太阳能热水器的智能控制器设计p

哈尔滨理工大学学士学位论文 1 目录目录 摘摘 要要 I Abstract II 第一章 绪论第一章 绪论 1 1 太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析 1 2 太阳能热水器的应用及意义 第二章 第二章 太阳能热水器太阳能热水器的组成及工作原理的组成及工作原理 2 1 系统总体结构设计 2 2 太阳能热水器组成及原理 2 3 主要芯片的结构与特点 2 3 1 DS12887 实时时钟芯片简介 2 3 2 80C51 单片机结构特点 2 3 3 数字温度传感器 DS18B20 主要特性及测温原理 第三章 第三章 太阳能热水器太阳能热水器硬件设计硬件设计 3 1 太阳能控制器硬件结构 3 2 控制器实时时钟接口电路设计 3 3 水位检测和温度检测接口电路设计 3 4 看门狗和复位接口电路设计 3 5 键盘和显示接口电路设计 3 5 1 键盘电路 3 5 2 显示接口电路 3 6 光电隔离与辅助加热电路设计 第四章 控制器的软件设计第四章 控制器的软件设计 结束语结束语 参考文献参考文献 致谢致谢 附录附录 哈尔滨理工大学学士学位论文 2 太阳能热水器智能控制器的设计太阳能热水器智能控制器的设计 摘摘 要要 太阳能热水器以其诸多的优点受到人们的欢迎 本文结合实际太阳能 热水器的具体应用 在介绍太阳能 传感器 单片机的特点基础上 详细 描述了太阳能热水器的工作原理和设计方案 这里根据太阳能热水器对控 制器的要求与特点 提出了一种基于 DS12887 的太阳能热水器智能控制器 的设计方法 给出了系统硬件设计及软件实现方法 全文分三大部分 第一部分包括第一章 描述太阳能的利用和前景发 展状况 第二部分包括第二章 描述太阳能系统组成及工作原理 第三部 分包括第三 四章硬件设计及电路原理和软件设计 分别介绍了传感器的 特点及应用 一般的太阳能热水器及循环系统 单片机发展和原理 这也 是此款太阳能热水器的理论基础和必要前提 关键词 关键词 太阳能热水器 传感器 模糊控制 实时时钟 单片机 哈尔滨理工大学学士学位论文 3 Design of intelligent controller for Solar Water Heater Abstract Solar Water Heater is popular with its pretty benefits Based on author s real experience on Solar Water Heater design this article describes the working theory of this solar water hearer after introducing the characters of solar sensor Single Chip Microcomputer SCM According to the request and characteristic of Solar Water heater for the controller Providing a design of Intelligent Con troller for Solar Water heater based on DS12887 Sum up a design way of the system s hardware and software This article is divided into 3 parts Part One is Chapter 1 including the use and perspective of solar energy Part Two including Chapter 2 describing the including and the theory of this solar water heater Part three including Chapter 3 Chapter 4 the design of hardware and software the theory of the circuit Separately introducing the characters and use of transducer common solar water heater and cycle system the development and theory of Single Chip Microcomputer SCM which are the basic theory and necessary precondition 哈尔滨理工大学学士学位论文 4 Key Words Solar Water Heater Sensor Vague control Real clock Single Chip Microcomputer SCM 第一章 绪论第一章 绪论 1 11 1 太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析 目前 