太陽能控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、目錄 編號 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文題 目太陽能熱水器智能控制的設(shè)計學(xué)生姓名夏曉峰學(xué) 號49091140系 部電氣工程系專 業(yè)機電一體化班 級490911指導(dǎo)教師陳玉華 顧問教師二一二年四月摘要當(dāng)今社會發(fā)展日新月異，人們衣食住行也在不斷的提高?，F(xiàn)有電熱型熱水器費用昂貴及燃氣型的不安全性，且排放二氧化碳污染大氣，北方用煤氣取暖造成城市空氣環(huán)境污染，這些都是太陽能熱水器良好的外部生存環(huán)境。太陽能熱水器 克服了上述缺點，他是綠色環(huán)保產(chǎn)品。它使用簡單、方便。太陽能熱水器順呼時代發(fā)展的要求，滿足人們對環(huán)保綠色產(chǎn)品的需求。在人類文明程度日益提高的今天，它是現(xiàn)代文明社會的最佳選擇。應(yīng)該注意到，集體單位對

2、太陽能熱水器的用量很大。新建商住樓安裝熱水器，已是房屋開發(fā)公司計劃之內(nèi)的事，配套熱水器的商品房銷勢更好。本文設(shè)計的太陽能熱水器控制器以80c51單片機為檢測控制核心，采用ds12887 實時時鐘，不僅實現(xiàn)了時間、溫度和水位三種參數(shù)實時顯示和fuzzy控制功能，而且具有時間設(shè)定、溫度設(shè)定與控制功能。溫度控制采用模糊控制， 控制器可以根據(jù)天氣情況利用輔助加熱裝置使蓄水箱內(nèi)的水溫在設(shè)定時間達到預(yù)先設(shè)定的溫度，從而達到24小時供應(yīng)熱水的目的。關(guān)鍵詞： 太陽能熱水器;傳感器; 模糊控制; 實時時鐘; 單片機目 錄摘要i目 錄ii第一章：緒論11.1太陽能熱水器的發(fā)展概況及市場競爭分析11.2太陽能熱水器

3、的應(yīng)用及意義1第二章：太陽能熱水器的組成及工作原理42.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計42.2太陽能熱水器組成及原理62.3主要芯片的結(jié)構(gòu)與特點82.3.1 ds12887時鐘芯片簡介82.3.2 80c51單片機結(jié)構(gòu)特點112.3.3 數(shù)字溫度傳感器ds18b20主要特性及測溫原理14第三章：太陽能熱水器硬件設(shè)計173.1.太陽能控制器硬件結(jié)構(gòu)173.2. 控制器實時時鐘接口電路173.3 水位檢測和溫度檢測接口電路183.4 看門狗和復(fù)位接口電路的設(shè)計203.5 鍵盤和顯示接口電路的設(shè)計203.5.1 鍵盤電路203.5.2 顯示接口電路的設(shè)計213.6 光電隔離與輔助加熱電路設(shè)計22第四章：控制器

4、的軟件設(shè)計234.1 主程序設(shè)計234.2顯示子程序24第五章: 總結(jié)與展望26致謝27參考文獻28附錄29第一章 緒論第一章：緒論1.1太陽能熱水器的發(fā)展概況及市場競爭分析目前，中國已成為世界上最大的太陽能熱水器生產(chǎn)國，年產(chǎn)量約為世界各國之和，已有一百多家太陽能熱水器生產(chǎn)廠。但是與之配套的太陽能熱水器控制器卻一直處在研究與開發(fā)階段。這種控制器只具有溫度和液位顯示功能， 而且為分段顯示，溫度顯示誤差為10%，水位顯示誤差為25%。這種顯示器(還稱不上控制器)不具有溫度控制功能，當(dāng)由于天氣原因而光強不足時，就會給熱水器用戶帶來不便；即使熱水器具有輔助加熱功能，由于加熱時間不能控制而產(chǎn)生過燒，從而

5、浪費大量的電能。本文設(shè)計的太陽能熱水器控制器以80c51單片機為檢測控制核心，采用ds12887 實時時鐘，不僅實現(xiàn)了時間、溫度和水位三種參數(shù)實時顯示和fuzzy控制功能，而且具有時間設(shè)定、溫度設(shè)定與控制功能。溫度控制采用模糊控制， 控制器可以根據(jù)天氣情況利用輔助加熱裝置使蓄水箱內(nèi)的水溫在設(shè)定時間達到預(yù)先設(shè)定的溫度，從而達到24小時供應(yīng)熱水的目的。太陽能熱水器是太陽能利用中最常見的一種裝置，經(jīng)濟效益明顯，正在迅速的推廣應(yīng)用，太陽能熱水器能夠?qū)⑻栞椛淠苻D(zhuǎn)換熱能，供生產(chǎn)和生活使用。他主要由平板集熱器、蓄水器和連接管道等部件組成，可分循環(huán)式、直流式和悶曬式。當(dāng)今社會發(fā)展日新月異，人們衣食住行也在不

6、斷的提高?，F(xiàn)有電熱型熱水器費用昂貴及燃氣型的不安全性，且排放二氧化碳污染大氣，北方用煤氣取暖造成城市空氣環(huán)境污染，這些都是太陽能熱水器良好的外部生存環(huán)境。太陽能熱水器 克服了上述缺點，他是綠色環(huán)保產(chǎn)品。它使用簡單、方便。太陽能熱水器順呼時代發(fā)展的要求，滿足人們對環(huán)保綠色產(chǎn)品的需求。在人類文明程度日益提高的今天，它是現(xiàn)代文明社會的最佳選擇。應(yīng)該注意到，集體單位對太陽能熱水器的用量很大。新建商住樓安裝熱水器，已是房屋開發(fā)公司計劃之內(nèi)的事，配套熱水器的商品房銷勢更好5。 此款熱水器包括主、從兩大系統(tǒng)：主系統(tǒng)的特點是在晴好的天氣利用太陽光能為熱水器加熱；從系統(tǒng)相當(dāng)于電熱水器，它在無光照的情況下利用電輔

