单片机烧水壶控制器系统设计

1、目录摘要- 2 -第1章 绪论- 3 -1.1 引言- 3 -第2章 烧水壶控制器的设计- 4 -2.1 单片机的概述- 4 -2.1.1 80C51系列概述- 4 -2.1.2 80C51典型产品资源配置- 6 -2.1.3 80C51的引脚封装及内部结构- 6 -2.1.4 控制器- 7 -2.1.5 单片机工作的基本时序- 8 -2.2系统设计- 9 -2.2.1 设计分析- 9 -2.2.2 AT89S51芯片- 10 -2.2.3 简述DS18B20- 12 -2.2.4 硬件电路设计- 14 -2.2.5 电路原理图- 15 -第3章 程序设计- 16 -3.1程序框图- 16 -

2、3.2源程序- 17 -结论- 20 -致谢- 22 -摘要本系统是以AT89S51单片机为核心的温度控制器的设计,在该设计中采用专用集成温度传感器DS18B20作为数据采集传感器对电烧水壶的温度进行实时精确测量,由于DS18B20集成了数据采集、模数转换一体，从而更方便地实现自动检测,并利用数码管显示当前温度使本系统更直观。最终实现热水壶自动烧水、保温。关键词：烧水壶 温度传感器 单片机第1章 绪论1.1 引言在较复杂的工业系统中，经常要采用分布式测控系统完成大量的分布参数的采集。在这类系统中，采用单片机作为分布式系统的前端采集模块，系统具有运行可靠，数据采集方便灵活，成本低廉等一系列优点。

3、在交通领域中，汽车、火车、飞机、航天器等均有单片机的广泛应用。如汽车自动驾驶系统、航天测控系统、黑匣子等。家用电器是单片机的又一重要应用领域，前景十分广阔。如空调器、电冰箱、洗衣机、电饭煲、高档洗浴设备、高档玩具等。烧水壶属于西式小家电产品，在中国发展的历史虽然短暂，但发展的速度非常迅猛。在中国国内，很早就开始电水壶行业的生产，生产时间大概有15年的时间，但主要以出口为主。电水壶最大的市场在欧洲。而中国国内销售电水壶只有10年的时间。据英国STRTX公司(著名电水壶温控器生产厂家)预测2009年大概有20002200万台的销售量，是世界上增长速度最快的市场之一，增幅约30%以上。电水壶产品相对

4、其它小家电产品比较特殊，需要对液体进行加热，对安全性有着极高的要求。据国家质检总局在2006年8月份发布的质量抽查结果显示，有7项电气安全项目指标不合格，包括对触及带电部件的防护、输入功率和电流、耐潮湿。非正常工作、结构、电源连接和外部软线、螺钉和连接。这表明，虽然电水壶虽然拥有着广阔的市场前景，但质量安全问题也是异常突出的，如何引导行业向健康有序的方向发展，是这个行业当中的人切实要考虑的问题。 从温控器的发展历史上来看，自动断电的历史已经有30年的历史，最开始电水壶的温控器采用发热管加热方式，现在的流行趋势是底盘加热方式，这种方式是一个可以将功率做得更大，并且外观比较好，360度的接口，更人

5、性化的设计，电水壶市场的主流正在朝着这个方向走，在欧洲直插式的份额已不到20%，近80%的市场都是底盘式的。但在中国国内这种流行趋势的发展还需要一段时间，虽然目前在售超过50%以上都是底盘式的，但直插式的还有一定的市场份额，且在很长一段时间里依然占据这个市场，由于本身电热水壶市场的保有量不高，更新换代的市场较小，大多数消费者仍然会选择价格相对较低的直插式电水壶产品，购买低端电热水壶产品的消费者占据相当大的市场。电水壶刚刚出道的几年间，中国家庭传统使用的电暖瓶并没有丢弃，就是因为原来电水壶除了快捷之外并没有保温功能，这是不符合中国人传统饮水习惯的。近几年电水壶这个西式小家电产品入乡随俗，出现了具

6、有保温功能的电水壶，这一功能的出现，会让电热水壶得到更广泛的认同，获得更大的市场发展。可以满足泡荼，冲奶粉等需要热水的功能需求。电水壶产品在未来的几年间依然会保持着持续的增长，增长的前提是行业中的各个品牌不断的技术创新，认真研究消费者的需求，真正让这个西式小家电成为国内消费者不可或缺的产品。第2章 烧水壶控制器的设计2.1 单片机的概述单片机是由运算器、控制器、存储器、输入设备以及输出设备共五个基本部分组成的。单片机是把包括运算器、控制器、少量的存储器、最基本的输入输出口电路、串行口电路、中断和定时电路等都集成在一个尺寸有限的芯片上。通常，单片机由单个集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功

