基于51单片机的电热水器控制系统的设计

基于51单片机的电热水器控制系统的设计内容摘要：

上的晶振的提供的时钟频率越高那单片机的运行速度也就越快 [2] 晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号通常一个系统共用一个晶振便于各部分保持同步有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振而通过电子调整频率的方法保持同步 而晶振由于会与单片机的 XTAL1与 XTAL2脚构成的振荡电路中会产生谐波从而降低电路时钟振荡器的稳定性 所以一般会匹配两个 30pf 的电容来消减谐波对于电路稳定性的影响 晶振电路如图 32 所示 XTAL1 和 XTAL2 分别是放大器的输入输出端 图 32 晶振电路 系统复位有两种方式上电复位与手动复位 [3] 上电复位上电瞬间电容充电电流最大电容相当于短路 RST 端为高电平自动复位电容两端的电压达到电源电压时电容充电电流为零电容相当于开路 RST 端为低电平程序正常运行 手动复位首先经过上电复位当按下按键时 RST直接与 VCC相连为高电平形成复位同时电解电容被短路放电按键松开时 VCC对电容充电充电电流在电阻上 RST依然为高电平 仍然是复位充电完成后电容相当于开路 RST 为低电平正常工作 [5] [8] DS18B20 具有以下特性 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 每个设备都有一个唯一的 64 位序列码存储在 ROM 中 简单的多点分布式测温应用 在使用中不需要任何外围元件 可以从数据线供电电源范围为 30V 55V 测温范围 － 55℃～＋ 125℃ 在 10℃～＋ 85℃间测温分辨率为 05℃ 温度计分辨率可由用户选择 9 至 12 位之间 在 750 毫秒内将温度转换为 12 位字 用户可自定义非易失性报警的设置 报警搜索命令定义和 存储的设备其温度不收程序限制温度报警状态 采用 8 引脚 SOP 和 3 引脚 TO 92 封装 软件与 DS1822 兼容 其引脚如图 34 所示 图 34 DS18B20 引脚图 引脚说明 GND 接地 DQ 输入输出数据 VDD 电源电压 NC 无连接 DS18B20 的极限使用条件 各引脚对地电压 05V06V 工作温度 55℃ 125℃ 储存温度 55℃ 125℃ 焊接温度参见 JSTD020A 的规格 以上指出的器件在进行正常焊接操作时所需要的环境条件可能还有部分为能说明但是在操作规格中已经 暗示器件可正常运行的环境长期工作在极限条件下可能会影响器件的可靠性 8B20 的内部结构 DS18B20 的内部存储资源分为 8 个字节的 ROM9 个字节的高速暂存器 RAM3 个字节的 EEPROM 如图 35 所示 图 35 DS18B20 内部结构图 每只 DS18B20 都有一个唯一存储在 ROM 中的 64 位编码最前面 8 位是单线系列编码接着的 49位是唯一的序列号最后 8位是以上 56位的 CRC编码当一条总线上皆有多个 DS18B20 时就通过序列号对其加以区分 主机操作 ROM 的指令有 5 种 33H 读 ROM 读 DS18B20 温度传感器 ROM 中的编码 55H 匹配 ROM 发出此命令后接着发出 64 位 ROM 编码访问单总线上与该编码相对应的 DS18B20 并使之做出响应为下一步对该 DS18B20 的读写做准备 F0H 搜索 ROM 用于确定挂接在同一总线上 DS18B20 的个数识别 64 位 ROM 地址位操作各期间做好准备 CCH 跳过 ROM 忽略 64 位 ROM 地址直接向 18B20 发温度变换命令 ECH 告警搜索命令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 高速暂存器 RAM 由 9 个字节组成其组成如图 38 所示包括两个温度显示位两个复制的 TH 和 TL 一个配置寄存器和三个保留位 一个 CRC 校验值可电擦 E2PROM又包括温度触发器 TH 和 TL 以及一个配置寄存器 表 33 高速暂存器 RAM 组成 寄存器内容 字节地址 温度值地位 LSB 0 温度值高位 MSB 1 高温限值 TH 2 低温限值 TL 3 配置寄存器 4 保留 5 保留 6 保留 7 CRC 校验值 8 操作 RAM 的指令主要有 44H 温度转换启动 DS18B20 进行温度转换结果存入 RAM BEH 读暂存器读内部 RAM 中的温度数据 4EH 写暂存器发出像内部 RAM 写上下限温度数据指令紧跟该命令之后传送 2字节的数据 48H 复制暂存器将 RAM 中的 THTL 复制到 E2PROM 中 B8H 重调 E2PROM 将 E2PROM 中内容恢复到中 B4H 读供电方式寄生供电时 DS18B20 发送 0 外界电源供电时 DS18B20 发送 1 DS18B20 的工作时序 DS18B20 需要严格的单总线协议以确保数据的完整性主要包括初始化系列读序列写序列所有时序都是讲主机作为主设备单总线设备作为从设备每一次命令和数据的传输都是从主机启动写时序开始如果要求单总线器件会送数据在进行写命令后主机需启动读时序写完数据将接受数据和命令的传输都是地位在先 初始化时序 1 先 将数据线置高电平 1 2 延时该时间要求不是很严格但是要尽可能短一点 3 数据线拉到低电平 0 4 延时 750us 该时间范围可以在 480～ 960us 5 