毕业设计（论文）基于单片机的智能电热水器(硬件)

《毕业设计（论文）基于单片机的智能电热水器(硬件)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计（论文）基于单片机的智能电热水器(硬件)（43页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、摘 要这次的设计采用ATEML公司生产的AT89S51单片机为核心来设计智能电热水器。本设计也对单片机控制电热水器实现智能化的可能性进行了分析，利用温度传感器、水位检测装置、等来完成本设计。设计分成两个部分，在硬件设计方面，主要对单片机最小系统及其扩展、电源电路、键盘显示及接口电路、LED显示电路、水温检测电路、加热电路等进行了详细介绍。还详细介绍了设计中应用到的主要芯片的性能和特点，包括AT89S51、74LS240、DS18B20、74HC245等。在软件设计方面，采用汇编语言编程，是由于其易于为单片机所识别，执行速度快。该智能电热水器设计完善，实现方案简单易行。采用软件设计来控制，可以实

2、现智能检测水位及水温，智能加热，并且提高了整机的可靠性及准确性。关键词：单片机; 电热水器; 智能;IABSTRACTThis design USES ATEML company produces the AT89S51 as the core to design intelligent electric water heater. The design of single-chip microcomputer control and the possibility of electric water heater realize intelligent analyzed, using tem

3、perature sensors, water level detection equipment, etc to complete the design. Design is divided into two parts, in terms of hardware design, mainly to the single chip minimize system and its extension, power supply circuit, keyboard display and interface circuit, the LED display circuit, water temp

4、erature detection circuit, heating circuit described in detail. Also introduces the main application to design characteristics and properties of the chip, including AT89S51, 74LS240, DS18B20, 74HC245 etc. In software design, use assembly language programming, is due to its easy to identify, executio

5、n by MCU fast speed. This intelligent electric water heater design perfect, the implementation scheme is simple. Using software designed to control, can realize intelligent detection levels and water temperature, intelligent heating, and improve the machines reliability and accuracy. Keywords: singl

6、e-chip microcomputer; Electric water heater; intelligence; II目 录摘要IABSTRACTII目录III1 绪论11.1 选题的背景、目的及意义11.2 国内外的研究状况和成果22 总体方案设计32.1 设计目标以及方案选择42.2 芯片选择以及介绍52.2.1 AT89S51介绍52.3 数字温度传感器DS18B20介绍 82.3.1 DS18B20的主要特性82.3.2 DS18B20工作原理102.3.3 DS18B20有4个主要的数据部件102.3.4 DS18B20的应用电路142.4 74LS240简介16 2.4.1 7

7、4LS240特点介绍162.5 LED数码管显示16 2.5.1 LED数码管介绍162.5.2 LED数码管显示方式和典型应用电路17 2.5.3 LED数码管编码方式182.6 固态继电器19 2.6.1 固态继电器工作原理193 硬件系统设计203.1 硬件系统设计203.1.1 电源电路203.1.2 单片机系统电路213.1.3 键盘接口电路243.1.4 温度检测电路243.1.5 温度显示电路25 3.1.6 看门狗电路26III 3.1.7 加热电路264 软件系统设计27 4.1 主程序流程框图274.2中断流程图284.3读温度子程序流程图294.4显示子程序流程图30结论

8、31致谢32参考文献33附录1：硬件电路图34附录2：程序清单35IV 1. 绪 论1.1 选题的背景、目的及意义热水器作为我们日常生活中最为常见的电器之一，它的发展与我们的生活密切相关，从刚开始的燃气热水器开始，就给人们的生活方面带来了很多方便，能在冬天的时候洗一次热水器是多么惬意的事情啊。在当今科技快速飞跃的时代，各式各样的热水器不断的横空出世，优胜劣汰是大自然，生活中的固定规律。如果能在热水器发面增添更加安全，科技的元素，一定会在竞争占有一席之地。作为中国最庞大的产业群热水器行业，历来就有“三晋分立”之说。其大家族中的三“兄弟”：太阳能、燃气、电热水器。伴随着科技的发展，人们在环境，安全

9、，快捷等方面的考虑及意识不断的增强的今天，热水器的实用性，安全性，智能化方面也将面临着市场的考验。随着生活节奏的加快，人们越来越需要方便快捷的生活方式。如今，智能家电已经顺应人们的需求走进了消费者的视野。根据最新的新闻报道，太阳能热水器和电热水器逐渐代取燃气热水器，成为热水器市场上最大的赢家。据不完全统计，城市家庭热水器普及率在左右。中国家电市场调查研究课题组经过近年的连续性调查发现，我国城市家庭热水器产品的普及率基本稳定在左右，城市家庭较高的普及率说明热水器市场总体上已进入成熟阶段。燃气热水器可以连续供应热水，但其安全问题多年来一直困扰着消费者，虽然国家“西气东输”政策已实施，为燃气热水器的

