基于单片机的即热式电热水器温度控制器的设计

基于单片机的即热式电热水器温度控制器的设计内容摘要：

领域 [7]。 其引脚如图 所示。 主要性能参数：  与 MCS51 产品指令系统完全兼容  4K 字节在系统编程（ ISP） Flash 闪速存储器  1000 次擦写周期  ～ 的工作电压范围  全静态工作模式： 0Hz～ 33Hz  三级程序加密锁  128 8 字节内部 RAM  32 个可编程 I/O 口线  2 个 16 位定时 /计数器  6 个中断系统  全双工串行 UART 通道  低功耗空闲和掉电模式  中断可从空闲模式唤醒系统  看门狗（ WDT）及双数据指针  掉电标识和快速编程特性  灵活的在系统编程（ ISP— 字节或页写模式） 图 AT89S51 引脚图 功能特性概述： AT89S51 提供以下标准功能： 4K 字节 Flash 闪速存储器， 128 字节内部 RAM， 32个 I/O 口线，看门狗（ WDT），两个数据指针，两个 16 位定时 /计数器，一个 5 向量两级中断结构，一个全双工串行 通信口，片内振荡器及时钟电路。 同时， AT89S51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。 空闲方式停止 CPU的工作，但允许 RAM，定时 /计数器，串行通信口及中断系统继续工作。 掉电方式保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。 湖南工业大学本 科毕业设计（论文） 7 引脚功能说明： 1． 主电源引脚 GND 和 VCC GND：接地。 VCC：主电源 +4～ +。 2． 时钟电路引脚 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1：接外部晶体的一端。 它是片内振荡器反相放大器的输入端。 在采用 外时钟时，外部时钟振荡信号直接送入此引脚作为驱动端。 XTAL2：接外部晶体的另一端。 它是片内振荡器反相放大器的输出端，振荡电路的频率是晶体振荡频率。 若采用外部时钟电路时，此引脚应悬空不用。 3． 控制信号引脚 RST、 ALE/PROG 、 PSEN 、 EA /VPP  RST：复 位输入端。 在该引脚输入 2 个机器周期以上的高电平将使单片机复位。  ALE/PROG ：地址锁存允许输出 /编程脉冲输入端。 这个引脚具有 2 种功能。 在访问片外存储器时， ALE 作为锁存扩展地址低位字节的输出控制信号（称允许锁存地址）。 平时不访问片外存储器时， 该 端也 以六分之一的时钟振荡频率固定输出正脉冲，供定时或其他需要使用。 ALE 端得负载驱动能力为 8 个 LSTTL（低功耗高速 TTL）。 在片内存储器编程（固化）时，此引脚用于输入编程脉冲，此时为低电平有效。  PSEN ：片外程序存储器选通 信号端。 在访问片外程序存储器取指令期间，PSEN 信号在 12 个时钟周期中两次生效。 不过，在访问片外数据存储器时，这两次有效的 PSEN 信号不出现。 PSEN 端同样可驱动 8 个 LSTTL 负载。  EA /VPP：为内、外程序存储器选择 /编程电源输入端。 这个引脚具有 2 种功能。 当 EA 端接高电平 时， CPU 从片内程序存储器地址 0000H 单元开始执行程序。 当地址超出 4KB 时，将自动执行片外程序存储器的程序；当 EA 端接低电平时， CPU 仅访问片外程序存储器，即 CPU 直接从片外存储器地址 0000H 单元开始执行程序。 4． 输入 /输出引脚（ P0、 P P2 和 P3 端口引脚）  ～ ： P0 口的 8 位 I/O 端口。 在访问片外存储器时，它分时提供低 8 位地址和 8 位数据，故这些 I/O 线有地址 /总线之称，简写做 AD0～ AD7。 在不做 总线时，也可以作为普通 I/O 口使用。 在对程序 存储器编程时，从 P0 输入指令字节；在验证程序时，则输出指令字节验证时要外接上拉电阻。  ～ ： P1 口的 8 位准双向 I/O 端口。 AT89S51 单片机的 P1口除了可以作为一般 I/O 口外，其中 5 位还有第二功能， 如 表 21。 湖南工业大学本 科毕业设计（论文） 8 表 21 P1 口各位的第二功能 P1 口的各位 第二功能的名称及作用 T2（定时 /计数器 2 的外部计数输入 /时钟输出） T2EX（定时 /计数器 2 的捕获触发和双向控制） MOSI（主机输出线，用于在系统编程） MISO（主机输入线，用于 在系统编程） SCK（串行时钟线，用于在系统编程）  ～ ： P2 口的 8 位准双向 I/O 端口。 