太阳能热水器智能控制设计

摘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（实时时钟）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。本文主要以控制器来实现对太阳能热水器的智能控制，通过传感器、单片机与实时时钟的相互结合，使太阳能热水器更加的智能化和人性化。关键词：太阳能热水器;传感器;实时时钟;单片机目录1.绪论1.1太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析.11.2太阳能热水器的应用及意义.12.太阳能热水器的组成及工作原理2.1系统总体结构设计.32.2太阳能热水器组成及原理.52.3主要芯片的结构与特点.62.3.1DS12887实时时钟芯片简介.62.3.280C51单片机结构特点.102.3.3数字温度传感器DS18B20主要特性及测温原理.133.太阳能热水器硬件设计3.1太阳能控制器硬件结构.153.2控制器实时时钟接口电路设计.153.3水位检测和温度检测接口电路设计.163.4看门狗和复位接口电路设计.173.5键盘和显示接口电路设计.173.5.1键盘电路173.5.2显示接口电路183.6光电隔离与辅助加热电路设计.194.控制器的软件设计4.1主程序设计204.2显示子程序215.总结.236.致谢.247.参考文献目录.258.附录.26第0页共33页第1章绪论1.1太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析伴随着住宅消费和人们对生活品质要求的不断提高，热水器已经成为普通中国人追求的商品。中国热水器市场主要集中在城镇。在社会已拥有的热水器中，燃气式占主流。城镇在用热水器中，电热水器与燃气热水器保有量的比例为30：70，农村在用的热水器中，电、气之比为22：78。但在城镇市场在销的热水器中，特别是在大中城市的大型综合性商场，燃气式与电热式平分天下，即目前市场各占五成。不包括太阳能热水器，中国热水器行业有一定规模的生产企业大约有200家。2005年在城镇燃气热水器的保有量为每百户40台，电热水器为每百户18台。虽然在保有量上电热水器还不能与燃气热水器相抗衡，但是电热水器的发展速度极快，它的增长幅度为16，大大高于燃气热水器10的增长幅度，其销售数量和销售收入两个方面都已超过了燃气热水器。2006年17月中国全国燃气热水器产量为3286552台，同比增长了-4.93。全国电热水器产量为4121385台，高于燃气热水器产量，比上年同期增长14.25。而太阳能作为一种绿色环保可再生能源，其开发和利用，因顺应中国的能源与环保政策，日益受到重视。加上日渐显现的全球能源危机，进一步加剧了太阳能热水器行业的发展。尽管前景光明，可因为太阳能热水器的能源利用率较低及它对建筑的诸多要求导致太阳能热水器行业的发展目前还存在很多障碍。在热水器的发展历程中，对热水器的安全节能要求贯穿始终，随着社会与热水器行业的发展，安全节能必将成为热水器行业间竞争的焦点及发展趋势。尽管热水器的细分行业各自有良好发展前景与发展障碍，但随着科技的进步，各细分行业的障碍必将得到解决与突破。另外，空气热能热水器等新兴细分行业的兴起，又为热水器行业注入了新鲜血液，随着热水器行业的发展，其总体前景必然光明。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。1.2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。第1页共33页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系统：（1）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）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1.52.0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。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)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)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)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。第2页共33页第2章太阳能热水器的组成及工作原理2.1系统总体结构设计不锈钢保温水箱图2-1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：热水箱集热器太阳光F1F3F2T2T3自来水DT1图2-2系统控制原理图第3页共33页注释：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D：电热器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)晨水温控制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)环水集热过程早晨水温控制之后（79点），设定当日的水箱温度N，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-T15摄氏度，T2T1）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)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T3N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F1，打开冷水阀门F2，热水阀门F3处于可控状态。若T3N，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)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T1N，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：第4页共33页表2-1时间（时）温度比较加热值（度）15T135N3516T140N4017T145N4518T150N5019T155N5520T160N60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智能化，方便省事，不论日常家居，还是对宾馆、学校等都是最佳选择。2.2太阳能热水器组成及原理6547213图2-3热水器装置简图1-集热器2-下降水管3-循环水箱4-补给水箱5-上升水管6-自来水管7-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。第5页共33页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。2.3主要芯片的结构与特点2.3.1S12887时钟芯片简介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)要技术特点DS12887/DS12C887具有下列主要技术特点：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。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。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。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。标可选择二进制或BCD码表示。工作电压：+4.55.5V、工作电流：715mA。第6页共33页作温度范围：070C。(2)12887/DS12C887的内部结构DS12887/DS12C887为24引脚芯片，内部结构如下图。图2-4内部结构图其中：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：第7页共33页图2-5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(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。