信息与通信]基于单片机的室内电热水器控制系统设计

信息与通信]基于单片机的室内电热水器控制系统设计内容摘要：

志将置位，每次温度测量都会更新此标志。 只要告警标志置位， DS18B20 就将响应告警搜索命令，这也就允许单线上多个 DS18B20 同时进行温度测量，即使某处温度越限，也可以识别正在告警的器件。 、 LED 数码 显示 管 在本电路 中采用的 LED 数码显示管优点是工作电压较低、体积小、寿命长、工作可靠性高、响应速度快、亮度高、显示清晰。 LED数码管有共阴极和共阳极之分，这里采用的是共阴极接法。 单片机与LED 数码显示器有以硬件为主和以软件为主的接口方式。 这里用 软件查表， 把机器运行的二 十进制 BCD 码 转化成 十进制的代码，并通过显示器显示出来。 下图为 LED 模型图以及其接 法。 图 、 LED 原理图及段码值 基于单片机的室内热水器控制系统设计 11 、 LED 数码显示器的接口 在本设计中采用了以软件为主的 接 口方法。 这种接口方法是以软件查表代替硬件译码的方式，来实现 显示，不但省去了译码器， 而且还能显示更多的字符。 在电路里，驱动器是必不可少的，因为仅靠接口是提供不了较大的电流供 LED 显示器使用。 下面的电路就是以软件为主的 LED 显示接口电路。 、 可编程 RAM I/O 接口 8155 芯片 介绍 8155 是 Intel 公司生产的可编程多功能接口芯片。 它内部有两个可编程的 8 位并行 I/O 口、一个 6 位并行 I/O 口、一个定时 /计数器以及 256 字节的 RAM 存储器。 8155 可以直接跟 51 系列单片机连接，不需要郑家硬件电路，使单片机应用系统中的最常用的一种接口芯片。 8155 的结构与引脚 8155 的内部结构如图所示： 图 、 LED 接口电路 图 、 以软件为主的 LED 显示接口电路 图 、 8155 芯片引脚及原理图 基于单片机的室内热水器控制系统设计 12 它含有 1 个 256 字节的 RAM、一个 14 位的定时 /计数器以及 3 个并行 I/O 口，其中 A 口、 B 口均为 8 位， C 口为 6 位。 A 口、 B 口既可以作为基本 I/O 口，也可以作为宣统 I/O 口； C 口除了可以作为基本 I/O 口外，还可以用作 A 口、 B 口的应答控制 联络信号。 此外， 8155内部还有一个控制寄存器组，用来存放控制命令字。 8155 的引脚介绍： RST：复位信号输入端，高电平有效。 复位后， 3 个 I/O 口均为输入方式。 AD0～ AD7：三态的地址 /数据总线。 与单片机的低 8 位地址 /数据总线（ P0 口）相连。 单片 机与 8155 之间的地址、数据、命令与状态信息都是通过这个总线口传送的。 RD ：读选通信号，控制对 8155 的读操作，低电平有效。 WR ：写选通信号，控制对 8155 的写操作，低电平有效。 CE ：片选信号线，低电平有效。 IO/ M ： 8155 的 RAM 存储器或 I/O 口选择线。 当 IO/M ＝ 0 时，则选择 8155 的片内 RAM， AD0～ AD7 上地址为 8155 中 RAM 单元的地址（ 00H～ FFH）；当 IO/ M ＝ 1 时，选择 8155 的 I/O 口， AD0～AD7 上的地址为 8155 I/O 口的地址。 ALE：地址锁存信号。 8155 内部设有地址锁存器，在 ALE 的下降沿将单片机 P0 口输出的低 8 位地址信息及 CE ， IO/ M 的状态都锁存到 8155 内部锁存器。 因此， P0 口输出的低 8 位地址信号不需外接锁存器。 PA0～ PA7： 8 位通用 I/O 口，其输入、输出的流向可由程序控制。 PB0～ PB7： 8 位通用 I/O 口，功能同 A 口。 PC0～ PC5：有两个作用，既可作为通用的 I/O 口，也可作为 PA口和 PB 口的控制信号线，这些可通过程序控制。 TIMER IN：定时 /计数器脉冲输入端。 TIMER OUT：定时 /计数器输出端。 VCC：＋ 5V 电源。 