电热水器控制器论文

电热水器控制器论文 毕业设计(论文) 课 题 名 称 电热水器控制器 学 生 姓 名 学 号 系、年级专业 电气工程系06级电气工程及其自动化 指 导 教 师 职 称 2010年 5 月 19 日 0 摘要 该系统以单片机为核心，辅以键盘，显示电路。利用DS18B20智能数值温度传感器，对热水器出口温度进行检测，并反馈到单片机，与温度给定值进行比较，对加热元件进行通断控制，实现对热水器温度的控制。热水器具有数字给定，热水器给定温度，实际温度实时显示，低水位报警等功能。该系统还具有人机互交性好，操作简单实用，工作稳定等优点。 关键字: 电热水器控制器 单片机 DS18B20温度传感器 独立式键盘 1 Abstract The system as a monolithic integrated circuits, with a keyboard, the circuit. the temperature sensors ds18b20 intelligent value of export testing the water temperature, and feedback to monolithic integrated circuits, with the given value for heating element in comparison with the control, water temperature with the control. the water heater with the figures given, a given temperature is, the actual temperature of The system has also man-machine real-time, low water level alarm and other features. to each other well, and operation simple and practical work. such Keyword: design of water heater constant temperature controller MCU Ds18b20 temperature sensor singlekeyboard 2 目录 摘要((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((? Absract(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((? 1 绪论((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((1 .1 热水器概述(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((1 1 1.2 燃气式热器((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( 7 1.3 储水式电热水器(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( 1.4 太阳能热水器(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( 1.5电热水器的发展前景((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( 2 硬件电路总设计(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( 2.1 总体设计((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( 2.2 AT89C51主控制模块((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((17 2.3 DS18B20与单片机接口电路设计(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( 2.4 独立键盘模块(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( 2.5 显示模块(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( 2.6 加热控制模块(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( 2.7 低水位报警模块((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((28 3 软件设计((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((30 3.1 主程序设计及流程图(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( 3.2 DS18B20温度检测程序设计(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( 3.3 独立键盘扫描程序设计(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( 3.4 两位数码管显示程序设计. (((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( 32 4 软件调试及系统功能(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( 4.1 软件调试(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( 4.2 系统能实现的功能(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( 4.3 系统功能检测(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( 4.4 系统功能(((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( 3 1 前言 1.1 热水器概述 热水器是一种可供浴室，洗手间及厨房使用的家用电器。