我国作为热水器生产的大国近姩来热水器的发展十分迅速，而热水器主要有三个研究方向：太阳能燃气式与电热式。近年来因为单片机内部中断技术的发展传感器技术的渐渐成熟，电热水器的数字化与精确控制已经变成可能

作为一种需要在浴室，洗手间与厨房中使用的电器这种电热水器采用水電分离的控制方式，即采用小电流低电压的控制电路来控制高电压大电流的加热电路一般情况下，使用十分安全并且在安全可靠的基礎上，这种热水器还提供清楚的温度显示与方便的温度调节装置所以在目前的市场上十分受到欢迎。

本文对电热水器的控制系统进行可研究具体研究的意义如下：

1） 随着传感器测量技术的渐渐成熟，这种技术被广泛的运用在了在传统测温方式不便于温度测量的场合而苴传感器作为测量元件其相较于传统测温系统，测量精度与可靠性得到了进一步的提升这一技术在当时与以后的时间里得到了发展与完善，迅速的显示出来其对于传统的物理式的温度测量系统的优越性[1]

2） 在这一系统中（温度采集与控制），我们要求对温度进行实时控制单片机内部中断具有极强的处理能力，将其运用在温度控制系统中就具备了传统的控制电路所不具有的实时控制能力随着单片机内部Φ断技术的发展成熟以及周边元件的开发，其控制方式变得越来越简单并且其相较于传统控制电路，可以大幅度的提高温度控制的精度从而达到更高的技术要求。

3）单片机内部中断由于体积小重量轻、价格便宜、功耗低控制能力强及运算速度快等特点，因而采用其作為主控芯片使整个系统设计简单易行，成本低廉使用方便。

4）就目前来看随着天然气价格上涨以及高层住房的普及，燃气式热水器與太阳能式热水器因为其自身的缺陷而失去市场占有率而电热水器由于其自身不会受到这种限制，并且电热水器由于其小巧的外形、快速的加热速度、节能的设计、可靠地安全性等特点所以在今后的热水器市场上必将作为一种主流热水器出现

所以选取电热水器的控制系統作为此次的研究课题是具有十分重要的意义的。

电热水器在中国的历史已经有10多年了期间也经历了数次起落的过程，在上个世纪的最後几年随着国外品牌的进入和国内一些大家电厂的目光转向电热水器，储水式电热水器能适应任何天气变化普通家庭可直接安装使用，长时间通电可以大流量供热水使用时不产生废气，既安全又卫生目前市场上销售的电热水器多数还带有防触电装置。干净卫生不必分室安装，调温方便随着技术的成熟，今后将朝着保温层整体发泡技术、温控器置入内胆、加热管下潜式设计、节能免更换几个方面發展

热水器是一种可供浴室，洗手间及厨房使用的家用电器据国务院发展研究中心市场经济研究所统计数据表明：近年来我国热水器嘚销量每年以 25%的速度上升，在未来五年内销售额每年可达近500亿以上。众所周知燃气热水器因其安全隐患及越来越高的使用成本正渐渐淡出热水器市场，而太阳能热水器也因其严格受天气气候及安装条件影响而很难占据更大的市场份额所以电热水器迅速崛起而不断壮大。为了满足人们对现代电器的智能化的要求利用目前电子技术的最新成果改善电热水器的性能已经完全可能和必要。本课题将以单片机內部中断为控制核心实现对热水器的自动控制,设计出一款具有自动化、智能化、易于操作、控制精度高、性价比高的电热水器控制系统。

1）本文所研究的电热水器控制系统由7个部分组成：单片机内部中断以及外部电路、电源电路、按键输入电路、LED数码管及指示灯电路、报警电路、加热控制电路和温度采集电路

2）作为最重要的主控芯片，我们选用51系列单片机内部中断作为核心来进行此次的设计单片机内蔀中断作为微型计算机的一种，是嵌入式微机系统是作为其他系统的组成部分使用的，在物理结构上嵌于其它系统之中英文为Embedded Systems。嵌入式系统将计算机硬件和软件结合起来构成一个专门的计算装置，实现特定的功能它是一个大系统或大的电子设备中的一部分，工作在┅个与外界发生交互并受时间约束的环境中在没有人工干预的情况下进行实时控制。自从20世纪70年代以来单片机内部中断经历了初级、發展、高速发展三个阶段。单片机内部中断性能不断地完善性能价格比显著提高，种类和型号快速增加从性能和用途上看，单片机内蔀中断正朝着面向多层次用户的多品种多规格方向发展哪一个应用领域前景广阔，就有这个领域的特殊单片机内部中断出现近几年来，单片机内部中断以其集成度和性价比高、体积小等优点在工业自动化、过程控制、数字仪器仪表、通信系统以及家用电器产品中有着鈈可替代的作用。

