单片机的电热水壶控制系统的设计方案.docx

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单片机的电热水壶控制系统的设计方案

基于单片机的电热水壶控制系统的设计

摘要

本论文设计介绍了MCS-51系列单片机为控制芯片，对电热水壶工作进行控制的方

法。

通过电加热电路对水进行加热，并对水的温度进行采样，采样信号通过ADC0809将

数字量送入单片机系统，经微机处理后，结合键盘控制实现LED显示，并可实现对水的

温度的控制和超过水温的报警系统。

单片机控制热水壶的硬件构成包括8051芯片、8255芯片、地址锁存器等组成的单片机控制电路、温度检测电路、A/D转换电路、光电隔离电路、键盘及显示电路和温度加热电路。

整个系统的关键电路是单片机控制电路，完成信号的输入和输出的转换，即可将温度检测电路采样的输入信号通过A/D转换器ADC0809进行处理加工后输出到显示器进行显示，并可以通过控制器控制温度，同时当水加热超过指定的温度以后，蜂鸣器工作报警。

关键字：

单片机；温度控制；控制器

Basedonthesinglechipmicrocomputercontrolsystemdesignofelectricheatingkettle

Abstract

ThethesisintroductsthemethodofusetheseriesofMCS-51one-chipcomputerwhichisthecontrolchiptocontroltheworkofkettleheatwithelectricenergy.Throughelectricheatedcircle,thewaterwillbeheated,thensamplethetemperatureofthewater.ThesamplingsignalwillsetthemimictothesystemofsinglechipcomputerthroughADC0809,afterisprocessedbythecomputerandcontrolledbythekeyboard,itwillbeshowedbyLEDmonitor,atthesametime,thesystemcancontrolthetemperaturebeyondthesetting,thesystemofalarmwillrun.

Thehardwareoftheone-chipcomputercontrolsthethermoswhichincludes8051chips,8255chips,one-chipcomputercontrolcircuitthataddresslatch,etc.makeuptemperaturemeasurecircuit,circuitischangesbyA/D,light-electricityandisolationcircuit,keyboardandshowscircuit、temperatureheatedcircuit.Thekeycircuitofthewholesystemisacontrolcircuitofone-chipcomputer,finishtheinputandoutputofthesignalconversion,canmeasuretemperaturesampledsignalofinputcircuitwhichwilldealwithafterprocessingthensettodisplayandshowtogoontooutputtingthroughA/DconverterADC0809,andcancontrolthetemperaturethroughthekeyboard,afterheatingandexceedingdesignatedtemperatureinwater,atthesametime,thebuzzerissoundsoastoalarm.

Keywords:

one-chipcompute。

temperaturecontro。

controller

摘要IAbstractII

1绪论1

1.1电热水壶选题目的1

1.2电热水壶的研究意义1

1.3电热水壶的发展现状1

2热水壶控制系统总体概述3

1.4电热水壶的设计方法2

2.1热水壶的设计方案3

2.2MCS-51单片机控制系统的总体介绍3

2.3总体方案论证4

3电热水壶控制系统的硬件设计5

3.1温度检测电路和A/D转换器的电路5

3.1.1AD590温度传感器概述5

3.1.2温度检测电路6

3.1.3A/D转换器电路原理和电路接口图7

3.2单片机8051芯片介绍和主要电路9

3.2.1MCS-51单片微机8051引脚介绍和接口电路9

3.2.2振荡电路和时钟电路11

3.2.3单片机的复位电路12

3.2.4中断优先级13

3.2.574LS373地址锁存器芯片介绍143.38255输出口扩展153.3.18255的引脚介绍15

3.3.28255与8051的外部接口电路16

3.4单片机的抗干扰电路17

3.4.1光电隔离抗干扰的简介17

3.4.2光电隔离器的原理电路18

3.4.3光电隔离的电路18

3.5键盘及显示电路19

3.5.1键盘输入特点19

3.5.2按键接口电路的消抖措施20

3.5.3矩阵键盘的概述21

3.5.4LED显示原理及显示方式22

3.5.5系统应用24

3.6加热电路和报警装置24

3.6.1加热电路24

3.6.2报警装置25

4单片机的软件设计26

4.1总的程序设计框图26

4.28255的程序设计26

4.2.18255的程序的初始化26

4.2.2对端口C的置位/复位27

4.3键盘和显示接口电路程序设计27

4.3.1键盘和显示器的程序设计27

结论29

致谢30参考文献31

附录32

V/41

基于单片机的电热水壶控制系统的设计

1绪论

1.1电热水壶选题目的

[1]

