婷美就是你单片机实现家用电热水器设计说明

1、 . . . 毕 业 设 计毕业生： 雅 婷 专 业： 自 动 化 学 号：090711013指导老师： 辉 所属系（部）： 信 息 系 二0一三年五月理工大学学院52 / 52摘要4Abstract5第1章 绪 论71.1 选题目的和意义71.2 国外发展情况81.3 本设计研究的容和所做的工作8第2 章 方案论证92.1 系统总体设计92.1.1 系统的工作流程92.1.2 家用电热水器系统组成框图92.2 硬件方案论证102. 2.2温度检测传感器的选择112.2.3 传感器输出的放大电路的选择112.2.4 驱动与加热控制电路的选择122.2.5 电源电路的选择122.2.6 显示器的

2、选择122.2.7 键盘的选择13第3章 系统硬件设计133.1单片机系统的扩展原则143.2 单片机晶振电路153.3 电源电路183.4 键盘接口电路213.4.1 独立式按键输入设计213.4.2 键盘输入的抖动与去抖的方法223.5 温度传感器与放大电路设计233.6 温度检测电路233.6.1 温度检测电路设计233.6.2 过零检测电路的设计243.7 驱动电路的设计253.8 报警电路263.9 显示电路的设计263.10 时钟复位电路27第4章 系统软件设计274.1 主程序流程图274.2 显示扫描子程序294.3 加热控制子程序294.4 按键扫描处理子程序314.5 温度

3、检测子程序32第5章 单片机系统的硬件调试345.1 单片机系统等的硬件调试方法345.2 单片机应用系统硬件调试技巧 35第6章 系统软件控制程序编制和调试37第7章 硬件和软件综合调试与性能分析47总 结 与 展 望49参 考 文 献50单片机实现家用电热水器设计摘要随着人们生活水平的不断提高，单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的，其中家用电热水器就是一个典型的例子，但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、生活、提供更好的更方便的设施就需要从数单片机技术入手，一切向着数字化控制，智能化控制方向发展。 单片机 AT89C51具有功能强，体积小

4、，功耗低，价格便宜，工作可靠，使用方便等特点。所以在本设计中采用单片机 AT89C51作为控制器来控制电路。 本系统以单片机为核心，辅以键盘，显示电路，利用热敏电阻对热水器出口温度进行检测，将温度转换成频率，并将其反馈到单片机，用单片机测出频率大小，从而间接测出温度值，温度 /温度转换电路简单可靠，成本低廉。对于加热功率的控制，本文采用了双向可控硅控制，单片机通过光耦给可控硅触发信号，控制可控硅的导通角，从而控制电热丝的有效加热功率。为了在关机和超温保护的状态下能可靠地关断加热电源，电路中加入了继电器来控制加热电源。其中串联在继电器线圈回路的熔丝为 105时，热保险丝会熔断，防止加热管干烧。与

5、电热丝并联的 LED发光管用来指示电热丝的工作状态。关键字：单片机 温度 双向可控硅 继电器Abstract As people living standard rise ceaselessly, the single-chip microcomputer control is undoubtedly one of the goals of the people to pursue, it brings convenience is not negative, household electric water heater is a typical example of it, but the

6、 demand is higher and higher to modern work, scientific research, and provide a better life, the more convenient facilities need from several single-chip microcomputer, all toward digital control system, intelligent control direction. SCM AT89C51 has strong function, small volume, low power consumpt

7、ion, low price and reliable, easy to use. So in this design USES AT89C51 microcontroller as the controller to control circuit. This system based on singlechip, with the keyboard, using thermistors display circuit of water heater, will exit temperature, temperature and frequency convert their feedbac

8、k to measure frequency with single-chip microcontroller, size and indirect measure temperature, temperature/temperature circuit is simple, reliable, low cost. For heating power control, this paper adopts a two-way thyristor controlled by single chip computer controlled light-coupler to control thyri

9、stor trigger signal, the conduction angles, and the effective control of heating heating power. In order to protect the shutdown and overtemperature condition can be reliably shut off the power circuit joined to control the heating power. Relays, One of the series in relays for welding wire coil loo

10、p 105 °c, heat fuses will fuse, prevent heat pipe up. In parallel with the electric wire LED to work instructions resistanse wire working condition. Key words: SCM temperature bidirectional thyristor relays 第1章 绪 论1.1 选题目的和意义热水器是一种可供浴室，洗手间与厨房使用的家用电器。目前市场上热水器主要品种有：电热水器、太阳能热水器、燃气热水器；就中国的具体情况而言,太阳

