便携式家用衣物烘干机系统设计

毕 业 设 计（论 文）题目： 便携式家用衣物烘干机系统设计 （英文）： System Design of a Portable Home Clothes Dryer院 别： 机电学院 专 业： 机械电子工程 姓 名： 学 号： 指导教师： 日 期： 便携式家用衣物烘干机系统设计摘要随着生活水平的日益提高，生活方式的日益丰富，人们越来越注重生活的舒适和方便。但在我国南方以及国外一些气候比较潮湿的地区，经常一连几个星期都是雨天，空气湿度很大，洗过的衣服很难晾干，因此越来越多的家庭开始使用衣物烘干机。本设计是基于89C51单片机控制的便携式家用衣物烘干机。该烘干机系统采用了精密的检测电路（包括精密对称方波发生器、对数放大电路、温度补偿及温度自动校正及滤波电路等几部分电路），能够自动、准确检测衣罩中的相对湿度, 最终通过检测信号的自动反馈控制实现工作模式的智能选择。系统启动时，还可以利用键盘进行“标准”、“快速”、“手动”三种模式的人工选择，并可对工作时间、温度、风量等参数进行设定和显示。关键词：烘干机；单片机；湿度；温度System Design of a Portable Home Clothes DryerAbstractWith the increasing of life standard, lifestyle in becoming richer, there are more emphasis on comfort and convenience in peoples life. But in southern China, as well as the humid areas in foreign countries, it often rains for a few weeks and the air is very humid and washed clothes is difficult to dry, so the clothes dryer are widely used by more and more families.Based on the 89C51 microcontroller, a portable home clothes dryer is designed. Sophisticated detection circuits are adopted in my design, such as precision symmetric square wave generator, logarithmic amplifier circuit, automatic temperature compensation & temperature correction circuit and filter circuit, etc. The relative humidity can be automatically and accurately detected and operating mode is intelligently chose by the automatic feedback control of the detection signal. In other way, we can also use the keyboard to choose the mode: standard, fast, manual, to set and display the work time, temperature, air flow and other parameters.Key Words: Dryer; Single chip micyoco; Humidity ; Temperature 目录第1章 绪论11.1干衣机的发展及前景11.1.1现有干衣机的类型11.1.2现有干衣机的工作原理21.1.3现有干衣机的不足之处31.1.4新型干衣机的研制41.2课题背景与设计意义41.2.1课题设计的背景41.2.2课题设计的意义51.2.3课题设计的优势及创新点51.3课题简介6第2章 烘干机的总体设计方案72.1系统的设计原理72.2系统的控制特点及性能要求82.2.1系统控制的结构组成82.2.2系统的性能特点82.3烘干机的结构92.3.1外部整体结构92.3.2衣物烘干机的优势10第3章 烘干机系统的硬件设计113.1功率驱动模块设计113.1.1PTC发热元件的设计113.1.2 电动机的计算与选型133.1.3 风机的设计143.1.4 电机的调速设计173.2处理器模块设计183.2.1单片机89C51的主要功能及内部结构183.2.2复位电路的设计213.2.3时钟晶振电路的设计223.3控制模块设计233.3.1电源电路的设计233.3.2模数转换器设计253.3.3按键、显示器设计283.4检测调节模块设计323.4.1湿度传感器的特点及补偿电路323.4.2风温调节的原理与设计383.4.3调节电路的设计393.5本章小结39第4章 