1、 PAGE36 / NUMPAGES41基于單片機的電熱水壺控制系統的設計摘要本論文設計介紹了MCS-51系列單片機為控制芯片，對電熱水壺工作進行控制的方法。通過電加熱電路對水進行加熱，并對水的溫度進行采樣，采樣信號通過ADC0809將數字量送入單片機系統，經微機處理后，結合鍵盤控制實現LED顯示，并可實現對水的溫度的控制和超過水溫的報警系統。單片機控制熱水壺的硬件構成包括8051芯片、8255芯片、地址鎖存器等組成的單片機控制電路、溫度檢測電路、A/D轉換電路、光電隔離電路、鍵盤與顯示電路和溫度加熱電路。整個系統的關鍵電路是單片機控制電路，完成信號的輸入和輸出的轉換，即可將溫度檢測電路采樣的

2、輸入信號通過A/D轉換器ADC0809進行處理加工后輸出到顯示器進行顯示，并可以通過控制器控制溫度，同時當水加熱超過指定的溫度以后，蜂鳴器工作報警。關鍵字 ：單片機；溫度控制；控制器Based on the single chip microcomputer control systemdesign of electric heating kettleAbstractThe thesisintroducts the method of use the series of MCS-51 one-chip computer which is the control chip to control

3、the work of kettle heat with electric energy. Through electric heated circle, the water will be heated, then sample the temperature of the water. The sampling signal will set the mimic to the system of single chip computer through ADC0809, after is processed by the computer and controlled by the key

4、board, it will be showed by LED monitor, at the same time, thesystem can control the temperature beyond the setting, the system of alarm will run.The hardware of the one-chip computer controls the thermos which includes 8051 chips, 8255 chips, one-chip computer control circuit that address latch,etc

5、. make up temperature-measure circuit , circuit is changes by A/D, light-electricity and isolation circuit, keyboard and shows circuit、temperature heated circuit .The key circuit of the whole system is a control circuit of one-chip computer, finish the input and output of the signal conversion, can

6、measure temperature sampled signal of input circuit which will deal with after processing then set to display and show to go on to outputting through A/D converter ADC0809, and can control the temperature through the keyboard, after heating and exceeding designated temperature in water, at the same

7、time, the buzzer is sound so as to alarm.Key words: one-chip computer; temperature control; controller目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc324369039摘要 PAGEREF _Toc324369039 h IHYPERLINK l _Toc324369040Abstract PAGEREF _Toc324369040 h IIHYPERLINK l _Toc3243690411 緒論1HYPERLINK l _Toc3243690421.1 電熱水壺選題

8、目的1HYPERLINK l _Toc3243690431.2 電熱水壺的研究意義1HYPERLINK l _Toc3243690441.3 電熱水壺的發展現狀1HYPERLINK l _Toc3243690451.4 電熱水壺的設計方法 PAGEREF _Toc324369045 h 2HYPERLINK l _Toc3243690462 熱水壺控制系統總體概述3HYPERLINK l _Toc3243690472.1 熱水壺的設計方案3HYPERLINK l _Toc3243690482.2 MCS-51單片機控制系統的總體介紹3HYPERLINK l _Toc3243690482.3總體

9、方案論證4HYPERLINK l _Toc3243690493 電熱水壺控制系統的硬件設計5HYPERLINK l _Toc3243690503.1 溫度檢測電路和A/D轉換器的電路5HYPERLINK l _Toc3243690513.1.1 AD590溫度傳感器概述5HYPERLINK l _Toc3243690523.1.2 溫度檢測電路6HYPERLINK l _Toc3243690533.1.3 A/D轉換器電路原理和電路接口圖7HYPERLINK l _Toc3243690543.2 單片機8051芯片介紹和主要電路9HYPERLINK l _Toc3243690553.2.1 M

10、CS-51單片微機8051引腳介紹和接口電路9HYPERLINK l _Toc3243690563.2.2 振蕩電路和時鐘電路11HYPERLINK l _Toc3243690573.2.3 單片機的復位電路12HYPERLINK l _Toc3243690583.2.4 中斷優先級13HYPERLINK l _Toc3243690593.2.5 74LS373地址鎖存器芯片介紹14HYPERLINK l _Toc3243690603.3 8255輸出口擴展15HYPERLINK l _Toc3243690613.3.1 8255的引腳介紹15HYPERLINK l _Toc324369062

11、3.3.2 8255與8051的外部接口電路16HYPERLINK l _Toc3243690633.4 單片機的抗干擾電路17HYPERLINK l _Toc3243690643.4.1光電隔離抗干擾的簡介17HYPERLINK l _Toc3243690643.4.2 光電隔離器的原理電路18HYPERLINK l _Toc3243690653.4.3 光電隔離的電路18HYPERLINK l _Toc3243690663.5 鍵盤與顯示電路19HYPERLINK l _Toc3243690673.5.1 鍵盤輸入特點19HYPERLINK l _Toc3243690683.5.2 按鍵接

12、口電路的消抖措施20HYPERLINK l _Toc3243690693.5.3 矩陣鍵盤的概述21HYPERLINK l _Toc3243690703.5.4 LED顯示原理與顯示方式22HYPERLINK l _Toc3243690713.5.5 系統應用24HYPERLINK l _Toc3243690723.6 加熱電路和報警裝置24HYPERLINK l _Toc3243690733.6.1 加熱電路24HYPERLINK l _Toc3243690743.6.2 報警裝置25HYPERLINK l _Toc3243690754 單片機的軟件設計26HYPERLINK l _Toc3