7、能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。单片机经过1、2、3、3代的发展，目前单片机正朝着高性能和多品种方向发展，它们的CPU功能在增强，内部资源在增多，引脚的多功能化，以及低电压、低功耗。可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，

8、通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使用单片机或其它可编程逻辑器件上。 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与

9、数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。它主要是作为控制部分的核心部件。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。2.1.1 80C51系列概述1、MCS-51系列（1）MCS-51是Intel公司生产的一个单片机系列名称。属于这一系列的单片机有多种，如：8051/8751/8031；8052/8752/8032；80C51/87C51/80C3180C52/87

10、C52/80C32等 。（2）该系列生产工艺有两种：一是HMOS工艺（高密度短沟道MOS工艺）。二是CHMOS工艺（互补金属氧化物的HMOS工艺）。CHMOS是CMOS和HMOS的结合，既保持了HMOS高速度和高密度的特点，还具有CMOS的低功耗的特点。在产品型号中凡带有字母“C”的即为CHMOS芯片，CHMOS芯片的电平既与TTL电平兼容，又与CMOS电平兼容。（3）在功能上，该系列单片机有基本型和增强型两大类：基本型：8051/8751/803180C51/87C51/80C31增强型：8052/8752/803280C52/87C52/80C32（4）在片内程序存储器的配置上，该系列单片

11、机有三种形式，即掩膜ROM、EPROM和ROMLess(无片内程序存储器)。如：80C51有4K字节的掩膜ROM；87C51有4K字节的EPROM ；80C31在芯片内无程序存储器。2、80C51系列80C51是MCS-51系列中CHMOS工艺的一个典型品种 ；其它厂商以8051为基核开发出的CMOS工艺单片机产品统称为80C51系列。当前常用的80C51系列单片机主要产品有：Intel的：80C31、80C51、87C51，80C32、80C52、87C52等；ATMEL的：89C51、89C52、89C2051等；Philips、华邦、Dallas、Siemens(Infineon)等公司

12、的许多产品 。2.1.2 80C51典型产品资源配置表218051芯片一览表2.1.3 80C51的引脚封装及内部结构图2280C51单片机引脚图图238051内部结构图CPU：由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；RAM：用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；ROM：用以存放程序、一些原始数据和表格；I/O：四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出；T/C：两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微

13、机之间的串行通信；片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。最高振荡频率为12M。2.1.4 控制器1、时钟电路图24 内部时钟接法图 图25 型单片机时钟接法图 图26型单片机时钟接法图2.1.5 单片机工作的基本时序1、机器周期和指令周期：（1）振荡周期: 也称时钟周期, 是指为单片机提供时钟脉冲信号的振荡源的周期。 （2）状态周期: 每个状态周期为时钟周期的 2 倍, 是振荡周期经二分频后得到的。（3）机器周期: 一个机器周期包含 6 个状态周期S1S6, 也就是 12 个时钟周期。 在一个机器周期内, CPU可以完成一个独立的操作。 （4）指令周期: 它是指CPU完成一条操

14、作所需的全部时间。 每条指令执行时间都是有一个或几个机器周期组成。MCS - 51 系统中, 有单周期指令、双周期指令和四周期指令。 2、时钟电路引脚： XTAL1：接外部晶振和微调电容的一端，在单片机内部，它是构成片内振荡器的反向放大器的输入端。当采用外部振荡器时，该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部振荡器的输入端。 XTAL2：接外部晶振和微调电容的另一端，在单片机内部，它是构成片内振荡器的反向放大器的输出端。当采用外部振荡器时，此引脚应悬空。3、控制信号引脚：RST/VPD:RST是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持2个机器周期的高电平时，就可以完成复位操作。RST引脚

15、的第二功能是备用电源的输入端。图27复位电路连接图ALE/PROG:(Address Latch Enable/ Programming)当单片机上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正弦脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。CPU访问外部存储器时，ALE作为锁存低8位地址的控制信号。此引脚的第二功能PROG作为8751编程脉冲输入端使用。PSEN：(Program Store Enable)在访问片外存储器时，此端定时输出负脉冲作为片外存储器的选通信号。EA/VPP：(Enable Address/Voltage Pulse Of Programming)当EA接高电平时，CPU访问片内RO