目前市场上热水器主要品种有 电热水器、太阳能热水器、燃气热水器.就中国的具体情况而言,由于太阳能热水器的使用受 天气原因的限制,使用范围狭窄;燃气热水器由于以石油、天然气为燃料,而燃料供应量又难 以满足人们日益增长的需求，且不利于环境，因此电热水器越来越受到消费者的青睐. 根据中国商业联合会前不久的统计，电热水器的市场份额在销售数量和销售收入两个方 面都已经超过了长期以来占优势的燃气热水器。该中心预计，在城市电网更大范围改造和城 市住房市场大规模启动的带动下，今后几年我国电热水器市场将呈现强劲增长势头。 热水器就是指通过各种物理原理，在一定时间内使冷水温度升高变成热水的一种装置。按 、燃气热水器、太阳能热水器三种。电热水器分为储水式和即热照原理不同可分为电热水器 式又称快速式电热水器 电热水器的特点是使用方便、节能环保，能持续供应热水。储水式容量分有30L、40L、50L、60L、80L、90L、100L等。 1.2 太阳能热水器 太阳能热水器是利用集热器吸收太阳光，将光能转化成热能，并通过储水箱将热水储存。目前，技术水平最完善的太阳能热水器是真空集热管太阳能热水器。真空集热管的内、外管之间是真空夹层，确保冬季管内不结冰，能够正常使用，内管上有一层选择性吸收镀膜，膜层能充分吸收太阳光。真空管里的水，吸收热量后，通过温差循环，加热储箱内的水。 1.3燃气式热水器 燃气热水器的基本工作原理是冷水进入热水器，流经水气联动阀体在流动水的一定压力差值作用下，推动水气联动阀门，并同时推动直流电源微动开关将电源接通并启动脉冲点火器，与此同时打开燃气输气电磁阀门，通过脉冲点火器继续自动再次点火，直到点火成功进入正常工作状态为止，此过程约连续维持5~10秒时间，当燃气热水器在工作过程或点火过程出现缺水或水压不足、缺电、缺燃气、热水温度过高、意外吹熄火等故障现象时，脉冲点火器将通过检测感应针反馈的信号，自动切断电源，燃气输气电磁阀门的缺电供给的情况下立刻回复原来的常闭阀状态，也就是说此时已切断燃气通路，关闭燃气热水器起安全保护作用。通常一台合格的燃气热水器，指各项性能指标符合GB6932-2001《家用燃气快速热水器》国家要求的燃气热水器，从点火状态到进入正常工作状态的整个过程是全自动控制，无需人为调整或附加设置，只要打开冷水开关或接通冷水水源，通过水量调节装置和气量调节装置调节得到合适的水量与水温，燃气 1 热水器就立刻在5~10秒较短的时间内进入正常工作状态，同时产出热水，一旦出现以上意外故障，燃气热水器将会在10秒内自动停止工作，并立刻切断燃气通路，防止燃气继续流出，且不能自动重新开启，除非人为地排除以上故障后再重新启动燃气热水器，方能正常工作状态，因此，其工作性能较为安全可靠。 1.4储水式电热水器 储热式电热水器又分为敞开式和封闭式两类。早期的储热式电热水器多为敞开式或开口式的，其结构简单，体积不大，靠吊在高处的压力喷淋，水流量较小，但价格较低，适合于人口少，家境不很富裕，仅做洗浴使用的家庭购买。敞开式电热水器由于没有对内胆设计承压性能，故不能向其他管路多处供水，功能有限。封闭式电热水器的内胆是密封的，水箱内水压很大，其内胆可耐压，故可多路供水，既可用于淋浴，也可用于盆浴，还可用于洗衣、洗菜，价格相对较贵，一般在千元左右。储热式电热水器可自动恒温保温，停电时可照样供应热水。热水器在中国的历史已经有10多年了，期间也经历了数次起落的过程，在上个世纪的最后几年，随着国外品牌的进入和国内一些大家电厂的目光转向电热水器，大量先进设备的购置，高品质配件厂的建立，以及国家对电热水器产品的和强制性标准的出台，电热水器快速跨越了产品的低级技术阶段，达到了一个相对高的技术水准，并因而迅速赢得了较大的市场份额。 1.5电热水器的发展前景 在上，主要的方向是大人机界面的人性化设计和网络化控制技术等方面，集中在更方便的操作(如各种有线和无线控制技术)、多种可选控制方式、各类预约加热技术和智能记忆技术上，并采市场日益规范的今天，如何在电热水器的技术上实现新的突破，是各厂家都在思考的重要问题，目前，各厂家在下一步电热水器的发展方向上的目标已经初现端倪。 由于不同于一般的家电产品，涉及到人身安全，所以安全问题一直是各大电热水器厂家考虑的重点，随着现在各种安全技术在电热水器设计中的普遍应用，用电环境的日益规范，以及国家对电热水器实行强制认证，对于正规厂家经过认证的产品来说，安全保障是符合要求的，只是由于商业的原因，各大厂家都不愿意放弃在安全问题上的炒作和宣传。但是如何在安全问题上能更进一步，在目前看来还没有什么突破性的技术问世，虽然有如微波加热和新型导热材料绝缘加热技术的试验进行，但在实际应用上仍需实现突破，反观国外，在此也没有更好的借鉴，所以，真正实现在安全技术上的跨越尚需时日。 此外，控制技术是另一个发展方向，目前在控制技术用大人机界面来使操作更容易，但是，严格来说，电热水器不属于高技术门槛的家电产品，在控制技术上的发展会稍滞后于彩电、冰洗之类的白色家电产品，所以，在控制技术上目前采用的主要是一些在其它家电类产品上成熟的技术，至于网络化控制技术是否是未来主要控制技术方向，则需要时间的检验。 2 另一个发展方向是节能设计，应该说，节能技术是未来电热水器发展的重点，在注重环保以及能源日益紧张的今天，对家电产品的节能要求会越来越严格，在这一点上，许多白色家电已有了相关标准，电热水器的能耗标准也在孕育中，在欧洲，新的针对家电产品的能耗指标提高了两个等级，对于大用电量的电热水器来说，如何节能不仅对于有效降低用户的使用费用有益，而且对于能源日益紧张的大环境也是必需的。 在节能设计上，主要应当集中在以下几个方面:一是在机械结构上的保温节能上，目前各厂家的电热水器在机械结构上改善保温效果都或多或少有潜力可挖，我们知道，采用发泡结构的电热水器在同等水温的情况下主要的热量消耗就在于保温层厚度、发泡充分程度、挂架的保温设计和降低维修端面的热量损耗上，对于一些采用非圆形结构外型的热水器来说，就需要考虑最薄部分的保温层厚度不可太薄，此外，虽然很多厂家采用混合发泡技术，但因为各种原因，或是发泡时间短，或是发泡温度不够都导致发泡不充分，影响到发泡质量和保温效果，而如果不采取有效措施降低挂架和维修端面的热损失，则过快的温度降低也会导致用电量激增，当然 ，研发新的隔热技术也是发展方向之一;二是控制技术上的定时加热或分步加热技术，由于在水温很高时热量流失较快，所以未采用该类技术的产品需要长时间在高温区反复加热，不仅启动频繁，而且耗电量很大，如果用户可根据自己的实际需要设定好规定时段以进行定时倒计时加热，则能将保温耗电降至最低，而采用模糊控制技术的分步加热技术则可利用峰谷电将水温加热至中温区，以减少保温时的热损失，并在设定时间前将水温加热至设定温度，从而达到降低使用费用的目的，只是这种技术需要大量的实验数据以归纳出经验公式。 