基于单片机的电热水壶控制系统

基于MCS-51系列单片机的热水壶控制系统

目录

1前言 (1)

2 热水壶控制系统总体概述 (2)

2.1热水壶的工作情况 (2)

2.2系统总体设计框图 (2)

3 电热水壶控制系统的硬件设计 (4)

3.1电源转换电路 (4)

3.2单片机最小系统 (4)

3.3A/D转换电路 (6)

3.4温度检测电路 (8)

3.5键盘及显示电路 (10)

3.5.1 键盘输入特点 (10)

3.5.2 LED显示电路的原理 (11)

3.5.3 键盘及显示电路 (12)

3.6加热电路和报警装置 (13)

3.6.1 加热电路 (13)

3.6.2 报警装置 (14)

4 单片机的软件设计 (15)

4.1总的程序设计框图 (15)

4.2 8255的程序设计 (16)

4.3键盘和显示接口电路程序设计 (17)

5结论 (22)

参考文献 (23)

致谢..................................................... 错误!未定义书签。附录A 系统电路总图. (24)

附录B PCB版电路图 (25)

摘要

经过几十年的发展，中国电热壶市场已经进入成熟时期。行业内预测认为，2011年国内电热水壶预计销售量在1400万台左右，市场规模将达到20亿元。市场迅猛的增长使电热水壶这个本无太多看点的小家电产品开始变的很引人注目。目前国内比较智能热水壶通过温度传感器测温，将温度信号传送到单片机中进行处理，单片机根据温度传感器送来的温度信号，做出相应命令，控制热水壶的开关、功率等，但缺乏水温显示以及报警系统。

本论文研究一个以MCS-51系列单片机为控制芯片，对热水壶工作进行控制的系统。通过电加热电路加热水并实时采样水温，将采样信号进行模数转换后送入单片机系统，经过单片机系统处理后，结合键盘控制实现水温的LED显示以及超过水温的报警提示。整个系统的硬件电路由单片机控制电路、温度检测电路、A/D转换电路、键盘及显示电路和温度加热电路五个部分组成，结合软件编程实现单片机对整个硬件系统的控制。

关键字：单片机；温度控制；控制器。

Abstract

After decades of development, China electric pot of market has entered into the mature period. Within the industry as projections, 2011 domestic electric kettle of expected sales in 14 million Taiwan or so, the size of the market will reach 2 billion yuan. The rapid growth of the market that electric kettle this this have no too many small home appliance product read became very conspicuous. The current domestic hot water is intelligence through the temperature sensor measuring temperature, temperature signals to the microcontroller treatment, SCM according to deliver of temperature, the temperature sensor signal, and makes the corresponding command, control the switch of hot water, power and so on, but the lack of hydrological display and alarm system.

This paper studies a MCS-51 series microcontroller as control chip, the hot water control system of the work. Through the electrical heating water and real-time sampling circuit heating water temperature, will sampling signal after conversion module into SCM system, after single-chip microcomputer system processing, the combination of the keyboard control realization of water temperature and water temperature of LED display more than alarm prompt. The whole system hardware circuit of microcomputer control circuit, temperature detection circuit, A/D circuit, keyboard and display circuit and temperature heating circuit five parts, combined with the programming software with the chip the hardware of control.

Key words: One-chip computer; Temperature control; Controller.

1前言

经过几十年的发展，中国电热壶市场已经进入成熟期。前些日，在网上了解到，电热水壶产量的复合增长率为26.36%，产值的复合增长率为35.00%，产量、出口量和内销量同步迅速增加。行业内预测认为，2011年国内电热水壶预计销售量在1400万台左右，市场规模将达到20亿元。市场迅猛的增长使电热水壶这个本无太多看点的小家电产品开始变的很引人注目。

国内智能热水壶市场中大概有比较智能化热水壶和比较不智能化热水壶两种。比较智能化热水壶一类，通过温度传感器测温，将温度信号传送到单片机中进行处理，单片机根据温度传感器送来的温度信号，做出相应命令，控制热水壶的开关、功率等。并具备智能化的声光报警系统等功能；而比较不智能化的智能热水壶一类，通过利用水沸腾时会产生蒸汽这一现象，用蒸汽压力控制开关的闭合来实现智能热水壶的控制，智能化程度较低。

