1、毕业设计48电热水暖恒温自动控制系统设计第一章.硬件电路设计方法及原则1.1 硬件电路设计单片机的发展和应用 单片机在电热水暖控制中应用的历史并不长。因为单片机本身出现的历史就不长，如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史可以分为三个阶段: 第一阶段(19761978年):初级单片机阶段。以Intel公司的MCS-48为代表。这个系列的单片机片内集成有8位CPU,并行I/O口、8位定时/计数器，寻址范围小大于4K,并且无串行口。 第二阶段(1978年):高性能单片机阶段。在这一阶段推出的单片机普遍带有串行I/O口，有多级中断处理系统、16位定时/计数器。片内RAM 、ROM容量加大
2、，并且寻址范围可达到64K字节，有的片内还带有A/D转换接口。这类单片机有Intel公司的MCS-51, Motorola公司的6801和Zlog公司的Z8等。 第三阶段(1982 ):8位单片机巩固发展以及16位单片机推出阶段。这一阶段的主要特征是一方面发展16位单片机及专用单片机:另一方而同时不断完善高档8位单片机，改善其结构，以满足小同的用户需求。单片机是把微型计算机主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机，它的结构与指令都是按照工业控制要求设计的，因此利用它很容易构成专用计算机应用系统，又山于其成本低，应用领域涉及到智能产品、价格便宜，所以一经出现就得到了广泛的应用。其能仪表、测控系
3、统、数控控制机、智能接口等等。1.2 单片机应用系统硬件电路的组成及设计原则1.2.1单片机硬件电路的组成单片机的硬件主要由单片机的最小系统及相关的功能模块组成，最小系统包括单片机、程序存储器、数据存储器、晶振电路、复位电路、电源及I/O接口等各部分；各功能模块的多少要视具体的系统而定，常用的功能模块有：用于单片机本身进行控制的人机通道模块，它包括键盘输入模块、显示器模块及打印机模块等，用于与测控对象进行信息交流的输入输出通道，它包括用于采样的传感器模块和A/D转换模块、用于完成控制任务的D/A转换模块和执行机构模块，另外还有用于与它计算机系统交换信息的通信接口模块等。1.2.2单片机硬件设计
4、的原则一个单片机应用系统的硬件电路设计应包括两部分内容:一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM 、 RAM、 I/O口、定时/计数器、中断系统等容量小能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。-是系统配置，即按照系统的功能要求配置外围设各，如键盘、显示器、打印机、A/D 、D/A转换器等。 用于工业测、控的单片机应用系统一般应具备有用于测、控目的的前向传感器通道、后向伺服控制通道以及基本的人机对话手段。 系统扩展和系统配置设计应该遵循下列原则: (1)尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规用法。为硬件系统的标准化、模块化打好基础。 (2)系统的扩展和外
5、围设备配置的水平应该充分满足应用系统的功能要求，并留有适当的余地，以便进行进一步的开发。 (3 )硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互影响，考虑的原则是:软件能实现的功能尽量由软件来实现，以简化硬件结构，但同时必须要考虑由软件实现的硬件功能时的运行速度问题。 (4)整个系统中相关的器件要尽可能做到性能匹配，例如选用晶振频率和存储器的存取时间的关系。 ( 5)可靠性和抗干扰性设计是硬件系统设计小可缺少的一部分。(6)单片机外接电路时，必须考虑其驱动能力。1.3 单片机应用系统的可靠性设计 随着单片机的应用深入到各个领域，对单片机应用系统的可靠性也提出了越来越高的要求。
6、特别是对于工业控制、交通管理等实时控制系统来说，最基本最重要的指标是系统的可靠性。因为这些系统一旦出现故障，将可能造成严重的后果。单片机应用系统的可靠性通常是指在规定的条件下（如温度、振动、电磁干扰等）及规定的时间内单片机应完成规定功能的能力。提高系统的可靠性的主要措施有： （1）精选元器件，提高元器件的质量。 （2）采用抗干扰措施，提高系统对恶劣环境的适应能力。 （3）采用容错技术，使系统能及时地自动地恢复或发出报警。 （4）采用冗余技术，以确保系统的正常运行。硬件可靠性设计：1.提高元器件的可靠性 （1）精选元器件，选用合格的电子元件，并进行严格的测试、筛选和老化处理。 （2）选用优质的接
