基于单片机的太阳能热水器控制系统设计含开题报告.doc

上海XX大学毕业设计（论文）开题报告课 题 基于单片机的太阳能热水器控制 系统设计 学 院（系） 电气学院 专 业 测控技术与仪器 年 级 学 号 姓 名 导 师 定稿日期： 年 月 日3基于单片机的太阳能热水器控制系统设计摘 要: 当今社会资源日益紧张，环境污染愈加严重的情况下下,太阳能热水器与传统的燃气热水器和电热水器相比有着无比的优越性，太阳能热水器的控制系统也随着科学技术的发展正在朝着智能化的方向发展。本课题是以MCS-51系列单片AT89S52为核心，并采用12864液晶显示模块，传感器温度采集模块，键盘，水位采集模块水温采集模块等，实现对太阳能热水器水位和水温的测量与控制和报警，做到既能手动操作，又能单片机控制，从而很好的解决太阳能热水器使用过程中易受季节、气候影响、浪费水资源等缺点。关键词：单片机;太阳能;热水器;控制系统;1.文献综述太阳能是一种古老能源,也是一种安全、洁净、价廉、无污染的绿色能源。在传统化石燃料日趋枯竭的今天,太阳能作为新能源的一种,在多元化能源消费结构中占有重要地位,正越来越受到人们的重视1。 随着世界上煤、油、气的储量日益减少，能源危机已日益增长，环境污染的危机已威胁着生态平衡，太阳能开发利用的课题已提到人类的面前。有人预测：二十一世纪太阳能将由辅助能源上升为主要能源。但由于太阳能的分散性、季节性和地区性又给太阳能利用带来重重困难，有些技术难点尚未突破，产品造价偏高（如光电池）。因而尚未被人们大规模的使用。当今社会发展日新月异，人们衣食住行也在不断的提高。现有电热型热水器费用昂贵及燃气型的不安全性，且排放二氧化碳污染大气，北方用煤气取暖造成城市空气环境污染，这些都是太阳能热水器良好的外部生存环境。太阳能热水器克服了上述缺点，他是绿色环保产品。它使用简单、方便。太阳能热水器顺呼时代发展的要求，满足人们对环保绿色产品的需求。在人类文明程度日益提高的今天，它是现代文明社会的最佳选择。应该注意到，集体单位对太阳能热水器的用量很大。新建商住楼安装热水器，已是房屋开发公司计划之内的事，配套热水器的商品房销势更好。在太阳能热利用技术中，太阳能热水器是技术上比较成熟、造价比较低廉的产品，同时给人民提供不耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎2。太阳能热水器是太阳能利用中最常见的一种装置，经济效益明显，正在迅速的推广应用，太阳能热水器能够将太阳辐射能转换热能，供生产和生活使用。他主要由平板集热器、蓄水器和连接管道等部件组成，可分循环式、直流式和闷晒式。热水器包括主、从两大系统：主系统的特点是在晴好的天气利用太阳光能为热水器加热；从系统相当于电热水器，它在无光照的情况下利用电辅助加热。它充分利用太阳能的丰富的免费的资源的优势，同时考虑到在阴天及夜间无法利用太阳能的缺点，充分发挥太阳能热水器和电热水器的各自优势，这是世面上大部分热水器所不能比拟的。2. 选题背景及其意义随着全球人口和经济规模的不断增长，能源使用带来的环境问题及其诱因逐渐为人所认识，“低碳经济”这一概念开始进入人们的视野。人们在大力发展太阳能产业。太阳能具有：储量的“无限性。太阳能对于地球上的绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。开发利用时几乎不产生任何污染。鉴于此，太阳能必将在世界能源结构转换中担纲重任，成为理想的替代能源。在世界范围内，太阳能热水器技术已经很成熟，并已形成行业，正在以优良的性能不断的冲击电热水器市场和燃气热水器市场3。目前，中国已成世界上最大的太阳能热水器生产国，年产量约为世界各国总和。但是与之相配套的太阳能热水器控制系统却一直处于研究和开发阶段。目前市场上太阳能热水器的控制系统大多存在功能单一、操作复杂、控制不方便等问题, 很多控制器只具有温度和水位显示功能, 不具有温度控制功能，即使热水器具有辅助加热功能, 也可能由于加热时间不能控制而产生过烧, 从而浪费电能4。本课题设计的太阳能热水器控制系统以MCS-51单片机为检测控制中心单元, 采用DS1302实钟,不仅实现了时间、温度和水位三种参数实时显示功能, 而且具有时间设定、温度设定与控制功能。控制系统可以根据天气情况利用辅助加热装置(电加热器)使蓄水箱内的水温达到预先设定的温度, 从而达到24小时供应热水的目的。控制器和以往显示仪相比具有性价比高、温度控制与显示精度高、使用方便和性能稳定等优点, 对提高我国太阳能应用领域控制水平, 具有可观的经济效益和社会效益5，9 。3. 