最后是如何有效提高热水产率，由于电热水器结构上的原因以及安装方式的不同，大多数横式壁挂电热水器在使用时的热水利用率一般在60%左右，立式机会相对高一些，如果能有效提高热水利用比率则可以满足更长时间洗浴的要求，采用进水分流技术是一个可选的方向。 关于电热水器的各种相关技术和概念层出不穷，如何区分和把握概念炒作和真正的技术方向是需要企业关注的，如果仅注重于前者，则很容易失去在行业中的地位，曾几何时，各种外延功能的电热水器(如带语音功能)在市场上风靡一时，但最终只是昙花一现，今后市场地位的归属还是取决于谁能在关键技术上取得突破。概念技术向实用技术的转化速度以及新技术研发和储备的能力上。 2.总体方案设计 2.1总体方案 设计以89C51单片机为检测控制中心单元，DS18B20数字温度传感器实现温度检测与数字量输入，MAX7219串行驱动两位数码管显示温度，采用三个按键的独立式键盘进行温度设置。通过DS18B20对水箱里的水温实时检测系统将采集的温度数据与预设温度进行比较而控制 3 MOC3041光耦驱动加热元件从而使水箱的水温达到预设温度的。另外系统加设低水位报警模块， 对加热元件，水箱进行保护。控制器设计简单实用，使用方便性能稳定。总设计如图4.1 总硬件电路图见附表。 加热电路温度检测 单 低水位报警温度设定片 机 低水位监测显示电路 AT89C51 图2.1 2.2 AT89C51主控制模块 2.2(1 AT89C51单片机介绍 AT89C52 主要性能: 1、 与MCS-51 单片机产品兼容 2、 4K 字节在系统可编程Flash 存储器 3、 1000 次擦写周期 4、 全静态操作:0Hz,33Hz 5、 三级加密程序存储器 6、 32 个可编程I/O 口线 7、 三个16 位定时器/计数器 8、 八个中断源 9、 全双工UART 串行通道 10、低功耗空闲和掉电模式 l1、掉电后中断可唤醒 l2、看门狗定时器 13、双数据指针 4 l4、掉电标识符 方框图: 图3-8 AT89C51内部框图 功能特性描述: AT89C51提供以下表中功能:4k字节Flash闪速存储器，256字节内部RAM，32个I/O口线，3个16位定时/计数器，一个6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，AT89C52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它所有部件工作指导下一个硬件复位。 VCC : 电源电压 GND: 地 P0 口:P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节;在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1 口:P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输 5 入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流(IIL)。此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输(P1.0/T2)和时器/计数器2的触发输入(P1.1/T2EX)，具体如下表所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。 表2.1 P1.0和P1.1口的第二功能 P2 口:P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输 )。在访问外部程序存储入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流(IIL 器或用16位地址读取外部数据存储器(例如执行MOVX @DPTR)时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址(如MOVX @RI)访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 P3口:P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P3 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流(IIL)。P3口亦作为AT89C51特殊功能(第二功能)使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。 表2.2 P3口的第二功能 RST: 复位输入。晶振工作时，RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。 ALE/PROG:地址锁存控制信号(ALE)是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚(PROG)也用作编程输入脉冲。 在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。 6 然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置 “1”，ALE操作将无效。这一位置 “1”，ALE 仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个ALE 使能标志位(地址为8EH的SFR的第0位)的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。 PSEN:外部程序存储器选通信号(PSEN)是外部程序存储器选通信号。 当AT89C52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。 EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。 为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。 在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。 XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生器的输入端。 XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。 Flash 编程―并行模式: AT89C51 带有用作编程的片上Flash 存储器阵列。编程接口需要一个高电压(12V)编程使能信号，并且兼容常规的第三方Flash 或EPROM 编程器。 编程方法: 对AT89C51 编程之前，需设置好地址、数据及控制信号，可采用下列步骤对AT89C52 编程: 1(在地址线上输入编程单元地址信号 2(在数据线上输入正确的数据 3(激活相应的控制信号 4(把EA/Vpp 升至12V 5(每给Flash 写入一个字节或程序加密位时，都要给ALE/PROG 一次脉冲。每个字节写入周期是自身定时的，通常均为1.5ms。重复1—5步骤，改变编程单元的地址和写入的数据，直到全部文件编程结束。 2.2.2 AT89C51单片机模块电路 单片机系统由AT89C51和一定功能的外围电路组成，包括为单片机提供复位电压的复位电路，提供系统频率的晶振。这部分电路主要负责程序的存储和运行。上图中MCS-51内部时钟方式电路外接晶体以及电容C5和C6构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、谐振器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。晶体可在1.2MHz,12MHz之间任选，电容C5和C6的典型值在20pF,100pF之间选择，但在60pF,70pF时振荡器具有较高的频率稳定性。典型值通常选择为30pF 7 左右，但本电路采用33pF。在设计印刷电路板时，晶体或陶瓷振荡器和电容应尽可能安装的与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠的工作。为了提高温度稳定性，应采用温度稳定性能好的NPO高频电容。AT89C52的复位是采用的上电自动复位。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。本设计中所用到的是上电自动复位。 图2-3 单片机系统 2.3 DS18B20与单片机接口电路设计 2.3(1 DS18B20的工作原理 DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1,Wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。 DS18B20产品的特点 , 只要求一个端口即可实现通信。 , 在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。 , 实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。 , 测量温度范围在,55.C到，125.C之间。 , 数字温度计的分辨率用户可以从9位到12位选择。 8 , 内部有温度上、下限告警设置。 TO,92封装的DS18B20的引脚排列见图2-3，其引脚功能描述见表4-1。 表2-3 DS18B20详细引脚功能描述 序号 名称 引脚功能描述 1 GND 地信号 2 DQ 数字输入输出引脚,开漏单总线接口引脚,当使用寄生 电源时,可向电源提供电源 3 VDD 可选择的VDD引脚,当工作于寄生电源时,该引脚必须接 地 DS18B20的内部框图如图2-4所示。64位ROM存储器件独一无二的序列号。暂存器包含两字节(0和1字节)的温度寄存器，用于存储温度传感器的数字输出。暂存器还提供一字节的上线警报触发(T)和下线警报触发(TL)寄存器(2和3字节)，和一字节的配置寄存器(4H 字节)，使用者可以通过配置寄存器来设置温度转换的精度。暂存器的5、6和7字节器件内部保留使用。第八字节含有循环冗余码(CRC )。 图2-4 9 DS18B20加电后，处在空闲状态。要启动温度测量和模拟到数字的转换，处理器须向其发 出Convert T [44h] 命令;转换完后，DS18B20回到空闲状态。温度数据是以带符号位的16-bit 补码存储在温度寄存器中的，如图2-5所示 图2-5温度寄存器格式 符号位说明温度是正值还是负值，正值时S=0，负值时S=1。表4-2给出了一些数字输出 数据与对应的温度值的例子。 表2-4 温度 输出(2进制) 输出(16进制) +125? 0000 0111 1101 0000 07D0H +85? 0000 0101 0101 0000 0550H +20.0625? 0000 0001 1001 0001 0191H +10.125? 0000 0000 1010 0010 00A2H +0.5? 0000 0000 0000 1000 0008H 0? 0000 0000 0000 0000 0000H -0.5? 1111 1111 1111 1000 FFF8H -10.125? 1111 1111 0101 1110 FF5EH 25.0625? 1110 1110 0110 1111 EE6FH -55? 1111 1110 1001 0000 FE90H DS18B20的命令序列 , 初始化 , ROM命令跟随着需要交换的数据; 10 , 功能命令跟随着需要交换的数据。 访问DS18B20必须严格遵守这一命令序列，如果丢失任何一步或序列混乱，DS18B20都不会响应主机(除了Search ROM 和Alarm Search这两个命令，在这两个命令后，主机都必须返回到第一步)。 a(初始化: DS18B20所有的数据交换都由一个初始化序列开始。由主机发出的复位脉冲和跟在其后的由DS18B20发出的应答脉冲构成。当DS18B20发出响应主机的应答脉冲时，即向主机表明它已处在总线上并且准备工作。 b. ROM命令: ROM命令通过每个器件64-bit的ROM码，使主机指定某一特定器件(如果有多个器件挂在 -5所示，每个ROM命令都是8 bit长。 总线上)与之进行通信。