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2系统硬件设计

2.1系统总体设计结构

太阳能热水器控制器主要由温度水位数据采集模块、单片机控系统。

本次设计选用的是AT89C52单片机作为核心控制器，组成热水器微控制系统。

传感器采用的是单片集成两端感温电流源DS18B20温度传感器，用于检测水温，并负责将检测到的水压转换成0～5V的模拟信号，然后通过ADC0832模数转换器把检测到的温度电压信号转换成数字信号，一方面由单片机AT89C52完成最终完成太阳能热水器控制器的控制功能，另一方面通过LED显示当前温度和水位值，另外一方面与温度和水位设定值进行比较、运算，根据结果发出相应的上水、加热指令，对热水器的温度和水位进行控。

2.2温度检测电路

温度检测部分是实现温度智能控制的重要环节,只有准确地检测出温度,才能通过软件实现辅助加热。

其性能的好坏直接影响系统的性能，对于温度检测,目前比较理想的是集成温度传感器DS18B20，因此温度传感器采用是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源DS18B20。

DS18B20温度传感器是一种已经IC化的温度感测器，它会将温度转换为电流，在单片机的各种课本中经常看到。

其规格如下：

（1）温度每增加1℃,它会增加1μA输出电流；

（2）可测量范围-55℃至125℃；

（3）供电电压范围+3V至+5V。

AD590的管脚图及元件符号如2.2所示：

图2.2DS18B20的管脚图及元件符号

DS18B20的输出电流值说明如下：

其输出电流是以绝对温度零度（-273℃）为基准，每增加1℃，它会增加1μA输出电流,因此在室温25℃时，其输出电流Iout=（273+25）=298μA。

2.2.1DS18B20的主要特性

（1）适应电压范围更宽，电压范围：

3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；

（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；

（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；

（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；

（5）温范围－55℃～+125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃；

（6）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温；

（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；

（8）测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；

（9）负压特性：

电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

2.2.2DS18B20工作原理

图2.3DS18B20测温原理图

DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。

DS18B20测温原理如图2.3所示。

图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。

高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。

计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。

计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

2.2.3DS18B20引脚定义

（1）DQ为数字信号输入/输出端；

（2）GND为电源地；

（3）VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。

2.3水位检测电路A/D转换

ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。

由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。

ADC0832特点：

逐次逼近式A/D转换器；双通道A/D转换；输入输出电平与TTL/CMOS相兼容5V电源供电时输入电压在0~5V之间；工作频率为250KHZ，转换时间为32μS；一般功耗仅为15mW；8P、14P—DIP（双列直插）、PICC多种封装。

芯片接口说明：

CS_片选使能，低电平芯片使能；

CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用；

CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用；

GND芯片参考0电位（地）；

DI数据信号输入，选择通道控制；

DO数据信号输出，转换数据输出；

CLK芯片时钟输入；

Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）。

2.3.1ADC0832工作原理

ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。

但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。

当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。

当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。

此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。

在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。

在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能。

图2.4为ADC0832管脚图

图2.4ADC0832管脚图

2.4单片机控制系统

单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SOC三大阶段。

第一阶段：

SCM即单片微型计算机（SingleChipMicrocomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。

“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。

第二阶段：

MCU即微型控制器（MicroControllerUnit）阶段，不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。

第三阶段：

单片机是嵌入式系统的独立发展之路，寻求应用系统在芯片上的最大化是MCU阶段发展的重要因素。

随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SOC的单片机应用系统设计会有较大的发展。

因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。

它不仅具有8031单片机的一切功能，还有许多功能是8031所没有的。

其内部带有8KB可多次擦写的FLASH内部程序存储器，可用电擦除，十分方便。

2.4.1AT89C52的主要特性　　

AT89C52单片机主要有以下一些特点：

（1）与MCS-51产品兼容；

（2）具有8KB可改写的FLASH内部程序存储器，可进行1000次擦/写操作；

（3）全静态操作：

0Hz到24MHz；

（4）三级程序存储器加密；

（5）256字节内部RAM；

（6）、32条可编程I/O线；

（7）3个16位定时/计数器；

（8）8个中断源；

（9）可编程串行口；

（10）低功耗空闲和掉电方式。

2.4.2AT89C52的引脚说明　

AT89C52包括40个引脚，其引脚结构如图2.5所示。

图2.5AT89C52外部管脚排列图

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

P1口：

P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

与AT89C51不同之处是，P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），

表2.1为P1.0和P1.1的第二功能

引脚号

功能特性

P1.0

T2，时钟输出

P1.1

T2EX（定时/计数器2）

P2口：

P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对端口P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。