7、插件，设计合理的工艺结构。 （3）设计系统技术参数时（如负载能力）要留有一定的余地。 （4）提高印刷电路板和系统组装的质量。2.硬件抗干扰措施 用于工业过程控制的单片机应用系统，由于其工作环境较恶劣、易受干扰，从而影响系统的可靠性和正确性，甚至使得系统控制失灵，故在系统设计中必须考虑抗干扰方面的设计。常用的硬件抗干扰措施有： （1）电源抗干扰技术。电源本身就是单片机系统中一个主要的干扰源。一方面电网电压和频率的波动会引入一些干扰信号；另一方面在单片机控制系统中，大量的数字信号是工作在高频状态下的，这又很容易诱发电源内部的干扰信号；同时电源也是系统内各种干扰成分相互耦合的一个重要途径，因此消除因
8、电源而带来的干扰也是消除单片机系统干扰的一个主要方面。 要消除因电源而带来的干扰，首先要选择一个纹波小，稳压性能好且高频特性良好的电源电路。 （2）配备合适的接地系统。常用的接地类型有：数字地、模拟地、机壳地、屏蔽地；对于工作频率小于1MHz单片机系统电路可采用单点接地技术，对频率大于10MHz单片机系统电路则宜采用多点接地技术。 （3）安装滤波器。对电网中的高次谐波成份可安装低通滤波器，对系统中的分布电容、电感，一方面可尽量避免走平行线，另一方面要尽量缩短走线距离。 （4）接入去耦电容。在电路中接入一些去耦电容可减少因电源耦合的干扰。常用的方法是在电源输入端跨接10-100uF的电解电容，也
9、可以在电路中适当的位置对地间接入0.01uF的陶瓷电容器。如遇印刷电路板空隙小装不下时，可每4-10个芯片安装一个1-10uF的限噪声电容器，这种电容器的高频阻抗特别小，在500KHz-20MHz范围内的阻抗小于1欧姆，而且漏电流很小（0.5uA以下）。3.I/O通道中接入干扰的抑制措施 I/O通道是连接单片机和外部设备之间的一个桥梁，也是引入干扰的一个重要途径。抑制I/O通道中干扰的主要措施有：隔离技术、双绞线传输及阻抗匹配等。 （1）隔离技术。目前常用的方法是对A/D、D/A变换前后的模拟信号进行隔离。方案之一，是采用隔离型放大器来完成对模拟信号的隔离。但所选用的隔离型放大器必须满足A/D
10、、D/A变换精度和线性度的要求，故这种方法对隔离型放大器的精度要求较高，由此带来的问题是成本的提高；方案之二，在I/O接口与A/D、D/A转换器之间进行隔离，也就是俗称数字隔离。常用的方法是在I/O接口与A/D、D/A之间增设锁存器，对I/O信号进行隔离，换言之，无论是单片机输入信号还是输出信号均须经过锁存器才能与外设接通，锁存器在这里起到了隔离的作用，这种方法的优点是方便、可靠、廉价且不影响A/D、D/A转换的精度和线性度，最大的缺点是工作速度较低；方案之三，在I/O接口与A/D、D/A之间接入廉价的光电耦合隔离器件，这种方式的隔离效果较好，是一种应用较为广泛的隔离方法，其最大转换速度约为每
11、秒3000-5000个点，对于一般的工业测控对象（如温度、湿度、压力等）已能满足要求。 （2）远距离传输时引入干扰的抑制。现代控制系统中，被测控的对象与单片机控制系统之间往往有较长的距离，要克服由于远距离传输带来的电磁场干扰主要可从以下几个方面采取措施：首先一定要把模拟信号线、数字信号线以及电源线分开，尽量避免并行敷设，若无法分开时也要保持一定的距离；其次信号线要尽量采用双绞线或屏蔽线，而且一定要把屏蔽层良好地接地；第三，信号线的敷设要尽量远离大功率的设备、大容量的变压器，以防止电磁干扰的侵入；第四，对长距离传输线，为了减少信号失真，还要注意阻抗的匹配问题；在总线传输系统中，为了把单片机系统与
12、现场隔离，以抑制干扰的影响，也可采用光电隔离的I/O接口技术。 （3）WatchDog电路。在单片机系统程序的执行过程中，经常会由于各种干扰因素而导致单片机的“死机”现象，直接按下系统的复位按钮是最简单的克服“死机”的方法；但对于无人在现场的场合，“看门狗”技术为克服这种现象提供了强有力的手段。WatchDog（看门狗）电路的核心器件是一个计数器，当单片机处于正常工作状态下时，单片机会定时地对计数器发出清零命令，从而使计数器始终不会计满，也就没有复位脉冲输出，保证单片机不会进入复位状态。当单片机处于非正常工作状态下时，单片机对计数器的清零命令也同时消失了，于是计数器计满后会向单片机的复位端发出
13、一个复位脉冲，使得单片机进入复位状态，从而克服了“死机”现象。通常为计数器设置的延时时间为10ms左右。4.其他的抗干扰措施 （1）掉电保护措施。除上面讲到的单片机系统外部的抗干扰措施外，在单片机内部也可以采取一些抗干扰措施。采用掉电保护措施可避免因突然掉电而使单片机系统工作数据的丢失。通常可用哩电池作为系统RAM的掉电保护备用电源。 （2）软件抗干扰措施。软件抗干扰是单片机系统自身的防御措施。 （3）采用设备冗余技术。对某些特别重要的场合，可采用两套设备同时投入，一套处于正常工作状态，另一套处于备用工作状态。当前一套设备发生故障时，第二套设备自动地投入运行，从而保证系统的可靠工作。 第二章
