太阳能热水器智能控制器设计

摘 要摘 要近些年来，太阳能的开发和利用已越来越受到人们的重视和青睐，因为节能、环保、使用方便等因素，太阳能热水器发展速度更是迅猛。对太阳能热水器来说，最重要的配件就是太阳能热水器控制器。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，不具有温度和水位控制功能。虽然热水器具有辅助加热功能，但也可能因为加热时间无法控制而产生过烧，造成电能浪费。所以研制多功能、低成本的太阳能控制器，对方便用户、安全高效具有一定意义。本文在分析了解太阳能热水器及其控制器的发展和市场分布状况的基础上，描述了太阳能热水器控制器的组成及其工作原理。论文完成了控制器的硬件设计和软件设计。在硬件设计中，利用AT89C52单片机作为控制的中心环节，控制整个系统运作。利用温度传感器DS18B20和分段式水位传感器作为水温水位测量环节，并将测量结果送单片机进行处理。利用DS12887作为时钟芯片，以实现时间以及日期的显示。选用液晶显示模块128*64显示水温水位时间及日期，显示部分是人机交换的重要媒介之一。在软件设计部分采用模块化结构，完成了包括主程序，水位检测子程序、LCD显示等子程序的设计。系统主程序主要完成一些初始化功能，温度的检测以及控制辅助加热系统，同时完成信号转换及显示功能；水位检测子程序完成水位测量及送数据功能；显示子程序完成水温水位及时间日期的显示功能；键盘扫描子程序实现功能转换及水温水位时间的设定。论文通过对整体设计方案，硬件电路，软件程序的设计分析，实现了太阳能热水器的水温水位的检测与控制，具有实际的意义。 关键词：太阳能热水器；传感器；DS12887；单片机； - 37 - AbstractAbstractIn recent years, development and utilization of solar energy has been paid more and more attention and favor, because of energy saving, environmental protection, easy to use and other factors, the solar water heater development speed is swift and violent. The solar water heater, the most important parts is the solar water heater controller. Currently on the market for solar water heater control system mostly has single function, complex operation, control convenient, a lot of controller with temperature and water level display function, does not have the temperature and water level control function. Although water heater with auxiliary heating function, but also may cause the heating time cant control have been burned, resulting in the waste of electric energy. So the development of multi function, low cost solar controller, for convenient user, safety and high efficiency and has certain significance.In the analysis of the article about solar water heaters and control of the development and market condition on the basis of distribution, solar water heaters of the controller and the principle of work. The papers finish the control of the hardware and software design. In hardware design of AT89C52 monolithic integrated circuits to control center segments of the whole system. Use of the temperature sensors