第四章硬件系统设计

４.1 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00～99℃，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，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：

图4.1.1 基于AT89S51单片机为控制中心的智能电热水器结构图

AT89S51

电源电路

水压检测电路

时钟电路

复位电路

温度检测电路安全检测电路报警电路脉冲点火电路温度显示电路

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，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

○24k字节在线系统编程（ISP）Flash 闪速存储器

○31000次擦写周期

○4 4.0－5.5V 的工作电压范围

○5全静态工作模式：0Hz－33MHz

○6三级程序加密锁

○7128×8字节内部RAM

○832个可编程I/O口线

○92个16位定时/计数器

○106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200ns－500ns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3－33MHz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，设计框图：

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=η，式中η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π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=0.9V ，接上电容滤波后，空载时的输出直流电压U 0=U C =U 2。所以，接上负载时的桥式整流电容滤波电路的输出电压介于上述两者之间，其大小与放电时间常数R L C 有关，R L C 越大，U 0越大。

（3）稳压电路

电源变压器

整流滤波电路

稳压电路

输入电压U1 输出电压U2

图4.2.2.1 直流稳压电源

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。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1.25V～37V。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

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

向R2的电流I

RI ，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240

欧姆。所以I

Rl 是一个恒定的电流。另一路是LM317调整端流出的电流I

，I

的平均值是50

μA左右，最大值一般不超过100μA。而且在LM317稳定工作时，I D的值基本上是一个恒定的值。调节R2阻值即可调节LM317输出电压U

。

既然I

D 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

有任何限制，LM317输出电压服从1.25+I

D R2=U

关系。

可调稳压电路原理图如图4.2.2.2所示。

图4.2.2.2 可调稳压电路原理图

+5V 电压也是利用三端稳压集成电路得到的，采用7805芯片。其用法和LM317差别不大，如下图所示。LM7805的1端是电源的输入端，3端是输出端，2端是接地端。

图4.2.2.3 7805三端稳压电源电路

4.2.3 AT89S51复位电路和时钟电路

AT89S51单片机最小系统由AT89S51单片机及其外围电路组成，外围电路包括时钟电路和复位电路两部分。

○

1时钟电路：时钟电路为单片机产生时序脉冲，单片机所有运算与控制过程都是在统一的时序脉冲的驱动下的进行的，时钟电路就好比人的心脏。同样，如果单片机的时钟电路停止工作（晶振停振），那么单片机也就停止运行了。当采用内部时钟时，连接方法如下图所示，在晶振引脚XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）引脚之间接入一个晶振，两个引脚对地分别再接入一个电容即可产生所需的时钟信号，电容的容量一般在几十皮法，如30PF 。

单片机内部有一个高增益反向放大器，输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。而在芯片外部XTAL1和 XTAL2之间跨接晶体震荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。外接晶体（石英或陶瓷，陶瓷的精度不高，但价格便宜）振荡器以

Vin

A D J

+Vou t

L M 317

C310u F

D14001

D24001

R1200

R2 5.1K

GND

C10.1u F

1000u F

Vo ut

Vin

In pu t

Ou tpu t

G N D

L M7805

C4100uF

C50.1u F

及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中， C1和C2的大小会对振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度特性有一定的影响。因此建议在采用石英晶体振荡器时取C=30+/-10pF，陶瓷振荡器时取C=40+/-10pF，典型值为40pF。在设计电路板时，振荡器和电容应尽量安装得与单片机靠近，以减小寄生电容的存在，更好的保障振荡器稳定、可靠的工作。在任何情况下，振荡器始终驱动内部时钟发生器向主机提供时钟信号，因为时钟发生器的输入是一个二分频电路，所以对外部振荡信号的脉宽无特殊要求，但必须保证高、低电平的最小宽度。

○2复位电路：单片机的复位电路分上电复位和按键手动复位。它是利用外部复位电路来实现的。当Vcc上升时间不超过1ms（RC=τ），振荡器启动时间不超过10ms。在加电情况下，这个电路可以使单片机复位。在加电开机时，RST上的电压从Vcc逐渐下降，RST引脚的电位是Vcc与电容电压的差，RST上的电压必须保证在斯密特触发器的阀值电压以上足够长时间，以满足复位操作的要求。按键电平复位是将复位端通过电阻与Vcc相连。在按键电平复位和按键脉冲复位两种简单的复位电路中，干扰易串入复位端，在大多数情况下，不会造成单片机的错误复位，但会引起内部寄存器错误复位，这里可在复位端引脚上接一个去藕电容。需说明的是，如复位电路中R、C的值选择不当，使复位时间过长，单片机将处于循环复位状态。

为了使用方便和设计电路简化及设计要求，我们采用上电复位和按键电平复位相结合的方法。复位后，单片机从0000H单元开始执行程序，并初始化一些专用寄存器为复位状态值，受影响的专用寄存器如下表所示：

