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1、第四章 硬件系统设计.1 方案验证目前市场上的智能燃气热水器基本采用单片机来实现其智能化，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，极强的实用性，它取得了巨大的发展。本课程设计是基于 AT89S51 单片机的智能燃气热水器控制器的设计，要达到的控制要求有：（1）用两位数码管实时显示当前水温。（2）水温检测显示范围为0099，精度为1。（3）水气联动控制脉冲点火。当打开进水阀门，系统自动检测当前状态，
2、并自动点火。（4）设置点火指示灯。（5）报警设置。当点火不成功时，蜂鸣器报警，并切断燃气控制阀。方案：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，在许多行业都得到了广泛的应用。以 AT89S51 单片机为核心，配以外围电路如电源电路、时钟电路、复位电路、脉冲点火电路、报警电路、安全检测电路、温度检测电路、水压检测电路、显示器件即可构成智能电热水器控制系统，结构框图如图 4.1.1：脉冲点火电路AT89电S源5电1路复位电路报警电路时钟电路安全检测电路水压检测电路温度检测电路温度显示电路图 4.1.1 基于 A
3、T89S51 单片机为控制中心的智能电热水器结构图数码管用来显示水温，所有数码管采用共阳接法，段控端接在单片机同一 I/O 口， 位控端分别接在不同位的 I/O 口。发光二极管用来指示脉冲点火装置运行状态，ISP 接口通过并口与 PC 机连接，实现单片机与 PC 机通讯，用编译器对源程序进行调试及编译， 通过 ISP 接口将形成的二进制目标程序下载到 AT89S51 单片机上。依据设计要求，系统上电复位后按默认值开始运行，然后开始检测水压，如果打开进水阀，此时触动微动开关，给单片机一个信号，单片机控制打开燃气阀门，同时接通脉冲点火装置电源，如果成功点火，则进入温度检测模块，单片机实时检测温度，
4、并予以显示；若点火不成功，并在 5 秒钟之后，再次尝试点火，3 次点火不成功，则关闭燃气阀，同时蜂鸣器发出报警声音。其总体电路原理图如下所示：图 4.1.2 基于 AT89S51 单片机为控制中心的智能电热水器总体电路原理图4.2 硬件系统设计4.2.1 AT89S51 功能特点介绍（1） 主要性能参数：1 与 MCS-51 产品指令系统完全兼容2 4k 字节在线系统编程（ISP）Flash 闪速存储器3 1000 次擦写周期4 4.05.5V 的工作电压范围5 全静态工作模式：0Hz33MHz6 三级程序加密锁7 1288 字节内部 RAM8 32 个可编程 I/O 口线9 2 个 16 位
5、定时/计数器10 6 个中断源11 全双工串行 UART 通道12 低功耗空闲和掉电模式13 看门狗（WDT）及双数据指针14 掉电标识和快速编程特性15 灵活的在线系统编程（ISP 字节或页写模式）（2） 串行编程指令设置：串行编程指令设置为一个 4 字节协议。（3） 并行编程接口：采用控制信号的正确组合可对 Flash 闪速存储阵列中的每一代码字节进行写入和存储器的整片擦除，写操作周期是自身定时的，初始化后，它将自动定时到操作完成。（4） 功能特性概述：AT89S51 提供以下标准功能：4k 字节 Flash 闪速存储器，128 字节内部 RAM，32 个I/O 口线，看门狗（WDT），两
6、个数据指针，两个 16 位定时/计数器，一个 5 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，AT89S51 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直到下一个硬件复位。（5） 芯片擦除：在并行编程模式，利用控制信号的正确组合并保持 ALE/PROG 引脚 200ns500ns 的低电平脉冲宽度即可完成擦除操作。在串行编程模式，芯片擦除操作是利用擦除指令进行。在这种方式，擦除周期是自身定
7、时的，大约为 500ms。擦除期间，用串行方式读任何地址数据，返回值均为 00H。（6） Flash 闪速存储器的串行编程：将 RST 接至 Vcc，程序代码存储阵列可通过串行 ISP 接口进行编程，串行接口包含SCK 线、MOSI（输入）和MISO（输出）线。将RST 拉高后，在其它操作前必须发出编程使能指令，编程前需将芯片擦除。芯片擦除则将存储代码阵列全写为 FFH。外部系统时钟信号需接至 XTAL1 端或在 XTALl 和 XTAL2 接上晶体振荡器。最高的串行时钟（SCK） 不超过 l/16 晶体时钟，当晶体为 33MHz 时，最大 SCK 频率为 2MHz。Flash 闪速存储器的串
8、行编程方法：1 上电次序：将电源加在 Vcc 和 GND 引脚，RST 置为“H”，如果 XTAL 和 XTAL2 接上晶体或者在 XTAL1 接上 333MHz 的时钟频率，等候 10ms。2 将编程使能指令发送到 MOSI（Pinl.5），编程时钟接至 SCK（Pinl.7），此频率需小于晶体时钟频率的 l/16。3 代码阵列的编程可选字节模式或页模式。写周期是自身定时的，一般不大于0.5ms（5V 电压时）。4 任意代码单元均可由 MISO（Pinl.6）和读指令选择相应的地址回读数据进行校验。5 编程结束应将 RST 置为“L”以结束操作。6 断电次序：如果需要的话按这个方法断电，假如
