燃气热水器温度控制系统硬件设计

摘要燃气热水器在日常生活中使用较多，燃气热水器必须安装在室外通风良好的地方，而且大多都是人工调节水温，如果在使用过程中需要调节水温就要出浴室调节，这样就给使用者带来极大的不便。本文研究了单片机控制的燃气热水器水温自动调节系统硬件设计的有关问题。本文按照高可靠性、实用性强、操作方便等设计原则，设计了合理的燃气热水器温控系统的结构：论文分析了系统设计要求和各项性能指标，探讨了各个元件的选择问题，提出了采用8位单片机89S51和DS18B20温度转换器构成温度采集系统的方案，较之采用16位的单片机和热敏电阻加A/D转换器的温度采集系统具有较高的性价比；为了提高温度控制精度，采用数字PID控制，可实现温度的连续可调；为了提高步进电机的抗干扰能力和驱动能力，设计中采用了施密特触发器和达林顿功率放大器作为步进电机驱动；为加强系统的安全性能，设计中还加入了看门狗和声光报警电路；最后，制作出了工程样板并进行硬件模拟调试。实际调试结果显示硬件设计基本达到了要求的技术指标，对比分析可知此设备具有良好的应用前景。关键词：单片机；温度转换；步进电机；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目录第一章绪论.......................................................................................11.1选题意义.................................................................................................41.1.1燃气热水器简介...........................................................................41.1.2燃气热水器的发展趋势...............................................................61.1.3现有燃气热水器温度调节方案及不足.......................................71.2课题的主要研究内容.............................................................................8第二章系统分析与设计基础...........................................................82.1燃气热水器对象分析.............................................................................82.1.1燃气热水器系统组成及工作原理...............................................82.1.2燃气热水器温度控制对象分析...................................................92.2燃气热水器温度控制系统设计...........................................................112.2.1系统的设计要点.........................................................................112.2.2嵌入式系统设计原理.................................................................122.3系统的性能指标...................................................................................132.4本章小结...............................................................................................13第三章硬件电路的设计.................................................................143.1核心部件MPUAMETL89S51介绍...................................................143.1.1AMETL89S51概述....................................................................143.1.2AMETL89S51片内存储器........................................................153.1.3MCS-51单片机引脚及其功能..................................................153.1.4单片机振荡电路.........................................................................173.1.5复位及复位电路.........................................................................183.2系统硬件总体设计...............................................................................193.3键盘输入电路的设计...........................................................................