在访问片外存储器时，它输出高 8位地址，即 A8～ A15。 在不做总线时，也可以作为普通 I/O 口使用。 在对闪存编程和验证程序时，它输入高 8 位地址。  ～ ： P3 口的 8 位准双向 I/O 端口。 这 8 个引脚都具有专门的第二功能，如 表 22。 表 22 P3 口各位的第二功能 P3 口的各位 第二功能的名称及作用 RXD（串行口输入） TXD（串行口输出） 0INT （外部中断 0 输入） 1INT （外部中断 1 输入） T0（定时 /计数器 0 的外部输入） T1（定时 /计数器 1 的外部输入） WR（片外数据存储器写选通控制输出） RD（ 片外数据存储器读选通控制输出 ） 电源模块 设计 电源电路为整个控制电路提供电源 ，是电路设计不可缺少的一部分。 电源电路的稳 定性决定着整个电路的可靠程度。 在本设计中，整个系统控制电路需要 +5V 的电源。 把市电交流 220V 经过变压器降压为交流 12V，在通过二极管整流、电容滤波、三端集成稳压器 CW7805 稳压后输出 +5V 直流电压 [8][9]。 电源电路图如图 所示。 湖南工业大学本 科毕业设计（论文） 9 1 2J1 ~ 2 2 0 VT12 2 0 :1 2D1D3D2D4C12 2 0 0 u FC20 .1 u FD5C31 0 u FC42 2 0 u FR11 0 0D5Power12J2H e a te r2V in1GND2+ 5 V3U1C W 7 8 0 5+ 5 V 图 电源电路 时钟电路设计 时钟是单片机的心脏，单片机各功能部件的运行都是以时钟频率为基准，有条不紊的一拍一拍地工作。 因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。 常用的时钟电路有两种方式：一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式 ，如图 所示。 本设计用的是内部时钟方式。 AT89S51 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，该高增益反向放大器的输入端为芯片引脚 XTAL1，输出端为引脚 XTAL2。 这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激振荡器。 图 时钟电路 外部复位电路设计 AT89S51 单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。 复位引脚 RST 通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的 S5P2，斯密特触发器的输出电平由 复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的(a) 内部振荡电路 (b) 外部振荡电路 湖南工业大学本 科毕业设计（论文） 10 信号。 AT89S51 单片机的外部复位电路有：（ a） 上电复位。 上电复位电路是 一 种简单的复位电路，只要在 RST 复位引脚接一个电容到 VCC，接一个电阻到地就可以了。 上电复位是指在给系统上电时，复位电路通过电容加到 RST 复位引脚一个短暂的高电平信号，这个复位信号随着 VCC 对电容的充电过程而回落，所以 RST 引脚复位的高电平维持时间取决于电容的充电时间。 为了保证系统安全可靠的复位， RST 引脚的高电平信号必须维持足够长的时间。 （ b）按键 电平 复位。 在上电复位的基础上，在复位电容上并接一个串电阻的按键即可 ， 当按键按下时 RST 引脚高电平，单片机复位。 复位如图 所示。 为了调试方便， 本 设计 采用了 按键复位电路。 C122 uFR21KV C CR E S E TR E S E TR151 0C122 uFR1KV C CR E S E T 图 复位电路 温度检测电路 设计 温度的检 测 传感器很多，传统的测温元件有热电偶和热电阻， 而 热电偶和热电阻测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部硬件支持，硬件电路复杂，软件调试复杂，制作成本高。 根据产品的温度要求，温度精度要达到 ℃ ，所以采用了美国 DALLAS 半导体公司生 产的智能温度传感器 DS18B20 作为检测元件，测温范围为 － 55℃ 到 125℃ ，分辨率最大可达 ℃。 