家用電熱水器控制電路的設(shè)計(申瞳)

1、鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計說明書（2010）畢業(yè)設(shè)計說明書家用電熱水器控制電路的設(shè)計專業(yè)電氣工程及其自動化學(xué)生姓名申 瞳班級bm電氣061學(xué)號0651420135指導(dǎo)教師夏菽蘭 王吉林完成日期2010年6月3日家用電熱水器控制電路的設(shè)計摘 要：設(shè)計說明書簡述了熱水器的發(fā)展歷史，闡述了快熱式家用電熱水器控制電路的構(gòu)成及工作原理。整個控制電路主要由電源電路、單片機控制器、溫度檢測電路、按鍵輸入電路、led顯示電路、蜂鳴報警電路和加熱控制電路組成。其中溫度檢測電路設(shè)計采用溫度/頻率轉(zhuǎn)換測溫法，直接將溫度信息轉(zhuǎn)換成頻率信號，用單片機測出頻率大小，從而間接測出溫度值，溫度/頻率轉(zhuǎn)換電路簡單可靠，成本低廉。

2、為了達到快熱的效果使冷水在進入加熱管后立即被加熱，加熱電路設(shè)計采用方便可靠的電熱絲加熱，對于加熱功率的控制設(shè)計采用雙向可控硅控制功率，電路簡單且控制方便。報警電路在溫度超過規(guī)定值時報警使控制電路自動調(diào)整溫度。直流穩(wěn)壓電源部分則為整個控制電路提供能量。系統(tǒng)程序設(shè)計包括主函數(shù)程序、顯示掃描子函數(shù)程序、按鍵掃描處理子程序、加熱控制函數(shù)程序與溫度檢測函數(shù)程序等的設(shè)計。設(shè)計說明書重點闡述了系統(tǒng)的工作原理、硬件構(gòu)成、各部分的主要功能以及軟件的結(jié)構(gòu)和實現(xiàn)。關(guān)鍵詞：電熱水器；at89c51；控制電路the control circuit design of the appliance electric wat

3、er heaterabstract: the developing history of water heater is stated simply and the constitution and controlling principle of water heater system are expounded.the entire circuit is mainly from by the circuit of the power,controller of the scm, the circuit of temperature measures, the circuit of key

4、input, the circuit of led,the bee chirps in the warning circuit and heats the control circuit.the circuit of the temperature measures designs and adopts temperature/frequency to change and examine the warm law, change temperature information into a frequency signal directly,determines the frequency

5、size with the monolithic integrated circuit, thus measure temperature value indirectly, it is reliable that temperature/frequency changes the circuit simply,the cost is cheap.for reach hot result make cold water in enter heat, immediately in charge of soon, heat the circuit and design and adopt the

6、convenient and reliable heating wire to be heated,design and adopt the two-way silicon controlled rectifier to control the power as to heating control of power, the electric circuit is simple also the control convenience, alarm circuit main examination system temperature,when the temperature surpass

7、es the rating reports to the police causes the control circuit automatic control warm ,the direct current voltage-stabilized source are partial provides the energy for the entire control circuit, the design of the circuit. the system designs program and includes the main function procedure, reveal t

8、hat scans the sub function procedure, the button scans and deals with the subprogram, heat and control the design that function procedure and temperature measure the function procedure etc.systematic operation principle that the design instruction has been explained especially, hardware constitution

9、,each part of main functions as well as software structure and realization.key words: electrical water heater ; at89c51; control circuit目 錄1概 述12方案論證23 系統(tǒng)組成器件的選用33.1 單片機at89c5133.1.1 功能特性描述43.1.2 單片機的工作方式83.1.3 8051的基本時鐘周期93.2 數(shù)碼管93.2.1 數(shù)碼管的基本組成93.2.2 多位數(shù)碼管的顯示103.3 三端固定輸出穩(wěn)壓器7805114 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計124.1 直流

10、穩(wěn)壓電源電路134.2 顯示電路134.4 過零檢測電路154.5 溫度檢測電路155 系統(tǒng)程序的設(shè)計165.1 主函數(shù)165.2 顯示掃描子函數(shù)175.3 按鍵掃描處理子程序185.4 加熱控制函數(shù)195.5 溫度檢測函數(shù)216 結(jié)束語24參考文獻25致 謝26附 錄27附錄1程序清單28附錄2 電路原理圖36附錄3 電路pcb圖37快熱式家用電熱水器控制電路的設(shè)計1概 述目前市場上熱水器主要品種有電熱水器、太陽能熱水器、燃氣熱水器。就中國的具體情況而言，由于太陽能熱水器的使用受天氣原因的限制，使用范圍狹窄；燃氣熱水器由于以石油、天然氣為燃料，而燃料供應(yīng)量又難以滿足人們?nèi)找嬖鲩L的需求，且不利

