word文檔可自由復制編輯word文檔可自由復制編輯word文檔可自由復制編輯1熱水壺控制系統總體概述1.1熱水壺的工作情況對于常規的電熱水壺，只要接通電源，就開始加熱，直到水沸騰后通過蒸汽來產生聲音報警。這種設計有下面幾個方面的不足：如水壺中沒水，電源誤接通時也會一直加熱，容易引起事故。當只需要加熱到沸點以下某一溫度時，不能及時給出聲音報警信號。當水加熱沸騰后不能自動停止工作。針對以上不足，在本設計方案中，用MC-51單片機作為控制芯片，管理整個電熱水壺的工作情況，構成了一個閉環控制系統，而且增加了三個按鍵和六位數碼管顯示。它的工作情況和常規的熱水壺相比，有下面幾個方面的特點：有三個按鍵，可用來設置希望加熱到的溫度即報警的溫度。上電復位后，設置溫度初值為20度，每按一下按鍵，溫度設置值就會增加1度，整個溫度設置值在20—100度之間循環。這個按鍵還具有啟動電熱水壺開始工作的作用。當每次電源接通后，只有按鍵按下過之后，電熱水壺才開始加熱，這樣，可以防止電源誤接通時電熱水壺一直加熱，引發事故。當加熱到設置溫度時，單片機會控制停止加熱，并通過蜂鳴器給出聲音提示。三位數碼管在設置溫度操作時顯示當前設置的溫度，另三位數碼管其余時間實時顯示電熱水壺中水的實際溫度。1.2MCS-51單片機控制的總體介紹硬件設計的總電路連接框圖如下圖加熱電路加熱電路8255報警電路鍵盤和顯示電路ADC0809溫度檢測電路805光電隔離圖1-1硬件設計的總電路連接框圖單片機控制熱水壺的硬件構成包括8051芯片、8255芯片、地址鎖存器等組成的單片機控制電路、溫度檢測電路、A/D轉換電路、光電隔離電路、鍵盤及顯示電路和溫度加熱電路。整個系統的關鍵電路是單片機控制電路，是整個控制的核心，完成信號的輸入和輸出的轉換，即可將溫度檢測電路采樣的輸入的信號通過A/D轉換器ADC0809進行處理加工后輸出到顯示器進行顯示，并可以通過鍵盤對溫度進行控制，如此同時當水加熱超過指定的溫度以后，蜂鳴器工作報警。并對其中部分電路編制子程序，以及相應的軟件設計。2電熱水壺控制系統的硬件設計2.1溫度檢測電路和A/D轉換器的電路2.1.1溫度檢測電路圖2-1-2電源轉換電路圖2-1-3溫度檢測電路通過溫度集成器AD590對外部-55~+150℃范圍內的溫度進行采樣，在AD590的兩端分別接地和接電源，得到一定的壓差，因此會得到相應的工作電壓，其輸出電流會隨溫度變化而變化。電流1μA/K其輸出電壓為100mV/℃，經運算放大器LM358進行I/V轉化后，再送入A/D轉換電路中進行模數轉換，經過微處理器處理即可送到LED顯示器顯示溫度。2.1.2A/D轉換器電路原理和電路接口圖采用逐次逼近法A/D轉換器電路原理。其主要原理為：將一待轉換的模擬輸入信號U1n與一個推測信號Ur相比較，根據推測信號大于還是小于輸入信號來決定增大還是減少該推測信號相等時，向D/A轉換器輸入的數字就是對應模擬輸入量的數字量。1．A/D轉換器的引腳說明：ADC0809是CMOS集成電路8位單片A/D轉換器。雙列直插28引腳封裝。片內有8路模擬開關、模擬開關的地址鎖存與譯碼電路、比較器、256R電阻T型網絡、樹狀電子開關、逐次逼近寄存器SAR、三態輸出鎖存，緩沖器、控制與時序電路等。ADC0809引腳功能說明如下：word文檔可自由復制編輯word文檔可自由復制編輯word文檔可自由復制編輯IN0——IN7：8路輸入通道的模擬量輸入端。A、B、C口：8路模擬開關的三位地址輸入端，用來選擇8路模擬輸入的一路進行A/D轉換。ALE：地址鎖存允許。ALE有效將三位地址A、B、C鎖存到地址鎖存器中。