目前，单片机在工业控制、智能仪表、自动化设置、通信系统、信号处理等领域以及家用电器、高级玩具、办公自动化设备等方面均得到广泛的应用。本文设计了一种以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。单片机具有体积小，成本低，应用灵活的特点，能方便地组成各种智能化的设备和仪器。以MCS-51系列单片机为控制芯片制作的智能电热水壶可靠性高，抗干扰性强，适用温度范围广，在各种恶劣的环境下都能可靠的工作。实时控制功能强：能对电热水壶温度传感器采样来的数据快速做出响应及处理，将实时水温送到LED上显示并控制加热电路和报警。

2 热水壶控制系统总体概述

2.1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。

2.2 系统总体设计框图

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、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，与此同时当水加热超过指定的温度以后，蜂鸣器工作报警。硬件设计的总电路连接框图如下图：

图1 硬件设计的总电路连接框图

3电热水壶控制系统的硬件设计

通过2.2节对电热水壶控制系统框图的总体设计分析，可以把硬件电路分成六个子模块，即给芯片供电的+5V的电源转换电路、单片机最小系统、A/D转换电路、温度检测电路、键盘显示电路以及加热和报警电路。

3.1电源转换电路

U12

1u f

CON2

图2 电源转换电路

T1为电为源变压器，它将交流电网电压220V变成整流电路要求的交流电压，电压经过四个二极管两两导通整流滤波后，再经过三端稳压芯片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。

3.2单片机最小系统

（1）单片机时钟电路

单片机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和输出端。在XTAL1和XTAL2两端跨接晶体就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部的时钟电路。

XTAL1和XTAL2两端将晶振、电容C1和C2与内部的反相放大器连接起来组成并联谐振电路，图中C1、C2区30PF，对频率有微调作用，振荡频率范围在2~12MHZ。

此设计单片机时钟电路如图3所示

单片机外围电路

图3 单片机的时钟电路

（2）单片机的复位电路

系统开始运行和重新启动靠复位电路来实现，复位使CPU和其它部件处于一个确定的初始状态，从这个状态开始工作。

此设计单片机的复位电路如图4所示

图4 单片机的复位电路

在单片机运行期间，利用按键也可以完成复位操作。单片机复位操作使单片机进入初始化状态。复位后，程序计数器PC=0000H，因此，程序从0000H地址单元开始执行。运行中的复位操作不会改变片内RAM的内容。复位是靠外部电路实现的。

(3) 单片机的最小系统

所谓最小系统，是指一个真正可用的单片机最小配置系统,其作用主要是为了保证单片机系统能正常工作。对于单片机内部资源已能满足系统需要的，可直接采用最小系统。51型片内有4K的ROM/EPROM，因此，只需要外接晶体振荡器和复位电路就可构成最小系统。

本设计的单片机最小系统如图2-4所示。

VC

图5 单片机最小系统

在外部振荡电路中，单片机的XTAL1和XTAL2管脚分别接至由11.0596MHZ晶振和两个30PF电容构成的振荡电路两侧，为电路提供正常的时钟脉冲。在复位电路中，单片机RESET管脚一方面经10uF的电容接至电源正极，实现上电自动复位，另一方面经开关S接电源。其主要功能是把PC初始化为0000H，是单片机从0000H单元开始执行程序，除了进入系统的初始化之外，当由于程序出错或者操作错误使系统处于死锁状态时，为了摆脱困境，也需要按复位键重新启动，因此，复位电路是单片机系统中不可缺少的一部分。

3.3 A/D转换电路

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，则必须在前向通道中配置A/D 接口。本论文中采用逐次逼近法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。

图6 A/D转换的连接电路

由图5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（P0.0~P0.2）接0809的A、B、C三端用来对8路模拟通道进行选择。EOC经非门与8051 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

START=WR+P2.6

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。

3.4 温度检测电路

AD590是一种二端式的集成温度传感器。

图7 AD590引脚图

其主要技术参数有：

测温范围为-55~+150℃。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1μA/K 。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 。精度：经过激光平衡调整，AD590的校准精度可达C o 5.0 。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。

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8 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

C uA V o

o 10010010=KΩ*=?