DS18B20 采用单总线协议，即与单片机接口仅需占用一个 I/O 端口，无须任何外部元件，直接将环境温度转化成数字信号，以数字码方式串行输出，从而大大简化了传感器与微处理器的接口。 1． DS18B20 温度传感器特性  适应电压范围宽，电压范围在 ～ ，在寄生电源方式下可由数据线供电。  独特的单线接口方式，它与微处理器连接时仅需一条口线即可实现微处理器与DS18B20 的双向通信。  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。 (a) 上电复位 (b) 按键电平复位 湖南工业大学本 科毕业设计（论文） 11  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。  测温范围 － 55℃ ～ 125℃ ，在 － 10℃ ～ 85℃ 时精度为 177。 ℃。  可编程分辨率为 9～ 12 位，对应的可分辨温度分别为 ℃ 、 ℃ 、 ℃ 、℃ ，可实现高精度测温。  在 9 问分辨率时，最多在 内把温度转换为数字； 12 位分辨率时，最多在 750ms 内把温度转换为数字，显然速度更快。  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，同时可传送 CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。  负压特性。 电源极性接反，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 2． DS18B20 引脚介绍 DS18B20 有两种封装：三角 TO92 直插式（用的最多、最普遍的封装）和八脚SOIC 贴片式，封装引脚 如 图 所示。 引脚说明 如 表 23。 表 23 DS18B20 引脚定义 引脚 定义 GND 电源负极 DQ 数据输入 /输出脚 VDD 电源正极 NC 空 图 DS18B20 引脚封装图 (a) DS18B20 To92 (b) DS18B20Z 八脚 SOIC（ 150mil） 湖南工业大学本 科毕业设计（论文） 12 3． DS18B20 工作原理 DS18B20 控制指令： 读 ROM【 33H】。 读 DS18B20 温度传感器 ROM 中的编码（即 64 位地址） 匹配 ROM【 55H】。 发出此命令之后，接着发出 64 位 ROM 编码，访问单总线上与该编码相对应的 DS18B20 并使之响应，为下一步对该 DS18B20 的读 /写作准备。 搜索 ROM【 F0H】。 用于确定挂接在同一总线上 DS18B20 的个数，识别 64 位 ROM地址，为操作各器件做好准备。 跳过 ROM【 CCH】。 忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS18B20 发温度转换命令，适用于一个从机工作。 告 警搜索命令【 ECH】。 执行后只有温度超过设定值上限或下限的芯片才做出响应。 以上这些指令涉及的存储器时 64 位光刻 ROM，表 24 列出了他的各位定义。 表 24 64 位光刻 ROM 各位定义 8 位 CRC 码 48 位序列号 8 位产品类型标号 64 位光刻 ROM 中的序列号是出厂前被光刻好的，它可以看 作 该 DS18B20 的地址序列码。 其各位排列顺序是： 开始 8 位为产品类型标号，接下来 48 位是该 DS18B20自身的序列号，最后 8 位是前面 56 位的 CRC 循环冗余校验码（ CRC=X8+X5+X4+1）。 光刻 ROM 的作用是使每一个 DS18B20 都各不相同，这样就可以实现一条总线上挂接多个 DS18B20 的目的。 当主机需要对众多在线 DS18B20 中的某一个进行操作时 ，首先应将主机逐个与 DS18B20 挂接，读出其序列号；然后再将所有 DS18B20 挂接到总线上，单片机发出匹配 ROM命令（ 55H），紧接着主机提供的 64位序列（包括该 DS18B20的 48 位序列号）之后的操作就是针对该 DS18B20 的。 如果主机只对一个 DS18B20 进行操作，就不需要读取 ROM 编码以及匹配 ROM 编码了，只要用跳过 ROM（ CCH）命令，就可以进行操作了。 DS18B20 温度转换和读取指令： 温度转换【 44H】。 启动 DS18B20 进行温度转换， 12 位转换时最长为。