电热水器智能控制系统硬件设计文档格式.docx
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●八个键盘中断输入，另加2路外部中断输入。
4个中断优先级。
●看门狗定时器利用片内振荡,无需外接元件,看门狗定时器溢出时间有8级选择。
●低电平复位。
使用片内上电复位时不需要外接元件。
●低电压复位。
可选择预先设定好的两种电压之一复位,当掉电时允许系统安全关闭。
也可将其设置为一个中断源。
●振荡失败检测。
看门狗定时器和片内振荡完全分开,因此它可作为振荡器失败探测器。
●可选择片内振荡及其频率范围和RC振荡（用户通过对EPROM位编程选择）。
选择RC振荡器时不需外接振荡器件。
●可编程I/O口输出模式：
准双向口,开漏输出,上拉和只有输入功能。
可选择施密特触发输入。
●所有口线均有20mA的驱动能力。
●可控制口线输出转换速度以降低EMI,输出最小上升时间大约为10ns。
●最少15个I/O口,选择片内振荡和片内复位时可有多达18个I/O口。
●如果选择片内振荡及复位时,P87LPC762仅需要连接电源线和地线。
串行EPROM编程允许对芯片进行板上编程。
2位EPROM保密位可防止程序被读出。
●空闲和掉电两种省电模式。
提供从掉电模式中唤醒功能（低电平中断输入启动运行）。
典型的掉电电流是1µ
A。
●20脚DIP、SO和TSSOP封装。
2.1.3P87LPC762单片机的管脚配置
见图2-1
图2-1
2.1.4P87LPC762单片机的逻辑符号
见图2-2
图2-2
2.1.5增强型MCU
P87LPC762采用增强型80C51MCU，其运行速度是标准80C51的2倍，这意味着P87LPC762在5MHZ时性能和标准80C51采用10MHZ时性能相同。
一个机器周期由6个振荡周期组成，大多数指令执行时间为6或12个振荡周期，用户亦可选择工作在标准80C51MCU时序，这时一个机器周期变为12个振荡周期。
以下章节中，“MCU时钟”指控制内部指令执行的时钟。
当系统被设置成为标准80C51时序（由CLKR位确定）或通过设定DIVM寄存器分频时，“MCU时钟”和外部所加时钟不同。
参考“振荡器”一节有关叙述。
2.1.6模拟功能
P87LPC762有2个模拟比较器。
为了获取最佳性能和降低功耗，作为模拟功能使用的管脚必关闭数字信号输入及输出功能。
将口线功能由输出转为输入功能（高阻抗）,禁止数字信号输出功能，参见I/O口部分所述。
使用PT0AD寄存器，PORT0口的数字输入功能将被禁止，在PT0AD寄存器中每位均对应PORT0相应位。
置位PT0AD中相应位禁止此管脚作为信号数字输入。
当数字输入功能被禁止时，任何指令读取该位时均为“0”。
2.1.7模拟比较器
P87LPC762有2个模拟比较器，输入和输出选择允许比较器配置成为不同模式。
当正向输入（二个选择脚之一）电压大于反向输入时（可选择为由外部管脚输入或内部参考电压），输出信号为“1”（可从寄存器读或输出到管脚），反之则输出为“0”。
输出变化时每个比较器均可设置成产生中断。
2.1.8电源监控功能
P87LPC762内含电源监控功能用于防止（或减少）上电及掉电时的错误操作。
这是通过两种硬件功能完成的：
上电检测及掉电检测。
（1）掉电检测
此功能用于防止当电压降至某一特定值之下时处理器错误操作。
掉电检测的默认操作是产生一次处理器复位，同时亦可通过置位AUXR1寄存器内BOI位（AUXR1.5）配置为产生一个中断。
P87LPC762掉电电平可选2.5V或3.8V，当VDD掉至所选电压以下时，掉电检测器触发并保持到VDD返升至该电平之上。
当掉电检测产生一次处理器复位,该复位将一直保持到VDD上升到检测电平之上。
每当VDD从检测电平以上降到检测电平以下掉电检测产生一次中断,为了处理中断,中断系统及BOI必须均被使能（通过IEN0中的EA和EB0）。
当检测到掉电时，PCON寄存器内BOF标志置位以便软件判断复位原因。
该标志需要软件清除。
欲正确检测到掉电，VDD下降速度不得快于50mV/μs，为得到正确的复位，VDD恢复时上升速度不得快于2mV/μs。
掉电保护电压（2.5V或3.8V）通过EPROM配置寄存器UCFG1内BOV位来选择。
未编程时（BOV=1），该电压为2.5V，编程RG（BOV=0），该电压为3.8V。
在某些应用中不需要掉电检测功能时，可将它关闭以节约电能。
可对AUXR1寄存器中的BOD位置位（AUXR1.6）来关闭此功能。
（2）上电检测
上电检测功能类似于掉电检测,但设计成为首次上电时有效,在供电电压上升到掉电检测门槛电平时有效。
当检测到上电时，PCON寄存器内POF标志置位。
2.1.9节电模式
P87LPC762支持空闲及掉电两种节电模式。
（1）空闲模式
空闲模式下外围器件继续工作可以产生中断激活处理器。
所有被允许的中断及复位均可结束空闲模式。
将PCON寄
存器内IDL位置位即可进入空闲模式（见图17）。
（2）掉电模式
掉电模式将振荡器停振以使功耗最小。
将PCON寄存器内PD位置位即可进入掉电模式。
当复位或表8所示中断源之一发生时处理器即退出掉电模式。
这时该中断应被使能且优先级高于正在处理的中断。