中国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国 年产量约为世 界各国之和 已有一百多家太阳能热水器生产厂 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 本文设 计的太阳能热水器控制器以 80C51 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 FUZZY 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 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 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 5 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 它充分利用太阳能的丰富的免费的资源的优势 同时考虑 哈尔滨理工大学学士学位论文 5 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 1 21 2 太阳能热水器的应用及意义太阳能热水器的应用及意义 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 太阳能热水器是以太阳能光热转换 利用温室效应和虹吸原理使水加 热的装置 此装置分为两个不同的概念 1 太阳能热水工程系统 这种系统由太阳能集热器 储水箱管线 补 水箱组成不同形式的热水系统 包括自然循环式 定温放水式等等 可构 成提供热水 10 吨到 100 吨的装置 大多提供集体单位使用 2 太阳能热水器是指将上述各种不见组装成一个小系统 提供家庭或 需要产热水 1 吨以下的单位使用 此种装置算为太阳能热水器 太阳能热 水器 或系统 均以其采光面积作为计量单位 一般 1 平方米光面积可产 热水 100 升 采光面积每种型号不同 一般在 1 5 2 0 平方米 我国从 六五 计划期间开始推广太阳能热水器 到目前全国已有 250 万平方米采光面积的太阳能热水器 厂家又几家发展到全国约有 180 家左右 是目前世界上推广最大的国家之一 而且形成了规模 形成了中 国特色的太阳能企业 有中国太阳能协会为中心的学术中心 以中国农村 能源企业协会太阳能热利用专业委员会为中心 制定了产品标准 测试条 件 产品合格证颁发等一系列措施 世界各国的太阳能热水器生产发展也很快 例如 澳大利亚政府规定 在北部地区新建房屋一定要设置太阳能热水器 西澳大利亚已有 25 的新 住宅安装了太阳能热水器 日本现在每年安装太阳能热水器近 50 万台 现在有 20 的家庭安装了 太阳能热水器 计划今后普及率达到 25 按照日本的 阳光计划 还将 为公寓 办公楼安装 6500 套太阳能热水系统 为工厂安装 1900 套工业用 太阳能热水系统 以色列的法令规定所有新建筑物必须配备太阳能热水器 目前普及率已超过 60 英 法 德 意 希腊五国到 2000 年底推广热水 器 600 万平方米 比 1990 年增长 2 倍多 国内外太阳能热水器使用量增长如此之快 其根本原因是 能源问题 哈尔滨理工大学学士学位论文 6 环保问题是当今世界各国面临的主要问题之一 太阳能热水器是节能 环 保产品 故受到广泛重视 发展极快 预计今后每年将以 15 20 的速度 发展 根据理论计算及实际应用证明 太阳能热水器每平方米光面积一年可 节约标准煤 200 300 公斤节电 1500 度 或节约液化气 180 公斤 采用本热水器与电热水器 燃气热水器相比 还具有绝对安全 最为 卫生的特点 在电费 液化气 煤气价格较高的地区 用户 1 3 年即收回 投资 在这以后提供的热水是免费的 设计可以参考以下的几个意见 1 在设计民用建筑时 若此地区没有集中热水供应 可给用户安装太 阳能热水器 以提供热水 提高住房的档次 在设计时将冷 热水管线预 埋 以平均每套住宅建筑面积 65 平方计算 工程造价大约每平方米增加 18 20 元 2 设计工厂浴室时 可考虑采用太阳能热水系统 每平方采光面积产 热水 100 升计算 100 平方米太阳能热水系统可产热水 10 吨 每人每次标 准用水 40 升 可解决 250 人的洗浴用水 作为工厂中低温工业热水 可 根据当地各种各样的不同条件予以特殊设计 3 作为工厂中低温工业热水 可根据当地各种各样的不同条件予以特 殊设计 太阳能热水器的推广应用及经济效益据不完全统计 迄今全国太阳能 热水器累计安装使用总量已达 300 万平方米以上 所以该控制器具有使用 方便 性价比高 工作可靠 精度高等特为太阳能热水器的进一步推广具 有积极的推动作用 哈尔滨理工大学学士学位论文 7 第二章 第二章 太阳能热水器太阳能热水器的组成及工作原理的组成及工作原理 2 12 1 系统总体结构设计系统总体结构设计 排气管排气管 不锈钢保温水箱不锈钢保温水箱 图图2 12 1系统结构图系统结构图 图2 1为系统设计的结构图 该图的系统控制原理图如下图2 2 哈尔滨理工大学学士学位论文 8 T3 T2 F F 3 3 