DS18B20 and sectional form sensors to measure the level as the water, and measurements taken for processing monolithic integrated circuits. Use DS12887 as the clock, to realize the time and date display. Use LCD modules 128*64 show that the level of time and date, the display is part of the exchange of one of the man-machine important vehicle. In software design of structure, use modular completed include the program, the level of the inspection or subroutines LCD display design and so on. The main program of the system performs some of the initialization, the temperature of the inspection and control the heating system and the auxiliary signal to show complete the exercise and function testing programs;the water, the measurement and send data to display the functions;a subroutine to complete the water and time functions of the date display;scan a subroutine into the function and the time set.This paper on the overall design, software, hardware circuit analysis of designs, make the measurement and control of the solar water heater into realize, which has played a significant role in the daily life.Keywords: solar water heater; sensor; DS12887; single-chip microcomputer;目 录目 录摘 要IAbstractII目 录IV第一章绪 论11.1太阳能热水器控制器的发展概况及市场分析11.1.1发展概况11.1.2市场分析11.2太阳能热水器控制器的应用及意义2第二章控制器的组成及工作原理32.1太阳能热水器的结构及工作原理32.1.1 太阳能热水器的结构32.1.2 控制器结构及工作原理52.2控制器的总体设计62.2.1设计思想及实现功能62.2.2方案论证6第三章控制器硬件设计83.1控制器原理框图83.2单片机外围电路83.2.1晶振电路93.2.2上电复位电路93.3控制器时钟接口电路设计103.3.1 DS12887时钟芯片简介113.3.2 时钟电路173.4温度检测电路设计183.4.1数字温度传感器DS18B20主要特性193.4.2温度检测电路设计203.5水位检测及键盘电路设计203.5.1水位检测电路设计213.5.2键盘电路的设计223.5.3总体电路设计223.6显示接口电路的设计223.6.1 FYD128*64-0402B模块简介233.6.2 显示电路设计273.7光电隔离与辅助加热电路设计28第四章控制器的软件设计304.1主程序设计304.2水位检测子程序设计324.3键盘扫描子程序设计324.4显示子程序设计32结 论34参考文献35致 谢36附录 电路图37第一章 绪 论第一章绪 论1.1太阳能热水器控制器的发展概况及市场分析1.1.1发展概况当今社会发展日新月异，人们衣食住行也在不断的提高。目前我国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和太阳能热水器市场，该产业也成为我国唯一在生产能力和利用规模上处于世界领先水平的可再生能源产业。但是与之配套的太阳能热水器控制器却一直处在研究与开发阶段。这种控制器只具有温度和液位显示功能， 而且为分段显示，温度显示误差为10%，水位显示误差为25%。这种显示器(还称不上控制器)不具有温度控制功能，当由于天气原因而光强不足时，就会给热水器用户带来不便；即使热水器具有辅助加热功能，由于加热时间不能控制而产生过烧，从而浪费大量的电能。