11、于環(huán)境，因此電熱水器越來越受到消費者的青睞?？鞜崾郊矣秒姛崴骶褪亲屚ㄟ^機體的水流即刻轉(zhuǎn)化成理想水溫的熱水器。它的問世是家用電熱器具領(lǐng)域一次新的進步，彌補了其它熱水器的不足，屬傳統(tǒng)型熱水器的替代產(chǎn)品。快熱式家用電熱水器在歐美等西方國家已經(jīng)有數(shù)十年歷史，省時、方便、節(jié)能、節(jié)水、環(huán)保等特性已得到廣大用戶認可，而中國市場尚未全面推廣，主要歸根于用電設(shè)施尚未得到根本性的改善。目前，隨著全國電網(wǎng)的改造，電的普及，電價的大幅度下調(diào)，以及用電設(shè)施的改善，均為電熱水器的迅速普及提供了有利的條件。據(jù)國務(wù)院近期發(fā)布的調(diào)查結(jié)果顯示，目前電熱水器取代燃氣熱水器已經(jīng)占據(jù)了國內(nèi)熱水器市場近60%的市場份額，并呈現(xiàn)出不斷增

12、長的趨勢。從增長速度來看，快熱式家用電熱水器年增長率高達40%。為此，進行快熱式家用電熱水器的技術(shù)改進和完善，提高其能量利用率對節(jié)約能源和環(huán)境保護，都有著不可忽視的重要意義?？鞜崾郊矣秒姛崴鳠o需儲水罐，熱水即開即用，無需預(yù)熱，減少了電能的浪費，應(yīng)用價值極高。另外還具有體積小、使用安全、安裝方便、水溫恒定、不易結(jié)水垢、使用壽命長等優(yōu)點。其設(shè)計的功能要求如下：用2位數(shù)碼管顯示水溫，能顯示設(shè)定功率位。溫度檢測顯示范圍為0099，精度為1。設(shè)置3個功率檔位指示燈，14檔1個燈亮，58檔2個燈亮，9檔3個燈亮；0檔無功率輸出，檔位燈不亮。設(shè)置3個輕觸按鈕，分別為電源“開關(guān)”、“+”、“-”鍵。加熱功率

13、分為09 檔。按“+”鍵依次遞增至 9 檔，按“-”鍵依次遞減至 0 檔。09 檔功率依次為0、1/9p、2/9p、3/9p、4/9p、5/9p、6/9p、7/9p、8/9p 和 p。出水溫度超過65時停止加熱，并蜂鳴報警，溫度降到45以下時恢復(fù)。內(nèi)膽溫度超過105時停止加熱，防止干燒。2方案論證目前，隨著全國電網(wǎng)的改造，電的普及，電價的大幅度下調(diào)，以及用電設(shè)施的改善，均為電熱水器的迅速普及提供了有利的條件。據(jù)國務(wù)院近期發(fā)布的調(diào)查結(jié)果顯示，目前電熱水器取代燃氣熱水器已經(jīng)占據(jù)了國內(nèi)熱水器市場近60%的市場份額，并呈現(xiàn)出不斷增長的趨勢。從增長速度來看，即熱式電熱水器年增長率高達40%。為此，進行快

14、熱式家用電熱水器的技術(shù)改進和完善，提高其能量利用率對節(jié)約能源和環(huán)境保護，都有著不可忽視的重要意義。按照快熱式電熱水器的功能要求，設(shè)計采用如圖 2-1 所示的模塊組成系統(tǒng)，即由電源電路、單片機控制器、溫度檢測電路、按鍵輸入電路、led顯示電路、蜂鳴報警電路和加熱控制電路組成，以實現(xiàn)設(shè)計的功能。單片機溫度檢測按鍵輸入電源led顯示蜂鳴報警加熱控制 圖2-1快熱式電熱水器系統(tǒng)組成框圖為了達到“快熱”的效果，快熱式電熱水器取消了儲水罐，使冷水在進入加熱管后立即被加熱，這就要求加熱管有較大的功率，家用電熱水器一般采用方便可靠的電熱絲加熱。根據(jù)熱學(xué)及流體力學(xué)原理結(jié)合實際實驗室測試，可以得到水溫與流量、加熱

15、功率之間的關(guān)系如表2-1所列。表中所列水溫值可以滿足大多數(shù)家庭用戶的使用要求，當最大加熱功率為7.5kw時，按220v供電計算，電流約為34a，所以要求專線供電。對于加熱功率的控制，最簡單的方法是由若干不同功率的電熱絲組合得到幾種加熱功率，但由于快熱式家用電熱水器的加熱功率比普通的大，且檔位設(shè)置較多，用電熱絲組合的方法需要幾組電熱絲和繼電器，成本較高且工作可靠性降低，所以比較理想的方法是采用可控硅控制功率，電路簡單且控制方便。表2-1水溫與流量、加熱功率的關(guān)系注：進水溫度為15，輸入電壓為ac220v。溫度檢測的方法也較多，最經(jīng)典的方法就是用熱敏電阻（或熱敏傳感器）組成電橋來采集信號，再經(jīng)放大

