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太阳能热水器控制毕业设计论文
中华人民共和国教育部
毕业设计
论文题目：
太阳能热水器中央控制器的设计和实现
学生：
指导教师：
学院：
专业：
2007年6月
摘要
当今计算机技术在飞速发展，微机使用日益普及深入，微机在通信自动化、工业自动控制、电子测量、信息管理和信息系统等方面得到广泛的使用。
嵌入式计算机系统是以使用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应使用系统对功能，可靠性，成本，体积，功效等严格要求的专业计算机系统。
其最初使用是基于单片机的。
单片机小巧灵活，成本低，易于产品化。
它面向控制，能针对性的解决从简单到复杂的各种控制任务。
目前，国内的太阳能热水器还处于研发阶段，这种控制器只具有温度和水位的显示功能，不具有温度控制功能。
由于加热时间不能控制而导致过烧，从而浪费大量电能。
本设计是以89c51单片机为检测控制中心，采用ds12887实时时钟，实现了温度，水位，时间三种参数的实时显示功能。
关键词：
单片机；太阳能热水器；智能控制；水位；温度；时间；
TheDesignandrealizationoftheSolar-poweredwaterheater’scentralcontroller
Abstract
Todaythecomputertechnologyisdevelopedquickly.Themicrocomputerisincreasinglyusedwidely.
摘要
Abstract
第1章绪论………………………………………………………………1
1.1目前太阳能热水器的研发面临的问题……………………………1
第二章系统总体设计方案………………………………………………2
2.1系统任务和功能……………………………………………………2
2.2AT89C51功能和特点………………………………………………3
2.3通用四运算放大器LM324…………………………………………5
2.3.1LM324作反相交流放大器……………………………………6
2.3.2LM324作测温电路……………………………………………6
2.4DS18B20数字式温度传感器………………………………………7
2.4.1DS18B20和单片机的典型接口设计…………………………8
2.5锁存器LM373……………………………………………………10
2.6I/O接口电路8255A……………………………………………11
第三章太阳能热水器中央控制器的硬件设计…………………………14
3.1前端的模拟电路设计……………………………………………14
3.1.1温度传感器的选用…………………………………………16
3.1.2DS18B20和单片机的典型接口……………………………16
3.28255A和单片机的典型接口设计………………………………17
3.2.1ADC0809和89C51单片机的接口设计……………………17
3.3键盘和显示器接口设计…………………………………………18
3.3.1键盘工作原理………………………………………………18
3.3.2LED显示器工作原理………………………………………20
3.3.3接口芯片的选择及其原理…………………………………20
3.4单片机复位电路的设计…………………………………………22
3.5单片机时钟电路的设计…………………………………………24
3.6系统原理综述……………………………………………………25
第四章太阳能热水器中央控制器的软件设计…………………………27
4.1系统总体软件设计………………………………………………27
4.2数据采集软件设计………………………………………………27
4.2.1中断服务子程序…………………………………………27
4.2.2水位检测子程序…………………………………………29
4.3显示和键盘软件设计…………………………………………30
4.3.1动态显示子程序设计……………………………………30
4.3.2键盘子程序设计………………………………………32
第五章抗干扰技术设计………………………………………………34
5.1主要抗干扰技术………………………………………………34
5.2提高系统抗干扰能力的主要方法……………………………34
第六章结论……………………………………………………………37
参考文献
附录
致谢
太阳能热水器中央控制器的设计和实现
第一章绪论
当今计算机技术在飞速发展，微机使用日益普及深入，微机在通信自动化、工业自动控制、电子测量、信息管理和信息系统等方面得到广泛的使用。
