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太阳能热水器控制毕业设计论文

中华人民XX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与实现

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，微机应用日益普及深入，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应用。

嵌入式计算机系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能，可靠性，成本，体积，功效等严格要求的专业计算机系统。

其最初应用是基于单片机的。

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

Todaytheputertechnologyisdevelopedquickly.Themicroputerisincreasinglyusedwidely.

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与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与单片机的典型接口……………………………16

3.28255A与单片机的典型接口设计………………………………17

3.2.1ADC0809与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与实现

第一章绪论

当今计算机技术在飞速发展，微机应用日益普及深入，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应用。

其最初应用是基于单片机的。

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应用越来越广泛。

单片机的应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应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。

随着单片机应用的推广和普及，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应用中的不断深入与蓬勃发展,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应用在这一领域。

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是MCS-51单片机的基础上精心设计，由美国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，片内有4K字节的在线可重复编程快擦快写程度存储器，能重复写入擦除解1000次，数据保存时间为十年。

它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。

AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低了系统成本。

只要程序长度小于4KB，四个I/O口全部提供给用户。

可用5V电压编程，而且擦写时间仅需10ms，仅为87C51的擦除时间的百分之一，与87C51的12V电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。

工作电压X围宽2.7V～6V，全静态工作，工作频率宽，在0Hz～24MHz内，比8751及87C51等51系列的6MHz～12MHz更具有灵活性，系统能快能慢。

AT89C51芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。

另外，AT89C51还具有MCS51系列单片机的所有优点。

128×8位内部RAM，32位双向输入输出线，两个十六位定时/计时器，5个中断源，两级中断优先级，一个全双工异步串行口及时钟发生器等[5]。

AT89C51结构和功能：

1．特点：

·AT89C51与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X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X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

定时/计时器0外部输入

P3.5

定时/计时器0外部输入

P3.6

外部数据存储器写选通

P3.7

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

0003H

定时器/计数器T0

000BH

外部中断1

0013H

定时器/计数器T0

001BH

串行口中断

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的信号与该输入端的位相反;Vi+（+）为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与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。

负号表示输出信号与输入信号相位相反。

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与信号源内阻相等,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应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与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X围为-55°C~+125°C，在-10~+85°CX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，与前一代产品不同，新的产品支持3V~5.5V的电压X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。

DS18B20可以程序设定9~12位的分辨率，精度为±0.5°C。

可选更小的封装方式，更宽的电压适用X围。

分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。

DS18B20的性能是新一代产品中最好的！

性能价格比也非常出色！

DS1822与DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。

省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的EEPROM，精度降低为±2°C，适用于对性能要求不高，成本控制严格的应用，是经济型产品。

继“一线总线”的早期产品后，DS1820开辟了温度传感器技术的新概念。

DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。

光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码。

64位光刻ROM的排列是：

开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）。

光刻ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。

DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:

用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。

这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.062可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。

DS1820使用中注意事项

DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：

（1）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。

在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。

（2）在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS1820，在实际应用中并非如此。

当单总线上所挂DS1820超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。

　　（3）连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。

试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。

当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。

这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。

因此，在用DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。

　　（4）在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。

这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。

测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。

例如+125℃的数字输出为07D0H，+25.0625℃的数字输出为0191H，-25.0625℃的数字输出为FF6FH，-55℃的数字输出为FC90H。

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

选中

PA口

PB口

PC口

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，是单片机与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001——方式1

1×——方式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

现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。

当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设备也就可以确定了。

测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选用是否合理。

1.根据测量对象与测量环境确定传感器的类型

要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。

因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：

量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。

2.灵敏度的选择

通常，在传感器的线性X围内，希望传感器的灵敏度越高越好。

因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。

但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。

因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽减少从外界引入的串扰信号。

3.频率响应特性

传感器的频率响应特性决定了被测量的频率X围，必须在允许频率X围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。

传感器的频率响应高，可测的信号频率X围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。

4.线性X围

传感器的线形X围是指输出与输入成正比的X围。

以理论上讲，在此X围内，灵敏度保持定值。

传感器的线性X围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量

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