16、、a/d轉(zhuǎn)換后送單片機。目前比較先進的方法是采用專門的集成測溫傳感器（例如：ds18b20），直接將溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳送給單片機。為了簡化電路、降低成本，本設(shè)計采用了溫度/頻率轉(zhuǎn)換測溫法，直接將溫度信息轉(zhuǎn)換成頻率信號，用單片機測出頻率大小，從而間接測出溫度值，溫度/頻率轉(zhuǎn)換電路簡單可靠，成本低廉。3 系統(tǒng)組成器件的選用3.1 單片機at89c51 表3-1列出了幾種類型單片微機的主要性能，它們內(nèi)部除了具有cpu外，還包括rom、ram、4*8i/o口和2個16位定時/計數(shù)器，它們都是功能很強的單片微型計算機。但由于80c51片內(nèi)為掩膜rom，故內(nèi)部程序不能改寫，不能用于實驗開發(fā)。87c51具

17、有片內(nèi)eprom，是真正的單片微機，但由于價格較貴，且程序改寫時要用紫外線擦除，時間較長，所以用得較少。80c31在市場上的價格很低，但片內(nèi)沒有rom，必須在片外擴展一片eprom，非常不便。at89c51片內(nèi)具有可電擦除的fperom，可以快速、多次地編程，且價格不高，所以用得非常廣泛，目前開發(fā)用的mcs-51產(chǎn)品絕大多數(shù)用89c51。at89c51是一個低電壓、高性能cmos 8位單片機，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的flash只讀程序存儲器和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準mcs-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)內(nèi)置

18、通用8位中央處理器，內(nèi)置功能強大的單片微機的at89c51為課題的具體設(shè)計提供了高性價比的解決方案。表3-1單片微機主要性能的比較型號rom形式片內(nèi)rom片內(nèi)ram尋址范圍定時/計數(shù)器i/o口串行i/o口外部中斷主要技術(shù)特點80c31外接rom4k128264 k2164uart2cmos基本型，時鐘頻率上限12、16、24、30、33mhz80c51rom4k128264 k2164uart287c51eprom4k128264 k2164uart289c51fperom4k128264 k2164uart2可快速、多次寫入at89c51是一個低功耗高性能單片機，40個引腳，32個外部雙向輸

19、入/輸出（i/o）端口，同時內(nèi)含2個外中斷口，2個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，at89c51可以按照常規(guī)方法進行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和flash存儲器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。3.1.1 功能特性描述at89c51提供以下標準功能：4k字節(jié)flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部ram，32個i/o口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路，同時，at89c51可降至0hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止cpu的工作，但允許ram，定時

20、/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存ram中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。a) 主要功能特性 兼容mcs-51指令系統(tǒng) 4k可反復(fù)擦寫(1000次)flash rom 32個雙向i/o口 可編程uarl通道 兩個16位可編程定時/計數(shù)器 全靜態(tài)操作0-24mhz 1個串行中斷 128x8bit內(nèi)部ram 兩個外部中斷源 共6個中斷源 可直接驅(qū)動led 3級加密位 低功耗空閑和掉電模式 軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能 b) fperom的編程at89c51的i/o口p0、p1、p2和p3除具有與80c51相同的一些性能和用途外，在fperom編程時，p

21、0口接收代碼字節(jié)，并在程序檢驗時輸出代碼字節(jié)，但在程序校驗時需要外部上拉負載電阻，在fperom編程和程序校驗期間，p1口接收低位地址字節(jié)，p2口接收高位地址字節(jié)和一些控制信號，p3口也接收一些fperom編程和校驗用的信號，此時ale/prog引腳是編程脈沖輸入（prog）端，在fperom編程期間，如果選擇12v編程電壓、那么ea/vp引腳也允許接受12v編程電壓（vp）。c) at89c51單片微機內(nèi)部結(jié)構(gòu)at89c51單片微機內(nèi)部由cpu、4kb的fperom ，128b的ram，兩個16位的定時/計數(shù)器t0和t1，4個8位的i/o端p0、p1、p2、p3等組成。單片微機內(nèi)部最核心的部

22、分是cpu，它是單片微機的大腦和心臟。cpu的主要功能是產(chǎn)生各種控制信號，控制存儲器、輸入/輸出端口的數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)的算術(shù)運算、邏輯運算以及位操作處理等，cpu按其功能可分為運算器和控制器兩部分。控制器由程序計數(shù)器pc、指令儲存器、指令譯碼器、實時控制與條件轉(zhuǎn)移邏輯電路等組成。它的功能是對來自存儲器中的指令進行譯碼，通過實時控制電路，在規(guī)定的時刻發(fā)出各種操作所需的內(nèi)部和外部的控制信號，使各部分協(xié)調(diào)工作，完成指令所規(guī)定的操作。運算器由算術(shù)邏輯器部件alu、累加器acc、暫存器、程序狀態(tài)字寄存器psw、bcd碼運算調(diào)整電路等組成。為了提高數(shù)據(jù)處理和位操作功能，片內(nèi)增加了一個通用寄存器b和一些專用寄

23、存器，還增加了位處理邏輯電路的功能。d) at89c51單片微機引腳說明引腳功能描述：vcc：供電電壓gnd：接地p0口：p0口為一個8位漏級開路雙向i/o口，每腳可吸收8個ttl門電流。當p1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在flash編程時，p0口作為原碼輸入口，當flash進行校驗時，p0口輸出原碼，此時p0外部必須被拉高。p1口：p1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4個ttl門電流。p1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)

