基于单片机的太阳能热水器测控仪设计

学号:常州大学 毕业设计（论文(迎届)题 目 学 生学 院专业班级 校内指导教师专业技术职务 校外指导老师专业技术职务二一二年六月基于单片机的太阳能热水器测控仪设计摘要：如何很好的节约和利用能源，特别是可持续性能源，是人类所面临的重要问题。 太阳能热水器以其廉价、节能的特点，受到广大消费者的青睐，与之配套的控制器设计 问题一直受到人们的关注。本文提出了一种新型的太阳能热水器控制系统设计方案。本设计采用103-51系列 单片机八丁89052作为中央处理器，结合外围电路单元，采用液位传感器、温度传感器 丁 100、辅助加热电路、实时时钟、1602液晶显示屏、按键等模块，完成 时间、温度、水位的显示及设定功能。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。本文主要介绍了单片机太阳能热 水器测控仪的硬件、软件的设计和调试方法等内容。关键词：太阳能热水器；单片机；控制器；传感器#7116 1)801&I- 11161*8 II四 161 0！00101168这86过 011 110111)8101： 丁0 6 &11( 61161*27 08)601117 (匕已 1& 61161*8 1*06，18 3 1)101)16111 111 紂 11111(1 1138 &丁 116 81虹 21161*27 只6扯 18 1) 316 11101*6 &I &I 118 01131&01； 0 10 131*106 &11(1 10.八11(1 1116 *011611881X(乂已沁!)!运.八 110 8011 3X1*018)丁 1118 过68每打 )01*1:68 108-51 4011八丁89052 &8 01X31 01*08801*8，00011)1116(1 11)1 1116 136111611 011*01111： ：，1110 1186 0 11(5111(1 1661 ，1；6111|301&11116 ？丁 100 ，1；116 &11X111&1*7 1161118 011*01111：， 1*01 0100，1602 1.00 ，1)111:1:0118 0X1 0也61 1110(，00！1口1 过 111 0？ 此呵对111*6， 3X1 16乂亡1&11(1 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概述在资源紧张，环境污染的大背景下，太阳能热水器与传统的燃气热水器和电热水器 相比有着无可取代的优势，因此近几年太阳能热水器得到了蓬勃的发展。然而，目前市 场上的太阳能热水器控制系统大多存在功能单一、操作复杂、控制不便等问题。很多控 制器只具有温度和水位显示功能，却不具有温度控制功能，致使热水器在阴天不能方便 使用。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。所以研究智能型太阳能热水器测控仪有着极其深远的意义。0太阳能节能环保太阳能作为一种新能源，与常规能源相比，它有三大特点：第一，它是最丰富的能 源，可随时被我们利用。据估计，在过去的11亿年中，太阳只消耗了它本身能量的27。 因此可足够供给我们使用，可谓是取之不尽，用之不竭；第二，地球上，太阳能就在我 们的身边，我们可以随时就地开发利用，不存在任何运输问题。对于交通不发达的农村、 海岛和边远地区具有更优越的利用价值；第三，太阳能是一种洁净的能源。在开发利用 时，不会产生废渣、废水、废气、也没有噪音，更不会影响生态平衡。绝对不会造成污 染和公害。我国目前有13亿人口，3.5亿个家庭，按较低标准每户每天使用6摄氏度热水100 升，从冷水到热水升温45摄氏度计算，共需热量450千卡。折合电量5.2度，折合天然 气0.5立方米。按每度电0.50元，每立方米天然气。40元计算，每天分别需要2.6元（电) 或0.70元天然气按每月30天计算，分别需要72元和21元，每年分别需要864 元和252元。以上均为仅根据电和天然气热值进行的计算，尚未考虑电热器与燃气热水 器的热转换效率及由于结垢其值肯定会不断下降的影响。根据实际调查，一个家庭用电 热水器，全年的电费消耗约1000元，若使用太阳能热水器，其投资在20003000元之 间，两至三年节约的电费即可收回。2太阳能的价格趋于平民化近几年来，原油价格飞涨，以原油为原料的燃气价格也大幅上涨，燃气热水器的使 用成本大大增加，这给太阳能热水器产业带来了巨大的商机。现在的太阳能热水器越来 越受欢迎。据北大四季沐歌太阳能热水器经销商家说，近年来的销量比以前同期增长了 一倍。现在，越来越多的消费者认同太阳能热水器。