在此模式下，电压降至RAM保持电压VRAM。
进入掉电模式时RAM内容被保存。
SFR内容在VDD降至VRAM时不作保护,此时建议通过复位唤醒处理器。
在退出掉电模式前VDD必须上升到操作电压范围之内。
由于看门狗定时器有一独立的振荡器，所以在掉电模式下它的溢出可将处理器复位。
注意如果掉电检测复位已使能，当VDD一旦降至低于掉电门槛电压即将处理器复位。
如果掉电检测被配置成中断并使能该中断，当VDD降至掉电电压之下时该中断可将处理器从掉电方式唤醒。
当处理器从掉电模式中唤醒时，将立即启动振荡器并且当振荡器稳定下来时开始执行程序。
振荡器稳定是在起振后计数若干MCU时钟，对于晶振计1024时钟，对于内部RC或外部时钟计256个时钟。
2.2数码显示器的简介
2.2.1数码显示器的发展历程
1923年，罗塞夫（Lossen.o.w）在研究半导体SIC时有杂质的P-N结中有光发射，研究出了发光二极管（LED：
LightEmittingDiode），一直不受重视。
随着电子工业的快速发展，在60年代，显示技术得到迅速发展，人们研究出PDP激光显示等离子显示板、LCD液晶显示器、发光二极管LED、电致变色显示ECD、电泳显示EPID等多种技术。
由于半导体的制作和加工工艺逐步成熟和完善，发光二极管已日趋在固体显示器中占主导地位。
LED之所以受到广泛重视并得到迅速发展，是因为它本身有活动、很多优点。
例如：
亮度高、工作电压低、功耗小、易于集成、驱动简单、寿命长、耐冲击且性能稳定，其发展前景极为广阔。
目前正朝着更高亮度、更高耐气候性和发光密度、发光均匀性、全色化发展。
2.2.2数码显示器的种类
数码显示器是数码显示电路的末级电路，它用来将输入的数码还原成数字。
数码显示器有许多类型，适用于场所也不相同，具体如表2-3所示。
2.3数码显示器工作原理简介
2.3.1辉光数码管
图2-4
辉光数码管是利用辉光放电原理制成的，在充有氖气的玻璃管内设有0、1、2……9字样的10个阴极和一个公用阳极，如图2-1所示。
各阴极的表面积相差不多，而每个阳极与阳极之间的距离，则根据数字的笔画确定。
这样在同一阳极电压作用下，控制每个阴极的电压，便可使需要的数字发光。
图2-4辉光数码管结构示意图
辉光数码管需在强电场作用下才能启辉，因此，在译码器与辉光数码管之间必须配有电子开关，如图2-5中的VT1～VT10便是半导体三极管组成的开关电路。
图2-5辉光数码管驱动电路
2.3.2荧光数码管
荧光数码管的结构如图2-3所示。
当灯丝在电源电压作用下加热到700℃左右时，灯丝便发射电子，发射的电子在栅极的作用下将加速运动，最后在笔画电极的作用下打到笔画电极上。
由于笔画电极上涂有荧光粉，当运动速度很高的电子打到它上面时，笔画电极便发出绿色的光。
笔画电极采用8段电极，在逻辑电路输出电压的作用下，某些笔画被加上电压，电子就会轰击这些电极上的荧光粉，从而显示出某一确定的数字。
当笔画电极上的电压为零时，则发光的相应电极熄灭。
荧光数码管有单位的和多位的，单位的多为电子管型，多位的为长条形。
图2-6荧光数码管的结构示意图
2.3.3液晶显示器
液晶显示器又叫LCD显示器，她的结构如图2-4所示。
液晶显示器的主要材料是液晶晶体（简称晶体），它是一种有机材料，在特定的温度范围内，既具有液体的流动性，又具有某些光学特性，其透明度和颜色随电场、磁场、光及温度等外界条件的变化而变化。
因此，在逻辑电路的输出信号作用下，可现实出某一确定的数字。
液晶显示器是一种被动式显示器件，液晶本身不会发光，而是借助自然光和外来光显示数字。
外部光线愈强，它的显示效果愈好。
由于液晶显示器所需的功耗很小，因此它可由集成电路译码器直接驱动。
图2-7
1-玻璃；
2-液晶；
3-7段正面电极；
4-8字形背电极；
5-插头引出脚
图2-7LCD数码显示器结构示意图
2.3.4发光二极管显示器
发光二极管显示器又叫做LED数码显示器，也称作七段译码器。
它是利用发光二极管在正向电压作用下，通过一定的电流就发光的特点，把7个发光二极管分段封装，就成了LED数码显示器。
它的外形如图2-8所示。
用于数码显示的发光二极管多为红色，它们分单位的和多位的两种。
单位LED数码显示器的内部电路如图2-6所示，它分为共阳极连接式和共阴极连接式两种，代表各笔画的a～ g发光二极管的正极或负极均由引脚引出，其中DP引脚代表小数点。
它的内部结构如图2-9
所示。
对于共阴极的数码管（如图2-10所示）只有当其输入端输入高电平时二极管才会发光；
而共阳极的数码管只有当输入端输入低电平时二极管才会发光。
共阴极内部每个发光二极管的阴极被接在一起，成为该各段的公共选通线；
发光二极管的阳极则成为段选线。
如果要显示某个数字只需相应选中对应的段选线。
对于共阳极数码管（如图2-11所示），则正好相反，内部发光二极管的阳极接在一起，阴极成为段选线。
这两种数码管的驱动方式是不同的。
当需要点亮共阳极数码管的一段时，公共段需接高电平、该段的段选线接低电平，从而该段被点亮。
当需要点亮共阴极数码管的一段时，公共段需接低电平,该段的段选线接高电平，该段被点亮。
图2-10共阴极数码管内部结构图2-11共阳极数码管内部结构