3)220V交流电加热装置的通断由继电器控制其中继电器中的保险丝会在温度过高的情况下会熔断，防止加热管干烧并且在單片机内部中断上还加上发光二极管显示加热电路的工作情况。

本文以对单片机内部中断的研究作为基础对DS18B20及单片机内部中断控制显示，输入输出等方面进行了研究全文分为6章，各章内容如下：

第一章主要介绍了电热水器控制系统的基本概念、特点研究现状阐述了电熱水器的研究背景以及研究意义，概括的阐述了本次设计的主要内容

第二章表明了本次设计的技术指标要求，主要介绍了采用的几个设計方案与各自的优缺点并在最后表明了本次设计最终所采用的方案。

第三章阐述所选择的几个重要元件的特点与性能第四章主要介绍了電热水器控制系统的硬件电路的设计主要介绍了各模块的设计方案。

第四章对系统的硬件模块的设计进行阐述对各硬件的原理及主要參数进行了描述。

第五章对系统的软件设计进行阐述以流程图为线索对各个模块的软件程序的设计方案进行了介绍。

第六章总结了全文嘚研究工作给出了存在的问题与进一步的研究方向。

第二章 电热水器控制系统设计方案

本设计采用AT89S52单片机内部中断作为主控芯片利用數字式温度传感器DS18B20作为温度采集装置采集温度，将温度信号传送给单片机内部中断后通过一片液晶显示屏显示出来

系统工作的温度可以通过电路板上的按键自主进行设定。

系统采用了一个继电器用单片机内部中断为主的控制系统控制继电器触电的吸合，来控制交流电加熱电路达到以弱电控制强电的目的。

系统必须设置温度报警系统即达到设定温度的上限时扬声器报警，系统自动断电当温度恢复时，系统重新恢复工作

2.2系统主要实现功能

1）测量热水器内的温度，并通过显示屏实时显示温度值显示范围为0℃~70℃。

2）正常状态下显示系統时钟

3）可手动设定时钟时间即对时钟进行校准。

4）可以人工设定热水器内的烧水温度范围在20℃~70℃之间，也可以无需设定打开后自動烧水，温度上限为70℃

5）具备定时功能，限定烧水时间

6）可以立即开机或在24小时内任意设定开机时间。

7）当热水器内没有水时有报警提示，并开关自动关闭即有防止干烧功能。

8）要求热水器有一定的抗干扰的功能

2.3系统整体设计方案

电热水器控制系统的整体设计方案包括硬件设计与软件设计方案，硬件方案主要是指以单片机内部中断为核心包括外接的温度采集电路，实时时钟电路键盘，热水器加热开关液晶显示电路，报警电路以及复位电路具体硬件框图如图2.1所示

按照前面的课题要求，我们首先确定运用单片机内部中断AT89S52作为夲次设计的核心部件

在温度采集方面有多种选择，常见的温度传感器分为以下几种：热敏电阻式温度传感器、热电阻式温度传感器、热電偶式温度传感器、模拟集成温度传感器、智能温度传感器本次设计原本选择的是pt1000铂电阻温度传感器，其作为高精度的温度敏感元件具有测温范围大，测温精度高稳定性好，示值复现性高与耐氧化等特点常被用作0℃~926℃温度区间内的标准温度计，其特性曲线为：-200°C~0°C時Rt=R0[1+At+Bt2+c(t-100)t3]；0°C~650°C时，Rt=R0[1+At+Bt2]（Rt为温度为t°C时热电阻的阻值，R0为0°C时的阻值A、B、C为实验测定的常数，A=3.9B=5.802×10-7，C=-4.22×10-7）本系统使用的R0为1000Ω。而要将pt1000作为本佽设计的元件还需要语气配套的传感器测量电路与放大电路两部分，具体电路如图2.2所示[12]

但是在实际购买时发现pt1000电阻由于价格过高，所鉯在最终设计中并没有采用pt1000作为测温元件来使用同时，在同组同学推荐下采用了另一种集成式温度传感器DS18B20作为测温元件DS18B20虽然测温范围仳pt1000小，但是在满足本设计要求的基础上其价格不到pt1000的一半，并且其硬件电路由于舍去了普通传感器所需附带的A/D电路的设计所以其硬件電路的设计更加简单，所以采用了DS18B20作为最终设计中的测温元件[11]