热 集 水 热 太阳光 F1 箱 器 T1 D D 自来水 F2 图图2 22 2 系统控制原理图系统控制原理图 注释 T1 热水箱的温度传感器 T2 循环水管中的温度传感器 T3 集热器中的温度传感器 F1 循环水阀门 F2 冷水阀门 F3 热水阀门 此款热水器利用微机控制主要有以下几种控制功能 晨水加热控制 温水 循环控制 冷水集热控制 水箱加热控制 1 早晨水温控制 哈尔滨理工大学学士学位论文 9 由于清晨太阳光较弱 所以太阳能热水器从系统发挥作用 为了提供 温度不低于 30 摄氏度的水 热水器在清晨 4 7 点之间对水箱进行电加热 具体控制过程如下 首先 关闭冷水阀门 F2 和循环水阀门 F1 然后微机开始进行水箱的 温度采集 同时进行温度的比较 当水箱的温度小于 30 摄氏度时 电热 器 D 接通进行加热 同时微机继续对热水箱的温度进行采集 当温度加热 到大于 30 摄氏度时电热器断开 如此反复循环保证了温度的稳定 2 循环水集热过程 早晨水温控制之后 7 9 点 设定当日的水箱温度 N 由两位 BCD 次齿轮开关设定 输入微机 再利用微机控制系统 通过太阳光能对热 水箱加热以达到理想温度 N 具体控制过程如下 打开循环阀门 F1 关闭冷水进水阀门 F2 热水阀门 F3 处于空控状态 然后开始比较温度 若 T3 T1 5 摄氏度 T2 T1 为止 如若 T1 N 那 么循环水集热过程结束 进入冷水集热控制过程 3 冷水集热控制 此时热水箱温度已达到了 N 冷水要进入太阳能集热器 这时温度为 T3 和当日的设定温度值相比较 若 T3 N 则将已加热的水送入热水箱 每天的控制时段大概为 9 点 20 点 具体控制过程如下 关闭循环水阀门 F2 打开冷水阀门 F2 热水阀门 F3 处于可控状态 若 T3 N 打开热水阀门 F3 并将保持一段时间 若 T3N 阀门 F3 继续保持打开状态 否则关闭 F3 可见 次过 程充分利用太阳光能转化为热能 方便快捷 4 水箱加热控制 此时 也许你会问如果没有日照或者日照较弱时 到了晚上我们是否 还能洗上热水澡吗 答案是肯定的 不要忘了这款热水器还有一个从系统 这时它就要发挥作用了 热水箱温度为 T1 将它和设定值 N 相比较 从而 控制是否打开电加热 控制时段为下午 具体过程如下 若 T1 N 电加热接通 否则 电加热断开 而且 15 点 20 点中的 每个小时有下表的关系 表一 时间 时 温度比较 加热值 度 15 T1 35 N 35 16 T1 40 N 40 17 T1 45 N 45 18 T1 50 N 50 19 T1 55 N 55 20 T1 60 N 60 哈尔滨理工大学学士学位论文 10 最终热水箱的温度加热到设定值N 由此可见 即使没有日照我们照样可 以洗上热水澡了 综上所述 太阳能供热控制系统不仅节约而且高度只能化 方便省事 不论日常家居 还是对宾馆 学校等都是最佳选择 2 22 2太阳能热水器组成及原理太阳能热水器组成及原理 6 6 5 5 4 4 7 7 2 2 1 1 3 3 2 32 3 热水器装置简图热水器装置简图 1 1 集热器集热器 2 2 下降水管下降水管 3 3 循环水管循环水管 4 4 补给水箱补给水箱 5 5 上升水管上升水管 6 6 自来水管自来水管 7 7 热水出水管热水出水管 热水器主要由集热器 循环管道和水箱等组成 图中为典型的热水器 装置图 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 另一端与集热器 1 的下集管接通 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 哈尔滨理工大学学士学位论文 11 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 32 3 主要芯片的结构与特点主要芯片的结构与特点 2 3 1 DS128872 3 1 DS12887 时钟芯片简介时钟芯片简介 随着 2000 年的即将来临 千年虫 问题成为困扰当今世界的一大 难题 过去采用两位数表示年度的日历系统将要用四位数来表示 因此有 关的计算机操作系统和应用软件都要作相应的修改 据此 美国达拉斯半 导体公司 Dallas 最新推出 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 计 算机常用的时钟芯片 MC146818B 和 DS1287 管脚兼容 可直接替换 它所 提供的世纪字节在位置 32h 世纪寄存器 32h 到 2000 年 1 月 1 日从 19 递 增到 20 采用 DS12887 芯片设计的时钟电路不需任何外围电路和器件 并具有良好的微机接口 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 可广泛用于各种需要较高精度的实时时钟系统 美国 Dallas 公司推出两款数字时钟芯片 DS12887 DS12C887 两款时钟芯 片都将在 1999 年 12 月 31 日 23 时 59 分 59 秒时顺利地跳到 2000 年 1 月 1 日零时 并能实 2000 