。

由于以前的电热水壶没有水温控制控制系统，接通电源就一直加热。

电热水壶长时间作业无人看管很危险容易发生火灾还造成电能的浪费。

对于常规的电热水壶，只要接通电源，就开始加热，直到水沸腾后通过蒸汽来产生声音报警。

如水壶中没水，电源误接通时也会一直加热，容易引起事故。

当只需要加热到沸点以下某一温度时，不能及时给出声音报警信号。

没有水温控制系统的电热水壶加热开水时水加热沸腾后不能自动停止工作，需要人的看管，使用起来很不方便。

一旦忘记就有发生水壶烧干烧坏的可能，严重的话还有可能发生火灾造成严重的经济损失。

使人们用起来很不方便，近几年带温控系统的电热水壶发展很快，所以研究基于单片机电热水壶水温控制系统这个课题

1.2电热水壶的研究意义

选择基于单片机电热水壶水温控制系统这个课题，可以更好的让我认识带温控的电热水壶的发展，知道电热水壶的发展现状。

随着微机测量和控制技术的迅速发展与广泛应用，以单片机为核心的温度采集与控制系统的研发与应用在很大程度上提高了生产生活中对温度的控制水平。

以及各种新技术应用在电热水壶上。

温度控制是无论是在工业生产过程中，还是在日常生活中都起着非常重要的作用，过低的温度或过高的温度都会使水资源失去应有的作用，从而造成水资源的巨大浪费。

特别是在当前全球水资源极度缺乏的情况下，我们更应该掌握好对水温的控制，把身边的水资源好好地利用起来。

此外，电热水壶已经走进千家万户，做这样一个设计，不仅可以检验自己的专业课理论水平和动手实践能力，其产品也具有一定的市场前景[2]。

1.3电热水壶的发展现状

电热水壶在我国已有二三十年的历史，直到近几年，电热水壶才经历了较大的更新换代，采用集温控、防干烧、超温保护等功能于一体的加热装置，产品安全性大大提高，且使用方便性也进一步提高。

由于需求旺盛，电热水壶产品也出现了很多新的型式，例如壶身和电源底座可以相互分离，壶身可360度旋转，可以从任意方向取放的无线水壶；无线水壶中又有发热管为隐藏式，加热方式为电磁涡流式，以及功能上更加贴近喝茶使用的泡茶壶等新型产品。

近些年，电水壶厂家将自己列为水家电产品厂家，之所以在行业中有这样的转变，不仅因为电水壶厂家生产的产品切切实实与水有关的产品，还有一个重要原因是，电水壶厂家不单单将水加热，还有将水进行过滤。