研究内容3.1基于单片机的太阳能热水器控制系统的总体设计本课题设计的基于单片机的太阳能热水器在软件程序的控制下完成时间、温度和水位的实时显示功能，并能完成时间设定、温度设定等功能，具体实现的功能目标为：1) 掌握太阳能热水器的工作原理及实现控制方法；2) 太阳能热水器水位的检测和显示；3) 太阳能热水器温度的检测和显示；4) 太阳能热水器水温的设定和时间的控制；5) 报警； 3.2 基于单片机的太阳能热水器控制系统设计控制系统的硬件设计 3.2.1本次设计是以AT89S52单片机为核心的系统，其系统框图如图3-1：键盘输入模块数据处理模块MSC-51系列单片机12864显示模块光敏电阻测量光照强度模块电加热模块时钟模块温度采集模块水位采集模块报警模块 图3-1 系统原理框图3.2.2单片机控制系统：AT89S52单片机结构和特点 AT89S52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。AT89S52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。AT89S52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。工作电压范围宽2. 7V6V，全静态工作，工作频率宽，在0Hz24MHz内，比8751及87C51等51系列的6MHz12MHz更具有灵活性，系统能快能慢。AT89S52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，AT89S52还具有MCS51系列单片机的所有优点。1288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10。3.2.3 键盘及12864显示模块本系统可以通过键盘来设置和调整实时时钟及温度，并且12864显示模块可以更直观的显示时间以及水温。3.2.4 实时时钟模块 本系统采用实时时钟DS1302芯片进行实时时间显示及加热时间设置，由于时钟芯片的精度较单片机内部定时器的要高并且通过时钟模块设置热水器定时加热的时间。3.2.5温度采集模块采用DS18B20温度传感器。DS18B20是智能温度传感器，它的输入/输出采用数字量，以单总线技术，接收主机发送的命令，根据DS18B20内部的协议进行相应的处理，将转换的温度以串口发送给主机。主机按照通信协议用一个IO口模拟DS18B20的时序，发送命令（初始化命令、ROM命令、功能命令）给DS18B20，并读取温度值，在内部进行相应的数值处理，用12864模块显示各点的温度11。3.2.6水位采集模块采用水位检测电极，将水箱分为四等分，通过5个水位检测电极进行检测，接地的电极放在水箱最底下，其余4个按四等分分别放取。如此根据在相应等分点检测到的水位信息判断水箱中的水位,并通过采用LED数码管显示水位。3.2.7电加热模块 当室外光强不足（阴天、下雨）时，对水箱的水提前加热是很必要的，本系统将电加热模块与单片机I/O口接上，由键盘设定需加热的设定值，并由红黄绿三色的LED，红黄绿用数码管显示。3.2.8报警模块本设计里，我们采用有源蜂鸣器，由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以至于单片机的I/O 口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，我们使用三极管来放大电流，驱动蜂鸣器，此模块只要通过BELL（连接到到单片机P2.7）输入的PWM波既可以使蜂鸣器分出声音，我们的设计可以在闹钟定时中作为声音提醒信号。 3.2.9光敏电阻测量光照强度模块本设计选用光敏来对光照强度进行测量，获取光能。光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。3.3主程序流程图主程序系统初始化漏电吗？ YN读取键盘状态所有执行机构断点读取水温，水位报警模块工作，报警调取控制子程序图3-2主程序流程图 3.4系统的软件设计本课题采用C语言编程实现对太阳能热水器水位及水温的控制，并用Keil C51进行软件的调试。4.工作特色及其难点，拟采取的解决措施4.1工作特色及难点：随着单片机及太阳能热水器的普及和完善，两者相结合的智能控制系统发展会越来越迅速，并且其技术会更加人性化，具体化。本次设计课题的太阳能热水器控制系统特点如下：1.成本低廉， 节能降耗，安全环保，易于推广。2.采用的都是已经发展成熟的芯片及模块，其可靠性，普及性都是优良的。但本次设计还是具有相当多的难点有待处理：1.在软件程序的控制下如何实现时间、温度和水位的实时显示功能，并实现时间设定、水温设定等功能。2.整个系统共分为主程序、键盘扫描、显示、温度水位采集、时钟和电加热等模块，各个模块的功能如何编程实现。4.2 拟采取的解决措施（1） 查找相关资料，做到在完全了解的基础上进行使用。（2） 查找C语言书籍和单片机书籍，多加仿真与调试。（3） 大量查阅相应参考文献，阅读书籍，增加知识贮备。多与指导老师和同学进行交流、沟通，多学多问。5.论文工作量及预期进度2012年12月 2013年02月：收集资料，确定设计系统总体方案，翻译有关外文资料及文献，撰写开题报告，准备开题答辩。