嵌入式计算机系统是以使用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应使用系统对功能，可靠性，成本，体积，功效等严格要求的专业计算机系统。
其最初使用是基于单片机的。
单片机小巧灵活，成本低，易于产品化。
它面向控制，能针对性的解决从简单到复杂的各种控制任务。
单片机具有体积小，功耗低，价格便宜等优点，近年来还开发了一些以单片机母片为核，在片中嵌入更多的专用型单片机，因此单片机在计算机控制领域中使用越来越广泛。
单片机的使用意义不仅限于它的广泛及所带来的巨大的经济效益。
更重要的是在于单片机的使用正是从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。
从前必须由模拟电路或数字电路实现的大部分功能，现在已能使用单片机通过软件的方法实现。
这种以软件取代硬件并提高系统性能的控制技术，称之为微控制技术。
微控制技术标志着一种全新概念的出现，是对传统控制技术的一次革命。
随着单片机使用的推广和普及，微控制技术必将不断发展，日益完善。
作为目前炙手可热的太阳能热水器，以其智能化和人工化为其显著特点。
其中就是以单片机为中央处理器核心，完成了诸多的功能，发挥了至关重要的作用。
1.1目前太阳能热水器的研发面临的问题
太阳能热水器使用方便，节能，无污染，普及推广迅速。
目前市场上太阳能热水器的控制系统大部分都存在着或多或少的缺点:
功能单一、操作复杂、控制不方便等。
随着人们生活水平的提高和电子技术的发展,这样的太阳能热水器控制系统越来越不适应人们的生活需求,开发一种控制方便,操作灵活的太阳能热水器的控制系统,已经成为当务之急。
本文设计了一种以单片机AT89C51为核心,显示直观,操作方便,控制灵活的控制器。
第二章系统总体方案设计
随着计算机在各种智能控制系统使用中的不断深入和蓬勃发展,单片机更以其小巧的外形、较高的性价比、灵活的控制方式广泛地使用在这一领域。
文章所介绍的太阳能热水器自动控制系统,将低价位的单片机引入太阳能热水器中,以单片机作为核心部件,实时采集温度和水位数据,并设置报警系统，当水位不符合某一标准时发出报警信号，还有定时提醒加水的电路。
本系统实现了多重功能的有机结合和智能控制。
2.1系统任务和功能
（1）多点水温水位输入及显示功能。
（2）辅助能源加热控制功能:
定时加热、自动加热控制。
（3）上水控制功能:
自动上水、定温上水控制。
（4）报警控制功能:
高、低温及高、低水位报警控制。
（5）检测控制功能:
手动输出检查。
图一系统结构图
2.2AT89C51结构和特点
AT89C51采用美国ATMEL公司生产的高性能八位单片机。
内置2KBEPROM的20脚AT89C2051以及内置1KBEPROM的20脚AT89C1051。
AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器
AT89C51结构和功能：
1．特点：
·AT89C51和MCS51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；
·片内有4K字节在线可重复编程快擦写程序存储器；
·全静态工作，工作范围：
0Hz～24MHz；
·三级程序存储器加密；
·128×8位内部RAM；
·32位双向输入输出线；
·两个十六位定时器/计数器；
·五个中断源，两级中断优先级；
·一个全双工的异步串行口；
·间歇和掉电工作方式。
2．管脚功能：
AT89C51单片机为40引脚芯片如图2-2所示。
1）I/O口线：
P0、P1、P2、P3共四个口P0口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。
P0口也用以输出外部存储器的低8位地址。
由于是分时输出，故应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址锁存信号用ALE的P1口是专门供用户使用的I/O口，是准双向口。
P2口是从系统扩展时作高8位地址线用。
不扩展外部存储器时，P2口也可以作为用户I/O口线使用，P2口也是准双向口。
P3口是双功能口，该口的每一位均可独立地定义为第一I/O功能或第二I/O功能。
作为第一功能使用时操作同P1口。
P3口的第二功能如表2-1所示。
2）控制口线：
PSEN（片外取控制）、ALE（地址锁存控制）、EA（片外储器选择）、RESET（复位控制）。
3）电源及时钟:
VCC、GND、XTAL1、XTAL2。
AT89C51有间歇和掉电两种工作模式。
间歇模式是由软件来设置的，当外围器件仍然处于工作状态时，CPU可根据工作情况适时地进入睡眠状态，内部RAM和所有特殊的寄存器值将保持不变。