也正因如此，全国各地出现了各种 品牌的太阳能热水器，这也给消费者带来了更多的选择性。今年的家电市场刮起了一阵节能风暴，节能家电成为一大卖点。太阳能热水器以节 能、安全、价格走低的趋势成为了人们关注的焦点。3安全可靠使用太阳能热水器没有人身危险，也没有环境污染，而使用燃气热水器有可能发生 煤气中毒事故；使用电热水器有可能发生触电身亡事故。据了解，太阳能热水器不仅能 以907。以上的效率将辐射能转换为热量，更能以近乎1007。的效率保存热水，使用效率 更高。它的确是一种很好的节能型“绿色”产品1.2 太阳能热水器发展概况及市场竞争分析1.2.1 国内外研究现状0国内研究现状我国太阳能历史可追溯到1958年，在上世纪70年代末起，我国就加大研发与生产 太阳能集热器。1979年前后我国有些单位迎头研发全玻璃真空管集热器。清华大学运用 电真空物理的背景，发明了专利是铝一氮化铝太阳选择性吸收涂层，在世界上开创用单 个铝阴极通过磁控射制备红外低发射率低层、铝一氮化铝吸收太阳光的陶瓷薄膜和淡化 铝减反膜三个部分。使用真空管的集热器可以在严寒、低太阳辐射下利用，很适合多种 气候。太阳能热利用产业的发展，在突破了太阳选择性吸收涂层的核心技术，通过产学研 结合，生产性能价格比较好的介质。国外研究现状国际上，太阳能热水器技术己日趋成熟，已达到了工业化生产阶段，作为商品进入 市场，综合起来，国外的太阳能热水器有以下几个特点：政府重视。它首先表现在政府投资大，譬如美国在78年到81年在太阳能供 热方面的投资每年都在1亿美元以上。随着投资的增长，太阳能领域里的人员和科研成 果增长的速度也都相应得到了提高。其次表现在各国都根据本国的情况，制订出了能源 政策，比如美国在能源政策和能源法案中，对国家投资、指定太阳能科研规定以及实行 税收优惠等经济措施分别作了规定。产品的高档化、大型化。由于国外一些主要利用太阳能国家的经济实力较强, 为了满足社会的需要，其太阳能热水器从设计、制作以及材料等都趋于高档化，而且在 太阳能热水器体统上附加诸如循环泵，专用阀、辅助电加热器等。当然价格也是比较高 的。去年北京举行的国际可再生能源展览会上，澳大利亚送展的一套家用太阳能热水器 售价达400多美元。但是，从另一方面看，其发展仍不平衡，一些发展中国家应用较为广泛的仍有不少 是较为低档的太阳能热水器。近年来，印度研究和使用的大都是日本早期产品一一集热 蓄热合一式太阳能热水器。产品多样化，技术上先进。国外近几年来主要发展的仍是管板式，并对降低 成本，提高效率和可靠性，以及简化设计和安装程序等都做了大量的研究工作，取得了 显著的进展。如热水器框架大都采铝挤压件，可以简化制造工艺并为玻璃的装配和吸热 板提供了可靠的支架。釆用人造橡胶和特制垫圈以解决漏水和因热应力作用而破裂的问 题，管道连接和安装配件己设计成便于快速安装的型式，虽然大部分仍采用回火玻璃做 为盖板，但也涌现出许多塑料和复合玻璃材料。普及面广。世界各国主要利用太阳能的国家如日本、美国、澳大利亚和以色 列等已将太阳能热水器发展到工业化生产阶段。日本有20多家工厂。澳大利亚有2多 家，新西兰有30多家工厂从事太阳能热水器的生产，使用的较为广泛。如日本有400 万多台热水器在运行，以色列有607。以上的家庭使用太阳能热水器。目前，全世界正在使用的太阳能热水器（保罗空气集热器）约达700余万平方米【2】。1.2.2 国内外太阳能热水器发展趋势近几年来，低温太阳能热水器的产量在国际上略有下降，这主要同国际石油价格下 跌有关，预计今后各国将在中高温太阳能热水器，包括充气集热器方面有较大的进展， 以利于使其在工业及釆暖、空调以及发电方面取得进展。各国还注意到使用新技术、新材料研制出更多品种的太阳能热水器。特别在提高热 性能，降低成本，使之不断提高和完善，使其比在常规能源有更大的竞争能力。特别是 太阳能的蓄能技术将把太阳能热水器推进到一个新的天地。我国太阳能热水器的势头仍处在上升阶段。预计这种势头持续24年，可能会出现 一个下降趋势，为此，从科研和生产上有一定思想准备，以防止和避免这种可能性的出 现。为此应当一方面发展新的技术和材料，使之能打进国际市场，另一方面结合中国的 国情，研制出使群众买得起，用得上的太阳能热水器。这样，高、中、低档的太阳能热 水器将同时出现，并发挥各自作用和效益。将太阳能热水器同城乡居民住房结合在一起，使之成为房屋的一种构件和装备，将 愈来愈受到人们的重视。同时将太阳能热水器同太阳房、太阳灶结合在一起的多种用途 的太阳能热利用装置将会出现，并引起人们的浓厚兴趣。总之，太阳能热水器作为家庭生活和社会的一种商品将会越来越多的出现在人们眼 前，将会发挥出更高的作用和效益。1.2.3 太阳能热水器的市场分析在太阳能产业的发展中，太阳能热水器的热利用转换技术无疑是最为成熟的，其产 业化进程也较光伏电池、太阳能发电等产业领先一步。