11、能热水器作为一种绿色环保可再生能源，其开发和利用，因顺应中国的能源与环保政策，日益受到重视。加上日渐显现的全球能源危机，进一步加剧了太阳能热水器行业的发展。尽管前景光明，可因为太阳能热水器的能源利用率较低与它对建筑的诸多要求，使用受天气原因的限制 ,使用围狭窄，导致太阳能热水器行业的发展目前还存在很多障碍；燃气热水器由于以石油、天然气为燃料,而燃料供应量又难，且国家对其使用年限有规定，适合在低气价地区使用。以满足人们日益增长的需求，且不利于环境；随着人们生活水平的不断提高和电网供电能力的加强，越来越多的家庭选用电热水器，电热水器使用安全、卫生、又无污染。今后几年我国电热水器市场将呈现强劲增长势

12、头，其产品质量、技术水平、服务规将不断提升，价格也会下降。而且全国电网的改造、电的普与、电价的大幅度下调，以与用电设施的改善，均为电热水器的迅速普与提供了便利的条件。尤其三峡工程的建设、核电站的建设，更是为电热水器的推广和普与起到了助推剂的作用。电热水器对安装的要求也比较简单，它不受空间限制，可以因地制宜，可隐藏在壁柜中、阳台上，不外露、不占地。家用电热水器的问世是家用电热水器具领域一次新的进步，它具有使用安全、卫生、不受水压限制，随时可供热水，水温易调节等优点，弥补了其它热水器的不足，属传统型热水器的替代产品，是家庭、公用住宅、小型饭店、宾馆理想的配套服务设施。随着气价的上涨，电价的不断下降

13、。因此电热水器越来越受到消费者的青睐。相信今后几年中我国电热水器市场仍将会呈现强劲增长势头。1.2 国外发展情况家用电热水器在国外使用相当广泛，尤其是在欧美和东南亚地区。当前，热水器已经成为日常生活中不可缺少的家用电器，设计制造更实用、更方便、更安全、更节能的热水器是产品设计师和生产厂家不断追求的目标，它具有体积小，使用安全，安装方便等。前些年，家用电热水器产品在国市场上曾经出现过一段时间，由于当时国电力条件不成熟，对大功率的电产品一般无常使用，也没有好技术来保证其质量与安全，种种因素限制了其在国的发展。近几年来，随着人们生活水平的不断提高，国家电网改造和相关规定的出台，电力工业迅速发展，预示

14、了家用电热水器产品在国的广泛前景。根据国家住宅设计规（ GF500%-1999）现有商品住房的电器线路导线必须采用铜芯线，每套住宅进线截面积不小于 10mm2,分支引线不得小于 2.5m2，电表规格不得小于 20（40）A，所以现购新标准住宅用户，都有条件使用上述这种安全、家用电热水器，确保产品万无一失，安全系数达 100%，通过检测，快热式家用电热水器比传统的热水器可节省 40%的能耗，用多少热水加热多少，没有热水用不完时的浪费和使用中途热水供应不足的现象，热水利用率 100%，因为它既不需要提前预热，也不需保温，省去了大量的额外开支，给用户带来真正的实惠。即热式产品作为新型环保产品在我国广

15、泛使用已是大势所趋，符合现代消费潮流。一切迹象都在预示着快热式家用电热水器的春天就要来临了。 1.3 本设计研究的容和所做的工作（1）用 2位数码管显示出水温度，能显示设定功率档位。（2）温度测试显示围为 00-99，精度为± 1。（3）设置 3个功率档位指示灯，功率不同，显示亮的灯不同。（4）设置 3个轻触按钮，分别为电源开关键、 “+”键和“ -”键。后两者控制功率大小。（5）出水温度超过 65时停止加热，并蜂鸣报警，温度降至 45以下时恢复。（6）胆温度超过 105时停止加热，防止干烧。第2 章 方案论证2.1 系统总体设计2.1.1 系统的工作流程（1）接通电源（2）开启电热