数据线拉到高电平 6 延时等待如果初始化成功则在 15～ 60ms 内产生一个由 DS18B20 返回的低电平 0 据该状态可以确定它的存在 7若 CPU读到数据线上的低电平 0后还要进行延时其延时的时间从发出高电平算起至少要 480us 8 将数据线再次拉到高电平 1 后结束如图 36 所示 图 36 初始化时序图 写时序 1 数据线先置低电平 0 2 延时确定的时间为 15us 3 按从低位到高位的顺序 发送数据 4 延时时间为 45us 5 将数据线拉到高电平 1 6 重复 1～ 5 步骤直到发送完整个字节 7 最后将数据线拉高到 1 如图 37 所示 图 37 写数据时序图 读时序 1 将数据线拉高到 1 2 延时 2us 3 将数据线拉低到 0 4 延时 6 us 5 将数据线拉高到 1 6 延时 4 us 7 读数据线的状态得到一个状态位并进行数据处理 8 延时 30us 9 重复 1～ 7 步骤直到读取完一个字节如图 38 所示 图 38 读数据时序图 第四章 硬件模块的设计 在第二章已经提到硬件件模块的设计主要是指以单片机为核心包括外接的温度采集电路实时时钟电 路键盘热水器加热开关液晶显示电路报警电路以及复位电路的设计 图 41 硬件模块设计框图 41 温度采集模块 首先我们选择 DS18B20 作为本次设计的测温元件 由第三章有关内容可知 DS18B20 温度传感器可以将温度这一模拟信号转化为数字信号供处理器进行处理从而省去了电阻电感式传统温度传感器的信号运放模块与 AD 转换模块 DS18B20 只有三根外引线单线数据传输总线端口 DQ 2 外供电源线 VDD3 共用地线 GND1DS18B20有两种供电方式一种为数据线供电方式此时 VDD接地它是通过内部电容在空闲时从数据线获取能量来完 成温度转换相应的完成温度转换的时间较长这种情况下用单片机的一个 IO 口来完成对 DS18B20 总线的上拉另一种是外部供电方式 VDD 接 5V 相应的完成温度测量的时间较短 在本设计中采用外部供电方式实现 DS18B20 传感器与单片机的连接具体的接口电路如图 42 所示 图 42 温度传感器接口电路 42 实时时钟电路模块 本次设计采用的外接时钟模块芯片是美国 DALLAS 公司的 DS1302 时钟芯片 DS1302 的介绍 其作为一款高性能低功耗的实时时钟芯片附加 31 字节静态 RAM 采用 SPI 三线接口与 CPU 进行同步通信并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM 数据实时时钟可提供秒分时日星期月和年一个月小与 31 天时可以自动调整且具有闰年补偿功能工作电压宽达 25～ 55V 采用双电源供电主电源和备用电源可设置备用电源充电方式提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力 DS1302 的外部引脚分配如图 1 所示及内部结构如图 2 所示 DS1302 用于数据记录特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上能实现数据与出现该数据的时间同时记录因此广泛应用于测量系统中 各引脚的功能为 Vcc1主电源 Vcc2备份电源当 Vcc2 Vcc102V时由 Vcc2向 DS1302供电当 Vcc2 Vcc1 时由 Vcc1 向 DS1302 供电 SCLK 串行时钟输入控制数据的输入与输出 IO 三线接口时的双向数据线 CE输入信号在读写数据期间必须为高该引脚有两个功能第一 CE开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑其次 CE 提供结束单字节或多字节数据传输的方法 具体引脚图如图 43 所示 图 43 DS1302 引脚图 图 44 DS1302 内部结构图 钟模块原理图 电路原理图如图 45 所示 DS1302 与单片机的连接也仅需要 3 条线 CE 引脚SCLK 串行时钟引脚 IO 串行数据引脚 Vcc2 为备用电源外接 12MHz 晶振为芯片提供计时脉冲 图 45 DS1302 实时时钟电路接线电路 43 键盘输入模块 键盘输入原理图如图 46 所示 P33P37 分别接按键 S1S6 按键的功能分别是 S1 时间调整按钮 S3 烧水开始按钮与烧水温度调整按钮 S4 烧水时间设定按钮 S5 功能键 S6 功能键 图 46 键盘输入模块原理图 44 继电器加热模块 继电器的定义是当输入量 激励量 的变化达到规定要求时在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器它具有控制系统又称输入回路和被控制 系统又称输出回路之间的互动关系通常应用于自动化的中它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种自动开关故在电路中起着自动调节安全保护转换电路等作用 SRD05VDCSLC的继电器线圈电压为直流 5V为一单刀双掷继电器其引脚结构如图 47 所示 图 47 继电器引脚图 除线圈外另三个引脚构成一个单刀双掷开关当线圈通电时开关达到另一边原来的开触点吸和闭触点断开本设计中目的是用继电器吸和接通外接的以加热设备从而起到温度控制的作用只需用到一组常开触点则另一端空置 本次继电器模块的设计原理图如图 48 所示 图 48 继电器设计原 理图 45 LCD 显示模块设计 LCD 模块概述 本次设计采用的是一块 1602LCD液晶模块。