24、部上拉的緣故。在flash編程和校驗時，p1口作為第八位地址接收。p2口：p2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個ttl門電流，當p2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此輸入時，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2口當用作外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，p2口輸出地址的高八位。在給地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。p2口在flash編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。p3口：p3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/

25、o口，可接收輸出4個ttl門電流。當p3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入端時，被外部拉低p3口將將用上拉電阻輸出電流。p3口除作為一般的i/o口線外，更重要的功能是它的第二功能，如表3-2所示。表3-2 p3口引腳第二功能對照表口線第二功能信 號 名 稱p3.0rxd串行數(shù)據(jù)接收p3.1txd串行數(shù)據(jù)發(fā)送p3.2int0外部中斷0申請p3.3int1外部中斷1申請p3.4t0定時器/計數(shù)器0計數(shù)輸入p3.5t1定時器/計數(shù)器1計數(shù)輸入p3.6wr外部ram寫選通p3.7rd外部ram讀通ale/prog：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字

26、節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ale仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ale脈沖。對flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（sfr）區(qū)中的8eh單元的d0位置位，可禁止ale操作，該位置位后，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ale無效。：程序儲存允許（）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當89c51由外部程序存儲器取指令（數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的信號不出現(xiàn)。 ea/vp：

27、外部訪問允許。欲使cpu僅訪問外部程序存儲器，ea端必需保持低電平（接地）。如ea端為高電平，cpu則執(zhí)行內(nèi)部存儲器的指令。flash存儲器編程時，該引腳加上+12v的編程允許電源vp，當然這必須是該器件是使用12v編程電壓vp。rst：復(fù)位輸入，當振蕩器工作時，rst引腳上將出現(xiàn)2個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。xtal1：振蕩器的反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。 xtal2：振蕩器的反相放大器的輸出端。圖3-1 at89c51引腳封裝圖e）時鐘振蕩器at89c51中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳xtal1和xtal2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作

28、為反饋元件的片外石英晶體和陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。振蕩電路見圖3-2所示。 (a)內(nèi)部振蕩電路 (b) 外部振蕩電路圖3-2 振蕩電路外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容c1、c2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容c1、c2雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程度及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，應(yīng)選30pf10pf，而如選擇陶瓷諧振器應(yīng)選擇40pf10pf。由于外部時鐘信號是通過一個2分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時鐘信號的，所以對外部時鐘信號的占空比沒有特殊要求，但最小高電平持續(xù)時間和最大低電平持續(xù)的時間應(yīng)符合技術(shù)條件的要

29、求。3.1.2 單片機的工作方式單片機的工作方式包括：復(fù)位方式、程序執(zhí)行方式、單步執(zhí)行方式、低功耗操作方式以及eprom編程和校驗方式。a) 復(fù)位方式rst引腳是復(fù)位信號的輸入端。復(fù)位信號是高電平有效，高電平有效的持續(xù)時間應(yīng)為24個振蕩周期以上。若時鐘頻率為6mhz，則復(fù)位信號至少持續(xù)4s以上，才可以使單片機復(fù)位。單片機的復(fù)位方式有上電自動復(fù)位和手工復(fù)位兩種。b) 程序執(zhí)行方式程序執(zhí)行方式是單片機的基本工作方式，所執(zhí)行的程序可以放在內(nèi)部rom、外部rom，或者同時放在內(nèi)、外rom中。則應(yīng)使 =0；否則，可令=1。由于復(fù)位之后 pc=0000h，所以程序的執(zhí)行總是從地址0000h開始的。但真正的

30、程序一般不可能從 0000h 開始存放，因此，需要在 0000h 單元存放一條轉(zhuǎn)移指令，從而使程序轉(zhuǎn)移到真正的程序入口地址。c) 單步執(zhí)行方式單步執(zhí)行方式是使程序的執(zhí)行處于外加脈沖（通常用一個按鍵產(chǎn)生）的控制下，一條指令一條指令的執(zhí)行，即按一次鍵，執(zhí)行一條指令。單步執(zhí)行方式可以利用8051的中斷控制實現(xiàn)。其中斷系統(tǒng)規(guī)定：從中斷服務(wù)程序返回以后，至少要執(zhí)行一條指令后才能重新進入中斷。將外加脈沖加到int0輸入，平時為低電平。通過編程規(guī)定int0信號是低電平有效，因此不來脈沖時總是處于響應(yīng)中斷的狀態(tài)。因此，只有int0上來一個正脈沖，才能通過第一、第二兩條指令返回主程序并執(zhí)行一條指令。由于int0