203.4温度检测电路的设计...........................................................................203.4.1采用热敏电阻.............................................................................203.4.2采用集成温度传感器.................................................................213.5数码显示电路的设计...........................................................................263.5.1采用移位寄存器74LS164.........................................................263.5.2采用单片机P0口直接驱动.......................................................263.6步进电机及其驱动电路的设计.............................................................273.6.1步进电机驱动的特点.................................................................273.6.2步进电机的主要参数及性能指标.............................................283.6.3步进电机的选用.........................................................................283.6.4步进电机的驱动电路的设计.....................................................293.7系统的安全性研究...............................................................................323.7.1系统硬件设计中安全性问题的解决.........................................323.7.2安全报警电路.............................................................................343.8本章小结...............................................................................................35第四章硬件电路的搭建以及产品样板的制作.............................364.1Protel99SE概述....................................................................................364.2电路原理图的编辑...............................................................................374.2.1元件放置及连线操作.................................................................374.2.2元件电气图形符号编辑与创建.................................................384.3印刷电路板的设计...............................................................................394.3.1印刷板设计基础.........................................................................394.3.2Protel99sePCB的基本设计流程..........................................404.4硬件电路搭建及调试...........................................................................414.5系统研究的应用前景...........................................................................424.6本章小结.................................................................................................43结论.....................................................................................................44参考文献.............................................................................................45致谢.....................................................................................................46附录....................................................................