近年来，市场上出现了一些太阳能热水器控制器，但大多数的控制器存在的问题是性能不稳定，容易误动作；温度控制，水位检测，控制误差大；显示器有时显示乱码；和辅助电加热装置不相配；太阳能利用率低的问题，影响用户。更糟的是，一些质量较差，经常发生故障，给用户带来诸多不便，严重影响了用户的使用，从而影响到太阳热水器的销售。研制低成本、多功能的太阳能控制器，对方便用户、安全高效具有一定意义。1.1.2市场分析 据中国五金制品协会统计，目前中国城市家庭中，57.4%拥有燃气热水器，31.3%拥有电热水器，拥有的太阳能热水器只有7.6%。但在城市家庭的购买预期调查中，三者的比例将演变为35.8%、30.2%、23.2%，太阳能热水器的比例将大幅增长，一种融合三者之长的家庭热水中心也将占据9.5%的比例。据国家信息中心经济预测部所做的全国消费者家用电器消费意向调查结果显示，99年城镇家庭热水器的购买量为8.84台/百户，销售总量比98年增长11%左右，传统的燃气热水器产业实现升级换代，迎来安全时代，电热水器持续升温，逐渐成为市场较活跃的家电商品之一，作为热水器市场的新秀，太阳能热水器开始崭露头角。 1.2太阳能热水器控制器的应用及意义众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭，没有污染的巨大能源。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。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。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。而在太阳能热水器的整个系统中，起到至关重要的作用的中心环节就是检测控制系统。控制器不仅实现了对水温，水位的检测与控制，而且也实现了对时间，日期的控制及显示。该控制器有主从两个系统，其中从系统属于辅助加热系统，在阴天下雨等阳光不充足的情况下，从系统发挥作用对水进行加热，以达到热水24小时供应的目的1。 第二章 控制器的组成及工作原理第二章控制器的组成及工作原理2.1太阳能热水器的结构及工作原理2.1.1 太阳能热水器的结构现在市场上的太阳能热水器的结构复杂多样，但总和看来，主要有三个部分：1.循环（保温）水箱；2.集热器；3.连接管道。而各个部分发挥了不同的作用：1.集热器： 系统中的集热元件。其功能相当于电热水器中的电热管。和电热水器、燃气热水器不同的是，太阳能集热器利用的是太阳的辐射热量，故而加热时间只能在有太阳照射的白昼。 2.保温水箱： 和电热水器的保温水箱一样，是储存热水的容器。 因为太阳能热水器只能白天工作，而人们一般在晚上才使用热水，所以必须通过保温水箱把集热器在白天产出的热水储存起来。容积是每天晚上用热水量的总和。采用同乐搪瓷内 胆承压保温水箱，保温效果好，耐腐蚀，水质清洁，使用寿 命可长达20年以上。 3.连接管道（循环水管）： 将热水从集热器输送到保温水箱、将冷水从保温水箱输送到集热器的通道，使整套系统形成一个闭合的环路。设计合理、连接正确的循环管道对太阳能系统是否能达到最佳工作状态至关重要。热水管道必须做保温处理。管道必须有很高的质量，保证有20年以上的使用寿命。现在家用太阳能热水器安装需采用PEX管,该材质管道能在-70度下都不会冻裂。图2-1为系统的总体结构。 但通常在实用的太阳能热水器系统中，需要外加一个补给水箱，以保证冷水的正常连续供应。图2-2为典型实用热水器的装置简图。图2-2中标号分别代表为：1-集热器；2-下降水管；3-循环（保温）水箱；4-补给水箱；5-上升水管；6-自来水管；7-热水出水管。工作原理：图中集热器1按最佳倾角放置，下降水管2的一端与循环水箱3的下部相连，另一端与循环水箱4的下部相连。上升水管5与循环水箱3上部相连，另一端与集热器1的上集管相接。补给水箱4供给循环水箱3所需的冷水。当集热器吸收太阳辐射后，集热器内温度上升，水温也随之升高。水温升高后，水图2-1系统总体结构图图2-2 热水器装置简图的比重减轻，便经上升水管进入循环水箱上部。而循环水箱下部的冷水比重较大，就由水箱下流到集热器下方，在集热器内受热后又上升。这样不断对流循环，水温逐渐提高，直到集热器吸收的热量与散失的热量相平衡时，水温不再升高。这种热水利用循环加热的原理，因此又称循环热水器。集热器是一种利用温室效应，将太阳能辐射转换为热能的装置，该装置与一般热水交换器不一样，热交换器通常只是液体到液体，或是液体到气体的热交换过程，而平板行集热器时直接将太阳辐射传给液体或气体，是一个复杂的传热过程。平板型集热器结构形式很多，世界上已实用的集热器就有直管式、瓦楞式、扁管式、铝翼式等二十多种。2.1.2 控制器结构及工作原理控制器主要由主控制器（即单片机），温度检测单元，水位检测单元以及辅助加热单元组成。