基于单片机的电热水壶控制系统的设计

1、基于单片机的电热水壶控制系统的设计摘要本论文设计介绍了 MCS-51 系列单片机为控制芯片，对电热水壶工作进行控制的方法。通过电加热电路对水进行加热，并对水的温度进行采样，采样信号通过 ADC0809 将数字量送入单片机系统，经微机处理后，结合键盘控制实现 LED 显示，并可实现对水的温度的控制和超过水温的报警系统。单片机控制热水壶的硬件构成包括 8051 芯片、8255 芯片、地址锁存器等组成的单片机控制电路、温度检测电路、A/D 转换电路、光电隔离电路、键盘及显示电路和温度加热电路。整个系统的关键电路是单片机控制电路，完成信号的输入和输出的转换，即可将温度检测电路采样的输入信号通过 A/D

2、 转换器 ADC0809 进行处理加工后输出到显示器进行显示，并可以通过控制器控制温度，同时当水加热超过指定的温度以后，蜂鸣器工作报警。关键字关键字 ：单片机；温度控制；控制器Based on the single chip microcomputer control system design of electric heating kettleAbstractThe thesis introducts the method of use the series of MCS-51 one-chip computer which is the control chip to control t

3、he work of kettle heat with electric energy. Through electric heated circle, the water will be heated, then sample the temperature of the water. The sampling signal will set the mimic to the system of single chip computer through ADC0809, after is processed by the computer and controlled by the keyb

4、oard, it will be showed by LED monitor, at the same time, the system can control the temperature beyond the setting, the system of alarm will run.The hardware of the one-chip computer controls the thermos which includes 8051 chips, 8255 chips, one-chip computer control circuit that address latch,etc

5、. make up temperature-measure circuit , circuit is changes by A/D, light-electricity and isolation circuit, keyboard and shows circuit、temperature heated circuit .The key circuit of the whole system is a control circuit of one-chip computer, finish the input and output of the signal conversion, can

6、measure temperature sampled signal of input circuit which will deal with after processing then set to display and show to go on to outputting through A/D converter ADC0809, and can control the temperature through the keyboard, after heating and exceeding designated temperature in water, at the same

7、time, the buzzer is sound so as to alarm.Key words: one-chip computer; temperature control; controller目目 录录摘要摘要.IAbstract.II1 1 绪论绪论.11.1 电热水壶选题目的.11.2 电热水壶的研究意义.11.3 电热水壶的发展现状.11.4 电热水壶的设计方法.22 2 热水壶控制系统总体概述热水壶控制系统总体概述.32.1 热水壶的设计方案.32.2 MCS-51 单片机控制系统的总体介绍.32.3 总体方案论证 .43 3 电热水壶控制系统的硬件设计电热水壶控制系统的硬

8、件设计.53.1 温度检测电路和 A/D 转换器的电路.53.1.1 AD590 温度传感器概述.53.1.2 温度检测电路.63.1.3 A/D 转换器电路原理和电路接口图.73.2 单片机 8051 芯片介绍和主要电路.93.2.1 MCS-51 单片微机 8051 引脚介绍和接口电路.93.2.2 振荡电路和时钟电路.113.2.3 单片机的复位电路.123.2.4 中断优先级 .133.2.5 74LS373 地址锁存器芯片介绍.143.3 8255 输出口扩展.153.3.1 8255 的引脚介绍.153.3.2 8255 与 8051 的外部接口电路.163.4 单片机的抗干扰电路

9、.173.4.1 光电隔离抗干扰的简介.173.4.2 光电隔离器的原理电路.183.4.3 光电隔离的电路.183.5 键盘及显示电路.193.5.1 键盘输入特点.193.5.2 按键接口电路的消抖措施.203.5.3 矩阵键盘的概述.213.5.4 LED 显示原理及显示方式.223.5.5 系统应用 .243.6 加热电路和报警装置.243.6.1 加热电路 .243.6.2 报警装置 .254 4 单片机的软件设计单片机的软件设计.264.1 总的程序设计框图.264.2 8255 的程序设计.264.2.1 8255 的程序的初始化.264.2.2 对端口 C 的置位/复位.274

10、.3 键盘和显示接口电路程序设计.274.3.1 键盘和显示器的程序设计.27结论结论.29致谢.30参考文献.31附录.32基于单片机的电热水壶控制系统的设计1 绪论1.1 电热水壶选题目的由于以前的电热水壶没有水温控制控制系统，接通电源就一直加热。电热水壶长时间作业无人看管很危险容易发生火灾还造成电能的浪费。对于常规的电热水壶，只要接通电源，就开始加热，直到水沸腾后通过蒸汽来产生声音报警。如水壶中没水，电源误接通时也会一直加热，容易引起事故。当只需要加热到沸点以下某一温度时，不能及时给出声音报警信号。没有水温控制系统的电热水壶加热开水时水加热沸腾后不能自动停止工作，需要人的看管，使用起来很

11、不方便。一旦忘记就有发生水壶烧干烧坏的可能，严重的话还有可能发生火灾造成严重的经济损失。使人们用起来很不方便，近几年带温控系统的电热水壶发展很快，所以研究基于单片机电热水壶水温控制系统这个课题1。1.2 电热水壶的研究意义选择基于单片机电热水壶水温控制系统这个课题，可以更好的让我认识带温控的电热水壶的发展，知道电热水壶的发展现状。随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平。以及各种新技术应用在电热水壶上。温度控制是无论是在工业生产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用，过低的温度或过高的温度都会使

