1.1 單片機與82C55的鍵盤和顯示接口
??? 鍵盤和顯示電路如圖2所示。8個數(shù)碼管采用共陰極連接,82C55的PA口輸出顯示字符的段碼,PB口選擇要顯示的位,它們分別通過兩片DS75491和兩片DS2003實現(xiàn)8個LED數(shù)碼管的段驅(qū)動和位驅(qū)動。數(shù)碼管的字符顯示采用軟件譯碼和軟件動態(tài)掃描的方式,在同一時間只有一位數(shù)碼管被點亮。8個數(shù)碼管分別顯示時間(4位,小時和分鐘各占兩位)、水溫(兩位)、水位(1位)和設(shè)定標識或者故障標識(1位)。當為故障狀態(tài)時,設(shè)定/故障標識位顯示故障代碼(漏電、短路、干燒等故障分別采用特殊的代碼來表示);當為設(shè)定狀態(tài)時,顯示目前設(shè)定內(nèi)容的代碼(如“1”表示進行溫度設(shè)定)?鴉在正常工作狀態(tài)時(不是設(shè)定狀態(tài)和故障狀態(tài)時),該位滅。由于對水位的顯示精度要求不高,故水位采用一個數(shù)碼管顯示,一般情況顯示4段就足以滿足要求。

?

??? 82C55的PC口用于連接8個按鍵,采用軟件方式去除抖動。8個按鍵分別為用于選擇設(shè)定參數(shù)類型的“設(shè)定增加”和“設(shè)定減少”鍵、用于設(shè)定參數(shù)值的“參數(shù)增加”和“參數(shù)減少”鍵、用于設(shè)定完成后的“確認”鍵、用于人工清除故障的“故障清除”鍵、用于手動控制的“電加熱開”和“電加熱關(guān)”鍵。當控制器檢測到故障時,如漏電和短路等,控制器關(guān)閉電加熱器" title="電加熱器">電加熱器,并進行故障指示和報警。此時,如果實際故障消失(如發(fā)生短路故障時,控制器因保護作用而關(guān)閉電加熱器電源,此時短路現(xiàn)象消失),控制器仍然需要保持該故障狀態(tài),則等待用戶檢查維修完畢后,用戶按“故障清除”鍵后就能清除保存在控制器中的故障狀態(tài),使控制器繼續(xù)正常工作。這樣可以避免在維修人員沒有排除故障時,控制器自動開啟電熱器" title="電熱器">電熱器而引起不必要的事故。“電加熱開”和“電加熱關(guān)”的設(shè)置是為了方便用戶更加自由地使用熱水器,通過這兩個鍵,用戶可以在任何時間開關(guān)電加熱器(不要求在三段保溫時間之內(nèi)),而且此時控制器同樣對溫度進行控制和保護,如在手動加熱時,如果水溫超過設(shè)定溫度,控制器自動關(guān)閉電加熱。這樣可以避免用戶手動開啟電加熱后,忘記關(guān)閉電加熱而浪費電能。
1.2 單片機與ADC0809的接口
??? A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809與單片機的連接如圖3所示。 ADC0809的8個模擬量輸入采用了其中的5個通道,分別連接水溫、電流、漏電、干燒和水位的測量和變換電路的輸出。ADC0809的時鐘由AT89C51的ALE信號提供,根據(jù)ACD0809對工作時鐘的要求和控制器對漏電和短路信號的反應(yīng)速度的要求,ADC0809時鐘頻率取為667kHz,則AT89C51的時鐘頻率選為4MHz,這樣?熏若A/D轉(zhuǎn)換的時間為0.1ms,則控制器循環(huán)采樣完5個模擬輸入信號需要0.5ms時間。這樣的采樣速度足夠滿足漏電和短路的保護要求。

?

1.3 單片機與時鐘芯片DS12887的接口和控制輸出電路
??? AT89C51與DS12887的接口和控制輸出電路如圖4所示。單片機的P1口為電熱水器和報警器的控制輸出,對電熱水器的控制是通過三極管進行功率放大后驅(qū)動大功率繼電器然后再驅(qū)動電加熱絲來實現(xiàn)的,對報警器的控制是通過三極管驅(qū)動直流蜂鳴器來實現(xiàn)的,通過控制蜂鳴器的接通和斷開時間可以發(fā)出不同長短的斷續(xù)報警聲。

?