10、发展杀出了一点“血路”，但是消费者的安全心理不能彻底消除、使用成本高及寿命短又制约了燃气热水器的进一步发展，加之由于燃气资源相对缺乏，近几年其市场份额一直走低正是这些因素的综合反应。反观电热水器和太能热水器，则没有这方面的忧虑。三大热水器：燃气热水器-廉颇老矣；电热水器-风头正劲；太阳能热水器-后劲十足。电热水器的优点：易安装，不受天气的影响，不收楼层和供电管道的限制，投入小，随着技术进步和新产品的开发，下置式，嵌入式等多种安装形式的电热水器先后上市，彻底摆脱了房间空间的限制。中央供水和数码智能的电热水器也全部都进入；额市场。电热水器的安全问题涉及到消费者的生命，又加上近些年的能源危机，人们生

11、活节奏的加快，智能化电热水器越来越受到消费者的青睐。在当今社会，科技日新月异，热水器技术飞速发展，越来越多的科技成果被运用到热水器的制造当中。如今的热水器绝不是一个简单的加热系统，而是一种科技含量很高，很现代化的家电产品。1 东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 绪论随着三峡工程的建设和我国城市加大电网扩容和老居民的电网改造，大功率电器的使用不再受限制。2002年居民用户的供电可靠率比1997年提高了4.3个百分点，推动了电热水器在城市的销量。国家对农村基础设施投入力度不断加大，加快农村电网建设和改造的步伐，家电消费环境大为改善，农电价格也相对下降，刺激了农民对家电的消费量，从而加快了农村家电

12、的普及速度。我国占总人口60.9%的7.8亿农民，组成了2.38亿个家庭，任何家电商品的普及率只要提高1个百分点，就会增加238万台（件）的需求量。只要电热水器在安全，智能方面做得足够优秀，那么电热水器的发展就能保持着非常光明的前景。随着我国人民生活水平逐渐的提高，其生活条件也有很大的改善，功能多样，科技含量高的智能化电器在人们日常生活中占有比重也越来越大，与家庭生活密切相关的热水器品种各式各样，花样翻新。所以就是在这样的背景下，本课题是选择基于at89s51单片机的智能电热水器的设计研究。 本课题的研究目的是根据人们对现代家庭舒适，安全，便利以及多元化信息服务的需要，选择at89s51单片机

13、设计出具有智能特征的电热水器。用at89s51作为控制芯片，就是为了能实现电热水器的智能化，能够持续稳定的热水供应，自动断电的安全功能，使得人们在洗浴时能够放心享受，有利于人们的身体健康，其务实性能快速满足人们对现代生活快节奏的需求。同时，正如上面内容所陈述的那样，从市场，从需求，从可持续发展性等一系列的分析和数据中我们能从中得出研究此课题的重要意义。1.2 国内外研究状况和成果电热水器分为即热式和储水式两种，就是用电加热水的一种装置。即热式电热水器，也叫快热式电热水器，指近几年一些生产厂家自行研制的专利产品或国外进口的技术含量较高的一些产品。不但具有能够即开即热，省时省电，节能环保等诸多优点

14、，更是因其具有比普通电热水器更为可观的经济效益，越来越受到广大家电生产厂家和经销商的青睐。在热水器的发展过程中，安全技术成为带动整个行业向上提升的决定性力量。热水器先后经历了水电分离，漏电保护器，出水断电，防电墙等四次较大的技术升级。水电分离-从原始的直热式加热到采用水电完全分离的绝缘加热管，从而避免了水与电的直接接触，使一边加热一边洗浴成为可能。漏电保护技术-从理论上讲，加热管迟早都会损坏的，一旦绝缘失效，就会2东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 绪论导致水电接触，发生漏电，威胁用户生命安全。1997年，海尔等企业率先在热水器中采用漏电保护技术，保证了露点电流达到15毫安时，0.1秒内自动