AD590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

()uA I o 29825273=+=

Vo 的值为Io 乘上10K ，以室温25℃而言，输出值为()uA V 2981098.2?。 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

()uA T I +=273 （T 为摄氏温度） 因此量测的电压V 为

()()V T K uA T 10073.210273+=?+。

在本论文中通过温度集成器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。

3.5 键盘及显示电路

3.5.1 键盘输入特点

（1）由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下断开。因而，在闭合和断开的瞬间均伴随着一连串的抖动，抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5~10ms，为了确保按键的状态，必须消除按键抖动的影响，这也是按键抗干扰的主要的一个方面。

图9 键盘抖动波形图

消除按键抖动影响通常有硬件、软件两种方法。本论文采用双稳态消抖的硬件消抖方法。

双稳态消抖的原理：

图15中用两个与非门构成一个RS触发器，当按键为按下时，输出为1，当按键按下时，输出为0。此时即使由于按键的机械性能使按键因弹性抖动而产生瞬间不闭合，只要按键不返回原始状态，双稳态电路的状态不会发生改变，输出保持为0，不会产生抖动的波形。因此如果在按键信号输入端加上一个RS触发器就可以剔除按键抖动产生的干扰。

图10 双稳态消抖电路原理图

（2）阵键盘按键的识别方法分两步进行：第一步，识别键盘有无键被按下；第二步，如果有键被按下，识别出具体的按键。识别键盘有无键按下的方法是让所有列线均置为0电平，检查各行线电平是否有变化，如果有变化，则说明有键被按下，如果没有变化，则说明无键被按下。

识别具体按键的方法是（亦称为扫描法）：逐行置零电平，其余各列置为高电平，检查各行线电平的变化，如果某行电平由高电平变为零电平，则可确定此行此列交叉点处的按键被按下。

通常，键盘工作方式有三种，即：编程扫描、定时扫描和中断扫描。

由图2-5-4可见键盘采用编程扫描方式工作，PB口输出逐行扫描信号，PA口输入8位列信号，均为低电平有效。8255A的A0、A1上，CS与P2.7相接，WR、RD分别与8051的WR、RD相连。

3.5.2 LED显示电路的原理

8位LED动态显示电路只需要两个8位I/O口。其中一个控制段选码，另一个控制位选。由于所有位的段选码皆由一个I/O控制，因此，在每个瞬间，8位LED只可能显示相同的字幅。要向每位显示不同的字符，必须采用扫描显示方法。即在每一瞬间只使某一位显示相应字符。在此瞬间，段选控制输出相应字符段选码，位选控制I/O口在该

显示位送入选通电平（共阴极送低电平、共阳极送高电平）以保证该位显示相应字符。如此轮流，使每位显示该位应显示字符，并保持延时一段时间，以保存视觉暂留效果。

3.5.3 键盘及显示电路

从8255输出的显示信息经74LS373锁存缓冲，用来对LED的各段进行段选，各位LED显示器采用共阴极接法，通过控制阴极的电位来实现各位的选通。通过8255的扫描输出经ULN2003来实现位选，用来显示设定的温度值和当前的温度值，以便进行调节。键盘部分采用1×3键盘矩阵，列回复信号送至8255的PC0口，连接后仍作为列选择线；行选择线则是与显示部分的位选线共用。初始时，将列选择线置为高电平，当有按键按下时，列选择线的电位取决于行选择线，通过相应行的电平状态判断有无按键按下，可以通过键盘的配合来调节温度的设定值。

键盘及显示电路的电路图如下：

图11 键盘和显示器接口电路的接线图

3.6 加热电路和报警装置 3.6.1加热电路

电热器件由双向可控硅KS 控制，KS 由光电耦合器 4N25和晶体管9013触发。 单片机8051的P2.0端输出的触发信号，经7407后，送到光电耦合器4N25。P2.0端输出高电平时，4N25没有电流输入，晶体管T 截止，双向晶闸管KS 关断，电热器不加热。当P2.0端输出低电平时，7407输出低电平，4N25的输入电流约为18mА，输出端的电流大3.6mА，经晶体管9013放大后，双向可控硅门极的电流可达200 mА，双向可控硅导通，电热器加热。电阻3R 的作用是限制触发电流，当双向可控硅KS 的功率较小时，3R 的值可由30Ω改为100Ω。

图12 加热电路图

过零检测电路由变压器B 的其中一个绕组3L 和电容器2C 组成。3L 产生2.5V 的交流电压，通过2C 交连到INT0和INT1端。INT0是过零检测端，它可对过零的上升信号检测而产生中断；INT1也是过零检测端，它可对过零的下降信号检测而产生中断。把INTO 和INT1产生的中断综合处理，即可得到电源电压过零的时刻。