P3口：

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。

P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。

对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。

P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是第二功能。

表2.2为P3口引脚第二功能。

引脚号

第二功能

P3.0

RXD（串行输入）

P3.1

TXD（串行输出）

P3.2

（外部中断0）

P3.3

（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0外部输入）

P3.5

T1（定时器1外部输入）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器写选通）

RST：

复位输入。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。

ALE/PROG：

当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。

PSEN：

程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。

在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。

EA/VPP：

外部访问允许。

欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。

2.4.3振荡特性

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出，该反向放大器可以配置为片内振荡器，石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

XTAL1：

振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

2.4.4最小系统应用电路

单片机的最小应用系统电路指的是它可以正常工作的最简单电路组成。

AT89C52单片机的最小应用系统电路图如图2.6所示。

该系统中包含4个电路部分。

图2.6A89C52单片机最小应用系统电路

（1）供电电路，引脚VCC（引脚40）接+5V电源，引脚GND（引脚20）接地线。

为提高电路的抗干扰能力，一个0.1μF（器件标注为104）的瓷片电容和一个10μF的电解电容通常被接在引脚VCC和接地线之间。

（2）程序存储器选择电路，Atmel公司生产的8052兼容芯片具有多种容量的内部程序存储器的型号，因此在使用中不需要再扩展外部程序存储器，这样在单片机应用电路中引脚

（引脚31）可以总是接高电平。

（3）时钟电路，AT89C52芯片的时钟频率可以在0～33MHz范围。

单片机内部有一个可以构成振荡器的放大电路。

在这个放大电路的对外引脚XTAL2（引脚18）和XTAL1（引脚19）接上晶体和电容就可以构成单片机的时钟电路。

图3-3所示的时钟电路由晶体CRY和电容C2与C3组成。

单片机的时钟频率取决于晶体CRY的频率，如果采用面包板来组装单片机应用电路，晶体CRY的推荐值为12MHz以下。

电容C2与C3的取值范围为30pF～50pF。

时钟电路采用晶体的目的是提高时钟频率的稳定性。

（4）复位电路，对于AT89C52芯片，如果引脚RST（引脚9）保持24个时钟周期的高电平，单片机就可以完成复位。

通常为了保证应用系统可靠地复位，复位电路应使引脚RST保持10ms以上的高电平。

只要引脚RST保持高电平，单片机就循环复位。

当引脚RST从高电平变为低电平时，单片机退出复位状态，从程序空间的0000H地址开始执行用户程序。

复位电路由C1和R1组成。

当系统加电时，由于C1两端的电压不能突变，因此引脚RST为高电平，单片机进入复位状态。

随着C1充电，它两端的电压上升，使得引脚RST上电压下降，最终使单片机退出复位状态。

合理地选择C1和R1的取值，系统就能可靠地复位。

C1的推荐值是10μF，R1的推荐值是10kΩ。

完成复位后，单片机不仅从程序空间的0000H地址开始执行用户程序，而且还影响一些特殊功能存储器的初始状态

2.5LED显示电路

2.5.18255的介绍

在项本设计中采用的是一种可编程的接口芯片8255，INTEL公司的研制的8255不仅具有两个8位的I/O端口（A口，B口）和一个6位的I/O端口（C口），而且还可以提供256B的静态RAM存储器和14位的定时/计数器，8155的接口非常简单，而且被广泛应用。

带有RAM和定时器的并行口8255的引脚功能8255采用40脚双列直插式封装，单一＋5v电源。

2.5.28255引脚功能说明

RESET:

复位输入线，当该输入端外于高电平时，所有内部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有I/O口均被置成输入方式。

PA0～PA7:

端口A输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入锁存器。

PB0～PB7:

端口B输入输出线，一个8位的I/O锁存器，一个8位的输入输出缓冲器。

PC0～PC7:

端口C输入输出线，一个8位的数据输出锁存器/缓冲器，一个8位的数据输入缓冲器。

端口C可以通过工作方式设定而分成2个4位的端口，每个4位的端口包含一个4位的锁存器，分别与端口A和端口B配合使用，可作为控制信号输出或状态信号输入端口。

CS:

片选信号线，当这个输入引脚为低电平时，表示芯片被选中，允许8255与CPU进行通讯。

RD:

读信号线，当这个输入引脚为低电平时，允许8255通过数据总线向CPU发送数据或状态信息，即CPU从8255读取信息或数据。

WR:

写入信号，当这个输入引脚为低电平时，允许CPU将数据或控制字写8255。

D0～D7:

三态双向数据总线，8255与CPU数据传送的通道，当CPU执行输入输出指令时，通过它实现8位数据的读/写操作，控制字和状态信息也通过数据总线传送。

ALE：

地址锁存器启用信号线，高电平有效，其下降沿把AD0～AD7上的地址，片选信号、IO/M信号锁存起来。

IO/M：

I/O和RAM选择信号线，高电平造反输入/输出，该线低电平选择存储器。

RD：

读信号线，低电平有效，当片选信号与RD有效时，开启AD0～AD7缓冲器，如果IO/M为低电平，则RAM的内容读至AD0～AD7，如果IO/M为高电平，则选中的输入/输出口的内容读到AD0～AD7。

WR：

写信号线，低电平有效，当片选信号和WR信号有效时，AD0～AD7上的数据将根据IO/M极性写入RAM或I/O口。

PA0～PA7：

输入/输出口A的信号线，通用8位输入/输出口，输入/输出的方向通过对命令/状态寄存器的编程来选择。

PB0～PB7：

输入/输出口B的信号线，通用8位输入/输出口，输入/输出的方向通过对命令/状态寄存器的编程来选择。

PC0～PC5：

输入/输出口C的信号线，6位可编程输入/输出口，也可用作A和B口的控制信号线，通过对命令/状态寄存器编程来选择。

INT：

定时/计数器输入信号线，定时/计数器的时钟由此线输入。

TOUT：

定时/计数器的输出信号线,输出信号为方波还是脉冲则由定时/计数器的工作方式而定。

VCC：

电源线，接＋5V直流电源。

VSS：

接地线，接到公用地线上。

2.5.3.LED显示原理

在单片机系统中，常用的显示器有发光二极管显、荧光管显示器、数码管显示和液晶显示。

近年来，也开始使用简易的CRT接口，显示一些汉字及图形。

发光二极管显示分为固定段显示和可以拼装的大型字段显示，此外还有共阳极和共阴极之分等。

LED显示块是由发光二极管显示字段组成的显示器，有7段和字段之分。

这种显示块有共阳极和共阴极两种。

共阴极LED显示块的发光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。

同样，共阳极LED显示块的发光二极管的阳极连接在一起，通常此公共阳极接正电压。

当某个发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。

LED的显示方式：

有LED静态显示方式和LED动态显示方式。

（1）LED静态显示方式，LED显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极（或共阳极）连接在一起并接地（或+5V）每位的段选端分别与8位的锁存输出相连。