烘干机系统的软件设计404.1系统主程序的设计414.1.1系统初始程序设计414.1.2系统标准模式设计434.1.3系统快速模式设计454.1.4系统手动模式设计474.2系统控制程序的设计494.2.1A/D转换子程序的设计494.2.2调速调温子程序的设计514.2.3时间中断子程序的设计544.3显示子程序的设计554.3.1系统显示程序的设计554.3.2倒计时程序的设计564.4按键扫描处理程序的设计574.4.1矩阵键盘程序的设计574.4.2按键调节子程序的设计584.5本章小结59第5章 机械结构设计605.1挂衣架的设计605.1.1挂衣架的设计605.1.2挂衣架的强度校核615.2脚架的设计635.3防水罩的设计645.4本章小结64总结与展望65参考文献66致谢68附录系统电路原理图69便携式家用衣物烘干机系统设计第1章 绪论1.1干衣机的发展及前景随着科学的进步,人类文明不断进入新境界,家庭电气化已成为人类进步的标志。在我国南方以及国外一些气候比较潮湿的地域,衣物洗涤后往往几日都不能干燥,人们深受其苦。随着干衣机的问世为人们解决了这一困惑,给生活在潮湿地带的人们带来了极大的便利。它既能快速方便的烘干衣物,免除晾晒的麻烦,又可不为连绵阴雨季节,衣物难晾干、晾衣空间小而烦恼。干衣机在日本及西方发达国家也已经比较普及。据介绍，在日本就有70% 以上的家庭干衣机是和洗衣机配套使用的。在中国，尤其是在气候潮湿的南方地区，如同其它家电和工业设备一样，随着人们生活水平的提高，也逐步产生了社会需求。11.1.1现有干衣机的类型按照不同的分类原则，现有干衣机可以分为不同的类别。1按照烘干所使用的能源可以分为燃气式、电热丝加热式、PTC自限温元件加热式。其中，燃气式干衣机在我国不多见，在欧美却很流行，这主要是与这些国家的住宅配置、能源供给形式有关。早期的蒸汽加热或电加热干衣机的干衣效果和质量随环境条件的变化而波动较大，时有未干透就停机或干燥过头而损坏衣物及浪费能源的现象产生。随着自动化控制技术的发展，上述缺陷有所改善。90年代初，国外开始将PTC 自限温发热元件用于家用干衣机领域，并设计定型成目前的旋转式干燥桶结构。PTC发热材料升温较迅速且无明火，与控制技术结合使用，提高了干衣机的安全性；另外，用涡轮式或贯流式风机代替了原来的轴流式风机，降低了风机的功耗和噪声。按照外形分为柜式（图1.1）和滚筒式（图1.2），柜式机容量较大，可将衣服悬挂在烘箱内进行干燥；滚筒式体积比柜式机小，也可使用支架与洗衣机组合在一起使用。按照与洗衣机的关系可分为洗衣干衣一体式、与洗衣机上下分立式、独立式（立柜式、嵌入式）。从消费者使用方便及节约室内空间角度来看 ，家用干衣机以采取第一种方式为佳。按照控制方式可分为机械式和电脑程控式。最后，还可按照水分排除方式分为排气式和排水式。 图1.1 滚筒式干衣机 图1.2 分柜式干衣机 1.1.2现有干衣机的工作原理干衣机依靠内部的加热元件对进入机体内的外界空气进行加热，同时依靠电机带动滚筒或叶轮转动，使加热后的空气与衣物接触，增湿后经过滤排出机外。现有干衣机为全新风型式，在空气id 图上其工作过程可表示为图1.3。具体分析如下：21、环境状态空气（点1）进入干衣机；2、利用PTC 或电加热元件将空气加热至状态点2。在此过程中，空气干球温度t 升高，绝对含湿量d 不变，相对湿度降低；3、状态点2 的高温低湿空气流经衣物，由于空气中的水蒸气分压力低于衣物表面的水蒸气分压力，使得衣物中的水分不断地扩散到空气中。对于空气来说，此过程为等焓过程。空气的干球温度t降低，绝对含湿量d 和相对湿度均增加，到达状态点3；4、状态点3的潮湿空气排至干衣机外。123i(温度)d (湿度)图1.3 空气湿度i-d图1.1.3现有干衣机的不足之处1、能耗指标不理想。首先，为全新风形式，排出空气中仍然含有大量的热能，这会造成能源的浪费；其次，现有干衣机不管是电加热还是PTC 加热，均为能量转换装置，即衣物中水分蒸发所需要的热量完全由电能转化而来。以干衣机工作温度6 0 计，此时水的汽化潜热为2359kJ/kg，也就是说要蒸发衣物中的1kg 水至少要消耗2359kJ 的电能。考虑风机、漏热、旋转运动部件等因素，实际耗电量将大于该值。我国机械行业标准JB/T6219-1999工业干衣机中对电加热干衣机的能耗指标规定为；蒸发每千克水所消耗的电量应不大于1.5kWh，即5400kJ。2、干衣过程工作温度高，一般在60以上，对丝绸、羊绒等高档衣料有很大损害，限制了其使用范围。3、干衣机常用于阴雨天气，此时环境湿度高，但某些类型的干衣机将吸收水分之后的潮湿空气排向室内，将进一步恶化室内空气条件。有些类型干衣机则利用排风管将空气排至室外，但这样占地面积大，影响室内美观，且安装施工均较为不便。某些类型的干衣机利用机体内的循环热风，把衣物内蒸发出来的水蒸气通过特定的冷凝器冷凝成水，再从机内的排水管流出。这种方式虽然一般不会对室内空气环境造成影响，但是因为经历了一个冷凝过程，导致它比排气式要耗电（或者耗能）。目前，带有烘干功能的洗衣机已经面市，但其原理仍为PTC 元件加热，并且售价较高，多在RMB5000 元以上，另外，其干衣容量往往仅为其洗涤容量的一半左右，往往造成一次洗涤的衣物不能一次烘干。