12、水资源失去应有的作用，从而造成水资源的巨大浪费。特别是在当前全球水资源极度缺乏的情况下，我们更应该掌握好对水温的控制，把身边的水资源好好地利用起来。此外，电热水壶已经走进千家万户，做这样一个设计，不仅可以检验自己的专业课理论水平和动手实践能力，其产品也具有一定的市场前景2。1.3 电热水壶的发展现状电热水壶在我国已有二三十年的历史，直到近几年，电热水壶才经历了较大的更新换代，采用集温控、防干烧、超温保护等功能于一体的加热装置，产品安全性大大提高，且使用方便性也进一步提高。由于需求旺盛，电热水壶产品也出现了很多新的型式，例如壶身和电源底座可以相互分离，壶身可 360 度旋转，可以从任意方向取放的

13、无线水壶；无线水壶中又有发热管为隐藏式，加热方式为电磁涡流式，以及功能上更加贴近喝茶使用的泡茶壶等新型产品。近些年，电水壶厂家将自己列为水家电产品厂家，之所以在行业中有这样的转变，不仅因为电水壶厂家生产的产品切切实实与水有关的产品，还有一个重要原因是，电水壶厂家不单单将水加热，还有将水进行过滤。之所以把这个功能加进来，是因为考虑到现在的水污染问题比较严重，自来水里存在着除不掉的重金属、农药等残留物，及漂白粉本身的味道。还有北方地下比较硬，容易结水垢，带有；净水功能的电水壶是在里面加了一个滤芯，可将其中的重金属，农药残留物滤掉，让消费者能够饮用到更加健康的水。从功能上来看，带有净水功能的电水壶可

14、以避免饮水机最为头痛的二次污染司题。1.4 电热水壶的设计方法MCS-51 系列单片微机具有很强的功能，使用范围广，既可构成功能很强的复杂系统，也可组成较简单的应用系统3。目前，单片机在家电，工业生产等领域的应用非常广泛，为了适应不同产品对单片机的不同要求，半导体生产厂家生产出了各种规格的单片机。本文介绍了一种以 MCS-51系列单片机为控制芯片，对电热水壶工作进行控制的方法。温度检测电路由热电偶、运算放大器，温度传感器 AD590 等组成，直接输出电流（1A/K）经运算放大器 LM358 进行 I/V 转化后，可得到电压输出，输出电压为100mV/，经 A/D 转换通道送到微处理器中。A/D

15、 转换一般都设置在前向通道中，它将外界输入的模拟信号转换成计算机数据总线能接受的数字量。工程上常用的隔离方法有光电隔离器、变压器、继电器和集成组件等，而光电隔离器有独特优点得到广泛应用4。由于该器件是通过电光电这种转换来实现对输出设备进行控制的，彼此之间没有电气连接，因而起到隔离作用，隔离电压与光电隔离器的结构有关。2 热水壶控制系统总体概述2.1 热水壶的设计方案对于常规的电热水壶，只要接通电源，就开始加热，直到水沸腾后通过蒸汽来产生声音报警5。这种设计有下面几个方面的不足：（1） 如水壶中没水，电源误接通时也会一直加热，容易引起事故。（2） 当只需要加热到沸点以下某一温度时，不能及时给出声

16、音报警信号。（3） 当水加热沸腾后不能自动停止工作。针对以上不足，在本设计方案中，用 MC-51 单片机作为控制芯片，管理整个电热水壶的工作情况，构成了一个闭环控制系统，而且增加了三个按键和六位数码管显示。它的工作情况和常规的热水壶相比，有下面几个方面的特点6：（1） 有三个按键，可用来设置希望加热到的温度即报警的温度。上电复位后，设置温度初值为 20 度，每按一下按键，温度设置值就会增加 1 度，整个温度设置值在 20100 度之间循环。（2） 这个按键还具有启动电热水壶开始工作的作用。当每次电源接通后，只有按键按下过之后，电热水壶才开始加热，这样，可以防止电源误接通时电热水壶一直加热，引发

17、事故。（3） 当加热到设置温度时，单片机会控制停止加热，并通过蜂鸣器给出声音提示。（4） 三位数码管在设置温度操作时显示当前设置的温度，另三位数码管其余时间实时显示电热水壶中水的实际温度。2.2 MCS-51 单片机控制系统的总体介绍单片机控制热水壶的硬件构成包括 8051 芯片、8255 芯片、地址锁存器等组成的单片机控制电路、温度检测电路、A/D 转换电路、光电隔离电路、键盘及显示电路和温度加热电路。整个系统的关键电路是单片机控制电路，是整个控制的核心，完成信号的输入和输出的转换，即可将温度检测电路采样的输入的信号通过 A/D 转换器 ADC0809 进行处理加工后输出到显示器进行显示，并