年 2 月 29 日的闰年提示 是时钟芯片 DS1287 的 增强型品种 结构上相当于 MC146818B 的改进型 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 基本一致 所不同的是 DS12887 DS12C887 芯片的晶体振荡器 振荡电路 充电电路 和可充电锂电池等一起封装在芯片的上方 组成一个加厚的集成电路模块 因此 DS12887 DS12C887 时钟芯片无需 MC146818 的电源电位检测端 PS 电路通电时其充电电路便自动对可充电电池充电 充足一次电可供 芯片时钟运行半年之久 正常工作时可保证时钟数据十年内不会丢失 此 外 片内通用的 RAM 为 MC146818 的两倍以上 DS12887 DS12C887 内部 有专门的接口电路 从而使得外部电路的时序要求十分简单 使它与各种 微处理器的接口大大简化 使用时无需外围电路元件 只要选择引脚 MOT 电平 即可和不同计算机总线连接 1 1 主要技术特点主要技术特点 DS12887 DS12C887 具有下列主要技术特点 哈尔滨理工大学学士学位论文 12 1 具有完备的时钟 闹钟及到2100年的日历功能 可选择12小时制 或24小时制计时 有AM和PM 星期 夏令时间操作 闰年自动补偿等功能 2 具有可编程选择的周期性中断方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 由于该芯片具有多种周期中断速率时钟中断功能 因此可以满足 各种不同的待机要求 最长可达24小时 使用非常方便 5 时标可选择二进制或BCD码表示 6 工作电压 4 5 5 5V 工作电流 7 15mA 7 工作温度范围 0 70 C 2 2 DS12887 DS12887 DS12C887DS12C887 的内部结构的内部结构 DS12887 DS12C887为24引脚芯片 内部结构如下图 图图2 42 4 DS18B20DS18B20内部框图内部框图 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 AD0 AD7 地址 数据 双向 总线 由 哈尔滨理工大学学士学位论文 13 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 图图2 52 5 管脚分配图管脚分配图 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 模式选择 MOT 管脚接到VCC时 选择MOTOROLA时序 当接到 GND 时 选择INTEL时序 SQW 方波信号输出 SQW 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 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 地址选通输入 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 哈尔滨理工大学学士学位论文 14 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 当 该脚保持低电平时间大于200ms 保证DS12887有效复位 3 DS12887 3 DS12887 DS12C887DS12C887 内部寄存器的功能内部寄存器的功能 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 2 所列 表2 DS12887 控制寄存器A 各布尔位定义 IT7 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 244 s 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 哈尔滨理工大学学士学位论文 15 表3所列 表3 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 32 768Hz 时基 RS3 RS2 RS1 RS0 中断周期 SQWF输出频 0 0 0 0 无 无 0 0 0 1 3 90625ms 256Hz 0 0 1 0 7 8125ms 128Hz 0 0 1 1 122 0 s 8 192kHz 0 1 0 0 244 141 s 4 096kHz 0 1 0 1 488 281 s 2 048kHz 0 1 1 0 976 5625 s 1 024kHz 0 1 1 1 1 953125ms 512Hz 1 0 0 0 3 90625ms 256Hz 1 0 0 1 7 812ms 128Hz 1 0 1 0 15 625ms 64Hz 1 0 1 1 31 25ms 32Hz 1 1 0 0 62 5ms 16Hz 1 1 0 1 125ms 8Hz 1 1 1 0 250ms 4Hz 1 1 1 1 500ms 2Hz 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 