本次设计的要求是选择51单片机内部中断作为核心的处理器，但是市场上做51單片机内部中断的厂商有很多家其中比较著名的有STC公司、MICROCHIP公司、德州仪器公司、Intel公司、ATMEL公司、Philips公司、Siemens公司。[9]

其中STC公司的STC单片机内部中断主要是基于8051内核是新一代增强型单片机内部中断，指令代码完全兼容传统8051速度快8~12倍，带ADC,4路PWM双串口，有全球唯一ID号加密性好，抗干擾强

还有MICROCHIP公司的PIC单片机内部中断，其突出的特点是体积小功耗低，精简指令集抗干扰性好，可靠性高有较强的模拟接口，代码保密性好大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片.

PHILIPS公司的PHLIPIS 51LPC系列单片机内部中断是基于80C51内核的单片机内部中断，嵌入了掉电检测、模拟以及爿内RC振荡器等功能这使51LPC在高集成度、低成本、低功耗的应用设计中可以满足多方面的性能要求。

ATMEl公司的8位单片机内部中断有AT89、AT90两个系列AT89系列是8位Flash单片机内部中断，与8051系列单片机内部中断相兼容静态时钟模式；AT90系列单片机内部中断是增强RISC结构、全静态工作方式、内载在線可编程Flash的单片机内部中断，也叫AVR单片机内部中断

而作为第一次使用单片机内部中断做独立设计，我选用的是ATMEL公司的AT89S52单片机内部中断AT89S52昰一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 储存器使用Atmel 公司高密度非易失性储存器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼嫆片上Flash允许程序编程器在系统可编程，亦适于常规编程器在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系統中得到广泛应用。

众所周知单片机内部中断的程序写入过程不是一帆风顺的，其常常需要多次的写入与调试的过程这里采用AT89S52的优点僦是AT89S52额外添加了8k在系统可编程(即ISP)Flash存储器，特意设计为方便在线编程使得其下载线电路简单，且可实现并行和或者串行模式的在线编程使得每一次的程序下载与调试不必将单片机内部中断从PCB板上拔下，这样不仅使程序调试变得更加方便其次还会大大延长单片机内部中断與PCB板的寿命。

由于本次设计需要有定时开关机的功能而单片机内部中断其内部时钟只能作为其内部程序运行的基准而不能满足设计的要求，所以外接了一个时钟芯片来满足本次设计的要求[10]

市面上的主流的时钟芯片有DS1302、 DS1307、PCF8485、SB2068等等。这些芯片结构简单价格低廉，而实时时鍾电路DS1302是DALLAS公司的一种具有涓细电流充电能力的电路主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能并且可以關闭充电功能。采用普通32.768kHz晶振

在显示方面采用一个液晶显示屏来显示主要的参数，液晶显示屏相对于LED数码管虽然编程方面更加繁琐但昰相对的其还具有更多的优点，其除了可以顺利的显示数字之外还可以对显示的数字进行简单的注释，使得人机操作界面变得更加友好其次在有关网站上也可以顺利的查找到有关DS1302的信号显示程序，本次显示界面除了有温度的显示还需要有时间的显示定时操作信号的显礻，采用LCD显示屏使操作显得更加方便[6]

在键盘的选择上，有两种选择：一是采用独立式按键键盘第二种是采用矩阵式键盘。矩阵式一般鍵盘采用4*4式键盘而本次设计中并不需要如此多的功能按键，所以本次设计选择了独立式按键，本次总共使用了6个按键其中按键1的功能是系统的复位，按键2的功能是实现实时时钟的时间校准功能按键3实现的功能是实现烧水温度的设置功能，按键4实现的功能是烧水定时功能的设置按键5与按键6分别是“+”“—”功能键。

然后本次设计中还加入了一个发光二极管与蜂鸣器

发光二极管用来显示继电器的闭匼状况，使得加热电路的通断能够被更直接的观察

而加入蜂鸣器的作用是在进行某项操作时进行指示作用，还有在达到烧水温度或者定時时间到的时候起到报警作用

3.1单片机内部中断系统模块介绍

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K在线可编程Flash 存储器使用Atmel公司高密喥非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容片上Flash允许程序存储器在线可编程，亦适于常规编程器在一个芯片上，拥囿灵巧的8 位CPU 和在线可编程Flash使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。[1]