18、可以通过键盘对温度进行控制，如此同时当水加热超过指定的温度以后，蜂鸣器工作报警，并对其中部分电路编制子程序，以及相应的软件设计，硬件设计的总电路连接框图如下图 2-1 所示。图图 2-1 硬件设计的总电路连接框图硬件设计的总电路连接框图2.3 总体方案论证本题目是设计制作一个水温控制系统，要求能在 20-100范围内设定控制水温，并具有较好的快速性和较小的超调，以及 LED 显示等功能。根据题目的要求，我们提出了以下的两种方案：方案 1：此方案是采用传统的二位模拟控制方法，选用模拟电路，用电位器设定给定值，采用上下限比较电路将反馈的温度值与给定的温度值比较后，决定加热或者不加热。由于采用模拟控

19、制方式，系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法使控制精度做得教高，而且不能用数码显示和键盘设定。方案 2：采用单片机 8051 为核心。采用了温度传感器 AD590 采集温度变化信号，A/D 采样芯片将其转换成数字信号并通过单片机处理后去控制温度，使其达到稳定。使用单片机具有编程灵活，控制简单的优点，使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。比较上述两种方案，方案 2 明显的改善了方案 1 缺点，并具有控制简单、控制温度精度高的特点，因此本设计电路采用方案 2。3 电热水壶控制系统的硬件设计3.1 温度检测电路和 A/D 转换器的电

20、路3.1.1 AD590 温度传感器概述AD590 是一种二端式的集成温度传感器，引脚图如图 3-1 所示。图图 3-1 AD590 引脚图引脚图其主要技术参数有7：（1） 测温范围为-55+150。（2） 工作电压为+4+30V，由于 AD590 是一种恒流源形式的温度传感器，只需在其二端加上一定工作电压则其输出电流随温度变化而变化，其线性电流输出为 1A/，即温度每变化 1，其输出电流变化 1A；它以热力学温标零点作为零输出点，因此在25时，其输出电流为 298.2A。（3） 精度：经过激光平衡调整，AD590 的校准精度可达+和-0.5，全温区范围线性度可达+和-0.3（AD590M）当

21、其在 10温区范围内校正后测量，精度可达+和-0.1，在全温区范围内（-55+145）使用，精度也可高达+-1。由于 AD590 是一种电流型的温度传感器，因此具有较强的抗干扰能力，适用于计算机进行远距离温度测量和控制，远距离信号传递时，可采用一般的双绞线来完成，其电阻比较大，因此不需要精密电源对其供电，长导线上的压降一般不影响测量精度；不需要温度补偿和专门的线性电路。3.1.2 温度检测电路在介绍温度检测电路之前，首先要说明一下电源转换电路。电压经过四个二极管两两导通整流滤波后，再经过电压转换芯片 7805 就可以将原来交流 220V 的电压转换成直流电压为+5V，即可以得到报警电路和温度检

22、测电路所需要的电压值，电源转换电路如图3-2 所示5。图图 3-2 电源转换电路电源转换电路温度检测电路由温度传感器 AD590 等组成，直接输出电流 1A/K，输出电压为100mV/，经运算放大器 LM358 进行 I/V 转化后，再经 A/D 转换通道送到微处理器中，R6、R5、R2 用于相互配合调节温度测量的满刻度值，温度检测电路如图 3-3 所示。图图 3-3 温度检测电路温度检测电路当传感器 AD590 所处温区发生 1的温度变化时，流过其所在回路的电流即产生1A 的变化，则其输出电压的变化为： V0=1A/*100K=100mV/ （3-1）AD590 的输出电流值说明如下：其输出

23、电流是以绝对温度零度(-273)为基准,每增加 1,它会增加 1A 输出电流,因此在室温 25时,其输出电流 Io=(273+25)=298A。Vo 的值为 Io 乘上 10K,以室温25而言,输出值为 2.98V(10K298A)。量测 Vo 时,不可分出任何电流,否则量测值会不准。AD590 的输出电流 I=(273+T)A(T 为摄氏温度),因此量测的电压 V 为(273+T)A 10K= (2.73+T/100)V8。在本论文中通过温度集成器 AD590 对外部-55+150范围内的温度进行采样，在AD590 的两端分别接地和接电源，得到一定的压差，因此会得到相应的工作电压，其输出电流

24、会随温度变化而变化。电流 1A/K 其输出电压为 100mV/，经运算放大器LM358 进行 I/V 转化后，再送入 A/D 转换电路中进行模数转换，经过微处理器处理即可送到 LED 显示器显示温度。3.1.3 A/D 转换器电路原理和电路接口图A/D 转换一般都设置在前向通道中，它将外界输入的模拟信号转换成计算机数据总线能接受的数字量。在前向通道必须配置 A/D 转换电路时，首先考虑的是能否选用带有A/D 的单片机，本论文中无法选择单片机片内有 A/D 部件，则必须在前向通道中配置A/D 接口。要选择好的 A/D 转换器芯片，选择 A/D 转换芯片的原则从转换精度、转换速度、模拟信号输入通道

25、数以及成本、供货来源等全面考虑。选择不同的 A/D 转换芯片，与单片机的接口电路要求不同，必须依芯片对控制电路的要求设置，接口电路必须满足这些要求。一般来说，A/D 转换芯片输入的模拟电压都有规定的要求，如0+5V，0+10V，0+2V 等，因此要考虑到传感器输出信号与之匹配9。（1） A/D 转换器的引脚说明：ADC0809 是 CMOS 集成电路 8 位单片 A/D 转换器，其引脚图如图 3-4 所示。双列直插 28 引脚封装。片内有 8 路模拟开关、模拟开关的地址锁存与译码电路、比较器 、256R 电阻 T 型网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器 SAR、三态输出锁存，缓冲器、控制与时序电