15、切断电源，保证使用者的生命安全。出水断电技术-1999年，海尔研制成功了出水断电技术，使用户再打开热水器喷头同时自动切断电源，关闭喷头时自动通电加热，这样就避免了电带使用，使热水器的安全性能又提高了一大步。防电墙技术-2002年，海尔发明了世界第一台带“防电墙”功能的热水器，3决了因用电环境引起的安全问题，实现了从产品安全到洗浴安全的技术跨越。经过了解，无论什么品牌的电热水器，内胆是电热水器的关键，产品内表面的处理非常重要，它是决定电热水器保修年限的主要依据。目前商场里所售的电热水器主要有以下三种内胆：无氧紫铜内胆：应用在即热式电热水器上具有不可比拟的良好特性：它具有热传导快，耐压耐腐蚀，延展

16、性好，抗菌抑菌等,无氧紫铜发热系统一般应用在欧美发达地区的即热式电热水器，大多数国际品牌均采用紫铜生产即热式电热水器的加热体，紫铜材料的特殊物理和化学特性,具有加热快速稳定、热效率高的特点。是目前世界上即热式电热水器行业中公认的符合环保健康潮流的、最成熟稳定的加热体。不锈钢内胆：材质好，不易生锈，但焊缝隐患不易发现，经多次热胀冷缩后，不锈钢中的铬会被自来水中的氯离子腐蚀，时间长了可能会在焊接处漏水。搪瓷内胆：内胆表面的瓷釉为非金属材料，不生锈，防腐蚀，以厚钢板做胆体，有较强的耐压能力，其中高釉包钢内胆防腐保温性能最佳，寿命更长。除了对耐用性的要求不断追求，智能化技术运用是今后技术发展的一个总体

17、趋势，智能化技术的运用有两个好处。一是更加方便，二是更加节能，按照用户的使用习惯提前预先加热，让使用者随心所欲享用热水，而在非用水时间则启动中温保温方程式，根据设定温度计算出最节能的保温温度，减少热水器内外温差，因而尽可能减少保温加热次数，真正做到更加省电。从1979年诞生第一台热水器开始，热水器行业从为数不多的品牌发展到现在的品牌林立，从单一的燃气热水器发展到电热水器，太阳能热水器齐头并进，从产品的功能单一发展到今天功能多样，造型各异，色彩斑斓，甚至不少品牌还走出过门走向世界，整个行业取得了长足的进步。各大品牌争先恐后的退出了超大液晶屏，电子线控，超薄时尚，双管加热，漏电保护器，防电墙，多口

18、出水等新技术。东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 总体方案设计 42.总体方案设计2.1设计目标以及方案选择目前家电市场上的电热水器有连续水流式，虽具有加热速度快和体积小的优点，但需要的功率大，大多数家庭供电线路难以承受。而且市场上传统的机械式电热水器控制功能不完善，而且精度低、可靠性差，因此电热水器的智能化成为必然趋势。采用单片机来实现电热水器的智能化，主要是因为其采用面向控制的指令系统，实时控制功能特别强。CPU可以直接对I/O口进行输入、输出操作及逻辑运算，并且具有很强的位处理能力，能有针对性的解决由简单到复杂各类控制任务。单片机做为嵌入式应用的微型计算机，由于其出色的性价比，极强的实

19、用性，它取得了巨大的发展。本设计是针对AT89S51单片机在检测和控制方面的应用。 首先单片机上电复位后对电加热丝供电进行加热，同时通过键盘接口电路输入设定的温度，并显示。同时通过DS18B20温度传感器测量水温并数码管显示，当水温达到设定温度后停止加热直到低于设定温度时重新加热。同时对水位进行检测，低水位进水。为了防止加热线圈的频繁启动造成的资源浪费和元件损坏，在软件设计设计上当与设定温度低三度时采用PWM脉宽调制。达到节能和延长加热丝寿命的效果。方案一：以AT89S51单片机为控制中心的智能电热水器AT89S51单片机具有结构简单、控制能力强、可靠性高、体积小、价格低等优点，在许多行业都得

20、到了广泛的应用。以AT89S51单片机为核心，配以外围电路如时钟电路、复位电路、按键、显示器件即可构成交通灯系统，下图为硬件实现电路的方框图：AT89S51单片机温度测量电源电路加热电路键盘电路显示电路水位检测图2-1 AT89S51控制的智能电热水器 方案二：PIC16C72单片机为控制器件的智能电热水器PIC16C72是美国微芯(Microchip)公司推出的8/11位单片机，采用宽字节单周期指令，哈佛双总线和RISC结构，其数据吞吐量最高可达6MIPS，这几乎是其它大多数8位微控制器速度的4倍128脚封装的PIC16C72单片机内集成了以下主要功能：2KB片内ROM程序存储器，128KB