16、水器（3）调节水量。 （4）调节功率（5）检测出水温度，判断是否继续加热.。（6）排水。2.1.2 家用电热水器系统组成框图图2-1-2 家用电热水器系统组成框图2.1.3 系统控制算法的设计 实验测试后建立的温度/频率表是0100c温度所对应的频率值。它是一个频率对应于温度递减的非线性函数，在c语言中用一个一维数组b101来表示，下标为温度，数组元素为频率值。计算温度采用高效、准确的二分查找法。过程如下：1）先给定查找的温度最大值Tm和最小值Ti，即确定查找的围，根据已有的温度表默认最大值Tm=100，最小值Ti=0。2）假定测的温度Te为最大值与最小值的中间值，即T e=（Tm+Ti）/2

17、3）将实际测的频率值T0rig与假定温度Te在表格中对应的频率Tabtemp相比较，如果相等，那么假定温度就是当前实际温度，即完成查找。4）若T0rig> Tabtemp，说明实际温度应该在Ti与Te之间，则修改查找围，令Tm=Te；同理，若T0rig<Tabtemp，说明实际温度应该在Te与Tm之间，则令Ti=Te；5）检查查找围，若Tm-Ti<=1,则判断T0rig更接近于最大值对应的频率TabTm还是最小值对应的频率TabTi，实际温度值取频率更接近的那个值既完成找。6）若Tm-Ti.>1则重复第2），3），4），5）步，直到查找完成。温度检测程序完成温度计算后，

18、便刷新系统当前温度寄存器，并判断有无超温、置位或清除相应的标志位。2.2 硬件方案论证 对于家用电热水器来说，硬件系统是它的最基本的框架，是系统的所有功能的丛础。硬件的选择和所选硬件的性能对系统的功能实现以与系统的精度都有直接的影响，系统的设计成功与否很大程度上取决于硬件系统的设汁。本系统硬件方案论证包括单片机、温度检测传感器、加热控制驱动电路、电源电路、与键盘和显示电路的选择。2.2.1 单片机的选择方案一：我们知道8031芯片部无ROM，需要外扩程序存储器,由此造成电路焊接的困难，况且使用8031还需要另外购买其他的芯片，如A/D转换与定时/计数器（PWM）等芯片，从而造成成本较高，不实用

19、。方案二：因为89C51芯片部有ROM，且片ROM全部采用Flash ROM，它能于3V的超低压工作，与MCS-51系列单片机完全兼容，由于89c51单片机成本低廉且工作可靠，采用12MH z的晶振， 需所以我们选择89C51作为系统微处理器。2. 2.2温度检测传感器的选择 温度检测的方法很多，有热点阻，热电偶，热敏电阻，还有专门的集成测温传感器等。方案一： 热电式传感器是将温度变化转化为电量变化的装置，它利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来达到测量目的。通常把被测温度的变化转换为敏感元件的电阻变化、电势的变化，再经过相应的测量电路输出电压或电流，然后由这些参数的变化来检测对象的温

20、度变化。热敏电阻具有灵敏度高、体积小、较稳定、制作简单、寿命长、易于维护、动态特性好等优点。但有变化率非线性，不适合测量高温区等缺点。方案二：温度/频率转化测温法，直接将温度信息转换成频率信号，用单片机测出频率的大小，从而间接测出温度值。方案三： 集成测温传感器如：DS18B20，直接将温度转换为数字信号传送给单片机。这种方法比较先进，本设计采用此方法。2.2.3传感器输出的放大电路的选择方案一：运算放大器LM324带有真差动输入的四运算放大器。该四放大器可以工作在低到3伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外

21、部偏置元件的必要性。它的性能特点是短跑保护输出、真差动输入级、底偏置电流为最大100mA、每封装含四个运算放大器、具有部补偿的功能、共模围扩展到负电源、行业标准的引脚排列、输入端具有静电保护功能。但用在本电路中接线较复杂，且价格昂贵所以不用。方案二： 采用74LS04作为输出放大电路的选择，它还可以作为驱动电路使用，74ls04是TTL电平反相器，使用较经济且性能也很理想，所以在本方案中采用。2.2.4驱动与加热控制电路的选择方案一： 若干不同功率的电热丝组合而成。但需要几组电热丝和继电器，成本增高且工作可靠性降低，所以不用。方案二： 通过一个继电器驱动，采用可控硅控制功率，能经受较高的功率，