26、路等。图图 3-4 ADC0809 引脚图引脚图IN0IN7：8 路输入通道的模拟量输入端。A、B、C 口：8 路模拟开关的三位地址输入端，用来选择 8 路模拟输入的一路进行A/D 转换。 ALE：地址锁存允许。ALE 有效将三位地址 A、B、C 锁存到地址锁存器中。START：为启动控制输入端。它与 ALE 可以接在一起，当通过程序加上一个正脉冲便立即开始 A/D 转换。EOC：转换结束信号输出端，高电平有效。在此输出端供给一个有效信号则打开三态输出锁存缓冲器，把转换后的结果送至外部数据线。COLCK：时钟输入端。CLOCK 为 600kHZ 时，转换时间位 100us。D0D7：8 位数字

27、输出段。Vcc: 电源输入端。GND：接地端。（2） A/D 转换的连接电路及应用由图 3-5 所示，可以看出 ADC0809 时钟 CLK 由 8051ALE 信号提供，ALE 信号频率为 f/6。用地址线低 8 位 A0、A1、A2（P0.0P0.2）接 0809 的 A、B、C 三端用来对 8 路模拟通道进行选择。EOC 经非门与相接，0809 与 8051 采用中断方式联络，外INT18051部中断 1 服务子程序读 A/D 转换结果，并启动下一次转换。0809 启动条件为，因此启动时，应用写指令（使 WR=1） ，并且要保证地址线P2.6WRSTARTP2.6=0，其端口地址为 DF

28、FFH。ADC0809 转换器将信号进行模数转换，再将数字信号传入 8051 进行微处理，通过 LED 显示温度。在由于 A/D0809 具有锁存的 TTL 三态输出，它的八条数据线和 8051 的八条数据线相连，采用线性选址法，其口地址为 DFFFH。通道地址 A，B，C 由数据总线 DB0，DB2，DB2 提供。A，B，C 地址线上的信息由 ALE 上升沿打入地址锁存器 74LS373。图图 3-5 A/D 转换的连接电路转换的连接电路3.2 单片机 8051 芯片介绍和主要电路3.2.1 MCS-51 单片机引脚介绍和接口电路单片机引脚图及引脚功能如图 3-6 所示。单片机的 40 个引

29、脚大致可分为 4 类：电源、时钟、控制、和 I/O 引脚10。电源：（1） VCC 芯片电源，接+5v；（2） VSS 接地端；时钟：XTAL1、XTAL2 晶体振荡电路反相输入端和输出端。控制线：控制线共有 4 根（1） ALE/PROG：地址锁存允许/片内 EPROM 编程脉冲ALE 功能：用来锁存 P0 口送出的低 98 位地址PROG 功能：片内有 EPROM 芯片，在 EPROM 编程期间，此引脚输入编程脉冲（2） PSEN：外 ROM 读选通信号（3） RST/VPD：复 位/备用电源RST（Reset）功能：复位信号输入端VPD 功能：在 Vcc 掉电情况下，接备用电源图图 3-

30、6 51 单片机引脚图及引脚功能单片机引脚图及引脚功能（4） EA/Vpp：内外 ROM 选择/片内 EPROM 编程电源EA 功能：内外 ROM 选择端Vpp 功能：片内有 EPROM 的芯片，在 EPROM 编程期间，施加编程电源 VppI/O 线 80C51 共有 4 个 8 位并行 I/O 端口：P0、P1、P2、P3 口，共 32 个引脚，P3 口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线） 。单片机的片外总线结构图如图 3-7 所示。图图 3-7 单片机的片外总线结构图单片机的片外总线结构图由上图可以看到，单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入、用户 I/O 口外，其

31、余管脚都是为了实现系统扩展而设置的。这些引脚构成了 MCS-51 单片机片外三总线结构：（1） 地址总线（AB）：地址总线宽度为 16 位，因此，其外部存储器直接寻址为64K 字节，16 位地址总线由 P0 口经地址锁存器提供低 8 位地址（A0A7） ；P0 口直接提供高 8 位地址（A8A15） 。（2） 数据总线（DB）：数据总线宽度为 8 位，由 P0 口提供。控制总线（CB）：由四根独立控制线 RESET、EA、ALE、组成。NESP3.2.2 振荡电路和时钟电路振荡电路和单片机内部的时钟电路一起构成了单片机的时钟方式，根据硬件不同，连接方式分为内部时钟方式和外部时钟方式。MCS-5

32、1 单片机芯片内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚 XTAL1和 XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡器，这是 MCS-51 单片机的内部时钟方式11。本论文中重点讲到的是外部时钟方式，外部时钟方式电路图如图 3-8 所示。图图 3-8 外部时钟方式电路图外部时钟方式电路图由上图我们可以看到引脚 XTAL2 就是内部时钟发生器的输入端。因此，只需将外部振荡器的信号接至引脚 XTAL2，而把内部反相放大器的输入端 XTAL1 引脚接地。通常接的外部信号一般为频率低于 12MHZ 的方波信号。另外，由于 XTAL