DS18B20的ROM如表2 表 2-5 指令 功能 读ROM 33H 读DS18B20中的编码(即64位地址) 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 符合ROM 55H 相对应的DS18B20,使之作出响应，为下一步对该DS18B20的读写作 准备 搜索ROM 0F0H 用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数和识别64位ROM地址， 为操作各器件作好准备 跳过ROM 0CCH 忽略64位ROM地址，直接向DS18B20V 温度转换命令，适用于单个 DS18B20工作 告警搜索命令 0ECH 执行后，只有温度超过庙宇值上限或下限的片子才做出响应 温度转换 44H 启动DS18B20进行温度转换，转换时间最长为500ms(典型为 200ms),结果丰入内部9字节RAM中 读暂存器 BEH 读内部RAM中9字节的内容 写暂存器 4EH 发出向内部RAM的第3、4字节写上、下温度数据命令，紧该温度 命令之后，传达两字节的数据 2复制暂存器 48H 将RAM中第3、4字内容复制到EPROM中 22重调EPROM 0B8H 将EPROM中内容恢复到RAM中的第3、4字节 读供电方式 0B4H 读DS18B20的供电模式，寄生供电时DS18B20发送“0”，外部供电 时DS18B20发送“1” c. 功能命令: 主机通过功能命令对DS18B20进行读/写Scratchpad存储器，或者启动温度转换。 2.3.2 DS18B20与单片机接口电路设计 基于DS18B20多点温度测量系统以AT89C51为中心器件，以KEIL为系统开发平台，用C语言进行程序设计，以PROTEUS作为仿真软件设计而成的。 DS18B20是智能温度传感器，它的输入/输出采用数字量，以单总线技术，接收主机发送的命令，根据DS18B20内部的协议进行相应的处理，将转换的温度以串口发送给主机。主机按照 11 通信协议用一个IO口模拟DS18B20的时序，发送命令(初始化命令、ROM命令、功能命令)给DS18B20，并读取温度值，在内部进行相应的数值处理，用图形液晶模块显示各点的温度。在系统启动之时，可以通过4×4键盘设置各点温度的上限值，当某点温度超过设置值时，报警器开始报警，从而实现了对各点温度的实时监控。 每个DS18B20有自己的序列号，因此本系统可以在一根总线上挂接了4个DS18B20，通过CRC校验，对各个DS18B20的ROM进行寻址，地址符合的DS18B20才作出响应，接收主机的命 -6 令，向主机发送转换的温度。采用这种DS18B20寻址技术，使系统硬件电路更加简单。如图2 图2-6 DS18B20与单片机接口电路 2.4 独立键盘模块 键盘可分为两种:独立式键盘和矩阵式键盘。独立式键盘接法简单，但是严重浪费单片机的I/O口资源。当按键数目较少、I/O口不是很紧张的情况下可以采用独立式接法。控制器的功能选择和参数的设定都是通过按键来完成,本系统中选择了三个按键来完成以上功能。它包括一个“ + ”、“ - ”、“确定”、前两键用于调高或调低设定温度;“确定”键用于确定设置温度。由于按键数量少,所以可选择独立式按键。即直接用I/ O 口线构成单个按键。每个独立式按键占有一根I/ O 口线,每根I/ O 线上的按键的工作状态不会影响其它I/ O 口线的工作状态。显示电路可采用MAX7219串行输入静态显示方式来实现温度和时间的显示。显示温度范围为0,99 ?,。当需要修改参数时 ,通过“+ ”、“ - ”键进行修改。按下“确定”键设定温度成功,自动返回到正常显示测量温度值。电路图如图2-7 12 图2-7 2.5 显示模块 2.5.1 MAX7219芯片介绍 MAX7219 是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器,它连接微处理器与8位数字7段数字LED显示，也可以 连接条线图显示器或者64个独立的LED。其上包括一个片上的B的 型BCD编码器、多路扫描回路，段字驱动器，而且还有一个8*8的静态RAM用来存储每一个数据。只有一个外部寄存器用来设置各个LED的段电流。MAX7221与SPI?、QSPI?以及 MICROWIRE?相兼容，同时它有限制回转电流的段驱动来减少EMI(电磁干扰)。 一个方便的四线串行接口可以联接所有通用的微处理器。每个数据可以寻址在更新时不需要改写所有的显示。MAX7219同样允许用户对每一个数据选择编码或者不编码。整个设备包含一个150μA的低功耗关闭模式，模拟和数字亮度控制，一个扫描限制寄存器允许用户显示1-8位数据，还有一个让所有LED发光的检测模式。 管脚配置 13 图2-8 功能特点 10MHz 连续串行口 独立的 LED 段控制 数字的译码与非译码选择 150μA 的低功耗关闭模式 亮度的数字和模拟控制 高电压中断显示 共阴极 LED 显示驱动 限制回转电流的段驱动来减少 EMI(MAX7221) SPI, QSPI, MICROWIRE串行接口(MAX7221) 24 脚的 DIP 和 SO 封装 分类信息如表2-6 表2-6 芯片 工作温度范围 管脚封装 MAX7219CNG 0?C to +70?C 24 Narrow Plastic DIP MAX7219CWG 0?C to +70?C 24 Wide SO MAX7219C/D 0?C to +70?C Dice* MAX7219ENG -40?C to +85?C 24 Narrow Plastic DIP MAX7219EWG -40?C to +85?C 24 Wide SO 24 Narrow CERDIP MAX7219ERG -40?C to +85?C 14 管脚描述 表2-7 管脚 名称 功能 串行数据输入端口。在时钟上升沿时数据被载入内部的 位 16寄存器。 1 DIN 八个数据驱动线路置显示器共阴极为低电平。关闭时 7219 DIG 0–DIG 7 此管脚输出高电平,7221 呈现高阻抗。 2,3,5-8,10,11 4,9 GND 地线(4 脚和 9 脚必须同时接地) 载入数据。连续数据的后 16 位在 LOAD 端的上升沿时被锁定。 LOAD (MAX7219) 12 片选端。该端为低电平时串行数据被载入移位寄存器。CS 连续数据的后 16 位在cs 端的上升沿时被锁定。 (MAX7221) 时钟序列输入端。最大速率为 10MHz.在时钟的上升沿, 数 据移入 内 部移 位 寄存器。下降沿时,据从 DOUT 端输出。对 MAX7221 来说,只有当 cs 端为低电平时时钟输入才有效。 13 CLK SEG 7 段和小数点驱动,为显示器提供电流。当一个段驱动关闭时,7219的此端呈低电平,7221 呈现高阻抗。 14-17,20-23 A–SEG G, DP 18 通过一个电阻连接到 VDD来提高段电流。 SET 19 V+ 正极电压输入,+5V 串行数据输出端口,从 DIN 输入的数据在 16.5 个时钟 周期后在此端有效。当使用多个 MAX7219/MAX7221 时用此端方24 DOUT 便扩展。 15 管脚功能图 图2-9 时序图 图2-10 串行地址格式 对 MAX7219 来说,串行数据在 DIN 输入 16 位数据包,无论 LOAD端处于何种状态,在时钟的上升沿数据均移入到内部 16 位移位寄存器。