由此可见，及时研发节能、工作温度低、适用衣料范围广、可靠性高、售价适中的工业用和家用干衣机是很有潜力的。1.1.4新型干衣机的研制鉴于以上原因，国内外许多科研人员都曾研究、试制过干衣机。有多种类型的干衣机，下面分别予以简要介绍。第一类是蒸汽压缩式热泵干衣机，这种类型的干衣机利用蒸汽压缩式制冷系统中的蒸发器对来自衣物的潮湿空气进行降温除湿，冷凝器用来对空气进行等湿升温，加热后的空气再去对衣物进行干燥。由于蒸汽压缩式制冷系统是一种非常成熟的技术，用于热泵工况时供热效率高，工作安全可靠，因而这种类型的干衣机得到了最为广泛的研究。第二类是一种具有微波加热功能的全自动洗衣机，其特点是可全自动连续完成洗衣干衣功能，且干衣时间比电加热式可缩短一半左右，但与原有PTC、电加热型洗衣机一样同属能量转换装置，能耗大。3第三类是。曾伟杰4等研制的一种医院用抽真空式干衣机，其原理是利用真空泵将密闭容器内的绝对压力降至0.2kPa 以下，使衣物中水分子在真空条件下蒸发出去。同时为了提高水分子的动能，在密闭容器内使用低功率远红外线发热管进行加热，使容器内的温度保持在505，辅助提高其干衣效率。该种干衣机的优点是干后衣物蓬松，但密闭容器制造要求较高。1.2课题背景与设计意义1.2.1课题设计的背景随着生活水平的日益提高，生活方式的日益丰富，人们越来越注重生活的舒适和方便。在南方地区的梅雨季节，经常一连几个星期都是雨天，空气的湿度很大，洗过的衣服很难晾干，因此越来越多的家庭开始使用衣物烘干机。现在的衣物烘干机倡导了一种现代人的生活方式：一是四季干衣无烦恼。二是居室环境优美，不再有下雨天居室的“万国旗”，也不必为高层住房，不能设露天衣架，景观路段不能临街晾衣而烦恼。三是适应生活快节奏，只需要三五十分钟就能解决问题。四是干衣效果良好，恒温烘干，衣物纤维合理蓬松，并能去除日晒不死的细菌。五是操作方便，因此，在长期的阴雨、潮湿、多风沙、室外多工业烟尘、住房拥挤不适宜晾晒衣物的条件下，使用干衣机对家庭来说是非常方便的。51.2.2课题设计的意义市场上比较多的干衣机都是滚筒式，其结构造型类似洗衣机，拆卸与收纳困难，一般放在某个位置就不会去移动它，这样相当占面积，也不易用户搬运。其次，干衣机的内筒在带传动的驱动下转动，烘干后的衣物经常发生褶皱，不利于正装、高档衣物的烘干。再次，通过喷管喷入内桶的热湿气在桶中停留时间不长，不足以使热空气有效地和含有水分的衣物进行热交换。虽然在整个干衣过程中，热空气不断产生，但由于上诉缺陷的存在，则耗电明显增加。6最后，影响客户购买最重要的因素是价格，一台滚筒式的干衣机市场价接近3000元，而便携式衣物烘干机的市场价普遍都是200元。综于以上原因，就需要设计适合大众所能接受的，又能方便使用的干衣机。1.2.3课题设计的优势及创新点干衣机是利用PTC发热体产生热能，微电脑智能芯片控制的直流风机把热能送进干衣罩里，通过热风的循环对流原理把衣物的水份从排气孔内排出而达到干衣的效果的小型家用电器。干衣过程自动变温，可连续工作600小时以上；超温双重干烧保护，绝对安全。干衣机正常工作时，内部温度最高可达75度，可除菌99.3%。一机多用，只要一台电器的支出，就等于买进了烘干机、取暧器、杀菌器、衣帽架、空气净化器几样电器。体积小，容量大（一次干衣可达10KG），易装卸。本设计的创新点：1、设计了“标准”、“快速”、“手动”三种智能的工作模式，用户可根据不同的需要选用相应的模式。2、去除了传统的机械定时方式，改用单片机控制的智能方式，用户只需通过按键设置工作时间、温度、风量，就可智能工作。3、采用新型的牛津布材料，有效的防止热量损失，节约能源，又提供了一个相对封闭的干衣环境，使衣物不被灰尘细菌等污染。1.3课题简介课题名称：便携式家用衣物烘干机系统设计主要任务：通过单片机智能控制衣物的烘干时间及温度风量，以达到快速、便捷、智能烘干衣物，并对现有的烘干机进行优化改造，使其更节能，使用更方便。开发环境：本衣物烘干机系统的软件部分是通过Kell进行编译，并由Proteus进行仿真测试。技术指标：1、以单片机为控制核心2、以PTC作为发热元件3、以电机、风机作为驱动元件4、以汇编语言为软件实现语言功能概述：本系统选用单片机89C51为控制核心，采用薄膜键盘和LED数码管作为输入输出设备。PTC恒温发热体、风机、电机是采用交流220伏市电驱动的，CPU与这些部件之间，要通过数据锁存、I/O缓冲、光电隔离触发器和可控硅来控制。过热保护开关、湿度传感器等组成自动控制和保护电路。以此达到既能快速干衣又安全可靠、不伤衣物。第2章 烘干机的总体设计方案2.1系统的设计原理本系统主要由湿度检测模块、A/D转换模块、单片机控制模块、双向可控硅调功调速模块、矩阵键盘输入模块、数码管显示模块组成。当系统启动后，首先扫描键盘模块，判断输入信号，根据输入信号来选择不同的工作模式。系统内部设定“”标准、“快速”、“手动”三种模式，确定模式后，系统则调用调功调速模块来控制电机与PTC工作，并开启湿度检测模块检测实时湿度并进行判断处理，当湿度达到系统设定值时，则停止工作。若系统进入“手动”模式，则可通过键盘设定工作的“时间”、“温度”、“风量”，设定值由数码管显示，并根据设定值控制系统进行工作。