33、2 端的逻辑电平不是 TTL 的，故还需要接一个上拉电阻。3.2.3 单片机的复位电路 （1）复位电路的复位类型通常单片机复位操作有上电复位、信号复位、运行监视复位。在本论文里主要用到的是上电复位和开关复位的组合。（2）主要复位电路上电复位和开关复位组合电路：在单片机系统设计过程中，经常会使用上电复位和手动复位，最常用的上电复位和开关复位组合电路如图 3-9 所示：在这两种简单复位电路中，干扰容易串人复位端，在大多数情况下，不会造成单片机错误复位，但会引起内部某些寄存器错误复位。这时可在复位引脚上接一个去耦电容。如果应用现场干扰严重，或整个系统干扰严重，引起单片机复位，可采用屏蔽的办法解决，如

34、加屏蔽网或移动位置等。图图 3-9 上电复位和开关复位组合电路上电复位和开关复位组合电路在实际应用系统中，为了保证复位电路可靠地工作，常将 RC 电路接施密特电路后再接入单片机复位端，特别适合于应用系统现场干扰大，电压波动大的工作环境，抗干扰上电复位如图 3-10 所示。图图 3-10 抗干扰上电复位抗干扰上电复位3.2.4 中断优先级8051 单片机提供了 5 个中断源，其中两个中断源，由 INT0、INT1 输入；I/O 设置中断请求信号，或掉电故障等异常事件中断请求信号都可作为外部中断源连 INT0、INT1。两个为片内的定时器/计数器溢出时产生的中断请求（用 TF0、TF1 做标志）

35、；另外一个为片内串行口产生的中断请求（TI 或 RI） 。这些中断请求源分别由 MCS-51 的特殊功能寄存器 TCON 和 SCON 的相应位锁存12。MCS-51 的中断具有两级优先级，每一个中断源都可以通过对中断优先级寄存器 IP中的相应位置或清 0，编程为两级中断中的任一级高优先级和低优先级，置 1 为高优先级，清 0 为低优先级。低优先级可以被高优先级所中断，但不能被另一个低优先级中断所中断。高优先级中断不能被任何中断所中断。为了实现这些规定，中断系统中设有两个不可寻址的优先级状态触发器，其中一个用来指出正在服务于高优先级中断，并阻止其他所有中断的响应。另一个则指出正在服务于 低优先

36、级中断，并阻止除高优先级中断以外的其他中断的响应。当同时接受到几个优先级相同的中断请求时，则由内部查询次序来确定响应哪一个中断请求。因此，在每一个中断级中又有第二类查询次序的中断优先级结构。处理器响应中断时，先置相应的优先级状态触发器（该触发器指出 CPU 开始处理的中断优先级别）然后执行一个硬件子程序的调用使控制转移查询次序如下：（1） IE0 （外中断 INT0） 最高优先级 0003H（2） TF0 （定时器 0 溢出中断） 000BH（3） IE 1 （外中断 INT1） 0013H（4） TF1 （定时器 1 溢出中断） 001BH（5） RI+TI （串行口中断） 0023H（6）

37、 TF2+EXF2 （定时器 2 溢出中断） 最低优先级 002BH这种“同级内的优先级” ，仅用来解决相同优先级中断源同时请求中断的情况，而不能中断正在执行的同优先级的中断。3.2.5 74LS373 地址锁存器芯片介绍由于 MCS-51 单片机的 P0 口是分时复用的地址/数据总线,因此在进行程序存储器扩展时，必须利用地址锁存器将地址信号从地址/数据总线中分离开来。通常,地址锁存器可使用带三态缓冲输出的八 D 锁存器 74LS373 或 8282，也可以使用带清除端的八 D 锁存器 74LS273，地址锁存信号为 ALE。但用的最多的是 74LS373，其结构图如图 3-11 所示：当三态

38、门的使能信号线 OE 为低电平时,三态门处于导通状态,允许 1Q8Q 输出到OUT1OUT8,当 OE 端为高电平时,输出三态门断开,输出线 OUT1OUT8 处于浮空状态.G 称为数据打入线,当 74LS373 用作地址锁存器时,首先应使三态门的使能信号 OE 为低电平,这时,当 G 输入端为高电平时,锁存器输出(1Q8Q)状态和输入端(1D8D)状态相同,当 G 端从高电平返回到低电平(下降沿)时,输入端(1D8D)的数据锁入 1Q8Q 的 8 位锁存器中。当用 74LS373 作为地址锁存器时,它们的锁存控制端 G 和 STB 可直接与单片机的锁存控制信号端 ALE 相连,在 ALE 下

39、降沿进行地址锁存。图图 3-11 74LS373 的结构图的结构图3.3 8255 输出口扩展3.3.1 8255 的引脚介绍8255 是可编程 RAM/IO 扩展器，片内有 256*8 位静态 RAM，2 个 8 位和 1 个 6 位可编程并行 I/O 接口，以及 1 个 14 位可编程定时器/计数器。还有地址锁存器和多路转换的地址/数据总线，可直接与 MCS-51 单片微机相连接13。因此还是 MCS-51 应用系统最适用的扩展器件，8255 引脚图如 3-12 所示。图图 3-12 8255 的引脚图的引脚图AD0AD7：三态地址/数据总线。连接 CPU 的底 8 位地址/数据总线。IO