2013年02月 2013年03月：购买实验元器件，完成硬件系统的设计及焊接。2013年03月 2013年04月：完成软件编程及软硬件调试。 2013年05月 2013年06月：毕业论文的撰写，毕业答辩。6. 预期成果及其可能的创新点 预期成果：顺利完成硬件设计和软件设计，并模拟仿真。 可能的创新点：在现有的太阳能热水器控制系统的基础上加以优化，并降低控制系统的成本，更好的达到节能减排的效果，符合当今社会对新能源的开发利用及对环境保护政策的要求。参考文献1 周善元.取之不尽,用之不竭的洁净能源太阳能J.江西能源，2000年04期2 刘福才，刘丰，刘立伟 .AVR单片机在太阳能热水器智能控制器中的应用J.微计算机信息，1999年04期3 王俊杰，基于89C51单片机的太阳能热水器只能控制器的设计J.郑州轻工业学院学报：自然科学版，2005（8）：67-684 刘小俊,黄鸿谞.基于单片机的太阳能热水器智能控制系统的设计J. PLC&FA,20095 张景文,王震宏,高为浪,李桂花.基于单片机的太阳能热水器智能控制系统J.西华大学学报( 自然科学版)，第27卷第5 期6 刘文涛.单片机应用开发实例M.北京：清华大学出版社，2005.7 童诗白,华成英. 模拟电子技术基础M 高等教育出版社，2000.8 宋彩利，孙友仓，吴宏岐.单片机原理与C51编程M.西安：西安交通大学出版社，2008.9 胥飞,戴 晔,盛纯.基于单片机的太阳能热水器出水恒温控制系统J.上海电机学院学报，第13卷第6期10 张毅刚，彭喜元，姜守达，乔立岩.MCS-51单片机应用设计.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，200311胡汉才.单片机原理及接口技术M.北京:清华大学出版社,199612冯海涛，马炳波，朱文峰.全自动热水器漏电保护电路分析J.家用电器，2002年第6期13马云峰，马海峰，陈子夫.基于单片机的太阳能热水器辅助控制系统J.电子世界，2002年第1期14李云阳.基于单片机的太阳能热水器模糊控制系统的设计J.农机使用与维修，2012 年第5 期15杨永刚.太阳能热水器控制电路的设计J.产业与科技论坛，2012年第11卷第14期指导教师意见 该生资料准备充分，开题报告中心内容论述详实，有较强的实践动手能力和综合分析能力。选题有实用价值，设计方案可行，时间安排合理符合开题条件，同意开题。 导师签名： 年 月 日9III基于单片机的太阳能热水器控制系统设计开题报告答辩评议表评议小组意见1、论文选题：有理论意义；有工程背景；有实用价值 意义不大。2、论文的难度：偏高；适当；偏低。3、论文的工作量：偏大；适当；偏小。4、设计或研究方案的可行性：好；较好；一般；不可行。5、学生对文献资料及课题的了解程度：好；较好；一般；较差。6、学生在论文选题报告中反映出的综合能力和表达能力：好；较好；一般；较差。7、学生在论文选题报告中反映出的创新能力：好；较好； 一般；较差。8、对论文选题报告的总体评价：好；较好；一般；较差（在相应的方块内作记号“”）院、系、所确定评议小组名单（3-5人）组长： 、组员： 、 、 、 单位盖章 主管领导签名： 年 月 日评议结论评议小组组长签名：评议小组组员签名： 年 月 日摘 要当今社会资源日益紧张，环境污染愈加严重的情况下,太阳能热水器与传统的燃气热水器和电热水器相比有着无比的优越性，太阳能热水器的控制系统也随着科学技术的发展正在朝着智能化的方向发展。本课题是以MCS-51系列单片AT89S52为核心，并采用12864液晶显示模块，传感器温度采集模块，键盘，水温采集模块水位采集模块等，实现对太阳能热水器水位和水温的测量与控制，报警，做到既能手动操作，又能实现控制，从而很好的解决太阳能热水器使用过程中易受季节、气候影响、浪费水资源等缺点。关键词：单片机，太阳能，热水器，控制系统4343基于单片机的太阳能热水器控制系统设计ABSTRACTAs the resources on the earth more and more tight and the environmental pollution more serious , the solar water heaters have obvious advantages compared with the traditional gas water heaters and the electric water heaters, with the development of science and technology the solar water heater control systerm moving toward to intelligent direction. This design incorporates MCS-51 series single-chip AT89S52 as central process, and 