7系统原理电路如图2.1所示：图2.1 系统原理电路图2.2系统的控制特点及性能要求2.2.1系统控制的结构组成1、功率驱动元件：由电机、风机驱动，用PTC恒温发热元件发热2、湿度检测电路：用于检测衣罩中的湿度3、微控制器：采用单片机芯片作为主控制器4、电源稳压电路：用于对输入的220V交流电压进行变压、整流5、LED显示电路：用于显示时间与湿度 单片机89C51电源电压的设计按键输入电路LED显示电路功率驱动电路电机、风机功率驱动电路PTC发热湿度检测电路、A/D转换电路湿度传感器图2.2 系统结构图2.2.2系统的性能特点1、自动检测出衣罩中的湿度2、键盘设置干衣模式、干衣时间、风量大小3、数码显示器显示湿度或干衣时间及风量大小4、选择相应的干衣方式对衣物进行烘干，利用湿度传感器检测衣罩中的湿度，以此来变换不同的风量及热量，已达到既快速又节能的烘干衣物。2.3烘干机的结构2.3.1外部整体结构便携式衣物烘干机主要由五部分组成：主机、连接杆、挂衣架、脚架、防水罩，主机包括电机、风机、发热元件。主机外壳、脚架、挂衣架主要由耐高温、抗压、抗磨的有机材料做成，连接杆由铝合金材料做成，耐高温不易变形，风口罩由不锈钢制造。整体由各个部件组装而成，组装简单、拆卸方便。当用户需要时，则取出各个部件按螺纹连接上即可使用，使用完后也可轻松拆卸装箱，占地面积少。若想当暖风机用时，只需在主机上装连接杆及脚架即可使用。整体结构图2.3如下：图2.3 整体结构图2.3.2衣物烘干机的优势1、结构简单：组装与拆卸方便，占地面积少，在任何地方都能使用。重量轻，方便携带与搬运2、成本低：内部有电机、风机、发热元件及集成电路，便于保养与维修，若出现故障也比较容易查出与解决。制造所用材料廉价，整体成本是滚筒式干衣机的十分之一，适合普遍大众使用。3、一机多用：整体组装起来可以作为干衣机使用，若只组装主体则可当做暖风机使用，平时不工作时，还能当做衣柜。第3章 烘干机系统的硬件设计3.1功率驱动模块设计3.1.1PTC发热元件的设计1、PTC的功能特点PTC加热器是利用恒温加热PTC热敏电阻恒温发热特性设计的加热器件。恒温加热PTC热敏电阻具有恒温发热特性，其原理是PTC热敏电阻加电后自热升温使阻值进入跃变区，恒温加热PTC热敏电阻表面温度将保持恒定值，该温度只与PTC热敏电阻的居里温度和外加电压有关，而与环境温度基本无关。PTC加热器具有恒温发热、无明火、热转换率高、受电源电压影响极小、自然寿命长等特点。82、PTC的分类（1）按传导方式分：以热传导为主的PTC陶瓷加热器； 以所形成的热风进行对流式传热的PTC陶瓷热风器； 以红外线辐射加热器；（2）按结构特点分：普通实用型PTC陶瓷加热器； 自动恒温型PTC加热器； 热风PTC加热器3、PTC的选型（1）根据烘干机的设计，选用空气加热用的PTC热敏电阻。外形结构如图3.1a、b、c： 图3.1a PTC发热元件1 图3.1b PTC发热元件2图3.1c PTC发热元件3 （2）型号参数如下：根据系统要求选用MZ9Q-L72W22T15V220W270的PTC发热管。（3）使用说明：应使用风机带走热量，以提高加热功率。风速对发热功率的影响很大，一般来说，风速越大，功率越大。在没有风吹时，加热器也不会损坏，当功率会明显下降。1000小时功率老化率在10%以内，电阻老化率在50%以内，产品有绝缘型与非绝缘型两种结构。173.1.2 电动机的计算与选型风机在设计工况下运转时的轴功率为：=式中：流量；全压升；全压效率；传动效率。根据已有经验，取=0.95，=0.98，得轴功率：=13.07(W)因主扇设计工况一般为效率最高时的工况，其安装角不是最大值（），考虑到实际工作时安装角最大可能达到，偏安全考虑，需要在设计计算功率的基础上乘以一个1.8的系数（若考虑可能工作的最大安装角，可乘以1.57的系数），然后再乘以一个富裕系数k，作为选择电动机功率的参考值。21所需要的电动机功率为： k容量富裕系数，一般取k1.051.15。计算的所需的电动机功率为：N=24.7 (W)选择YJF61型电机，额定功率25W，额定电压220V，额定电流0.11A，转速2400r/min。风机和电机选择直联传动形式。3.1.3 风机的设计在进行叶轮叶栅气动设计时，必须合理地选取叶轮的结构参数，如轮毂比、叶片数和外径等。161、 轮毂比式中：为轮毂直径；为外径。轮毂比是一个重要参数，对风机的压强、流量和效率都有影响。经推导，可得：由上式可以看出，与全压成正比，与成反比。当风机压强或压强系数较高时，应取较大的，但是过大，叶片过短，流速损失大，效率降低，使风机性能恶化，如图3.2所示。当较大时，可以选较小一些的，这样较高。对于风压高流量小的风机可取较高的，风压低流量大的风机取较小的。太小，叶片过长，会引起叶片根部气流发生分离。一般常用的轮毂比范围为0.250.75。当采用单独叶轮时，可取0.30.45。对于其他方案的通风机级，可取0.50.7，也有取低于0.5的。图3.2风机压强系数和效率随轮毂比的变化曲线根据大量试验的统计结果，与的关系如图3.3所示： 图3.3 风机轮毂比随比转速的变化曲线且近似满足下列关系式：， 35， 2、 叶轮外径在给定风机全压和流量的情况下，当转速一定时，叶轮外径也就基本确定了。