1、学 号： 2013511004 班 级： 1111 电科 关于电热水壶的剖析报告1.引言电热水壶指一种用于饭店客房内供客人自助烧开水的电开水器，一般有分体式电源底座，水沸自动开关，有水位指示标准和电源指示灯、干燥保护等安全装置，一般技术指标为950W左右，水容量从0.5到2公升均有，电压220240V。1891年电水壶诞生于芝加哥。随着科技的发展，快捷、安全、便利、充分利用能源日渐成为了水壶的主要特点，嗜茶的英国人从此便爱上她了。到了二十一世纪便成为全球的畅销品。电水壶采用的是蒸气智能感应控温，具有水沸腾后自动断电、防干烧断电的功能。随着生活的需要，现在的电水壶也正在向多功能方向发展，如防漏、
2、防烫、锁水等。本次报告介绍了基于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。通过电加热电路对水进行加热，并对水的温度进行采样，采样信号通过ADC0809将数字量送入单片机系统，经微机处理后，结合键盘控制实现LED显示，实现对水的温度的控制和超过水温的报警系统。2.电水壶的基本结构及分类电热水壶主要由壶体、电源连接器、发热器、蒸汽感应控制器和防干烧温控器等零部件组成。按结构分为直插式和旋转式。直插式就是壶体与底座不能旋转，用发热管直接加热；旋转式是壶体与底座可以360度旋转，用发热盘加热。市场上的大多数产品为旋转式。3.电水壶的工作原理利用水沸腾时产生的水蒸汽使蒸汽感温元件的
3、双金属片变形，并利用变形通过杠杆原理推动电源开关，从而使电热水壶在水烧开后自动断电。其断电是不可自复位的故断电后水壶不会自动再加热。这种热水壶用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。4. 电热水壶硬件电路部分及分析4.1 MCS-51单片机控制的总体介绍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、光电隔离电路、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
4、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，同时当水加热超过指定的温度以后，蜂鸣器工作报警。4.2 温度传感器及其检测电路分析4.2.1 AD590温度传感器的概念图1 AD590引脚图温度检测电路由热电偶、运算放大器，温度传感器AD590等组成，直接输出电流（1A/K）经运算放大器LM358进行I/V转化后，可得到电压输出，输出电压为100mV/，经A/D转换通道送到微处理器中。AD590是一种二端式的集成温度传感器。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，远距
5、离信号传递时，可采用一般的双绞线来完成，其电阻比较大，因此不需要精密电源对其供电，长导线上的压降一般不影响测量精度；不需要温度补偿和专门的线性电路，AD590引脚图如图1所示。 其主要技术参数有：1 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1A/。K，即温度每变化1，其输出电流变化1A；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298.2A。 精度：经过激光平衡调整，AD590的校准精度可达+和-0.5，全温区范围线性度可达+和-0.3（AD590M
6、）当其在10温区范围内校正后测量，精度可达+和-0.1，在全温区范围内（-55+145）使用，精度也可高达+、-1。4.2.2 温度检测电路分析图2 电源转换电路 在介绍温度检测电路之前，首先要了解一下电源转换电路。电压经过四个二极管两两导通整流滤波后，再经过电压转换芯片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。其转换电路如图2所示。图3 温度检测电路温度检测电路由温度传感器AD590等组成，直接输出电流1A/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
7、用于相互配合调节温度测量的满刻度值。温度检测电路如图3所示。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1A的变化，则其输出电压的变化为： V0=1A/*100K=100mV/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1A输出电流,因此在室温25时,其输出电流Io=（273+25）=298A。Vo的值为Io乘上10K,以室温25而言,输出值为2.98V（10K298A）。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I=（273+T）A（T为摄氏温度）,因此量测的电压V为（273+T）A 1
