以及鉗位二極管網絡構成，具有同時驅動7組負載的能力，為單片雙極型大功率高速集成電路。以下介紹該電路的構成、性能特征、電參數以及典型應用。ULN2003電路具有以下特點：●電流增益高（大于1000）；●帶負載能力強（輸出電流大于500mA）；●溫度范圍寬（－40～85℃）；●工作電壓高（大于50V）。ULN2003電路主要用于如下領域：●伺服電機；●步進電機；●電磁閥；●可控照明燈。管腳排列：ULN2003A電路的管腳排列如圖3.15所示，圖3.16為其原理和引腳功能圖。圖3.15ULN2003管腳排列圖3.16ULN2003內部功能ULN2003A型高壓大電流達林頓晶體管陣列電路的輸入脈沖占空比、輸出的路數與輸出電流的關系曲線如圖3.17所示，從圖3.17可以看出，隨著圖3.17占空比與輸出電流、輸出路數的關系曲線圖3.18ULN2003輸入與輸出曲線輸入脈沖的占空比以及輸出路數的增加，允許的輸出電流隨之降低，也就是說：電路的輸出路數的增加將導致電路的驅動能力下降。圖3.18所示為ULN2003A電路輸出電流IC、輸出電壓VCE和輸入電流II三者之間的關系曲線，從圖3.18可以看出，隨著輸入電流的增加，輸出電壓隨之降低，而隨著輸出電流的增加，輸出電壓也隨之增加。3.7系統的安全性研究系統的安全性，是指在規定的條件下，規定時間內完成規定功能的能力。目前，安全性理論已經被廣泛地應用在工程的各個領域，并且日益起到重要的作用。單片機應用燃氣熱水器溫度控制是其智能化的發展趨勢。因而，隨著單片機在燃氣熱水器系統中的深入應用，使其應用的安全性就成為一個非常突出、急待解決的重要問題。影響可靠性、安全運行的主要因素是系統內部和外部的各種干擾和系統的整體結構設計。其中，干擾對測控系統造成的嚴重后果主要表現在測量數據誤差增大、控制狀態失效、程序運行異常等方面。我們知道，燃氣熱水器不同于其它系統，它具有特殊的工作條件，而單片機作為燃氣熱水器系統的控制核心，其應用環境非常惡劣，這就要求它必須具有很強的抗干擾能力，能夠在各種惡劣的環境下可靠地進行控制、監測、實時顯示數據和進行通信等功能。因此，提高單片機控制系統的可靠性已經成為提高整個燃氣熱水器水溫控制系統安全性的一個重要的環節。控制系統中可靠性非常重要，在系統的設計初期就要充分考慮。燃氣熱水器水溫控制系統的設計，相對于同類系統的設計來說更為復雜和特殊，它需要考慮的可靠性問題更多，所以更要引起設計者的重視，在實際設計中，應該盡可能考慮各種不確定因素，充分利用實際經驗來分析其產生來源，制定相應的安全策略，提高溫度測控系統的可靠性。系統硬件設計中安全性問題的解決在單片機測控系統的設計中，其硬件可靠性設計應該考慮以下幾個方面：1.元器件的選擇系統的可靠性是建立在系統中各個組成元器件的可靠性基礎上的，所以，在選擇元器件時，應該參照以下幾個原則進行：（1）充分分析系統的功能需求，根據系統所要達到的性能要求來合理選擇半導體器件；（2）由于燃氣熱水器內部的腐蝕和振動等不利條件，應該選擇溫漂小、獨立封裝、穩定性好的元器件；（3）減少焊點數量可降低接觸不良、短路等故障，因此，應該盡量選用集成度高的電路，減少使用分立元器件。2.采用硬件“看門狗”電路設計“看門狗”電路（Watchdog，其功能是當系統出現死機或程序跑飛進入某個死循環后，由該電路向CPU（控制器）發出復位信號，使系統重新開始運行。同時，還可以利用IMP813L中的4096位串行EEPROM來存儲報警上、下限，以及掉電狀態下單。片機的臨時數據等。而在程序正常運行時，由CPU向看門狗發出一個復位信號，使看門狗電路復位端保持無效狀態。圖5-1為我們在系統設計中應用的IMP813L實現的AT89C51系列單片機系統的看門狗電路。IMP813L是美國IMP公司的一種串行通訊的EEPRGM數據儲存器，同時兼有看門狗和電壓監測功能。