21、数据存储器；22位I/O线；5路8位A/D转换器42个8位，1个16位多功能计数器/定时器，1个捕捉/比较/脉宽调制(CCP)部件。 以PIC16C72为控制芯片的电热水器，虽然功能很强大，但是存在一些很需要改进的地方：中断的现场保护是中断应用中一个很重要的部分由PIC16C72的指令系统中没有专门的PUSH(入栈)和POP(出栈)指令，所以要用一段程序来实现该功能。对可能用到的W寄存器和STATUS寄存器内容进行现场保护1然后在中断服务程序中对马达，继电器进行控制1漏电检测报警在中断里给出，而每50ms进入一次中断，所以发生漏电时最多50ms即可切断电源1入口中断保护控制马达控制继电器如果用

22、直流对电机进行控制，其转速太快，过调量太大，容易引起震荡。通过以上两种设计方法的比较来看，实现电热水器的智能控制可以有很多种方法。可以采用可编程序控制器PLC，各种单片机来实现。但考虑到成本控制和软硬件实现难度，采用方案一的控制系统设计，可以进一步提高电热水器的智能作用，能够保证持续的热水供应，并能够在异常情况下自动断电，可以满足人们日常生活的需要，提了人们生活的质量。综合以上条件以及毕设的要求，我选择方案一，以单片机AT89S51单片机作为控制中心的智能电热水器。2.2芯片的选择以及介绍2.2.1 AT89S51介绍 AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Byt

23、es ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。图2-2 AT89S51结构框图51、主要性能 l内部程序存储器：4KBl内部数据存储器：128Bl外部程序存储器：可扩展到64KB。l外部数据存储器：可扩展到64KB。l输入/输出口线：32根（4个端口，每个端口8根）。6东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 总体方案设

24、计 定时/计数器：2个16位可编程的定时计数器。l串行口：全双工，二根。l寄存器区：在内部数据存储器的128B中划出一部分作为寄存器区，分为四个区，l每个区8个通用寄存器。l中断源：5个中断源， 2个优先级别。l堆栈：最深128B。l布尔处理机：即位处理机，对某些单元的某位做单独处理。l 指令系统（系统时钟为12MHZ时）：大部分指令执行时间为1us；少部分指令，执行时间为2us; 只有乘、除指令的执行时间为4us。 2、引脚功能说明图2.1.1是MCS-51的引脚结构图，有双列直插封装（DIP）方式和方形封装方式。下面分别叙述这些引脚的功能。3、 主电源引脚 VCC：电源端。 GND：接地端

25、。(2) 外接晶体引脚XTAL1和XTAL2 XTAL1：晶体振荡器接入的一个引脚。当采用外部振荡器时，此引脚接地。 XTAL2：晶体振荡器接入的另一个引脚。采用外部振荡器时，此引脚作为外部振荡信号的输入端。(3) 控制或与其他电源复用引脚RST，ALE/，/VppRST：复2位输H入端。当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/：当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率（此频率为振荡器频率的1/6）周期性地出现正脉冲信号。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而注意的是：每当

26、访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE 脉冲。在对Flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（）。如果需要的话，通过对专用寄存器（SFR）区中8EH单元的D0位置数，可禁止ALE操作。该位置数后，只有在执行一7条MOVX或MOVC指令期间，ALE才会被激活。另外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，该设定禁止ALE位无效。：程序存储允许（）输出是外部程序存储器的读选通信号。当80C51东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 总体方案设计 由外部程序存储器取指令（或常数）时，每个机器周期两次有效（即输出2个脉冲）。但在此期间内，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的信号将不出现。/V

27、pp：外部访问允许端。要使CPU只访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），则端必须保持低电平（接到GND端）。然而要注意的是，如果保密位LB1被编程，复位时在内部会锁存端的状态。当端保持高电平（接Vcc端）时，CPU则执行内部程序存储器中的程序。在Flash存储器编程期间，该引脚也用于施加12V的编程允许电源Vpp（如果选用12V编程）。输入/输出引脚P0.0P0.7，P1.0P1.7，P2.0P2.7和P3.0P3.7。 P0端口（P0.0P0.7）：P0是一个8位漏极开路型双向I/O端口。作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入，对端口写1时，又可作高阻抗输入端用