错误！未定义书签。第一章绪论1.1选题意义1.1.1燃气热水器简介所谓燃气热水器就是指以气体燃料燃烧为热源的热水器的统称，是一种小型的热力设备。它的工作原理大体是这样：燃气在燃烧室内完全燃烧，产生高温烟气。高温烟气流经换热器，把换热器中的冷水加热为所需的卫生热水。燃气热水器有这些分类方式，按使用气种可以分为使用天然气、人工煤气和液化石油气3种。按结构可分为容积式和直流式。按给排气方式可分为：直排式、烟道式、平衡式、强排式、强制给排气式等。相对于其它类型热水器而言，燃气热水器具有这样一些优势：不需预热；节能；不结垢、寿命长；使用成本低；款式超薄纤细，外观时尚。第一台燃气热水器诞生已经超过了100年。而燃气热水器技术的发展主要是二战之后50多年的时间内完成的。我国的燃气热水器生产也有近30年的历史。燃气热水器的发展迄今为止经历了三个阶段：（1）以实现简单功能为目的的第一阶段：作为第一阶段代表的燃气热水器是热水流量为5L/min的小型热水器。采用压电陶瓷点火方式，小火先着，水气联动控制阀、控制点火，互相独立的气、水调节阀门，热电偶式的熄火保护装置。这种类型的热水器具有初步的安全性保证，满足基本功能，操作也不复杂，但很快显现出的问题在于：点火装置的可靠性与寿命；熄火保护装置的寿命；操作的相对烦琐。特别是热电偶式熄火保护装置在点火初期的时间延迟操作，令使用者倍感不便。因此，这一阶段的后期，热水器在此基础上做了一些更新：点火装置由压电陶瓷变为电脉冲式，引入了内置电源，同时取消了熄火保护装置，水—气联动阀是热水器上唯一的安全装置。（2）以完善使用特性为目的的第二阶段：自吸阀的引入是对完善使用特性的重要贡献，而以水驱式自动点火作为主要特征，这一进步使燃气热水器的技术品质有了一个质的飞跃。虽然这种类型的热水器仍然由电脉冲点火装置、水—气联动阀、自吸阀、独立的水—气调节装置构成，但其使用性能有了很大的提高，表现为：操作极为方便，使用更为安全。一开水点火便自动进行，在一般情况下，热水器安装在浴室外成为可能，这使燃气热水器使用的安全隐患大大减低。自吸阀灵敏的熄火保护特性，使热水器非燃烧状态的燃气泄漏现象几乎不会出现。有别于自吸阀的一些安全装置也有出现，目前采用自吸阀的燃气热水器依然是市场的主流。此外，热水器的大流量化进一步兴起，出水量超过8L/min的品种增加，市场进一步扩大。（3）以追求高品质为目的的第三阶段，目前正处在第三阶段的兴盛期，亦是竞争最激烈的时期。从事热水器研究与生产的业内人士，同时在追求燃气热水器的更高品质。这主要表现在先进控制技术的引入，目的是解决燃气热水器使用中仍然存在的主要矛盾：出水温度调节给使用者带来的问题，水温度的调产品，线控热水器、恒温热水器、智能型热水器亦有出现。同时，在安全节范围不能满足其使用要求，尽管这种感觉是错误的，只是由于调节过程的复杂性以及使用者对于调节过程的理解障碍所导致，但为解决这一问题，似乎能用热水器本身提供的装置自动解决更为合适。这便是追求热水器更高品质的原因。作为特征性保障方面，缺氧保护装置、防止不完全燃烧装置的使用更是使燃气热水器的综合性能有了极大的提高。1.1.2燃气热水器的发展趋势随着社会生产力的发展以及人们生活水平的提高，燃气热水器也在不断更新、发展，以满足人们对较高生活品质的追求。而今燃气热水器正朝着以下这些方向发展：（1）安全性能不断完善燃气热水器对人体的安全威胁主要是燃烧所产生的烟气。随着排气方式不断地改革，热水器的安全使用已基本得到解决。而安全问题在燃气热水器开发过程中始终是处于重要的位置。（2）舒适性的提高燃气热水器使用的舒适性便是人们关心的重要问题。作为淋浴用热水器要实现舒适沐浴有两个基本要求：一是水温，二是水量。为提高使用舒适性，国内正在研究的课题有：a）扩大热水器的负荷调节比，要求不小于20％～100％（即冬夏型功能），国外热水器负荷调节均在30％～100％；b）发展良好恒温性能的智能化热水器，满足使用过程中水温波动在设定值±1℃范围内；c）实现低的水流阻力，大的水量并维持使用过程中水量相对稳定且不低于7L/min；d）热水器低的运行噪音，希望维持在50～60分贝；e）快速加热功能，减少开始使用或关机后重新启动时的冷水量；f）快速水温恒定功能，以避免淋浴水时冷时热现象。（3）更加环保我国燃气热水器标准中现在除规定了对排烟CO含量的限制外，即限制燃烧不完全程度，还对排烟NOx含量作了要求。（4）向更为节能的方向发展发达国家对燃气热水器提出低污染环保要求的同时也提出进一步节能的要求，即鼓励支持高效低污染燃气热水器的研制。节能的深远意义不仅是节约开支而是国民经济可持续发展的要求。（5）功能的多元化从单一淋浴发展为多功能的热水器：a）供暖/淋浴两用；b）制冷（空调）/淋浴两用；c）其它多功能多用途的热水器。燃气热水器虽然容量小，但分布量大面广，其发展和社会的千家万户有着密切的关系。目前燃气热水器正在向着大容量、高效节能和减少环境污染的方向发展，其发展目标主要包括燃烧系统高效率低污染的自动控制燃烧和热交换部件传热效率的提高、公众安全性以及满足现代生活的舒适感。1.1.3现有燃气热水器温度调节方案及不足目前市场上燃气热水器产品的温度控制基本上采取两种方案：（1）机械旋钮式：热水器的温度调节是通过机械式旋钮实现的，有火力调节旋钮和水量调节旋钮共同控制。火力调节旋钮按标识调小时，热水温度降低；调大时，热水温度升高。水量调节旋钮按标识调小时，水流量减少，热水温度升高；调大时，水流量增大，热水温度降低。用户可以调节合适的热水温度（推荐沐浴温度范围为38℃～42℃）洗浴。（2）数字式这种方式下，水温的调节是通过数字控制实现的，当需要出水温度升高时，则微电脑控制比例阀开大，燃气压力升高，水温升高；反之，则比例阀开小，水温降低。在实际生活中，我们发现绝大多数的中、低档产品都采用机械旋钮式方案，而这些产品恰恰式市场的主流。