8155 的地址编码及工作方式 在单片机应用系统中， 8155 是按外部数据存储器统一编址的，为16 位地址，其高 8 位由片选线 CE 提供， CE ＝ 0，选中该片。 当 CE ＝基于单片机的室内热水器控制系统设计 13 0， IO/ M ＝ 0 时，选中 8155 片内 RAM，这时 8155 只能作片外 RAM使用，其 RAM 的低 8 位编址为 00H～ FFH；当 CE ＝ 0， IO/ M ＝ 1 时，选中 8155 的 I/O 口，其端口地址的低 8 位由 AD7～ AD0 确定，如表 1所示。 这时， A、 B、 C 口的口地址低 8 位分别为 01H、 02H、 03H（设地址无关位为 0）。 表 1 8155 芯片的 I/O 口地址 AD7～ AD0 选择 I/O 口 A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 命令 /状态寄存器 A 口 B 口 C 口 定时器低 8 位 定时器高 6 位及方式 8155 的 I/O 工作方式选择是通过对 8155 内部命令寄存器设定控制字实现的。 命令寄存器只能写入，不能读出，命令寄存器的格式如图 所示。 在 ALT1～ ALT4 的不同方式下， A 口、 B 口及 C 口的各位工作方式如下： ALT1： A 口， B 口为基本输入 /输出， C 口为输入方式。 ALT2： A 口， B 口为基本输入 /输出， C 口为输出方式。 ALT3： A 口为选通输入 /输出， B 口为基本输入 /输出。 PC0 为AINTR， PC1 为 ABF， PC2 为 ASTB ， PC3～ PC5 为输出。 ALT4： A 口、 B 口为选通输入 /输出。 PC0 为 AINTR， PC1 为 ABF，PC2 为 ASTB ， PC3 为 BINTR， PC4 为 BBF， PC5 为 BSTB。 基于单片机的室内热水器控制系统设计 14 、 LED 显示方法 通常 LED 显示器的显示方法有静态显示和动态显示方法。 在实际中，为了简化电路、降低成本，大多采用以软件为主的接口方法。 为了实现 LED 显示器的动态扫描显示 ，除了要给显示器提供显示段码之外，还要对显示器进行位的控制，即通常 所说的“段控”和“位控”。 “位控”实际上就是对 LED 显示器的公共端进行控制，位控信号的数目与显示器的位数相同 ，如下图。 图 、 8155 命令字格式图 图 、 LED 扫描原理图 基于单片机的室内热水器控制系统设计 15 在进行动态扫描时，一般不知道要显示什么内容，这样也就无从选择被显示字符的显示段码。 为此，一般在程序里用查表的方法，来读取要显示的字符段码。 、 加热控制 器 MOC3041 该部分采用了 Motorola 公司推出的单片集成可控硅驱动器件MOC3041，作为对加热器的驱动和控制。 MOC3041 芯片是一种集成的带有光耦合的双向可控硅驱动电路，它由输入和输出两部分组成，其内部集成了发光二极管 、双向可控硅和过零触发电路等器件。 、 MOC3041 引脚 图及 说明 图 、 MOC3041 引脚图 图 、加热原理图 基于单片机的室内热水器控制系统设计 16 1：此脚为阳极，输入 Vcc 2：此脚为阴极 3： NC 4：主终端 5： 子端口，此脚不接 6：主终端 、 键盘 控制 电路 用 AT89S51 的并行口 P1 接 44 矩阵键盘，以 － 作输入线，以 － 作输出线；在数码管上显示每个按键的 “0～ 9”序号以及两个功能键“ *”（设温键）、“ ”（定时键）。 、 键盘工作原理 键盘实际上是由排列成矩阵的一系列按键开关组成，它是单片机系统中最 常见的地人机联系的一种输入设备。 用户通过键盘可以向CPU 输入数据、地址和命令。 单片机系统中普遍使用非编码式键盘，这类键盘的使用主要需解决以下几个问题： 键的识别 如何消除键的抖动 键的保护 非编码式键盘的工作原理： 非编码式键盘识别闭合键通常有两种方法：一种称为行扫描法，另一种称为线反转法。 这里采用的是 线反转法。 