40、/M：RAM/IO 口选择信号输入端。：片选信号输入端，8255 为 CS，低电平有效。CSRD：读选通信号输入端。低电平有效。WR：写选通信号输入段。低电平有效。RESET：复位信号输入段。高电平有效，并初始化 3 个 I/O 口为输入方式。PA0PA7：A 口的 I/O 线、I/O 方向由命令字编程设定。PB0PB7：B 口的 I/O 线、I/O 方向由命令字编程设定。PC0PC7：C 口的 I/O 线，或 A 口和 B 口的状态控制信号线。由命令字编程设定。Vcc：+5V 电源线。Vss: 接地线。8255 片内 256*8 位静态 RAM，在速度上与 MCS-51 完全匹配。当 IO/

41、M=0 时，CPU对 8255 的 RAM 进行读写，寻址范围为 00H0FFH。3.3.2 8255 与 8051 的外部接口电路 8255 与 8051 的外部接口电路如图 3-13 所示。由下图可以看出 8051 通过地址锁存器与 8255 相连， 8255 的片选信号 CS 及口地址选择线 A0、A1 分别由 8051 的 P0.7、P0.0、P0.1 经地址锁存器 74LS373 后提供。故 8255的 A、B、C 口及控制口地址分别为 FF7CH、FF7DH、FF7EH、FF7FH。8255 的复位端与8051 的复位端相连，都接到 8051 的复位电路上14。必须根据外围设备的类

42、型选择 8255的操作方式，并在初始化程序中把相应控制字写入操作口。8255 的编程如下：各端口地址是：A 口地址：FF7CH B 口地址：FF7DH C 口地址：FF7EH 控制口地址：FF7FH8255 的工作方式可由 CPU 写入一个控制字到 8255 控制字寄存器来选择。方式控制字共有八位，D7 位为置方式标志，有效为 1，假设要求 8255 工作方式 0，且 A 口作为输出，B 口作为输出，C 口作为输入，则可得控制字为 81H。图图 3-13 8255 与与 8051 的外部接口电路的外部接口电路3.4 单片机的抗干扰电路3.4.1 光电隔离抗干扰的简介单片机测控系统的开关信号，往

43、往是通过芯片给出的低压电流如 TTL 电平信号，这种电平信号一般不能直接驱动外设，而需经接口转换等手段处理后才能用于驱动设备开启或关闭，如不加隔离可能会串到测控系统中造成系统误动作或损坏：因此在接口处理中亦应包括隔离技术。在开关量输出通道中，为防止现场强电磁干扰或工频电压会通过输出通道反串到测控系统，一般需采取通道隔离技术。最常见的隔离器件是光电隔离器。因为光信号的传送不受电场、磁场的干扰，可以有效地隔离电信号。工程上常用的隔离方法有光电隔离器、变压器、继电器和集成组件等，而光电隔离器有独特优点得到广泛应用。光电隔离器的种类繁多，常用的有发光二极管/光敏三极管、发光二极管/光敏复合晶体管、发光

44、二极管/光敏电阻，发光二极管/光触发可控硅等，但从其隔离方法这一角度来看，都是一样的，即都通过电光电这种转换，利用“光”这一环节完成隔离功能。3.4.2 光电隔离器的原理电路 光电隔离器的原理电路如图 3-14 所示：图图 3-14 光电隔离器的原理电路光电隔离器的原理电路在上图所示的电路中，它是 GaAs 红外发光二极管和光敏三极管组成。当发光二极管有正向电流通过时，即产生人眼看不见的红外光，其光谱范围为 7001000nm。光敏三极管接收光以后便导通。而当该电流撤去时，发光二极管熄灭，三极管截止。利用这种特性即可达到开关控制的目的。由于该器件是通过电光电这种转换来实现对输出设备进行控制的，

45、彼此之间没有电气连接，因而起到隔离作用，隔离电压与光电隔离器的结构有关。3.4.3 光电隔离的电路在一般微机控制系统中，由于大都采用 TTL 电平，不能直接驱动发光二极管，所以通常加一个驱动区，如 7406 和 7407 等。光电隔离的电路如图 3-15 所示：图图 3-15 光电隔离的电路光电隔离的电路当输出 TTL 电平为低电平时，7406 输出为高电平，发光二极管截止，光电隔离器处于截止状态，VO 端输出高电平；而当输出控制电平为高电平时，7406 输出为低电平，发光二极管导通，光电隔离器处于导通状态，VO 端输出低电平。需要注意的是光电隔离器的输入输出端两个电源必须单独供电，即用于驱动

46、发光管的电源与驱动光敏管的电源不应是共地的电源，对于隔离后的输出通道必须单独供电，如上图所示；否则，如果使用同一电源（或共地的两个电源）外部干扰信号可能通过电源串到系统中来，当然，这里讲的单独供电，可以是单独使用不同的电源，也可用 DC-DC 变换的方法往输出端提供一个与光电输入端隔离的电源。如果从通断功能来看，光电隔离器其实是一隔离开关。利用光电隔离器也可完成电平转换，其转换后的输出电平与其供电电压值有关，而与光隔输入端无关，总电路框图如图 3-16 所示。图图 3-16 总电路框图总电路框图3.5 键盘及显示电路3.5.1 键盘输入特点按键所用开关为机械弹性开关，均利用了机械触点的合、断。