然后数据在 LOAD/ cs 的上升沿被载入数据寄存器或控制寄存器。LOAD/cs 端在第 16 个时钟的上升沿同时或之后,下个时钟上升沿之前变为高电平,否则数据将会 16 丢失。在 DIN 端的数据传输到移位寄存器在 16.5 个时钟周期之后出现在 DOUT 端。在时钟的下降沿数据将被输出。数据位标记为 D0-D15(如表2-8表示)。D8-D11 为寄存器地址位。D0-D7 为数据位。D12-D15 为无效位。在传输过程中,首先接收到的是 D15 位,是非常重要的一位(MSB)。 表 2-8:串行数据格式 D15 D14 D13 D12 D11 D10 D9 D8 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 × × × × 地址 MSB 数据 LSB 数据寄存器和控制寄存器 -11 列出了 14 个可寻址的数据寄存器和控制寄存器。数据寄存器由一个在图2 片上的 8×8 的双向 SRAM 来实现。它们可以直接寻址所以只要在 V+大于 的情况下 2V每个数据都可以独立的修改或保存。控制寄存器包括编码模式、显示亮度、扫描限制、关闭模式以及显示检测五个寄存器。 表 2-11:数据寄存器和控制寄存器 掉电模式 MAX7219 掉电后,扫描震荡器关闭,所有段电流源和地连接,所要数字驱动与 V+相连,所以显示熄灭。MAX 7221 除了数字驱动呈现高阻抗以外其他都与 MAX7219 一样。在数据和控制寄存器里的数据是不变的。停机模式可以节省电源,当有一个连续的警报使显示器发光时,便能离开掉电模式。为了满足掉电模式最低的工作电流,逻辑输入应该在 GND 或 17 V+(CMOS 的逻辑电位)。 MAX7219 可以在小于 250Ns 的时间内离开掉电模式。在掉电模式下,显示驱动是可以编程,而且在显示检测的时候不用考虑他是否在掉电模式工作。 初始状态 在初始状态下,所有的控制寄存器将被重置,显示器熄灭,MAX7219 进入掉电模式。对显示驱动预先编程为以后显示而用。否则它将以最初的设置来扫描每一位数据,不对数据寄存器里的数据进行扫描,显示亮度寄存器设置为最小值。 译码模式寄存器 用来设置对每个数据进行B 型 BCD 译码或者不译码。寄存器中的每一位对应一个数据。逻辑高电平用来选择译码低电平取消译码。图 2-12 举例说明了译码控制寄存器的格式。 图 2-12 当选择译码模式时,译码器只对数据的低四位进行译码(D3-D0),D4-D6 为无效位。 D7位用来设置小数点,不受译码器的控制且为高电平。图2-13为 B 型译码的格式。 图2-13 当选择不译码时,数据的八位与 MAX7219 的各段线上的信号一致。图2-11列出了每个数字对应的段位码。 18 图2-14 亮度控制 MAX7219通过加在V+和ISET之间的一个外部电阻来控制显示亮度。段驱动电流一般是流入ISET端电流的100倍。这个电阻可以是固定的,也可以是可变电阻,通过前面板来控制以选择合适的亮度。其最小值为9.53K, ,它设定段电流为40mA。显示亮度也可以通过亮度寄存器来控制。 数字控制显示亮度是通过亮度寄存器的低四位来控制的脉宽调制器来控制。调制器将段电流平均分为16个阶次,最大值为由RSET设置的最大电流的31/32,最小值为电流峰值的1/32，图2-15列出了亮度寄存器的格式，最小 1/32。 数据熄灭时间设置为时钟周期的 图2-15 扫描控制寄存器 扫描控制寄存器用来设定扫描显示器的个数,从 1 个到 8 个.它们将以 800Hz 的扫描速率进行多路扫描显示。如果数据少的话,扫描速率为 19 8*fosc/N,N 是指需要扫描数字的个数。扫描数据的个数影响显示亮度,所以不能将扫描寄存器设置为空扫描。图2-16列出了扫描寄存器的格式。 图2-16 2.5.2 两位数码管驱动显示电路 该电路只使用AT89C51的三个I/O口，配接一块MAX7219串行输入共阴极显示驱动器。采用三线制串口技术进行数据的传送，与单片机直接连接。驱动显示两位数码管，实现温度显示。如图2-17 图2-17 20 2.6 加热控制模块 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。其工作过程是:当单片机的 P2 ( 1 口输出低电平时， MOC3041 输入部分的发光二极管导通。发出足够强度的红外光去触发输出部分，即控制可控硅的导通，从而打开加热器;同理，当 P2 ( 1 口输出为高电平时， MOC3041 输入部分的发光二极管截止，可控硅断开，关闭加热器。 该系统具体电路图如图2-17 图2-18 2.7低水位报警模块 该水位报警模块主要工作器件采用的一个水位开关，水位开关是一个空气压力开关，它是由一个水管，气囊和一个触动开关组成的。当热水器水箱里有水时上升的水位挤压水管里的空气，并将这个压力传给气囊，气囊使微动开关保持断开状态，当水箱水位低于设计水位时，按上述原理微动开关闭合。原理如图2-19 21 图2-19 通过微动开关接一个下拉电阻与单片机P1.3口相连，当低于设定水位时单片机P1.3将输入低电平，通过单片机处理，使P2.1变为高电平，驱动蜂鸣器工作实现，低水位控制器蜂鸣报警。电路图如下(电路图用一个按键模拟，水位开关的功能。)2-20 图2-20 22 3 软件设计 3.1系统软件设计及主流程图 本次设计主要利用C语言编写程序，根据功能的需要进行编程，其中软件设计所用的软件主要是Keil uVision3软件，PROTEUS ISIS软件。 控制器控制热水器，为用户提供设定温度的热水，实时显示水箱的热水温度，为用户使用热水提供方便。 根据这一要求，控制器软件采用模块式设计，包括主程序，温度检测子程序，键盘扫描子程序，MXA7219驱动两位数码显示子程序，报警子程序，温度控制子程序等。系统主要完成温度和水位的检测，以及通过加热元件实现水温控制。系统主流程图如图3.1所示 开始 初始化 键盘扫描读入 Y 有按键下, N 启动温度检测 温度温度 显示温度+一减一 N停止加热温度<设定值 Y 送显示加热 YP0.7=1报警 N 图3.1 23 3.2显示子程序 无论是MAX7219的初始化，还是2个七段数码管的显示，均必须对数据进行写入。16位数据包分成2个8位的字节进行传送，第一个字节是地址，第二个字节是数据。在16位数据包中，D15—D12可以任意写，在此均置“1”;D11-D8决定所选通的内部寄存器地址;D7-D0为待显数据，2个LED数码管的显示内容在TABLE中。