28、。在访问外部程序和数据存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）/数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。在Flash编程时，P0端口接收指令字节；而在校验程序时，则输出指令字节。验证时，要求外接上拉电阻 P1端口（P1.0P1.7）：P1是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。在对Flash编程和程序校验时，P1接收低8位地址。P2端口（P2.0P2.7）：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P2的输出缓冲器可驱动（吸收或输出电流方式）4个T

29、TL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P2作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器（如执行MOVXDPTR指令）时，P2送出高8位地址。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVXRI指令）时，P2口引脚上的内容（就是专用寄存器（SFR）区中P2寄存器的内容），在整个访问期间不会改变。在对Flash编程和程序校难期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。 P3端口（P3.0P3.7）：P3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口。P3的输出缓冲器可驱动（吸收或

30、输出电流方式）4个TTL输入。对端口写1时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这时可用作输入口。P3作输入口使用时，因为有内部的上拉电阻，那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流（IIL）。在AT89C51中，P3端口还用于一些复用功能。复用功能如表2-1所列。在对Flash编程或程序校验地，P3还接收一些控制信号。8东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 总体方案设计 表1 P3各端口引脚与复用功能表端口引脚复用功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2（外部中断0）P3.3（外部中断1）P3.4T0（定时器0的外部输入）P3.5T1（定时器1的外部输入）8东华理工大

31、学长江学院毕业设计（论文） 总体方案设计 2.3 数字温度传感器DS18B20介绍2.3.1 DS18B20的主要特性 1、适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数 据线供电 2、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即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯 3、DS18B20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。 4、DS18B20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。5、温范围55125，在-10+85时精度为0.5 。6、可编程 的分辨率为912

32、位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温。97、在9位分辨率时最多在 93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。8、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。 9、负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁， 但不能正常工作。图2-3 DS18B20内部结构图2.3.2 DS18B20工作原理 DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s 减

33、为750ms。 DS18B20测温原理如图2-3所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振 随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对 低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重 新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即 为所测温度。图2-3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中

34、的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。 9图2-4 DS18B20测温原理框图2.3.3 DS18B20有4个主要的数据部件 （1）光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是：开始8位 （28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用 是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。 （2）DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例：用16位符号扩展的

35、二进制补码读数形式提供，以 0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0， 这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际 温度。 例如+125的数字输出为07D0H，+25.0625的数字输出为0191H，-25.0625的数字输出为FF6FH，-55的数字输出为FC90H 。10表2 DS18B20温度数据表 （3）DS18B20温度传感器的存储器 DS18B20温度传感器

36、的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM,后者存放高温度和低温度触发器 TH、TL和结构寄存器。 （4）配置寄存器 该字节各位的意义如下：表3 配置寄存器结构低五位一直都是”1”，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用 户不要去改动。R1和R0用来设置分辨率，如下表所示：（DS18B20出厂时被设置为12位） 表4 温度分辨率设置表R1R0分辨率温度最大转换时间009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms（5）高速暂存存储器 高速暂存存储器由9个字节组成

37、，其分配如表4所示。当温度转11换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在 高速暂存存储器的第0和第1个字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式如表1所示。对应的温度计算： 当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；当S=1时，先将补码变为原码，再计算十进制值。第九个字节是 冗余检验字节。表5 DS18B20暂存寄存器分布寄存器内容 字节地址温度值低位 （LS Byte）0温度值高位 （MS Byte）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7CRC校验值8 根据DS18B20的通讯协议，主机（单片机）控制DS18B20

38、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 复位操作，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，当DS18B20收到信号后等待1660微秒左右，后发出60240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。 12表6 ROM指令表指 令 约定代码功 能读ROM33H读DS1820温度传感器ROM中的编码（即64位地址） 符合 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 DS1820 使之作出响应，为下一步对该 DS1

39、820 的读写作准备。 搜索 ROM 0FOH用于确定挂接在同一总线上 DS1820 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 DS1820 发温度变换命令。适用于单片工作。 告警搜索命令 0ECH执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响应。 表7 RAM指令表指 令 约定代码功 能温度变换44H启动DS1820进行温度转换，12位转换时最长为750ms（9位为93.75ms）。结果存入内部9字节RAM中。 读暂存器 0BEH 读内部RAM中9字节的内容 写暂存器 4EH 发出向内部RAM的3、4字节写上、

40、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节的数据。 复制暂存器 48H 将RAM中第3 、4字节的内容复制到EEPROM中。 重调 EEPROM 0B8H 将EEPROM中内容恢复到RAM中的第3 、4字节。 读供电方式 0B4H 读DS1820的供电模式。寄生供电时DS1820发送“ 0 ”，外接电源供电 DS1820发送“ 1 ”。 132.3.4 DS18B20的应用电路 DS18B20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。下面就是DS18B20几个不同应用方式下的 测温电路图：DS18B20寄生电源供电方式电路图 如下面所示，在寄生电源供电方式下，DS1