13、243690764.1 總的程序設計框圖26HYPERLINK l _Toc3243690774.2 8255的程序設計26HYPERLINK l _Toc3243690784.2.1 8255的程序的初始化26HYPERLINK l _Toc3243690794.2.2 對端口C的置位/復位27HYPERLINK l _Toc3243690804.3 鍵盤和顯示接口電路程序設計27HYPERLINK l _Toc3243690814.3.1 鍵盤和顯示器的程序設計27HYPERLINK l _Toc324369083結論29HYPERLINK l _Toc324369084致30HYPERL

14、INK l _Toc324369084參考文獻31HYPERLINK l _Toc324369084附錄32基于單片機的電熱水壺控制系統的設計1 緒論1.1 電熱水壺選題目的由于以前的電熱水壺沒有水溫控制控制系統，接通電源就一直加熱。電熱水壺長時間作業無人看管很危險容易發生火災還造成電能的浪費。對于常規的電熱水壺，只要接通電源，就開始加熱，直到水沸騰后通過蒸汽來產生聲音報警。如水壺中沒水，電源誤接通時也會一直加熱，容易引起事故。當只需要加熱到沸點以下某一溫度時，不能與時給出聲音報警信號。沒有水溫控制系統的電熱水壺加熱開水時水加熱沸騰后不能自動停止工作，需要人的看管，使用起來很不方便。一旦忘記就

15、有發生水壺燒干燒壞的可能，嚴重的話還有可能發生火災造成嚴重的經濟損失。使人們用起來很不方便，近幾年帶溫控系統的電熱水壺發展很快，所以研究基于單片機電熱水壺水溫控制系統這個課題1。1.2 電熱水壺的研究意義選擇基于單片機電熱水壺水溫控制系統這個課題，可以更好的讓我認識帶溫控的電熱水壺的發展，知道電熱水壺的發展現狀。隨著微機測量和控制技術的迅速發展與廣泛應用，以單片機為核心的溫度采集與控制系統的研發與應用在很大程度上提高了生產生活中對溫度的控制水平。以與各種新技術應用在電熱水壺上。溫度控制是無論是在工業生產過程中，還是在日常生活中都起著非常重要的作用，過低的溫度或過高的溫度都會使水資源失去應有的作

16、用，從而造成水資源的巨大浪費。特別是在當前全球水資源極度缺乏的情況下，我們更應該掌握好對水溫的控制，把身邊的水資源好好地利用起來。此外，電熱水壺已經走進千家萬戶，做這樣一個設計，不僅可以檢驗自己的專業課理論水平和動手實踐能力，其產品也具有一定的市場前景2。1.3 電熱水壺的發展現狀電熱水壺在我國已有二三十年的歷史，直到近幾年，電熱水壺才經歷了較大的更新換代，采用集溫控、防干燒、超溫保護等功能于一體的加熱裝置，產品安全性大大提高，且使用方便性也進一步提高。由于需求旺盛，電熱水壺產品也出現了很多新的型式，例如壺身和電源底座可以相互分離，壺身可360度旋轉，可以從任意方向取放的無線水壺；無線水壺中又

17、有發熱管為隱藏式，加熱方式為電磁渦流式，以與功能上更加貼近喝茶使用的泡茶壺等新型產品。近些年，電水壺廠家將自己列為水家電產品廠家，之所以在行業中有這樣的轉變，不僅因為電水壺廠家生產的產品切切實實與水有關的產品，還有一個重要原因是，電水壺廠家不單單將水加熱，還有將水進行過濾。之所以把這個功能加進來，是因為考慮到現在的水污染問題比較嚴重，自來水里存在著除不掉的重金屬、農藥等殘留物，與漂白粉本身的味道。還有北方地下比較硬，容易結水垢，帶有；凈水功能的電水壺是在里面加了一個濾芯，可將其中的重金屬，農藥殘留物濾掉，讓消費者能夠飲用到更加健康的水。從功能上來看，帶有凈水功能的電水壺可以避免飲水機最為頭痛的

18、二次污染司題。1.4 電熱水壺的設計方法MCS-51系列單片微機具有很強的功能，使用圍廣，既可構成功能很強的復雜系統，也可組成較簡單的應用系統3。目前，單片機在家電，工業生產等領域的應用非常廣泛，為了適應不同產品對單片機的不同要求，半導體生產廠家生產出了各種規格的單片機。本文介紹了一種以MCS-51系列單片機為控制芯片，對電熱水壺工作進行控制的方法。溫度檢測電路由熱電偶、運算放大器，溫度傳感器AD590等組成，直接輸出電流（1A/K）經運算放大器LM358進行I/V轉化后，可得到電壓輸出，輸出電壓為100mV/，經A/D轉換通道送到微處理器中。A/D轉換一般都設置在前向通道中，它將外界輸入的模

19、擬信號轉換成計算機數據總線能接受的數字量。工程上常用的隔離方法有光電隔離器、變壓器、繼電器和集成組件等，而光電隔離器有獨特優點得到廣泛應用4。由于該器件是通過電光電這種轉換來實現對輸出設備進行控制的，彼此之間沒有電氣連接，因而起到隔離作用，隔離電壓與光電隔離器的結構有關。2 熱水壺控制系統總體概述2.1 熱水壺的設計方案對于常規的電熱水壺，只要接通電源，就開始加熱，直到水沸騰后通過蒸汽來產生聲音報警5。這種設計有下面幾個方面的不足：（1） 如水壺中沒水，電源誤接通時也會一直加熱，容易引起事故。（2） 當只需要加熱到沸點以下某一溫度時，不能與時給出聲音報警信號。（3）當水加熱沸騰后不能自動停止工