这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。
掉电模式是VCC电压低于电源下限，振荡器停振，CPU停止执行指令。
该芯片内RAM和特殊功能寄存器值保持不变，直到掉电模式被终止。
只有VCC电压恢复到正常工作范围而且在振荡器稳定振荡后，通过硬件复位掉电模式可被终止。
图2-2AT89C51管脚图
表2-1P3双功能口功能表
第一功能标记
第二功能
P3.0
RXD
串行输入口
P3.1
TXD
串行输出口
P3.2
INT0
外部中断0输入
P3.3
INT1
外部中断1输入
P3.4
T0
定时/计时器0外部输入
P3.5
T1
定时/计时器0外部输入
P3.6
WD
外部数据存储器写选通
P3.7
RD
外部数据存储器读选通
89C51单片机的中断系统有5个中断请求源，用户可以用软件屏蔽所有的中断请求，也可以用软件使CPU接收中断请求，每一中断源可用软件独立地控制为开中断或关中断。
当所有中断源设为开中断时，89C51中的中断源优先级如表2-2所示：
表2-2中断优先级及入口地址
中断源
优先级
人口地址
外部中断0
1
0003H
定时器/计数器T0
2
000BH
外部中断1
3
0013H
定时器/计数器T0
4
001BH
串行口中断
5
0023H
2.3通用四运算放大器LM324
LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装,外形如图所示。
它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。
每一组运算放大器可用图2.1所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。
两个信号输入端中,Vi-（-）为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号和该输入端的位相反;Vi+（+）为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号和该输入端的相位相同。
LM324的引脚排列见图2.2
（图表2.1）（图表2.2）
2.3.1LM324作反相交流放大器
电路见附图2.11。
此放大器可代替晶体管进行交流放大,可用于扩音机前置放大等。
电路无需调试。
放大器采用单电源供电,由R1、R2组成1/2V+偏置,C1是消振电容。
（图2.11）
放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻Ri、Rf决定：
Av=-Rf/Ri。
负号表示输出信号和输入信号相位相反。
按图中所给数值,Av=-10。
此电路输入电阻为Ri。
一般情况下先取Ri和信号源内阻相等,然后根据要求的放大倍数在选定Rf。
Co和Ci为耦合电容。
2.3.2LM324使用作测温电路
感温探头采用一只硅三极管3DG6，把它接成二极管形式。
硅晶体管发射结电压的温度系数约为-2.5mV/℃，即温度每上升1度，发射结电压变会下降2.5mV。
运放A1连接成同相直流放大形式，温度越高，晶体管BG1压降越小，运放A1同相输入端的电压就越低，输出端的电压也越低。
图2.21
这是一个线性放大过程。
在A1输出端接上测量或处理电路，便可对温度进行指示或进行其它自动控制。
2.4DS18B20数字式温度传感器
DS18B20内部结构图3.3所示，主要由4部分组成：
64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。
DS18B20的管脚排列如图3.4所示，DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地，见图3.9）。
图3.3DS18B20内部结构
图3.4DS18B20封装形式
2.41DS18B20和单片机的典型接口设计
DS18B20、DS1822“一线总线”数字化温度传感器是DALLAS最新单线数字温度传感器，同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。
DS1822的精度较差为±2°C。
现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。
适合于恶劣环境的现场温度测量，和前一代产品不同，新的产品支持3V~5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。
而且新一代产品更便宜，体积更小。
2.5锁存器74LS373
74LS373是一种8D锁存器，具有三态驱动输出，其引脚电路图如下：
.