LED数码显示器的数字显示方式如图2-12所示。
其中7个发光二极管制成条形，分别用a、b、c、d、e、f、g表示，代表数码的笔画，有选择地使用其中若干笔画发光，这样就可以组成0~9十个数码。
比如在一个共阴极数码管上要显示“7”，则a、b、c段需被点亮。
如果对于共阴极的则a、b、c对应于高电平；
如果对于共阳极的则a、b、c对应于低电平。
图2-12LED数码管显示器显示方式
2.3.5常用显示器的性能比较
如表2-13所示。
2.3.6显示器的选用
因为LED显示器能在低电压、小电流的条件上工作，具有显示亮度高、色彩艳丽，发光响应速度快、低功耗、耐振动、寿命长等优点。
所以，在本次课题中选用了LED显示器，并采用了它的共阴极形式。
2.4DS18B20型温度传感器
2.4.1DS18B20简介
（1）独特的单线接口方式：
DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
（2）在使用中不需要任何外围元件。
（3）可用数据线供电，电压范围：
+3.0~+5.5V。
（4）测温范围：
-55~+125℃。
固有测温分辨率为0.5℃。
（5）通过编程可实现9~12位的数字读数方式。
（6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。
（7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。
（8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
2.4.2DS18B20的内部结构
DS18B20采用3脚PR35封装或8脚SOIC封装，其内部结构框图如图2-14所示。
图2-14
（1）64b闪速ROM的结构如下：
（如图2-15）
图2-15
开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前56位的CRC校验码，这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信的原因。
（2）非易市失性温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户报警上下限。
（3）高速暂存存储器
DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的E2RAM。
后者用于存储TH，TL值。
数据先写入RAM，经校验后再传给E2RAM。
而配置寄存器为高速暂存器中的第5个字节，他的内容用于确定温度值的数字转换分辨率，DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。
该字节各位的定义如图2-16：
图2-16
低5位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。
在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，即是来设置分辨率，如表2-17所示（DS18B20出厂时被设置为12位）。
表2-17
由表2-17可见，设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。
因此，在实际应用中要在分辨率和转换时间权衡考虑。
图2-18
高速暂存存储器除了配置寄存器外，还有其他8个字节组成，其分配如下所示。
其中温度信息（第1，2字节）、TH和TL值第3，4字节、第6～8字节未用，表现为全逻辑1；
第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码，可用来保证通信正确（如图2-18）。
当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。
转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1，2字节。
单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以00625℃/LSB形式表示。
温度值格式如图2-19：
图2-19
对应的温度计算：
当符号位S=0时，直接将二进制位转换为十进制；
当S=1时，先将补码变换为原码，再计算十进制值。
表2-20是对应的一部分温度值。
表2-20
DS18B20完成温度转换后，就把测得的温度值与TH，TL作比较，若T>
TH或T<
TL,则将该器件内的告警标志置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响应。
因此，可用多只DS18B20同时测量温度并进行告警搜索。
（4）CRC的产生
在64bROM的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（CRC）。
主机根据ROM的前56位来计算CRC值，并和存入DS18B20中的CRC值做比较，以判断主机收到的ROM数据是否正确。
2.4.3DS18B20的测温原理