20、作。針對以上不足，在本設計方案中，用MC-51單片機作為控制芯片，管理整個電熱水壺的工作情況，構成了一個閉環控制系統，而且增加了三個按鍵和六位數碼管顯示。它的工作情況和常規的熱水壺相比，有下面幾個方面的特點6：（1） 有三個按鍵，可用來設置希望加熱到的溫度即報警的溫度。上電復位后，設置溫度初值為20度，每按一下按鍵，溫度設置值就會增加1度，整個溫度設置值在20100度之間循環。（2） 這個按鍵還具有啟動電熱水壺開始工作的作用。當每次電源接通后，只有按鍵按下過之后，電熱水壺才開始加熱，這樣，可以防止電源誤接通時電熱水壺一直加熱，引發事故。（3） 當加熱到設置溫度時，單片機會控制停止加熱，并通過蜂

21、鳴器給出聲音提示。（4） 三位數碼管在設置溫度操作時顯示當前設置的溫度，另三位數碼管其余時間實時顯示電熱水壺中水的實際溫度。2.2 MCS-51單片機控制系統的總體介紹單片機控制熱水壺的硬件構成包括8051芯片、8255芯片、地址鎖存器等組成的單片機控制電路、溫度檢測電路、A/D轉換電路、光電隔離電路、鍵盤與顯示電路和溫度加熱電路。整個系統的關鍵電路是單片機控制電路，是整個控制的核心，完成信號的輸入和輸出的轉換，即可將溫度檢測電路采樣的輸入的信號通過A/D轉換器ADC0809進行處理加工后輸出到顯示器進行顯示，并可以通過鍵盤對溫度進行控制，如此同時當水加熱超過指定的溫度以后，蜂鳴器工作報警，并

22、對其中部分電路編制子程序，以與相應的軟件設計，硬件設計的總電路連接框圖如下圖2-1所示。圖2-1 硬件設計的總電路連接框圖2.3 總體方案論證本題目是設計制作一個水溫控制系統，要求能在20-100圍設定控制水溫，并具有較好的快速性和較小的超調，以與LED顯示等功能。根據題目的要求，我們提出了以下的兩種方案：方案1：此方案是采用傳統的二位模擬控制方法，選用模擬電路，用電位器設定給定值，采用上下限比較電路將反饋的溫度值與給定的溫度值比較后，決定加熱或者不加熱。由于采用模擬控制方式，系統受環境的影響大，不能實現復雜的控制算法使控制精度做得教高，而且不能用數碼顯示和鍵盤設定。方案2：采用單片機8051

23、為核心。采用了溫度傳感器AD590采集溫度變化信號，A/D采樣芯片將其轉換成數字信號并通過單片機處理后去控制溫度，使其達到穩定。使用單片機具有編程靈活，控制簡單的優點，使系統能簡單的實現溫度的控制與顯示，并且通過軟件編程能實現各種控制算法使系統還具有控制精度高的特點。比較上述兩種方案，方案2明顯的改善了方案1缺點，并具有控制簡單、控制溫度精度高的特點，因此本設計電路采用方案2。3 電熱水壺控制系統的硬件設計3.1 溫度檢測電路和A/D轉換器的電路3.1.1 AD590溫度傳感器概述AD590是一種二端式的集成溫度傳感器，引腳圖如圖3-1所示。圖3-1AD590引腳圖其主要技術參數有7：（1）

24、測溫圍為-55+150。（2） 工作電壓為+4+30V，由于AD590是一種恒流源形式的溫度傳感器，只需在其二端加上一定工作電壓則其輸出電流隨溫度變化而變化，其線性電流輸出為1A/，即溫度每變化1，其輸出電流變化1A；它以熱力學溫標零點作為零輸出點，因此在25時，其輸出電流為298.2A。（3） 精度：經過激光平衡調整，AD590的校準精度可達+和-0.5，全溫區圍線性度可達+和-0.3（AD590M）當其在10溫區圍校正后測量，精度可達+和-0.1，在全溫區圍（-55+145）使用，精度也可高達+-1。由于AD590是一種電流型的溫度傳感器，因此具有較強的抗干擾能力，適用于計算機進行遠距離溫

25、度測量和控制，遠距離信號傳遞時，可采用一般的雙絞線來完成，其電阻比較大，因此不需要精密電源對其供電，長導線上的壓降一般不影響測量精度；不需要溫度補償和專門的線性電路。3.1.2 溫度檢測電路在介紹溫度檢測電路之前，首先要說明一下電源轉換電路。電壓經過四個二極管兩兩導通整流濾波后，再經過電壓轉換芯片7805就可以將原來交流220V的電壓轉換成直流電壓為+5V，即可以得到報警電路和溫度檢測電路所需要的電壓值，電源轉換電路如圖3-2所示5。圖3-2 電源轉換電路溫度檢測電路由溫度傳感器AD590等組成，直接輸出電流1A/K，輸出電壓為100mV/，經運算放大器LM358進行I/V轉化后，再經A/D轉

26、換通道送到微處理器中，R6、R5、R2用于相互配合調節溫度測量的滿刻度值，溫度檢測電路如圖3-3所示。圖3-3 溫度檢測電路當傳感器AD590所處溫區發生1的溫度變化時，流過其所在回路的電流即產生1A的變化，則其輸出電壓的變化為： V0=1A/*100K=100mV/ （3-1）AD590的輸出電流值說明如下：其輸出電流是以絕對溫度零度(-273)為基準,每增加1,它會增加1A輸出電流,因此在室溫25時,其輸出電流Io=(273+25)=298A。Vo的值為Io乘上10K,以室溫25而言,輸出值為2.98V(10K298A)。量測Vo時,不可分出任何電流,否則量測值會不準。AD590的輸出電流