41、8B20从单线信号线上汲取能量：在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部 电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。 独特的寄生电源方式有三个好处： 1）进行远距离测温时，无需本地电源 2）可以在没有常规电源的条件下读取ROM 3）电路更加简洁，仅用一根I/O口实现测温 5.1、要想使DS18B20进行精确的温度转换，I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由 于每个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1mA，当几个温度传感器挂在同一根I/O线上进行多点测温时，只靠4.7K上拉电阻就无法提供足够的 能量，会造成无法转换温度或温度误差

42、极大。 因此，图2-5电路只适应于单一温度传感器测温情况下使用，不适宜采用电池供电系统中。并 且工作电源VCC必须保证在5V，当电源电压下降时，寄生电源能够汲取的能量也降低，会使温度误差变大。 图2-5 寄生电源供电方式5.2、DS18B20寄生电源强上拉供电方式电路图 改进的寄生电源供电方式如下面图5所示，为了使DS18B20在动态转换周期中获得足够的电流供应，当进行温度转换或拷贝到 E2存储器操作时，用MOSFET把I/O线直接拉到VCC就可提供足够的电流，在发出任何涉及到拷贝到E2存储器或启动温度转换的指令后，必须在最 多10S内把I/O线转换到强上拉状态。在强上拉方式下可以解决电流供应

43、不走的问题，因此也适合于多点测温应用，缺 点就是要多占用一根I/O口线进行强上拉切换。 5.3、DS18B20的外部电源供电方式 在外部电源供电方式下，DS18B20工作电源由VDD14引脚接入，此时I/O线不需要强上拉，不存在电源电流不足的问题，可以保证 转换精度，同时在总线上理论可以挂接任意多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。注意：在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空 ，否则不能转换温度，读取的温度总是85。 图2-6 外部供电方式单点测温电路图图2-7 外部供电方式的多点测温电路图 外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式，工作稳定可靠，抗干扰能力强，而且

44、电路也比较简单，可以开发出稳定可靠的多点温度 监控系统。站长推荐大家在开发中使用外部电源供电方式，毕竟比寄生电源方式只多接一根VCC引线。在外接电源方式下， 可以充分发挥DS18B20宽电源电压范围的优点，即使电源电压VCC降到3V时，依然能够保证温度量精度。 152.4 74LS240简介LSTTL 型八缓冲器/总线驱动器（三态、反相）。2.4.1 74LS240特点介绍特点 （1）三态输出驱动总线或缓冲存贮器地址寄存器。 （2）PNP 输入减小了直流负载； （3）输入端上的滞后电压改善了噪声容限。2.5 LED数码管显示 在单片机应用系统中，如果需要显示的内容只有数码和某些字母，使用LED

45、数码管是一种较好的选择。LED数码管显示清晰、成本低廉、配置灵活，与单片机接口简单易行。2.5.1 LED数码管介绍LED数码管是由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件。图2.5.1为0.5inLED数码管的外形和引脚图，其中七只发光二极管分别对应ag笔段构成“”字形另一只发光二极管Dp作为小数点。因此这种LED显示器称为七段数码管或八段数码管。图2-8 LED数码管LED数码管按电路中的连接方式可以分为共阴型和共阳型两大类，如图2.5.1示b、c所示。共阳型是将各段发光二极管的正极连在一起，作为公共端COM，公共端COM接高电平，ag、Dp各笔段通过限流电阻接控制端。某笔段控制端低电平时，

46、该笔段发光，高电平时不发光。控制这几段笔段发光，就能显示出某个数码或字符。共阴型是将各数码发光二极管的负极连在一起，作为公共端COM接地，某笔段通过限流电阻接高电平时发光。 16LED数码管按其外形尺寸有多种形式，使用较多的是0.5in和0.8in；按显示颜色也有多种形式，主要有红色和绿色；按亮度强弱可分为高亮和普亮，指通过同样的电流显示亮度不一样，这是因发光二极管的材料不一样而引起的。LED数码管的使用与发光二极管相同，根据其材料不同正向压降一般为1.52V额定电流为10mA，最大电流为40mA。静态显示时取10mA为宜，动态扫描显示可加大，加大脉冲电流，但一般不超过40mA。2.5.2 L