引脚图中Dn----输入端；Qn-----输出端；
、LE为控制端，该片如何工作由功能表定，表中L为低电平、H为高电平、Z为高阻抗（相当开路）×为任意电平，一般将
接低电平，LE接ALE就能正常工作。
2.6I/O接口电路8255A
（1）总线接口部分
/CS——
A1、A0——
/RD——
/WR——
片选线
端口选择线（选片内四个端口寄存器）
读信号线
写信号线
输入
（2）内部逻辑部分
（3）外设接口部分
可由编程决定三个端口的功能
输入
输出
其它
A口
8位锁存/缓冲
8位锁存
双向
B口
8位锁存/缓冲
8位锁存
C口
8位锁存/缓冲
8位锁存
可分成两组分别作A口、B口的选通联络线
2、8255A的端口操作
A1
A0
选中
0
0
PA口
0
1
PB口
1
0
PC口
1
1
控制寄存器
二、8255A的工作方式及方式选择
1、8255A的工作方式
（1）方式0——基本输入/输出方式
A口、B口、C口均有此方式，无选通，是单片机和外部设备之间的直接数据通道。
（2）方式1——选通输入/输出方式
仅PA口、PB口有此方式，PC口中若干位作联络信号线。
各联络信号线的意义：
/STB——
IBF——
INTR——
INTE——
/OBF——
/ACK——
输入选通信号，外设发来。
输入缓冲器满信号，发给外设（通知外设数据未被取走，暂不能接收新数据）
中断请求信号，外部设备发给单片机
中断允许信号
输出缓冲器满信号，发给外设（单片机将数据已送到指定口，外部设备可以取走）
外设响应信号，由外部设备发来（数据已送到外部设备）
（3）方式3——双向方式
仅PA口有此方式。
PC3~PC7作联络线
此时，PB口可以是方式0；也可以是方式1（PC0~PC1作联络线）。
2、8255A的方式控制字
用编程方法向8255A的控制口写控制字，可决定它的工作方式。
有两个控制字：
（1）方式选择控制字
“1”——方式控制标志位
D6、D5——决定A组的工作方式，00——方式0
01——方式1
1×——方式2
D4——A口的传输方向，1——入，0——出。
D3——PC7~PC4的传输方向，1——入，0——出。
D2——决定B组的工作方式，0——方式0，1——方式1。
D1——B口的传输方向，1——入，0——出。
D0——PC3~PC0传输方向，1——入，0——出。
（2）PC口置位/复位控制字
“0”——标志位。
D6、D5——不使用位。
D3、D2、D1——位选择位，000~111分别对应PC7~PC0。
D0——位状态位，1——置位，0——复位。
3太阳能热水器中央控制器的硬件设计
3.1前端模拟电路设计
3.1.1温度传感器选用
本系统采用接触式温度传感器DS18B20。
DS18B20、DS1822“一线总线”数字化温度传感器是DALLAS最新单线数字温度传感器，同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55°C~+125°C，在-10~+85°C范围内,精度为±0.5°C。
DS1822的精度较差为±2°C。
3.1.2DS18B20和单片机的典型接口设计
可以采用外接电源和寄生电源供电（就是供电电源从数据线上得到）：
图3.8外接电源供电
图3.9寄生电源供电
3.28255A和单片机的接口电路设计
3.2.1ADC0809和89C51单片机的接口设计
ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。
89C51和ADC0809接口电路图如图3-3所示。
将ADC0809作为外扩的并行I/O口，由P2.7和WR端的脉冲同时有效时启动A/D转换，通道选择端和A、B、C分别和地址线A0、A1、A2相连。
其端口地址为7FF8H—7FFFH。
A/D转换结束后，EOC向89C51的INT1端输入一个高电平，既向单片机产生一个外部中断1信号。
.
