基於微控制器的電熱水壺解剖
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一電熱水壺的工作原理
這種熱水壺用mc-51微控制器作為控制晶元，管理整個電熱水壺的工作情況，構成了乙個閉環控制系統，而且增加了三個按鍵和六位數碼管顯示。
有下面幾個方面的特點：
1. 有三個按鍵，可用來設定希望加熱到的溫度即報警的溫度。上電復位後，設定溫度初值為20度，每按一下按鍵，溫度設定值就會增加1度，整個溫度設定值在20—100度之間迴圈。
2. 這個按鍵還具有啟動電熱水壺開始工作的作用。當每次電源接通後，只有按鍵按下過之後，電熱水壺才開始加熱，這樣，可以防止電源誤接通時電熱水壺一直加熱，引發事故。
3. 當加熱到設定溫度時，微控制器會控制停止加熱，並通過蜂鳴器給出聲音提示。
4. 三位數碼管在設定溫度操作時顯示當前設定的溫度，另三位數碼管其餘時間實時顯示電熱水壺中水的實際溫度。
二電熱水壺硬體電路部分及分析
2.1 溫度檢測電路和a/d轉換器的電路分析
2.1.1 ad590溫度感測器的概念
ad590是一種二端式的整合溫度感測器。
圖1 ad590引腳圖
由於ad590是一種電流型的溫度感測器，因此具有較強的抗干擾能力，適用於計算機進行遠距離溫度測量和控制，遠距離訊號傳遞時，可採用一般的雙絞線來完成，其電阻比較大，因此不需要精密電源對其供電，長導線上的壓降一般不影響測量精度；不需要溫度補償和專門的線性電路。
2.1.2 溫度檢測電路分析
圖2 電源轉換電路
電壓經過四個二極體兩兩導通整流濾波後，再經過電壓轉換晶元7805就可以將原來交流220v的電壓轉換成直流電壓為+5v，即可以得到報警電路和溫度檢測電路所需要的電壓值。
溫度檢測電路由溫度感測器ad590等組成，直接輸出電流1μa/k，輸出電壓為100mv/℃，經運算放大器lm358進行i/v轉化後，再經a/d轉換通道送到微處理器中，r6、r5、r2用於相互配合調節溫度測量的滿刻度值。
圖3溫度檢測電路
當感測器ad590所處溫區發生1℃的溫度變化時，流過其所在迴路的電流即產生1μa的變化，則其輸出電壓的變化為： δv0=1μa/℃*100kω=100mv/℃
2.1.3 a/d轉換器電路原理及分析
將一待轉換的模擬輸入訊號u1n與乙個推測訊號ur相比較，根據推測訊號大於還是小於輸入訊號來決定增大還是減少該推測訊號相等時，向d/a轉換器輸入的數字就是對應模擬輸入量的數字量。
a/d轉換的連線電路及應用
圖4 a/d轉換的連線電路
由圖4可以看出adc0809時鐘clk由8051ale訊號提供，ale訊號頻率為f/6。用位址線低8位a0、a1、a2（p0.0~p0.
2）接0809的a、b、c三端用來對8路模擬通道進行選擇。eoc經非門與8051相接，0809與8051採用中斷方式聯絡，外部中斷1服務子程式讀a/d轉換結果，並啟動下一次轉換。0809啟動條件為start= wr+p2.
6，因此啟動時，應用寫指令（使wr=1），並且要保證位址線p2.6=0，其埠位址為dfffh。adc0809轉換器將訊號進行模數轉換，再將數碼訊號傳入8051進行微處理，通過led顯示溫度。
在由於a/d0809具有鎖存的ttl三態輸出，它的八條資料線和8051的八條資料線相連，採用線性選址法，其口位址為dfffh。通道位址a，b，c由資料匯流排db0，db2，db2提供。a，b，c位址線上的資訊由ale上公升沿打入位址鎖存器74ls373。
2.2 振盪電路和時鐘電路分析
振盪電路和微控制器內部的時鐘電路一起構成了微控制器的時鐘方式，根據硬體不同，連線方式分為內部時鐘方式和外部時鐘方式。如圖5所示，採用的是外部時鐘方式。
圖5外部時鐘方式電路圖
由上面的圖我們可以看到引腳xtal2就是內部時鐘發生器的輸入端。因此，只需將外部振盪器的訊號接至引腳xtal2，而把內部反相放大器的輸入端xtal1引腳接地。通常接的外部訊號一般為頻率低於12mhz的方波訊號。
另外，由於xtal2端的邏輯電平不是ttl的，故還需要接乙個上拉電阻。
2.3 微控制器的復位電路
圖6上電復位和開關復位組合電路
在這兩種簡單復位電路中，干擾容易串人復位端，在大多數情況下，不會造成微控制器錯誤復位，但會引起內部某些暫存器錯誤復位。
2.4 8255輸出口擴充套件
圖7 8255與8051的外部介面電路
由圖7可以看出8051通過位址鎖存器與8255相連， 8255的片選訊號cs及口位址選擇線a0、a1分別由8051的p0.7、p0.0、p0.