22、所以可以设置较多的档位，成本大大降低可靠性较高，而且电路简单，所以本方案采用。2.2.5电源电路的选择方案一： 采用干电池，使用方便，安全可靠，但价格昂贵，且使用时间较短，所以不采用。方案二： 市电整流成+5v电压，由于89c51对电源要求不甚严格，市电来源方便，且经稳压管稳压也较可靠，较经济实惠。 本设计中采用了线性工作状态的线性集成稳压电源。2.2.6 显示器的选择LED数码管显示器可分为两种显示方式：静态显示和动态显示。方案一：LED数码管静态显示，多片七段译码器驱动显示，这不仅增加了成本，还需要占用单片机多个I/O口，也给电路的焊接带来一定的困难，因此不选用这种方案作为显示模块，所以排

23、除此方案。方案二：LED数码管显示器动态显示方式下，将所有位的段选线并联在起，由位选线控制哪位接收字段码。采用动态扫描显示，也就是在显示过中，轮流向各位送出字形码和相应的字位选择，同一时刻只有一位显示，其他各位熄灭。利用显示器的余晖和人眼的视觉暂留现象，只要每一位显示足够短，则人看到的就是无为数码管同时显示。在动态显示方式下电路设计简单，以采用。2.2.7 键盘的选择方案一： 键盘选用行列式键盘，行列式键盘的接口方法，直接接口于单片机的I/O口上。键盘设置在行、列线的交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接5V，被拉在高电平状态。但线路较复杂，价格较昂贵。不适用。方案二：独

24、立式按键是指直接用输入端口线构成的单个按键电路，常用于需要少量几个按键的计算机控制系统。每个独立式按键单独占用一根输入端口线，各键的工作状态不会相互影响。采用轻触式独立小按钮，即实用又方便，因为本电路对键盘的要求不高，所以采用这种方案。第3章 系统硬件设计家用电热水器控制系统电路（图3） 由八部分电路组成：电源电路、按键输入电路、温度检测电路、复位电路、 LED数码管与显示电路、报警电路和加热控制电路。 图3 家用电热水器控制系统电路图控制器采用成本低廉且工作可靠的 89C51或其兼容系列的单片机，采用 12MHz的晶振。 3.1单片机系统的扩展原则一个单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分容

25、：一是系统扩展，即单片机部的功能单元，如 ROM、RAM、I/O、定时器 /计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、 A/D、D/A转换器等，要设计合适的接口电路。系统的扩展和配置应遵循以下原则： （1）尽可能选择典型电路，并符合单片机常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。 （2）系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求，并留有适当余地，以便进行二次开发。 （3）硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的

26、原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实殃，以简化硬件结构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，一般响应时间比硬件实现长，且占用 CPU时间。 （4）系统中的相关器件要尽可能做到性能匹配。如选用 CMOS芯片单片机构成低功耗系统时，系统中所有芯片都应尽可能选择低功耗产品。 （5）可靠性与抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分，它包括芯片、器件选择、去耦滤波、印刷电路板布线、通道隔离等。 （6）单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作不可靠，可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载。 （7）尽量朝“单片”方向设计硬件系统。系统器件越多，器件之间相互干扰也越强

27、，功耗也增大，也不可避免地降低了系统的稳定性。随着单片机片集成的功能越来越强，真正的片上系统 SoC已经可以实现，如 ST公司新近推出的 PSD32××系列产品在一块芯片上集成了 80C32核、大容量 FLASH存储器、SRAM、A/D、I/O、两个串口、看门狗、上电复位电路等。3.2 单片机晶振电路在整个单片机控制系统中，CPU既是运算处理中心，又是控制中心，是控制系统中最关键的器件。此系统控制方案简单，数据量也不大，因此选用AT89C51作为控制系统的主机。AT89C51有40引脚双列直插（DIP）形式。其与80C51引脚结构基本一样，其逻辑引脚图如图3-2。图3-2

28、AT89C51逻辑引脚图各引脚功能叙述如下：1电源和晶振VCC运行和程序校验时加+5VGND接地XTAL1输入到振荡器的反向放大器XTAL2反向放大器的输出，输入到部时钟发生器（当使用外部振荡器时，XTAL1接地，XTAL2接收振荡器信号）RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据

29、存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。2I/O（4个口，32根）P0口8位、漏极开路的双向I/O口。当使用片外存储器（ROM、RAM）时，作地址和数据分时复用。在程序校验期间，输出指令字节（需加外部上拉电路）。P0口（作为总线时）能驱动8个LSTTL负载。P1口8位、准双向I/O口。在编程/校验期间，用于输入低位字节地址。P1口可驱动4个LSTTL负载。对于80C51，P1.0T2，是定时器的计数端且位输入；P1.1T2EX，是定时器的外部输入端。这时，读两个特殊输