8、0K= （2.73+T/100）V。4.3 A/D转换器电路原理及分析4.3.1 A/D转换器连接电路 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。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，A/D转换的连接电路如图4所示。由图4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（P0.0P0.2）接0809的A、B、C三端用来对8路模拟通道进行选择。EO
9、C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74LS37
10、3。图4 A/D转换的连接电路4.3.2 A/D转换器的引脚说明ADC0809是CMOS集成电路8位单片A/D转换器。双列直插28引脚封装。片内有8路模拟开关、模拟开关的地址锁存与译码电路、比较器 、256R电阻T型网络、树状电子开关、逐次逼近寄存器SAR、三态输出锁存，缓冲器、控制与时序电路等。ADC0809引脚功能说明如下：IN0IN7：8路输入通道的模拟量输入端。A、B、C口：8路模拟开关的三位地址输入端，用来选择8路模拟输入的一路进行A/D转换。ALE： 地址锁存允许。ALE有效将三位地址A、B、C锁存到地址锁存器中。START：为启动控制输入端。它与ALE可以接在一起，当通过程序加上
11、一个正脉冲便立即开始A/D转换。EOC： 转换结束信号输出端，高电平有效。在此输出端供给一个有效信号则打开三态输出锁存缓冲器，把转换后的结果送至外部数据线。COLCK：时钟输入端。CLOCK为600kHZ时，转换时间位100us。D0D7：8位数字输出段。Vcc: 电源输入端。GND：接地端。4.4振荡电路和时钟电路分析振荡电路和单片机内部的时钟电路一起构成了单片机的时钟方式，根据硬件不同，连接方式分为内部时钟方式和外部时钟方式，如图5所示。图5 外部时钟方式电路图 MCS-51单片机芯片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端和输出端。这个
12、放大器与作为反馈元件的片外晶体或陶瓷谐振器一起构成一个自激振荡器。在图5中，可以看到引脚XTAL2就是内部时钟发生器的输入端。因此，只需将外部振荡器的信号接至引脚XTAL2，而把内部反相放大器的输入端XTAL1引脚接地。通常接的外部信号一般为频率低于12MHZ的方波信号。另外，由于XTAL2端的逻辑电平不是TTL的，故还需要接一个上拉电阻。4.5 基于单片机的复位电路图6 上电复位和开关复位组合电路 通常单片机复位操作有上电复位、信号复位、运行监视复位。本产品其主要复位电路为上电复位和开关复位组合电路，如图6所示，在这两种简单复位电路中，干扰容易串人复位端，在大多数情况下，不会造成单片机错误复
13、位，但会引起内部某些寄存器错误复位。4.6 8255输出口扩展 8255是可编程RAM/IO扩展器，片内有256*8位静态RAM，2个8位和1个6位可编程并行I/O接口，以及1个14位可编程定时器/计数器。还有地址锁存器和多路转换的地址/数据总线，可直接与MCS-51单片微机相连接。因此还是MCS-51应用系统最适用的扩展器件。 8255与8051的外部接口电路如图7所示，可以看出8051通过地址锁存器与8255相连， 8255的片选信号CS及口地址选择线A0、A1分别由8051的P0.7、P0.0、P0.1经地址锁存器74LS373后提供。故8255的A、B、C口及控制口地址分别为FF7CH
14、、FF7DH、FF7EH、FF7FH。8255的复位端与8051的复位端相连，都接到8051的复位电路上。必须根据外围设备的类型选择8255的操作方式，并在初始化程序中把相应控制字写入操作口。8255的编程如下：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写入一个控制字到8255控制字寄存器来选择。方式控制字共有八位，D7位为置方式标志，有效为1，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，则可得控制字为81H。图7 8255与8051的外部接口电路4.7 光电隔离器电路分析图8
15、总电路框图在开关量输出通道中，为防止现场强电磁干扰或工频电压会通过输出通道反串到测控系统，一般需采取通道隔离技术。最常见的隔离器件是光电隔离器。光电隔离器的种类繁多，常用的有发光二极管/光敏三极管、发光二极管/光敏复合晶体管、发光二极管/光敏电阻，发光二极管/光触发可控硅等，但从其隔离方法这一角度来看，都是一样的，即都通过电光电这种转换，利用“光”这一环节完成隔离功能。如图8所示，总电路框图中有一个光电离合，它是GaAs红外发光二极管和光敏三极管组成。当发光二极管有正向电流通过时，即产生人眼看不见的红外光，其光谱范围为7001000nm。光敏三极管接收光以后便导通。而当该电流撤去时，发光二极管熄灭，三极管截止。利用这种特性即可达到开关控制的目的。由于该器件是通过电光电这种转换来实现对输出设备进行控制的，彼此之间没有电气连接，因而起到隔离作用，隔离电压与光电隔离器的结构有关。4.8 键盘及显示电路分析按键所用开关为机械弹性开关，均利用了机械触点的合、断。一个电压信号通过机械的断开、闭合过程。键盘抖动波形图如图9所示。图9 键盘抖动波形图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