27、I=(273+T)A(T為攝氏溫度),因此量測的電壓V為(273+T)A 10K= (2.73+T/100)V8。在本論文過溫度集成器AD590對外部-55+150圍的溫度進行采樣，在AD590的兩端分別接地和接電源，得到一定的壓差，因此會得到相應的工作電壓，其輸出電流會隨溫度變化而變化。電流1A/K其輸出電壓為100mV/，經運算放大器LM358進行I/V轉化后，再送入A/D轉換電路中進行模數轉換，經過微處理器處理即可送到LED顯示器顯示溫度。3.1.3 A/D轉換器電路原理和電路接口圖A/D轉換一般都設置在前向通道中，它將外界輸入的模擬信號轉換成計算機數據總線能接受的數字量。在前向通道必須

28、配置A/D轉換電路時，首先考慮的是能否選用帶有A/D的單片機，本論文中無法選擇單片機片有A/D部件，則必須在前向通道中配置A/D接口。要選擇好的A/D轉換器芯片，選擇A/D轉換芯片的原則從轉換精度、轉換速度、模擬信號輸入通道數以與成本、供貨來源等全面考慮。選擇不同的A/D轉換芯片，與單片機的接口電路要求不同，必須依芯片對控制電路的要求設置，接口電路必須滿足這些要求。一般來說，A/D轉換芯片輸入的模擬電壓都有規定的要求，如0+5V，0+10V，0+2V等，因此要考慮到傳感器輸出信號與之匹配9。（1） A/D轉換器的引腳說明：ADC0809是CMOS集成電路8位單片A/D轉換器，其引腳圖如圖3-4

29、所示。雙列直插28引腳封裝。片有8路模擬開關、模擬開關的地址鎖存與譯碼電路、比較器 、256R電阻T型網絡、樹狀電子開關、逐次逼近寄存器SAR、三態輸出鎖存，緩沖器、控制與時序電路等。圖3-4ADC0809引腳圖IN0IN7：8路輸入通道的模擬量輸入端。A、B、C口：8路模擬開關的三位地址輸入端，用來選擇8路模擬輸入的一路進行A/D轉換。 ALE：地址鎖存允許。ALE有效將三位地址A、B、C鎖存到地址鎖存器中。START：為啟動控制輸入端。它與ALE可以接在一起，當通過程序加上一個正脈沖便立即開始A/D轉換。EOC：轉換結束信號輸出端，高電平有效。在此輸出端供給一個有效信號則打開三態輸出鎖存緩

30、沖器，把轉換后的結果送至外部數據線。COLCK：時鐘輸入端。CLOCK為600kHZ時，轉換時間位100us。D0D7：8位數字輸出段。Vcc: 電源輸入端。GND：接地端。（2） A/D轉換的連接電路與應用由圖3-5所示，可以看出ADC0809時鐘CLK由8051ALE信號提供，ALE信號頻率為f/6。用地址線低8位A0、A1、A2（P0.0P0.2）接0809的A、B、C三端用來對8路模擬通道進行選擇。EOC經非門與相接，0809與8051采用中斷方式聯絡，外部中斷1服務子程序讀A/D轉換結果，并啟動下一次轉換。0809啟動條件為，因此啟動時，應用寫指令（使WR=1），并且要保證地址線P2

31、.6=0，其端口地址為DFFFH。ADC0809轉換器將信號進行模數轉換，再將數字信號傳入8051進行微處理，通過LED顯示溫度。在由于A/D0809具有鎖存的TTL三態輸出，它的八條數據線和8051的八條數據線相連，采用線性選址法，其口地址為DFFFH。通道地址A，B，C由數據總線DB0，DB2，DB2提供。A，B，C地址線上的信息由ALE上升沿打入地址鎖存器74LS373。圖3-5A/D轉換的連接電路3.2 單片機8051芯片介紹和主要電路3.2.1MCS-51單片機引腳介紹和接口電路單片機引腳圖與引腳功能如圖3-6所示。單片機的40個引腳大致可分為4類：電源、時鐘、控制、和I/O引腳10

32、。電源：（1） VCC 芯片電源，接+5v；（2） VSS 接地端；時鐘：XTAL1、XTAL2 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端。控制線：控制線共有4根（1） ALE/PROG：地址鎖存允許/片EPROM編程脈沖ALE功能：用來鎖存P0口送出的低98位地址PROG功能：片有EPROM芯片，在EPROM編程期間，此引腳輸入編程脈沖PSEN：外ROM讀選通信號（3） RST/VPD：復 位/備用電源RST（Reset）功能：復位信號輸入端VPD功能：在Vcc掉電情況下，接備用電源圖3-651單片機引腳圖與引腳功能（4） EA/Vpp：外ROM選擇/片EPROM編程電源EA功能：外ROM選擇端Vpp

33、功能：片有EPROM的芯片，在EPROM編程期間，施加編程電源VppI/O線80C51共有4個8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個引腳，P3口還具有第二功能，用于特殊信號輸入輸出和控制信號（屬控制總線）。單片機的片外總線結構圖如圖3-7所示。圖3-7 單片機的片外總線結構圖由上圖可以看到，單片機的引腳除了電源、復位、時鐘接入、用戶I/O口外，其余管腳都是為了實現系統擴展而設置的。這些引腳構成了MCS-51單片機片外三總線結構：（1） 地址總線（AB）：地址總線寬度為16位，因此，其外部存儲器直接尋址為64K字節，16位地址總線由P0口經地址鎖存器提供低8位地址（A0A7）；P