但是目前市场还有待规范，消费 群体还有待培育，技术还有尚须改进，因而对于企业来说还有较大的成长空间。2007年，中国太阳能热水器产量的增长速度约为307。，年产量达2340万时 16380),总保有量约为10800万时75600410太阳能热水器寿命按10年 计算，1997年前的保有量作废 2007年，太阳能热水器市场销售额约为320亿元人民 币，产值亿元人民币以上的企业有20多家；2007年，太阳能热水器的出口额增长约为 287。，6500万美元左右，产品出口欧洲、美洲、非洲、东南亚等50多个国家和地区。中国太阳能热水器的年生产量是欧洲的2倍，北美的4倍，现已成为世界上最大的 太阳能热水器生产国和最大的太阳能热水器市场，并仍在以每年20-30的速度递增。 但是中国太阳能热水器的生产企业有5000多家，除桑乐、皇明、清华阳光、华扬、太 阳雨、力诺瑞特等10个全国性品牌因质量、售后服务过硬而市场知名度较高外，行业 中存在着大量纷繁芜杂的杂牌企业，这种状况不利于行业的长远发展，这就要求政府部 门进行规范，加强监管引导。尽管市场现状不如人意，但市场前景仍看好。随着国民经 济和人民生活水平的不断提高，居民对家庭室内热水的需求越来越强烈，中国太阳能热 水器市场潜力巨大。1.3 本课题研究的主要内容本课题研究的是太阳能热水器的测控仪，但是首先应该了解太阳能热水器的组成与 工作原理，以及太阳能热水器的基本构架和工作过程，才能使本次的控制系统设计的更 加完善。1.3.1 太阳能热水器的组成与工作原理图1.1热水器装置简图 1-集热器下降水管循环水管补给水箱上升水管自来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1.1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。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。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 型集热器是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，世界上己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。1.3.2 太阳能热水器测控仪的设计内容此款热水器测控仪系统包括主从两大系统：主系统的特点是在晴好的天气用太阳光 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。本设计有三个要求：（丨）时间、温度和水位三种参数实时显示功能。口）具有 时间设定、温度和水位设定与控制功能。（卩）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。本文的第二章，主要会介绍系统的整体框图，以及选择的主要技术和元器件，并对 这些技术和元器件进行简单的介绍；第三章，重点介绍了系统各单元的电路图以及工作 原理；第四章是对所涉及的子系统的软件进行分析阐述。第五章则是对系统的软硬件调 试；第六章总结了本系统工作和优缺点，以及后续工作。第36页共37页2太阳能热水器测控仪总体方案的设计 2.1热水器微控制器系统框图本设计的太阳能热水器控制器是以处89052单片机为检测控制中心单元，利用液 位传感器来检测水箱中的液位，当实际的液位低于设定液位时，冷水阀开关则会开启， 实现加水功能；温度传感器则是用来检测水箱中水的温度，当实际温度低于设定温度时， 则会利用辅助加热器对水箱中的水温加热，从而达到预定效果；液晶显示屏主要显示的 是相应的温度、水位及时间。而利用按键操作不仅可以实现对时间的调整，而且可以设 定相应的温度和水位。从系统框图可2.1可以看出。图2.1热水器微控制器系统框图2.2控制器系统主要元件简介本系统主要涉及到单片机八丁89052及其外围电路，超声波液位传感器，温度传感 器，实时时钟，辅助加热器等等主要模块，由于有些模块中涉及到一些重要的 元件，所以在这里对所涉及的主要芯片的功能原理等做一个简单的阐述。元件主要包括: 单片机八丁89052、铂热电阻？丁 100、转换芯片00)832、超声波测距仪003尺04、时 钟芯片等。2.2.1单片机人了 89052人作为本设计的中央处理器，是一个低电压，高性能0103 8位单片机，片 内含8&08的可反复擦写的？1狀1！只读程序存储器和256 138的随机存取数据存储器 (趴),器件采用人公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准4(51 指令系统，片内置通用8位中央处理器和？