12864 LCD module, sensor temperature acquisition module,the keyboard, completion time display of the temperature level, as well as the time and temperature setting, Making it in intelligent controlling, to slove the shortcomings of the solar water heaters using affect by the season, climate, wasting water, etc. Key words: the single-chip ,solar,water heater,control systerm目 录1 绪论11.1 课题研究的背景11.2 论文研究的目的意义11.3 论文的实际应用前景分析22 系统基本方案选择和论证32.1 单片机芯片的选择方案和论证32.2 显示模块的选择方案和论证32.3 时钟芯片的选择方案和论证42.4 温度传感器的选择方案和论证42.5 电路设计最终方案确定43 系统硬件电路设计53.1 系统功能模块划分53.2 时钟模块53.3 温度模块63.4 显示模块83.5 独立键盘模块113.6 蜂鸣器模块123.7 单片机模块133.8 电路原理图的绘制和电路的焊接154 系统软件设计194.1 软件系统的流程图194.2 温度信息的采集204.3 时钟的读取204.4 温度的显示控制214.5 键盘模块214.6 蜂鸣器模块225 总结23参考文献24致 谢25附 录261 绪论1.1 课题研究的背景太阳能是一种古老能源,也是一种安全、洁净、价廉、无污染的绿色能源。在传统化石燃料日趋枯竭的今天,太阳能作为新能源的一种,在多元化能源消费结构中占有重要地位,正越来越受到人们的重视1。科学家预测：二十一世纪太阳能将会得到大量运用。但是由于种种原因，有些技术难点尚未突破，产品的造价还是相对偏高（比如说光电池）。所以还是没有被人们大规模的利用。当今社会发展日新月异，人们衣食住行也在不断的提高。现有电热型热水器的费用比较昂贵还有一些燃气型的热水器也存着着一些不安全的地方，儿且排放的气体也会污染到大气层，我国北方地区使用煤气来取暖也会造成城市上空空气环境污染，PH2.5增加，这些都是太阳能热水器产生的一些外部条件。太阳能热水器可以克服了上述缺点，它能作为绿色环保产品投入使用。使用简单、方便。在太阳能热利用技术中，太阳能热水器算的上是技术上比较成熟、造价比较低廉的产品，同时给人民提供不耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎2。随着技术的不断进步，转换效率的不断提高，太阳能热水器正在得到迅速的推广应用，方便着千家万户，太阳能热水器能够将太阳辐射能转换热能，供生产和生活使用。太阳能热水器包括2个系统组件：主系统部分是直接利用太阳光能为热水器进行加热；从系统相当于电热水器，在阴天的情况下利用电加热的手段辅助加热。1.2 论文研究的目的意义当今社会资源日益紧张，环境污染愈加严重,太阳能热水器与传统的燃气热水器和电热水器相比有一定的优越性。目前，中国已成世界上最大的太阳能热水器生产国，但市场上太阳能热水器的控制系统大多存在功能单一、操作复杂、控制不方便等问题。该课题采用单片机控制技术实现太阳能热水器水温、水位的自动检测与控制，漏电检测与报警，做到既能手动操作，又能智能控制，从而很好的解决太阳能热水器使用过程中易受季节、气候影响、浪费水资源等缺点。课题涉及到的内容测控系的学生都学过，完成毕业设计，有利于巩固所学单片机、C语言等方面的知识，增强理论联系实际的能力。同时，选题贴近日常生活，具有一定的应用价值3。本课题构思设计的太阳能热水器控制系统是以51系列单片机中的AT89S52为检测控制的中心处理单元, 采用DS1302时钟,不仅实现了时间，日历的显示，还能够储存自动开关机的定时时间，设计了键盘，还能够进行时间设定，控制功能，添加了DS18B20温度传感器，能够实时监测温度，还添加了12864液晶显示器，方便了人机交互功能。控制系统可以根据天气的情况以及人工控制定时的时间利用加热装置(电加热器)使蓄水箱里面的水温达到预先设定的温度, 从而就能达到了24小时供应热水的目的。 1.3 论文的实际应用前景分析目前，中国已成世界上最大的太阳能热水器生产国，年产量约为世界各国总和。但是与之相配套的控制系统却还是一直处于研究和开发阶段。没法做到智能化的处理，目前市场上太阳能热水器的控制系统大多存在功能单一、操作复杂、控制不方便等问题, 很多控制器只具有温度和水位显示功能, 不具有温度控制功能即使热水器具有辅助加热功能, 也可能由于加热时间不能控制而产生过烧, 从而浪费电能4。