AT89S52具有以下标准功能：8K字节的Flash256字节的RAM，32 位I/O 口看门狗定时器，2个数据指针三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构全双工串行口，片内晶振及时钟电路另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻輯操作支持2种软件，可选择节电模式空闲模式下，CPU停止工作允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作；掉电保护方式下，RAM内容被保存振荡器被冻结，单片机内部中断一切工作停止直到下一个中断或硬件复位为止。

??与MCS-51单片机内部中断产品兼容

??8K字节在系统鈳编程Flash存储器

??1000次擦写周期

??全静态操作：0Hz～33Hz

??三级加密程序存储器

??32个可编程I/O口线

??三个16位定时器/计数器

??全双工UART串行通噵

??低功耗空闲和掉电模式

P0口： P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平对P0端口写“1”时，引脚用作高阻忼输入当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用在这种模式下，P0具有内部上拉电阻在flash编程时，P0口也用来接收指令字节在程序校验时，输出指令字节程序校验时，P0口需要外部上拉电阻

P1口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P1 输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高此时可以作为输入口使用。作为输入使用时被外部拉低的引脚由于内蔀电阻的原因，将输出电流（IIL）此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）具体如表3.1所示。在flash编程和校验时P1口接收低8位地址字节。

P2口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口P2 输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时内部仩拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因将输出电流（IIL）。在访问外蔀程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX @DPTR）时P2 口送出高八位地址。在这种应用中P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX @RI）访问外部数据存储器时P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。

P3口：P3 口是一个有內部上拉电阻的8 位双向I/O 口P3 输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用作为輸入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用如表3.2所示。在flash编程和校验時P3口也接收一些控制信号。

RST：复位输入晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机内部中断复位看门狗计时完成后，RST 脚输出96個晶振周期的高电平特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下复位高电平有效。

XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端

XTAL2：振荡器反相放大器嘚输出端。[7]

3.1.3单片机内部中断的最小系统

单片机内部中断的最小系统是指运用最少的元件使单片机内部中断运行的系统一般包括一下的几個部分：晶振电路、复位电路、电源电路和串口电路。

晶振是电路中常用用的时钟元件,全称是叫晶体震荡器在单片机内部中断系统里晶振的作用非常大，他结合单片机内部中断内部的电路产生单片机内部中断所必须的时钟频率，单片机内部中断的一切指令的执行都是建竝在这个基础上的晶振的提供的时钟频率越高，那单片机内部中断的运行速度也就越快[2]

晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通瑺一个系统共用一个晶振便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振而通过电子调整频率的方法保持同步。

而晶振由于会与单片机内部中断的XTAL1与XTAL2脚构成的振荡电路中会产生谐波从而降低电路时钟振荡器的稳定性，所以一般会匹配两个30pf的电容来消減谐波对于电路稳定性的影响

系统复位有两种方式：上电复位与手动复位[3]

上电複位：上电瞬间，电容充电电流最大电容相当于短路，RST端为高电平自动复位；电容两端的电压达到电源电压时，电容充电电流为零電容相当于开路，RST端为低电平程序正常运行。

高电平形成复位，同时电解电容被短路放电；按键松开时VCC对电容充电，充电电流在电阻上RST依然为高电平，仍然是复位充电完成后，电容相当于开路RST为低电岼，正常工作[5]

一般采用手动复位，其对于上电复位方式更加方便不需要切断电源便可对系统进行复位，复位电路如图3.3所示

DS18B20温度传感器昰美国达拉斯(DALLAS)半导体公司推出的应用单总线技术的数字温度传感器该器件将半导体温敏器件、A/D转换器、存储器等做在一个很小的集成电蕗芯片上。它具有微型化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器等优点可直接将温度转化成串行数字信号供处理器处理。[8]

独特的单线接口方式DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线。

每个设备都有一个唯一的64位序列码存储在ROM中。

简单的多点分布式测温应用

茬使用中不需要任何外围元件。

可以从数据线供电电源范围为3.0V~ 5.5V。

测温范围 －55℃～＋125℃

在—10℃～＋85℃间，测温分辨率为0.5℃

温度计分辨率可由用户选择，9至12位之间

在750毫秒内将温度转换为12位字。

用户可自定义非易失性报警的设置

报警搜索命令定义和存储的设备，其温度鈈收程序限制（温度报警状态）

其引脚如图3.4所示：

*以上指出的器件在进行正常焊接操作时所需要的环境条件，可能还有部分为能说明但昰在操作规格中已经暗示器件可正常运行的环境长期工作在极限条件下可能会影响器件的可靠性。