1狀11存储单元，人单片机在电子行业 中有着广泛的应用。八丁89052的主要功能特性为 (工）兼容10551指令系统；8虻可反复擦写(大于1000次)？1肋11尺0从；32个双向1/0 口；“）256x8111；内部 114；0 3个16位可编程定时丨计数器中断；“）时钟频率0-242；门）2个串行中断，可编程I；皿串行通道；() 2个外部中断源，共8个中断源；2个读写中断口线，3级加密位；(）低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；()有？01？、？呀？、丁卩?？及？XXX：等几种封装形式，以适应不同产品的需求。八丁89052为8位通用微处理器，采用工业标准的051内核，在内部功能及管脚排 布上与通用的8x052相同，如图2.2所示。主要管脚有：乂丁1 09脚）和乂丁从2 08 脚）为振荡器输入输出端口，外接122晶振。113171x1 9脚）为复位输入端口， 外接电阻电容组成的复位电路。40脚）和乂沾20脚）为供电端口，分别接十5乂 电源的正负端。？0?3为可编程通用1/0脚，其功能用途由软件定义，以下简单介绍单 片机处89052输入7输出引脚？0，？1，？2，？3。瓜卩1.0匚 円.1匚 匚卩1.3匚 1 4 II 卩1.5 II 卩1.6匚 卩1.7匚 只3 丁匚 呎父0卩3 0匚 (丁乂口) 03.1 匚 (而而旧兀 戸3.3 匚 00卩3.4匚 了”卩3.5匚 () 3.6 匚 师，円.7匚 XI八12匚 X 丁八匕1 00匚40393837363534333231302923 27 26 224 2321300 3 90.0 (八00 户0 1八0” 0.2 (八02 3卩0.3 (众的) 3 卩0.4 (八 3 90.5 #0句 3 ？0 6 #06II现評 II赴即063 92.7 15 3 92.6 (八 14 3 ？2 5 (八 13 92.4 (众 12 ？23 ” 3 922 1032.1 (八 93 92.0 (八0 12 3 4 5 6 7 8 0 0 6 7 8 0- 2图2.2 ？01？封装的人丁89052引脚图(工）？0 口： ？0 口是一组8位漏极开路型双向1/0 口，即地址丨数据总线复用口。 作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个丁丁I逻辑门电路,对端口 ？0写“ 1 ” 时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转 换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在？匕也编程时， ？0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。(之）？1 口： ？1 口是一个带内部上拉电阻的8位双向1/0 口，？1的输出缓冲级可 驱动（吸收或输出电流）4个丁7七逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻 把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个 引脚被外部信号拉低时会输出一个电流匕)。与八了89051不同之处是，？10和？1.1还 可分别作为定时丨计数器2的外部计数输入，即：91.0/丁2和？1，17！22乂。？2 口： ？2是一个带有内部上拉电阻的8位双向1/0 口，？2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个丁丁 1逻辑门电路。对端口 ？2写“1”，通过内部的上拉 电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻， 某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(正)。在访问外部程序存储器或16位地址 的外部数据存储器时，？2 口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器 时，？2 口输出？2锁存器的内容。？13811编程或校验时，？2亦接收高位地址和一些控制 信号。(心？3 口： ？3 口是一组带有内部上拉电阻的8位双向1/0 口。？3 口输出缓冲级 可驱动（吸收或输出电流）4个XIX逻辑门电路。对？3 口写入“1”时，它们被内部 上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的？