14、单片机系统设计方案与分析2.1硬件电路的整机结构控制器电路主要分为显示和按钮输入电路，温度采样转换电路、加热电路，看门狗及EPROM读写电路，开关两输入电路。控制器以MCS-51系列的8031单片机为核心构成系统，8031是内部无ROM，但包含128B的RAM、21个特殊功能寄存器、4个8位并行口、一个全双工串行口、两个16位定时器/记数器以及一个处理功能很强的中央处理器，需要外接EPROM作为程序存储器，而构成完整计算机。图2.1硬件电路整机结构2.2系统设计中用到的元器件介绍2.2.1 8031单片机图2.2 8031引脚图下面将这40条引脚按功能分为四部分叙述其功能。（1）主电源引脚VC
15、C和VSSVCC（40脚）：接+5V电压VSS（20脚）：接地（2）外接晶体引脚XTAL1和XTAL2XTAL1（19脚）：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对HMOS单片机，此引脚应接地；对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。XTAL2（18脚）：接外部晶体管的另一个引脚。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部振荡器时，对于HMOS单片机，此引脚应接外部振荡器的信号，即把外部振荡器的信号直接接到内部时钟发生器的输入端；对于CHMOS单片机，此引脚应悬浮。 （3）控制或其他电源复用引脚RST/V
16、PD、ALE/PROG、PSEN、EA/VPPRST/VPD（9脚）：振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平使单片机复位。建议在此引脚与VSS之间连接一个约8.2千欧的下拉电阻，与VCC引脚之间连接一个约10uF的电容，以保证可靠的复位。VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保持内部RAM的数据不丢失。 ALE/PROG（30引脚）：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍然以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器的1/6。因此，它可以用作对外输出的时钟，或用于定时。然而要注意的是，每当访问外部存储器时，将跳
17、过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。PSEN（29脚）：此引脚的输出是外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期PSEN二次有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这二次PSEN有效信号将不出现，PSEN同样可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。EA/VPP（31脚）：EA端口必须保持低电平时，才能访问外部程序存储器。（4）输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2、P3（共32根）P0口（39脚-32脚）：是双向8位三态I/O口，在外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的
18、方式驱动8个LS型的TTL输入负载。P1口（1脚-8脚）：是准双向8位I/O口。由于这种接口没有高阻状态，输入也不能锁存，故不是真正的双向I/O。P1口可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL负载。P2口（21脚-17脚）：是准双向8位I/O口。在访问外部程序存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址。在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。P2口可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL输入负载。P3口（10脚-17脚）：是双线8位I/O口，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口。P3口可以驱动（吸收或输出电流）4个LS型的TTL输入负载。作为第一功能使用时