AD0AD7(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)S12887/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2所列：表2-2DS12887控制寄存器A各布尔位定义IT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0UIPDV2DV1DV0RS3RS2RS1RS0IP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，第8页共33页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。D0V、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（老式时钟芯片）不同的是，DS12887固定使用32768Hz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。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所列。表2-3DS12887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中断周期SQWF输出频0000无无00013.90625ms256Hz00107.8125ms128Hz0011122.0s8.192kHz0100244.141s4.096kHz0101488.281s2.048kHz0110976.5625s1.024kHz01111.953125ms512Hz10003.90625ms256Hz10017.812ms128Hz101015.625ms64Hz101131.25ms32Hz110062.5ms16Hz1101125ms8Hz1110250ms4Hz1111500ms2Hz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2-4DS12887控制寄存器B各布尔位定义BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0SETPIEAIEUIESQWFDM24/12DSESET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。IE、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。SQWF位：方波输出允许位。SQWF“1”，按寄存器A输出速率选择位所确定的频率输出方波;SQWF=“0”，脚SQW保持低电平。第9页共33页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。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。DSE位：夏令时服务位。DSE=“1”，夏时制设置有效，夏时制结束可自动刷新恢复时间;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2-5DS12887控制寄存器C各布尔位定义BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0IRQFPFAFUF0000IRQF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。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”。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6所示。表2-6DS12887控制寄存器D各布尔位定义BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0VRT0000000VRT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”。BIT6BIT0位：保留位。读出的数值始终为0。（4）DS12887/DS12C887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。第10页共33页在UIP位从低变高244s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244s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。2.3.20C51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。（1）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（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。图2-6单片机结构框图（2）80C51单片机的引脚描述及片外总线结构芯片的引脚描述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。A电源引脚VCC和VSS。其中：VCC（40脚）接+5V电压。VSS（20脚）接地。B接晶体引脚XTAL1和XTAL2。XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。在单片机内第11页共33页部，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。C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。DVCC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。EALE/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）。FPSEN（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PSEN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。GEA/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。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。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。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。P3口（10脚17脚）：是8位准双向I/O口，在80c51中，这8个引脚还用于第12页共33页专门功能，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2-7口线引脚第二功能P3.010RXD（串行输入口）P3.111TXD（串行输出口）P3.212INT0(外部中断0)P3.313INT1(外部中断1)P3.414T0（定时器0外部输入）P3.515T1（定时器1外部输入）P3.616WR（外部数据存储器写脉冲）P3.717RD（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。2.3.3度传感器DS18B20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DAIIAS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2482181014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。（1）DS18B20的特性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。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。DS18B20的测温范围为:-55+125,在-10+85时,其精度为+15。DS18B20的测温结果的数字量位数从912位,可编程进行选择。