47、ED数码管显示方式和典型应用电路LED数码管显示电路在单片机应用系统中可分为静态显示方式和动态显示方式。1.静态显示方式在静态显示方式下，每一位显示器的字段需要一个8位I/O口控制，而且该I/O口须有锁存功能，N位显示器就需要N个8位I/O口，公共端可直接接+5V（共阳）或接地（共阴）。显示时，每一位字段码分别从I/O控制口输出，保持不变直至CPU刷新显示为止。也就是各字段的亮灭状态不变。静态显示方式编程较简单，但占用I/O口线多，即软件简单、硬件成本高，一般适用显示位数较少的场合。2.动态扫描显示方式当要求显示位数较多时，为简化电路、降低硬件成本，常采用动态扫描显示电路。所谓动态扫描显示电路

48、是将显示各位的所有相同字段线连在一起，每一位的a段连在一起，b段连在一起g段连在一起，共8段，由一个8位I/O口控制，而每一位的公共端（共阳或共阴COM）由另一个I/O口控制，如图4-4所示。这种连接方式由于将多位字段线连在一起，当输出字段码时，由于多门同时选通，每一位将显示相同的内容。因此要显示不同的内容，必须采取轮流显示的方式。即在某一瞬间时，只让某一位的字位线处于选通状态（共阴极LED数码管为低电平，共阳极为高电平），其他各位的字位线处于开断状态，同时字段线上输出这一位相应要显示字符的字段码。在这一瞬时，只有这一位在显示，其他几位暗。同样在下一瞬时，单独显示下一位，这样依次轮流显示，循环

49、扫描。由于人的视觉滞留效应，人们看到的是多位同时稳定显示。172.5.3 LED数码管编码方式当LED数码管与单片机相连时，一般将LED数码管的各笔段引脚a、b、g、Dp按某一顺序接到MCS51型单片机某一个并行I/O口D0、D1、D7，当该I/O口输出某一特定数据时，就能使LED数码管显示出某个字符。例如要使共阳极LED数码管显示“0”，则a、b、c、d、e、f各笔段引脚为低电平，g和Dp为高电平。表8 共阳极LED数码管显示数字“0”时各管段编码C0H称为共阳极LED数码管显示“0”的字段码，不计小数点的字段码称为七段码，包括小数点的字段称为八段码。LED数码管编码方式有多种，按小数点计否

50、可分为七段码和八段码；按共阴共阳可分为共阴字段码和共阳字段码，不计小数点的共阴字段码与共阳字段码互为反码；按a、b、g、Dp编码顺序是高位在前，还是低位在前，又可分为顺序字段码和逆序字段码。甚至在某些特殊情况下将a、b、g、Dp顺序打乱编码。表9为共阴和共阳LED数码管几种八段编码表。表9 共阴和共阳LED数码管几种八段编码共阴顺序小数点暗共阴逆序小数点暗共阳顺序小数点亮共阳顺序小数点暗Dp g f e d c b a16进制a b c d e f g dp16进制00 0 1 1 1 1 1 13FH1 1 1 1 1 1 0 0FCH40HC0 H10 0 0 0 0 1 1 006H0

51、1 1 0 0 0 0 0 60H79HF9 H20 1 0 1 1 0 1 15BH1 1 0 1 1 0 1 0DAH24HA4 H30 1 0 0 1 1 1 14FH1 1 1 1 0 0 1 0F2H30HB0 H40 1 1 0 0 1 1 066H0 1 1 0 0 1 1 066H19 H99 H50 1 1 0 1 1 0 16DH1 0 1 1 0 1 1 0B6H12 H92 H60 1 1 1 1 1 0 17DH1 0 1 1 1 1 1 0BEH02 H82 H70 0 0 0 0 1 1 107H1 1 1 0 0 0 0 0E0H78 HF8 H80 1 1 1

52、 1 1 1 17FH1 1 1 1 1 1 1 0FEH00 H80 H90 1 1 0 1 1 1 16FH1 1 1 1 0 1 1 0F6H10 H90 H182.6固态继电器固态继电器是一种有继电特性的无触点式电子开关。具有寿命长、可靠性高、开关速度快、电磁干扰小、无噪声、无火花等特点。 2.6.1 固态继电器的工作原理图2-9 固态继电器原理图固态继电器由三部分组成：输入电路、隔离（耦合）和输出电路，在输入电路控制端加入信号后，IC1光电耦合器内光敏三极管呈导通状态，R1串接电阻对输入信号进行限流，以保证光耦合器不致损坏。发光二极管LED指示输入端控制信号，二级管VD1可防止输入信