7、助加熱。它充分利用太陽能的豐富的免費的資源的優(yōu)勢，同時考慮到在陰天及夜間無法利用太陽能的缺點，充分發(fā)揮太陽能熱水器和電熱水器的各自優(yōu)勢，這是世面上大部分熱水器所不能比擬的。1.2太陽能熱水器的應(yīng)用及意義眾所周知，太陽能是取之不盡，用之不竭，沒有污染的巨大能源。太陽能熱水器把太陽光能轉(zhuǎn)化為熱能，將水從低溫度加熱到高溫度，以滿足人們在生活、生產(chǎn)中的熱水使用。太陽能熱水器是由集熱管、儲水箱及相關(guān)附件組成，把太陽能轉(zhuǎn)換成熱能主要依靠集熱管。集熱器受陽光照射面溫度高，集熱管背陽面溫度低，而管內(nèi)水便產(chǎn)生溫差反應(yīng)，利用熱水上浮冷水下沉的原理，使水產(chǎn)生微循環(huán)而達到所需熱水。在太陽能熱利用技術(shù)中，太陽能熱水器是

8、技術(shù)上比較成熟、造價比較低廉的產(chǎn)品，同時給人民提供不耗能源、保護環(huán)境、絕對安全的熱水而受到人們的歡迎。太陽能熱水器是以太陽能光熱轉(zhuǎn)換，利用溫室效應(yīng)和虹吸原理使水加熱的裝置，此裝置分為兩個不同的概念：1.太陽能熱水工程系統(tǒng)，這種系統(tǒng)由太陽能集熱器、儲水箱管線、補水箱組成不同形式的熱水系統(tǒng)，包括自然循環(huán)式、定溫放水式等等，可構(gòu)成提供熱水10噸到100噸的裝置，大多提供集體單位使用。2.太陽能熱水器是指將上述各種不見組裝成一個小系統(tǒng)，提供家庭或需要產(chǎn)熱水1噸以下的單位使用，此種裝置算為太陽能熱水器。太陽能熱水器（或系統(tǒng)）均以其采光面積作為計量單位，一般1平方米光面積可產(chǎn)熱水100升，采光面積每種型號

9、不同，一般在1.52.0平方米。太陽輻射透過玻璃蓋板，被集熱板吸收后沿肋片和管壁傳遞到吸熱管內(nèi)的水。吸熱管內(nèi)的水吸熱后溫度升高，比重減小而上升，形成一個向上的動力，構(gòu)成一個熱虹吸系統(tǒng)。隨著熱水的不斷上移并儲存在儲水箱上部，同時通過下循環(huán)管不斷補充溫度較低的水，如此循環(huán)往復(fù)，最終整箱水都升高至一定的溫度 。根據(jù)理論計算及實際應(yīng)用證明，太陽能熱水器每平方米光面積一年可節(jié)約標準煤200-300公斤節(jié)電1500度，或節(jié)約液化氣180公斤。采用本熱水器與電熱水器、燃氣熱水器相比，還具有絕對安全，最為衛(wèi)生的特點，在電費，液化氣、煤氣價格較高的地區(qū)，用戶1-3年即收回投資，在這以后提供的熱水是免費的。設(shè)計可

10、以參考以下的幾個意見:1.在設(shè)計民用建筑時，若此地區(qū)沒有集中熱水供應(yīng)，可給用戶安裝太陽能熱水器，以提供熱水，提高住房的檔次，在設(shè)計時將冷、熱水管線預(yù)埋，以平均每套住宅建筑面積65平方計算，工程造價大約每平方米增加18-20元，2.設(shè)計工廠浴室時，可考慮采用太陽能熱水系統(tǒng)，每平方采光面積產(chǎn)熱水100升計算，100平方米太陽能熱水系統(tǒng)可產(chǎn)熱水10噸，每人每次標準用水40升，可解決250人的洗浴用水。作為工廠中低溫工業(yè)熱水，可根據(jù)當(dāng)?shù)馗鞣N各樣的不同條件予以特殊設(shè)計。3.作為工廠中低溫工業(yè)熱水，可根據(jù)當(dāng)?shù)馗鞣N各樣的不同條件予以特殊設(shè)計，太陽能熱水器的推廣應(yīng)用及經(jīng)濟效益據(jù)不完全統(tǒng)計，迄今全國太陽能熱水器

11、累計安裝使用總量已達300萬平方米以上。所以該控制器具有使用方便、性價比高、工作可靠、精度高等特為太陽能熱水器的進一步推廣具有積極的推動作用。33第二章 太陽能熱水器的組成及工作原理第二章：太陽能熱水器的組成及工作原理2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 排氣管 不銹鋼保溫水箱圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖2-1為系統(tǒng)設(shè)計的結(jié)構(gòu)圖，該圖的系統(tǒng)控制原理圖如下圖2-2： t3 t2 f 3 熱 集 水 熱 太陽光 f1 箱 器 t1 d 自來水 f2圖2-2 系統(tǒng)控制原理圖注釋：t1：熱水箱的溫度傳感器t2：循環(huán)水管中的溫度傳感器t3：集熱器中的溫度傳感器f1：循環(huán)水閥門f2：冷水閥門f3：熱水閥門此款熱水器利用微機