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(310V515V)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第13页共33页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。（2）DS18B20测温原理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。DS18B20内部结构框图,如图2-7所示。64位ROM和单线接口电源检测存储器存储器控制逻辑8位CRC触发器温度传感器高温度触发低温度触发图2-7DS18B20内部结构框图（3）DS18B20的操作协议DS18B20单纯通信功能是分时完成的。该协议定义了几种信号类型：复位脉冲，应答脉冲时隙；写0，写1时隙；读0，读1时隙。与DS18B20的通信，是通过操作时隙完成单总线上的数据传输。发送所有的命令和数据时，都是字节的低位在前，高位在后。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第14页共33页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。第3章太阳能热水器硬件设计3.1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。水位及状态显示时间及温度显示时间及温度设定键盘接口74LS16474LS244接口DS12887RXDTXDT174LS244水位传感器隔离辅助加热器温度传感器80C51图3-1太阳能控制器硬件结构图3.2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第15页共33页确的基准时间；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。它与80C51单片机的接口电路见下图3-2。+5V1KC图3-2DS12887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(00H80H)，DS12887的中断输出端IRQ接上拉电阻，同80C51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显示。3.3位检测和温度检测接口电路水位检测部分的硬件连接如图3-3所示。第16页共33页图3-3水位监测及显示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。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，LED1LED8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100k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80C51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80C51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复位接口电路的设计控制器的看门狗电路由两级74LS123芯片组成。用P1.7作为单稳态触发器的定时脉冲发生端，当P1.7口线超过一定时间不对74LS123发正脉冲时，系统将自动复位（见附录）。3.5盘和显示接口电路的设计3.5.1键盘电路第17页共33页下图为80C51单片机P1口构成的中断方式4*4键盘电路。P1.0-P1.3为行线，P1.4-P1.7为列线，行线与4输入与门74HC21的一组输入端相连，输出端与外部中断INT1相连。16个键号Ki（I=0-15）次序如图中标注。图3-480C51P1口构成的4*4中断方式键盘行列式键盘处理程序较为复杂，当有键按下时74HC21输出端出现低电平请求中断；在中断服务程序中要再次确认是否真有键按下，真有键按下时，再查出是哪个键按下，把该键的键号送入堆栈保护，等待键释放后再将键号弹出A中。该键盘输入处理程序的出口状态是键号在A中。设计中断程序时，先在主程序中将中断系统初始化，并开中断。在试验演示中通常开中断都设置循环等待。3.5.2示接口电路的设计键盘和显示电路是人机交互的重要手段。控制键是用户干预系统运行的唯一接口，也是用户比较关心的问题。为了实现控制器对时间与温度的设定及显示功能，串行显示电路采用串入并出芯片74LS164驱动4位数码管实现时间与温度的静态显示。第18页共33页继电器图3-5串行口扩展的4位LED显示电路该电路只使用80C51的3个端口，配接4片串入并出移位寄存器74LS164与1片三端可调稳压器LM317T。其中74LS164的引脚Q0Q7为8位并行输出端;引脚A、B为串行输入端;引脚CLK为时钟脉冲输入端，在CLK脉冲的上升沿作用下实现移位，在CLK=0、清除端MR=1时，74LS164保持原来数据状态;MR=0时，74LS164输出清零，其显示电路如3.5.3图。其工作过程如下:80C51的串行口设定在方式0移位寄存器状态下，串行数据由P3.0发送，移位时钟由P3.1送出。在移位时钟的作用下，串行口发送缓冲器的数据一位一位地移入74LS164中。4片74LS164串级扩展为4个8位并行输出口，分别连接到4个LED显示器的段选端作静态显示。需要指出的是，由于74LS164无并行输出控制端，因而在串行输入过程中，其输出端的状态会不断变化，造成不应显示的字段仍有较暗的亮度，影响了显示的效果。以往的做法是在74LS164的输出端加接4片锁存器或三态门，使移位寄存器串行输入数据时其输出端的变化不反映到LED上，待串行输入结束后再打开锁存器或三态门，将稳定的显示数据送给LED。本设计电路的独特之处在于仅采用了1片三端可调稳压器LM317T，317T的3、2脚分别是电压输入、输出端，317T的1脚是电压调整端，脚2输出电压随脚1电压而变化。脚1与接地电阻之间并一个NPN三极管，它的基极受P1.7口线控制，串行输入时P1.7口线为高电平，三极管饱和导通使317T的脚1约为0.3V，脚2输出电压随之下降到1.5V，不足以使共阳极LED发光，故此时串行输入的影响不会反映到LED上；串行输入结束后，使P1.7口线为低电平，三极管截止，脚2输出电压因脚1电压增高便上升到2.0V使LED正常发光。因此，1片三端可调稳压器LM317T起到了4片锁存器的作用使LED显示不会闪烁。本电路的另一优点是通过可调电位器P1可在线调整脚2的输出电压，使LED的显示亮度均匀可调，而且省掉了大量的LED限流电阻。3.6光电隔离与辅助加热电路设计VCC第19页共33页VCCVCCR5P2.1KT1R1R2R3R4LEDT2GNDR6图3-6辅助加热电路图上图为太阳能热水器光电隔离与辅助加热电路设计。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，这一电路恰好能完成这一功能。工作原理：当单片机80C51P2.1口输出高电平时，三极管T1导通，致使发光二极管发光，同时光敏三极管T2导通，继电器闭合，电阻丝R1R4发热，这样就完成了加热任务，此电路虽然简单，但在太阳能热水器中是必不可少的。第4章控制器的软件设计4.1主程序设计热水器不论在什么样的天气里，都能够在设定的时间向用户提供设定温度的热水，从而给用户带来便利。当控制器在设定的时间使水温达到设定温度时，将通过声光报警提醒用户。第20页共33页根据这一要求，控制器软件设计采用模块化结构，包括主程序、键盘中断子程序、DS12887更新周期结束中断子程序、LED显示子程序和提前加热时间计算子程序等。系统主程序主要完成温度和水位的检测以及进行辅助加热时间预算和一些初始化功能。在主程序中采用了查表方法进行辅助加热提前量预算。系统主程序流程图如图4-1所示。开始系统初始化读温度时间设定值开中断读温度水位温度设定加热过预算提前加热时间时间到启动加热小于设定2开启恒温关闭加热NNNNYYYY图4-1系统程序流程图对于温度和时间设定，每次设定结束后，就将设定值存入DS12887的非易失性RAM中，下次开机时进行读取。这样作至少有两个优点：一是系统在不进行设定时，就认定该设定值和先前一次一样，解决了每次开机总要从头设定的问题，另一个是若系统在运行中间停电而再次来电时，可以不用重新设定，就能按原设定值对温度进行控制，增强了控制器适应外界变化的能力。对提前加热时间的计算，则是系统能否实现预定功能的重要一环。因为系统采用分段式水位检测，若采用能量守恒的方法对提前加热时间进行预算，也第21页共33页同样得不到精确的结果。为了避开繁琐的计算过程，本系统中采用了模糊控制思想，使用了如下一些控制语句：IF水位高AND温度差大THEN加热时间长IF水位适中AND温度差适中THEN加热时间适中IF水位低