由图3.4可知： 图3.4风机叶轮外径系数随比转速的变化曲线比转速与系数基本呈直线关系。其中根据图3.4，求出下的，然后可以计算出：与的近似关系为：对于标准状态下的空气（）： 3、计算圆周速度及压力系数 圆周速度限制如下：如果要求低噪声，则一般为6080m/s； 4、叶片数的选取一般规律是：叶片数少，叶片宽，支杆直径大；叶片数多，叶片窄，支杆直径小。根据国内设计风机的经验和试验数据，18对于按孤立叶型设计法设计的风机，其最佳叶片数推荐如下：轮毂比 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7叶片数 26 48 612 816 1020因此，对烘干机的风机选取叶片数为4.根据以上各参数的选择，下面对各个参数进行计算：计算比转数：由图查图3.2和图3.3根据标准系列GB3235-82选取轮毂比=0.43，=1.82。对于标准状态下的空气（）取：=11.6c根据标准系列GB3235-82选取，。计算圆周速度及压力系数：=3.1.4 电机的调速设计电机调速是整个控制系统中的一个重要的方面。本系统通过控制双向可控硅的导通角，使输出电压发生改变，从而使施加在风机的输入电压发生改变，以调节风机的转速，实现风速的无级调速。9可控硅的导通条件如下：1、阳-阴极间加正向电压；2、控制极-阴极间加正向触发电压；3、阳极电流IA 大于可控硅的最小维持电流IH。当系统选择标准或快速模式时，风机的风速设为高、低两档，各档风速都有一个限定值。在额定电压、额定功率下，以最高转速运转时，要求风叶最大圆周上的线速度不大于2150m/min。且线速度可由下列公式求得：3式中，V为扇叶最大圆周上的线速度(m/min),D为扇中的最大顶端扫出圆的直径(mm)；n为风机的最高转速(r/min)。代入数据求得n高=1555r/min,取 n高 =1250 r/min.又因为可取n低=875 r/min。由于负载上电压的有效值其中，u1为输入交流电压的有效值，为控制角。当检测到过零点时，按照所求得的触发时间延时发脉冲，便可实现预期转速。所以，当系统选择手动模式设置风量时，只需设定控制角的大小就能控制风量的大小，以方便不同场合的需要。3.2处理器模块设计3.2.1单片机89C51的主要功能及内部结构1、AT89C51性能及特点AT89C51是一种与MCS51单片机相兼容的、高性能的8位CMOS微控制芯片，采用40引脚DIP封装，片内带有4KB的快闪可编程/擦除只读存储器（FPEROM）。是当前较先进的一种电擦除8位单片机，它与MCS-51指令系统完全兼容，片内FPEROM允许对程序存储器在线重新编程。也可用常规的EPROM编程器编程。具有超强的加密功能。ATMEL公司生产的这种89C51微控制器，将具有多种功能的8位CPU与FPEROM结合在同一芯片上，可完全替代87C51和8751/8752，为很多嵌入式控制应用提供了设计灵活且价格适宜的方案，深受用户欢迎。此外,AT89C51还增加了在零频下工作的静态逻辑方式及空闲和掉电两种可选的省电模式,在空闲模式下,CPU停止工作,但RAM,定时/计数器,串行口和中断系统仍然工作.在掉电模式下,只保存RAM的内容,振荡器停振,关闭芯片的所有其它功能,直到下一次硬件复位为止.其空闲和掉电两种工作方式以及静态逻辑运作等情况,与MCSC51相同。10引脚如图3.5：图3.5 AT89C51引脚图AT89C51主要特性如下：与MCS-51产品兼容；4K字节可编程闪烁存储器；寿命：1000写/擦循环；数据保留时间：10年；全静态工作：0Hz-24Hz；三级程序存储器锁定；128*8位内部RAM；32可编程I/O线；两个16位定时器/计数器；5个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路；可编程全双工串行；4KB的在线可重复编程快闪存储器，写/擦可达1000次以上。2、AT89C51内部结构说明AT89C51的FLASH存储器有4KB，RAM只有128字节，加密位有三位，加密位为LB1，LB2。AT89C51是一带有2KB字节的闪速可编程可擦除的只读存储器（PEOM），低电压，高性能的8位CMOS微型计算机，有如下特性；和MCS51系列产品完全兼容，2KB的FLASH的程序存储器，可擦写1000次，2.76V电压范围，静态工作方式，可外接024MHZ的晶体振荡器，；两级程序存储器，；128字节SRAM；32根可编程I/O引线；三个16位定时/计数器，六个中断源，可编程UART串行口，直接LED驱动输出，片内模拟比较器，低功耗空闲方式和掉电工作方式11AT89C51是ATMEL微控器家族中廉价的成员，它含有2KB字节的快闪存储器和MCS51结构兼容并可用MCS51指令集进行编程，89C51程序存储器大小的物理范围为000H-7FFH，且89C51中已保留了标准中断服务的子程序的地址，AT89C51包含128字节内部数据存储器，这样8951中堆栈的深度局限于内部RAM的128字节范围内，它既不支持外部数据存储器的访问，也不支持外部程序存储器的访问的执行，因此，程序中不应该包含MOV指令3、端口介绍ALE端口：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令时ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN端口：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/Vpp：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入XTAL2：来自反向振荡器的输出。