MAX7219与单片机的连接显示程序流程图如图 MAX7219显示程序 串行装入显示数据 串行驱动LED显示 LED显示完,N Y 返回 3.2显示子程序流程图 3.3按键扫描程序 此控制器采用三个按键的独立键盘，分别与连接单片机P1.0,P1.1,P1.2口。如果有键按下，则输入为低电平，否则为高电平。这样可以通过扫描以上三口的数据来判断按下的是哪个键。且本程序带有消除按键抖动设计，可以防止由于键盘抖动而引起的误操作，程序流程图如图3-3所示 24 键盘扫描子程序 N是否有键按下 Y 消除按键抖动 累加器A加一送YP1.0是否按下显示 N Y累加器A减一送P1.1是否按下显示 N NP1.2是否按下 Y 返回 3-3键盘扫描子程序流程图 3.4 DS18B20温度检测程设计 根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤:每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，DS18B20收到信号后等待16,60微秒左右，后发出60,240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。程序流程图如下3-4 25 入口 初始化 NDS18B20存在, Y ROM操作命令 存储操作命令 读取温度值 计算温度值 返回 3-4 温度检测子程序 4 软件调试及系统功能 4.1 软件调试 软件的调试主要通过Keil uVision3软件进行操作，对程序编写过程中的错误进行查找，找出错误，进行修改，然后再进行编译直至编译成功，生成HEX文件，才能下载到单片机里，继而实现相应功能。 4.2系统能实现的功能 本系统通过单片机控制各个电路模块以实现对温度检测调节，以及对整个热水器的智能化控制。 4.3系统功能测试 设计前期通过KEIL软件和PROTEUS仿真软件的联调，对设计功能进行仿真，均达到了预期的设计效果，设计后期，硬件制作完毕后，将仿真成功后的程序通过单片机下载程序，写入单片机，再根据显示模块的各个端口连接方式，正确地将单片机跟显示模块连接，最后都实现了设计的功能。 26 4.4系统功能分析 该控制器和以往显示仪相比具有性能价格比高、温度控制与显示精度高、使用方便和性能稳定等优点。单片机控制系统具有低价、智能的优势，能够根据需求的不同而作相应的调整，更加个性化。同时，使用单片机控制系统能够节约能源，保护设备，延长设备的使用时间。 结构简单、运行可靠、操作维护简便。 27 参考文献 [1] 曹琳琳(单片机原理应用及接口技术[M](国防科技大学出版社 [2] 李建忠.单片机原理及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社，2003 [3] 王迎旭.单片机原理与应用[M].北京:机械出版社，2004 用系统实例分析[M].北京:北京航天大学出版社，2003 [4] 沈红卫.单片机应 [5] 李朝青.单片机原理及接口技术[M].北京:北京航天大学出版社，2002 [6] 宋文绪，杨帆.传感器与检测技术[M].北京:高等教育出版社，2004 [7] 何立民(MCS-51系列单片机应用系统设计 [8] 王港元(电子技能基础.成都:四川大学出版社，2001( [9] 张万奎(模拟电子技术.长沙:湖南大学出版社，2004.7( [10] 张克农(数字电子技术基础(北京:高等教育出版社，2003.4( [11] 丘关源.电路.北京: 高等教育出版社, 2005 28 附录 TEMPER_L EQU 29H;用于保存读出温度的低8位 TEMPER_H EQU 28H;用于保存读出温度的高8位 FLAG1 EQU 38H;是否检测到DS18B20标志位 a_bit equ 20h ;数码管个位数存放内存位置 b_bit equ 21h ;数码管十位数存放内存位置 YUSHE EQU 22H ;用于保存预设温度 KEYT EQU 26H;用于保存键盘设定温度 GETT EQU 27H;用于保存检测计算温度 ORG 0000H AJMP MIAN MIAN: MOV 22H,#032H LCALL INIT_7219 SETB P1 CLR P2.1 START: LCALL KEY LCALL TEMPER LCALL DISP LCALL SHIFT LCALL ALARM AJMP START --------------------------------------------------- INIT_7219:MOV A,#0FBH 显示初始化 MOV B,,#01H LACALL WRITE MOV A,#0F9H MOV B,#00H LCALL WRITE MOV A,#0FAH MOV B,#0CH 29 LCALL WRITE MOV A,#0FCH MOV B,#01H LCALL WRITE RET ------------------------------------------------------------ INIT_1820: DS18B20初始化 SETB P2.2 NOP CLR P2.2 ;主机发出延时537微秒的复位低脉冲 MOV R1,#3 TSR1:MOV R0,#107 DJNZ R0,$ DJNZ R1,TSR1 SETB P2.2;然后拉高数据线 NOP NOP NOP MOV R0,#25H TSR2: JNB P2.2,TSR3;等待DS18B20回应 DJNZ R0,TSR2 LJMP TSR4 ; 延时 TSR3: SETB FLAG1 ; 置标志位,表示DS1820存在 CLR P1.7;检查到DS18B20就点亮P1.7LED LJMP TSR5 TSR4: CLR FLAG1 ; 清标志位,表示DS1820不存在 CLR P1.1 30 LJMP TSR7 TSR5: MOV R0,#117 TSR6: DJNZ R0,TSR6 ; 时序要求延时一段时间 TSR7: SETB P2.2 RET ----------------------------------------------------------- KEY : MOV A,P1 键盘扫描子程序 CJNE A,#0FFH AJMP KEY KK: MOV R4,22H MOV A,P1 CJNE A,#0FFH AJMP KEY KK1: CJNE A,#0FEH,KK2 MOV A,R4 INC A MOV R4,A LACLL DISP AJMP LP KK2: CJNE A, OFDH,KK3 MOV A,R4 