选用不同的电热器件，启动的过程也不一样。对于电阻率不随温度变化的电热器件，

可以直接启动，即在电压过零时触发双向可控硅KS。对于电阻率随温度变化的电热器件，通常使用降压启动方式，即开始通电时，电压逐渐上升，使电热器的工作电流在KS允许的范围以内。过一定的时间后，电热器件的工作电压才达到额定电压。

3.6.2报警装置

首先通过按键对要达到的温度进行设定，通过加热装置对水进行加热，当加热温度达到或超过设定值时，将加热信号送到8051中，通过微处理器处理后，输出到

P口报警，

1

并通过三极管驱动扬声器或蜂鸣器报警。

图13 报警装置的硬件电路图

4单片机的软件设计

4.1总的程序设计框图

图14 主程序流程图

本系统的软件实现没有高难度的技巧和算法，但作为一个实用系统，对其可靠性有较高的要求。单片机的I/O口方向是可编程的，在程序中应正确设置其方向，保证单片机的正常工作。关于详细程序清单在此省略，图21给出了主程序流程图，显示部分控制是通过定时器中断来实现的。

4.2 8255的程序设计

(1) 8255的程序的初始化

8255的编程如下：由第四章可得8255各端口地址是：

A口地址：FF7CH B口地址：FF7DH

C口地址：FF7EH 控制口地址：FF7FH

假设要求8255工作方式0，且A口作为输出，B口作为输出，C口作为输入，则工作程序如下：

MOV A，#81 H ；方式0，A口、B口输出，C口输入MOV DPTR，#0FF7FH ；控制寄存器地址→DPTR

MOVX @DPTR，A ；方式控制字→控制寄存器

MOV DPTR，#0FF7CH ；A口地址→DPT R

MOVX A，@DPTR ；从A口读数据

MOV DPTR，#0FF7DH ；B口地址→DPTR

MOV A，DATA1 ；要输出的数据DATA1→A

MOVX @DPTR，A ；将DATA1送B口输出

MOV DPTR，#0FF7EH ；C口地址→DPTR

MOV A，DATA2 ；D ATA2→A

MOVX @DPTR，A ；将DATA2送C口输出

(2) 对端口C的置位/复位

8255的C口8位中的任一位，均可用指令来置位或复位。例如，如果想把C口的第6位PC5置1，相应的控制字为:00001011B=0BH，程序如下：

MOV DPTR，#0FF7FH ；控制口地址→DPTR

MOV A，#0BH ；控制字→A

MOVX @DPTR，A ；控制字→控制口

；PC5=1

如果想把C口的第6位PC5复位，相应的控制字为：00001010B=0AH。程序如下：MOV DPTR，#0FF7FH ；控制口地址→DPTR

MOV A，#0AH ；控制字→A

MOVX @DPTR，A ；控制字送到控制口

；PC5=0

4.3 键盘和显示接口电路程序设计

(1) 键盘和显示器的程序设计

8255在MCS-51单片机应用系统中广泛用于连接外部设备，如打印机、键盘、显示器以及作为控制信息的输入、输出口。

程序如下：

DIS：MOV A，#00000011B ；8255PA、PA、PB口为输出，PC口为输入MOV DPTR，#FF7CH ；8255命令口地址送DPTR

MOVX @DPTR，A ；写命令

MOV R0，#50H ；50~55H单元存6个显示数据

MOV R3，#7FH ；第1位LED的位选码7FH

MOV A，R3

AGAIN：MOV DPTR，#7F01H ；指向PA口

MOVX @DPTR，A ；位选码送PA口

MOV A，@R0 ；取显示数据

MOV DPTR，#DSEG ；取段选码表首址

MOVC A，@A+DPTR ；取段选码

MOV DPTR，#7F02H ；指向PB口

MOVX @DPTR，A ；段选码送PB口

ACALL DL1ms ；延时1ms

INC R0 ；指向下一显示数据单元

MOV A，R3

JNB ACC.0，OUT ；6位显示完，转OUT

RR A ；未完，调整为下一位选码

MOV R3，A

AJMP AGAIN ；继续显示下一位

OUT：RET ；子程序返回