12、控制主要有以下幾種控制功能：晨水加熱控制、溫水循環(huán)控制、冷水集熱控制、水箱加熱控制。早晨水溫控制由于清晨太陽光較弱，所以太陽能熱水器從系統(tǒng)發(fā)揮作用。為了提供溫度不低于30攝氏度的水，熱水器在清晨4-7點之間對水箱進行電加熱，具體控制過程如下：首先，關(guān)閉冷水閥門f2和循環(huán)水閥門f1，然后微機開始進行水箱的溫度采集，同時進行溫度的比較，當(dāng)水箱的溫度小于30攝氏度時，電熱器d接通進行加熱，同時微機繼續(xù)對熱水箱的溫度進行采集。當(dāng)溫度加熱到大于30攝氏度時電熱器斷開，如此反復(fù)循環(huán)保證了溫度的穩(wěn)定。循環(huán)水集熱過程：早晨水溫控制之后（79點），設(shè)定當(dāng)日的水箱溫度n（由兩位bcd次齒輪開關(guān)設(shè)定），輸入微機，再

13、利用微機控制系統(tǒng)，通過太陽光能對熱水箱加熱以達到理想溫度n。具體控制過程如下：打開循環(huán)閥門f1，關(guān)閉冷水進水閥門f2，熱水閥門f3處于空控狀態(tài)。然后開始比較溫度，若（t3-t1>5攝氏度，t2>t1）為止。如若t1=n，那么循環(huán)水集熱過程結(jié)束，進入冷水集熱控制過程。冷水集熱控制此時熱水箱溫度已達到了n，冷水要進入太陽能集熱器，這時溫度為t3，和當(dāng)日的設(shè)定溫度值相比較，若t3>n則將已加熱的水送入熱水箱，每天的控制時段大概為9點20點。具體控制過程如下：關(guān)閉循環(huán)水閥門f1，打開冷水閥門f2，熱水閥門f3處于可控狀態(tài)。若t3>n，打開熱水閥門f3并將保持一段時間，若t3&l

14、t;n，關(guān)閉f3繼續(xù)給太陽能集熱器加熱，直到溫度達到n，當(dāng)打開f3時此時比較水管水溫t2與n的值，若t2>n閥門f3繼續(xù)保持打開狀態(tài)，否則關(guān)閉f3。可見，次過程充分利用太陽光能轉(zhuǎn)化為熱能，方便快捷。水箱加熱控制此時，也許你會問如果沒有日照或者日照較弱時，到了晚上我們是否還能洗上熱水澡嗎？答案是肯定的，不要忘了這款熱水器還有一個從系統(tǒng)，這時它就要發(fā)揮作用了。熱水箱溫度為t1，將它和設(shè)定值n相比較，從而控制是否打開電加熱，控制時段為下午，具體過程如下： 若t1<n，電加熱接通；否則，電加熱斷開，而且，15點20點中的每個小時有下表的關(guān)系：表一 時間（時） 溫度比較 加熱值（度） 15

15、t1<35<n 35 16 t1<40<n 40 17 t1<45<n 45 18 t1<50<n 50 19 t1<55<n 55 20 t1<60<n 60最終熱水箱的溫度加熱到設(shè)定值n。由此可見，即使沒有日照我們照樣可以洗上熱水澡了。綜上所述，太陽能供熱控制系統(tǒng)不僅節(jié)約而且高度智能化，方便省事，不論日常家居，還是對賓館、學(xué)校等都是最佳選擇。2.2太陽能熱水器組成及原理 6 5 4 7 2 1 3 2-3 熱水器裝置簡圖1-集熱器 2-下降水管 3-循環(huán)水箱4-補給水箱 5-上升水管 6-自來水管 7-熱水出水管熱水器

16、主要由集熱器、循環(huán)管道和水箱等組成，圖中為典型的熱水器裝置圖。圖中集熱器1按最佳傾角放置，下降水管2的一端與循環(huán)水箱3的下部相連，另一端與集熱器1的下集管接通。上升水管5與循環(huán)水箱3上部相連，另一端與集熱器1的上集管相接。補給水箱4供給循環(huán)水箱3所需的冷水。 當(dāng)集熱器吸收太陽輻射后，集熱器內(nèi)溫度上升，水溫也隨之升高。水溫升高后，水的比重減輕，便經(jīng)上升水管進入循環(huán)水箱上部。而循環(huán)水箱下部的冷水比重較大，就由水箱下流到集熱器下方，在集熱器內(nèi)受熱后又上升。這樣不斷對流循環(huán)，水溫逐漸提高，直到集熱器吸收的熱量與散失的熱量相平衡時，水溫不再升高。這種熱水利用循環(huán)加熱的原理，因此又稱循環(huán)熱水器。集熱器是一

17、種利用溫室效應(yīng)，將太陽能輻射轉(zhuǎn)換為熱能的裝置，該裝置與一般熱水交換器不一樣，熱交換器通常只是液體到液體，或是液體到氣體的熱交換過程，而平板型集熱器是直接將太陽輻射傳給液體或氣體，是一個復(fù)雜的傳熱過程。平板型集熱器結(jié)構(gòu)形式很多，世界上已實用的集熱器就有直管式、瓦楞式、扁管式、鋁翼式等二十多種。2.3主要芯片的結(jié)構(gòu)與特點2.3.1 ds12887時鐘芯片簡介 ds12887的串行接口實時時鐘芯片，采用cmos 技術(shù)制成，具有內(nèi)部晶振和時鐘芯片備份鋰電池，同時它與目前ibmat計算機常用的時鐘芯片mc146818b 和ds1287 管腳兼容，可直接替換。采用ds12887 芯片設(shè)計的時鐘電路不需任何