各个单元发挥各自不同的作用及功能。外接显示器以及按键作为人机交流介质。太阳能热水器控制器结构看似复杂，但总结重要部分，得出结构简图如下图2-3所示：图2-3 控制系统结构简图在图2-3中，T1代表保温水箱中的温度传感器。T2代表保温水箱中的水位自动控制系统。F1代表冷水阀门。F2代表循环水管阀门。F3代表循环水管阀门。F4代表热水阀门。工作原理：不用水时，阀门F1，F4关闭，F2，F3打开，热水在保温水箱和集热器中流动。T1传感器实时检测温度。用水时，阀门F4打开，传感器T2检测水位，当水位低于设定最小值时打开阀门F1给水箱供水。当阳光不足时，温度传感器T1检测水温不在升高且达不到设定值，则发出命令启动从系统进行电加热。整个系统循环运作，可以达到24小时提供热水的目的。2.2控制器的总体设计2.2.1设计思想及实现功能本文设计的太阳能热水器控制器以AT89C52单片机为检测控制核心，采用DS12887 实时时钟，不仅实现了时间、温度和水位三种参数实时显示和模糊控制功能，而且具有时间设定、温度设定与控制功能。温度控制采用模糊控制， 控制器可以根据天气情况利用辅助加热装置使蓄水箱内的水温在设定时间达到预先设定的温度，从而达到24小时供应热水的目的。此款热水器包括主、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。它充分利用太阳能丰富的免费的资源优势，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。2.2.2方案论证方案一：基于FPGA(现场可编程门阵列)的太阳能热水器控制系统本方案利用EDA技术和VHDL语言，设计了基于FPGA的太阳能热水器控制系统，实现了系统的硬件电路及相关配套软件，使系统能够完成太阳能热水器温度、水位参数的采集和对采集数据实时记录、处理、分析、显示和控制等功能方案二：基于CPLD(复杂可编程逻辑控件)的太阳能热水器控制系统本方案以Altera公司的EPMl270芯片作为数据处理器，将外界各种电路检测得到的环境信息进行综合处理和分析，智能化地解决太阳能热水器日常使用中普遍存在的问题。方案三：基于AT89C52单片机的太阳能热水器控制系统本方案以AT89C52单片机为核心控制整个系统，选用合适的传感器及接口、键盘、显示电路，实现太阳能热水器的温度、压力、时间检测与控制。另外，从系统为点加热系统，在阳光不足的情况下实现辅助加热。综合三个方案的优缺点，从现实可行性、经济条件以及个人知识掌握情况考虑，本设计选用第三种方案。第三章 控制器硬件设计第三章控制器硬件设计3.1控制器原理框图根据设计思想，系统的硬件接口电路应包括：控制器实时时钟接口电路，蓄水箱温度和水位检测接口电路、按键电路，显示电路以及电辅助加热电路等。系统结构框图如图3-1所示：图3-1 控制器系统框图3.2单片机外围电路根据控制要求，由于本系统运算量不是很大， 没有太多的中间数据需要处理、保存，因此不再外扩数据存储器。仅使用单片机内部RAM已完全能够满足要求。因此本系统采用Atmel公司的单片机AT89C52作为热水器控制器系统的控制中心环节。主要从以下特点考虑：1.AT89C52是一种低电压，高性能CMOS 8位单片机，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，兼容标准MCS-51指令系统。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统提供高灵活，超有效的解决方案。 2.AT89C52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89C52可降至0KHZ静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机停止工作，直到一个中断或硬件复位为止。3.AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含8个中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线。AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。3.2.1晶振电路单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部震荡方式。本设计中，在引脚XTAL1和XTAL2端外接石英晶体振荡器，就构成了内部震荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自己震荡器，并产生震荡时钟脉冲。晶振通常选用6MHz，12MHz或24MHz。本设计选用12MHz晶振。