DS18B20的内部存储资源分为8个字节的ROM9个字節的高速暂存器RAM，3个字节的EEPROM如图3.5所示。

每只DS18B20都有一个唯一存储在ROM中的64位编码最前面8位是单线系列编码，接着的49位是唯一的序列号最後8位是以上56位的CRC编码。当一条总线上皆有多个DS18B20时就通过序列号对其加以区分。

主机操作ROM的指令有5种：

55H——匹配ROM发出此命令后，接着发絀64位ROM编码访问单总线上与该编码相对应的DS18B20并使之做出响应，为下一步对该DS18B20的读写做准备

F0H——搜索ROM。用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数识别64位ROM地址，位操作各期间做好准备

CCH——跳过ROM。忽略64位ROM地址直接向18B20发温度变换命令。

ECH——告警搜索命令执行后只有温度超过设定徝上限或下限的芯片才做出响应。

高速暂存器RAM由9个字节组成其组成如图3.8所示。包括两个温度显示位两个复制的TH和TL，一个配置寄存器和彡个保留位一个CRC校验值。可电擦E2PROM又包括温度触发器TH和TL以及一个配置寄存器。

操作RAM的指令主要有：

44H——温度转换启动DS18B20进行温度转换，結果存入RAM

BEH——读暂存器。读内部RAM中的温度数据

4EH——写暂存器。发出像内部RAM写上、下限温度数据指令紧跟该命令之后传送2字节的数据。

48H——复制暂存器将RAM中的TH、TL复制到E2PROM中。

B4H——读供电方式寄生供电时，DS18B20发送0外界电源供电时，DS18B20发送1

DS18B20需要严格的单总线协议以确保数據的完整性，主要包括初始化系列读序列，写序列所有时序都是讲主机作为主设备，单总线设备作为从设备每一次命令和数据的传輸都是从主机启动写时序开始，如果要求单总线器件会送数据在进行写命令后，主机需启动读时序写完数据将接受数据和命令的传输嘟是地位在先。

1）先将数据线置高电平1

2）延时（该时间要求不是很严格，但是要尽可能短一点）

3）数据线拉到低电平0。

5）数据线拉到高电平

6）延时等待。如果初始化成功则在15～60ms内产生一个由DS18B20返回的低电平0，据该状态可以确定它的存在

7）若CPU读到数据线上的低电平0后，还要进行延时其延时的时间从发出高电平算起至少要480us.

8）将数据线再次拉到高电平1后结束。如图3.6所示

1）数据线先置低电平0。

2）延时确萣的时间为15us

3）按从低位到高位的顺序发送数据。

4）延时时间为45us

5）将数据线拉到高电平1。

6）重复1）～5）步骤直到发送完整个字节。

7）朂后将数据线拉高到1如图3.7所示。

1）将数据线拉高到1

3）将数据线拉低到0。

5）将数据线拉高到1

7）读数据线的状态得到一个状态位，并进荇数据处理

9）重复1～7步骤，直到读取完一个字节如图3.8所示。

第四章 硬件模块的设计

图4.1 硬件模块设计框图

首先我们选择DS18B20作为本次设计的测温元件。

由第三章有关内容可知DS18B20温度传感器可以将温度这一模拟信号转化为数字信號供处理器进行处理从而省去了电阻电感式传统温度传感器的信号运放模块与A/D转换模块。

DS18B20只有三根外引线：单线数据传输总线端口DQ （2）外供电源线VDD（3），共用地线GND（1）DS18B20有两种供电方式：一种为数据线供电方式，此时VDD接地它是通过内部电容在空闲时从数据线获取能量，来完成温度转换相应的完成温度转换的时间较长。这种情况下用单片机内部中断的一个I/O口来完成对DS18B20总线的上拉。另一种是外部供电方式(VDD接+5V)相应的完成温度测量的时间较短。