P0 口： P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。P1 口 ：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。 P1 口第2 功能，T2(P1.0) 定时/计数器2 的外部计数输入/时钟输出(见可编程输出)，T2EX(P1.1) 定时/计数器2 重装载/捕捉/方向控制。P2 口： P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3 口还具有以下特殊功能。表3.1 P3口特殊功能P3口第二功能P3.0RXD(串行口输入)P3.1TXD(串行口输出)P3.2INTO(外部中断0)P3.3INT1(外部中断1) P3.4T0(外部定时输入0)P3.5T1(外部定时输入1)3.2.2复位电路的设计RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效。高电平有效的持续时间应为24个振荡周期以上。若时钟频率为6MHz，则复位信号至少应持续4微秒以上，才可以使单片机复位。本次设计中采用手动复位和自动复位的方法进行复位操作。25如下图3.6所示。手动复位是利用开关按钮来实现的，即通电后，按下开关，使得瞬间RST端的电位与VCC相同，随着电容上储能增加，电容电压也增大，充电电流减少，RESET端的电位逐渐下降。这样在RST端就会建立一个脉冲电压，调节电容与电阻的大小可对脉冲持续的时间进行调节。自动复位在这里采用 MAx813L 实现，以防程序跑飞使系统失控，如果在1.65s内微处理器 AT89C51 不给 MAxsl3L 的“看门狗”输入端 WDI 触发信号，说明程序已跑飞或程序已进入了死循环， MAX813L 将发出复位信号，使系统复位重新运行。3.2.3时钟晶振电路的设计时钟电路对单片机系统而言是必需的。由于单片机内部是由各种各样的数字逻辑器件(如触发器寄存器存储器等)构成，这些数字器件的工作必须按时间顺序完成，这种时间顺序就称为时序.时钟电路就是提供单片机内部各种操作的时间基准的电路,没有时钟电路单片机就无法工作。此次设计中，我们采用由内部方式产生时钟的方法形成时钟电路，具体如图3.6所示：图3.6 时钟复位电路内部方式：在XTAL1和XTAL2端外接石英晶体作定时元件，内部反相放大器自激振荡，产生时钟。时钟发生器对振荡脉冲二分频，即若石英频率fosc6MHz，则时钟频率3MHZ，因此，时钟是一个双向信号，由P1相和P2相构成。fosc可在2MHZ-12MHZ选择。小电容可以取30PF左右。3.3控制模块设计3.3.1电源电路的设计稳压电源一般由变压器、整流器和稳压器三大部分组成，变压器把市电交流电压变为所需要的低压交流电。整流器把交流电变为直流电。经滤波后，稳压器再把不稳定的直流电压变为稳定的直流电压输出。稳压电源的技术指标及对稳压电源的要求，稳压电源的技术指标可以分为两大类：一类是特性指标，如输出电压、输出电流及电压调节范围；另一类是质量指标，反映一个稳压电源的优劣，包括稳定度、等效内（输出电阻）、纹波电压及温度系数等。对稳压电源的性能，主要有以下四个方面的要求：1、定性好，2、输出电阻小，3 、电压温度系数小，4、输出电压纹波小。我设计的稳压电源是以78XX和79XX系列稳压器为基础的，这类电源能够产生5V，15V。它是先将来自交流电的电压通过变压器（即将220V转换为20V），然后通过78XX和79XX稳压器，达到设计要求。首先来介绍一下78XX和79XX的基本情况。78XX和79XX系列是常用三端固定电压集成线形稳压器，78XX系列为正电压输出稳压器，79XX系列为负电压输出稳压器。除了输出电压极性不同外，其他方面基本相同，因此，本节以78XX系列为例进行介绍。型号78XX/79XX系列中的XX数字表示集成稳压器的输出电压的数值，以V为单位，例如：7805表示输出正电压为+5V，7924表示输出负电压-24V等。有5V，6V，9V，12V，15V，18V，24V等7种不同的输出电压档，能满足大多数电子设备所用的电源电压。此外，型号中还有英文字母：数字前面的字母如LM78XX等，通常表示生产厂家，LM表示美国MULB公司。中间的字母如78LXX等，通常表示电流等级，L表示的是小电流（100mA），M表示中电流（500 mA）。图3.7示出了78XX/79XX的管脚与封装形式，集成稳压作为稳压电源的一般接法如图3.8所示。231.