如图3-2所示，电容C2，C3起稳定震荡频率，快速起震的作用。电容值通常为5-30pF。内部震荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中使用最多。3.2.2上电复位电路设计中用的是上电复位，是指单片机只要一上电，便自动的进入复位状态。图3-3是上电复位电路。当采用的晶体频率为12MHZ时，可采取C=10uF，R=8。2K2。图3-2 晶振电路图3-3 上电复位电路3.3控制器时钟接口电路设计为了给用户提供方便，本设计加入一种时间芯片，它可以为用户提供准确的时间及日期。具有良好的使用性质。本系统采用美国DALLAS半导体公司最新推出的时钟芯片DS12887，该芯片采用CMOS 技术，把时钟芯片所需的晶振和电池以及相关的电路集成到芯片内部，并与MC146818管脚完全兼容。DS12887芯片具有微功耗、外围接口简单、精度高，工作稳定可靠等优点，完全能够满足设计需要。3.3.1 DS12887时钟芯片简介DS12887的串行接口实时时钟芯片，采用CMOS 技术制成，具有内部晶振和时钟芯片备份锂电池，同时它与目前IBMAT常用计算机的时钟芯片MC146818B 和DS1287 管脚兼容，可直接取代。采用DS12887 芯片设计的时钟电路无需任何外围电路和器件，而且具有良好的微机接口。由于DS12887芯片功耗低，外围接口简单，精度高，运行稳定可靠等优点，可广泛用于各种高精度的实时时钟系统。美国Dallas公司推出数字时钟芯片DS12887/DS12C887，两种时钟芯片都采用24引脚双列直插式封装，其引脚接口逻辑和内部操作方式与MC146818 基本相同，所不同的是DS12887/DS12C887 芯片的内部集成了石英晶体、锂电池和其他支持电路，在没有外部供电的情况下，可以正确走时10年。可以计数时分秒、年月日和星期等信息，而且闰年补偿到2100有效；内部的闹钟寄存器用来保存闹钟时间，当实时时间等于闹钟时间时，在DS12887的IRQ引脚输出低电平，微控器可以利用此信号作为闹钟信号处理。主要技术特点1. DS12887/DS12C887 具有下列主要技术特点：(1) 具有完备的时钟、闹钟及日历功能，可以选择12小时制或24小时制计时，可以计数时分秒、年月日和星期等信息，而且闰年补偿到2100有效。(2) 具有可编程选择的周期性中断模式和多频率输出的方波发生器功能。(3) DS12887内部有14个时钟控制寄存器，包括10个时标寄存器，4个状态寄存器和114bit作掉电保护用的低功耗RAM。(4) 因为该芯片具有多种周期中断速率时钟中断功能，所以可以满足各种不同的待机要求，最长可达24小时，使用快捷方便。(5) 时标可选择二进制或BCD码表示。(6) 工作电压： + 4. 55. 5V、工作电流：715mA。(7) 工作温度范围：070C。2. DS12887内部结构及管脚说明DS12887/DS12C887为24引脚芯片，内部结构如图3-4所示。 图3-4 DS18B20内部框图其中：MOT：计算机总线选择端；SQW：方波输出，速率和是否输出由专用寄存器A、B的预置参数决定；AD0AD7：地址/数据(双向)总线，由AS 的下降沿锁存8位地址；R/W：读/写数据；AS：地址锁存信号端；DS：数据读信号端；CS：选通信号端，低电平有效；IRQ：中断申请，由专用寄存器决定；RESET：复位端；NC：空引脚。DS12887内部由振荡电路，分频电路，周期中断/方波选择电路，14字节时钟和控制单元，114字节用户非易失RAM，十进制/二进制计加器，总线接口电路，电源开关写保护单元和内部锂电池等部分组成。DS12887管脚分配如图3-5所示。图3-5 管脚分配图VCC：直流电源+ 5V 电压。当5V电压在正常范围内时，数据可读写；当VCC低于4.25V，读写被禁止，计时功能仍继续；当VCC下降到3V以下时，RAM和计时器供电被切换到内部锂电池。MOT: 总线模式选择，当此脚接到VCC时，选择的是Motorala总线时序，当它接地或不接时，选用的是Intel总线时序。SQW(方波信号输出)：管脚能从实时时钟内部15级分频器的13个抽头中选择一个作为输出信号，其输出频率可通过对寄存器A编程改变。当VCC低于4.25V时没有作用。AD0 AD7(双向地址/ 数据复用线)：总线接口，可与MOTOROLA微机系列和INTEL 微机系列接口。AS：地址锁存允许端，用于实现信号分离，在AD/ ALE 的下降沿把地址锁入DS12887。DS(数据选通或读输入)：DS/ RD 管脚有两种操作模式，取决于MOT管脚的电平，当使用MOTORO2LA 时序时，DS是一正脉冲，出现在总线周期的后段，称为数据选通；在读周期，DS指示DS12887驱动双向总线的时刻； 在写周期，DS的后沿使DS12887锁存写数据。选择INTEL时序时，DS称作(RD)，RD与典型存贮器的允许信号(OE) 的定义相同。