19、，为普通I/O口，但它也可以作为第二功能用。2.2.2 A/D转换器的选择A/D转换器我们这里选择ADC0809转换器，ADC0809是8路模拟量输入8为数字量输出的、逐次逼近型A/D转换芯片，采用CMOS工艺。ADC0809是由+5V电源供电；片内带有锁存功能及8路模拟多路开关，可对8路05V的输入电压信号分时进行转换，完成一次转换约100us；片内具有多路开关的地址译码器和锁存电路、高阻抗斩波器以及稳定的比较器，256R电阻T型网络和树状电子开关以及逐次逼近寄存器。输出具有TTL三态锁存缓冲器，可直接接到单片机数据总线上；通过适当的外接电路，ADC0809可对05V的双极性模拟信号进行转换
20、。ADC0809转换器（如图）图2.3 ADC0809引脚各引脚功能如下： D0-D7：8位数字量输出引脚，通常接单片机系统的数据线。 IN0-IN7：8路模拟输入引脚，通常接被测模拟电压，电压范围0-5V。对变化速度较快的模拟量，输入前应增加采样保持电路。 VCC：电源端。 GND：接地端。 Ref(+): 参考电压正端。 Ref(-)：参考电压负端。 START：A/D转换启动信号输入端。 ALE：地址锁存允许信号输入端，对应ALE上升沿将A、B、C的地址状态锁进锁存器中。 EOC：转换结束信号输出引脚，开始转换时为低电平，当转换结束时为高电平。用以打开三态数据输出锁存器，以便向单片机输出
21、转换结果，OE=0时输出数据线呈高阻态。 OE：输出允许信号，用以打开三态数据输出锁存器，以便向单片机输出转换结果。OE=0时输出数据线呈高阻态，OE=1时输出转换得到的数据。 CLK：时钟信号输入端，通常使用频率为500KHz的时钟信号。 A、B、C地址输入线，经译码后可选通IN0-IN7的8个通道中的1个通道进行A/D转换。A、B、C的输入与被选通的通道的关系见下表。表1 C B C 被选中的通道 0 0 0 IN0 0 0 1 IN1 0 1 0 IN2 0 1 1 IN3 1 0 0 IN4 1 0 1 IN5 1 1 0 IN6 1 1 1 IN72.2.3地址锁存器的选择MCS-5
22、1单片机的P0口是地址线/数据线分时复用的，实现这一功能需要引入地址锁存器。常用的地址锁存器一般为2类：一类是8D触发器，比如74LS273、747LS377等，另一类是位锁存器，比如74LS373、8282等。74LS273内部由8个边沿触发的D触发器组成，在时钟信号的正跳变完成对输入信号的锁存。但MCS-51单片机中的ALE是高电平有效，而在ALE的后沿应完成地址的锁存，因此应将ALE通过反向器再加到锁存器的时钟端。注意74LS273是带清除端的，用作地址锁存时，应将清除端CLR接高电平。（74LS273和74LS373S引脚基本相同，将74LS373的端和G端分别换成CLR和CLK端，便
23、是一个74LS273芯片）74LS373是高电平触发选通，当使能端G有效时，输出直接跟随输入变化，当使能端由高变低时，才能输入状态锁存直到下一次使能信号变高为止。因此在选用74LS373作单片机地址锁存时，可直接将单片机的ALE信号加到它们的使能端。74LS373地址锁存器（如图）图2.4 74LS373引脚2.2.4 2864A芯片 是电可擦除、可编程的半导体存储器。在+5V电压下就可进行读写操作，对编程脉冲宽度一般也没有特殊的要求，也不需要专门的擦除器。所以它实际上是一种特殊的可读可写的存储器，它既可做程序存储器使用，也可作数据存储器使用。引脚如图：图2.5 2864A引脚引脚功能介绍：
24、A0-A12：地址输入线。 D0-D7：双向三态数据输入输出线。 WE：写选通信号输入端，低电平有效。 CE：片选端，低电平有效。 OE：读选通信号输入端，低电平有效。 VCC：电源端。 GND：接地端。2.2.5 8155可编程接口芯片（1）8155的结构和引脚 Intel8155是一种多功能的可编程接口芯片，它具有3个可编程I/O端口（A口和B口是8位，C口是16位）、1个可编程14位定时器/计数器和256B的RAM，能方便地进行I/O扩展和RAM扩展，其组成框图及引脚如图所示。图2.6 8155引脚及内部结构 8155为40脚双列直插式封装，其引脚的功能及特点说明如下： RESET：复位
25、端，高电平有效。当RESET端加入5us左右宽的正脉冲时，8155初始化复位，把A口、B口、C口均初始化为输入方式。 AD0-AD7：三态地址数据总线。采用分时方法区分地址及数据信息。通常与MCS-51单片机的P0口相连。其地址码可以是8155中RAM单元地址或I/O地址。地址信息由ALE的下降沿锁存到8155的地址锁存器中，与RD和WR信号配合输入或输出数据。 CE：片选信号端，低电平有效。它与地址信息一起由ALE信号的下降沿锁存到8155的锁存器中。 IO/M：RAM和I/O接口选择端。IO/M=0时，选中8155的片内RAM，AD0-AD7为RAM地址（00H-FFH）；IO/M=1时，