之所以把这个功能加进来，是因为考虑到现在的水污染问题比较严重，自来水里存在着除不掉的重金属、农药等残留物，及漂白粉本身的味道。

还有北方地下比较硬，容易结水垢，带有；净水功能的电水壶是在里面加了一个滤芯，可将其中的重金属，农药残留物滤掉，让消费者能够饮用到更加健康的水。

从功能上来看，带有净水功能的电水壶可以避免饮水机最为头痛的二次污染司题。

1.4电热水壶的设计方法

MCS-51系列单片微机具有很强的功能，使用范围广，既可构成功能很强的复杂系统，也可组成较简单的应用系统[3]。

目前，单片机在家电，工业生产等领域的应用非常广泛，为了适应不同产品对单片机的不同要求，半导体生产厂家生产出了各种规格的单片机。

本文介绍了一种以MCS-51系列单片机为控制芯片，对电热水壶工作进行控制的方法。

温度检测电路由热电偶、运算放大器，温度传感器AD590等组成，直接输出电流

<1卩A/K）经运算放大器LM358进行I/V转化后，可得到电压输出，输出电压为100mV厂C，经A/D转换通道送到微处理器中。

A/D转换一般都设置在前向通道中，它将外界输入的模拟信号转换成计算机数据总线能接受的数字量。

工程上常用的隔离方法有光电隔离器、变压器、继电器和集成组件等，而光电隔离器有独特优点得到广泛应用[4]。

由于该器件是通过电——光——电这种转换来实现对输出设备进行控制的，彼此之间没有电气连接，因而起到隔离作用，隔离电压与光电隔离器的结构有关。

2热水壶控制系统总体概述

2.1热水壶的设计方案

对于常规的电热水壶，只要接通电源，就开始加热，直到水沸腾后通过蒸汽来产生

声音报警[5]。

这种设计有下面几个方面的不足：

<1）如水壶中没水，电源误接通时也会一直加热，容易引起事故。

<2）当只需要加热到沸点以下某一温度时，不能及时给出声音报警信号。

<3）当水加热沸腾后不能自动停止工作。

针对以上不足，在本设计方案中，用MC-51单片机作为控制芯片，管理整个电热水壶的工作情况，构成了一个闭环控制系统，而且增加了三个按键和六位数码管显示。

它的工作情况和常规的热水壶相比，有下面几个方面的特点[6]：

<1）有三个按键，可用来设置希望加热到的温度即报警的温度。

上电复位后，设置温度初值为20度，每按一下按键，温度设置值就会增加1度，整个温度设置值在20—100度之间循环。

<2）这个按键还具有启动电热水壶开始工作的作用。

当每次电源接通后，只有按键按下过之后，电热水壶才开始加热，这样，可以防止电源误接通时电热水壶一直加热，引发事故。

<3）当加热到设置温度时，单片机会控制停止加热，并通过蜂鸣器给出声音提示。

<4）三位数码管在设置温度操作时显示当前设置的温度，另三位数码管其余时间实时显示电热水壶中水的实际温度。

2.2MCS-51单片机控制系统的总体介绍

单片机控制热水壶的硬件构成包括8051芯片、8255芯片、地址锁存器等组成的单片机控制电路、温度检测电路、A/D转换电路、光电隔离电路、键盘及显示电路和温度加热电路。

整个系统的关键电路是单片机控制电路，是整个控制的核心，完成信号的输入和输出的转换，即可将温度检测电路采样的输入的信号通过A/D转换器ADC0809进行处理加工后输出到显示器进行显示，并可以通过键盘对温度进行控制，如此同时当水加热超过指定的温度以后，蜂鸣器工作报警，并对其中部分电路编制子程序，以及相应的软

件设计，硬件设计的总电路连接框图如下图2-1所示

图2-1硬件设计的总电路连接框图

2.3总体方案论证

本题目是设计制作一个水温控制系统，要求能在20C--100C范围内设定控制水温，并具有较好的快速性和较小的超调，以及LED显示等功能。

根据题目的要求，我们提出了以下的两种方案：

方案1:

此方案是采用传统的二位模拟控制方法，选用模拟电路，用电位器设定给定值，采用上下限比较电路将反馈的温度值与给定的温度值比较后，决定加热或者不加热。

由于采用模拟控制方式，系统受环境的影响大，不能实现复杂的控制算法使控制精度做得教高，而且不能用数码显示和键盘设定。

方案2:

采用单片机8051为核心。

采用了温度传感器AD590采集温度变化信号,A/D采样芯片将其转换成数字信号并通过单片机处理后去控制温度，使其达到稳定。

使用单片机具有编程灵活，控制简单的优点，使系统能简单的实现温度的控制及显示，并且通过软件编程能实现各种控制算法使系统还具有控制精度高的特点。

比较上述两种方案，方案2明显的改善了方案1缺点，并具有控制简单、控制温度精度高的特点，因此本设计电路采用方案2。

3电热水壶控制系统的硬件设计

3.1温度检测电路和A/D转换器的电路

3.1.1AD590温度传感器概述

AD590是一种二端式的集成温度传感器，引脚图如图3-1所示

图3-1AD590引脚图

其主要技术参数有⑺：

<1）测温范围为-55〜+150C。

<2）工作电压为+4〜+30V,由于AD590是一种恒流源形式的温度传感器，只需在其

二端加上一定工作电压则其输出电流随温度变化而变化，其线性电流输出为1卩A/C,即

温度每变化1C,其输出电流变化1卩A;它以热力学温标零点作为零输出点，因此在

25C时，其输出电流为298.2卩A。

<3）精度：

经过激光平衡调整，AD590的校准精度可达+和-0.5C，全温区范围线性

度可达+和-0.3CVAD590M）当其在10C温区范围内校正后测量，精度可达+和-0.1C,在全温区范围内<-55〜+145C）使用，精度也可高达+-1C。

由于AD590是一种电流型的温度传感器，因此具有较强的抗干扰能力，适用于计算机进行远距离温度测量和控制，远距离信号传递时，可采用一般的双绞线来完成，其电阻比较大，因此不需要精密电源对其供电，长导线上的压降一般不影响测量精度；不需要温度补偿和专门的线性电路。