R/W(读/ 写输入) ： R/ W 管脚也有两种操作模式。选MOTOROLA 时序时，R/W 是一电平信号，指示当前周期是读或写周期，DS为高电平时，R/ W高电平指示读周期，R/W 信号是一低电平信号，称为WR。在此模式下，R/ W管脚与通用RAM 的写允许信号(WE) 的含义相同。CS(片选输入)：在访问DS12887 的总线周期内片选信号必须保持为低。IRQ(中断申请输入)：低电平有效，可作微处理的中断输入。没有中断的条件满足时，IRQ处于高阻态。IRQ线是漏极开中输入，要求外接上接电阻。RESET(复位输出)：复位端对时钟、日历、RAM无效，系统上电时复位端要保持低电平200ms以上DS12887才可以正常工作。3. DS12887/ DS12C887 内部寄存器的功能因DS12887 和DS12C887 结构功能上类似，现以DS12887 为例说明如下：CPU通过读DS12887的内部时标寄存器得到当前的时间和日历，也可通过选择二进制码或BCD码初始化芯片的10个时标寄存器。其114bit非易失性静态RAM 可供用户使用，对于没有RAM的单片机应用系统，可在主机掉电时来保存一些重要的数据。DS12887 的4个状态寄存器用来控制和指DS12887模块的当前工作状态，除数据更新周期外，程序可随时读写这4个寄存器，各寄存器的功能和作用如下。寄存器A各位不受复位的影响，UIP 位为只读位，其它各位均可读写。寄存器的控制字的格式如下表3-1所列： 表3-1 DS12887 控制寄存器A 各布尔位定义： BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0 UIP DV2 DV1 DV0 RS3 RS2 RS1 RS0 (1) IP 位：更新周期标志位。该位为“1”时，表示芯片正处于或即将开始更新周期，此时程序不准读写时标寄存器；该位为“0”时，表示至少在244s 后才开始更新周期，此时程序可读芯片内时标寄存器。该位是只读位。(2)DV0 、DV1 、DV2 ：芯片内部振荡器RTC 控制位。当芯片解除复位状态，并将010写入DV0、DV1、DV2后，另一个更新周期将在500ms后开始。因此，在程序初始化时可用这三位精确地使芯片在设定的时间开始工作。这与MC146818 不同的是，DS12887固定使用32 768Hz 的内部晶体，所以，DV0 =“0”，DV1 =“1”，DV2 =“0”，即只有一种010的组合选择即可启动RTC。(3)RS3、RS2、RS1、RS0：周期中断可编程方波输出速率选择位。各种不同的组合可以产生不同的输出。程序可以通过设置寄存器B的SQWF 和PIE 位控制是否允许周期中断和方波输出。其寄存器A输出速率选择位如表3-2所列。表3-2 DS12887 控制寄存器A 输出速率选择位定义 寄存器A输出速率选择位 32768Hz时基RS3RS2RS1RS0中短周期SQWF输出频率(Hz) 0 0 0 0 无无 0 0 0 1 3.90625ms256 0 0 1 0 7.8125ms128 0 0 1 1 122.0us8.192k 0 1 0 0244.141us4.096k 0 1 0 1488.281us2.048k 0 1 1 0976.5625us1.024k 0 1 1 11.953125ms512 1 0 0 03.90625ms256 1 0 0 17.812ms128 1 0 1 015.625ms64 1 0 1 131.25ms32 1 1 0 062.5ms16 1 1 0 1125ms8 1 1 1 0250ms4 1 1 1 1500ms2 注释：寄存器B允许读写，主要用于控制芯片的工作状态。寄存器B的控制字的格式如表3-3所列。表3-3 DS12887 控制寄存器B各布尔位定义 BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0 SET PIE ALE UIE SQWE DW 24/21 DSE (a) SET 位：时间更新正常进行，每秒计数1次；SET=1：禁止更新，程序可初始化时间和日历。 (b)PIE、AIE、UIE 位：分别为周期中断、报警中断、更新周期结束中断允许位。各位为“1”时，允许芯片发相应的中断;各位为“0”时，禁止芯片发相应的中断。 (c)SQWE 位：方波输出允许位。SQWE=1，将RS3，RS2，RS1，RS0选定的方波输出；SQWE =“0”，脚SQW保持低电平。 (d) DM 位：时标寄存器用十进制BCD 码表示或用二进制表示格式选择位。DM =“0”时，为十进制BCD码；DM =“1”时，为二进制码。该位不受复位信号影响。 (e) 24/ 12 位： 24/ 12 小时模式设置位。24/12位=“1”时，表示24 小时工作模式；24/ 12 位=“0”时，表示12 小时工作模式。 (f)DSE位：夏令时允许位。DSE=“1”， 采用夏时制，夏时制结束可自动刷新恢复时间；DSE=“0”，不采用夏时制。寄存器C的控制字的格式如表4所列。该寄存器的特点是程序访问读该寄存器后，该寄存器的内容将自动清零，从而使IRQF 标志位变为高电平，否则，芯片将无法向CPU 申请下一次中断。表3-4 DS12887 控制寄存器C各布尔位定义 BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0 IRPF PF AF UF 0 0 0 0 (a) IRQF位：中断申请标志位。该位逻辑表达式为：IRQF = PFPIE +AFAIE+UFUIE。当IRQF位变“1”时，引脚将变低电平引发中断申请。(b) PF、AF、UF 位：这三位分别为周期中断、报警中断、更新周期结束中断标志位。PF=1：方波周期结束，申请中断。AF=1：当前时间与闹铃时间匹配时即刻申请中断。UF=1：更新周期结束时申请中断。(c) BIT3BIT0 ：未定义的保留位。读出值始终为0 。寄存器D为只读寄存器。寄存器D的控制字的格式如表3-5所示。表3-5 DS12887 控制寄存器D 各布尔位定义 BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0 IRPF PF AF UF 0 0 0 0 (a) VRT 位：内部锂电池状态。VRT=1:锂电池正常；VRT=0:锂电池耗尽。读该寄存器后，该位将自动置“1”。(b) BIT6BIT0 位：保留位。读出的数值始终为0。3.3.2 时钟电路DS12887时钟芯片与AT89C52单片机的接口电路见下图3-6。图3-6 DS12887与单片机接口电路模式选择脚MOT接地， 选择INTEL时序。DS12887 的高位地址用89C52的P14选择，则时钟芯片的高8位地址为EFH，而其低8位地址则由芯片内部各单元的地址来决定(00H80H)，DS12887 的中断输出端IRQ接上拉电阻，同89C52中断线INTO相连，为单片机提供中断信号。SQW端口编程为2Hz方波输出，经二分频后，驱动两个LED发光二极管作为时钟的秒闪烁示3。3.4温度检测电路设计为了实现对水箱内水温的实时检测，蓄水箱温度检测电路采用DS18B20芯片，该芯片将采集到的温度信号转换成脉冲信号，送到AT89C52的I/O 口(编程为计数器工作模式)，通过测量输出脉冲频率的大小来换算成水温高低信号。3.4.1数字温度传感器DS18B20主要特性一线式数字温度传感器DS18B20是DS1820的更新换代产品(由美国DA IIAS公司生产)。它具有体积小，分辨率高，转换快等优点。由于每片DS18B20 含有唯一的硅串行数， 所以在一条总线上可以挂接多达248 2181014只DS18B20，再加上DS18B20 独特的单线总线结构，决定了DS18B20 特别适合于大型的多路温度实时测控系统的温度检测。温度实时测控集装箱的设计， 在实现测控系统的温度检测方面就较好地利用了DS18B20 的独到特点，使系统得到了极大的简化。DS18B20的特性如下：（1）单线结构，只需一根信号线和CPU相连。（2） 不需要外部元件，直接输出串行数据。（3）可不需要外部电源，直接通过信号线供电，电源电压范围为3.3V5V。（4）测温精度高，测温范围为：一55+125，在-10+85范围内，精度为O.5。（5）测温分辨率高，当选用12位转换位数时，温度分辨率可达00625。（6）数字量的转换精度及转换时间可通过简单的编程来控制：9位精度的转换时间为9375 ms：10位精度的转换时间187.5ms：12位精度的转换时间750ms。（7）具有非易失性上、下限报警设定的功能，用户可方便地通过编程修改上、下限的数值。（8）可通过报警搜索命令识别哪片DS18820采集的温度超越上、下限。数字化温度传感器DS1820测温范围为- 55+125 ，增量值为0。5 (9位温度读数)，它主要由4个数据部件部分组成：64位ROM；温度传感器；非易失性的温度告警触发器TH 和TL；高速便笺存储器64 位ROM用于存储序列号，其首字节固定为28H，表示产品类型码，后6个字节是每个器件的编码，最后1个字节是CRC 校验码。 温度告警触发器TH和TL 存储用户通过软件写入的报警上下限值，高速便笺存储器由9个字节组成，其中有2个字节RAM单元用来存放温度值前1个字节为温度值的补码低8位，后1个字节为符号位和温度值的补码高3位。DS18B20在使用时，一般都采用单片机来实现数据采集。只需将DS18B20 信号线与单片机1位I/O线相连，且单片机的1位I/O线可挂接多个DS18B20，就可实现单点或多点温度检测。DS18B20传感器精度高、互换性好；它直接将温度数据进行编码，可以只使用一根电缆传输温度数据，通信方便，传输距离远且抗干扰性好：与用传统温度传感器组成的多点测温系统相比可节省大量电缆，而且系统得以简化，系统扩充维护十分方便。