基于MCS-51系列单片机的电热水壶控制系统设计

数理与信息工程学院《单片机原理及应用》期末课程设计题目：基于单片机的电热水壶控制系统专业：计算机科学与技术班级：计算机072班姓名：朱妍学号：07220121指导老师：余水宝成绩：( 2009.12 )目录第1节引言 (3)1.1 热水壶的工作情况 (3)第2节电热水壶控制系统的硬件设计 (4)2.1 MCS-51单片机控制的总体介绍 (4)2.2 温度检测电路和A/D转换器的电路 (4)2.2.1 AD590温度传感器的概念 (4)2.2.2 温度检测电路 (5)2.2.3 A/D转换器电路原理和电路接口图 (6)2.3 单片机8051芯片介绍和主要电路 (8)2.3.1 MCS-51单片微机8051内部部件和接口电路 (8)2.3.2 振荡电路和时钟电路 (9)2.3.3 单片机的复位电路 (9)2.3.4 中断优先级 (10)2.3.5 74LS373地址锁存器芯片介绍 (11)2.4 8255输出口扩展 (12)2.4.1 8255的引脚介绍 (12)2.4.2 8255与8051外部接口电路 (13)2.5 单片机的抗干扰电路 (13)2.5.1 光电隔离抗干扰的简介 (13)2.5.2 光电隔离器的原理电路 (14)2.5.3 光电隔离的电路 (14)2.6 键盘及显示电路 (15)2.6.1 键盘输入特点 (15)2.6.2 按键接口电路的消抖措施 (16)2.6.3 矩阵键盘的概述 (17)2.6.4 LED显示原理及显示方式 (17)2.6.5 系统应用 (19)2.7 加热电路和报警装置 (20)2.7.1 加热电路 (20)2.7.2 报警装置 (20)第3节系统软件设计 (23)3.1 总的程序设计框图 (23)3.2 8255的程序设计 (23)3.2.1 8255的程序的初始化 (23)3.2.2 对端口C的置位/复位 (23)3.3 键盘和显示接口电路程序设计 (24)3.3.1 键盘和显示器的程序设计 (24)3.3.2 键盘扫描子程序 (25)第4节结束语 (29)参考文献 (30)基于单片机的电热水壶控制系统数理与信息工程学院 07计算机非师范朱妍指导教师：余水宝第1节引言本系统设计介绍了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。

1.1 热水壶的工作情况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。

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：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。

第2节电热水壶控制系统的硬件设计2.1 MCS-51单片机控制的总体介绍硬件设计的总电路连接框图如下图：图1-1 硬件设计的总电路连接框图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。

2.2 温度检测电路和A/D转换器的电路2.2.1 AD590温度传感器的概念AD590是一种二端式的集成温度传感器。

图2-2-1 AD590引脚图 其主要技术参数有：1)范围为-55~+150℃。

2)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K A ︒/1μ，即温度每变化1℃，其输出电流变化1μA ；它以热力学温标零点作为零输出点，因此在25℃时，其输出电流为298.2μA 。

3)经过激光平衡调整，AD590的校准精度可达+和-0.5℃，全温区范围线性度可达+和-0.3℃（AD590M ）当其在10℃温区范围内校正后测量，精度可达+和-0.1℃，在全温区范围内（-55~+145℃）使用，精度也可高达+、-1℃。

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。

2.2.2 温度检测电路图2-2-2 电源转换电路 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。

温度检测电路由温度传感器AD590等组成，直接输出电流1μA/K ，输出电压为100mV/℃，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。

图2-2-3温度检测电路 当传感器AD590所处温区发生1℃的温度变化时，流过其所在回路的电流即产生1μA 的变化，则其输出电压的变化为：C mV K C A V ︒=Ω︒=∆/100100*/10μAD590的输出电流值说明如下：其输出电流是以绝对温度零度(-273℃)为基准,每增加1℃,它会增加1μA 输出电流,因此在室温25℃时,其输出电流A I μ298)25273(0=+=。

的值为Io 乘上10K,以室温25℃而言,输出值为)29810(98.2A K V μ⨯ 。

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A T I μ)273(+=(T 为摄氏温度),因此量测的电压 V T K A T V )100/73.2(10)273(++⨯+=μ。

在本系统中通过温度集成器AD590对外部-55~+150℃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1μA/K 其输出电压为100mV/℃，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。

2.2.3 A/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，本系统中无法选择单片机片内有A/D 部件，则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 转换芯片的原则从转换精度、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。

本系统中采用逐次逼近法A/D 转换器电路原理。

其主要原理为：将一待转换的模拟输入信号U1n 与一个推测信号Ur 相比较，根据推测信号大于还是小于输入信号来决定增大还是减少该推测信号相等时，向D/A 转换器输入的数字就是对应模拟输入量的数字量。

其“推测”值的算法如下：使二位进制计数器中（输出锁存器）的每一位从最高位起依次置1，每接一位时，都要进行测试。

若模拟输入信号U1n小于推测信号U1，则比较器输出为零，并使该位清零；若模拟输入信号U1n大于推测信号U1，比较器输出为1，并使该位保持位1。

无论哪种情况，均应继续比较下一位，直到最末位为止。

此时，D/A转换器的数字输入即为对应模拟输入信号的数字量，将此数字输入就完成了A/D转换过程。

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。

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。

ADC0809引脚功能说明如下：IN0——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100us。

D0——D7：8位数字输出段。

Vcc: 电源输入端。