47、一个电压信号通过机械的断开、闭合过程。由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下断开。因而，在闭合和断开的瞬间均伴随着一连串的抖动，抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为 510ms，这是一个很重要的时间参数，在很多场合都要用到。按键的稳定闭合时间由操作人员的按键动作持续时间决定，一般为十分之几秒到几秒时间。按键的闭合与否，反应在电压的上就是呈现出高电平或低电平，所以通过电平的高低状态的检测，便可确认按键按下没有。为了确保按键的状态，必须消除按键抖动的影响，这也是按键抗干扰的主要的一个方面，键盘抖动波形图如图 3-17 所示。图图 3-17 键盘抖动

48、波形图键盘抖动波形图3.5.2 按键接口电路的消抖措施消除按键抖动影响通常有硬件、软件两种方法。本论文采用双稳态消抖的硬件消抖方法，双稳态消抖的电路原理图如 3-18 所示。图图 3-18 双稳态消抖电路原理图双稳态消抖电路原理图上图中用两个与非门构成一个 RS 触发器，当按键为按下时，输出为 1，当按键按下时，输出为 0。此时即使由于按键的机械性能使按键因弹性抖动而产生瞬间不闭合，只要按键不返回原始状态，双稳态电路的状态不会发生改变，输出保持为 0，不会产生抖动的波形。这一点很容易通过分析 RS 触发器的工作过程得到验证。设按键首先处于 a 位置，此时 RS 触发器的与非门输出端 OUT1

49、为高电平 1，与非门2 的输出端 OUT2 为 0，此输出引入到与非门 1 的一个输入端，会把与非门 1 锁住，使其固定输出为 1。如果此时按下按键，即使按键在 a 位置因弹性而产生瞬间抖动，形成一连串的抖动波形，即与非门 1 输入端出现了一连串的高和低电平，由于与非门 2 的输入端在按键没有到达 b 位置时始终是 0，所以无论与非门 1 输入端的信号电平怎么变化，与非门 1 输出端 OUT1 的输出恒为 1。当按键到达 b 时，一旦与非门 2 的输出端呈现低电平时，RS 触发器将出现状态的翻转，此时，OUT2 端输出为 1，OUT1 端输出为 0，OUT1 又引回与非门 2 的一个输入端，锁

50、住与非门 2，保证其输出恒为 1，这样即使按键出现抖动，也不会影响 OUT2 的输出，因此 OUT1 的输出也恒为 0。同样，在松开按键的过程中，只要一接通 a，输出为 1，在接通 a 的过程中，即使产生了弹性抖动，只要按键不与按键 b发生接触，RS 触发器的输出将保持不变。通过以上分析，可知，如果在按键信号输入端加上一个 RS 触发器就可以剔除按键抖动产生的干扰。3.5.3 矩阵键盘的概述（1） 矩阵键盘的工作原理按键设置在行、列线交点上，行、列线分别连接到按键开关的两端。行线通过上拉电阻接到+5V 上。平时无按键动作时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态将由与此行线相连的列

51、线电平决定。列线电平如果为低,则行线电平为低，列线电平如果为高，则行线电平亦为高。这一点是识别矩阵键盘按键是否被按下的关键所在.由于矩阵键盘中行、列线为多用键共用，各按键均影响该键所在行和列的电平。因此个按键彼此将相互发生影响，所以必须将、列线信号配合起来并作适当的处理，才能确定闭合键的位置。（2） 按键的识别方法矩阵键盘按键的识别方法分两步进行：第一步，识别键盘有无键被按下；第二步，如果有键被按下，识别出具体的按键。识别键盘有无键按下的方法是让所有列线均置为0 电平，检查各行线电平是否有变化，如果有变化，则说明有键被按下，如果没有变化，则说明无键被按下（实际编程时应考虑按键抖动的影响，通常总

52、是采用软件延时的方法进行消抖处理） 。识别具体按键的方法是（亦称为扫描法）：逐行置零电平，其余各列置为高电平，检查各行线电平的变化，如果某行电平由高电平变为零电平，则可确定此行此列交叉点处的按键被按下。（3）键盘的工作方式单片机应用系统中，键盘扫描只是 CPU 的工作内容之一。CPU 在忙于各项工作任务时,如何兼顾键盘的输入，取决于键盘的工作方式。键盘的工作方式的选取应根据实际应用系统中 CPU 工作的忙，闲情况而定.其原则是既要保证能及时响应按键操作，又要不过多占用 CPU 的工作时间。通常，键盘工作方式有三种，即：编程扫描、定时扫描和中断扫描。CPU 对键盘的扫描采用程序控制方式，一旦进入

53、键扫描状态,则反复地扫描键盘，等待用户从键盘上输入命令或数据。而在执行键入命令或处理输入数据过程中，CPU 将不再响应键入要求，直到 CPU 返回重新扫描键盘为止。附录一可见键盘采用编程扫描方式工作，PB 口输出逐行扫描信号，PA 口输入 8 位列信号，均为低电平有效。8255A 的 A0、A1 上，CS 与 P2.7 相接，WR、RD 分别与8051 的 WR、RD 相连。3.5.4 LED显示原理及显示方式（1）LED 显示器结构LED 显示块是由发光二极管显示字段的显示器件，在单片机应用系统中通常使用的是 7 段 LED，这种显示块有共阴极和共阳极两种，LED 显示器引脚如图 3-19