但是，此类热水器还存在许多不尽如人意的地方，因为该类燃气热水器使用的是煤气和氧气进行燃烧产生热量，需要安装在室外通风良好的地方，否则氧气不足会造成煤气不完全燃烧而产生一氧化碳对人的生命构成威胁，而对热水器的控制调节都在机体上，以致洗浴时需要预先调节好水温，有时候遇到水压不正常就造成水温浮动不定，使洗浴者又要出来调节水温，这样不仅浪费水和燃气，而且给洗浴者带来极大不便。基于以上考虑，本方案拟设计一个基于单片机控制的燃气热水器水温自动调节系统，即通过室内的控制器，输入预定温度，由执行机构自动快速地调节到预定温度，以解决上述问题。而单片机控制的机械旋钮式水温控制调节系统不失为一种很好的选择。1.2课题的主要研究内容本论文主要进行燃气热水器硬件设计，本文将完成以下几个方面的工作：（1）在了解燃气热水器结构的基础上，完成燃气热水器水温嵌入式调节控制系统的设计。（2）分析实现该设计的各种芯片功能。（3）掌握Protel99se使用，学会印刷电路板的制作。（4）分析系统的性能要求，完成电路板制作和样品调试过程。第二章系统分析与设计基础2.1燃气热水器对象分析2.1.1燃气热水器系统组成及工作原理燃气热水器结构上包括控制，供水与加热，燃气供应与燃烧，供风与排气等多个组成单元，图2.1表示出了具体研究的燃气热水器的结构。图2.1燃气热水器结构生活水回路，进水一端接冷水，出水一端接洗浴装置。冷水进水端打开以后，水的压力控制安全阀打开，燃气进入喷嘴，同时电子打火装置也开始工作，燃气开始在燃烧室内燃烧，冷水经过热交换器变成热水供人们使用。通过控制比例阀的大小可以控制火力的大小从而控制水温。2.1.2燃气热水器温度控制对象分析影响热水器出水温度很多。例如进水温度，进水流量，燃气燃烧值，燃气流量，热交换器效率，热水器尺寸和环境温度等。而且燃气热水器的加热过程具有可变的时延迟特性，运行包括化学反应，传热和流体运动等过程，其精确的数学模型很难建立起来。但可通过试验曲线的测试，对各个控制量进行调整。仿人智能控制不需要建立过程控制对象精确的数学模型，仅需要获取过程控制对象简化的模型结构和近似的主要特征参数。不考虑管路系统的复杂性和难控性，根据热平衡关系：nWkV(ToutTin)（2.1）其中：Tout——当前出水温度，单位℃；Tin——当前进水温度（生活水）或回水温度（采暖水），单位℃；V——当前水的流量，单位kg/s；k——卡到焦耳的单位转换系数，为4.18kJ/kCal；W——燃气热水器热负荷（输入热量），单位kW；n——燃气热水器热效率。又有：W=VgH（2.2）其中Vg为燃气流量，H为燃气的热值，将式（2.2）代入（2.1）得：Tout=Tin+nVgH/kV（2.3）由该式可以看到，Tin、Vg和V影响Tout的大小，因为本文研究的对象硬件上不对V进行检测、调节，它只调节Vg，以此来实现对Tout的控制，这也就是燃气热水器实现温度调节的原理。假设出水温度就是燃气热水器水体的温度，建立热水器水体温的微分方程为：cmdToutnWkV(ToutTin)dt(2.4)其中：m——热水器水体的质量，单位kg；T——热水器水体温度，单位℃；c——水的热容，值为1kcal/kg℃；对（2.4）两边进行拉氏变换，得到如下方程：msTout(s)nW(s)kVTout(s)kVTin(s)(2.5)Tout'(s)nW(S)mskV(2.6)从上面的结果可以看出，热水器水体温度控制的模型是由两个一阶惯性环节，实际的系统存在滞后环节，系统模型还需要串连一个纯滞后环节，滞后的时间I。生活水加热系统模型结构如图2.2所示。图2.2燃气热水器加热系统模型从以上分析的简化模型可以看出，加热系统工作的水流量是不确定的，按照燃气热水器的型号不同，正常的生活水工作流量范围是3L/min～9L/min，不同的水量使得加热系统的开环增益各异，而且实际应用中，水流往往有一定幅度的波动。此外，这两个过程还含有纯滞后环节。这些因素给燃气热水器温度控制带来了难度，控制的难度造成现有温度控制算法的控制效果不理想。鉴于PID控制理论在一些难控过程中的成功运用，本文将其应用于燃气热水器温度控制。2.2燃气热水器温度控制系统设计2.2.1系统的设计要点燃气热水器控制器的设计主要考虑的要点是安全性、舒适性、操作方便性以及成本等因素。这些要点尤其是对控制器的应用软件设计提出了较强约束和严格要求。（1）安全性：安全性是整个系统设计首先需要考虑的问题，虽然燃气热水器发展到今天可以认为基本解决了安全性的问题，但是诸如燃气泄漏、烟气泄漏、水温偏高导致烫伤等安全事故还是偶有发生，所以保证系统运行安全可靠是控制器设计的基本要求。安全性设计首先要解决的问题就是避免燃气泄漏和烟气泄漏，要保证做到燃气热水器工作于燃烧状态时烟道畅通；要严格控制燃气阀的开闭；要做到控制器意外死机后燃气阀能及时关闭等。其次要解决的安全性设计问题是避免生活水和采暖水水温偏高，要保证水温过高时控制器中断加热或停机报警。（2）舒适性：舒适性即洗浴的舒适性，也就是要求对生活水出水温度进行良好的控制。温度控制是控制器设计的最重要的任务，控制器设计是否成功关键就是看它对出水温度的控制效果。参照普通燃气热水器的标准，燃气热水器生活水温度控制的指标如下：a）控温精度：热水器的实际出水温度达到稳态后与设定出水温度相比较，其稳态误差不大于±1℃。b）初始加热时间和超调量：按GB6932-94之规定，在标准测试条件下，将燃气热水器的进水量调至额定水流量，设定出水温度为进水温度加上20℃，燃气热水器从冷机开始起动加热并将水加热至设定温度的时间不大于20秒，且燃气热水器的出水温度的超调不大于3℃。c）进水量变化时的超调：按GB6932-94之规定，在标准测试条件下，将燃气热水器的进水量调至额定水流量，在燃气热水器的出水温度达到稳定后，将燃气热水器的进水量瞬时变化±20%时，燃气热水器出水温度的超调不大于±3℃；将燃气热水器的进水量瞬时下调50%时，燃气热水器出水温度的超调不大于8℃。从指标可以看出，对生活水温控制的“稳、快、准”要求较高。