输入端，2.输出端，3.公共端1.公共端，2.输入端，3.输出端图3.7图3.8基于我要得到正负电源同时使用和电路电源要求，我选用正负三种集成稳压器（7805、7812、7815、7905、7912、7915），按图3.9所示设计：图图3.9C1、C2是用以抵消其较长接线的电感效应，防止产生自激震荡，接线不长时可以不用，C1、C2一般在（0.11）F，输出端的电容C3、C4用来改善暂态响应，使瞬时增减负载电流时不致引起输出电压有较大的波动，削弱电路的高频噪声，C3、C4可用10F。由此得到稳压电源的设计图3.10 图3.10 电源电路图在图中A端输出+15V，B端输出+12V，C端输出+5V，D端输出-15V，E端输出-12V、F端输出-5V，这6种电源可以供我们后来设计器件的备用电源，如：湿度检测电路、单片机电源、A/D转换ICL7135、继电器的电源等。3.3.2模数转换器设计1、 模数转换器能够完成将模拟量转换成数字量的器件叫模/数转换器，简称A/D转换器。A/D转换器的种类很多，按位数来分，有8位、10位、12位、16位。位数越高，其分辨率也越高，但价格也越高。A/D转换器就其结构来分，有单独的A/D转换器；有的A/D转换器带多路开关；有的带多数开关、数据放大器、采样/保持及A/D转换器，其本身就是一个完整的数据采集系统。A/D转换器按转换原理分：计算器式A/D转换、逐次逼近型A/D转换、双积分式A/D、并行A/D转换、串-并行A/D转换等。在这些转换方式中，计数器式A/D线路比较简单，但转换速度比较慢，所以现在应用很少。双积分式A/D转换精度高，多用于数据采集系统及精度比较高的场合。并行及串-并A/D转换速度比较快，多用于雷达及图象处理等要求比较高的场合。逐次逼近型A/D转换既照顾了转换速度，有具有一定的精度，是目前工业过程控制系统中应用最多的一种。目前，绝大多数A/D转换器都采用这种转换方法。2、 A/D转换器ICL7135ICL7135是目前市场上广泛流行的单片集成4位半双积分A/D转换器。由于ICL7135具有4位半的精度（相当于14位二进制数）、自动校零、自动极性输出、单一参考电压、动态字位扫描BCD码输出、自动量程控制信号输出、价格低等特点，所以广泛应用于微控制器的应用系统和各种精度较高的数字仪器等领域。12（1） 主要参数CMOS集成电路；双积分转换技术；单一参考电压；采用BCD码扫描输出；能用闪烁显示的方式表示超量程状态；具有六路输入/输出（I/O）辅助信号，可以和微处理器相连，进行复杂的控制；具有自动转换量程的过和欠量程信号；允许差分输入；具有自动极性辨别功能和自动校零电路；双电源供电；准确度高0.005%1个字；输入漏电流低 1pA；分辨率高 14位；零读数漂移 0.5V/；输入阻抗高 109；转换速度慢 3次/秒；噪声低 15V。（2）引脚排列合引脚说明，如图3.11V-：负电源输入端，典型值为-5V。VREF：参考电源输入端，典型值为1V，参考电压的精度合稳定度将直接影响转换精度。D5、D4、D3、D2、D1：BCD码数据的位选通信号输出端，分别分位万、千、百、十、个位。B1、B2、B4、B8：BCD码数据输出线。BUSY：转换状态标志输出端。积分器在积分过程中（对信号积分和反向积分）BUSY输出高电平，积分器反向积分过零后输出低电平。CLK：时钟输入端。双极性模式：最高时钟频率为125Hz,转换速度为3次/秒；单极性模式：最高频率为1MHz，这时转换速度为25次/秒。AGND：模拟地，INTOUT：积分器输出。AZIN：自调零输入端。BUFOUT：缓冲放大器输出端。REFCAP-：外接参考电容引脚。REFCAP+：外接参考电容引脚。INLO：信号输入低端。INHI：信号输入高端。V+：正电源输出端，典型值为+5V。DGND：数字接地。图3.11 ICL7135引脚排列图POL：极性输出端。当信号为正时，POL极性输出为高电平；输入信号为负时，POL极性输出为低电平。R/：启动转换/保持控制端。该端接高电平时，ICL7135为自动连续转换状态， 1/2。一次A/D转换结束后，该端输出5个负脉冲，分别选通高位到低位的BCD码数据输出，可利用该信号把数据打入到并行接口中供CPU读取，这在和微处理接口时显得非常重要。OVERRANG：过量标志输入端。当输入信号读数超过转换记数范围时，该引脚输出高电平。UNDER：欠量程标志输入端。当输入信号读数小于9%或者更小时，该端输出高电3、ICL7135与单片机的接口单片机与ICL7135接口：ICL7135的A/D转换结果是动态分时轮流输出的BCD码，因此它与89C51只能通过并行I/O接口或扩展I/O接口与其相连。这里采用并行I/O接口连接，为了节省I/O接口的开销，使用了74LS157四2选1的选择器，使万位输出及其它的三个标志信号（过量程、欠量程、极性输出）与BCD码数据输出的B8、B4、B2、B1公用89C51的P2.0P2.3四条I/O接口线。其分时传送通过D5控制74LS157的选择端SEL实现。SEL输入低电平时选择1A3A输出，输入高电平选择1B3B输出。