34、0口直接提供高8位地址（A8A15）。（2） 數據總線（DB）：數據總線寬度為8位，由P0口提供。控制總線（CB）：由四根獨立控制線RESET、EA、ALE、組成。3.2.2 振蕩電路和時鐘電路振蕩電路和單片機部的時鐘電路一起構成了單片機的時鐘方式，根據硬件不同，連接方式分為部時鐘方式和外部時鐘方式。MCS-51單片機芯片部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外晶體或瓷諧振器一起構成一個自激振蕩器，這是MCS-51單片機的部時鐘方式11。本論文中重點講到的是外部時鐘方式，外部時鐘方式電路圖如圖3-8所示。

35、圖3-8 外部時鐘方式電路圖由上圖我們可以看到引腳XTAL2就是部時鐘發生器的輸入端。因此，只需將外部振蕩器的信號接至引腳XTAL2，而把部反相放大器的輸入端XTAL1引腳接地。通常接的外部信號一般為頻率低于12MHZ的方波信號。另外，由于XTAL2端的邏輯電平不是TTL的，故還需要接一個上拉電阻。3.2.3 單片機的復位電路（1）復位電路的復位類型通常單片機復位操作有上電復位、信號復位、運行監視復位。在本論文里主要用到的是上電復位和開關復位的組合。（2）主要復位電路上電復位和開關復位組合電路：在單片機系統設計過程中，經常會使用上電復位和手動復位，最常用的上電復位和開關復位組合電路如圖3-9所

36、示：在這兩種簡單復位電路中，干擾容易串人復位端，在大多數情況下，不會造成單片機錯誤復位，但會引起部某些寄存器錯誤復位。這時可在復位引腳上接一個去耦電容。如果應用現場干擾嚴重，或整個系統干擾嚴重，引起單片機復位，可采用屏蔽的辦法解決，如加屏蔽網或移動位置等。圖3-9 上電復位和開關復位組合電路在實際應用系統中，為了保證復位電路可靠地工作，常將RC電路接施密特電路后再接入單片機復位端，特別適合于應用系統現場干擾大，電壓波動大的工作環境，抗干擾上電復位如圖3-10所示。圖3-10 抗干擾上電復位3.2.4 中斷優先級8051單片機提供了5個中斷源，其中兩個中斷源，由INT0、INT1輸入；I/O設置

37、中斷請求信號，或掉電故障等異常事件中斷請求信號都可作為外部中斷源連INT0、INT1。兩個為片的定時器/計數器溢出時產生的中斷請求（用TF0、TF1做標志）；另外一個為片串行口產生的中斷請求（TI或RI）。這些中斷請求源分別由MCS-51的特殊功能寄存器TCON和SCON的相應位鎖存12。MCS-51的中斷具有兩級優先級，每一個中斷源都可以通過對中斷優先級寄存器IP中的相應位置或清0，編程為兩級中斷中的任一級高優先級和低優先級，置1為高優先級，清0為低優先級。低優先級可以被高優先級所中斷，但不能被另一個低優先級中斷所中斷。高優先級中斷不能被任何中斷所中斷。為了實現這些規定，中斷系統中設有兩個不

38、可尋址的優先級狀態觸發器，其中一個用來指出正在服務于高優先級中斷，并阻止其他所有中斷的響應。另一個則指出正在服務于 低優先級中斷，并阻止除高優先級中斷以外的其他中斷的響應。當同時接受到幾個優先級一樣的中斷請求時，則由部查詢次序來確定響應哪一個中斷請求。因此，在每一個中斷級中又有第二類查詢次序的中斷優先級結構。處理器響應中斷時，先置相應的優先級狀態觸發器（該觸發器指出CPU開始處理的中斷優先級別）然后執行一個硬件子程序的調用使控制轉移查詢次序如下：（1） IE0 （外中斷INT0） 最高優先級 0003H（2） TF0 （定時器0溢出中斷） 000BH（3） IE 1 （外中斷INT1） 001

39、3H（4） TF1 （定時器1溢出中斷） 001BH（5） RI+TI （串行口中斷） 0023H（6） TF2+EXF2 （定時器2溢出中斷） 最低優先級 002BH這種“同級的優先級”，僅用來解決一樣優先級中斷源同時請求中斷的情況，而不能中斷正在執行的同優先級的中斷。3.2.5 74LS373地址鎖存器芯片介紹由于MCS-51單片機的P0口是分時復用的地址/數據總線,因此在進行程序存儲器擴展時，必須利用地址鎖存器將地址信號從地址/數據總線中分離開來。通常,地址鎖存器可使用帶三態緩沖輸出的八D鎖存器74LS373或8282，也可以使用帶清除端的八D鎖存器74LS273，地址鎖存信號為ALE。

40、但用的最多的是74LS373，其結構圖如圖3-11所示：當三態門的使能信號線OE為低電平時,三態門處于導通狀態,允許1Q8Q輸出到OUT1OUT8,當OE端為高電平時,輸出三態門斷開,輸出線OUT1OUT8處于浮空狀態.G稱為數據打入線,當74LS373用作地址鎖存器時,首先應使三態門的使能信號OE為低電平,這時,當G輸入端為高電平時,鎖存器輸出(1Q8Q)狀態和輸入端(1D8D)狀態一樣,當G端從高電平返回到低電平(下降沿)時,輸入端(1D8D)的數據鎖入1Q8Q的8位鎖存器中。當用74LS373作為地址鎖存器時,它們的鎖存控制端G和STB可直接與單片機的鎖存控制信號端ALE相連,在ALE下