31、此時已回到0，故重新進入中斷，在第一條指令處等待正脈沖的到來，從而實現(xiàn)來一個脈沖執(zhí)行一條指令的單步操作。d) 低功耗操作方式cmos型單片機有兩種低功耗操作方式：節(jié)電方式和掉電方式。在節(jié)電方式下，cpu停止工作，而ram、定時器、串行口和中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；在掉電方式下，僅給片內(nèi)ram供電，片內(nèi)所有其它的電路均不工作。3.1.3 8051的基本時鐘周期振蕩周期：指振蕩源的周期，若為內(nèi)部產(chǎn)生方式，則為石英晶體的振蕩周期。時鐘周期：（稱s周期）為振蕩周期的兩倍，時鐘周期=振蕩周期p1+振蕩周期p2。機器周期：一個機器周期含6個時鐘即由12個振蕩周期組成。指令周期：是指執(zhí)行一條指令所占用的全部時間。一

32、個指令周期通常含有14個機器周期。機器周期和指令周期是兩個很重要的衡量單片機工作速度的值。若外接12晶振時，8051的四個周期的值為：振蕩周期=1/12； 時鐘周期=1/6；機器周期=1； 指令周期=14。3.2 數(shù)碼管3.2.1 數(shù)碼管的基本組成在各種數(shù)字系統(tǒng)中都需要將數(shù)字直觀的顯示出來。設(shè)計采用兩位的led數(shù)碼管來實時的來顯示溫度。數(shù)碼管中的每一段都當于一個發(fā)光二極管，8段數(shù)碼管則具有8個發(fā)光二極管。對于“共陽極”的數(shù)碼管，內(nèi)部每個發(fā)光二極管的陽極被接在一起，成為該各段的公共選通線；發(fā)光二極管的陰極則成為段選線。對于“共陰極”數(shù)碼管，則正好相反，內(nèi)部發(fā)光二極管的陰極接在一起，陽極成為段選線

33、。這兩種數(shù)碼管的驅(qū)動方式是不同的。當需要點亮“共陽極”數(shù)碼管的一段時，公共段需接高電平（即寫邏輯1）、該段的段選線接低電平（即寫邏輯0），從而該段被點亮。當需要點亮“共陰極”數(shù)碼管的一段時，公共段需接低電平（即寫邏輯0）、該段的段選線接高電平（即寫邏輯1），該段被點亮。這樣每一個字符對應(yīng)一個7位二進制碼(若包括小數(shù)點,就是8位二進制碼,這種代碼稱為顯示代碼)。各發(fā)光二極管的排列順序為g、f、e、d、b、c、a,與顯示的各位一一對應(yīng)。一般來說在一個字節(jié)中按照a、b、c、d、e、f、g、dp的順序放置字型碼，比如在一個“共陰極”數(shù)碼管上要顯示“1”，則b、c段需被點亮，因此在段選線中寫入60h。

34、7段數(shù)碼管的段位順序及引腳圖如3-3圖所示。 圖3-3 7段led數(shù)碼管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖8數(shù)碼管的段位順序及引腳圖如3-4圖所示。 圖3-4 8段led數(shù)碼管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.2.2 多位數(shù)碼管的顯示利用多個數(shù)字led顯示器可以顯示多位數(shù)字。一個n位的led顯示器有n根位選線和8n根段選線。根據(jù)顯示方式的不同，位選線和段選線的連接方式也不同。段選線控制顯示字符的字形，位選線控制顯示位的亮、暗。多位數(shù)字led顯示器的顯示控制方式有靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式兩種形式。本設(shè)計需要實時顯示溫度，所以采用動態(tài)顯示方式。在多位led顯示時，為了簡化硬件電路，通常將所有位的段選線相應(yīng)地并聯(lián)在一起，由一個單片機的8

35、位i/o口控制，形成段選線的多路復(fù)用。而各位數(shù)碼管的共陽極或共陰極分別由單片機獨立的i/o口線控制，順序循環(huán)地點亮每位數(shù)碼管，這樣的數(shù)碼管驅(qū)動方式就稱為“動態(tài)掃描”。在這種方式中，雖然每一時刻只選通一位數(shù)碼管，但由于人眼具有一定的“視覺殘留”，只要延時時間設(shè)置恰當，便會感覺到多位數(shù)碼管同時被點亮了。3.3 三端固定輸出穩(wěn)壓器7805集成穩(wěn)壓器其功能可將非穩(wěn)定直流電壓變成穩(wěn)定的直流電壓。集成穩(wěn)壓器與分立器件構(gòu)成的穩(wěn)壓電路相比具有成本低、體積小、使用簡單、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，同時又具有各種完善的保護功能。集成穩(wěn)壓器按其工作方式不同可分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和開關(guān)型三種。三端固定輸出穩(wěn)壓器是一種典型的串聯(lián)調(diào)整

36、式穩(wěn)壓電路，圖3-5是它的電路方框圖。從圖中可以看出，它由啟動電路、基準電路、誤差放大電路、調(diào)整管、取樣電阻等組成，與分立元件的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路工作原理完全相同。7805穩(wěn)壓器是一種固定的正電壓集成電路，它廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，作電壓穩(wěn)壓器使用。在芯片的內(nèi)部設(shè)有過熱、過流及調(diào)整管安全工作區(qū)保護電路，所以電路使用安全可靠。圖3-5 7805內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖圖3-6 lm7805穩(wěn)壓器引腳圖三端固定式穩(wěn)壓器的基本應(yīng)用電路如圖3-7所示。只要把正輸入電壓vin加到lm7805的輸入端，lm7805的公共端接地，其輸出端便能輸出芯片標稱正電壓vout。圖3-7 三端穩(wěn)壓器基本應(yīng)用電路 4 系統(tǒng)硬件電路的