2 系统基本方案选择和论证2.1 单片机芯片的选择方案和论证方案一：采用89C51芯片作为硬件核心，89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器，采用Flash ROM，内部具有4KB ROM 存储空间，能于3V的超低压工作，由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，89C51很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案但是运用于电路设计中时由于不具备在线编程（ISP）技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插可能对芯片造成一定的损坏,目前该型号芯片已经停产5。方案二：采用AT89S52单片机，AT89S52单片机是ATMEL生产的单片机，是新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051。内部集成看门狗电路。AT89S52单片机内部有8KB的程序Flash存储器。由于我们设计的烧写文件大概在7KB左右 ，而AT89S52单片机的程序Flash为8KB，不用再外接程序存储器了6。经过综合比较最终选择方案二，即选择AT89S52作为主控制器。2.2 显示模块的选择方案和论证方案一：LCD12864液晶是一种具有8位并行接口方式的点阵图形液晶显示模块,可以显示1616点阵的汉字，系统要求显示年月日、时分秒、星期、和农历。LCD12864液晶可以完成设计的要求 。12864是具有4位或者8位并行或者使用2线或着3线串行的一种多种接口方式的液晶显示器。12864液晶显示器内部含有简体中文字库的点阵图形其显示分辨率为12864，也就是12864个点, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.基本特性:工作温度: 0 - +55 ,存储温度: -20 - +60 方案二：系统采用LED显示。LED应用可分为两大类：一是LED单管应用，包括红外线LED等；另外就是LED显示屏，LED显示屏是由一些发光二极管排列组合而成成的显示器件。它采用的是低电压扫描驱动，采用LED数码管动态扫描.价格上比较经济实惠，但不能显示文字，性价比不是很高，操作起来比较液晶显示来说略显繁琐，所以也不用此种作为显示。经过综合比较最终选择方案一，即选择LCD12864液晶显示屏。2.3 时钟芯片的选择方案和论证方案一：采用单片机定时。单片机有很多优点，直接采用单片机定时计数器提供秒信号，计数的脉冲由外部提供，定时的脉冲由外部晶振提供，定时加1的周期为一个机器周期；定时时间与初值和晶振频率有关。使用程序实现年、月、日、星期、时、分、秒计数。采用此种方案减少芯片的使用，节约成本，但程序复杂度较高。方案二：采用DS1302时钟芯片。DS1302它可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，采用的是两种电源的供电方式（主要电源和备用电源），DS1302可以进行数据记录，采用DS1302只需要写出驱动程序，调用程序读出寄存器内数据经过简单的变换就可以输出时间的数据7。经过综合比较最终选择方案二，即采用DS1302时钟芯片。2.4 温度传感器的选择方案和论证方案一：采用热敏电阻作为温度传感器。使用热敏电阻作为传感器，用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压，利用热敏电阻阻值随温度变化，当采集两个电阻中间分压变化的值时，通过AD转换进行模数转换。此设计方案需用额外的A/D转换电路，增加硬件成本而且热敏电阻会产生较大的测量误差。方案二：采用DS18B20温度传感器。DS18B20是由DALLAS（达拉斯）公司生产的。体积较小，是一线总线接口的温度传感器。信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出，因此从单片机到DS18B20仅需一条线连接即可。它可在1秒钟(典型值)内把温度变换成数字经过综合比较最终选择方案二，即采用采用DS18B20温度传感器。2.5 电路设计最终方案确定单片机AT89S52作为主控制器；选择LCD12864型液晶作为显示模块，此模块可以显示字母、数字符号、中文字型及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能；选择采用DS1302时钟芯片,使程序实现年、月、日、星期、时、分、秒，即农历阳历时间的显示。采用DS18B20温度传感器，可以对温度做出比较精确的测量，而且和单片机通讯只要一个IO，连接方便。利用继电器控制加热设备。