IMP813L的復位輸出高電平信號，正好與AT89C51系列單片機的復位電平吻合，復位輸出端直接與MCS-51系列的復位端連接。在系統運行正常情況下，CPU在一個預先設定的時間間隔內向看門狗發出一個高電平信號，清除看門狗電路中的復位輸出端。如果到達規定的時間沒有此高電平信號，則可以斷定系統死機或進入某個死循環，此時由IMP813的復位端輸出高電平信號，重新啟動單片機開始工作，從而保證系統能夠穩定運行。看門狗與單片機連接圖如圖3.19所示：圖3.19看門狗電路與單片機的連接安全報警電路作為將應用于實際生活的產品，除了舒適性和方便性以外，安全問題是我們必須考慮的首要問題。系統的安全電路設計如圖3.20所示。圖3.20安全報警電路在本系統的設計中，為了保障洗浴的安全性，采取了一系列的安全報警措施。主要有出水溫度越限報警，鍵盤輸入溫度越限報警以及傳感器故障報警等，當溫度越限時，通過P3.3口控制蜂鳴器工作，蜂鳴器使用3V工作電壓，通過2N5551NPN型小功率三極管驅動，二極管構成低電平回路，這樣能夠使蜂鳴器工作再邊沿觸發方式。3.8本章小結本章主要介紹了本系統各個功能部分的設計。首先，以單片機為核心部件，分別設計了鍵盤電路，溫度檢測電路，數碼管顯示電路，步進電機驅動電路以及安全報警電路。鍵盤電路采用單片機中斷擴展的方法實現中斷控制；溫度檢測電路采用高精度的DS18B20集成芯片，該芯片體積小，單芯片設計，性能可靠，避免了多部件造成系統的復雜，中間的一個部件出現故障就會造成整個系統的癱瘓；數碼管顯示部分采用兩位共陰極8段數碼管，通過單片機I/O口直接驅動；步進電機采用型號為KHP35F2001的兩相步進電機，驅動電路由集成施密特觸發器與達林頓功率放大器構成；安全報警電路由發光二極管和蜂鳴器提供聲光報警。第四章硬件電路的搭建以及產品樣板的制作4.1Protel99SE概述澳大利亞ProtelTechnology公司1999年推出了全32位軟件Protel99SE，Protel99SE功能強大，將電路原理圖編輯，電路功能仿真測試，PLD設計及印刷電路板設計等功能融合在一起，從而實現了電子設計自動化。Protel99SE具有Windows應用程序的一切特性，在Protel99SE中，引入了操作對象屬性概念，使所有對象（如連線，元件，I/O端口，網絡標號，焊盤，過孔等）具有相同或相似的操作方式，實現了電子線路CAD軟件所期望的簡單，方便，易學，實用，高效的操作要求。Protel99SE具有如下特點：（1）將電原理圖編輯（SchematicEdit），印刷電路板設計（PCB），可編程邏輯器件PLD設計，自動步線（Route），電路模擬/仿真（Sim）等功能有機的結合在一起，是真正意義上的EDA軟件，智能化，智能化程度高。（2）支持從上到下或由下到上的層次電路設計，使Protel99SE能夠完成大型，復雜的電路設計。（3）當電原理圖中的元件來自電原理庫時，可以直接對電原理圖中的電路進行仿真和測試。（4）提供ERC（電器法則檢查）和DRC（設計規則檢查），最大限度的減少設計誤差。（5）庫元件的管理，編輯功能完善，操作非常方便。通過基本的作圖工具，即可完成原理圖用元件電氣圖形符號以及PCB用元件封裝圖形的編輯，制作。（6）全面兼容TANGO及ProtelforDOS，即可在Protel98中可以使用，編輯TANGO或低版本Protel建立的文件，并提供了與OrCAD格式文件轉換功能。（7）Schematic和PCB之間具有動態鏈接功能，保證了原理圖與印刷板的一致性，以便相互檢查，校驗。（8）具有連續操作功能，可以快速地放置同類型元件，連線等。4.2電路原理圖的編輯電原理圖的編輯時電子線路設計的基礎，因為從電原理圖編輯器中提取的網絡表文件是印刷板設計過程中自動布局，自動布線的依據，同時原理圖也是電路性能仿真測試的前提。