4 所列 表4 DS12887 控制寄存器B各布尔位定义 BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0 SET PIE AIE UIE SQWE DM 24 12 DSE 1 SET 位 当该位为 0 时 芯片处于正常工作状态 每秒产生 一个更新周期来更新时标寄存器为 1 时 芯片停止工作 程序在此期 间可初始化芯片的各个时标寄存器 2 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 3 SQWE 位 方波输出允许位 SQWE 1 按寄存器A 输出速率选 择位所确定的频率输出方波 SQWE 0 脚SQW保持低电平 4 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 5 24 12 位 24 12 小时模式设置位 24 12位 1 时 为24 小时工作模式 24 12 位 0 时 为12 小时工作模式 6 DSE 位 夏令时服务位 DSE 1 夏时制设置有效 夏时制结束可 哈尔滨理工大学学士学位论文 16 自动刷新恢复时间 DSE 0 无效 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5 DS12887 控制寄存器C各布尔位定义 BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0 IRQF PF AF UF 0 0 0 0 1 IRQF位 中断申请标志位 该位逻辑表达式为 IRQF PF PIE AF AIE UF UIE 当IRQF位变 1 时 引脚将变低电平引发中断申请 2 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 只要满足各中断的条件 相应的中断标志位将置 1 3 BIT3 BIT0 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6所示 表6 DS12887 控制寄存器D 各布尔位定义 BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0 VRT 0 0 0 0 0 0 0 1 VRT 位 芯片内部RAM 与寄存器内容有效标志位 该位为 1 时 指芯片内部RAM 和寄存器内容有效 读该寄存器后 该位将自动置 1 2 BIT6 BIT0 位 保留位 读出的数值始终为 0 4 4 DS12887 DS12C887DS12887 DS12C887 的中断和更新周期的中断和更新周期 DS12887 DS12C887 处于正常工作状态时 每秒钟将产生一个更新周 期 芯片处于更新周期的标志是寄存器A中的UIP位为 1 在更新周期 内 芯片内部时标寄存器数据处于更新阶段 故在该周期内 微处理器不 能读芯片时标寄存器的内容 否则将得到不确定数据 更新周期的基本功 能主要是刷新各个时标寄存器中的内容 同时秒时标寄存器内容加1 并 检查其他时标寄存器内容是否有溢出 如有溢出则相应进位日 月 年 另外一个功能是检查三个时 分 秒报警时标寄存器的内容是否与对应时 标寄存器的内容相符 如果相符则寄存器C中的AF 位置 1 如果报警 时标寄存器的内容为C0H至FFH之间的数据 则为不关心状态 为了采样时标寄存器中的数据 DS12887 DS12C887 提供了两种避开 更新周期内访问时标寄存器的方案 第一种是利用更新周期结束发出的中 断 它可以编程允许在每次更新周期结束后发生中断申请 提醒 CPU 将有 998ms 左右的时间去获取有效的数据 在中断之后的 998ms 时间内 程序 哈尔滨理工大学学士学位论文 17 可先将时标数据读到芯片内部的不掉电静态 RAM 中 因为芯片内部的静态 RAM 和状态寄存器是可随时读写的 在离开中断服务子程序前应清除寄存 器 C 中的 IRQF 位 另一种是 利用寄存器 A 中的 UIP 位来指示芯片是否 处于更新周期 在 UIP 位从低变高 244 s 后 芯片将开始其更新周期 所以检测到 UIP 位为低电平时 则利用 244 s 的间隔时间去读取时标信 息 如检测到 UIP 位为 1 则可暂缓读数据 等到 UIP 变成低电平后 再去读数据 2 3 22 3 2 80C5180C51 单片机结构特点单片机结构特点 微型计算机的出现与发展已广泛应用到各行各业中 使人们的日常生 活工作都发生了重大变化 如果没有微型计算机 人们的工作生活的质量 都受到很大的损失 单片微型计算机是微型计算机发展中的一个重要分支 其独特的结构与性能 越来越普及地应用于国民经济的各个领域 以下主 要介绍 80C51 单片机 它与微型计算机的区别是什么 单片机发展概况 它的特点和应用 通过对本节的学习 使大家对单片微型计算机有个初步 的认识和了解 一 单片机的组成 单片微型计算机简称单片机 它在一块芯片上集成了各种功能部件 中央处理器 CPU 随机存取存储器 RAM 只读存储器 ROM 定时器 计数器 和各种输入 输出 I O 接口 如并行 I O 口 串行 I