3 系统硬件电路设计3.1 系统功能模块划分根据系统功能要求，可大致画出系统所需硬件结构框图如图3-1所示：数据处理模块MSC-51系列单片机键盘输入模块块12864显示模块电加热模块光敏电阻测量光照强度模块水位采集模块时钟模块温度采集模块报警模块图3-1 系统原理框图主控模块采用性价比较高的AT89S52单片机芯片，在其内部烧写好程序，可通过程序的运行控制测温模块进行测温；测温模块主要是由DS18B20构成，将其与所测对象进行接触即可获取被测对象的温度数据，而所测得的温度和时钟芯片测得的实时日历将通过显示模块的液晶显示器以数字形式显示；单片机调用程序，读取DS1302内寄存器，可以得到我们系统的时间数据，经过程序处理就可以输出在LCD上；键盘电路可对时间，日历进行调整；蜂鸣器可以在开启定时加热中，作为声音提醒。3.2 时钟模块DS1302为美国DALLAS公司的一种实时时钟芯片，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用32.768Hz晶振。它可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。DS1302 可以用于数据记录，掉电不丢失。在本设计中，它的实际电路图如图3-2所示：图3-2 DS1302与单片机的连接DS1302需要外接32.768K的晶振，1号引脚接主电源VCC（5V）电源，8号引脚接备用电池（3V），当主电源掉电后，备用电源为DS1302提供电源，维持DS1302内数据不丢失，这正是时钟芯片所必须的特性。3.3 温度模块传统的温度检测系统大多数都是采用模拟采集，A/D转换，转换后的数字信号送入计算机处理，处理电路相对比较复杂、可靠性也相对较差，占用MCU的资源比较多，本设计测温模块采用一线制总线数字温度传感器DS18B20，可将温度的模拟信号直接转换成温度的数字信号送给微处理器，电路简单，其电路原理图如图3-3所示：图3-3 DS18B20温度模块从图中可看出，将温度传感器的一线制总线通过端口2与本设计主控芯片AT89S52的端口标号为DS18B20的相连即可实现相互之间的通信。设计中的测温元件采用的是DS18B20测温元件,DS18B20是由DALLAS(达拉斯)公司生产的一种温度传感器。超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得DS18B20很受欢迎。这是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。DS18B20温度传感器提供了9位的(二进制)温度读数。信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出，因此从单片机到DS18B20仅需一条线连接即可。它可在1秒钟(典型值)内把温度变换成数字。3.3.1 DS18B20的主要特征1.DS18B20的主要特征：从转换开始到结束全部都是数字温度的转换和输出；是单总线数据的通信方式；最高可以支持12位的分辨率，精度可以达到土0.5；最大分辩率的最大工作周期仅仅为750毫秒；检测温度范围为55+125；内置EEPROM，可以做上下限温报警功能；内置产品序列号，方便多机单总线挂接。2.DS18B20芯片其封装结构如下： 图3-4 DS18B20芯片封装图由其引脚可看出，其3个引脚: GND为电压地直接接地；DQ为单数据总线用来与单片机相连接,本系统中DS与单片机P2.6接口连接,仅此一个连接就能保证DS18B20与单片机之间的数据交换；VDD引脚接电源电压。3.3.2 DS18B20的工作原理DS18B20共有三种形态的存储器资源,分别是：ROM 只读存储器，用于存放DS18B20ID编码，它的前8位数据是单线系列的编码（DS18B20的编码是19H），后面的48位是芯片唯一的序列号，最后8位是以上56位的CRC码（冗余校验）。数据在出产时设置不由用户更改。DS18B20共64位ROM， RAM 数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后丢失，DS18B20共9个字节RAM，每个字节为8位。第1、2个字节是温度转换后的数据值信息，第3、4个字节是用户EEPROM（常用于温度报警值储存）的镜像。在上电复位时其值将被刷新。第5个字节则是用户第3个EEPROM的镜像。第6、7、8个字节为计数寄存器，是为了让用户得到更高的温度分辨率而设计的，同样也是内部温度转换、计算的暂存单元。第9个字节为前8个字节的CRC码。EEPROM 非易失性记忆体，用于存放长期需要保存的数据，上下限温度报警值和校验数据，DS18B20共3位EEPROM，并在RAM都存在镜像，以方便用户操作。我们在每一次读温度之前都必须进行复杂的且精准时序的处理，因为DS18B20的硬件简单结果就会导致软件的巨大开消。3.4 显示模块本设计显示模块主要采用LCD12864液晶显示器，其电路原理图如下：图3-5 LCD12864模块LCD12864液晶显示器通过数据端口也即端口714与主控芯片AT89S52的I/O端口P3相连接实现数据与指令的传输，再通过控制端口RS、RW、EN也即端口46与主控芯片P1.5，P1.6，P1.7端口相接实现对数据和指令传输的控制 。