START：為啟動控制輸入端。它與ALE可以接在一起，當通過程序加上一個正脈沖便立即開始A/D轉換。EOC：轉換結束信號輸出端，高電平有效。在此輸出端供給一個有效信號則打開三態輸出鎖存緩沖器，把轉換后的結果送至外部數據線。COLCK：時鐘輸入端。CLOCK為600kHZ時，轉換時間位100us。D0——D7：8位數字輸出段。Vcc:電源輸入端。GND：接地端。2．A/D轉換的連接電路及應用圖2-1-4A/D轉換的連接電路2.2單片機8051芯片介紹和主要電路2.2.1MCS-51單片微機8051內部部件和接口電路MCS-5單片微機8051內部包含如下部件：8位CPU;振蕩器和時鐘電路;4K/8K字節的程序存貯器;128/256字節的數據存貯器;可尋址外部程序存貯器和數據存貯器，各64K字節;二十多個特殊功能寄存器;32線并行I/O口;1個全雙工串行I/O口;2/3個16位定時器/計數器;5/6個中斷源，2個優先級;具有位尋址功能，有較強的布爾處理能力。圖2-2-18051的引腳圖圖2-2-2單片機的片外總線結構圖由圖2-2-2可以看到，單片機的引腳除了電源、復位、時鐘接入、用戶I/O口外，其余管腳都是為了實現系統擴展而設置的。這些引腳構成了MCS-51單片機片外三總線結構：1．地址總線（AB）：地址總線寬度為16位，因此，其外部存儲器直接尋址為64K字節，16位地址總線由P0口經地址鎖存器提供低8位地址（A0~A7）；P0口直接提供高8位地址（A8~A15）。2．數據總線（DB）：數據總線寬度為8位，由P0口提供。控制總線（CB）：由四根獨立控制線RESET、EA、ALE、PSEN組成。2.2.2振蕩電路和時鐘電路振蕩電路和單片機內部的時鐘電路一起構成了單片機的時鐘方式，根據硬件不同，連接方式分為內部時鐘方式和外部時鐘方式。圖2-2-3外部時鐘方式電路圖由上面的圖我們可以看到引腳XTAL2就是內部時鐘發生器的輸入端。因此，只需將外部振蕩器的信號接至引腳XTAL2，而把內部反相放大器的輸入端XTAL1引腳接地。通常接的外部信號一般為頻率低于12MHZ的方波信號。2.2.3單片機的復位電路1．主要復位電路上電復位和開關復位組合電路：在單片機系統設計過程中，經常會使用上電復位和手動復位，最常用的上電復位和開關復位組合電路為：圖2-2-4上電復位和開關復位組合電路在實際應用系統中，為了保證復位電路可靠地工作，常將RC電路接施密特電路后再接入單片機復位端，特別適合于應用系統現場干擾大，電壓波動大的工作環境。[10]word文檔可自由復制編輯word文檔可自由復制編輯word文檔可自由復制編輯圖2-2-5抗干擾上電復位2.2.4中斷優先級1．IE0（外中斷INT0）最高優先級0003H2．TF0（定時器0溢出中斷）000BH3．IE1（外中斷INT1）0013H4．TF1（定時器1溢出中斷）001BH5．RI+TI（串行口中斷）0023H6．TF2+EXF2（定時器2溢出中斷）最低優先級002BH2.2.574LS373地址鎖存器芯片介紹通常,地址鎖存器可使用帶三態緩沖輸出的八D鎖存器74LS373或8282，也可以使用帶清除端的八D鎖存器74LS273，地址鎖存信號為ALE。但用的最多的是74LS373。圖2-2-674LS373的結構圖當用74LS373作為地址鎖存器時,它們的鎖存控制端G和STB可直接與單片機的鎖存控制信號端ALE相連,在ALE下降沿進行地址鎖存。2.38255輸出口擴展2.3.18255的引腳介紹圖2-3-18255的引腳圖AD0—AD7：三態地址/數據總線。連接CPU的底8位地址/數據總線。