1經位址鎖存器74ls373後提供。故8255的a、b、c口及控制口位址分別為ff7ch、ff7dh、ff7eh、ff7fh。8255的復位端與8051的復位端相連，都接到8051的復位電路上。
必須根據外圍裝置的型別選擇8255的操作方式，並在初始化程式中把相應控制字寫入操作口。8255的程式設計如下：
各埠位址是：a口位址：ff7chb口位址：ff7dh
c口位址：ff7eh控制口位址：ff7fh
8255的工作方式可由cpu寫入乙個控制字到8255控制字暫存器來選擇。方式控制字共有八位，d7位為置方式標誌，有效為1，假設要求8255工作方式0，且a口作為輸出，b口作為輸出，c口作為輸入，則可得控制字為81h。
2.5光電隔離器電路分析
圖8光電隔離器的原理電路
在圖8所示的電路中，它是gaas紅外發光二極體和光敏三極體組成。當發光二極體有正向電流通過時，即產生人眼看不見的紅外光，其光譜範圍為700—1000nm。光敏三極體接收光以後便導通。
而當該電流撤去時，發光二極體熄滅，三極體截止。利用這種特性即可達到開關控制的目的。由於該器件是通過電——光——電這種轉換來實現對輸出裝置進行控制的，彼此之間沒有電氣連線，因而起到隔離作用，隔離電壓與光電隔離器的結構有關。
圖9總電路框圖
2.6 鍵盤及顯示電路分析
按鍵所用開關為機械彈性開關，均利用了機械觸點的合、斷。乙個電壓訊號通過機械的斷開、閉合過程。
圖10鍵盤抖動波形圖
由於機械觸點的彈性作用，乙個按鍵開關在閉合時不會馬上穩定地接通，在斷開時也不會一下斷開。因而，在閉合和斷開的瞬間均伴隨著一連串的抖動，抖動時間的長短由按鍵的機械特性決定，一般為5~10ms，這是乙個很重要的時間引數，在很多場合都要用到。
按鍵的穩定閉合時間由操作人員的按鍵動作持續時間決定，一般為十分之幾秒到幾秒時間。
2.6.1矩陣鍵盤的概述
1）矩陣鍵盤的工作原理：按鍵設定在行、列線交點上，行、列線分別連線到按鍵開關的兩端。行線通過上拉電阻接到+5v上。
平時無按鍵動作時，行線處於高電平狀態，而當有按鍵按下時，行線電平狀態將由與此行線相連的列線電平決定。列線電平如果為低,則行線電平為低，列線電平如果為高，則行線電平亦為高。這一點是識別矩陣鍵盤按鍵是否被按下的關鍵所在.
由於矩陣鍵盤中行、列線為多用鍵共用，各按鍵均影響該鍵所在行和列的電平。因此個按鍵彼此將相互發生影響，所以必須將、列線訊號配合起來並作適當的處理，才能確定閉合鍵的位置。
2）按鍵的識別方法
矩陣鍵盤按鍵的識別方法分兩步進行：第一步，識別鍵盤有無鍵被按下；第二步，如果有鍵被按下，識別出具體的按鍵。識別鍵盤有無鍵按下的方法是讓所有列線均置為0電平，檢查各行線電平是否有變化，如果有變化，則說明有鍵被按下，如果沒有變化，則說明無鍵被按下,識別具體按鍵的方法是（亦稱為掃瞄法）：
逐行置零電平，其餘各列置為高電平，檢查各行線電平的變化，如果某行電平由高電平變為零電平，則可確定此行此列交叉點處的按鍵被按下。
3）鍵盤的工作方式
微控制器應用系統中，鍵盤掃瞄只是cpu的工作內容之一。cpu在忙於各項工作任務時,如何兼顧鍵盤的輸入，取決於鍵盤的工作方式。鍵盤的工作方式的選取應根據實際應用系統中cpu工作的忙，閒情況而定.
其原則是既要保證能及時響應按鍵操作，又要不過多占用cpu的工作時間。通常，鍵盤工作方式有三種，即：程式設計掃瞄、定時掃瞄和中斷掃瞄。
cpu對鍵盤的掃瞄採用程式控制方式，一旦進入鍵掃瞄狀態,則反覆地掃瞄鍵盤，等待使用者從鍵盤上輸入命令或資料。而在執行鍵入命令或處理輸入資料過程中，cpu將不再響應鍵入要求，直到cpu返回重新掃瞄鍵盤為止。
由圖11可見鍵盤採用程式設計掃瞄方式工作，pb口輸出逐行掃瞄訊號，pa口輸入8位列訊號，均為低電平有效。8255a的a0、a1上，cs與p2.7相接，wr、rd分別與8051的wr、rd相連。
圖11鍵盤和顯示器介面電路的接線圖
2.6 加熱電路和報警裝置分析
2.6.1 加熱電路分析
圖12 加熱電路圖
電熱器件由雙向可控矽ks控制，ks由光電耦合器 4n25和電晶體9013觸發。
微控制器8051的p2.0端輸出的觸發訊號，經7407後，送到光電耦合器4n25。p2.
0端輸出高電平時，4n25沒有電流輸入，電晶體t截止，雙向閘流體ks關斷，電熱器不加熱。當p2.0端輸出低電平時，7407輸出低電平，4n25的輸入電流約為18mа，輸出端的電流大3.
6mа，經電晶體9013放大後，雙向可控矽門極的電流可達200 mа，雙向可控矽導通，電熱器加熱。電阻r3的作用是限制觸發電流，當雙向可控矽ks的功率較小時，r3的值可由30ω改為100ω。
過零檢測電路由變壓器b的其中乙個繞組l3和電容器c2組成。l3產生2.5v的交流電壓，通過c2交連到int0和int1端。
int0是過零檢測端，它可對過零的上公升訊號檢測而產生中斷；int1也是過零檢測端，它可對過零的下降訊號檢測而產生中斷。把into和int1產生的中斷綜合處理，即可得到電源電壓過零的時刻。
2.6.2 報警裝置分析
通過按鍵對要達到的溫度進行設定，通過加熱裝置對水進行加熱，當加熱溫度達到或超過設定值時，將加熱訊號送到8051中，通過微處理器處理後，輸出到p1口報警，並通過三極體驅動揚聲器或蜂鳴器報警。
圖13 報警裝置的硬體電路圖
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