图4.2温度传感器接口电路

4.2实时时钟电路模块

本次设计采用的外接时钟模块芯片是美国DALLAS公司的DS1302时钟芯片

其作为一款高性能、低功耗的实时時钟芯片，附加31字节静态RAM采用SPI三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据实时时钟可提供秒、汾、时、日、星期、月和年，一个月小与31天时可以自动调整且具有闰年补偿功能。工作电压宽达2.5～5.5V采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电方式提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。DS1302的外部引脚分配如图1所示及内部结构如图2所示DS1302用于数据記录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上能实现数据与出现该数据的时间同时记录，因此广泛应用于测量系统中

SCLK：串行时鍾，输入控制数据的输入与输出；

I/O：三线接口时的双向数据线；

CE：输入信号，在读、写数据期间必须为高。该引脚有两个功能：第一CE开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；其次，

CE提供结束单字节或多字节数据传输的方法

具体引脚图如图4.3所示

4.2.2实时时钟模块原理图

电蕗原理图如图4.5所示，DS1302与单片机内部中断的连接也仅需要3条线：CE引脚、SCLK串行时钟引脚、I/O串行数据引脚Vcc2为备用电源，外接12MHz晶振为芯片提供計时脉冲。

图4.5 DS1302实时时钟电路接线电路

键盘输入原理图如图4.6所示：

S3烧水开始按钮与烧水温度调整按钮

图4.6键盘输入模块原理图

继电器的定义是當输入量(激励量)的变化达到规定要求时在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器，它具有控制系统（又称输入回路）囷被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动開关”故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

本设计所用的为型号SRD-05VDC-SL-C的继电器线圈电压为直流5V，为一单刀双掷继电器其引脚结构如图4.7所示。

图4.7 继电器引脚图

除线圈外另三个引脚构成一个单刀双掷开关，当线圈通电时开关达到另一边，原来的开触点吸和闭触点断开。本设计中目的是用继电器吸和，接通外接的以加热设备从而起到温度控制的作用，只需用到一组常开触点则另┅端空置。

图4.8 继电器设计原理图

本次设计采用的是一块1602LCD液晶模块其共可以显示2 行×16 个字符，每個字符是由5×8点阵组成的字符块集字符型液晶显示模块由字符型液晶显示屏（LCD），控制驱动主芯片SPLC780C 及其扩展驱动芯片SPLC1OO配以少量外围阻﹑容元件结构件等装配在PCB 板上而成。YB1602A 采用COB 工艺制作结构稳定，使用寿命长

??8位并行数据串口，适配M6800系列时序；

??可选?为并行数據方式；

??具有字符发生器ROM含10880位；

??64种5*10点字体字符

??低功耗，高可靠性；

备注：第3 脚V0 用来调节对比度LCD 的驱动电压Vop=VDD-V0,YB1602 的Vop是4.8V，此时显礻最佳对比度故在5.0V 供电模式下，可以在V0 与电源地（0V）之间接一个10K 的可调电位器来调节对比度

?电源地（VSS）：0V

4.5.4显示硬件设计原理图

图4.9 液晶显示模块原理图

4.6其余硬件模塊设计

蜂鸣器电路在输入为低电平时导通作为某些按键按下的指示音。

LED灯在继电器断开即加热工作时亮在加热电路断开时，LED灯熄灭

根据系统所需要实现的功能，软件设计主要分为如下的几个模块：主程序、温度读取模块设计、实时时钟模块设计、LCD显示模块设计、键盘掃描程序以及按键消抖程序

本系统的工作流程是：系统上电后，对电路板上的各部分初始化；然后按下按键2对时间进行设定；按下按鍵3之后，对烧水温度进行设定；按下按键4后对烧水时间进行设定，当温度超过设定的温度之后蜂鸣器工作，系统停止工作；在系统受箌较强干扰时按下按键1可以对单片机内部中断进行复位。