3.1.2温度检测电路

在介绍温度检测电路之前，首先要说明一下电源转换电路。

电压经过四个二极管两

两导通整流滤波后，再经过电压转换芯片7805就可以将原来交流220V的电压转换成直

流电压为+5V，即可以得到报警电路和温度检测电路所需要的电压值，电源转换电路如图3-2所示［5］。

图3-2电源转换电路

温度检测电路由温度传感器AD590等组成，直接输出电流1卩A/K,输出电压为

100mV/C，经运算放大器LM358进行I/V转化后，再经A/D转换通道送到微处理器中，

R6、R5、R2用于相互配合调节温度测量的满刻度值，温度检测电路如图3-3所示。

当传感器AD590所处温区发生「C的温度变化时，流过其所在回路的电流即产生

1讥的变化，贝U其输出电压的变化为：

△V0=1卩AC*100KQ=100mV/C<3-1）

AD590的输出电流值说明如下：

其输出电流是以绝对温度零度（-273C>为基准,每增加1C,它会增加1讥输出电流,因此在室温25C时,其输出电流10=（273+25>=298讥。

Vo的值为Io乘上10K,以室温25C而言，输出值为2.98V（10KX298卩A>量测Vo时，不可分出任何电流，否则量测值会不准。

AD590的输出电流I=（273+T>卩A（T为摄氏温度>,因此量测的电压V为（273+T>卩AX10K=（2.73+T/100>V[8]。

在本论文中通过温度集成器AD590对外部-55〜+150C范围内的温度进行采样，在AD590的两端分别接地和接电源，得到一定的压差，因此会得到相应的工作电压，其输出电流会随温度变化而变化。

电流1卩A/K其输出电压为100mV/C，经运算放大器

LM358进行I/V转化后，再送入A/D转换电路中进行模数转换，经过微处理器处理即可送到LED显示器显示温度。

3.1.3A/D转换器电路原理和电路接口图

A/D转换一般都设置在前向通道中，它将外界输入的模拟信号转换成计算机数据总线能接受的数字量。

在前向通道必须配置A/D转换电路时，首先考虑的是能否选用带有A/D的单片机，本论文中无法选择单片机片内有A/D部件，贝必须在前向通道中配置A/D接口。

要选择好的A/D转换器芯片，选择A/D转换芯片的原贝从转换精度、转换速度、模拟信号输入通道数以及成本、供货来源等全面考虑。

选择不同的A/D转换芯片，与单片机的接口电路要求不同，必须依芯片对控制电路的要求设置，接口电路必须满足这些要求。

一般来说，A/D转换芯片输入的模拟电压都有规定的要求，如0~+5V，

0~+10V，0~+2V等，因此要考虑到传感器输出信号与之匹配[9]o

<1）A/D转换器的引脚说明：

ADC0809是CMOS集成电路8位单片A/D转换器，其引脚图如图3-4所示。

双列直插28引脚封装。

片内有8路模拟开关、模拟开关的地址锁存与译码电路、比较器、256R电阻T型网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器SAR、三态输出锁存，缓冲器、控制与时序电路等。

图3-4ADC0809引脚图

INO——IN7:

8路输入通道的模拟量输入端。

A、B、C口：

8路模拟开关的三位地址输入端，用来选择8路模拟输入的一路进行

A/D转换。

ALE:

地址锁存允许。

ALE有效将三位地址A、B、C锁存到地址锁存器中。

START：

为启动控制输入端。

它与ALE可以接在一起，当通过程序加上一个正脉冲便立即开始A/D转换。

EOC:

转换结束信号输出端，高电平有效。

在此输出端供给一个有效信号则打开三态输出锁存缓冲器，把转换后的结果送至外部数据线。

COLCK:

时钟输入端。

CLOCK为600kHZ时，转换时间位100uso

DO――D7:

8位数字输出段。

Vcc:

电源输入端。

GND:

接地端。

<2）A/D转换的连接电路及应用

由图3-5所示，可以看出ADC0809时钟CLK由8051ALE信号提供，ALE信号频率为f/6。

用地址线低8位A0、A1、A2

EOC经非门与二相接，0809与8051采用中断方式联络，外

部中断1服务子程序读A/D转换结果，并启动下一次转换。

0809启动条件为

|，因此启动时，应用写指令<使WR=1），并且要保证地址线

P2.6=0,其端口地址为DFFFH。

ADC0809转换器将信号进行模数转换，再将数字信号传入8051进行微处理，通过LED显示温度。

在由于A/D0809具有锁存的TTL三态输出，它的八条数据线和8051的八条数据线相连，采用线性选址法，其口地址为DFFFH。

通道

地址A，B，C由数据总线DB0，DB2，DB2提供。

A，B，C地址线上的信息由ALE上升沿打入地址锁存器74LS373。

丨巡

图3-5A/D转换的连接电路

3.2单片机8051芯片介绍和主要电路

321MCS-51单片机引脚介绍和接口电路

单片机引脚图及引脚功能如图3-6所示。

单片机的40个引脚大致可分为4类：

电源、时钟、控制、和I/O引脚［10］。

电源：

<1）VCC-芯片电源，接+5v;<2）VSS-接地端；

时钟：

XTAL1、XTAL2-晶体振荡电路反相输入端和输出端。

控制线：

控制线共有4根

<1）ALE/PROG:

地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲

ALE功能：

用来锁存P0口送出的低98位地址

PROG功能：

片内有EPROM芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲

（2）PSEN:

夕卜ROM读选通信号

<3）RST/VPD:

复位/备用电源

RSTvReset）功能：

复位信号输入端

VPD功能：

在Vcc掉电情况下，接备用电源

图3-651单片机引脚图及引脚功能

<4）EA/Vpp:

内外ROM选择/片内EPROM编程电源

EA功能：

内外ROM选择端

Vpp功能：

片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，施加编程电源Vpp

I/O线

80C51共有4个8位并行I/O端口：

PO、P1、P2、P3口，共32个引脚，P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号<属控制总线）。

单片机的片外总线结构图如图3-7所示。

图3-7单片机的片外总线结构图

由上图可以看到，单片机的引脚除了电源、复位、时钟接入、用户I/O口外，其余管

脚都是为了实现系统扩展而设置的。

这些引脚构成了MCS-51单片机片外三总线结构：

＜1）地址总线＜AB）:

地址总线宽度为16位，因此，其外部存储器直接寻址为64K字节，16位地址总线由P0口经地址锁存器提供低8位地址＜A0~A7）；P0口直接提供高8位地址＜A8~A15）。

＜2）数据总线＜DB）:

数据总线宽度为8位，由P0口提供。

控制总线＜CB）:

由四

根独立控制线RESET、EA、ALE、一1组成。

3.2.2振荡电路和时钟电路

振荡电路和单片机内部的时钟电路一起构成了单片机的时钟方式，根据硬件不同，连接方式分为内部时钟方式和外部时钟方式。

MCS-51单片机芯片内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1

和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。

这个放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡器，这是MCS-51单片机的内部时钟方式［11］。

本论文

中重点讲到的是外部时钟方式，外部时钟方式电路图如图3-8所示。

XT.AL1

Vss

mn

图3-8外部时钟方式电路图

由上图我们可以看到引脚XTAL2就是内部时钟发生器的输入端。

因此，只需将外部振荡器的信号接至引脚XTAL2，而把内部反相放大器的输入端XTAL1引脚接地。

通常接的外部信号一般为频率低于12MHZ的方波信号。

另外，由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的，故还需要接一个上拉电阻。

323单片机的复位电路

<1）复位电路的复位类型

通常单片机复位操作有上电复位、信号复位、运行监视复位。

在本论文里主要用到的是上电复位和开关复位的组合。

<2）主要复位电路

上电复位和开关复位组合电路：

在单片机系统设计过程中，经常会使用上电复位和手动复位，最常用的上电复位和开关复位组合电路如图3-9所示：

在这两种简单复位电路中，干扰容易串人复位端，在大多数情况下，不