之所以称为静态显示，使由于显示器中的各位相互独立，而且各位的显示字符一经确定，相应的锁存器的输出将维持不变，直到显示为另一个字符为止，静态显示器的亮度较高。

（2）LED动态显示方式，在多位LED显示时，为了简化电路，通常将所有位的段选线相应得并联在一起，由一个或两个8位I/O口控制，形成段选线的多路复用。

而各位的共阳极或共阴极分别由相应的I/O口线控制，实现各位的分时选通。

本系统所采用显示为双位7段LED共阳极显示。

2.7共阳极发光二极管连接图

2.8共阴极发光二极管连接图

LED数码管实际上是由8个发光二极管构成的，如图2.7所示。

其中7个发光二极管构成“8”字型的笔画段，另一个发光二极管为圆点形状，在显示器右下角，用做小数点使用。

通过二极管的暗亮不同组合，就可以完成0到9的数字显示。

LED数码管内部有两种不同的结构：

一种是共阳极显示；一种是共阴极显示。

共阳极接法，把发光二极管的阳极连接在一起，使用时接+5V电压，这时阴极接低电平的段发光二极管就会导通点亮，而接高电平的则不点亮，如图2.8所示。

共阴极接法，把发光二极管的阴极连接在一起，在使用时共阴极接地，这时阳极接高电平的段发光二极管就会导通点亮，接低电平的则不点亮。

7段数码管，再加上一个小数点，共计8位代码，由一个数据字节代码提供，各数据位的对应关系如表2.3所示。

为了显示数字或字符，要为LED提供代码，由于这些代码是为了显示字型的，所以称之为字型码，如表2.4所示。

表2.3数码管各数据位对应关系

数据位

显示段

表2.4LED数码管的字型码

显示字型

共阳极字型码

共阴极字型码

C0H

3FH

F9H

06H

A4H

5BH

B0H

4FH

99H

66H

92H

6DH

82H

7DH

F8H

07H

80H

7FH

90H

6FH

88H

77H

83H

7CH

C6H

39H

A1H

5EH

86H

79H

8EH

71H

图中的8个LED分别与上面那个图中的A~DP各段相对应，通过控制各个LED的亮灭来显示数字。

图2.9LED的显示原理图

三个七段数码管以扫描方式进行温度显示，最左边的数码管显示符号。

当温度为“-”时显示“-”号，温度不为负时显示黑码，即无任何内容显示，右边的数码管用于显示温度，三个七段数码管以左到右轮流显示，即扫描显示，扫描频率高于25次/S。

下面简单介绍一下七段LED，它的构成字型为“8”，另外还有一个数点发光二极管以显示数字，符号及小数点，这种显示器有共阴和共阳两种，如后图所示，发光二极管的阳极连在一起的（公共端K0）称为共阳极显示器，阴极连在一起的（公共端Ka）称为共阴显示器。

一位显示器由八个发光二极管组成，其中七个发光二极管构成字型“8”的各个笔划a～g，另外一个小数点为dp发光二极管。

当在某段发光二极管上施加一定的正向电压时，该段笔画即亮，不加电压则暗，为了保护各段LED不被损坏，需要外加限流电阻。

2.5.4单片机时钟电路的设计

时钟电路用于产生89C52单片机工作时所必需的时钟信号。

89C52单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证同步方式的实现，89C52单片机应在唯一的时钟信号控制下，严格地按时序执行工作。

因此时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。

时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。

常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。

本系统采用内部时钟方式，89C52单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，用于构成振荡器。

反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，分别是89C52的19脚和18脚。

在XTAL1和XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。

晶体的振荡频率范围通常在1.2MHz到24MHz之间。

晶体的频率越高，则系统的频率越高单片机的运行速度越快。

本系统选择振荡频率为24MHz的石英晶体。

2.6继电器控制电路

在太阳能热水器控制器的设计中,继电器输出是实现蓄水箱辅助加热的手段。

对继电器的控制安全有效是能安全地对蓄水箱进行辅助加热的保证。

本控制器中其电气连接图如图2.10所示。

本控制器利用继电器的常开触点来作为接通辅助加热器的开关。

此处采用了光电耦合器4N25作为对继电器线圈的控制端。

当4N25中的发光二极管导通时,继电器线圈中将有电流流过,使常开触点动作,接通辅助加热器开始加热。

二极管D1的作用是为继电器触点动作时产生的动态电压有一个放电的通路。

对继电器动作与否的总控信号是89C52CPU和P1.6口线。

当CPU向P1.6发清零信号时,P1.6经反相器后变为高电平,进入与门,此时若与门另一输入脚为高,则与门输出高电平,同时发光二极管点亮,指示工作状态为正在辅助加热。

同时使光耦发光管发光,继电器动作,开始辅助加热。

与门的另一输入脚接在水位检测最低位和次低位非门的输出端。

之所以要把水位检测信号引到这里,是利用硬件实现辅助加热防干烧的功能。

当水位低到无法检测到时,与门输出端将被锁死为低电平,继电器将不会有机会动作,防止了干烧。

这里使用两根水位检测线是为了防止有一根水位线断线系统拒绝辅助加热的情况,增强了系统容错性。

图2.10继电器输出电路

图2.11继电器控制上水装置与单片机连接硬件图

3系统软件设计

3.1系统总体程序流程图设计

为了设计软件程序,必须明确热水器对控制器所提出的控制要求。

当阳光充足时,热水器会利用太阳能将蓄水箱内的水加热到一定的温度（可能会高于设定温度）,控制器将不启动辅助加热装置;当阳光不足（阴雨天）时,为了使用户同样能够使用到热水,控制器能够自动启动辅助加热器,借助电能将水箱内的水加热到设定温度。

这样，热水器不论在什么样的天气里,都能够向用户提供设定温度的热水，从而给用户带来便利。

根据上面的要求，控制器软件设计采用模块化

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