18、外圍電路和器件，并具有良好的微機接口。ds12887芯片具有微功耗，外圍接口簡單，精度高，工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，可廣泛用于各種需要較高精度的實時時鐘系統(tǒng)。芯片都采用24引腳雙列直插式封裝，其引腳接口邏輯和內(nèi)部操作方式與mc146818 基本一致，所不同的是ds12887 芯片的晶體振蕩器、振蕩電路、充電電路和可充電鋰電池等一起封裝在芯片的上方，組成一個加厚的集成電路模塊，因此，ds12887時鐘芯片無需mc146818 的電源電位檢測端( ps)，電路通電時其充電電路便自動對可充電電池充電，充足一次電可供芯片時鐘運行半年之久，正常工作時可保證時鐘數(shù)據(jù)十年內(nèi)不會丟失。此外，片內(nèi)通用的ram 為mc

19、146818 的兩倍以上。ds12887 內(nèi)部有專門的接口電路，從而使得外部電路的時序要求十分簡單，使它與各種微處理器的接口大大簡化。使用時無需外圍電路元件，只要選擇引腳mot 電平，即可和不同計算機總線連接。1.主要技術(shù)特點ds12887/ds12c887 具有下列主要技術(shù)特點：(1) 具有完備的時鐘、鬧鐘及到2100年的日歷功能，可選擇12小時制或24小時制計時，有am和pm、星期、夏令時間操作，閏年自動補償?shù)裙δ堋?2) 具有可編程選擇的周期性中斷方式和多頻率輸出的方波發(fā)生器功能。(3) ds12887內(nèi)部有14個時鐘控制寄存器，包括10個時標寄存器，4個狀態(tài)寄存器和114bit作掉電保

20、護用的低功耗ram。(4) 由于該芯片具有多種周期中斷速率時鐘中斷功能，因此可以滿足各種不同的待機要求，最長可達24小時，使用非常方便。(5) 時標可選擇二進制或bcd碼表示。(6) 工作電壓： + 4. 55. 5v、工作電流：715ma。(7) 工作溫度范圍：070°c。 2.ds12887 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)ds12887為24引腳芯片，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖：圖2-4 ds12887內(nèi)部框圖其中：mot：計算機總線選擇端；sqw：方波輸出，速率和是否輸出由專用寄存器a、b的預(yù)置參數(shù)決定；ad0ad7：地址/數(shù)據(jù)(雙向)總線，由as 的下降沿鎖存8位地址；r/w：讀/寫數(shù)據(jù);as：地址鎖存信號

21、端；ds：數(shù)據(jù)讀信號端；cs：選通信號端，低電平有效；irq：中斷申請，由專用寄存器決定；reset：復(fù)位端；nc：空引腳。ds12887內(nèi)部由振蕩電路，分頻電路，周期中斷/方波選擇電路，14字節(jié)時鐘和控制單元，114字節(jié)用戶非易失ram，十進制/二進制計加器，總線接口電路，電源開關(guān)寫保護單元和內(nèi)部鋰電池等部分組成。ds12887管腳分配如圖：圖2-5 管腳分配圖vcc：直流電源+ 5v 電壓。當(dāng)5v電壓在正常范圍內(nèi)時，數(shù)據(jù)可讀寫;當(dāng)vcc低于4.25v，讀寫被禁止，計時功能仍繼續(xù);當(dāng)vcc下降到3v以下時，ram和計時器供電被切換到內(nèi)部鋰電池。mot(模式選擇)：mot 管腳接到vcc時，選

22、擇motorola時序，當(dāng)接到gnd 時，選擇intel時序。sqw(方波信號輸出)：sqw 管腳能從實時時鐘內(nèi)部15級分頻器的13個抽頭中選擇一個作為輸出信號，其輸出頻率可通過對寄存器a編程改變。ad0 ad7(雙向地址/ 數(shù)據(jù)復(fù)用線)：總線接口，可與motorola微機系列和intel 微機系列接口。as (地址選通輸入)：用于實現(xiàn)信號分離，在ad/ ale 的下降沿把地址鎖入ds12887。ds(數(shù)據(jù)選通或讀輸入)：ds/ rd 管腳有兩種操作模式，取決于mot管腳的電平，當(dāng)使用motoro2la 時序時，ds是一正脈沖，出現(xiàn)在總線周期的后段，稱為數(shù)據(jù)選通；在讀周期，ds指示ds1288

23、7驅(qū)動雙向總線的時刻; 在寫周期，ds的后沿使ds12887鎖存寫數(shù)據(jù)。選擇intel時序時，ds稱作(rd)，rd與典型存貯器的允許信號(oe) 的定義相同。r/w(讀/ 寫輸入)： r/w管腳也有兩種操作模式。選motorola 時序時，r/w 是一電平信號，指示當(dāng)前周期是讀或?qū)懼芷冢琩s為高電平時，r/ w高電平指示讀周期，r/w 信號是一低電平信號，稱為wr。在此模式下，r/ w管腳與通用ram 的寫允許信號(we) 的含義相同。cs(片選輸入)：在訪問ds12887 的總線周期內(nèi)片選信號必須保持為低。irq(中斷申請輸入)：低電平有效，可作微處理的中斷輸入。沒有中斷的條件滿足時，ir

24、q處于高阻態(tài)。irq線是漏極開中輸入，要求外接上接電阻。reset(復(fù)位輸出)：當(dāng)該腳保持低電平時間大于200ms，保證ds12887有效復(fù)位。3. ds12887 的中斷和更新周期ds12887 處于正常工作狀態(tài)時，每秒鐘將產(chǎn)生一個更新周期，芯片處于更新周期的標志是寄存器a中的uip位為“1”。在更新周期內(nèi)，芯片內(nèi)部時標寄存器數(shù)據(jù)處于更新階段，故在該周期內(nèi)，微處理器不能讀芯片時標寄存器的內(nèi)容，否則將得到不確定數(shù)據(jù)。更新周期的基本功能主要是刷新各個時標寄存器中的內(nèi)容，同時秒時標寄存器內(nèi)容加1，并檢查其他時標寄存器內(nèi)容是否有溢出，如有溢出則相應(yīng)進位日、月、年。另外一個功能是檢查三個時、分、秒報警