图3-3ADC0809和89C51的中断方式原理图
3.3键盘和显示器接口设计
3.3.1键盘工作原理[3]
键盘在单片机使用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。
键盘输入应解决的问题
1．键盘输入的特点
键盘的实质是一组开关的集合。
3．键盘接口的工作原理
常见的键盘接口分为独立式键盘接口和矩阵式键盘接口两种。
本系统采用矩阵式键盘接口。
图3-4矩阵式4*4键盘原理图
1）矩阵式键盘接口的工作原理
按键设置在行、列线的交叉点上，行、列线分别连接开关的两端。
行线通过上拉电阻接到正+5V。
平时无按键时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态键由此行线相连的列电平决定。
列线如果为低电平，这行线电平为低；列线电平如果为高，则行线电平也高。
这是识别矩阵键盘按键是否被按下的关键所在。
由于矩阵键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该键所在的电平。
因此各按键彼此间互相发生影响，所以必须将行、列线信号配合起来并作适当的处理，才能确定闭合键的位置。
3.3.3键盘/显示电路
系统键盘显示接口采用8279芯片，用硬件完成键盘和显示器扫描[4]。
键盘由0-9数字键，报警值设定键，时钟设定键，左位移键，确认键，运行键等组成，采用4×4键盘。
用户可以通过键盘完成人机接口的各种操作。
键盘以中断方式工作。
当有按键时，8279申请中断CPU响应中断后转入键盘监控处理程序。
显示器采用4个LED数码管，系统检测数据经AT89C51单片机处理后通过I/O口送到驱动电路
8279和单片机AT89C51的硬件接口电路图如图3-13所示。
8279芯片外接4×8键盘和4位显示器，工作于4位显示和键盘输入工作方式，均为编码扫描，其组成可分为三个部分：
图3-68279芯片和单片机AT89C51的硬件接口电路图
1．显示接口：
由4个7段LED显示器组成。
SL0-SL2经74LS138
（1）译码低四位扫描控制位选口，显示字符的段选码由8279芯片的一个4位输出口OUB0-3同步输出实现，并且经74LS06非门轮流驱动7段LED显示器。
消隐显示信号输出
线和74LS138
（1）的使能端E3相连，当显示功换时,
输出低电平关闭74LS138
（1），从而达到显示消隐的目的。
2．键盘接口：
16个键排成4行4列的矩阵。
8279工作于键盘输入方式，4根列扫描线由SL0-SL7经74LS138
（2）译码获得，只用其中的四根，4根行信号线由RL0，RL1，RL2，RL3引入。
由于8279的输入线RL0-RL7内部有上位电阻，当无键按下时均为高电平，而当有键按下时则被键盘上的按键拉成低电平，该键的行、列号信息被读人FIFORAM缓冲器中。
同时8279的中断请求信号IRQ为高电平，可向CPU申请中断，读取键值代码。
3．8279和AT89C51的接口：
在硬件连线图中，单片机AT89C51的P2.7脚经反向器接片选信号CS。
8279的A0端用于控制读写命令/状态和数据，A0和地址锁存器74LS373输出的最低位地址线AB0相接，所以8279的数据口地址为8FFEH，命令/状态口地址为8FFFH。
8279的CNTL、SHIFT引脚接地。
3.4单片机复位电路的设计
复位是单片机的初始化操作。
其主要功能是把程序计数器PC值初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键重新启动单片机。
RST引脚是复位信号的输入端，高电平有效，其有效时间应持续24个震荡周期（即两个机器周期）以上。
若使频率为6MHZ的晶振，则复位信号持续时间超过4μs才能完成复位操作。
复位操作由上电复位和按键手动复为两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图3-7所示。
只要电源VCC的上电时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的复位初始化。
按键手动复位分为电平方式和脉冲方式两种。
其中，电平复位是复位端通过电阻和Vcc电源接通而实现的。
脉冲复位是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。
在计算机测控系统中，为了保证微处理器稳定而可靠地运行，需要配置电压监控电路；为了实现掉电数据保护，需备用电池及切换电路；为了使微处理器尽快摆脱因干扰而陷入的死循环，需要配置看门狗电路，将完成这些功能的电路集成在一起的芯片中称为微处理器监控器。
图3-7单片机系统复位电路
在单片机系统中，为了摆脱“死循环”通常采用“看门狗技术”也就是程序监控技术。
“看门狗”技术就是不断监视程序循环运行时间，若发现时间超过已知的循环设定时间，则认为系统陷入了“死循环”，。
本系统采用美国MAXIM公司的处理器监控器MAX690A完成硬件“看门狗”电路。
MAX690A具有以下功能：
（1）在微处理器上电、掉电及低压供电时，产生一个复位输出信号。
（2）具有备用电池切换电路，备用电池可供给其他低功耗逻辑电路。
（3）具有看门狗电路，该电路的触发脉冲时间间隔超过1.6s时，将产生一个
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