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1、I辽辽 宁宁 工工 业业 大大 学学单片机原理及接口技术单片机原理及接口技术课程设计（论文）课程设计（论文）题目：题目： 热水器水温控制器设计热水器水温控制器设计 摘 要II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。本设计设计了一套热水器水温控制器系统，能实现在 070范围内设定控制温度，且 70时高温报警，十进制数码管显示温度，在 PC 机上显示温度曲线等功能，并具有较快响应与较小的超调。整个系统核心为 51 单片机，包括传感器，按键输入电路，LED 显示电路，上位机通信电路以及控制加热器的继电器驱
2、动电路。利用 ADC0809 的 8 位精度的 A/D 转换器，完成对水温的实时采样与模数转换，通过数字滤波消除系统干扰，并对温度值进行运算处理，以调节加热功率大小。同时在下位机上通过数码管显示当前温度，通过 USB 接口传送信息至上位机，可以直接在 PC 端，观察温度的变化曲线，并根据需要进行相应的数据分析和处理，由此完成对水温的采样和控制其功能是实时检控水的温度，将水的温度控制在允许范围内（070） ，温度可由使用者可任意设定并显示。使用电阻丝加热，加热功率 1kW。简述了设计中各单元电路的工作原理。关键词：单片机；温度控制；A/D 转换器目 录III第 1 章 绪论 .11.1 热水器水
3、温控制器概况.11.2 本文研究内容.1第 2 章 CPU 最小系统设计.22.1 热水器水温控制器总体设计方案.22.2 CPU 的选择 .32.3 数据存储器扩展.42.4 复位电路设计.52.5 时钟电路设计.52.6 CPU 最小系统图 .6第 3 章 热水器水温控制器输入输出接口电路设计 .73.1 热水器水温控制器传感器的选择.73.2 热水器水温控制器检测接口电路设计.73.2.1 A/D 转换器选择.83.2.2 模拟量检测接口电路图 .83.3 热水器水温显示输出接口电路设计.93.4 人机对话接口电路设计 .9第 4 章 热水器水温控制器软件设计 .114.1 软件实现功能
4、综述.114.2 流程图设计.12第 5 章 系统设计与分析 .145.1 系统原理图.145.2 系统原理综述.15第 6 章 课程设计总结 .16参考文献 .17第 1 章 绪论1.1 热水器水温控制器概况热水器水温控制器应用于热水器的温度控制，功能是实时监控水的温度，将水的温度控制在允许范围内（070）温度可由使用者任意设定，低于设定值时启动加热装置，当到达所设定值时，停止加热。主要研究单片机的数据处理功能，以及实时的采集的及时性，对于 51 单片机可以有更好更高的了解及应用，对以后的工作研发或是现场控制有着基本的要求。1.2 本文研究内容设计一个热水器水温控制器实时监控水的温度，将水的
5、温度控制在允许范围内（070） ，温度可由使用者可任意设定并显示。使用电阻丝加热，加热功率1kW。硬件电路设计：1. CPU 最小系统设计（包括 CPU 选择，晶振电路，复位电路）2. 温度传感器选择及接口电路设计3. 显示电路及控制电路设计4. 继电器控制部分5. 按键电路6. 报警部分软件设计：1.编程程序流程图第 2 章 CPU 最小系统设计2.1 热水器水温控制器总体设计方案图 2.1 过程层原理框图因为 80C51 单片机内部自带 8K 的 ROM 和 256 字节的 RAM，因此不必构建单片机系统的扩展电路。单片机的最小系统设计包括单片机的选择、时钟电路设计和复位电路设计如图 2.