IO/M：RAM/IO口選擇信號輸入端。CS：片選信號輸入端，8255為CS，低電平有效。RD：讀選通信號輸入端。低電平有效。WR：寫選通信號輸入段。低電平有效。RESET：復位信號輸入段。高電平有效，并初始化3個I/O口為輸入方式。PA0—PA7：A口的I/O線、I/O方向由命令字編程設定。PB0—PB7：B口的I/O線、I/O方向由命令字編程設定。PC0—PC7：C口的I/O線，或A口和B口的狀態控制信號線。由命令字編程設定。Vcc：+5V電源線。Vss:接地線。8255片內256*8位靜態RAM，在速度上與MCS-51完全匹配。當IO/M=0時，CPU對8255的RAM進行讀寫，尋址范圍為00H—0FFH。2.3.28255與8051的外部接口電路圖2-3-28255與8051的外部接口電路由上圖可以看出8051通過地址鎖存器與8255相連，8255的片選信號CS及口地址選擇線A0、A1分別由8051的P0.7、P0.0、P0.1經地址鎖存器74LS373后提供。故8255的A、B、C口及控制口地址分別為FF7CH、FF7DH、FF7EH、FF7FH。8255的復位端與8051的復位端相連，都接到8051的復位電路上。必須根據外圍設備的類型選擇8255的操作方式，并在初始化程序中把相應控制字寫入操作口。8255的編程如下：各端口地址是：A口地址：FF7CHB口地址：FF7DHC口地址：FF7EH控制口地址：FF7FH2.4單片機的抗干擾電路2.4.1光電隔離抗干擾的簡介在開關量輸出通道中，為防止現場強電磁干擾或工頻電壓會通過輸出通道反串到測控系統，一般需采取通道隔離技術。最常見的隔離器件是光電隔離器。因為光信號的傳送不受電場、磁場的干擾，可以有效地隔離電信號。2.4.2光電隔離器的原理電路圖2-4-1光電隔離器的原理電路2.4.3光電隔離的電路在一般微機控制系統中，由于大都采用TTL電平，不能直接驅動發光二極管，所以通常加一個驅動區，如7406和7407等。圖2-4-2光電隔離的電路當輸出TTL電平為低電平時，7406輸出為高電平，發光二極管截止，光電隔離器處于截止狀態，VO端輸出高電平；而當輸出控制電平為高電平時，7406輸出為低電平，發光二極管導通，光電隔離器處于導通狀態，VO端輸出低電平。圖2-4-3總電路框圖2.5鍵盤及顯示電路2.5.1鍵盤輸入特點按鍵所用開關為機械彈性開關，均利用了機械觸點的合、斷。一個電壓信號通過機械的斷開、閉合過程。圖2-5-1鍵盤抖動波形圖按鍵的閉合與否，反應在電壓的上就是呈現出高電平或低電平，所以通過電平的高低狀態的檢測，便可確認按鍵按下沒有。為了確保按鍵的狀態，必須消除按鍵抖動的影響，這也是按鍵抗干擾的主要的一個方面。2.5.2矩陣鍵盤的概述1．矩陣鍵盤的工作原理：按鍵設置在行、列線交點上，行、列線分別連接到按鍵開關的兩端。行線通過上拉電阻接到+5V上。平時無按鍵動作時，行線處于高電平狀態，而當有按鍵按下時，行線電平狀態將由與此行線相連的列線電平決定。列線電平如果為低,則行線電平為低，列線電平如果為高，則行線電平亦為高。2．鍵盤的工作方式由圖2-5-4可見鍵盤采用編程掃描方式工作，PB口輸出逐行掃描信號，PA口輸入8位列信號，均為低電平有效。8255A的A0、A1上，CS與P2.7相接，WR、RD分別與8051的WR、RD相連。2.5.3LED顯示原理及顯示方式1．LED顯示器結構LED顯示塊是由發光二極管顯示字段的顯示器件。在單片機應用系統中通常使用的是7段LED。這種顯示塊有共陰極和共陽極兩種。圖2-5-3LED顯示器引腳圖共陰極LED顯示塊的發光二極管陰極共地。