41、降沿進行地址鎖存。圖3-11 74LS373的結構圖3.3 8255輸出口擴展3.3.1 8255的引腳介紹8255是可編程RAM/IO擴展器，片有256*8位靜態RAM，2個8位和1個6位可編程并行I/O接口，以與1個14位可編程定時器/計數器。還有地址鎖存器和多路轉換的地址/數據總線，可直接與MCS-51單片微機相連接13。因此還是MCS-51應用系統最適用的擴展器件，8255引腳圖如3-12所示。圖3-12 8255的引腳圖AD0AD7：三態地址/數據總線。連接CPU的底8位地址/數據總線。IO/M：RAM/IO口選擇信號輸入端。：片選信號輸入端，8255為CS，低電平有效。RD：讀選通

42、信號輸入端。低電平有效。WR：寫選通信號輸入段。低電平有效。RESET：復位信號輸入段。高電平有效，并初始化3個I/O口為輸入方式。PA0PA7：A口的I/O線、I/O方向由命令字編程設定。PB0PB7：B口的I/O線、I/O方向由命令字編程設定。PC0PC7：C口的I/O線，或A口和B口的狀態控制信號線。由命令字編程設定。Vcc：+5V電源線。Vss: 接地線。8255片256*8位靜態RAM，在速度上與MCS-51完全匹配。當IO/M=0時，CPU對8255的RAM進行讀寫，尋址圍為00H0FFH。3.3.2 8255與8051的外部接口電路8255與8051的外部接口電路如圖3-13所示

43、。由下圖可以看出8051通過地址鎖存器與8255相連， 8255的片選信號CS與口地址選擇線A0、A1分別由8051的P0.7、P0.0、P0.1經地址鎖存器74LS373后提供。故8255的A、B、C口與控制口地址分別為FF7CH、FF7DH、FF7EH、FF7FH。8255的復位端與8051的復位端相連，都接到8051的復位電路上14。必須根據外圍設備的類型選擇8255的操作方式，并在初始化程序中把相應控制字寫入操作口。8255的編程如下：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：FF7FH8255的工作方式可由CPU寫入一個控制字到825

44、5控制字寄存器來選擇。方式控制字共有八位，D7位為置方式標志，有效為1，假設要求8255工作方式0，且A口作為輸出，B口作為輸出，C口作為輸入，則可得控制字為81H。圖3-13 8255與8051的外部接口電路3.4 單片機的抗干擾電路3.4.1 光電隔離抗干擾的簡介單片機測控系統的開關信號，往往是通過芯片給出的低壓電流如TTL電平信號，這種電平信號一般不能直接驅動外設，而需經接口轉換等手段處理后才能用于驅動設備開啟或關閉，如不加隔離可能會串到測控系統中造成系統誤動作或損壞：因此在接口處理中亦應包括隔離技術。在開關量輸出通道中，為防止現場強電磁干擾或工頻電壓會通過輸出通道反串到測控系統，一般需

45、采取通道隔離技術。最常見的隔離器件是光電隔離器。因為光信號的傳送不受電場、磁場的干擾，可以有效地隔離電信號。工程上常用的隔離方法有光電隔離器、變壓器、繼電器和集成組件等，而光電隔離器有獨特優點得到廣泛應用。光電隔離器的種類繁多，常用的有發光二極管/光敏三極管、發光二極管/光敏復合晶體管、發光二極管/光敏電阻，發光二極管/光觸發可控硅等，但從其隔離方法這一角度來看，都是一樣的，即都通過電光電這種轉換，利用“光”這一環節完成隔離功能。3.4.2 光電隔離器的原理電路光電隔離器的原理電路如圖3-14所示：圖3-14 光電隔離器的原理電路在上圖所示的電路中，它是GaAs紅外發光二極管和光敏三極管組成。

46、當發光二極管有正向電流通過時，即產生人眼看不見的紅外光，其光譜圍為7001000nm。光敏三極管接收光以后便導通。而當該電流撤去時，發光二極管熄滅，三極管截止。利用這種特性即可達到開關控制的目的。由于該器件是通過電光電這種轉換來實現對輸出設備進行控制的，彼此之間沒有電氣連接，因而起到隔離作用，隔離電壓與光電隔離器的結構有關。3.4.3 光電隔離的電路在一般微機控制系統中，由于大都采用TTL電平，不能直接驅動發光二極管，所以通常加一個驅動區，如7406和7407等。光電隔離的電路如圖3-15所示：圖3-15 光電隔離的電路當輸出TTL電平為低電平時，7406輸出為高電平，發光二極管截止，光電隔離

47、器處于截止狀態，VO端輸出高電平；而當輸出控制電平為高電平時，7406輸出為低電平，發光二極管導通，光電隔離器處于導通狀態，VO端輸出低電平。需要注意的是光電隔離器的輸入輸出端兩個電源必須單獨供電，即用于驅動發光管的電源與驅動光敏管的電源不應是共地的電源，對于隔離后的輸出通道必須單獨供電，如上圖所示；否則，如果使用同一電源（或共地的兩個電源）外部干擾信號可能通過電源串到系統中來，當然，這里講的單獨供電，可以是單獨使用不同的電源，也可用DC-DC變換的方法往輸出端提供一個與光電輸入端隔離的電源。如果從通斷功能來看，光電隔離器其實是一隔離開關。利用光電隔離器也可完成電平轉換，其轉換后的輸出電平與其