本節將簡要介紹一下本文系統設計的電原理圖的編輯過程。元件放置及連線操作原理圖中元件的電氣圖形符號存放在不同的元件電氣圖形庫文件中，因此繪制原理圖的第一步就是確定將放置的元件的電氣圖形符號存放在哪一個元件電氣圖形庫文件中，然后將元件電氣圖形符號庫添加到元件庫列表中，再從元件庫列表中選擇相應的元件庫作為當前元件庫，從當前元件庫中選擇需要的元件電氣圖形符號到編輯區內，即可完成元件電氣圖形符號的放置。放置好所需元件及完成位置調整后，就可以對元件進行連線，設置電氣節點，電源及地線符號等操作。連線過程中必須注意以下一些問題：（1）只有畫線工具欄內的導線工具具有電氣連接的功能，而畫圖工具欄內的直線，曲線等均不具有電氣特性，不能用于表示元件引腳之間的電氣連接關系。（2）從元件引腳的端點開始連線，不要從元件引腳，導線的中部連線。（3）元件引腳之間最好用一根完整的導線連接，盡量不使用多段完成元件引腳之間的連線，否則可能造成無法連接的現象。（4）連線不要重疊，尤其是當自動放置節點功能處于關閉狀態時，重疊的導線在原理圖上不易發現，但它們彼此之間并沒有連接在一起。在本設計中打開應用軟件后新建一個”畢業設計。DDB”的文件，所有的文件都在這個文件里面，然后新建一個SCH文件來畫電路原理圖，按照先大后小的原則放置元件，元件放置完畢后做完連線等工作后得到電路原理圖元件電氣圖形符號編輯與創建在原理圖編輯過程中由于各種原因，可能需要修改已有元件的電氣圖形符號或創建新元件的電氣圖形符號。在Protel99SE中修改，創建元件電氣圖形符號非常容易，方便，在電氣圖形符號編輯器SchLib窗口內，通過畫圖工具即可繪制出元件電氣圖形符號的外形，添加引腳后即可獲得元件的電氣圖形符號。既可以在原有元件庫內增加新元件的電氣圖形符號，也可以創建新元件庫。本設計中使用的集成芯片比較多，而且大多數芯片在原有的元件庫中都找不到，需要創建。按照步驟，繪制完畢后的集成施密特觸發器74HC14和功率器件ULN2003A電氣圖形符號如下圖所示。圖4.174HC14元件圖圖4.2ULN2003元件圖4.3印刷電路板的設計在完成了電路原理圖的編輯后，就應該進行PCB編輯了。印刷電路板（PCB）編輯，設計是電子產品設計過程中的關鍵環節之一。電子產品的功能由電原理圖決定，但電子產品的許多性能指標，如穩定性，可靠性，抗震強度等不僅與原理圖設計，元器件品質，生產工藝有關，而且在很大程度上取決于印刷電路板的布局，布線是否合理。在電路圖和元器件相同的條件下，印刷電路板的設計是否合理將直接影響到產品的穩定性和可靠性。編輯原理圖的目的也是為了能夠使用計算機進行印刷板設計，因此在電子線路設計中，印刷板的設計才是最終目的。印刷板設計基礎印刷板也成為印制線路板或印刷電路板，通過印制板上的印制導線，焊盤及金屬化過孔實現元器件引腳之間的電氣連接。由于印刷板上的導電圖形以及說明性文字等均通過印刷方法實現，因此成為印刷電路板。印刷板根據導電層數的不同可以分為單面電路板，雙面電路板和多面電路板；根據覆銅板基底材料的不同，又可以分為紙質覆銅箔層壓板和玻璃布覆銅箔層壓板兩大類。此外，采用撓性塑料做基底的印刷板稱為撓性印刷板，常用做印刷電纜。印刷電路板的基底材料是粘結樹脂，主要有酚醛樹脂，環氧樹脂和聚四氟乙烯樹脂三種。酚醛樹脂主要用于制作收音機，電視機等設備的印刷電路板，其特點是成本。環氧樹脂是目前應用最廣泛的材料之一，它具有良好的電氣和機械性能，耐熱，尺寸穩定性好，可在較高溫度下使用。聚四氟乙烯樹脂由于其介電性能好，耐高溫，耐潮濕，耐酸堿，是制作高頻，微波電子設備印刷電路板的理想材料，只是價格較高。4.3.2Protel99sePCB的基本設計流程為了便于理解PCB編輯器的基本概念，本節將以手工設計電路的印刷電路板為例