當某個發光二極管的陽極為高電平時，發光二極管點亮；共陽極LED顯示塊的發光二極管陽極并接。2．LED顯示器的顯示方式在單片機應用系統中使用LED顯示塊構成N位LED顯示器。N根LED顯示器由N根位選線和8*N根段選線。根據顯示方式不同，為選線與段選線的連接方法不同。段選線控制字符選擇，為選線控制顯示位的亮、暗。2.5.5系統應用對于顯示部分，從8255輸出的顯示信息經74LS373鎖存緩沖，用來對LED的各段進行段選，各位LED顯示器采用共陰極接法，通過控制陰極的電位來實現各位的選通。通過8255的掃描輸出經2003來實現位選，用來顯示設定的溫度值和當前的溫度值，以便進行調節。鍵盤部分采用1×3鍵盤矩陣，列回復信號送至8255的PC0口，連接后仍作為列選擇線；行選擇線則是與顯示部分的位選線共用。初始時，將列選擇線置為高電平，當有按鍵按下時，列選擇線的電位取決于列選擇線，通過相應行的電平狀態判斷有無按鍵按下，可以通過鍵盤的配合來調節溫度的設定值。圖2-5-4鍵盤和顯示器接口電路的接線圖2.6加熱電路和報警裝置2.6.1加熱電路圖2-6-1加熱電路圖電熱器件由雙向可控硅KS控制，KS由光電耦合器4N25和晶體管9013觸發。單片機8051的P2.0端輸出的觸發信號，經7407后，送到光電耦合器4N25。P2.0端輸出高電平時，4N25沒有電流輸入，晶體管T截止，雙向晶閘管KS關斷，電熱器不加熱。當P2.0端輸出低電平時，7407輸出低電平，4N25的輸入電流約為18mА，輸出端的電流大3.6mА，經晶體管9013放大后，雙向可控硅門極的電流可達200mА，雙向可控硅導通，電熱器加熱。電阻R3的作用是限制觸發電流，當雙向可控硅KS的功率較小時，R3的值可由30Ω改為100Ω。2.6.2報警裝置首先通過按鍵對要達到的溫度進行設定，通過加熱裝置對水進行加熱，當加熱溫度達到或超過設定值時，將加熱信號送到8051中，通過微處理器處理后，輸出到P1口報警，并通過三極管驅動揚聲器或蜂鳴器報警。圖2-6-2報警裝置的硬件電路圖3單片機的軟件設計3.1總的程序設計框圖開開始初始化開始加熱嗎？溫度達到設定值嗎？是按鍵按下嗎？加熱溫度采樣IN0停止加熱、蜂鳴器響主程序結束NY按鍵處理YNYN圖3-1主程序流程圖3.28255的程序設計3.2.18255的程序的初始化8255的編程如下：由第四章可得8255各端口地址是：A口地址：FF7CHB口地址：FF7DHC口地址：FF7EH控制口地址：FF7FH假設要求8255工作方式0，且A口作為輸出，B口作為輸出，C口作為輸入，則工作程序如下：MOVA,#81H;方式0，A口、B口輸出，C口輸入MOVDPTR,#0FF7FH;控制寄存器地址→DPTRMOVX@DPTR,A;方式控制字→控制寄存器MOVDPTR,#0FF7CH;A口地址→DPTRMOVXA,@DPTR;從A口讀數據MOVDPTR,#0FF7DH;B口地址→DPTRMOVA,DATA1;要輸出的數據DATA1→AMOVX@DPTR,A;將DATA1送B口輸出MOVDPTR,#0FF7EH;C口地址→DPTRMOVA,DATA2;DATA2→AMOVX@DPTR,A;將DATA2送C口輸出3.2.2對端口C的置位/復位8255的C口8位中的任一位，均可用指令來置位或復位。例如，如果想把C口的第6位PC5置1,相應的控制字為:00001011B=0BH，程序如下：MOVDPTR,#0FF7FH:控制口地址→DPTRMOVA,#0BH;控制字→AMOVX@DPTR,A;控制字→控制口;PC5=1如果想把C口的第6位PC5復位，相應的控制字為：00001010B=0AH。