O 口和 A D 转换器 等 他们之间相互连接图如 2 6 图 构成一个完整的微型计 算机 哈尔滨理工大学学士学位论文 18 图图 2 62 6 单片机结构框图单片机结构框图 二 80C51 单片机的引脚描述及片外总线结构 1 芯片的引脚描述 CHMOS 制造工艺的 80C51 单片机采用 40 引脚的双列直插封装 DIP 方 式 在单片机的 40 条引脚中有 2 条专用于主电源的引脚 2 条外接晶体 的引脚 4 条控制与其它电源复用的引脚 32 条输入 输出 I O 引脚 下面按其引脚功能为四部分叙述这 40 条引脚功能 1 电源引脚 VCC 和 VSS 其中 VCC 40 脚 接 5V 电压 VSS 20 脚 接地 2 接晶体引脚 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1 19 脚 接外部晶体的一个引脚 在单片机内部 它是一个反 相放大器的输入端 这个放大器构成了片内振荡器 当采用外部振荡器时 对 CHMOS 单片机 此引脚作为驱动端 XTAL2 18 脚 接外部晶体的另一 端 在单片机内部 接至上述振荡器的反相放大器的输出端 采用外部振 荡器时 对 CHMOS 单片机 该引脚悬浮 3 控制或与其他电源复用引脚 RST VPD ALE PROG PSEN 和 EA VPP ST VPD 9 脚 当振荡器运行时 在此引脚上出现两个机器周期的高电 平将使单片机复位 推荐在此引脚与 VSS 引脚接一个约 8 2K 的下拉电阻 与 VCC 引脚之间连接一个约 10uf 的电容 以保证可靠地复位 4 VCC 掉电期间 此引脚可接上备用电源 以保持内部 RAM 的数据不丢 失 当 VCC 主电源下掉到低于规定的电平 而 VPD 在其规定的电压范围内 VPD 就向内部 RAM 提供备用电源 5 ALE PROG 30 脚 当访问外部存储器时 ALE 允许地址锁存 的 输出用于锁存地址的低位字节 即使不访问外部存储器 ALE 端仍以不变 的频率周期性地出现正脉冲信号 此频率为振荡器频率的 1 6 因此 它 可用作对外输出的时钟 或用于定时目的 然而要注意的是 每当访问外 部数据存储器时 将跳过一个 ALE 脉冲 ALE 端可以驱动 吸收或输出电 流 8 个 LS 型的 TTL 输入电路 对于 EPROM 型的单片机 在 EPROM 编程期 间 此引脚用于输入编程脉冲 PROG 6 RSEN 29 脚 此脚的输出是外部程序存储器的读写选通信号 在 从外部程序存储器取令 或常数 期间 每个机器周期两次 PESN 有效 但在此期间 每当访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将不 出现 PSEN 同样可以驱动 吸收或输出 8 个 LS 型的 TTL 输入 7 EA VPP 当 EA 端保持高电平时 访问内部程序存储器 但在 PC 程 序计数器 值超过 0FFFH 时 将自动转向执行外部程序存储器内的程序 当 EA 保持低电平时 则只访问外部程序存储器 不管是否有内部程序存 储器 对于常用的 80C51 来说 无内部程序存储器 所以 EA 脚必须常接 地 这样才能只选择外部程序存储器 对于 EPROM 型单片机 在 EPROM 编 哈尔滨理工大学学士学位论文 19 程期间 此引脚也用于施加 21 伏的编程电源 VPP 输入 输出 I O 引脚 P0 P1 P2 P3 共 32 根 a P0 口 39 脚 32 脚 是双向 8 位三态 I O 口 外接存储器时 与地址总线的低 8 位及数据总线复用 能以吸收电流的方式驱动 8 个 LSTTL 负载 b P1 口 1 脚 8 脚 是 8 位准双向 I O 口由于这种接口输出没有 高阻状态 输入也不能琐存 故不是 真正的 I O 口 门口能驱动 吸收 或输出电流 4 个 LSTTL 负载 对 8052 8032 P1 0 引脚的第二功能为 T2 定时 计数器的外部输入 P1 1 引脚的第二功能为 T2EX 捕捉 重装触 发 即 T2 的外部控制端 对 EPROM 编程和程序验证时 它的接收低 8 位 地址 c P2 口 21 脚 28 脚 是 8 位准双向 I O 口 在访问外部存储器 时 它可以作为扩展电路高 8 位地址总线送出高 8 位地址 在对 EPROM 编 程和程序验证期间 它的接收高 8 位地址 P2 可以驱动 吸收或输出电流 4 个 LSTTL 负载 d P3 口 10 脚 17 脚 是 8 位准双向 I O 口 在 80c51 中 这 8 个引脚还用于专门功能 是复用双功能口 P3 能驱动 吸收或输出电流 4 个 LSTTL 负载 作为第一功能用时 就作为普通的 I O 口用 功能和操 作方法与 P1 口相同 表 6 口线 引脚 第二功能 P3 0 10 RXD 串行输入口 P3 1 11 TXD 串行输出口 P3 2 12 INT0 外部中断 0 P3 3 13 INT1 外部中断 1 P3 4 14 T0 定时器 0 外部输入 P3 5 15 T1 定时器 1 外部输入 P3 6 16 WR 外部数据存储器写脉冲 P3 7 17 RD 外部数据存储器读脉冲 