显示模块采用12864液晶显示器可实现对温度和时间的直接显示，清晰明了。3.2.3.1 LCD12864的特征显示器部分是由KS0108液晶显示控制驱动器和12864液晶显示器组成的，下面我们对其分别进行介绍。3.4.1 液晶显示控制驱动器KS0108的特点KS0108液晶显示控制驱动器是一种带有驱动输出的图形液晶显示控制器，它可直接与8位微处理器相连，它可与KS0107配合对液晶屏进行行、列驱动。KS0108是一种带有列驱动输出的液晶显示控制器，它可与行驱动器KS0107配合使用，组成液晶显示驱动控制系统。1.内藏6464=4096位显示RAM，RAM中每位数据对应LCD屏上一个点的亮、暗状态；2.KS0108是列驱动器，具有64路列驱动输出；3.KS0108读、写操作时序与68系列微处理器相符，因此它可直接与68系列微处理器接口相连；4.KS0108的占空比为1/321/64。3.4.2 液晶显示控制驱动器KS0108的引脚功能引脚CS1,CS2, 为芯片的片选端；引脚 E 为读写使能信号，它是在下降沿时数据被锁存入KS0108的；在E 高电平期间，数据被读出；R/W 为读写选择信号，当它为一时为读选通，为零时为写选通；DB0-DB7为数据总线RST 为复位信号复位信号有效时，关闭液晶显示，使显示起始行为0，RST可跟MCU相连，由MCU控制；也可直接接VDD，使之不起作用。KS0108的引脚功能如下表3-1所示：表3-1 KS0108的引脚功能引脚符号状态引脚名称功能CS1,CS2输入芯片片选端CS1和CS2低电平选通。E输入读写使能信号在E下降沿，数据被锁存（写）入KS0108；在E高电平期间，数据被读出R/W输入读写选择信号R/W=1为读选通，R/W=0为写选通RS输入数据、指令RS=1为数据操作 RS=0为写指令或读状态DB0-DB7三态数据总线RST输入复位信号复位信号有效时，关闭液晶显示，使显示起始行为0，RST可跟MCU相连，由MCU控制；也可直接接VDD，使之不起作用。3.4.3 液晶显示控制驱动器KS0108的指令系统KS0108的指令系统比较简单，总共只有七种。常用的有3种现分别介绍如下：1. 显示开/关指令当DBO=1时，LCD显示RAM中的内容；DBO=0时，关闭显示。该指令用来查询KS0108的状态，各参量含义如下：BUSY：1-内部在工作 0-正常状态ON/OFF：1-显示关闭 0-显示打开REST： 1-复位状态 0-正常状态在BUSY和REST状态时，除读状态指令外，其它指令均不对KS0108产生作用。在对KS0108操作之前要查询BUSY状态，以确定是否可以对KS0108进行操作。2. 写数据指令读、写数据指令每执行完一次读、写操作，列地址就自动增一，必须注意的是，进行读操作之前，必须有一次空读操作，紧接着再读才会读出所要读的单元中的数据。3. 读数据指令3.4.4 KS0108的软件设计点阵字模文件的建立：由于MGLS12864 液晶显示器没有字库，需要使用点阵字模库建立独立的字库包括以下几个方面：建立816 点阵常用字符、数字、符号字模库。采用字模软件提取字模。图3-6 816 点阵常用字符、数字、符号字模库建立所用到的1616 点阵字模库。采用字模软件直接提取了“冬腊月初”这几个字。图3-7提取字模大字体数字显示的取模，采用了宽x高=16x32 点阵方式，这样时间很清晰，如图3-8图3-8 16x32 点阵方式取模根据以上电路原理图中液晶的各引脚与单片机的接法，可得本设计的液晶模块电路：S接地；数字电源VDD接5V；数据、指令选择信号RS接单片机P1.5口；读写选择信号R/W接单片机P1.6口；使能信号接P1.7，DB0DB7分别接单片机的P3.0P3.7口；芯片1、芯片2的片选分别接单片机的P1.2、P1.3口；复位端RST接P1.4、背光正电源LEDA接5V；液晶自带对比度调节。3.5 独立键盘模块键盘是人与系统实现信息交互的接口，本设计中，我们采用3个独立键盘，电路原理如下图3-9：图3-9 独立键盘当按键按下，与主控芯片连接的端口被降为低电平，按键松开则也升为高电平。按键采用的是Tack Switch按钮开关,它具有自动恢复（弹回）的功能。当我们按下按钮时，其中的接点接通（或切断），放开按钮后，接点恢复为切断（或接通）。按照尺寸区分，电子电路或微型计算机所使用的Tack Swith可分为8mm、10mm、12mm等。虽然Tack Switch有4个引脚，但实际上，其内部只有一对a接点，即其中两个引脚是内部相连通的，而另外两个引脚内部也是相连通的。7个按键实现了开机模式选择，日期调节等功能，独立按键的引入使得体现了本设计的人性化，智能化，功能的强大。3.6 蜂鸣器模块蜂鸣器模块是本设计中体现人机交互的又一大设计亮点，其电路原理图：图3-10 蜂鸣器模块1.