寄存器状态寄存器状态

PC 0000H TCON 00H

ACC 00H TL0 00H

PSW 00H TH0 00H

SP 07H TL1 00H

DPTR 0000H TH1 00H

P0 -- P3 FFH SCON 00H

IP xxx00000H SBUF 不确定

IE 0xx00000H PCON 0xxx0000H

TMOD 00H

表4.2.3.1 专用寄存器状态表

A T 89S 51

P1.01P1.12P1.23

P1.34

P1.45P1.56P1.67

P1.78

RST 9P3.0(RXD)10P3.1(TXD )11P3.2(INT0)12P3.3(INT1)13P3.4{T0}14

P3.5(T1)15

P3.6(WR)16P3.7(RD)17

XTAL 218

XTAL 119

P2.1(A9)22P2.2(A10)23P2.3(A11)24P2.4(A12)25P2.5(A13)26P2.6(A14)27P2.7(A15)28PSEN 29ALE /PROG 30EA/Vpp 31P0.7(AD7)32P0.6(AD6)33P0.5(AD5)34P0.4(AD4)35P0.3(AD3)36P0.2(AD2)37P0.1(AD1)38P0.0(AD0)39VCC 40

GND 20

P2.0(A8)

AT89S51

S1SW-PB C3Y111.0596MHz C733pF C133pF

VCC WR RD

图4.2.3.1 单片机最小系统

4.2.4微动开关与水气联动开关连接电路

（1）元器件选型及技术参数

水气联动装置上的微动开关选用浙江侨亨实业有限公司生产的V-J 小型基本开关其具有一下特点：高可靠性的微动开关。

可广泛应用于家用电器、办公设备。符合欧盟REACH 法规。

图4.2.4.1微动开关实物图

技术参数：

表4.2.4.1微动开关技术参数

（2）电路连接原理

微动开关相当于是一个信号发生器，当打开进水阀门，微动开关，给单片机一个信号，是单片机能进行点火、温度检测等相关操作。微动开关通过上拉电阻R28连接于单片机的P0.0口。

图4.2.4.2微动开关电路连接图

4.2.5 脉冲点火电路

（1）元器件选型及技术参数

脉冲点火装置选用1.5V脉冲点火器，1条粗的黑色(HV1/HV2)高压点火线(连接点火针)

一条粗的黑色(S)熄火安全保护线(连接感应针)

一条工作指示灯线连接指示灯

一条黑色带孔连接地线

图4.2.5.1 脉冲点火电路实物图

（2）电路连接原理

图4.2.5.2 脉冲点火电路图

4.2.6 燃气控制阀、水气联动阀控制电路

（1）元器件选型及技术参数

两个阀门都选择浙江侨亨实业有限公司ZD131(5L)自吸电磁阀

图4.2.6.2 燃气控制阀技术指标

图4.2.6.3 燃气控制阀接口说明

图4.2.6.4 燃气控制阀控制电压电路图

（2）电路连接原理

对于ZD131(5L)自吸电磁阀，只要黑红之间加电压1.6V，电磁阀便能打开，黑黄之间加电压1.6V，电磁阀就能处于打开状态，但是单片机的输出电流很小，不足以带动电磁阀，因此便采用串联电阻法，按照串联法则，对电磁阀予以分压供电。其原理图如下：

图4.2.6.5 燃气控制阀控制电路图

4.2.7 报警电路

热水器工作环境潮湿，为了保证使用者安全，控制器应具备漏电检测功能。在正常情况下，流过磁环的电流大小相等，方向相反，磁环检测线圈无感应电流信号，漏电检测集成电路输出低电平。当出现漏电电流时，由于流过磁环的电流不平衡，于是磁环检测线圈感应出漏电信号，经集成电路M54123L放大输出高电平，经三极管倒相后输出至单片机。单片机接收到漏电信号，则停止加热、保温及键盘操作，结束程序并发出报警

信号，蜂鸣器连续呜响。在漏电保护及自检不合格情况下，只有关闭电源及排除故障后，重新接通电源才能工作。

图4.2.7.1 报警电路

4.2.8 温度检测电路

本文采用温度传感器DS18B20采集燃气热水器的实时温度, 提供给AT89S51的P3.2口作为数据输入。在本次设计中我们所控的对象为水温。其电路原理框图如下：

图4.2.8.1 温度检测电路

DS18B20是DALLAS 公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO －92小体积封装形式；温度测量范围为－55℃～＋125℃,可编程为9位～12位A/D 转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，支持3V ～5.5V 的电压范围，使系统设计更灵活、方便；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电

BELL

YELLOW

NPN

-12V

P 2.0(A 8)

A T 89S 51

G N D

D Q

V D D

DS18B20

P3.3

AT89S51

VCC

R 5.7K

VCC

源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20使电压、特性有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。如图2所示DS18B20的2脚DQ为数字信号输入/输出端；1脚GND为电源地；3脚VDD为外接供电电源输入端。

4.2.9 温度显示电路

温度显示电路采用单片机P1、P3口控制两个共阳极数码管，用于实时显示当前热水器出水口的水温。

图4.2.9 温度显示电路图

第四章 硬件系统设计

第四章硬件系统设计