26、选中8155片内3个I/O接口以及命令/状态寄存器和定时器/计数器。AD0-AD7为I/O接口地址，见下表表2 AD0-AD7选中的寄存器A7 A6 A5 A4 A3 A2 A1 A0 X X X X X 0 0 0命令/状态寄存器 X X X X X 0 0 1 A口（PA0-PA7） X X X X X 0 1 0 B口（PB0-PB7） X X X X X 0 1 1 C口（PC0-PC7） X X X X X 1 0 0定时器/计数器低8位寄存器 X X X X X 1 0 1定时器/计数器高6位寄存器及输出波形方式（2位） RD：读选通信号端，低电平有效。当CE=0、RD=0时，将8
27、155片内RAM单元或I/O接口的内容传送到AD0-AD7总线上。 WR：写选通信号端，低电平有效。当CE=0、WR=0时，将CPU输出送到AD0-AD7总线上的信息写到片内RAM单元或I/O接口中。 ALE：地址锁存允许信号端。ALE信号的下降沿将AD0-AD7总线上的地址信息和CE及IO/M的状态信息都锁存到8155内部锁存器中。 PA7-PA0：A口通用输入/输出线。它由命令寄存器中的控制字来决定输入/输出。 PB7-PB0：B口通用输入/输出线。它由命令寄存器中的控制字来决定输入/输出。 PC5-PC0：可用编程的方法来决定C口作为通用输入/输出线或作A口、B口数据传送的控制应答联络线
28、。 TIMER IN：定时器/计数器脉冲输入端。 TIME OUT：定时器/计数器矩形脉冲或方波输出端（取决于工作方式）。 VCC：+5V电源端。2.2.6 X25045芯片简介 X25045是美国Xicor公司的生产的标准化8脚集成电路，它将EEPROM、看门狗定时器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内，大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗，是一种理想的单片机外围芯片。X25045引脚如图1所示。图2.7 X25045引脚其引脚功能如下。CS：片选择输入；SO：串行输出，数据由此引脚逐位输出；SI：串行输入，数据或命令由此引脚逐位写入X2
29、5045；SCK：串行时钟输入，其上升沿将数据或命令写入，下降沿将数据输出；WP：写保护输入。当它低电平时，写操作被禁止；Vss：地；Vcc：电源电压；RESET：复位输出。X25045在读写操作之前，需要先向它发出指令，指令名及指令格式如表1所示。表3 X25045指令及其含义表指令名指令格式操作WREN00000110设置写使能锁存器（允许写操作）WRDI00000100复位写使能锁存器（禁止写操作）RDSR00000101读状态寄存器WRSR00000001写状态寄存器READ0000A8011把开始于所选地址的存储器中的数据读出WRITE0000A8010把数据写人开始于所选地址的存储
30、器2.2.7 DAC0832转换器图2.8 DAC0832引脚 DAC0832引脚如图所示，各引脚功能如下： DI0-DI7：8位数据输入端。 ILE：输入数据锁存器的锁存允许信号，高电平有效。 CS：片选输入信号，低电平有效。 WR1：数据输入寄存器的写选通信号，当CS、ILE、WR1同时有效时，DI0-DI7的数据被送至输入寄存器。 XFER：数据传送控制信号，低电平有效。 WR2：8位DAC寄存器的写选通信号，XFER、WR2同时有效时寄存器中的数据送至D/A转换器进行D/A转换。 Vref：基准电源输入端，-10- +10V之间。 Rfb：反馈信号输入端，反馈电阻在芯片内部。 Iout
31、1、Iout2：转换电流输出端。电流Iout1和Iout2之和为常数，Iout1、Iout2随DAC寄存器的内容作线性变化。 VCC：电源输入端。 AGND：模拟信号地。 DGND：数字信号地。2.3 5V直流稳压电源电路设计 图2.9 固定输出的稳压电路采用三端式固定输出集成稳压器，其采用恒流源偏置以外，内部还具有限流、短路和安全工作区保护及过热保护电路结构。 现需为单片机配置+5的直流稳压电源，流过三端式集成稳压器的电流为300mA。现用三端式集成稳压器构成之，并确定桥式整流二极管参数、滤波电容参数和电源变压器的容量。设交流电源的频率为50Hz，小容量变压器效率nt=0.6固定输出的稳压电路如硬件图所示，下面对其参数计算：1. 确定稳压器型号、输入电压和输入电流 根据要求U0=+5V，故选用W7805型号；稳压器压差为U1-U02V，现取3V。故输入电压U1=5+3=8V；稳压器的输入电流即为整流滤波电路的负载电流I0=I0（max）