另外为了保证舒适性，在进水量不同的情况下也要求对生活水温度进行良好的控制，也就是要求控制器的鲁棒性要强。（3）操作方便性：控制器对使用者是不可见的，他只有通过控制器的人机接口将指令传达给系统。操作的方便性就是力求设计简便的流程来实现使用者设置工作方式、设置洗浴、采暖温度等操作，以达到双功能燃气热水器使用方便快捷的目的。（4）成本：燃气热水器最终是要形成产品，进入千家万户使用。而成本是一个产品必须考虑的，尽可能在满足各方面要求的前提下降低成本是厂家追求的。作为整个产品的一部分，控制器也必须尽量压低成本，尽量做到用较小。（5）功能要求：控制器的设计要体现出产品的智能化，除了要实现生活水出水温度控制以外，它还要具有如下功能：提供人机交互——用户可以设置出水温度；故障报警等等。2.2.2嵌入式系统设计原理嵌入式系统一般由嵌入式微处理器为核心构成，实现对其它设备的控制、监视、管理等功能。在实际应用中，嵌入式系统更多是以单片机为核心组成。以单片机为核心的嵌入式系统具有功能强大，成本低廉等特点，已经被广泛应用于各领域中，也被应用于燃气热水器控制。如今，国内外多款燃气热水器产品也是选用的以单片机为核心的控制器。燃气热水器是面向市场的产品，成本控制非常重要。以嵌入式系统构建燃气热水器控制器，相对于其它控制器实现方案在成本上具有非常大的优势，同时也能满足控制器在功能等其它方面的要求。此外，嵌入式设计理论经过长期发展已经比较成熟，形成了一套较完善的理论，该理论给双功能燃气热水器控制器的硬件、软件设计提供了指导，有利于控制器的顺利开发。2.3系统的性能指标1．测温范围：0～99℃因为被控参数是水，其工作状态始终是液态，所以其工作温度就是在0～99℃之间，两位LED数码管显示，其显示数值范围是0～99℃，代表温度范围是0～99℃。同时，根据多年总结的控制经验，当燃气热水器处于最佳工作状态时，最适合温度应该稳定工作在40℃左右。2．设定温度用户可以自行设定任何一个测量点的温度数值，数字小键盘输入、两位LED数码管显示，其显示数值范围是0～99，代表温度范围是0～99℃。4．掉电数据保护和系统故障复位利用硬件看门狗（watchdog）电路，具有掉电数据保护功能和系统故障复位功能。当系统突然失电时，可以利用硬件看门狗中的EEPROM数据储存器，将控制系统中的正在运算的数值和结果保存起来，当系统恢复供电后，单片机再从看门狗中读出这些数据，从而保证了系统中临时数据的安全。同时，当系统出现故障死机或者程序跑飞进入某个死循环后，可以利用看门狗电路向单片机发出复位信号，使系统重新开始运行。5．报警功能当温度测量数值偏离设定数值时，系统会自动报警，以提醒用户及时查明故障原因和解决问题。同时当温度调节到位也由蜂鸣器发声，告知用户温度调节完毕，实现智能化。2.4本章小结本章主要分析燃气热水器系统组成和工作原理，分析温度控制对象，结合控制系统设计的要点和原理，提出了系统的性能指标并了解整个系统大概的研究方向和制作方法，为以后全面展开工作做好了准备。第三章硬件电路的设计3.1核心部件MPUAMETL89S51介绍3.1.1AMETL89S51概述下图是MCS-51系列单片机的基本结构框图。图3.1单片机基本结构框图在—小块芯片上，集成了一个微型计算机的各个组成部分，每一片单片机包括；（1）一个8位的微处理器CPU。（2）片内数据存储器RAM（128B/256B），用以存放可以读/写的数据，加运算的中间结果、最终结果以及欲显尔的数据等。（3）片内程序存储器ROM/EPROM（4KB/8KB），用以存放程序、一些原始数据和表格。但也有—些单片机内部不带ROM/EPROM，如8031、8032、80C31等。（4）四个8位并行I/O（输入/输出）接口P0—P3，每个口可以用作输入，也可以用作输出。（5）两个或三个定时/计数器，每个定时/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可根据计数或定时的结果实现计算机控制。定时器T1还可以用来做通讯时的波特率发生器，这点将在后面进一步介绍。（6）五个中断源的小断控制系统。（7）一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，可实现单片机与单片机或其它微机之间串行通信。（8）片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接，最高允许振荡频率为12MHz。以上各个部分通过内部数据总线相连接。3.1.2AMETL89S51片内存储器89S51片内有以ROM（程序存储器，只能读）和RAM（数据存储器，可读、可写）两类，它们有各自独大的存储地址中间，与一般微机的存储器配发方式很不相同．（1）程序存储器（ROM）89S51及875l的片内程厅存储器容量为4K字节，地址从0000H开始，用于存放程序和表格数据常数。（2）数据存储器（RAM）89S51/8751/8031片内数据存储器均为128字节，地址为00H～7FH，用于存放运算的中间结果、数据哲存以及数据缓冲等。在这128字节的RAM中，有32个字节单元可指定为工作寄存器，这同一般微处理器不同。89S51的片内RAM和工作寄存器排在一个队列里统一编址。此外，89S51单片机内部中还有SP、DPTR、PCON、„、IE、IP等特殊功能寄存器，它们也同128字节RAM在一个队列里编址，地址80H～FFH。在这128字节RAM单元中有21个特殊功能寄存器（SFR），达些特殊功能寄存器还包括P0～P3门锁存器。3.1.3MCS-51单片机引脚及其功能MSC-51系列中各种芯片的引脚是互相兼容的，如89S51、8751和8031均采用40引脚双列直插封装（DIP）方式。当然，个同芯片之间引脚功能也略有差异。89S51单片机是高性能单片机、因为受到引脚数日的限制，所以有不少引脚具有第二功能，其中有些功能是8751芯片所专有的，如图3.2所示。图3.2MCS-51引脚图各引脚功能简要说明如下：1.