6、1 所示。1单片机选择由于系统属于小型，对于精度和速度方面上都不是有着太高的要求所以选择51 系列单片机即可实现课设所要求的目的，对于信息期间的普及化和小型化，产业化，其价格是日益降低，所以选择 AT89C51 单片机，其优点：有一得性能价格比，集成度高、体积小、有很高的可靠性、控制功能强大、低功耗、低电压、便于生产便携式产品、2时钟电路设计51 单片机时钟信号可以由两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟方式。内部有一个高增益反向放大放大器，用于构成片内振荡器，引脚 XTALI 和 XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出端。在 XTALI 和 XTAL2 两端跨接警惕或陶瓷谐振器，就构成了稳定
7、的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部的时钟发生器，振荡器单片机AT89C51LED 数码显示加热装置复位电路报警装置温度传感器的频率范围 024MHz。为了减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定可靠地工作，谐振器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近。外部时钟用于特殊的环境所以不予考虑及介绍。3复位电路设计复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机重新启动，因此非常重要。单片机的复位都是靠外部复位电路来实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的 RESET 引脚出现 24 个时钟振荡脉冲（两个机器周期）以上的高电平，单片机就能实现复位。为了保证系统可靠复位，在设计复位电路时，一般使 RE
8、SET 引脚保持 10ms 以上的高电平，单片机便可以可靠地复位。采用上电复位电路和按键脉冲复位结合的方式。2.2 CPU 的选择本设计采用 Intel 公司生产的 AT89C51 单片机（如图 2.2），AT89C51 是一种低功耗，高性能的单片机，性价比非常高，采用 ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，89C51 单片机的最大特点是在片内有 Flash 存储器，Flash 存储器是一种可以电擦除和电写入的闪速存储器（简记 Flash ROM） ，读写方便。因此得到广泛应用。图 2.2 AT89C51 单片机E A /V P31X 119 X 218R E SE T9R D17 W
9、R16IN T 012IN T 113T 014T 115P1 01 P1 12 P1 23 P1 34 P1 45 P1 56 P1 67 P1 78P0 039 P0 138 P0 237 P0 336 P0 435 P0 534 P0 633 P0 732P2 021 P2 122 P2 223 P2 324 P2 425 P2 526 P2 627 P2 728PS E N29A L E /P30T X D11R X D102.3 数据存储器扩展89C-51 型单片机片内有 128B 的 RAM，在实际应用中仅靠这 256B 的数据存储器是远远不够的。这种情况下可利用 MCS-51 单
10、片机所具有的扩展功能扩展外部数据存储器。MCS-51 系列单片机最大可扩展 64KB。6264 是 8K8 位静态随机存储器，采用 CMOS 工艺制造，单一+5V 电源供电，额定功率 200mW，典型存取时间200ns，为 28 线双列直插式封装。NetLabel7NetLabel8NetLabel11NetLabel12A010 A19 A28 A37 A46 A55 A64 A73 A825 A924 A1021 A1123 A122CS120CS226WE27OE22D011 D112 D213 D315 D416 D517 D618 D7196264图 2.3 6264 引脚图6264
11、 的特性及引脚信号 6264 的容量为 8KB，是 28 引脚双列直插式芯片，采用 CMOS 工艺制造A12A0：地址线，可寻址 8KB 的存储空间。D7D0：数据线，双向，三态。 ：读出允许信号，输入，低电平有效。 OE：写允许信号，输入，低电平有效。WECE1：片选信号 1，输入，在读 /写方式时为低电平。 CE2：片选信号 2，输入，在读 /写方式时为高电平。 VCC：+5V 工作电压。GND：信号地。 6264 的操作方式 6264 的操作方式由 CE1、CE2 的共同作用决定2.4 复位电路设计复位操作可以使单片机初始化，也可以使死机状态下的单片机从新启动，因此非常重要（如图 2.4
12、） 。单片机的复位都是靠外部复位电路来实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的 RESET 引脚上出现两个机械周期以上的高电平，单片机就能实现复位。为了保证系统可靠的复位，在设计复位电路时，一般使 RESET引脚保持 10ms 以上的高电平，单片机便可以可靠的复位。复位电路中电阻电容的值是根据复位信号的有效脉冲的宽度来计算电容电阻的取值的，也就是说，假设，单片机高电平复位，而高电平至少要持续 10ms 才有效，就要根据这个时间来设置电容电阻的值。 假设高电平复位有效，一充一放周期是 1.386*RC，舍去充放过程中较低的电平，一般的单片机复位脉冲宽度取值：大概为（0.71）RC ，其周期为复位脉冲宽度的倒数，因此可以根据周期确定相应的电容电阻值。其中 R1 可以为 0，因为R1 的作用是为了防止电流过大，保护电路。2.5 时钟电路设计计算机在工作时，是统一的时钟脉冲控制下一拍一拍的进行的。这个脉冲是有单片机控制器中的时序电路发出的。时钟电路用与产生单片机工作所需要的时钟信号。时钟信号可以由两种方式产生：内部时钟方式和外部时钟发方式。本设计采用内部时钟方式（如图 2.5） 。在 AT89C51 内部有一个高增益反向放大器，用于构成片内振荡