程序如下：MOVDPTR,#0FF7FH;控制口地址→DPTRMOVA,#0AH;控制字→AMOVX@DPTR,A;控制字送到控制口;PC5=03.3鍵盤和顯示接口電路程序設計3.3.1鍵盤和顯示器的程序設計8255在MCS-51單片機應用系統中廣泛用于連接外部設備，如打印機、鍵盤、顯示器以及作為控制信息的輸入、輸出口。開始開始置段，位選碼的初8255初始化位選碼PB口查段選碼表8255初始化N選擇下一位指向下一顯示單元延時ms1段選碼PA口6位顯示完否？返回圖3-2程序框圖程序如下：DIS：MOVA，#00000011B;8255PA、PA、PB口為輸出，PC口為輸入MOVDPTR，#FF7CH;8255命令口地址送DPTRMOVX@DPTR，A;寫命令MOVR0，#50H;50~55H單元存6個顯示數據MOVR3，#7FH;第1位LED的位選碼7FHMOVA，R3AGAIN：MOVDPTR，#7F01H；指向PA口MOVX@DPTR，A；位選碼送PA口MOVA，@R0；取顯示數據MOVDPTR，#DSEG；取段選碼表首址MOVCA，@A+DPTR；取段選碼MOVDPTR，#7F02H；指向PB口MOVX@DPTR，A；段選碼送PB口ACALLDL1ms；延時1msINCR0；指向下一顯示數據單元MOVA，R3JNBACC.0，OUT；6位顯示完，轉OUTRRA；未完，調整為下一位選碼MOVR3，AAJMPAGAIN；繼續顯示下一位OUT：RET；子程序返回DSEG：DB3FH，06H，5BH；顯示0，1，2DB4FH，66H，6DH；顯示3，4，5DB77H，7CH，39H；顯示A，B，CDB5EH，79H，71H；顯示D，E，FDL1ms：MOVR7，#01H；延時1ms子程序DL0：MOVR6，#0FFHDL1：DJNZR6，DL1DLNZR7，DL0RET3.3.2鍵盤掃描子程序本方案中用延時10ms子程序進行軟件消抖；通過設置處理標志來區分閉合鍵是否已處理過。開始8255開始8255初始化調顯示子程序并熄滅子程序調全列置零掃描子程序調全列置零掃描子程序調顯示子程序延時約10ms有按鍵否？確有按鍵？6列完否？定位鍵號調顯示子程序并熄滅顯示器NYNYNYNY按鍵釋放？按鍵釋放？調全列置零掃描子程序返回圖3-3程序流程圖在掃描鍵盤的過程中應兼顧顯示器的顯示。程序如下：KEYSUB：MOVA，#00000011B；8255PA、PB口輸出，PC口輸入MOVDPTR，#FF7FH；控制字地址送DPTRMOVX@DPTR，A；向8255輸出控制字BEGIN：ACALLDIS；調顯示子程序ACALLCLEAR；清零顯示器，即熄滅ACALLCCSCAN；全列置零掃描，判有無按鍵按下JNZINK1；有鍵按下，轉INK1AJMPBEGININK1：ACALLDIS；調顯示子程序，延時8~9msACALLDL1msACALLDL1ms；共延時約10ms去抖ACALLCLEAR；熄滅顯示器ACALLCCSCAN；全列置零掃描，判是否確有按鍵按下JNZINK2；確有鍵按下，轉INK2AJMPBEGIN；抖動引起，轉回BEGININK2：MOVR2，#0FEH；掃描第1列，置第1列為0MOVR4，#00H；列號送R4COLUM：MOVDPTR，#FF7DH；指向PB口MOVA，R2；掃描碼送AMOVX@DPTR，A；輸出掃描碼INCDPTRINCDPTR；指向PC口MOVXA，@DPTR；讀出PC口POPAKON：ACALLDIS；調顯示，等待按鍵釋放ACALL