53、号正负极性接反时对光耦IC1造成的损坏。v1在线路中起到交流电压检测作用，使固态继电器在电压过零时开启、负载电流过零时关断。当IC1光敏三极管截止时（控制端无信号输入时），V1通过R2获得基极电流使之饱和导通，从而使SCR可控硅门极触发电压UGT被箝在低电位而处于关断状态，最终导致BTA双向可控硅在门极控制端R6上无触发脉冲而处于关断状态。 19东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 硬件系统设计 3.硬件系统设计3.1 硬件系统设计单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须

54、在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、打印机、A/D、D/A转换器等，要设计合适的接口电路。本设计中只用最小系统加上键盘、显示、ISP接口电路，单片机本身资源可以满足设计要求，所以不必对单片机进行扩展。系统的硬件系统以AT89S51单片机为核心，主要分两部分：直流稳压电源和智能电热水器控制电路，其原理图见附录二。直流稳压电源由变压器、整流桥、滤波电路、稳压电路组成。智能电热水器系统由时钟电路、复位电路、电源电路、温度检测电路、温度显示电路、ISP在线编程接口电路键盘和显示接口电路组成。20东华理工大学长江学院毕业设计（论

55、文） 硬件系统设计 3.1.1 电源电路由于该系统需要稳定的5 V电源，因此设计时必须采用能满足电压、电流和稳定性要求的电源。该电源采用三端集成稳压器LM7805。它仅有输人端、输出端及公共端3个引脚，其内部设有过流保护、过热保护及调整管安全保护电路，由于所需外接元件少，使用方便、可靠，因此可作为稳压电源。图3-1电源电路连接图263.1.2 单片机系统电路212.复位电路和复位状态MCS-51单片机的复位是靠外部电路实现的。MCS-51单片机工作后，只要在它的RST引线上加载10ms以上的高电平，单片机就能够有效地复位。1.复位电路MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按键复位两种方式。最

56、简单的复位电路22东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 如图3-4所示。上电瞬间，RC电路充电，RST引线端出现正脉冲，只要RST端保持10ms以上的高电平，就能使单片机有效地复位。图 3-5 简单的复位电路(2) 复位状态复位电路的作用是使单片机执行复位操作。复位操作主要是把PC初始化为0000H，使单片机从程序存储器的0000H单元开始执行程序。程序存储器的0003H单元即MCS-51单片机的外部中断0的中断处理程序的入口地址。留出的0000H0002H 3个单元地址，仅能够放置一条转移指令，因此，MCS-51单片机的主程序的第一条指令通常情况下是一条转移指令。除PC之外，复位还对其他一些

57、特殊功能的寄存器有影响，它们的复位状态如表3-6所示。由表10可知，除SP=07H，P0P3 4个锁存器均为FFH外，其他所有的寄存器均为0。此外，单片机的复位不影响片内RAM的状态（包括通用寄存器Rn）。表10 寄存器的复位状态寄存器状态寄存器状态PC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0 P3 FFHSCON00HIPxxx00000HSBUF不确定IE0xx00000HPCON0xxx0000HTMOD00H东华理工大学长江学院毕业设计（论文） 硬件系统设计 P0、P1、P2、P3共有4个8位并行I

58、/O口，它们引线为：P0.0P0.7、P1.0P1.7、P2.0P2.7、P3.0P3.7，共32条引线。这32条引线可以全部用做I/O线，也可将其中部分用做单片机的片外总线。3.单片机中断的作用 当MCS-C51单片机的CPU正在处理某件事情的时候，单片机外部或内部发生的某一时间请求CPU立即去处理，于是,CPU暂时中止当前的工作，转到终端服务处理程序处理所发生的事件。中断服务处理程序处理完该事件后，再回到原来被中止的地方，继续原来的工作，这称为中断。我们这次设计就用到了定时中断(INT0,INT1)。 中断系统：能够实现中断处理功能的部件称为中断系统。 功能：消除了CPU在查询方式中的等待现象，大大提高了CPU的工作效率。4.总线结构单片机的引线除了电源、复位、时钟输入、用户I/O口外，其余引线都是为实现系统扩展则设置的，这些引线构成了单片机外部的3总线形式，如图3-7所示。1、地址总线地址总线宽度为16位，由P0口经地址锁存器提供低8位地址（A7A0），P2口直接提供高8位地址（A15A8）。由口的位结构可知，MCS-51单片机在进行外部寻址时，P