DEC A MOV 26H,A LACLL DISP KK3: CJNE A ,0FCH,KEY LP: AJMP KEY RET 31 ------------------------------------------------------------------------------------------ DISP: MOV b,#10 ;10进制/10=10进制 显示子程序 div ab MOV 20H,a ;十位在a MOV 21H,b ;个位在b MOV DPTR,#TABLE MOV A,20H MOVC A@A+DRTR LACLL WRITE LACLL DELAY MOV A,21H MOVC A@ADPTR LACLL WRITE LACLL DELAY RET WRITE:CLR P0.1 LACLL SEND STEB P0.1 RET SEND:MOV R5,#02H SEND1:RLC A MOV P0.0,C CLR P0.2 NOP NOP NOP NOP NOP SETB P0.2 DJNE R5,SEND1 RET 32 TABLE: DB 7EH 30H 6DH 79H 33H 5DH 5FH 70H 7FH 7BH RET DELAY:R7,#14H DEL: R6,#8AH DJNE R6$ DJNE R7,DEL RET -------------------------------------------------------------------------------------------- TEMPER: 温度检测子程序 MOV A,#OCCH LCALL WRITE_1820 JNB F1 ,TEMPER MOV A,#44H LCALL WRITE_1820 LCALL DISP LCALL READ_1820 MOV A,#0BEH LCALL WRITE_1820 LCALL READ_1820 LCALL ZWDS_1820 LCALL DISP RET GET_TEMPER: SETB p2.7 LCALL INIT_1820;先复位DS18B20 JB FLAG1,TSS2 RET ; 判断DS1820是否存在?若DS18B20不存在则返回 TSS2: ;DS18B20已经被检测到 MOV A,#0CCH ; 跳过ROM匹配 33 LCALL WRITE_1820 MOV A,#44H ; 发出温度转换命令 LCALL WRITE_1820 ;这里通过调用显示子程序实现延时一段时间,等待AD转换结束,12位的话750微秒 LCALL DISPLAY LCALL INIT_1820;准备读温度前先复位 MOV A,#0CCH ; 跳过ROM匹配 LCALL WRITE_1820 MOV A,#0BEH ; 发出读温度命令 LCALL WRITE_1820 LCALL READ_18200; 将读出的温度数据保存到35H/36H RET WRITE_1820: 写DS18B20 MOV R2,#8;一共8位数据 CLR C WR1: CLR p2.7 MOV R3,#6 DJNZ R3,$ RRC A MOV p2.7,C MOV R3,#23 DJNZ R3,$ SETB p2.7 NOP DJNZ R2,WR1 SETB p2.7 RET 34 READ_1820:读DS18B20 MOV R4,#2 ; 将温度高位和低位从DS18B20中读出 MOV R1,#29H ; 低位存入29H(TEMPER_L),高位存入28H(TEMPER_H) RE00: MOV R2,#8;数据一共有8位 RE01: CLR C SETB p2.7 NOP NOP CLR p2.7 NOP NOP NOP SETB p2.7 MOV R3,#9 RE10: DJNZ R3,RE10 MOV C,p2.7 MOV R3,#23 RE20: DJNZ R3,RE20 RRC A DJNZ R2,RE01 MOV @R1,A DEC R1 DJNZ R4,RE00 RET --------------------------------------------------------------------------------- ZWDS_1820:MOV A,29H 温度计算子程序 MOV C,40H;将28H中的最低位移入C RRC A MOV C,41H RRC A 35 MOV C,42H RRC A MOV C,43H RRC A MOV 27H,A ------------------------------------------- ALARM: MOV A,P1.3 报警子程序 JZ ALARM SETB P2.1 -------------------------------------------------- SHIFT:MOV A,26H 加热控制子程序 MOV B,27H SUBB A,B MOV A,C JZ TT2 TT1: CLR P2.0 TT2: SETB P2.0 RET 36 37 致谢 毕业论文暂告收尾，这也意味着我在邵阳学院的四年的学习生活既将结束。回首既往，自己一生最宝贵的时光能于这样的校园之中，能在众多学富五车、才华横溢的老师们的熏陶下度过，实是荣幸之极。在这四年的时间里，我在学习上和思想上都受益非浅。这除了自身努力外，与各位老师、同学和朋友的关心、支持和鼓励是分不开的 论文的写作是枯燥艰辛而又富有挑战的。电热水器控制器一直探讨的热门话题，老师的谆谆诱导、同学的出谋划策及家长的支持鼓励，是我坚持完成论文的动力源泉。本论文最终得以顺利完成，非常感谢我的指导教师杨波老师。从论文选题直到论文的最终完成，他都给予我尽心尽力的指导。杨波老师严谨的治学态度深深的影响着我，对我今后的学习、工作、生活必将产生影响。借此机会，我再次感谢我的论文指导老师杨波罗老师，愿他以后能身体健康，工作顺利。再次表示最诚挚的感谢。 感谢邵阳学院的所有领导和老师。他们严谨的学风、渊博的知识、诲人不倦的品格一直感染和激励着我不断上进，使我大学四年的时光充实而有意义。“明德至善，博学笃行”，“给我个机会，还你个奇迹”，在这所美丽的校园里，不断成长，在这里我所学到的，必将使我受益终生。 在本论文的写作中，我也参照了大量的著作和文章，许多学者的科研成果及写作思路给我很大启发，在此向这些学者们表示由衷的感谢。 最后最应该感谢的就是自己，没有自己的努力，论文是永远都完成不了的。感谢我自己以最大的毅力完成这四年大学学习，感谢自己在四年大学的学习让自己渐渐能明白人生的真谛，祝自己一帆风顺。 38