30、入引脚的输出锁存器应由程序置1。P2口8位、准双向I/O口。当使用片外存储器（ROM与RAM）时，输出高8位地址。在编程/校验期间，接收高位字节地址。P2口可以驱动4个LSTTL负载。P3口8位、准双向I/O口，具有部上拉电路。P3口提供各种替代功能。在提供这些功能时，其输出锁存器应由程序置1。P3口可以输入/输出4个LSTTL负载。3串行口P3.0RXD（串行输入口），输入。P3.1TXD（串行输出口），输出。4中断P3.2INT0外部中断0，输入。P3.3INT1外部中断1，输入。5定时器/计数器P3.4T0定时器/计数器0的外部输入，输入。P3.5T1定时器/计数器1的外部输入，输入。6

31、数据存储器选通P3.6WR低电平有效，输出，片外存储器写选通。P3.7RD低电平有效，输出，片外存储器读选通。7控制线(共4根)输入：RST复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。EA/Vpp片外程序存储器访问允许信号，低电平有效。在编程时，其上施加21V的编程电压。注意：在加密方式1时，EA将部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。输入、输出：ALE/PROG地址锁存允许信号，输出。ALE以1/6的振荡频率稳定速率输出，可用作对外输出的时钟或用于定时。在EPROM编程期间，作输入

32、，输入编程脉冲（PROG）。ALE可以驱动8个LSTTL负载。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。注意：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。输出：PSEN片外程序存储器选通信号，低电平有效。在从片外程序存储器

33、取址期间，在每个机器周期中，当PSEN有效时，程序存储器的容被送上P0口（数据总线）。PSEN可以驱动8个LSTTL负载。3.3 电源电路电源电路按元件类型可分为电子管稳压电路、三极管稳压电路、可控硅稳压电路、集成稳压电路等。根据调整元件与连接方法，可分为并联型和串联型；根据调整元件工作状态不同，可分为线性和开关稳压电路。本设计中采用了线性工作状态的线性集成稳压电源。直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路与稳压电路所组成，设计框图：电源变压器整流滤波电路稳压电路输入电压U1输出电压U2图3-3 直流稳压电源各部分简介：（1）电源变压器电源变压器作用是将电网220V的交流电压V1变换成整流滤

34、波电路所需的交流电压V2。变压器副边与原边的功率比P2/P1=，式中为变压器的效率。（2）整流滤波电路整流电路将交流电压变成单向脉动的直流电压。滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成份，合之成为平滑的直流电压。常用的整流电路有全波整流电路、半波整流电路、桥式整流电路与倍压整流电路。小功率直流电源因功率比较小，通常采用单相交流供电。由于桥式整流电路克服了半波整流的缺点，在桥式整流电路中，由于每两只二极管只导通半个周期，故流过每个二极管的平均电流仅为负载电流的一半，与半波整流电路相比较，其输出电压提高，脉动成分减少。整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。为

35、了获得平滑的直流电压，应在整流电路的后面加接滤波电路，以滤去交流成分。滤波电路常见的有电容滤波电路、电感滤波电路与型滤波电路。本设计采用电容滤波电路。电容滤波电路主要利用电容两端电压不能突变的特性，使负载电压波形平滑，故电容应与负载并联。桥式整流电路带电阻负载时的输出直流电压U0=0.9V，接上电容滤波后，空载时的输出直流电压U0=UC=U2。所以，接上负载时的桥式整流电容滤波电路的输出电压介于上述两者之间，其大小与放电时间常数RLC有关，RLC越大，U0越大。（3）稳压电路稳压电路的作用是当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。由于三端式稳压器只有三个引出端子，具有

36、应用时外接元件少、使用方便、性能稳定、价格低廉等优点，因而广泛应用。三端式稳压器有两种，一种称为固定输出三端稳压器，另一种称为可调输出三端稳压器。它们的基本组成与工作原理都一样，均采用串联型稳压电路。（4）三端固定输出集成稳压器通用产品有CW7800T系列和CW7900系列。正压系列：CW7800系列，该系列稳压块有过流、过热和调整管工作保护，以防过载而损坏。一般不需要接元件即可工作，有时为改善性能也会加少量元件。负压系列：CW7900系列与CW7800系列相比，除了输出电压极性、引脚定义不同外，其它特点都一样。 (5)稳压电源的技术指标分为两种：一是特性指标，包括允许的输入电压、输出电压、输