9、没有使用晶体，将 XATL 置为低，RST 置低，关断 Vcc。（7） 数据校验：数据校验也可在串行模式下进行，在这个模式下，在一个写周期中，通过输出引脚MISO 串行回读一个字节数据的最高位将作为最后写入字节的反码。（8） 封装形式：图 4.2.1.1 at89s51 单片机封装形式4.2.2 电源电路电源电路按元件类型可分为电子管稳压电路、三极管稳压电路、可控硅稳压电路、集成稳压电路等。根据调整元件与连接方法，可分为并联型和串联型；根据调整元件工作状态不同，可分为线性和开关稳压电路。本设计中采用了线性工作状态的线性集成稳压电源。直流稳压电源一般由电源变压器、整流滤波电路及稳压电路所组成，设
10、计框图：输入电压U1电源变压器整流滤波电路稳压电路输出电压U2图 4.2.2.1 直流稳压电源各部分简介：（1） 电源变压器电源变压器作用是将电网 220V 的交流电压V1 变换成整流滤波电路所需的交流电压V2。变压器副边与原边的功率比 P2/P1= ，式中 为变压器的效率。（2） 整流滤波电路整流电路将交流电压变成单向脉动的直流电压。滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成份，合之成为平滑的直流电压。常用的整流电路有全波整流电路、半波整流电路、桥式整流电路及倍压整流电路。小功率直流电源因功率比较小，通常采用单相交流供电。由于桥式整流电路克服了半波整流的缺点，在桥式整流电路中，由于每两只二
11、极管只导通半个周期，故流过每个二极管的平均电流仅为负载电流的一半，与半波整流电路相比较，其输出电压提高，脉动成分减少。整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分（称为纹波电压）。为了获得平滑的直流电压，应在整流电路的后面加接滤波电路，以滤去交流成分。滤波电路常见的有电容滤波电路、电感滤波电路及 型滤波电路。本设计采用电容滤波电路。电容滤波电路主要利用电容两端电压不能突变的特性，使负载电压波形平滑，故电容应与负载并联。桥式整流电路带电阻负载时的输出直流电压 U =0.9V，接上电容滤波后，0空载时的输出直流电压 U =U =U 。所以，接上负载时的桥式整流电容滤波电路的输出电0C2
12、压介于上述两者之间，其大小与放电时间常数 R C 有关，R C 越大，U 越大。（3） 稳压电路LL0稳压电路的作用是当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。由于三端式稳压器只有三个引出端子，具有应用时外接元件少、使用方便、性能稳定、价格低廉等优点，因而广泛应用。三端式稳压器有两种，一种称为固定输出三端稳压器，另一种称为可调输出三端稳压器。它们的基本组成及工作原理都相同，均采用串联型稳压电路。（4） 三端固定输出集成稳压器通用产品有 CW7800T 系列和 CW7900 系列。1 正压系列：CW7800 系列，该系列稳压块有过流、过热和调整管工作保护，以防过载而损坏。
13、一般不需要接元件即可工作，有时为改善性能也会加少量元件。2 负压系列：CW7900 系列与 CW7800 系列相比，除了输出电压极性、引脚定义不同外，其它特点都相同。(5)稳压电源的技术指标分为两种：一是特性指标，包括允许的输入电压、输出电压、输出电流及输出电压调节范围等； 另一种是质量指标，用来衡量输出直流电压的稳定程度，包括稳压系数（或电压调整流器率）、输出电阻、温度系数及纹波电压等。（6）电路目的：给单片机及其他控制电路提供电源。电源设计是电路设计很重要关节。它的稳定与否涉及到电路是否能稳定工作。按要求需要一个+5V电压，一个+12V左右可调电压。于是采用可调压芯片LM317，它是稳压芯
14、片。LM317是三端稳压集成电路，最大输出电流为2.2A，输出电压范围为1.25V37V。它具有输出电压可变、内藏保护功能、体积小、性价比高、工作稳定可靠等特点。用它制作输出电压可变稳压电源，调节可变电阻R2，便可从LM317输出端获得U (可变输出电O压)。从电路中可以看出，LM317的输出电压(也就是稳压电源的输出电压)U 为两个电压之0和，也就是R1两端电压与R2两端电压之和。而I 实际上是两路电流之和，一路是经R1流R2向R2的电流I ，其大小为U /Rl。因U 为恒定电压1.25V，Rl是一个固定电阻，小于240RIRIRI欧姆。所以I 是一个恒定的电流。另一路是LM317调整端流出
15、的电流I ，I 的平均值是50RlDD A左右，最大值一般不超过100 A。而且在LM317稳定工作时，I 的值基本上是一个恒D定的值。调节R2阻值即可调节LM317输出电压U 。O既然I 和I 对调节输出电压U 都起到了一定作用，并且I 是由R1提供，I大小也没DRlOR1RI有任何限制，LM317输出电压服从1.25+I R2=U 关系。DO可调稳压电路原理图如图4.2.2.2所示。D24 00 1L M 31 7Vin2Vin+Vou t3Vo utDJA1C10. 1u FR1 2 00R25. 1KD14 00 1C21 00 0u FC31 0u FGND图4.2.2.2 可调稳压电路原理