48、供電電壓值有關，而與光隔輸入端無關，總電路框圖如圖3-16所示。圖3-16 總電路框圖3.5 鍵盤與顯示電路3.5.1 鍵盤輸入特點按鍵所用開關為機械彈性開關，均利用了機械觸點的合、斷。一個電壓信號通過機械的斷開、閉合過程。由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關在閉合時不會馬上穩定地接通，在斷開時也不會一下斷開。因而，在閉合和斷開的瞬間均伴隨著一連串的抖動，抖動時間的長短由按鍵的機械特性決定，一般為510ms，這是一個很重要的時間參數，在很多場合都要用到。按鍵的穩定閉合時間由操作人員的按鍵動作持續時間決定，一般為十分之幾秒到幾秒時間。按鍵的閉合與否，反應在電壓的上就是呈現出高電平或低電平，所以通

49、過電平的高低狀態的檢測，便可確認按鍵按下沒有。為了確保按鍵的狀態，必須消除按鍵抖動的影響，這也是按鍵抗干擾的主要的一個方面，鍵盤抖動波形圖如圖3-17所示。圖3-17 鍵盤抖動波形圖3.5.2 按鍵接口電路的消抖措施消除按鍵抖動影響通常有硬件、軟件兩種方法。本論文采用雙穩態消抖的硬件消抖方法，雙穩態消抖的電路原理圖如3-18所示。圖3-18 雙穩態消抖電路原理圖上圖中用兩個與非門構成一個RS觸發器，當按鍵為按下時，輸出為1，當按鍵按下時，輸出為0。此時即使由于按鍵的機械性能使按鍵因彈性抖動而產生瞬間不閉合，只要按鍵不返回原始狀態，雙穩態電路的狀態不會發生改變，輸出保持為0，不會產生抖動的波形。

50、這一點很容易通過分析RS觸發器的工作過程得到驗證。設按鍵首先處于a位置，此時RS觸發器的與非門輸出端OUT1為高電平1，與非門2的輸出端OUT2為0，此輸出引入到與非門1的一個輸入端，會把與非門1鎖住，使其固定輸出為1。如果此時按下按鍵，即使按鍵在a位置因彈性而產生瞬間抖動，形成一連串的抖動波形，即與非門1輸入端出現了一連串的高和低電平，由于與非門2的輸入端在按鍵沒有到達b位置時始終是0，所以無論與非門1輸入端的信號電平怎么變化，與非門1輸出端OUT1的輸出恒為1。當按鍵到達b時，一旦與非門2的輸出端呈現低電平時，RS觸發器將出現狀態的翻轉，此時，OUT2端輸出為1，OUT1端輸出為0，OUT

51、1又引回與非門2的一個輸入端，鎖住與非門2，保證其輸出恒為1，這樣即使按鍵出現抖動，也不會影響OUT2的輸出，因此OUT1的輸出也恒為0。同樣，在松開按鍵的過程中，只要一接通a，輸出為1，在接通a的過程中，即使產生了彈性抖動，只要按鍵不與按鍵b發生接觸，RS觸發器的輸出將保持不變。通過以上分析，可知，如果在按鍵信號輸入端加上一個RS觸發器就可以剔除按鍵抖動產生的干擾。3.5.3 矩陣鍵盤的概述（1） 矩陣鍵盤的工作原理按鍵設置在行、列線交點上，行、列線分別連接到按鍵開關的兩端。行線通過上拉電阻接到+5V上。平時無按鍵動作時，行線處于高電平狀態，而當有按鍵按下時，行線電平狀態將由與此行線相連的列

52、線電平決定。列線電平如果為低,則行線電平為低，列線電平如果為高，則行線電平亦為高。這一點是識別矩陣鍵盤按鍵是否被按下的關鍵所在.由于矩陣鍵盤中行、列線為多用鍵共用，各按鍵均影響該鍵所在行和列的電平。因此個按鍵彼此將相互發生影響，所以必須將、列線信號配合起來并作適當的處理，才能確定閉合鍵的位置。（2） 按鍵的識別方法矩陣鍵盤按鍵的識別方法分兩步進行：第一步，識別鍵盤有無鍵被按下；第二步，如果有鍵被按下，識別出具體的按鍵。識別鍵盤有無鍵按下的方法是讓所有列線均置為0電平，檢查各行線電平是否有變化，如果有變化，則說明有鍵被按下，如果沒有變化，則說明無鍵被按下（實際編程時應考慮按鍵抖動的影響，通常總是

53、采用軟件延時的方法進行消抖處理）。識別具體按鍵的方法是（亦稱為掃描法）：逐行置零電平，其余各列置為高電平，檢查各行線電平的變化，如果某行電平由高電平變為零電平，則可確定此行此列交叉點處的按鍵被按下。（3）鍵盤的工作方式單片機應用系統中，鍵盤掃描只是CPU的工作容之一。CPU在忙于各項工作任務時,如何兼顧鍵盤的輸入，取決于鍵盤的工作方式。鍵盤的工作方式的選取應根據實際應用系統中CPU工作的忙，閑情況而定.其原則是既要保證能與時響應按鍵操作，又要不過多占用CPU的工作時間。通常，鍵盤工作方式有三種，即：編程掃描、定時掃描和中斷掃描。CPU對鍵盤的掃描采用程序控制方式，一旦進入鍵掃描狀態,則反復地掃