37、出电流与输出电压调节围等；另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整流器率）、输出电阻、温度系数与纹波电压等。（6）电路目的：给单片机与其他控制电路提供电源。电源设计是电路设计很重要关节。它的稳定与否涉与到电路是否能稳定工作。按要求需要一个+5V电压，一个+12V左右可调电压。于是采用可调压芯片LM317，它是稳压芯片。LM317是三端稳压集成电路，最大输出电流为2.2A，输出电压围为1.25V37V。它具有输出电压可变、藏保护功能、体积小、性价比高、工作稳定可靠等特点。用它制作输出电压可变稳压电源，调节可变电阻R2，便可从LM317输出端获得UO(可变输出电压

38、)。从电路中可以看出，LM317的输出电压(也就是稳压电源的输出电压)U0为两个电压之和，也就是R1两端电压与R2两端电压之和。而IR2实际上是两路电流之和，一路是经R1流向R2的电流IRI，其大小为URI/Rl。因URI为恒定电压1.25V，Rl是一个固定电阻，小于240欧姆。所以IRl是一个恒定的电流。另一路是LM317调整端流出的电流ID，ID的平均值是50A左右，最大值一般不超过100A。而且在LM317稳定工作时，ID的值基本上是一个恒定的值。调节R2阻值即可调节LM317输出电压UO。既然ID和IRl对调节输出电压UO都起到了一定作用，并且IR1是由R1提供，IRI大小也没有任何限

39、制，LM317输出电压服从1.25+IDR2=UO关系。 可调稳压电路原理图如图3-3-1所示。图3-3-1 可调稳压电路原理图+5V电压也是利用三端稳压集成电路得到的，采用7805芯片。其用法和LM317差别不大，如下图所示。LM7805的1端是电源的输入端，3端是输出端，2端是接地端。图3-3-2 7805三端稳压电源电路3.4 键盘接口电路3.4.1 独立式按键输入设计AT89C51P1.0P1.1P1.2ABC+5V图3-4-1 独立式按键本毕业设计的按键采用独立式按键，是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的

40、状态。独立式按键的典型应用如图： 图3-4-2 七段数码管按键输入均采用低电平有效，此外，上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线有确定的高电平。当I/O口线部有上拉电阻时，外电路不可接上拉电阻。独立式按键的软件常采用查询式结构。先逐位查询每根I/O口线的输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序，具体编程见程序清单。3.4.2 键盘输入的抖动与去抖的方法键盘扫描，从按下键盘到检测到有电压变化，这段时间在实际中存在一定的时间误差，经过这段时间误差后电压才会达到单片能够检测到的围，但这期间单片机很有可能已经完成检测，见图3-4-3

41、所示。图3-4-3 抖动示意图如果不去除抖动的话，人们手指按下的瞬间单片机已经开始检测，这时电压还未降到稳定闭合状态所以不能检测到按下，同理不管是按下，还是是松手都会有这样的情况出现，不利于操作，所以应该加入去抖操作，图中右侧是硬件去除抖动，除了硬件去抖以外还可以利用软件去抖。在本设计中采用软件去抖的方法，原理是检测两次，第一次检测到低电平时延时一段时间，再检测一次，如果还能检测到低电平，则说明确实有键按下。具体程序如下： while(temp!=0xf0)delay(5);P3=0xfd;temp=P3;temp=temp&0xf0;while(temp!=0xf0)上述程序是两个w

42、hile循环之间的嵌套，第一个while（）语句判断有键按下后，延时一段时间再进行判断，如果第二次判断也认为由键按下，则可以确认的确由键盘操作，并不是抖动。具体按下后的操作可以在后一个while循环中书写。3.5 温度传感器与放大电路设计温度/频率变换电路由多谐振荡器组成，R24是一个热敏电阻，当温度变化是引起它的阻值变化，因而电流发生变化，从而振荡器的输出频率发生变化，所以通过频率值可以求得温度值。它的电路如图3-5所示：图3-5 温度传感器与放大电路3.6 温度检测电路3.6.1 温度检测电路设计本设计采用温度传感器DS18B20采集电热水器的实时温度, 提供给AT89C51GND9DQ8

43、VDD7DS18B20P3.3AT89C51VCCR5.7KVCC的P3.2口作为数据输入。在本次设计中我们所控的对象为水温。 其电路原理框图如下：图3-6-1 温度检测电路DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO92小体积封装形式；温度测量围为55125,可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，支持3V5.5V的电压围，使系统设计更灵活、方便；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用