电源引脚Vcc和VssVcc（40脚）：电源端，为十5V。Vss（20脚）：接地端。2.时钟电路引脚XTAL1和XTAL2XTAL2（18脚）；接外部晶体和微调电容的一端。在89S51片内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时钟电路时，该引脚输入外时钟脉冲。要检查89S51/8031的振荡电路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。XTAL1（19脚）：接外部晶体和微调电容的另一端。在片内它是振荡电路反相放大器的输入端，在采用外部时钟时，该引脚必须按地。3.控制信号引脚RST、ALE、PSNE和EARST/Vpp（9脚）：RST是复位信号输入端，高电平有效。当此输入端保持两个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。RST引脚的第二功能是Vpp，即备用电源的输入端。当主电源Vcc发生故障，降低到低电平规定值时，格十5V电源自动接入RST瑞，为RAM提供备用电源，以保证存储在RAM中的信息不丢失，以使复电后能继续正常运行。ALE/PROG（ADDRESSLATCHENABLE/PROGRAMMING，30脚）：地址锁存允许信号端。当89S51上电正常工作后，ALE引脚不断向外输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率fsoc的1/6。CPU访问片外存储器时，ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。在CPU访问片外数据存储器时，每取指一次（一个机器周期）会丢失一个脉冲。平时不访问片外存储器时，ALE端也以1/6的振荡频率固定输出正脉冲，因而ALE信号可以用作对外输出时钟或定时信号。如果你想看一下805l／803l芯片的好坏，可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出，如有脉冲信号输出，则89S51／8031基本上是好的。EA／Vpp（31脚）：外部程序存储器地址允许输入端/固化编程电压输入端。当EA引脚接高电平时，CPU只访问片内EPROM/ROM并执行内部程序存储器中的指令，但在PC的（程序计数器）值超过OFFFH（对8751/89S51为4K）时，将自动转向执行片外程序存储器内的程序。一般通过一个1K左右的电阻接入高电平。当输入信号EA引脚接低电平（接地）时，CPU只访问外部EPROM／RDM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。对于无片内ROM的8031或8032，须外扩EPROM，此时必须将EA引脚按地。如使用有片内ROM的89S51，外扩EPROM也是可以的，但也要使EA接地。此引脚的第二功能Vpp，是对8751片内EPROM固化编程时，作为施加较高编程电压（一般21V）输入端。3.1.4单片机振荡电路89S51芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器及输入端为XTALl，输出端为XTAL2，分别为89S51的引脚19和18。在XTALl和XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容就构成了稳定的自激振荡器，见图3.3。图3.3振荡电路电容器C1和C2通常都取20pF左右，对振荡频率有微调作用。振荡频率范围是1.2～12MHz。在本系统中晶振选为12MHz,电容选用33PF。3.1.5复位及复位电路1.复位操作复位是单片机的初始化操作，其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需按复位键重新启动。除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，比如P0～P3寄存器，复位后都变成高电平。还有一些其他特殊的寄存器复位后都变成低电平。2.复位电路复位电路操作有上电自动复位和按键手动复位两种方式。在系统中，我们用了上电自动复位。下面上电自动复位的原理简单介绍，按键手动复位这在不再讲述。复位电路图如左图上电瞬间，RST端的电位与Vpp相同，随着充电电流的减小，RST端的电位逐渐下降，只要在RST处有时间足够长的阈值以上纳电压时就能可靠复位。复位电路虽然很简单，但其作用非常重要。一个单片机系统能否正常运行，首先要检查是否能复位成功，初步检查可用示波器探头监视RST引脚，上点后观察是否有足够幅度的波形输出（瞬时的）。在系统的调试过程中，就遇到过复位电路带来的问题，所以说复位电路运行的好坏对单片机硬件电路的调试很重要。3.2系统硬件总体设计燃气热水器温度控制系统硬件部分按核心处理器、外围电路和外部设备三部分来进行设计。核心处理器选用ATMEL公司生产的89S51系列单片机，该单片机功能强大，资源丰富，运算速度快，满足我们温度控制系统的设计需要。外围电路设计必要的电源电路，复位电路等。外部设备分为几个部分加以设计：键盘输入电路、数码管显示电路，温度采样电路、外部看门狗电路及蜂鸣器报警电路、步进电机驱动电路。系统设计了一路模拟量转数字量输入（热水器出水口温度）；三开关量输入（温度加一信号、温度减一信号、确定输入信号）；数码管显示部分由两位10进制数码显示，显示范围为0～99度。控制器硬件结构电路原理如图3.4所示。图3.4硬件结构原理图3.3键盘输入电路的设计由于本系统要求的输入，仅为用户预设的两位温度值，故所需要的键数比较少，用3个单键（加一，减一，确定）即可。可以用单片机的五个中断源中的三个进行设计，也可以用中断扩展进行设计。由于单片机引脚有限，在设计初期还不能确定是否有多出来的资源供使用，还有考虑到键盘响应的及时性和单片机运行的效率，所以本系统采用中断扩展控制方式，即三个单键先分别与三个I/O口相连，然后再通过与门连接到单片机外部中断0接口。