蜂鸣器的介绍（1）蜂鸣器的作用：蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。（2） 蜂鸣器的分类：蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两类。（3） 蜂鸣器的电路图形符号：蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”（旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。本设计里，我们采用有源蜂鸣器，由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以至于单片机的I/O 口是无法直接驱动的，所以要利用放大电路来驱动，我们使用三极管来放大电流，驱动蜂鸣器，此模块只要通过BELL（连接到到单片机P2.7）输入的PWM波既可以使蜂鸣器分出声音，我们的设计可以在闹钟定时中作为声音提醒信号。3.7 单片机模块3.7.1 AT89S52型单片机简介AT89S52是一种带8KB字节的可编程可擦出只读存储器（FPEROM-Flash Programmable and Erasable Read Only Memory ）的低电压，低功耗，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL公司高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。3.7.2 AT89S52引脚功能介绍AT89S52单片机为40引脚双列直插芯片,有四个I/O口P0,P1,P2,P3, MCS-51单片机共有4个8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），每一条I/O线都能独立地作输出或输入。如图3-11所示。图3-11 AT89S52的管脚图 主电源引脚（2根）VCC：电源输入，接5V电源GND：接地线外接晶振引脚（2根）XTAL1：振荡电路的输入端XTAL2：振荡电路的输出端控制引脚（4根）RST/VPP(Pin9)：复位引脚，当引脚上出现了2个的机器周期以上高电平将就会使单片机复位。IO口（32根）AT89S52单片机有4组8位的I/O口，共32根。PO口（Pin39Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0P0.7P1口（Pin1Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7 P2口（Pin21Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7 P3口（Pin10Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.73.7.3系统的引脚接线根据其系统工作原理设计出如图3-12所示的引脚接线：图3-12 单片机最小系统电路3.8 电路原理图的绘制和电路的焊接在硬件的设计前期，根据框图对电路中可能出现的电路，进行了模拟实验，并根据实验结果对后期的硬件设计进行了合理化的修改完善。在前面已分析了系统并绘制了框图，并根据框图分别设计了各部分电路。由于温度传感器与时钟芯片集成度较高，所以在硬件电路设计时不需要太多其他元件即可实现预期功能。因此在PROTEL上对原理图进行了绘制，从而得出了最终的完整电路原理图附录1。 3.8.1 PCB制作 图3-13 PCB图当通过PROTEL绘制出完整的电路原理图后，就可以按照绘制好的原理图制作PCB了如图3-13，具体步骤如下：（1）打印电路板。将绘制好的电路板用转印纸打印出来，注意滑的一面面向自己，一般打印两张电路板，即一张纸上打印两张电路板。在其中选择打印效果最好的制作线路板。（2）裁剪覆铜板，也就是表面面都覆有铜膜的线路板，将覆铜板裁成电路板的大小，不要过大，以节约材料。（3）预处理覆铜板。用细砂纸把覆铜板表面的氧化层打磨掉，以保证在转印电路板时，热转印纸上的碳粉能牢固的印在覆铜板上，打磨好的标准是板面光亮，没有明显污渍。（4）转印电路板。将打印好的电路板裁剪成合适大小，把印有电路板的一面贴在覆铜板上，对齐好后把覆铜板放入热转印机，放入时一定要保证转印纸没有错位。一般来说经过2-3次转印，电路板就能很牢固的转印在覆铜板上。热转印机事先就已经预热，温度设定在90-1400摄氏度，由于温度很高，操作时注意安全。（5）腐蚀线路板,回流焊机。先检查一下电路板是否转印完整，若有少数没有转印好的地方可以用黑色油性笔修补。然后就可以腐蚀了，等线路板上暴露的铜膜完全被腐蚀掉时，将线路板从腐蚀液中取出清洗干净，这样一块线路板就腐蚀好了。腐蚀液的成分为浓盐酸、浓双氧水、水，比例为1：2：3，在配制腐蚀液时，先放水，再加浓盐酸、浓双氧水，若