54、所示。共阴极 LED 显示块的发光二极管阴极共地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮；共阳极 LED 显示块的发光二极管阳极并接。通常的 7 段 LED 显示块中有 8 个发光二极管，故也有人叫做 8 段显示器。其中 7 个发光二极管构成 7 笔字型“8” 。7 段显示块与单片机接口非常容易，只要将一个 8 位并行输出口语显示块的发光二极管因交相联即可。8 位并行输出口输出不同的字节数据即可获得不同的数字或字符，通常将控制发光二极管的 8 位字节数据成为段选码，共阳极于共阴极的段选码互为补数。图图 3-19 LED 显示器引脚图显示器引脚图（2） LED 显示器的显示方式在单片机

55、应用系统中使用 LED 显示块构成 N 位 LED 显示器。N 根 LED 显示器由 N根位选线和 8*N 根段选线。根据显示方式不同，为选线与段选线的连接方法不同。段选线控制字符选择，为选线控制显示位的亮、暗。LED 显示器由静态现实与动态显示两种方式。（3） LED 动态显示方式的原理在多位 LED 显示时，为了简化电路，降低成本，将所有位的段选线并联在疫区，由一个 8 位 I/O 口控制，形成段选线的多路复用，而共阴极点火供养几点分别由相应的 I/O口线控制，实现各位的分时选通。8 位 LED 动态显示电路只需要两个 8 位 I/O 口。其中一个控制段选码，另一个控制位选。由于所有位的段

56、选码皆由一个 I/O 控制，因此，在每个瞬间，8 位 LED 只可能显示相同的字幅。要向每位显示不同的字符，必须采用扫描显示方法。即在每一瞬间只使某一位显示相应字符。在此瞬间，段选控制输出相应字符段选码，位选控制 I/O 口在该显示位送入选通电平（共阴极送低电平、共阳极送高电平）以保证该位显示相应字符。如此轮流，使每位显示该位应显示字符，并保持延时一段时间，以保存视觉暂留效果。动态显示方式需要较大的驱动电流，所以一般都是通过驱动器来驱动 LED 的。现实的亮度同驱动电流大小、电亮时间和关断时间有关，调整电流大小和时间参数（扫描频率） ，可以控制 LED 显示亮度并稳定显示。 当 LED 选定后

57、，要实测它工作点的正向压降，以便正确的选用限流电阻；同时，电流密度影响 LED 的寿命，电流密度越大，发光亮度越高，对寿命的影响就越大，因此，LED 的驱动电流要有所限值，最大值不能超过最大正向电流。在实际运用中，如果直接驱动 LED 或者 LED 驱动器的输出没有加限流电阻，一般应该串联一个 100 的限流电阻。3.5.5 系统应用对于显示部分，从 8255 输出的显示信息经 74LS373 锁存缓冲，用来对 LED 的各段进行段选，各位 LED 显示器采用共阴极接法，通过控制阴极的电位来实现各位的选通。通过 8255 的扫描输出经 2003 来实现位选，用来显示设定的温度值和当前的温度值，

58、以便进行调节。键盘部分采用 13 键盘矩阵，列回复信号送至 8255 的 PC0 口，连接后仍作为列选择线；行选择线则是与显示部分的位选线共用。初始时，将列选择线置为高电平，当有按键按下时，列选择线的电位取决于列选择线，通过相应行的电平状态判断有无按键按下，可以通过键盘的配合来调节温度的设定值。3.6 加热电路和报警装置3.6.1 加热电路电热器件由双向可控硅 KS 控制，KS 由光电耦合器 4N25 和晶体管 9013 触发，加热电路图如图 3-20 所示。单片机 8051 的 P2.0 端输出的触发信号，经 7407 后，送到光电耦合器 4N25。P2.0 端输出高电平时，4N25 没有电

59、流输入，晶体管 T 截止，双向晶闸管 KS 关断，电热器不加热。当 P2.0 端输出低电平时，7407 输出低电平，4N25 的输入电流约为 18m，输出端的电流大 3.6m，经晶体管 9013 放大后，双向可控硅门极的电流可达 200 m，双向可控硅导通，电热器加热。电阻 R3 的作用是限制触发电流，当双向可控硅 KS 的功率较小时，R3 的值可由 30 改为 100。过零检测电路由变压器 B 的其中一个绕组 L3 和电容器 C2 组成。L3 产生 2.5V 的交流电压，通过 C2 交连到 INT0 和 INT1 端。INT0 是过零检测端，它可对过零的上升信号检测而产生中断；INT1 也是

60、过零检测端，它可对过零的下降信号检测而产生中断。把INTO 和 INT1 产生的中断综合处理，即可得到电源电压过零的时刻。选用不同的电热器件，启动的过程也不一样。对于电阻率不随温度变化的电热器件，可以直接启动，即在电压过零时触发双向可控硅 KS。对于电阻率随温度变化的电热器件，通常使用降压启动方式，即开始通电时，电压逐渐上升，使电热器的工作电流在 KS 允许的范围以内。过一定的时间后，电热器件的工作电压才达到额定电压。图图 3-20 加热电路图加热电路图3.6.2 报警装置首先通过按键对要达到的温度进行设定，通过加热装置对水进行加热，当加热温度达到或超过设定值时，将加热信号送到 8051 中，