其电路图如图3.5所示。3.5键盘输入电路3.4温度检测电路的设计3.4.1采用热敏电阻采用温度传感器铂电阻Pt1000。铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件，且此元件线性较好。在0—100摄氏度时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。铂热电阻与温度关系是，Rt=R0（1+At+Bt×t）；其中Rt是温度为t摄氏度时的电阻；R0是温度为0摄氏度时的电阻；t为任意温度值，A，B为温度系数。通过运算放大器将信号放大，然后输入AD转换器，这样就把模拟信号转换为数字信号了，电路原理图如图3.6所示。图3.6热敏电阻测温电路3.4.2采用集成温度传感器采用集成器件DS18B20，DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO－92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃，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；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。1.DS18B20的内部结构DS18B20内部结构如图3.7所示，主要由4部分组成：64位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的管脚排列如图3.8所示，DQ为数字信号输入／输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端。图3.7DS18B20的内部结构ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。64位ROM的排的循环冗余校验码。ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。图3.8DS18B20的管脚排列DS18B20中的温度传感器完成对温度的测量，用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。例如＋125℃的数字输出为07D0H，＋25.0625℃的数字输出为0191H，－25.0625℃的数字输出为FF6FH，－55℃的数字输出为FC90H。温度值低字节LSB温度值高字节MSB图3.9温度值转换关系高低温报警触发器TH和TL、配置寄存器均由一个字节的EEPROM组成，使用一个存储器功能命令可对TH、TL或配置寄存器写入。其中配置寄存器的格式如下：R1、R0决定温度转换的精度位数：R1R0=“00”，9位精度，最大转换时间为93.75ms；R1R0=“01”，10位精度，最大转换时间为187.5ms；R1R0=“10”，11位精度，最大转换时间为375ms；R1R0=“11”，12位精度，最大转换时间为750ms；未编程时默认为12位精度。2.DS18B20的存储器DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM，后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。高速暂存器是一个9字节的存储器。开始两个字节包含被测温度的数字量信息；第3、4、5字节分别是TH、TL、配置寄存器的临时拷贝，每一次上电复位时被刷新；第6、7、8字节未用，表现为全逻辑1；第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码，可用来保证通信正确。表3.1DS18B20暂存寄存器分布该字节各位的意义如下：TMR1R011111低五位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如表3.2所示：（DS18B20出厂时被设置为12位）表3.2分辨率设置表3.DS18B20和89S51的接口图3.10以MCS－51系列单片机为例，画出了DS18B20与微处理器的典型连接。图3.10（a）中DS18B20采用寄生电源方式，其VDD和GND端均接地，图3.10（b）中DS18B20采用外接电源方式，其VDD端用3V～5。5V电源供电。其电路结构如下。（a）寄生电源工作方式（b）外接电源工作方式图3.10DS18B20与微处理器的典型连接图考虑到本系统温度测量的范围，测量精度，系统稳定性以及成本等因素，本系统选用集成电路数字测温芯片DS18B20来完成温度测量以及温度值A/D转换的功能。3.5数码显示电路的设计3.5.1采用移位寄存器74LS164显示部分主要由串入并出移位寄存器74LS164和数码管等组成，其原理组成框图见图3.11所示。它共有四个接线端子，均有主板提供，74LS164为8位串入并出移位寄存器，它将串行输入的数据由各触发器输出端并行输出。在时钟脉冲上升沿图3.11移位寄存器数码显示电路作用下将已存入的数据右移一次，通过软件控制显示出来。该方案的特点是仅使用单片机的串行通信接口，占用单片机硬件资源少，需要用软件弥补。3.5.2采用单片机P0口直接驱动本设计驱动电路电路原理图如图3.12所示。系统使用共阴极两位数码图3.12P0口直接驱动数码显示电路管，使用单片机的P0口作为段选，P2.0、P2.1作为位选。使用2N5401PNP型小功率三极管做功率放大以驱动数码管，该方案结构简单可靠，使用上拉电阻，驱动能力强，成本低，故本设计使用该方案，电路原理图如图3.12所示。3.6步进电机及其驱动电路的设计由于我们所设计的系统主要在浴室中使用，负载较小，其次电源比油源和气源使用方便的原因，以及为了降低制造及控制成本，综合考虑以上各种驱动方式的优缺点，所以我们采用了步进电机作为驱动单元。