DS18B20的测温原理如图2所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。
计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。
减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
图2-21中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。
图2-21DS18B20的内部测温电路框图
另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。
系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。
操作协议为：
初始化DS18B20（发复位脉冲）→发ROM功能命令→发存储器操作命令→处理数据。
2.4.4DS18B20与单片机的典型接口设计
以MCS51单片机为例，图2-22中采用寄生电源供电方式，P1.1口接单线总线为保证在有效的DS18B20时钟周期内提供足够的电流，可用一个MOSFET管和89C51的P1.0来完成对总线的上拉［2］。
当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10μs。
采用寄生电源供电方式是VDD和GND端均接地。
由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三态的。
主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤：
初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。
假设单片机系统所用的晶振频率为12MHz，根据DS18B20的初始化时序、写时序和读时序，分别编写3个子程序：
INIT为初始化子程序，WRITE为写（命令或数据）子程序，READ为读数据子程序，所有的数据读写均由最低位开始，实际在实验中不用这种方式，只要在数据线上加一个上拉电阻4.7kΩ,另外2个脚分别接电源和地。
图2-22DS18B20与微处理器的典型连接
5DS18B20的精确延时问题
虽然DS18B20有诸多优点，但使用起来并非易事，由于采用单总线数据传输方式，DS18B20的数据I/O均由同一条线完成。
因此，对读写的操作时序要求严格。
为保证DS18B20的严格I/O时序，需要做较精确的延时。
在DS18B20操作中，用到的延时有15μs，90μs，270μs，540μs等。
因这些延时均为15μs的整数倍，因此可编写一个DELAY15（n）函数，源码如下：
只要用该函数进行大约15μs×
N的延时即可。
有了比较精确的延时保证，就可以对DS18B20进行读写操作、温度转换及显示等操作。
第3章水温检测原理
3.1水温检测原理分析
热敏电阻与温度的准确关系为：
式中：
为温度为
时的电阻值，
为基准温度（298.15K，即25℃），β为材料系数。
当温度变化范围很小时，公式可以近似表示为：
。
当温度变化范围超过10度时，近似公式的误差将超过5%，必须进行校正或使用正确公式。
正确公式也可以进一步简化为：
设热敏电阻在温度为
和
时的电阻值分别为
，由准确公式可得：
从中可以解出材料系数：
热敏电阻的参数可以从厂家获得，也可以通过试验方法自己来求解：
用一个已知电阻和热敏电阻串联，控制热敏电阻的环境温度，通过检测两个电阻上的电压大小即可计算出热敏电阻的电阻值（如图3-1）。
如果没有恒温设备，两个测试温度点可以选定为
=273.15K（即0℃，一个大气压下冰和水的混合物的温度），
=373.15K（即100℃，一个大气压下沸腾状态的水温）。
当材料系数β求解出来以后，即可从公式：
求解出来系数K。
为了试验数据可靠，应该进行批量试验（至少十个样本），取其平均值。
然后再在其他温度点进行公式的验证。
作为热水器，最大使用概率温度为45℃（318.15K）。
取一个电阻R，其电阻值调整为45℃时的热敏电阻值。
将热敏电阻
与R串联，工作电压为Vh，如果热敏电阻上的电压为
，则普通电阻上的电压为Vh-
，由公式可得：
从中可以解出：
如果电压的测量精度为8位，设
的A/D转换结果为N，则Vh的A/D转换结果为256，则上式变为：
用摄氏温度表示时，最终公式如下：
当水温为45℃时，两个电阻的电阻值相同，A/D转换结果为80H（N=128），公式计算的结果T=45℃。
当实际水温范围为0℃到100℃时，可以从公式中计算出对应的A/D转换结果N0和N100，然后利用计算机按最终公式计算从N0到N100之间每个转换结果对应的温度值，并组成表格（单字节表格即可），表格长度为N0——N100+1。
超出表格范围的进行封顶处理。
单片机在实际运行时，直接根据A/D转换结果查表得到温度值。
第4章漏电检测原理
4.1漏电检测原理分析
将火线和中线同时穿过一个环形磁芯，作为漏电互
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