值得强调的是 P3 口的每一条引脚都可以独立定义第一功能的输入输出或 第二功能 2 3 32 3 3 数字温度传感器数字温度传感器 DS18B20DS18B20 主要特性及测温原理主要特性及测温原理 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 哈尔滨理工大学学士学位论文 20 DS18B20 含有唯一的硅串行数 所以在一条总线上可以挂接多达248 218 1014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 一 一 DS18B20DS18B20的特性的特性 1 独特的单线接口方式 DS18B20 在I O处理器连接时 仅需要一个 I O 口即可实现微处理器同DS18B20的双向通讯 2 DS18B20支持组网功能 多个DS18B20可以并联在唯一的单线上 实 现多点测温 3 DS18B20 的测温范围为 55 125 在 10 85 时 其精度为 015 4 DS18B20的测温结果的数字量位数从9 12位 可编程进行选择 5 DS18B20内含寄生电源 器件既可以由单线总线供电 也可用外部 的电源 310V 515V 供电 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 二 二 DS18B20DS18B20 测温原理测温原理 DS18B20内部结构框图 如图2 3 3所示 哈尔滨理工大学学士学位论文 21 2 72 7 DS18B20DS18B20内部结构框图内部结构框图 DS18B20 的测温原理 DS18B20 测量温度采用了特有的温度测量技术 它是通过计数时钟周期来实现的 内部计数器对一个受温度影响的振荡器 的脉冲计数 低温时 振荡器的脉冲可以通过门电路 而当到达某一设置高 温时 振荡器的脉冲无法通过门电路 计数器设置为 55 同时 计数 器复位在当前的温度值时 电路对振荡器的温度系数进行补偿 计数器重 新开始计数直到回零 如果门电路仍未关闭 则系统重复上述过程 三 三 DS18B20DS18B20的操作协议的操作协议 DS18B20单纯通信功能是分时完成的 单线信号包括复位脉冲 响应脉 冲 写 0 写 1 读 1 它们有严格的时隙概念 系统对DS18B20 的操作以ROM命令 5个 和存储器命令 6个 形式出现 对它的操作协议是 初始化DS18B20发复位脉冲 发ROM功能命令 处理数据 发存储器命令 处理数据 各种操作都有相应的时序图 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 哈尔滨理工大学学士学位论文 22 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 第三章 第三章 太阳能热水器太阳能热水器硬件设计硬件设计 3 1 3 1 太阳能控制器硬件结构太阳能控制器硬件结构 根据控制要求 采用 80C51 单片机的智能控制器结构框图如图 1 所示 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 80C51 内部 RAM 已完全能够满足要求 系 统的硬件接口电路包括 控制器实时时钟接口电路 蓄水箱温度和水位检 哈尔滨理工大学学士学位论文 23 测接口电路 设定键和串行显示接口电路 看门狗和复位接口电路以及继 电器输出接口电路等 图图 3 1 太阳能控制器硬件结构图太阳能控制器硬件结构图 3 2 3 2 控制器实时时钟接口电路控制器实时时钟接口电路 为实现热水器 24 小时供应热水的目的 控制器必须有一个实时时钟 来为系统提供准确的基准时间 在软件设计上则要实时地读出当前时间 同设定时间比较 以决定系统工作状态 本系统采用美国 DALLA S 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 它与 80C51 单片机的接口电路见下图 3 2 8 5V 哈尔滨理工大学学士学位论文 24 5 1K 5V 1K C 图图 3 2 DS12887 与单片机接口电路与单片机接口电路 模式选择脚 MOT 接地 选择 IN TEL 时序 DS12887 的高位地址用 80C51 的 P2 4 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 00H 80H DS12887 的中断输出端 IRQ 接上拉电阻 同 80C51 中断线 IN TO 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 为时钟的秒闪烁显示 3 3 3 3 水位检测和温度检测接口电路水位检测和温度检测接口电路 蓄水箱水位和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 水位检测部分的硬件连接如图 3 所示 哈尔滨理工大学学士学位论文 25 图图 3 33 3 水位监测及显示接口电路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