3 口将用上拉电阻输出电流 (口匕)。？3 口除了作为一般的1/0 口线外，更重要的用途是它的第二功能。？3 口还接 收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。2.2.2 铂热电阻？1100由于本设计的温度是测温电路，可以使用热敏电阻？丁 100的感温效应。？丁100温度 传感器为正温度系数热敏电阻传感器，主要技术参数如下 测量范围:-2001+8501；允许偏差值八。0：八级土 (+规卜丨 8级土 0.30+0.005卜|热响应时间008；(斗）最小置入深度：热电阻的最小置入深度；0允通电流2 501八。另外，？丁100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。铂 热电阻的线性较好，在01001之间变化时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。铂热电 阻阻值与温度关系为：时，尺？尸10011十八!+8*2+*3*0-100)(之）01分58501时，办丁100氺0十入计只92)式中，人 0.； 8 :-0眉； 0 = 0.42735。可见？丁 100在常温0100摄氏度之间变化时线性度非常好，其阻值表达式可近似简化为：1=100 (),当温度变化1摄氏度，？丁 100阻值近似变化0.39欧姆。表2.1为？丁 100在011001的分度表。表2.1 ？1100分度表0001234567890100100.39100.78101.17101.56101.95102.34102.73103.12103.5110103.9104.29104.68105.07105.46105.85106.24106.63107.02107.420107.79108.18108.75108.96109.35109.73110.12110.51110.9111.2830111.67112.06112.45112.83113.22113.61114.99114.38114.77115.1540115.54115.93116.31116.31117.08117.47117.85118.24118.62119.0150119.40119.78120.17120.55120.94121.32121.7122.09122.47122.8660123.24123.63124.01124.39124.78125.54125.54125.92126.31126.6970127.08127.46127.84128.22128.61128.99129.37129.75130.13130.5180130.90131.28131.66132.04132.42132.80133.18133.56133.94134.3290134.71135.09135.47135.85136.23136.61136.98137.36137.74138.12100138.51138.88139.26139.64140.02140.40140.77141.15141.53141.912.2.3 转换芯片00)832是一个模丨数转换芯片，用在温度传感器电路中，接在温度信号 调理电路之后，可用于将电压模拟量转换为数字量，通过液晶显示屏从而显示温度。八00)832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道八瓜转换芯片。 由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前己经有很高 的普及率。学习并使用00)832可是使我们了解人瓜转换器的原理，有助于我们单片 机技术水平的提高。引脚图如图2.3所示。具有以下特点 8位分辨率；(之）双通道人瓜转换；输入输出电平与丁丁 17(03相兼容；“）5乂电源供电时输入电压在05乂之间；0工作频率为250X2，转换时间为32卟；“）一般功耗仅为15111；(了）8？、14？一01？(双列直插）、多种封装；(各）商用级芯片温宽为工业级芯片温宽为-40。0 10+851。05 0 1 一 010 一182 73 6一似00 01阁2.3入0匸0832引脚图为8位分辨率入70转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05乂 之间。芯片转换时间仅为3213，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差， 转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加 方便。