25、時標寄存器的內(nèi)容是否與對應(yīng)時標寄存器的內(nèi)容相符，如果相符則寄存器c中的af 位置“1”。如果報警時標寄存器的內(nèi)容為c0h至ffh之間的數(shù)據(jù)，則為不關(guān)心狀態(tài)。為了采樣時標寄存器中的數(shù)據(jù)，ds12887 提供了兩種避開更新周期內(nèi)訪問時標寄存器的方案：第一種是利用更新周期結(jié)束發(fā)出的中斷。它可以編程允許在每次更新周期結(jié)束后發(fā)生中斷申請，提醒cpu將有998ms左右的時間去獲取有效的數(shù)據(jù)，在中斷之后的998ms時間內(nèi)，程序可先將時標數(shù)據(jù)讀到芯片內(nèi)部的不掉電靜態(tài)ram中。因為芯片內(nèi)部的靜態(tài)ram 和狀態(tài)寄存器是可隨時讀寫的，在離開中斷服務(wù)子程序前應(yīng)清除寄存器c中的irqf 位。另一種是：利用寄存器a中的u

26、ip位來指示芯片是否處于更新周期。在uip位從低變高244s后，芯片將開始其更新周期，所以檢測到uip位為低電平時，則利用244s 的間隔時間去讀取時標信息。如檢測到uip 位為“1”，則可暫緩讀數(shù)據(jù)，等到uip 變成低電平后再去讀數(shù)據(jù)。2.3.2 80c51單片機結(jié)構(gòu)特點微型計算機的出現(xiàn)與發(fā)展已廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)中，使人們的日常生活工作都發(fā)生了重大變化，如果沒有微型計算機，人們的工作生活的質(zhì)量都受到很大的損失。單片微型計算機是微型計算機發(fā)展中的一個重要分支，其獨特的結(jié)構(gòu)與性能，越來越普及地應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域，以下主要介紹80c51單片機，它與微型計算機的區(qū)別是什么，單片機發(fā)展概況；它的

27、特點和應(yīng)用，通過對本節(jié)的學(xué)習(xí)，使大家對單片微型計算機有個初步的認識和了解。一、單片機的組成單片微型計算機簡稱單片機，它在一塊芯片上集成了各種功能部件：中央處理器（cpu）、隨機存取存儲器（ram）、只讀存儲器（rom）、定時器/計數(shù)器、和各種輸入/輸出（i/o）接口（如并行i/o口、串行i/o口和a/d轉(zhuǎn)換器）等。他們之間相互連接圖如2-6圖，構(gòu)成一個完整的微型計算機。圖2-6 單片機結(jié)構(gòu)框圖二、80c51單片機的引腳描述及片外總線結(jié)構(gòu)1.芯片的引腳描述chmos制造工藝的80c51單片機采用40引腳的雙列直插封裝（dip方式），在單片機的40條引腳中有2條專用于主電源的引腳，2條外接晶體的引

28、腳，4條控制與其它電源復(fù)用的引腳，32條輸入/輸出（i/o）引腳。下面按其引腳功能為四部分敘述這40條引腳功能。（1）電源引腳vcc和vss。其中：vcc（40腳）接+5v電壓。vss（20腳）接地。（2）接晶體引腳xtal1和xtal2。 xtal1（19腳）接外部晶體的一個引腳。在單片機內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。當(dāng)采用外部振蕩器時，對chmos單片機，此引腳作為驅(qū)動端。xtal2（18腳）接外部晶體的另一端。在單片機內(nèi)部，接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時，對chmos單片機，該引腳懸浮?？刂苹蚺c其他電源復(fù)用引腳rst/vpd、ale/

29、prog、psen和ea/vpp。（3）st/vpd（9腳）：當(dāng)振蕩器運行時，在此引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位。推薦在此引腳與vss引腳接一個約8.2k的下拉電阻，與vcc引腳之間連接一個約10uf的電容，以保證可靠地復(fù)位。（4）vcc掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保持內(nèi)部ram的數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng)vcc主電源下掉到低于規(guī)定的電平，而vpd在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)，vpd就向內(nèi)部ram提供備用電源。（5）ale/prog（30腳）：當(dāng)訪問外部存儲器時，ale（允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ale端仍以不變的頻率周期性地出現(xiàn)正脈沖信號，此頻率為振蕩

30、器頻率的1/6。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。然而要注意的是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ale脈沖。ale端可以驅(qū)動（吸收或輸出電流）8個ls型的ttl輸入電路。對于eprom型的單片機，在eprom編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖（prog）。（6）rsen（29腳）：此腳的輸出是外部程序存儲器的讀寫選通信號。在從外部程序存儲器取令（或常數(shù)）期間，每個機器周期兩次pesn有效。但在此期間，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的psen信號將不出現(xiàn)，psen同樣可以驅(qū)動（吸收或輸出）8個ls型的ttl輸入。（7）ea/vpp：當(dāng)ea端保持高電平時，訪問內(nèi)部程序存儲器，

31、但在pc（程序計數(shù)器）值超過0fffh時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程序，當(dāng)ea保持低電平時，則只訪問外部程序存儲器，不管是否有內(nèi)部程序存儲器，對于常用的80c51來說，無內(nèi)部程序存儲器，所以ea腳必須常接地，這樣才能只選擇外部程序存儲器。對于eprom型單片機，在eprom編程期間，此引腳也用于施加21伏的編程電源（vpp）。輸入/輸出i/o引腳p0、p1、p2、p3共32根。a)p0口（39腳32腳）：是雙向8位三態(tài)i/o口，外接存儲器時，與地址總線的低8位及數(shù)據(jù)總線復(fù)用，能以吸收電流的方式驅(qū)動8個lsttl負載。b)p1口（1腳8腳）：是8位準雙向i/o口由于這種接口輸出沒有高阻狀