16、M，并执行内部程序存储器中的指令，但当PC（程序计数器）的值超过4K时，将自动转去执行片外存储器内的程序。当EA脚接低电平时，CPU只访问片外ROM并执行外部程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器。VPP是对8751片内ROM固化程序时，作为施加较高编程电压（12V21V）的输入端。4、输入输出引脚：P0P3：4个8位双向输入输出端口，每个端口都有锁存器、输出驱动器和输入缓冲器。4个端口都可以做输入输出口使用，其中，P0和P2通常用于对外部存储器的访问。在这种方式下，把P0口作为地址/数据总线使用，分时输出外部存储器的地址和传送8位数据。当扩充外部存储器的地址为16位时，P2口作为地址

17、总线的高8位地址使用。2.2系统设计2.2.1 设计分析本系统采用比较流行的AT89S51作为电路的控制核心,并使用集成了温度数据采集、模数转换于一体的集成温度传感器DS18B20，控制电路部分采用热敏电阻温度传感器实行对水壶温度的连续测量与控制。本系统设计总体框图如下： 单片机显示电路键盘控制控制电路数据采集烧水壶传感器图28控制器设计总体框图 2.2.2 AT89S51芯片图29AT89S51单片机引脚图选用的AT89S51与同系列的AT89C51在功能上有明显的提高，最突出是的可以实现在线的编程。用于实现系统的总的控制。其主要功能列举如下：1、为一般控制应用的8位单片机2、晶片内部具有时

18、钟振荡器（传统最高工作频率可至33MHz）3、内部程式存储器（ROM）为4KB4、内部数据存储器（RAM）为128B5、外部程序存储器可扩充至64KB6、外部数据存储器可扩充至64KB7、32条双向输入输出线，且每条均可以单独做I/O的控制8、5 个中断向量源9、2 组独立的16位定时器10、1个全双工串行通信端口11、8751及8752单芯片具有数据保密的功能12、单芯片提供位逻辑运算指令AT89S51各引脚功能介绍：VCC：AT89S51电源正端输入，接+5V。VSS：电源地端。XTAL1：单芯片系统时钟的反向放大器输入端。XTAL2：系统时钟的反向放大器输出端，一般在设计上只要在XTAL

19、1和XTAL2上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两个引脚与地之间加入一个20PF的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。RESET：AT89S51的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。EA/Vpp：EA为英文External Access的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。因此

20、在8031及8032中，EA引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用8751内部程序空间时，此引脚要接成高电平。此外，在将程序代码烧录至8751内部EPROM时，可以利用此引脚来输入21V的烧录高压（Vpp）。ALE/PROG：ALE是英文Address Latch Enable的缩写，表示地址锁存器启用信号。ATAT89S51可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口0的地址总线（A0A7）锁进锁存器中，因为ATAT89S51是以多工的方式送出地址及数据。平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输

21、入。此外在烧录8751程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。PSEN：此为Program Store Enable的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。ATAT89S51可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM与EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围。PORT0（P0.0P0.7）：端口0是一个8位宽的开路电极（Open Drain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。其他三个I/O端

22、口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当作I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。如果当EA引脚为低电平时（即取用外部程序代码或数据存储器），P0就以多工方式提供地址总线（A0A7）及数据总线（D0D7）。设计者必须外加一个锁存器将端口0送出的地址锁住成为A0A7，再配合端口2所送出的A8A15合成一组完整的16位地址总线，而定位地址到64K的外部存储器空间。PORT2（P2.0P2.7）：端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。P2除了当作一般I/O端口使用外

23、，若是在ATAT89S51扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8A15，这个时候P2便不能当作I/O来使用了。PORT1（P1.0P1.7）：端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LS TTL负载，同样地，若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当作定时器2的外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发引脚。PORT3（P3.0P3.7）：端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通

24、信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。其引脚分配如下：P3.0：RXD，串行通信输入。P3.1：TXD，串行通信输出。P3.2：INT0，外部中断0输入。P3.3：INT1，外部中断1输入。P3.4：T0，计时计数器0输入。P3.5：T1，计时计数器1输入。P3.6：WR：外部数据存储器的写入信号。P3.7：RD，外部数据存储器的读取信号。2.2.3 简述DS18B201、DS18B20的主要特性（1）适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微

25、处理器与DS18B20的双向通讯。（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。（5）温范围55125，在-10+85时精度为0.5。（6）可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温。（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。（8）测量结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给CPU，同时可传

26、送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。（9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。2、DS18B20的外形和内部结构。DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的外形及管脚排列如下图1: 图210 DS18B20外形及引脚排列图 DS18B20引脚定义： (1)DQ为数字信号输入/输出端； (2)GND为电源地； (3)VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。 图211 DS18B20内部结构图 3、DS18B20工作原理DS18B20的读写时序和测温原理与DS