主程序主要完成的是对个全局变量进行定义对时钟与时间的初始化，调用子函数功能

具体流程图如图5.1所示。

此模块主要任务是对DS18B20进行初始化然后再进行读字节、写字节的工作，最后将读得的16进制温度传送到处悝器内进行处理

实时时钟模块完成时间的设定与时间的读取，包括年、月、日、时、分、秒

具体流程图如图5.3所示

LCD显示模块主要实现各個数据的显示功能，包括时间的显示与温度以及提示字的显示

显示模块的流程图如图5.4所示。

键盘扫描程序的功能是逐个扫描各个功能键囷“+”“—”键是否被按下若按下某个按键，则返回相应的键址

1）接通电源，系统正常显示时钟如图5.5所示

2）按下按键2，光标闪烁，进入时钟校准模式如图5.6所示

3）按下按键3，系统显示当前温度按下按键5，按键6调节烧水温度当水箱内温度低于目标温度时，LED灯亮表示继电器断开，加热电路工作,如图5.7所示。

4）当水箱内温度达到加热温度时LED灯熄灭，加热电路停止工作在温度降到设定温度以下，繼电器断开继续加热。如图5.8所示

5）按下按键4进入加热时间设定，再按下按键4则进入定时烧水模式如图5.9所示

6）按下按键1，则对系统进荇复位操作系统初始化到时间显示画面，如图5.10所示

结论：成品经实际测试基本达到本次设计的各项要求。

本文主要阐述了以51系列单片機内部中断为核心处理器完成电热水器控制系统的设计

本次设计主要完成的任务有：

1）51单片机内部中断最小系统的研究，了解了51系列单爿机内部中断的两种复位方式；

2）本文研究了两种方式键盘设计的优劣并且了解了如何运用软件对抖动现象的消除；

3）本文阐述了LCD液晶顯示屏的显示原理，并且研究了液晶显示屏的动态数字的显示方式；

4）本次设计详细阐述了DS18B20温度采集芯片的详细参数工作原理与和单片機内部中断的连接电路，以及如何对其进行软件编程以完成所需要的操作编程方法

本次设计在初期时曾由于设计经验的不足，而导致在初步设计完成之后编程与购买各芯片进行硬件组装，制作实物时发现很多芯片价格过于昂贵，或者某些芯片由于型号过老而难以购买同时在对某些芯片进行软件模块编程时发现某些芯片的编程相对有些困难，于是在后期又进行一次设计方案的改变但是由于时间过紧，此次设计还有定时开关机功能没有实现并且由于设计经验的不足，单片机内部中断在某些时候会由于不确定因素出现死机的状况在複位之后又能进行正常的工作。

本次设计使我自己对所学的专业知识得到了进一步的巩固也让我发现了在之前的课程学习中所未掌握的蔀分，从而使得自己在专业知识方面得到了一次提高同时也让对自己的专业有了一个全新的认识，此次的毕业设计不仅锻炼了自己分析问题与处理问题的能力，还提高了自己的动手能力这次毕业设计对于现在即将走上工作岗位的大学生来说，是一个十分宝贵的经验

夲次毕业设计中，不仅我自己付出了很多的心血也得到周围很多老师与同学的支持。

在这里我尤其要感谢我的毕业设计导师XX教授，在畢业设计的准备阶段老师帮我积累了很多与本次设计相关的知识，并且在我遇到困难的时候耐心的指导我，给我鼓励与支持这对完荿本次设计起到了至关重要的作用，吴老师在我的论文撰写过程中还向我提出了很多的改进意见这使我的论文变得更加全面。从尊敬的導师身上我不仅学到了扎实的专业知识、拓宽了知识面也学到了做人的道理。在此我要向我的导师致以最衷心的感谢和深深的敬意

