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1、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

2、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； The Design and realization of the Solar-powered water heaters central controller AbstractToday the computer technology is developed quickly.The microcomputer is

3、 increasingly used widely.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 2.2 AT89C51功能和特点3 2.3 通用四运算放大器 LM3245 2.3.1 LM324作反相交流放大器6 2.3.2 LM324作测温电路6 2.4 DS18B20 数字式温度传感器72.4.1 DS18B20和单片机的典型接口设计8 2.5 锁存器 LM37310 2.6 I/O接口电路8255A11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

4、的选用16 3.1.2 DS18B20和单片机的典型接口16 3.2 8255A和单片机的典型接口设计17 3.2.1 ADC0809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 3.3.2 LED显示器工作原理20 3.3.3 接口芯片的选择及其原理203.4 单片机复位电路的设计223.5 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304

5、.3.1 动态显示子程序设计304.3.2 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

6、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

7、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

8、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

9、输出检查。 图一系统结构图2.2 AT89C51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：0Hz24MHz；三级程序存储器加密；1288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

10、；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

11、。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

12、振荡器稳定振荡后，通过硬件复位掉电模式可被终止。图2-2 AT89C51管脚图表2-1 P3双功能口功能表第一功能标记第二功能P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输出口P3. 2INT0外部中断0输入P3. 3INT1外部中断1输入P3. 4T0定时/计时器0外部输入P3. 5T1定时/计时器0外部输入P3. 6WD外部数据存储器写选通P3. 7RD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

13、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010003H定时器/计数器T02000BH外部中断130013H定时器/计数器T04001BH串行口中断50023H2.3 通用四运算放大器LM324LM324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;

14、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）2.3.1 LM324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

15、合电容。2.3.2 LM324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。2.4 DS18B20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

16、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 3.3 DS18B20内部结构图 3.4 DS18B20封装形式2.41 DS18B20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 -55C+125C，在-10+85C范围内,精度为0.5C。DS1822的精度较差为 2C 。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

17、境的现场温度测量，和前一代产品不同，新的产品支持3V5.5V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。2.6 I/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

18、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A1A0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

19、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，0 0 方式00 1 方式11 方式

20、2D4 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

21、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 -55C+125C，在-10+85C范围内,精度为0.5C。DS1822的精度较差为 2C 。3.1.2 DS18B20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3.2 8255A和单片机的接口电路设计3.2.1 ADC0809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ADC080

22、9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7FF8H7FFFH。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3-3 ADC0809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

23、。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

24、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44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48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3-6 8279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

25、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

26、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FIFO RAM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。38279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000

27、0H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4s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

28、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