因为万位只能输出0或1，是半个位，所以正好和OR（过量程）、UR（欠量程）和POL（正负极性）三位构成四位数据输出，供89C51读取，这样就可以使用7135的“万”位选通位信号D5作为74LS157的选择端控制信号。26ICL7135与单片机的接口电路如图3.12：图3.12 ICL7135与单片机的接口电路3.3.3按键、显示器设计1、按键模块的设计（1）键盘接口工作原理键盘可分两类：独立式和矩阵式。该设计因按键比较多，所以选用矩阵式。下面将对矩阵式键盘做详细介绍。、矩阵式键盘模式以N个端口连接控制N*N个按键，实时在LED数码管上显示按键信息。显示按键信息，既降低了成本，又提高了精确度，省下了很多的I/O端口为他用，相反，独立式按键虽编程简单，但占用I/O口资源较多，不适合在按键较多的场合应用。、控制方式：先判断是否有键按下。如有，再判断哪一键按下，并得到键码值，然后根据键码值转向不同的功能程序。判断是否有键按下的方法：向所有的列输出口线输出低电平（不能为高电平，因为若为高电平，按键按下与否都不会引起行线电平的变化），然后将行线的电平状态读入。若无键按下，所有的行线仍保持高电平状态若有键按下，行线中至少应有一条线为低电平例如：第2行与第2列交叉点的键被按下，则第2行与第2列导通，第2行电平被拉低，读入的行信号就为低电平，表示有键按下。 、识别方式：最常用的识别方法是键盘扫描法。采用键盘扫描，我们再来观察第2行与第2列交叉点的键按下时的判断过程，当第2列送出低电平时，读第2行为低电平，而其他列送出低电平时，读第2行却为高电平，由此即可断定按下的键应是第2行与第2列交叉点的键。 （2）单片机与键盘的接口本系统有9个按键，采用矩阵式键盘。89C51的I/O口P2.3-P2.5接行线，P2.0-P2.2接列线。对键盘的检测扫描先从P2口的P2.3-P2.5输出低电平，P2.0-P2.2输出高电平，从P2口的P2.0-P2.2读取键盘状态。再从P2口的P2.0-P2.2输出低电平，P2.3-P2.5输出高电平，从P2口的P2.3-P2.5读取键盘状态。将两次读取结果组合起来就可以得到当前按键的特征编码。使用上述方法我们得到9个键的特征编码。13接线图如图3.13：图3.13 键盘接线图（3）按键产生抖动原因及解决方案实际中，在按下某个键时，被按按键的弹簧总会有轻微的抖动，如下图3.14所示。t1，t3分别是闭和和释放的抖动时间，抖动时间的长短与按键的机械特性有关，一般为5ms-20ms。为确保CPU对键的一次闭和仅做一次处理，必须去抖动，这可以分别通过软件和硬件两种方法实现。如果用硬件来实现去抖动，那就需要增加必要的元器件这样就使得电路变的复杂，而且也不经济，所以在本例中选用了，选用了软件去抖动的方法。图3.14 按键抖动具体实现的方法就是，当CPU检测到有按键按下后通过软件延时（5ms-20ms）一段时间后再进行扫描，如果延时后检测到仍然有键按下，这时才读取键值并存入寄存器，从而达到了去抖动的效果。（4）窜键的处理用户在操作时常常因不小心同时按下了一个以上的键键的处理一般用软件的方法解决，也有用硬件方法实现的，但是用硬件的方法既复杂有不经济，而用软件的方法只需几行程序就能够解决，所以在本例中我选用了用软件的方法完成窜键的处理。具体方法如下：在8951单片机的数据存储单元中预先设定了窜键标志寄存器。窜键标志寄存器在行扫描期间用于记录被按按键个数，故发生窜键时窜键标志必大于01H。CPU在行扫描时不以发生第一个被按按键为满足，而是继续完成对所有键的一遍扫描，并在该键扫描结束后根据窜键标志来判断是否发生窜键。如果未发现窜键，则CPU再进行一遍扫描就可以获得最后放开键的键值了。从而解决了窜键的问题。2、显示模块的设计（1）LED数码管的介绍LED数码管是由发光二极管组，其结构如图所示，其中7个发光二极管按“8”行排列，用于显示数字，字母等符号，一个发光二级管圆点形状，右下角用于显示小数点，LED数码管共阴极和共阳极两种类型。14当发光二极管导通时，相应的一段笔画成小数点亮，对共阴极显示器，将共阴极COM接地，在a_q段加驱动信号，当驱动信号是高电平时，相应段发光；对共阳极数码管，将共阳极COM极接高电平，在a_q段几加驱动信号，当驱动信号是低电平时，相应段发光，从而显示相应字符。不同的显示字符其驱动代码是不一样的，发光二极管每段流过5mA的平均电流就可以有较满意的亮度，最大电流不得超过30A，由于发光二极管是电流驱动设备，一般的I/O接口驱动能力是都是有限的，在发光二极管与接口芯片间要接驱动电路，常用的CMOS或TTL驱动器有：LS7448、LS7449。（2）单片机与LED接口在单片机应用系统中LED显示器有动态和静态两种显示方式，所谓的静态显示方式就是需要在显示的字符各段通过连续的电流，动态显示方式就是需要显示的字符断续通过电流，对于动态显示，当需要显示多个字符时轮流给每个字符通以电流，由于轮流的速度很快，发光二极管的余辉以及人的视觉暂留等因素，虽然在同一时刻只有一个显示器通电，但人们看起来都是所有的显示器都稳定的显示。22动态显示的特点是：单片机既要控制数码管的公共端又要控制各段发光二极管。各数码管的相应显示发光二极管的段选信号都并联起来，接单片机的同一个I/0口，单片机控制数码管公共端的信号，