27、1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。 DS18B20测温原理如图3所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度

28、寄存器中的数值即为所测温度。图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。 预置计数器1预置比较低温度系数晶振计数器2温度寄存器高温度系数晶振=0=0斜率累加器图212 DS18B20测温原理框图 2.2.4 硬件电路设计1 主机电路的设计主机选用ATMEL公司的51系列单片机AT89S51来实现,利用单片机软件编程灵活、自由度大的特点,力求用软件完善各种控制算法和逻辑控制。本系统选用的AT89S51芯片时钟可达12MHZ,运算速度快,控制功能完善。其内部具有128字节ram,而且内部含有4KB的flash ROM 不需要外扩展存储器,可使系统整体结构更为

29、简单、实用。2.2.5 电路原理图 图213系统电路原理图第3章 程序设计3.1程序框图开始系统初始化显示温度设定启动DS1820，采集数据显示当前温度数据处理有中断温度设定？当前温度与设定值比较相等？终止程序图31 主程序流程图3.2源程序 ORG AT 0000H LJMP START CSEG AT 4100H START: MOV DPTR, #0CFA0H MOVX DPTR, A MOV R0, 0FEH LOOP1: DJNZ R0, LOOP1 MOVX A , DPTR MOV R4 , A CPL A MOV B, #0AH DIV AB MOV B, #04H MUL A

30、B MOV B, #0AH DIV AB MOV 50H, A XCH A, B MOV 51H, A START1: MOV DPTR, #0CFA1H MOVX DPTR, A MOV RO,#0FFH LOOP2: DJNZ R0, LOOP1 MOVX A, DPTR MOV R5, A CPL A MOV B, #0AH DIV AB MOV B, #04H MUL AB MOV B, #0AH DIV AB MOV 53H, A XCH A, B MOV 54H, A MOV 52H, #10 LOOP3: MOV DPTR, #0CFE9H MOV A, #90H MOVX DP

31、TR, A MOV RO, #50 MOV R1, #05H MOV DPTR, #0CFE8H100P4: DJNZ R5,100P4 DJNZ R6,00P3 RETON: CP1 P1.2 RETLOOP5: MOV R0,#51H MOV R7,#03HLOOP6: MOV A,SBUFJNB PSW.0, LOOP7JNB RB8,LOOP8LOOP9: MOV RO, AMOV R1, 51HCJNE R1, #1EH,LPDJNZ 52H,KPCLR P1.7MOV 52H,#02HMOV R0,#OOHLJMP WAITKP:SETB P1.7MOV R0, #00HLJMP

32、WAIT LP: DJNZ R7, WAITCLR PSW.5LJMP WAITLOOP7: JB RB8 , LOOP8 LJMP LOOP9LOOP8: SETB PSW.5 LJMP WAIT DL0: MOV A,R0 ACALL TABEL MOVX DPTR,A INC R0 DJNZ R1,DL0 ACALL DEL1 BJ: MOV A,R4 SUBB A,R5 JC JR RC: SETB P1.0 LJMP STARTTABEL: INC A MOVC A,A+PC DEL1: MOV R6,#255 DEL2: MOV R7,#255 DEL3: NOP DJNZ R7,

33、 DEL3 DJNZ R6, DEL2 RET DB 3FH,06H,58H,4FH,66H,60H DB 7DH,07H,7FH,40H END结论本系统就是利用了AT89S51芯片的I/O引脚。系统采用美国ATMEL公司生产的单片机AT89S51，以及其它芯片（如： DS18B20）来设计烧水壶控制器，实现了热水壶自动烧水、保温。并通过AT89S51来控制温度传感器DS18B20芯片的输出口设置温度与电压之间的转换和控制。并实现在七段数码管上的温度显示；系统设计简便、实用性强、操作简单、程序设计简便。 系统不足：系统的抗干扰能力不强，电路容易受高电压、大电流的影响。参考文献1周润景，袁伟亭，景晓松,Proteus在MCS-51&ARM7系统中的应用百例M,北京：电子工业出版社，2006,2502582曾方，电力电子技术M,西安：西安电子科技大学出版社，20043付植桐，尹常永，电子技术M,北京：高等教育出版社，20044王俊峰，薛鸿德，现代遥控技术及应用M,北京：人民邮电出版社，20055周润景，张丽娜，基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真M,北京：北京航空航天大学出版社致谢通过本次毕业设计，我在指导老师的精心指导和严格要求下，获