37、設(shè)計快熱式熱水器控制系統(tǒng)電路框圖如圖2-1所示，由7部分電路組成：單片機系統(tǒng)及外圍電路、電源電路、按鍵輸入電路、led顯示電路、蜂鳴報警電路、加熱控制電路和溫度檢測電路。控制器采用采用成本低廉且工作可靠的89c51，采用12mhz晶振。89c51對電源要求并不嚴格，電源電路采用普通的市電經(jīng)降壓整流，然后經(jīng)集成穩(wěn)壓器（7805）穩(wěn)壓輸出+5v電壓。按鍵采用輕觸小按鈕。顯示電路采用兩位共陽數(shù)碼管，由2個三極管9012驅(qū)動，3個led指示燈用于指示加熱功率。報警電路采用5v的自鳴式蜂鳴器。4.1 直流穩(wěn)壓電源電路直流穩(wěn)壓電源一般由電源變壓器、整流、濾波及穩(wěn)壓電路所組成?；倦娐啡鐖D4-1所示。電源變

38、壓器的作用是將電網(wǎng)220v的交流電壓變換成整流濾波電路所需的交流電壓；整流電路的作用是將交流電壓變成單向脈動的直流電壓，該電路采用單相橋式整流電路，由整流二極管d2、d3、d4、d5組成，這樣由于d3、d5和d2、d4兩對二極管交替導(dǎo)通，致使負載上在電壓的整個周期內(nèi)都有電流流過，而且方向不變；濾波電路由電容、電感等儲能元件組成。它的作用是盡可能地將單向脈動電壓中的交流成分濾掉，使輸出電壓成為比較平滑的直流電壓，由于經(jīng)整流電路后輸出的波形中含有的交流分量，會影響負載電路的正常工作，這里采用截止頻率低于整流輸出電壓基波頻率的低通濾波電路；穩(wěn)壓部分選用輸出電壓固定的三端集成穩(wěn)壓器lm7805，利用三

39、端固定輸出電壓集成穩(wěn)壓器可以使輸出的直流電壓在電網(wǎng)電壓或負載電流發(fā)生變化時保持穩(wěn)定。直流穩(wěn)壓電源電路參數(shù)選擇：其中c7和c9為濾波電容，輸出端接入c9可以進一步濾除紋波。c5和c6是防止自激用的，輸出端接電容c6能改善負載的瞬態(tài)影響，使電路穩(wěn)定工作。本設(shè)計取c5=，c6=，c7=，c9=。圖4-1 電源電路4.2 顯示電路顯示電路采用8段led顯示器，由于led導(dǎo)通電壓在1.5v左右，工作電流每段約為10ma，直接接在+5v電平上會使數(shù)碼管過亮導(dǎo)致?lián)p壞，需接一個100300的限流電阻。也由于微控制器的驅(qū)動功率的限制，所以需要使用放大驅(qū)動電路來控制led的顯示。段選線占用一個8位i/o口，由于各

40、位的段選線并聯(lián),段線碼的輸出對各位來說都是相同的。因此，同一時刻，如果各位的位選線都處于選通狀態(tài)的話，2位led將顯示相同的字符。若要各位led能夠顯示出與本位相應(yīng)的顯示字符，就必須采用掃描顯示方式，即在某一位的位選線處于選通狀態(tài)時，其他各位的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)，這樣。兩位led中只有選通的那一位顯示出字符，而其它各位則是熄滅的。同樣，在下一時刻，只讓下一位的位選線處于選通狀態(tài)，而其它的位選線處于關(guān)閉狀態(tài)。如此循環(huán)下去，就可以使各位“同時”顯示出將要顯示的字符。由于人眼有視覺暫留現(xiàn)象，只要每位顯示間隔足夠短，則可以造成多位同時亮的假象，達到顯示的目的。led數(shù)碼管工作在動態(tài)顯示方式時，段選碼端

41、口用來輸出顯示字符的段選碼， 輸出位選碼。 不斷送待顯示字符的段選碼，不斷送出不同的位掃描碼，并使每位顯示字符停留顯示一段時間，一般為15ms。利用眼睛的視覺慣性，從顯示器上便可以見到相當穩(wěn)定的數(shù)字顯示。顯示電路圖如圖4-2所示。 圖4-2 數(shù)碼管顯示電路4.3 加熱控制電路圖4-3為加熱控制電路原理圖。電加熱絲的加熱功率由雙向可控硅來控制，單片機通過光耦給可控硅觸發(fā)信號，控制可控硅的導(dǎo)通角，從而控制電熱絲的有效加熱功率。為了在關(guān)機和超溫保護的狀態(tài)下能可靠地關(guān)斷加熱電源，電路中加入繼電器來控制加熱電源，繼電器是一種當輸入量（電、磁、聲、光、熱）達到一定值時輸出量將發(fā)生跳躍式變化的自動控制器件，