32、態(tài)，輸入也不能瑣存，故不是 真正的i/o口。門口能驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個lsttl負載，對8052、8032，p1.0引腳的第二功能為t2定時/計數(shù)器的外部輸入，p1.1引腳的第二功能為t2ex捕捉、重裝觸發(fā)，即t2的外部控制端。對eprom編程和程序驗證時，它的接收低8位地址。c)p2口（21腳28腳）：是8位準雙向i/o口。在訪問外部存儲器時，它可以作為擴展電路高8位地址總線送出高8位地址，在對eprom編程和程序驗證期間，它的接收高8位地址。p2可以驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個lsttl負載。d)p3口（10腳17腳）：是8位準雙向i/o口，在80c51中，這8個引腳還用于專門功能，是

33、復(fù)用雙功能口，p3能驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個lsttl負載。作為第一功能用時，就作為普通的i/o口用，功能和操作方法與p1口相同。表6(標題內(nèi)容補全了，表格內(nèi)字體應(yīng)為5號子) 口線 引腳 第二功能 p3.0 10 rxd（串行輸入口） p3.1 11 txd（串行輸出口） p3.2 12 int0(外部中斷0) p3.3 13 int1(外部中斷1) p3.4 14 t0（定時器0外部輸入） p3.5 15 t1（定時器1外部輸入） p3.6 16 wr（外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖） p3.7 17 rd（外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖）值得強調(diào)的是，p3口的每一條引腳都可以獨立定義第一功能的輸入輸出或第二

34、功能。2.3.3 數(shù)字溫度傳感器ds18b20主要特性及測溫原理一線式數(shù)字溫度傳感器ds18b20是ds1820的更新?lián)Q代產(chǎn)品(由美國da iias公司生產(chǎn))。它具有體積小,分辨率高,轉(zhuǎn)換快等優(yōu)點。由于每片ds18b20 含有唯一的硅串行數(shù), 所以在一條總線上可以掛接多達248 218×1014只ds18b20,再加上ds18b20 獨特的單線總線結(jié)構(gòu),決定了ds18b20 特別適合于大型的多路溫度實時測控系統(tǒng)的溫度檢測。溫度實時測控集裝箱的設(shè)計, 在實現(xiàn)測控系統(tǒng)的溫度檢測方面就較好地利用了ds18b20 的獨到特點,使系統(tǒng)得到了極大的簡化。一、ds18b20的特性(1) 獨特的單線

35、接口方式。ds18b20 在i/o處理器連接時,僅需要一個i/o 口即可實現(xiàn)微處理器同ds18b20的雙向通訊。(2) ds18b20支持組網(wǎng)功能,多個ds18b20可以并聯(lián)在唯一的單線上,實現(xiàn)多點測溫。(3) ds18b20 的測溫范圍為: - 55+125,在-10+ 85時, 其精度為+ 015。(4) ds18b20的測溫結(jié)果的數(shù)字量位數(shù)從912位,可編程進行選擇。(5) ds18b20內(nèi)含寄生電源，器件既可以由單線總線供電,也可用外部的電源(310v515v )供電。數(shù)字化溫度傳感器ds1820測溫范圍為- 55+125 ，增量值為0.5 (9位溫度讀數(shù))，它主要由4個數(shù)據(jù)部件部分組

36、成：64位rom;溫度傳感器;非 易失性的溫度告警觸發(fā)器th 和tl；高速便箋存儲器64 位rom用于存儲序列號，其首字節(jié)固定為28h，表示產(chǎn)品類型碼，后6個字節(jié)是每個器件的編碼，最后1個字節(jié)是crc 校驗碼. 溫度告警觸發(fā)器th和tl 存儲用戶通過軟件寫入的報警上下限值，高速便箋存儲器由9個字節(jié)組成，其中有2個字節(jié)ram單元用來存放溫度值前1個字節(jié)為溫度值的補碼低8位，后1個字節(jié)為符號位和溫度值的補碼高3位。二、ds18b20 測溫原理ds18b20內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖,如圖2.3.3所示。2-7 ds18b20內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖ds18b20 的測溫原理：ds18b20 測量溫度采用了特有的溫度測量技術(shù)

37、，它是通過計數(shù)時鐘周期來實現(xiàn)的，內(nèi)部計數(shù)器對一個受溫度影響的振蕩器的脈沖計數(shù),低溫時,振蕩器的脈沖可以通過門電路。而當(dāng)?shù)竭_某一設(shè)置高溫時, 振蕩器的脈沖無法通過門電路。計數(shù)器設(shè)置為- 55。同時, 計數(shù)器復(fù)位在當(dāng)前的溫度值時, 電路對振蕩器的溫度系數(shù)進行補償, 計數(shù)器重新開始計數(shù)直到回零。如果門電路仍未關(guān)閉, 則系統(tǒng)重復(fù)上述過程。三、ds18b20的操作協(xié)議ds18b20單純通信功能是分時完成的。單線信號包括復(fù)位脈沖,響應(yīng)脈沖,寫“0”,寫“1”,讀“1”。它們有嚴格的時隙概念。系統(tǒng)對ds18b20的操作以rom命令(5個)和存儲器命令(6個)形式出現(xiàn)。對它的操作協(xié)議是： 初始化ds18b20