44、微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。分辨率设定，与用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20使电压、特性有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。如图2所示DS18B20的2脚DQ为数字信号输入/输出端；1脚GND为电源地；3脚VDD为外接供电电源输入端。当传感器工作时，如果水温超过60，将温度传给单片机，蜂鸣器报警，并断电；如果水温低于30，热水器开始工作，加热指示灯亮。3.6.2 过零检测电路的设计 此电路应用三极管的通断来引发输出脉冲的有无，每当三极管接通时电路输出一个正的脉冲，

45、而当三级管截止时不输出脉冲，以此来控制双向晶闸管的导通。它的电路如图3-6-2所示：图3-6-2过零检测电路3.7 驱动电路的设计加热控制驱动电路：通过光耦二极管来控制加热丝的导通，而加热电阻通过发光二极管来显示加热于否，当加热时二极管发光，而不加热时二极管不发光，其中利用热继电器来控制电路的通断，当通电时它的常开触头闭合，电路接通，电热丝加热，否则电路断开。它的熔断丝选为110度的热保险丝，控制加热温度。电路如图3-7所示：图3-7 加热控制驱动电路图3.8 报警电路热水器工作环境潮湿，为了保证使用者安全，控制器应具备漏电检测功能。在正常情况下，流过磁环的电流大小相等，方向相反，磁环检测线圈

46、无感应电流信号，漏电检测集成电路输出低电平。当出现漏电电流时，由于流过磁环的电流不平衡，于是磁环检测线圈感应出漏电信号，经集成电路M54123L放大输出高电平，经三极管倒相后输出至单片机。单片机接收到漏电信号，则停止加热、保温与键盘操作，结束程序并发出报警信号，蜂鸣器连续呜响。在漏电保护与自检不合格情况下，只有关闭电源与排除故障后，重新接通电源才能工作。报警电路，电路图如图3-8所示：R6R3R4U1BELLD1YELLOWQ1NPN-12VP2.0(A8)21AT89C51图3-8 报警电路3.9 显示电路的设计数码管显示电路的设计是采用双向共阳极串行接口电路，用来显示加热档位，直观性更强。

47、它的电路图如图3-9所示：图3-9 显示电路3.10 时钟复位电路时钟复位电路见图3-10所示，RET连接单片机的RESET接口，主要完成单片机的复位功能。图3-10 时钟复位电路第4章 系统软件设计 单片机家用电热水器的设计主要包括主程序、显示扫描、按键扫描子程序、加热控制子程序和温度检测子程序。要想实现预设计的功能软件的设计至关重要，应认真考虑。4.1 主程序流程图系统在上电复位后，先对温度寄存器、档位寄存器赋默认值，并进行清除超温标志，设置定时器与中断系统的工作方式等初始化工作。由于51系统单片机没有停机指令，所以可以利用主程序设置死循环反复运行各个任务。把有实时要求的子程序（显示扫描、

48、按键扫描、加热控制）约占用5msCPU时间，运行测温子程序的时间间隔为0.5s，那么循环次数应为100次。 主程序流程图如图 4-1所示：图 4-1 主程序流程图4.2 显示扫描子程序显示扫描子程序完成两位共阳数码管的扫描显示任务。下图即为显示扫描子程序流程图如图4-2所示：图4-2 显示扫描子程序4.3 加热控制子程序 加热控制程序根据用户设定的加热档位和系统当前的状态，决定是否加热和控制加热的功率并点亮相应的指示灯，若有超温标志，还应打开蜂鸣器报警。图4-3所示为加热控制程序流程图。加热控制程序通过控制继电器的通断来决定是否给电热丝通过加热，而加热的功率大小则由双向可控硅的导通角决定。系统

49、程序利用外中断INT1检测市电的过零点，检测到过零点后，立即根据设定的加热档位给定时器T1赋一个延时参数，并打开定时器T1，允许其中断。当定时器T1计满益出后触发中断，T1中断程序就会给可控硅发一个触发信号，使其导通。图4-3-1和4-3-2所示分别为过零检测程序流程图和可控硅触发信号控制程序流程图。 图4-3 加热控制程序流程图图4-3-1 过零检测程序流程图图4-3-2 可控硅触发信号控制程序流程图4.4 按键扫描处理子程序按键扫描子程序负责逐个扫描档位+键、-键和开关键是否被按下，若有键被按下，则作出相应处理。按键扫描处理子程序流程图如4-4所示：图4-4 按键扫描处理子程序流程图4.5