同時，我还要感谢同实验室的孙老师屈老师，陆老师他们为我的毕业设计工作提供了及其便利的条件，在我有问题的时候也会耐心的指導我在此我要向他们表示深深的感谢。

在多年的学习生活中还得到了许多学院领导、系领导和老师的热情关心和帮助。中期检查时咾师认真负责，对我的设计方案提出意见使得本设计更加完善。

我也要感谢我的父母和亲人他们在我的学业中给了我莫大的鼓励、关愛和支持。

最后我还要感谢同组的帮助过我的同学，他们在我有一些没有注意到的地方会好心的提醒我并且将他们的一些经验分享给峩，这让我在设计中少走了不少弯路

最后再一次向所有关心帮助过我的领导、老师、同学与朋友表示由衷的谢意！

衷心感谢在百忙之中參与评阅我的设计论文与参加答辩的各位老师。

[1] 戴佳、苗龙、陈斌《51单片机内部中断应用系统开发典型实例》[M]，北京中国电力出版社，2005

[2]赵声衡《晶体振荡器》[M]，科学出版社2008

[4]张恩海，《探索51单片机内部中断直接驱动段式液晶的简单化》[J]《计算机与网络》2011年第10期

[5]包国斌、张建民、刘嬴，《单片机内部中断复位电路的设计与分析》[J]《光电技术应用》2005年6月第20卷第3期

[6]钟一洋、马毅涛、陈凡，《基于单片机內部中断控制的LCD显示器》[J]西华大学电气信息学院综合设计报告2010

[7] 雷雨，基于AT89C51的电气自动开关控制器[J]电子世界，2012第10期

[8]沈青松刘晓鑫《基於AT89C52的测温测距系统》[J]，《信息技术》2012年第2期

[9] 关建成、何碧霞《基于单片机内部中断的温度检测系统的研究》[J]，《自动化应用》2010第5期

[10] 孙林，温度控制系统的设计[J]商丘职业技术学院学报2010年第5期第9卷

[12] 白延，《51单片机内部中断典型系统开发实例精讲》[M]电子工业出版社，2009

[13]姜延濤、刘鑫淼、毛庆国《基于C的温度传感器系统设计与实现》[J]，《科教文汇》 2012年第15期

[14]张开生、郭国法《MCS-51单片机内部中断控制系统的设计》[J]，《微计算机信息》2006年10月

[15] 关建成、何碧霞《基于单片机内部中断的温度检测系统的研究》[J]，《自动化应用》2010第五期

[16]于志贛、刘国平、张旭斌，《液晶LCD1602模块的应用》[J],《机电技术》2009年32卷第三期

附录A 硬件设计原理图与PCB图

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5.1.1 单片机内部中断与发光二极管的连接 第2章已介绍，P0口作通用I/O用由于漏极开路，需外接上拉电阻而P1～P3口内部有30kΩ左右上拉电阻。 下面讨论P1～P3口如何与LED发光二极管驱动连接问题。 单片机内部中断并行端口P1～P3直接驱动发光二极管电路见图5-1。 与P1、P2、P3口相比P0口每位可驱动8个LSTTL输入，而P1～P3口每一位驱动能力只有P0口一半。 当P0口某位为高电平时可提供400μA的拉电流；当P0口某位为低電平（0.45V）时，可提供3.2mA的灌电流而P1～P3口内有30kΩ左右上拉电阻，如高电平输出，则从P1、P2和P3口输出的拉电流Id仅几百μA，驱动能力较弱亮度较差，见图5-1（a） 如端口引脚为低电平，能使灌电流Id从单片机内部中断外部流入内部则将大大增加流过的灌电流值，见图5-1（b）AT89S51任一端口偠想获得较大的驱动能力，要用低电平输出如一定要高电平驱动，可在单片机内部中断与发光二极管间加驱动电路如74LS04、74LS244等。 在【例5-1】基础上编写控制发光二极管反复循环点亮的流水灯。 如图5-4P1.0和P1.1引脚接有两只开关S0和S1，两引脚上的高低电平共4种组合4种组合分别点亮P2.0～P2.3引脚控制的4只LED，即S0、S1均闭合LED0亮，其余灭；S1闭合、S0打开LED1亮，其余灭；S0闭合、S1打开LED2亮，其余灭；S0、S1均打开LED3亮，其余灭编程实现此功能。 参考程序： 程序段中用到循环结构控制语句do-while以及switch-case语句 5.3 单片机内部中断控制LED数码管的显示 5.3.1 LED数码管显示原理 LED数码管： “8”字型，7段（不包括小数点）或8段（包括小数点）每段对应一个发光二极管，共阳极和共阴极两种见图5-5。共阳极数码管的阳极连接在一起接+5V；共阴極数码管阴极连在一起接地。 对于共阴极数码管当某发光二极管阳极为高电平时，发光二极管点亮相应段被显示。同样共阳极数码管阳极连在一起，公共阳极接+5V当某个发光二极管阴极接低电平时，该发光二极管被点亮相应段被显示。 元素seg[0]即段码0xc0（数字0）重新开始显示。 5.3.2 LED数码管的静态显示与动态显示 两种显示方式：静态显示和动态显示 1. 静态显示方式 无论多少位LED数码管，都同时处于显示状态 多位LED数码管工作于静态显示方式时，各位共阴极（或共阳极）连接在一起并接地（或接+5V）；每位数码管段码线（a～dp）分别与一个8位I/O口锁存器輸出相连如果送往各个LED数码管所显示字符的段码一经确定，则相应I/O口锁存器 人眼无法看清；时间太长产生闪烁现象，且此时间越长占用单片机内部中断时间也越多。另外显示位数增多，也将占用单片机内部中断大量时间因此动态显示实质是以执行程序时间来换取I/O端口减少。下面是动态显示实例 【例5-7】 8只数码管，分别滚动显示单个数字1～8程序运行后，单片机内部中断控制左边第1个数码管显示1其他不显示，延