38、發(fā)復(fù)位脈沖)發(fā)rom功能命令處理數(shù)據(jù)發(fā)存儲器命令處理數(shù)據(jù)。各種操作都有相應(yīng)的時序圖。ds18b20在使用時，一般都采用單片機來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。只需將ds18b20 信號線與單片機1位i/o線相連，且單片機的1位i/o線可掛接多個ds18b20，就可實現(xiàn)單點或多點溫度檢測。ds18b20傳感器精度高、互換性好;它直接將溫度數(shù)據(jù)進行編碼，可以只使用一根電纜傳輸溫度數(shù)據(jù)，通信方便，傳輸距離遠且抗干擾性好：與用傳統(tǒng)溫度傳感器組成的多點測溫系統(tǒng)相比可節(jié)省大量電纜，而且系統(tǒng)得以簡化，系統(tǒng)擴充維護十分方便。ds18b20 可以廣泛用于工廠工業(yè)過程、大型糧倉、釀酒廠，食品加工廠的溫度檢測以及賓館、儀器儀表室等處

39、的溫度檢測和控制。 第四章 控制器的軟件設(shè)計第三章：太陽能熱水器硬件設(shè)計3.1.太陽能控制器硬件結(jié)構(gòu)根據(jù)控制要求，采用80c51單片機的智能控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由于本系統(tǒng)運算量不是很大， 沒有太多的中間數(shù)據(jù)需要處理、保存，因此不再外擴數(shù)據(jù)存儲器。僅使用80c51 內(nèi)部ram已完全能夠滿足要求。系統(tǒng)的硬件接口電路包括：控制器實時時鐘接口電路，蓄水箱溫度和水位檢測接口電路、設(shè)定鍵和串行顯示接口電路、看門狗和復(fù)位接口電路以及繼電器輸出接口電路等。 圖3-1 太陽能控制器硬件結(jié)構(gòu)圖3.2. 控制器實時時鐘接口電路為實現(xiàn)熱水器24小時供應(yīng)熱水的目的，控制器必須有一個實時時鐘來為系統(tǒng)提供準確的基準時

40、間；在軟件設(shè)計上則要實時地讀出當(dāng)前時間，同設(shè)定時間比較，以決定系統(tǒng)工作狀態(tài)。本系統(tǒng)采用美國dalla s半導(dǎo)體公司最新推出的時鐘芯片ds12887，該芯片采用cmos 技術(shù)，把時鐘芯片所需的晶振和電池以及相關(guān)的電路集成到芯片內(nèi)部，并與mc146818管腳完全兼容。ds12887芯片具有微功耗、外圍接口簡單、精度高，工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。它與80c51單片機的接口電路見下圖3-2。 8 +5v 5.1k +5v 1k c 圖3-2 ds12887與單片機接口電路模式選擇腳mot接地， 選擇in tel時序。ds12887 的高位地址用80c51 的p2.4 選擇，則時鐘芯片的高8位地址為efh，而

41、其低8 位地址則由芯片內(nèi)部各單元的地址來決定(00h80h)，ds12887 的中斷輸出端irq 接上拉電阻，同80c51中斷線in to相連，為單片機提供中斷信號。sqw端口編程為2hz方波輸出，經(jīng)二分頻后，驅(qū)動兩個led發(fā)光二極管作為時鐘的秒閃爍顯示。3.3 水位檢測和溫度檢測接口電路蓄水箱水位和溫度檢測部分是實現(xiàn)溫度智能控制的重要環(huán)節(jié)，只有準確地檢測出水位和溫度，才能通過軟件計算提前開始輔助加熱的預(yù)加熱時間。要實現(xiàn)輔助加熱提前時間的精確計算，最好是采用連續(xù)液位傳感器，但考慮系統(tǒng)成本，本設(shè)計仍采用分段式液位傳感器(通過軟件來提高精度)，在水位顯示上也仍采用分段顯示。水位檢測部分的硬件連接如

42、圖3-3所示。（格式）圖3-3 水位監(jiān)測及顯示接口電路 檢測原理如下：當(dāng)水箱中無水時，8個非門均由1m歐姆電阻上拉成高電平， 所以圖中各“非”門(cd4069) 輸出均為低電平，led1 led8 均不亮。當(dāng)水位高于“非”門1 的輸入探針時，由于水的導(dǎo)電作用，使“非”門1 的輸入變?yōu)榈碗娖剑云漭敵鲎優(yōu)楦唠娖?，led點亮，依此類推。隨著水位的上升，各“非”門輸出相繼為高電平，led依次點亮。這里要注意的是上拉電阻不能選擇太小，因為水的電阻在100k8 左右，所以上拉電阻選擇太小的話，將在水位升高時，無法把“非”門輸入端拉成低電平。實驗表明， 上拉電阻選擇在500k1m歐姆左右能很好地滿足電路

43、的工作要求。為了使80c51 隨時能夠讀出當(dāng)前的水位情況，這里選用74l s244 作為狀態(tài)輸入緩沖器。蓄水箱溫度檢測電路采用ds18b20芯片使其換成脈沖信號，送到80c51的i/o 口(編程為計數(shù)器工作模式)，通過測量輸出脈沖頻率的大小來換算成水溫高低信號。3.4 看門狗和復(fù)位接口電路的設(shè)計控制器的看門狗電路由兩級74ls123芯片組成。用p1.7作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時脈沖發(fā)生端，當(dāng)p1.7 口線超過一定時間不對74ls123發(fā)正脈沖時，系統(tǒng)將自動復(fù)位（附錄）3.5 鍵盤和顯示接口電路的設(shè)計3.5.1 鍵盤電路 下圖為80c51單片機p1口構(gòu)成的中斷方式4*4鍵盤電路。p1.0-p1.3為