DS18B20 可以广泛用于工厂工业过程、大型粮仓、酿酒厂，食品加工厂的温度检测以及宾馆、仪器仪表室等处的温度检测和控制。3.4.2温度检测电路设计具体电路如图3-7所示：图3-7 温度检测电路工作原理：DS18B20的数据口与单片机相连，单片机P13口通过读口线数据，经处理后送LCD128*64显示4.5。3.5水位检测及键盘电路设计水位检测电路与键盘均是由按键开关组成，由于所用按键数量不多，只用单片机自身口线已经足够，因此采用独立式键盘设计，这样也使查询过程简单。3.5.1水位检测电路设计蓄水箱水位及温度检测部分是实现温度智能控制的重要环节，只有准确地检测出水位和温度，才能通过软件计算提前开始辅助加热的预加热时间。要实现辅助加热提前时间的精确计算，最好是采用连续液位传感器，但考虑系统成本，本设计仍采用分段式液位传感器(通过软件来提高精度)，在水位显示上也仍采用分段显示。在此设计中有四个水位段，分别是低水位、中水位、高水位和超高水位。在实用中，是利用水的导电性原理使电路通路从而判断水位。在本设计中通过四个单刀单掷开关K1-K4来表示这四种水位，通过扫描着四个开关的开启闭合状态从而判断出水位状态6.7。 图3-7 水位监测及显示接口电路检测原理如下：当水箱中无水时，8个非门均由1M欧姆电阻上拉成高电平， 所以图中各“非”门(CD4069) 输出均为低电平，LED1 LED8 均不亮。当水位高于“非”门1 的输入探针时，由于水的导电作用，使“非”门1 的输入变为低电平，所以其输出变为高电平，LED点亮，依此类推。随着水位的上升，各“非”门输出相继为高电平，LED依次点亮。这里要注意的是上拉电阻不能选择太小，因为水的电阻在100k8 左右，所以上拉电阻选择太小的话，将在水位升高时，无法把“非”门输入端拉成低电平。实验表明， 上拉电阻选择在500k1M欧姆左右能很好地满足电路的工作要求。为了使89C52 随时能够读出当前的水位情况，这里选用74LS244 作为状态输入缓冲器。蓄水箱温度检测电路采用DS18B20芯片使其换成脉冲信号，送到89C52的I/O 口(编程为计数器工作模式)，通过测量输出脉冲频率的大小来换算成水温高低信号。3.5.2键盘电路的设计由于本设计所使用的键盘数量不多，利用4个按键键盘来实现功能操作。4个按键分别为功能选择键，辅助加热开关以及设定值调节按键“+”和“-”。3.5.3总体电路设计将水位测量电路及按键电路组成独立式键盘形式，这样的设计有利于检测开关闭合情况及实现实时控制。电路图如图3-8所示。3.6显示接口电路的设计为了实现对水温水位以及时间的形象显示，本设计采用FYD128*64-0402B液晶显示模块。该模块为128*64点阵显示，不仅能显示汉字，而且可以显示图像，可以使实用者的操作更为简单，清晰。图3-8 矩阵键盘电路3.6.1 FYD128*64-0402B模块简介一概述128*64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864， 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集。利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616点阵的汉字。 也可完成图形显示。低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块8。基本特性：低电源电压（VDD：+3.0-+5.5V）显示分辨率：12864点内置汉字字库，提供8192个1616点阵汉字(简繁体可选)内置 128个16*8点阵字符2MHZ时钟频率显示方式：STN、半透、正显驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS视角方向：6点背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/51/10通讯方式：串行、并口可选内置DC-DC转换电路，无需外加负压无需片选信号，简化软件设计工作温度： 0 - +55 ，存储温度： -20 - +60 二模块主要硬件构成说明 控制器接口信号说明： RS，R/W的配合选择决定控制界面的4种模式，如表3-6所示：表3-6 四种模式 RS R/W 功能说明 L L MPU写指令到指令暂存器（IR） L H 读出忙标志（BF）及地址记数器（AC）的状态 H L MPU写入数据到数据暂存器（DR） H H MPU从数据暂存器（DR）中读出数据表3-7是对E信号的特殊说明。表3-7 E信号说明 E状态 执行动作 结果 高低 I/O缓冲DR 配合/W进行写数据或指令 高 DRI/O缓冲 配合R进行读数据或指令 低/低高 无