步进电机驱动的优点是：步进电机的步距角不受供电电压波动及环境变化的影响。执行机构的运行速度随脉冲频率变化而改变，当脉冲频率不变时步进电机即保持恒速运行（步进电机不丢步的情况下）。步进电机的某一相保持通电状态，电磁转矩将转子锁定，起自锁作用，无需专设制动器。3.6.1步进电机驱动的特点步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移（或线位移）的机电元件。对这种电机施加一个电脉冲后，其转轴就转过一个角度，称为一步：脉冲数增加，角位移（或线位移）就随之增加，脉冲频率高，则步进电机旋转速度就高，反之就低；分配脉冲的相序改变后，步进电机的转向则随之而变。步进电机的运动状态和通常匀速旋转的电动机有一定的差别，它是步进形式的运动，故也称其为步进电动机。步进电机有其独特的优点，归纳起来主要有：1）步距值不受各种干扰因素的影响。简而言之，转子运动的速度主要取决于脉冲信号的频率，而转子运动的总位移量取决于总的脉冲个数。2）位移与输入脉冲信号相对应，步距误差不长期积累。因此可以组成结构较为简单而又具有一定精度的开环控制系统，也可以在要求更高精度时组成闭环控制系统。3）可以用数字信号直接进行开环控制，整个结构简单廉价。4）无刷，电动机本体部件少，可靠性高。5）控制性能好。起动、停车、反转及其他运行方式的改变，都在少数脉冲内完成，在一定的频率范围内运行时，任何运行方式都不会丢步。6）停止时有自锁能力。7）步距角选择范围大，可在几角分至180“大范围内选择。在小步距情况下，通常可以在超低速下高转距稳定的运行。3.6.2步进电机的主要参数及性能指标1.相数m电器上独立成系统而存在的回路个数即是相数。步进电机的相数可以为任意数，通常m为2，3，4，5，6等。2.步距角在不带任何减速装置的情况下，输入一个脉冲信号，步进电机所转过的机械角位移即步距角。3.距角特性步进电机静转矩和失调角的关系称为矩角特性。静转矩是指步进电机转子静止时，控制绕组通以直流电，由失调角（定转子齿中心线间夹角）的存在而引起的电磁转矩。当绕组内电流不变时，静转矩随失调角在一个齿距角范围内变化一个周期，在近似分析中视距角特性为正弦曲线。4.最大静转矩TN即距角特性上最大电磁转矩值。它的值取决于绕组内电流的值及通电相数。3.6.3步进电机的选用任何一个控制系统的控制效果，最终取决于执行机构的选择。所以，执行机构的选择是一个不容忽略的问题。由于本系统中，步进电机直接带动控制面板上的火力控制旋钮，从而间接控制燃气量调节阀的开度，以达到控制水温的效果。对步进电机只有扭矩上的要求和经济型以及控制性能方面的要求。所以电机的选择相对教容易，在本设计中，选用的步进电机为KHP35F2001。该电机的主要技术参数如下：驱动电压：12V步距角：1.8°3.6.4步进电机的驱动电路的设计步进电机是一种将电脉冲信号转换成直线或角位移的执行元件，它不能直接接到交直流电源上工作，而必须使用专用设备—步进电机控制驱动系统。典型步进电机控制驱动系统如图3.13所示。图3.13典型步进电机控制驱动控制系统框图变频信号源是一个脉冲频率从几赫到几十千赫可以连续变化的信号发生器，它为环形分配器提供脉冲序列。环形分配器的主要功能是把来自控制环环节的脉冲序列按一定的规律分配后，经过功率放大器的放大驱动步进电机的转动。环形分配器主要有两大类：一类是用计算机软件设计的方法实现环分器要求的功能，通常称软环形分配器。另一类是用硬件构成的环形分配器，通常称为硬环形分配器。功率放大器主要对环形分配器的较小输出信号进行放大，以达到驱动步进电机的目的。本课题所设计的步进电机控制驱动电路主要由AT89S51单片机、集成施密特触发器74HC14，功率驱动芯片ULN2003A组成，如图3.14所示。使用此驱动电路的工作原理为由软件做脉冲分配器，通过单片机的P1口输出控制字，P1口内置有上拉电阻，驱动能力较强。P1口输出的信号经过施密特触发器，使再电路状态转换时，通过电路内部的正反馈过程使输出电压波形的边沿变得很陡，从而消除干扰，使系统反应迅速。施密特触发器出来的信号经过ULN2003放大后驱动步进电机工作。图3.14步进电机驱动电路1.ULN2003A介绍美国Sprague公司生产的ULN2003A由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成，具有同时驱动7组负载的能力，为单片双极型大功率高速集成电路。以下介绍该电路的构成、性能特征、电参数以及典型应用。ULN2003电路具有以下特点：●电流增益高（大于1000）；●带负载能力强（输出电流大于500mA）；●温度范围宽（－40～85℃）；●工作电压高（大于50V）。ULN2003电路主要用于如下领域：●伺服电机；●步进电机；●电磁阀；●可控照明灯。管脚排列：ULN2003A电路的管脚排列如图3.15所示，图3.16为其原理和引脚功能图。图3.15ULN2003管脚排列图3.16ULN2003内部功能ULN2003A型高压大电流达林顿晶体管阵列电路的输入脉冲占空比、输出的路数与输出电流的关系曲线如图3.17所示，从图3.17可以看出，随着图3.17占空比与输出电流、输出路数的关系曲线图3.18ULN2003输入与输出曲线输入脉冲的占空比以及输出路数的增加，允许的输出电流随之降低，也就是说：电路的输出路数的增加将导致电路的驱动能力下降。图3.18所示为ULN2003A电路输出电流IC、输出电压VCE和输入电流II三者之间的关系曲线，从图3.18可以看出，随着输入电流的增加，输出电压随之降低，而随着输出电流的增加，输出电压也随之增加。3.7系统的安全性研究系统的安全性，是指在规定的条件下，规定时间内完成规定功能的能力。目前，安全性理论已经被广泛地应用在工程的各个领域，并且日益起到重要的作用。单片机应用燃气热水器温度控制是其智能化