54、描鍵盤，等待用戶從鍵盤上輸入命令或數據。而在執行鍵入命令或處理輸入數據過程中，CPU將不再響應鍵入要求，直到CPU返回重新掃描鍵盤為止。附錄一可見鍵盤采用編程掃描方式工作，PB口輸出逐行掃描信號，PA口輸入8位列信號，均為低電平有效。8255A的A0、A1上，CS與P2.7相接，WR、RD分別與8051的WR、RD相連。3.5.4LED顯示原理與顯示方式（1）LED顯示器結構LED顯示塊是由發光二極管顯示字段的顯示器件，在單片機應用系統常使用的是7段LED，這種顯示塊有共陰極和共陽極兩種，LED顯示器引腳如圖3-19所示。共陰極LED顯示塊的發光二極管陰極共地。當某個發光二極管的陽極為高電平時

55、，發光二極管點亮；共陽極LED顯示塊的發光二極管陽極并接。通常的7段LED顯示塊中有8個發光二極管，故也有人叫做8段顯示器。其中7個發光二極管構成7筆字型“8”。7段顯示塊與單片機接口非常容易，只要將一個8位并行輸出口語顯示塊的發光二極管因交相聯即可。8位并行輸出口輸出不同的字節數據即可獲得不同的數字或字符，通常將控制發光二極管的8位字節數據成為段選碼，共陽極于共陰極的段選碼互為補數。圖3-19 LED顯示器引腳圖（2） LED顯示器的顯示方式在單片機應用系統中使用LED顯示塊構成N位LED顯示器。N根LED顯示器由N根位選線和8*N根段選線。根據顯示方式不同，為選線與段選線的連接方法不同。段

56、選線控制字符選擇，為選線控制顯示位的亮、暗。LED顯示器由靜態現實與動態顯示兩種方式。（3） LED動態顯示方式的原理在多位LED顯示時，為了簡化電路，降低成本，將所有位的段選線并聯在疫區，由一個8位I/O口控制，形成段選線的多路復用，而共陰極點火供養幾點分別由相應的I/O口線控制，實現各位的分時選通。8位LED動態顯示電路只需要兩個8位I/O口。其中一個控制段選碼，另一個控制位選。由于所有位的段選碼皆由一個I/O控制，因此，在每個瞬間，8位LED只可能顯示一樣的字幅。要向每位顯示不同的字符，必須采用掃描顯示方法。即在每一瞬間只使某一位顯示相應字符。在此瞬間，段選控制輸出相應字符段選碼，位選控

57、制I/O口在該顯示位送入選通電平（共陰極送低電平、共陽極送高電平）以保證該位顯示相應字符。如此輪流，使每位顯示該位應顯示字符，并保持延時一段時間，以保存視覺暫留效果。動態顯示方式需要較大的驅動電流，所以一般都是通過驅動器來驅動LED的。現實的亮度同驅動電流大小、電亮時間和關斷時間有關，調整電流大小和時間參數（掃描頻率），可以控制LED顯示亮度并穩定顯示。 當LED選定后，要實測它工作點的正向壓降，以便正確的選用限流電阻；同時，電流密度影響LED的壽命，電流密度越大，發光亮度越高，對壽命的影響就越大，因此，LED的驅動電流要有所限值，最大值不能超過最大正向電流。在實際運用中，如果直接驅動LED或

58、者LED驅動器的輸出沒有加限流電阻，一般應該串聯一個100的限流電阻。3.5.5 系統應用對于顯示部分，從8255輸出的顯示信息經74LS373鎖存緩沖，用來對LED的各段進行段選，各位LED顯示器采用共陰極接法，通過控制陰極的電位來實現各位的選通。通過8255的掃描輸出經2003來實現位選，用來顯示設定的溫度值和當前的溫度值，以便進行調節。鍵盤部分采用13鍵盤矩陣，列回復信號送至8255的PC0口，連接后仍作為列選擇線；行選擇線則是與顯示部分的位選線共用。初始時，將列選擇線置為高電平，當有按鍵按下時，列選擇線的電位取決于列選擇線，通過相應行的電平狀態判斷有無按鍵按下，可以通過鍵盤的配合來調節

59、溫度的設定值。3.6 加熱電路和報警裝置3.6.1 加熱電路電熱器件由雙向可控硅KS控制，KS由光電耦合器 4N25和晶體管9013觸發，加熱電路圖如圖3-20所示。單片機8051的P2.0端輸出的觸發信號，經7407后，送到光電耦合器4N25。P2.0端輸出高電平時，4N25沒有電流輸入，晶體管T截止，雙向晶閘管KS關斷，電熱器不加熱。當P2.0端輸出低電平時，7407輸出低電平，4N25的輸入電流約為18m，輸出端的電流大3.6m，經晶體管9013放大后，雙向可控硅門極的電流可達200 m，雙向可控硅導通，電熱器加熱。電阻R3的作用是限制觸發電流，當雙向可控硅KS的功率較小時，R3的值可由

60、30改為100。過零檢測電路由變壓器B的其中一個繞組L3和電容器C2組成。L3產生2.5V的交流電壓，通過C2交連到INT0和INT1端。INT0是過零檢測端，它可對過零的上升信號檢測而產生中斷；INT1也是過零檢測端，它可對過零的下降信號檢測而產生中斷。把INTO和INT1產生的中斷綜合處理，即可得到電源電壓過零的時刻。選用不同的電熱器件，啟動的過程也不一樣。對于電阻率不隨溫度變化的電熱器件，可以直接啟動，即在電壓過零時觸發雙向可控硅KS。對于電阻率隨溫度變化的電熱器件，通常使用降壓啟動方式，即開始通電時，電壓逐漸上升，使電熱器的工作電流在KS允許的圍以。過一定的時間后，電熱器件的工作電壓才