??? DS12887是內(nèi)部帶有不易失性RAM的實時時鐘電路,在控制器中用于進行實時計時并在掉電時保存用戶設(shè)置參數(shù)和故障狀態(tài)參數(shù)等重要參數(shù)。圖4中DS12887的MOT腳接地。由于DS12887與AT89C51的復(fù)位信號剛好相反,所以要通過一個反相器進行連接。DS12887內(nèi)部有地址鎖存器,不需要像82C55那樣通過74LS373把地址和數(shù)據(jù)分開,可以按照圖4的方式進行直接連接,通過連接AT89C51的ALE腳和DS12887的AS腳來進行地址和數(shù)據(jù)的識別。
2 控制器的軟件設(shè)計
??? 從控制器的功能和硬件設(shè)計可以看出,控制器的軟件部分可以自然地分成初始化模塊、模擬輸入和計時模塊、故障判斷和控制邏輯處理模塊、鍵盤處理" title="鍵盤處理">鍵盤處理和LED顯示模塊等,這些模塊通過單片機的RAM和DS12887的非易失RAM交換數(shù)據(jù)。圖5為控制器的主程序框圖。

??? 初始化模塊對單片機的堆棧指針、中斷寄存器、全局變量和初始化定時器0等進行初始化。定時器0作為動態(tài)顯示和鍵盤掃描定時之用。輸出控制子程序把控制邏輯模塊的運算結(jié)果輸出到單片機的P1口,執(zhí)行電熱器的控制和報警功能。
??? 鍵盤處理和LED顯示模塊包括鍵盤處理和LED數(shù)碼管顯示兩部分,其程序框圖如圖6所示。單片機通過82C55的PC口讀取按鍵狀態(tài),去除抖動后得到按鍵狀態(tài),根據(jù)按鍵狀態(tài)得到用戶輸入的鍵值,然后根據(jù)不同的鍵值進行散轉(zhuǎn)處理,包括設(shè)定參數(shù)類型、設(shè)置電熱器手動開關(guān)、參數(shù)設(shè)置和故障清除等處理。在參數(shù)設(shè)置部分還根據(jù)目前設(shè)置參數(shù)的種類對參數(shù)進行修改和保存(保存在DS12887的RAM中),按“確認”鍵后,當前的設(shè)定值代替原來的設(shè)定值;若不按“確認”鍵,原來的設(shè)定值不改變。當超過20s無鍵按下,則控制器自動退出設(shè)定狀態(tài)。顯示部分根據(jù)控制器的工作狀態(tài)和用戶的操作情況進行實時顯示,當同時有多個內(nèi)容需要顯示時,故障指示狀態(tài)優(yōu)先。

?

??? 單片機通過模擬輸入和計時模塊得到溫度、電流和時間數(shù)據(jù),以便進行顯示和保護。圖7為模擬輸入和計時模塊程序流程圖。單片機周期地讀取A/D轉(zhuǎn)換的值并進行數(shù)字濾波,然后根據(jù)每個物理量的相應(yīng)的測量計算公式將其轉(zhuǎn)換成水面溫度(用于顯示和加熱控制)、干燒溫度(用于干燒保護)、電熱器電流(用于短路保護)、漏電電流(用于漏電保護)和水位(用于顯示、報警和低水位加熱保護)的具體數(shù)值。該模塊還通過與DS12887通信得到實時時間,用于顯示和三段時間段內(nèi)的溫度自動控制。

?

??? 圖8為故障判斷和控制邏輯處理程序流程圖,包括故障判斷和控制邏輯處理兩部分。當故障判斷程序檢測到漏電、短路、干燒、低水位等故障,則關(guān)閉加熱器電源、在故障指示位顯示故障代碼、發(fā)出相應(yīng)的聲音報警、保存故障狀態(tài);如果溫度低于低溫報警溫度設(shè)定值,并且在三段保溫設(shè)定時間段內(nèi),則顯示低溫報警,但不進行聲音報警,以免過多打擾用戶。當不在三段保溫時間內(nèi)時,不進行溫度控制。當沒有漏電、短路、干燒、低水位故障發(fā)生時,控制器根據(jù)用戶設(shè)置的三段保溫時間、三段保溫時間內(nèi)的設(shè)定溫度和當前溫度測量值進行溫度控制。由于對控制水溫的精度要求不高,采用簡單的開關(guān)控制。其控制算法如下:當水溫低于設(shè)定溫度2℃時啟動電熱器;當水溫高于設(shè)定溫度2℃時停止電熱器加熱;當水溫在設(shè)定溫度±2℃時保持加熱器原來狀態(tài)。需要注意的是,該模塊的控制輸出結(jié)果是寫入到單片機的RAM中的,在控制輸出模塊中再把這些結(jié)果輸出到單片機的P1口,實現(xiàn)真正的輸出,這與許多PLC的模塊化軟件設(shè)計是一樣的。

?