42、繼電器的繼電特性：繼電器的輸入信號x從零連續(xù)增加達到銜鐵開始吸合時的動作值xx，繼電器的輸出信號立刻從y=0跳躍到y(tǒng)=ym,即常開觸點從斷到通。一旦觸點閉合，輸入量x繼續(xù)增大，輸出信號y將不再起變化。當輸入量x從某一大于xx值下降到xf，繼電器開始釋放，常開觸點斷開。其中串聯(lián)在繼電器線圈回路的熔絲為105的熱保險絲，當溫度超過105時，熱保險會熔斷，防止加熱管干燒。與繼電器并聯(lián)的二極管有效的保護其正常的工作。與電熱絲并聯(lián)的led發(fā)光管用來指示電熱絲的工作狀態(tài)。圖4-3 加熱控制電路圖4.4 過零檢測電路過零檢測是根據(jù)頻移鍵控過零率的大小來檢測已調(diào)信號中頻率的變化?？煽毓栌|發(fā)信號中需要對市電進行

43、過零檢測，以實現(xiàn)觸發(fā)脈沖的相位延遲。本電路中利用三極管8050和一個“非”門實現(xiàn)過零檢測，其路如圖4-4所示。圖4-4 過零檢測電路圖4.5 溫度檢測電路溫度檢測電路如圖4-5所示。溫度/頻率轉(zhuǎn)換電路是利用反相器組成的rc振蕩器，其中r24是一個熱敏電阻，熱敏電阻的基本電氣特性是它們隨其溫度變化而改變自身電阻。它們不產(chǎn)生信號，熱敏電阻溫度會隨周圍溫度或電流通過熱敏電阻而導(dǎo)致的自熱而改變。當電路通電時溫度的變化即會引起熱敏電阻的阻值變化，從而改變了振蕩器輸出的方波頻率。該頻率的估算可用如下公式表示。 (4-1)溫度檢測電路如圖4-5所示。圖4-5 溫度檢測電路圖5 系統(tǒng)程序的設(shè)計按快熱式熱水器的

44、功能，系統(tǒng)程序必須實現(xiàn)以下的任務(wù)：顯示掃描、按鍵掃描處理、加熱控制、溫度檢測（包括超溫報警）。51系列單片機實現(xiàn)多任務(wù)的方法就是分時復(fù)用，在程序設(shè)計時要相應(yīng)地分配好各任務(wù)的cpu占用時間。對以上幾個任務(wù)稍加分析可以看出，顯示掃描和加熱控制任務(wù)相對而言有實時要求，而溫度檢測任務(wù)則可定時（ 0.5 1 s ）實現(xiàn)。5.1 主函數(shù)系統(tǒng)在上電復(fù)位后，先對溫度寄存器、檔位寄存器賦默認值，并進行消除超溫標志，設(shè)置定時器及中斷的工作方式等初始化工作。本設(shè)計中每運行一次有實時要求的子程序（即顯示掃描、按鍵掃描、加熱控制）約占用5mscpu時間，運行測溫子程序的時間間隔為0.5ms，那么循環(huán)次數(shù)應(yīng)為100次。圖

45、5-1為主函數(shù)程序流程圖。圖5-1 主函數(shù)程序流程圖5.2 顯示掃描子函數(shù)顯示子函數(shù)完成兩位共陽數(shù)碼管的掃描顯示任務(wù)，圖5-2為顯示掃描子程序流程圖。圖5-2 顯示掃描子程序流程圖5.3 按鍵掃描處理子程序按鍵掃描子程序負責(zé)逐個掃描檔位“+”、檔位“-”和開關(guān)按鍵是否被按下，若有按鍵被按下則作出相應(yīng)的處理。圖5-3為按鍵掃描子程序流程圖。圖5-3按鍵掃描子函數(shù)程序流程圖5.4 加熱控制函數(shù)加熱控制程序根據(jù)用戶設(shè)定的加熱檔位和系統(tǒng)當前的狀態(tài)，來決定是否加熱或控制加熱的功率并點亮相應(yīng)的指示燈。若有超溫標志還應(yīng)打開蜂鳴器報警。圖5-4為加熱控制函數(shù)程序流程圖。圖5-4加熱控制函數(shù)程序流程加熱控制程序

46、通過控制繼電器的通斷來決定是否給電熱絲通電加熱，而加熱功率的大小則由雙向可控硅的導(dǎo)通角決定。系統(tǒng)程序利用外中斷int1檢測市電的過零點，檢測到過零點后，立即根據(jù)設(shè)定的加熱檔位給定時器t1賦一個延遲參數(shù)，并打開定時器t1，允許其中斷。 當定時器t1計滿溢出后觸發(fā)中斷，t1中斷程序就會給可控硅發(fā)一個觸發(fā)信號，使其導(dǎo)通。圖5-5和5-6分別是過零檢測函數(shù)程序流程圖和可控硅觸發(fā)信號控制函數(shù)程序流程圖。 圖5-5過零檢測函數(shù)程序流程圖圖5-6可控硅觸發(fā)信號控制程序流程圖5.5 溫度檢測函數(shù)溫度檢測函數(shù)的基本原理是將溫度/頻率轉(zhuǎn)換電路測得的頻率與事先建立好的溫度/頻率表進行比較，查找出與該頻率相應(yīng)的溫度值