50、 温度检测子程序 温度检测程序的基本原理就是将温度/频率转换电路测得的频率与事先建立好的温度/频率表进行比较，查找出与该频率相应的温度值。在实验测试后建立的温度/频率表是0100温度所对应的频率值。它是一个频率对应于温度递减的非线性函数，在C语言中用一个一维数组Tab101来表示，下标为温度，数组元素为频率值。计算温度的方法采用高效、准确的二分法查表，查表的过程如下： （一）先给定查找的温度最大值Tmax和最小值Tmin，即查找的围，根据已有的温度表默认最大值Tmax=100，最小值Tmin=0。（二）假定测得温度Temp为最大值与最小值饿中间值，即Temp=（Tmax+Tmin）/2。（三）

51、将实际测得的频率值T0rig与假定温度Temp在表格中对应的频率Tabtemp相比较，如果相等，那么假定温度就是当前实际温度，即完成查找。（四）若T0rigTabtemp，说明实际温度应该在Tmin与Temp之间（因为递减函数特性），则修改查找围，令Tmax=Temp；同理，若T0rigTabtemp，说明实际温度应该在Temp与Tmax之间，则令Tmin=Temp；（五）检测查找围，若Tmax-Tmin1，则判断T0rig更接近最大值对应的频率TabTmax还是最小值对应的频率TabTmin，实际温度值取频率更接近的那个值即完成查找。（六）若Tmax-Tmin1，则重复以上步骤、直到完成查找

52、。温度检测程序完成温度计算后，便刷新系统当前温度寄存器，并判断有无超温、置位或清除相应的标志位。图4-5所示为温度检测程序流程图。单片机使用外中断INT0和计时器T0检测输入频率的大小。为了减少测量的系统误差相对值和随机误差对测量精度的影响，程序中取100个方波周期的和作为检测结果。程序中使用静态变量px0count进行外中断的计数，在测量开始时，给px0count赋值2是为了让频率测量有准确的起点。另外，为了区分测频的开始和结束，还使用了测频开始标志位T0tst和测频完成标志位Testok.图4-5-1所示为频率测试程序流程图。图4-5 温度检测子程序流程图图4-5-1频率测试程序流程图第5

53、章 单片机系统的硬件调试5.1 单片机系统等的硬件调试方法1.焊接的顺序问题。焊接的顺序很重要，按功能划分的器件进行焊接，顺序是：功能部件的焊接-调试(OK)-另一功能部件的焊接，这样容易找到问题的所在。如果在调试按功能划分的器件上出现问题，可以按以下步骤进行： 1）检查原理图连接是否正确 2）检查原理图与PCB图是否一致 3）检查原理图与器件的DATASHEET上引脚是否一致 4）用万用表检查是否有虚焊，引脚短路现象 5）查询器件的DATASHEET，分析一下时序是否一致，同时分析一下命令字是否正确 6）有条件的可以用示波器。通过示波器对SRAM各个引脚进行检查，发现无信号的线，找到问题所在

54、。 7）飞线。用别的的口线进行控制，看看能不能对其进行正常操作，多试验，找到问题所在。3、多观察，多思考。在调试过程中，对于出现的任何现象都不要放过，问题的解决就是从一些小的现象入手的。4、有可能的情况下，最好焊两块板子以上，这样才好有个比较，硬件上很小的问题有很多时候是很难发现的。5、软件的调试要和硬件配合进行，往往问题可能不是硬件上的。5.2 单片机应用系统硬件调试技巧 在单片机开发过程中，从硬件设计到软件设计几乎是开发者针对本系统特点亲自完成的。这样虽然可以降低系统成本，提高系统的适应性，但是每个系统的调试占去了总开发时间的23，可见调试的工作量比较大。单片机系统的硬件调试和软件调试是不能分开的，许多硬件错误是在软件调试中被发现和纠正的。但通常是先排除明显的硬件故障以后，再和软件结合起来调试以进一步排除故障。可见硬件的调试是基础，如果硬件调试不通过，软件设计则是无从做起。本节讨论硬件调试的技巧。当硬件设计从布线到焊接安装完成之后，就开始进入硬件调试阶段，调试大体分为以下几步。 1.硬件静态的调试  （1） 排除逻辑故障这类故障往往由于设计和加工制板过程中工艺性错误所造成的。主要包括错线、开路、短路。排除的方法是首先