44、行線，p1.4-p1.7為列線，行線與4輸入與門74hc21的一組輸入端相連，輸出端與外部中斷int1相連。16個鍵號ki（i=0-15）次序如圖中標注。 時 鐘 int1 74hc2110k*4vcc p1.0 a b c d p1.1 p1.2 p1.3復(fù) 位、 p1.4 p1.5 p1.6 p1.7 80c51圖3-4 80c51 p1口構(gòu)成的4*4中斷方式鍵盤 行列式鍵盤處理程序較為復(fù)雜，當(dāng)有鍵按下時74hc21輸出端出現(xiàn)低電平請求中斷；在中斷服務(wù)程序中要再次確認是否真有鍵按下，真有鍵按下時，再查出是哪個鍵按下，把該鍵的鍵號送入堆棧保護，等待鍵釋放后再將鍵號彈出a中。該鍵盤輸入處理程序

45、的出口狀態(tài)是鍵號在a中。設(shè)計中斷程序時，先在主程序中將中斷系統(tǒng)初始化，并開中斷。在試驗演示中通常開中斷都設(shè)置循環(huán)等待。3.5.2 顯示接口電路的設(shè)計鍵盤和顯示電路是人機交互的重要手段?？刂奇I是用戶干預(yù)系統(tǒng)運行的唯一接口，也是用戶比較關(guān)心的問題。為了實現(xiàn)控制器對時間與溫度的設(shè)定及顯示功能，串行顯示電路采用串入并出芯片74ls164驅(qū)動4位數(shù)碼管實現(xiàn)時間與溫度的靜態(tài)顯示。該電路只使用80c51的3個端口，配接4片串入并出移位寄存器74ls164 與1片三端可調(diào)穩(wěn)壓器lm317t。其中74ls164 的引腳q0q7為8位并行輸出端;引腳a、b 為串行輸入端;引腳clk為時鐘脈沖輸入端，在clk 脈沖

46、的上升沿作用下實現(xiàn)移位，在clk = 0 、清除端mr =1時，74ls164保持原來數(shù)據(jù)狀態(tài);mr =0 時，74ls164輸出清零，其顯示電路如3-5圖。圖3-5 串行口擴展的4位led顯示電路其工作過程如下:80c51的串行口設(shè)定在方式0移位寄存器狀態(tài)下，串行數(shù)據(jù)由p3.0發(fā)送，移位時鐘由p3.1 送出。在移位時鐘的作用下，串行口發(fā)送緩沖器的數(shù)據(jù)一位一位地移入74ls164中。4片74ls164 串級擴展為4個8 位并行輸出口，分別連接到4個led顯示器的段選端作靜態(tài)顯示。需要指出的是，由于74ls164 無并行輸出控制端，因而在串行輸入過程中，其輸出端的狀態(tài)會不斷變化，造成不應(yīng)顯示的字

47、段仍有較暗的亮度，影響了顯示的效果。以往的做法是在74ls164 的輸出端加接4片鎖存器或三態(tài)門，使移位寄存器串行輸入數(shù)據(jù)時其輸出端的變化不反映到led上，待串行輸入結(jié)束后再打開鎖存器或三態(tài)門，將穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)送給led。 本設(shè)計電路的獨特之處在于僅采用了1片三端可調(diào)穩(wěn)壓器lm317t，317t 的3、2 腳分別是電壓輸入、輸出端，317t 的1腳是電壓調(diào)整端，腳2輸出電壓隨腳1電壓而變化。腳1與接地電阻之間并一個npn 三極管，它的基極受p1.7 口線控制，串行輸入時p1.7 口線為高電平，三極管飽和導(dǎo)通使317t 的腳1約為0.3 v，腳2輸出電壓隨之下降到1.5 v，不足以使共陽極led

48、發(fā)光，故此時串行輸入的影響不會反映到led上；串行輸入結(jié)束后，使p1.7口線為低電平，三極管截止，腳2輸出電壓因腳1電壓增高便上升到2.0v使led正常發(fā)光。因此，1片三端可調(diào)穩(wěn)壓器lm317t起到了4片鎖存器的作用使led 顯示不會閃爍。本電路的另一優(yōu)點是通過可調(diào)電位器p1可在線調(diào)整腳2的輸出電壓，使led的顯示亮度均勻可調(diào)，而且省掉了大量的led限流電阻。3.6 光電隔離與輔助加熱電路設(shè)計 vcc vcc vcc r5p2.1 k t1 r1 r2 r3 r4 led t2 gnd r6圖3-6 輔助加熱電路圖上圖為太陽能熱水器光電隔離與輔助加熱電路設(shè)計。當(dāng)室外光強不足（陰天、下雨）時，對

49、水箱的水提前加熱是很必要的，這一電路恰好能完成這一功能。工作原理：當(dāng)單片機80c51p2.1口輸出高電平時，三極管t1導(dǎo)通，致使發(fā)光二極管發(fā)光，同時光敏三極管t2導(dǎo)通，繼電器閉合，電阻絲r1r4發(fā)熱，這樣就完成了加熱任務(wù)，此電路雖然簡單，但在太陽能熱水器中是必不可少的。第四章：控制器的軟件設(shè)計4.1 主程序設(shè)計熱水器不論在什么樣的天氣里，都能夠在設(shè)定的時間向用戶提供設(shè)定溫度的熱水，從而給用戶帶來便利。當(dāng)控制器在設(shè)定的時間使水溫達到設(shè)定溫度時，將通過聲光報警提醒用戶。根據(jù)這一要求，控制器軟件設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括主程序、鍵盤中斷子程序、ds12887更新周期結(jié)束中斷子程序、led顯示子程序和提前加熱時間計算子程序等。系統(tǒng)主程序主要完成溫度和水位的檢測以及進行輔助加熱時間預(yù)算和一