47、。在實驗測試后建立的溫度/頻率表是0100所對應(yīng)的頻率值，它是一個頻率對應(yīng)于溫度遞減的非線性函數(shù)，在c語言中可以用一個一維數(shù)組tab101來表示，下標為溫度，數(shù)組元素為頻率值。計算溫度的方法采用高效準確的二分法查表，查表的過程如下：a)先給定查找溫度的最大值tmax和最小值tmin，即確定查找范圍。根據(jù)已有的溫度表默認最大值 tmax=100，最小值tmin =0。b)假定測得的溫度temp為最大值和最小值的中間值，即temp=（tmax+tmin）/ 2c)將實際測得的頻率值t0rig與假定溫度temp在表格中對應(yīng)的頻率tabtemp相比較，如果相等，那么假定溫度就是當前實際溫度，即完成查找

48、。d)如果t0rig tabtemp，說明實際溫度應(yīng)該在tmin和temp之間，修改查找范圍令tmax = temp，同理如果t0rig 1，那么重復(fù)a、b、c、d、e、f步驟，直到完成查找。溫度檢測程序完成溫度計算后便刷新系統(tǒng)當前溫度寄存器，并判斷有無超溫、置位或清除相應(yīng)的標志位。圖5-7為溫度檢測函數(shù)程序流程圖。圖5-7 溫度檢測函數(shù)程序流程圖單片機使用外中斷int0和計時器t0檢測輸入頻率的大小，為了減少測量系統(tǒng)的誤差相對值和隨機誤差對測量精度的影響，程序取100個方波周期的和作為測量結(jié)果，使用靜態(tài)變量px0count進行外中斷的計數(shù)，在測量開始時，我們給px0count賦值2是為了讓頻

49、率測量有準確的起點。另外，為了區(qū)分測頻的開始和結(jié)束，還使用了測頻開始標志位t0st和測頻完成標志位testok。圖5-8為頻率測試函數(shù)程序流程圖。圖5-8 頻率測試函數(shù)程序流程圖6 結(jié)束語經(jīng)過了很長時間的設(shè)計，終于完成了要求的電路設(shè)計課題，這是對以前知識的重溫。這次的設(shè)計是一次比較完整的設(shè)計，也是比較全面的一次，更是對我四年來所學(xué)知識最全面的一次考查，這次設(shè)計使我從理論學(xué)習(xí)的軌道上引向?qū)嶋H方面來。把過去的定性分析，定量計算逐步和工程估算等手段結(jié)合起來，使我掌握了工程設(shè)計的基本步驟和方法。這對我以后的工作也是一次具有實踐意義的訓(xùn)練。本次設(shè)計主要運用集成穩(wěn)壓器7805與單片機89c51基本上實現(xiàn)了

50、課題的設(shè)計要求。設(shè)計中時采用數(shù)碼管顯示水溫，設(shè)置功率檔調(diào)節(jié)，出水溫度自動控制。系統(tǒng)硬件電路設(shè)計包括加熱控制、溫度檢測等電路的設(shè)計，系統(tǒng)程序設(shè)計包括主函數(shù)程序、顯示掃描子函數(shù)程序、按鍵掃描處理子程序、加熱控制函數(shù)程序與溫度檢測函數(shù)程序等的設(shè)計。在設(shè)計中過程中，遇到不懂的地方，就及時的向老師和同學(xué)請教，確保設(shè)計工作順利進行。經(jīng)過本次的設(shè)計，使我體會到知識系統(tǒng)性和綜合性的重要，并且也使我了解到豐富的知識經(jīng)驗和技能是日積月累的結(jié)果。參考文獻1 郇玉龍，趙寧，盧洪武.用at89c51單片機設(shè)計智能家用電熱水器j.實用電子制作，2007,(10)：33-35.2 李天恩.微電腦控制全自動電熱水器j.福建信

51、息技術(shù)教育，2006,(6)：9-12.3 何芳.熱水器溫度控制板設(shè)計j.現(xiàn)代電子技術(shù)，2007,(22)：13-16.4 莫建鵬，於黃忠，羅敬雅.一種頻率檢測溫度方法的實現(xiàn).電路的電子元器件應(yīng)用j 2007,(2)：26-28.5 康華光.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)m.北京：高等教育出版社，2006.6 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)m.北京：高等教育出版社，2006.7 丁元杰.單片微機原理及應(yīng)用m.北京：機械工業(yè)出版社，2007.8 馬忠梅.單片機的c語言應(yīng)用程序設(shè)計m.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.9 全新實用電路集粹叢書編輯委員會. 報警器.警示器應(yīng)用電路集粹m.北京： 機械工業(yè)出版社，2005.9 黃繼昌.實用單元電路及應(yīng)用m.北京