以下 为线反转法 的原理 概述。 首先将行线作为输出线，列线作为输入线。 先通过行线输出全 0信号，读入列线的值。 如列线某一键被按下，则该列线值为 0。 然后将行线和列线的输入输出关系互换 （重新设置输入输出 口的状态），并将刚才读到的列线值从列线所接的并行口输出，再读入行线的输入值。 那么闭合键所在的行线 上的值必定为 0。 这样一个键被按下时，必定基于单片机的室内热水器控制系统设计 17 得到一对唯一的行值和列值。 将行值和列值合并起来就得到一个特征值 ，用此特征值对应查表就可以得到我们设定的按键值。 为了防止双键或多键同时按下，往往从第 0 行一直扫描到最后一行，若只发现 1 个闭合键；若发现两个或两个以上的闭合键，则全部作废。 消除键的抖动 可采用软件方法来消除键抖动 问题。 软件方法则是采用时间延迟以避开抖动，待信号稳定之后，在进行键扫描。 一般情况下，延迟消抖 的时间约为 10～ 20ms。 、 电子式水位开关 BZ2401 应用 电子式水位开关（ BZ2401） 电子式水位开关原理： 电子式水位开关 BZ2401（如右图）通过内置电子探头对水位进行检测，再由芯片对检测到的信号进行处理，当被测液体的液位到达动作点时，芯片输出高电平或低电平信号，与外置控制电路配合使用，从而实现对液位的控制。 不需浮球，无需干簧管，外部无机械动作，寿命长，性能稳定，一经安装无需调试、维护，即使外表积有污垢，它也表现出色。 可配合 单片机 或小功率的负载直接工作，可根据客户提出的使用条件设计。 电 子式水位开关特点如下： 特性：耐污、耐倾摇、耐颠簸、抗摔性强、耐盐雾、耐酸碱，外部无可动部件，不怕固体漂浮物的影响等 适用范围：清水、污水、酸碱盐水、海水、水处理药剂、河涌水、纺织印染水、各种工业废水等 安装方法：同一水位开关，可以横装、竖装、斜装等方式自由安装，灵活方便 固定方法：螺纹接口（ M20）固定或管夹固定 基于单片机的室内热水器控制系统设计 18 任意延长：根据自己的需要把水位开关加接材料任意延长或改变方向，而不会影响其功能，而材料只是普通而廉价的自来水 PVC 管和内牙接口、弯头，一经安装， 无需调试，维护简单。 工作电压： 5V（可根据客户要求定制）等，功耗小于 、判断有水时绿线输出 5V，无水时 0V。 2 硬件电路设计 本设计核心器件是采用单片机和单线数字温度传感器，单线器件和单片机的接口只需要一根信号线，所以硬件电路简化得十分简单。 通过用数字温度传感器 DS18B20 采集温度至单片机 AT89S51 进行处理，使系统可以控制对热水器的加热和保温，通过 LED 来实时显示温度；同时通过水位采集系统来实时监控水箱水位并显示，当水位过低时采取报警灯提示，干烧时警铃报警。 本设计可以通过键盘方式 来实现人机对话，实现设定温度和定时开机功能。 本系统还设有保护功能，包括漏电保护，掉电保护及高温保护。 硬件电路主框图见图。 在本系统中， P０口 用于七段码 LED 指示灯 显示， P１口 用于按键设计， P２ .2 用于跟 DS18B20 通信进行水温测量 ， 控制电加热管， 控制扬声器用于报警和指示 ， 用于水位监控 ， 用于漏电检测。 本系统的硬件电路见附录 1。 图 、系统原理框图 基于单片机的室内热水器控制系统设计 19 、 芯片处理电路 单片机的最小系统图： 、 温度采集电路 DS18B20 与 AT89S51 的接口电路 图 、芯片处理电路 图 、温度采集原理图 基于单片机的室内热水器控制系统设计 20 温度采集原 理图见图。 此电路中用到 AT89S51 单片机、温度测试器 DS18B20 器件。 其中， DS18B20 与单片机通过一线总线相连接， 89S51 通过通用 I/O 口 对 DS18B20 进行控制，读取 DS18B20所测得的温度；再用 2 个字节数码管连接至单片机的通用 I/O 口进行显示，一个数码管显示采集温度的个位，另一个显示采集温度的十位。 显示电路图参见显示电路模块。 、 温度显示电路 LED 显示接口的电路 LED 数码管通过 8155。