通过01数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。2.2.4 超声波测距仪008议04本设计釆用超声波测距仪作为液位传感器，超声波测距仪主要是用于测量水箱中液 位的高度。0产品特点30-31104超声波测距模块可提供2(400的非接触式距离感测功能。测距精度 可达高到；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理0采用10 口 丁 111(3触发测距，给至少10118的高电平信号；(之）模块自动发送8个的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过10 口 2(3110输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波 从发射到返回的时间。测试距离气高电平时间丨声速04(爪173从2。3电气参数超声波测距仪模块共有四个引脚接出：乂0：供5乂电源，为地线，7111(3触发 控制信号输入，5(3110回响信号输出等四支线。超声波相应的电气参数如表2.2所示。表2.2超声波电气参数电气参数110-81104超声波模块工作电压00 5 V工作电流15131工作频率備2最远射程4111最近射程20111测量角度15度输入触发信号10118的丁丁 1脉冲输出回响信号输出丁IX电平信号，与射程成比例规格尺寸45*20*4超声波时序图系统只需提供一个10113以上脉冲触发信号,超声波模块内部将发出8个40周期 电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测 距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。公式： 距离二高电平时间514声速丨！ 一般测量周期为601X18以上，以防止发射信号对 回响信号的影响。图2.4为超声波的时序图。10115 的 丁丁匕驗信号循环发出8个40&12脉冲模块内部发出信号输出回响回响电平输出信号与检测距萬成比例图2.4超声波时序图2.2.5 时钟芯片本设计中的时钟芯片用在时钟电路模块中，用于显示实时时间：时、分、秒。是八3公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟彳日历和 31字节静态11。实时时钟7日历电路提供秒、分、时、日、日期、月、年的信息，时 钟可以对闰年自动调整天数，时钟操作可通过八乂指示决定采用24或12小时格式。 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线：仙3 复位、1/0数据、(串行时钟）。时钟的读7写数据以一个字节或多达31个 字节的字符组方式通信。工作时功耗很低，保持数据核实中信息时功耗小于1爾。0 的主要性能指标为实时时钟具有能计算2100年之前的秒、分、时、日、日期、星期、月、 年的能力，还有闰年调整的能力；内部含有31个字节静态可提供用户访问；采用串行数据传送方式，使得管脚数量最少，简单3？13线接口；“）工作电压范围宽：2.05.5；0工作电流：2.0时，小于300“；()时钟或数据的读丨写有两种传送方式：单字节传送和多字节传送方式；(了）采用8脚01？封装或8010封装；(各）与丁丁兼容，产5；(今）可选工业级温度范围：-401十85。0；(）具有涓流充电能力；00采用主电源和备份电源双电源供应；()备份电源可由电池或大容量电容实现。2引脚功能XI、幻之间接入32.晶振；尺3丁为复位引脚，低电平有效，操作时高电平; 1/0是数据输入7输出引脚，具有三态功能。是串行时钟输入引脚；乂1为工作电 源引脚；乂2为备用电源引脚。图2.5为的引脚图。图2.5 的引脚图3硬件设计3.1绘图软件？0仏19986简介？是？10把1公司在80年代末推出的20八软件，在电子行业的0：八0软件中， 它当之无愧地排在众多20八软件的前面。本设计用的是？1咖199叱的汉化版，下面简单 介绍一下本设计的绘图过程【9】。第一步，建文档。单击文件一新建设计，弹出一个设计数据库，修改文件名及数 据库位置。点击X16111：，在单击文件一新建文件，选取8(111沿丨0 1建立一 个原理图文档。第二步，添加元件库。在放置元件之前，必须先将该元件所在的元件库载入内存才 行。通常只载入必要而常用的元件库，其它特殊的元件库当需要时再载入。操作是在.&1！ 界面下，单击设计一添加彳删除文件库，选择相应的库即可。第三步，添加元件，绘制原理图。由于电路是由元件（含属性）及元件间的边线所 组成的，所以现在要将所有可能使用到的元件都放到空白的绘图页上。软件左侧有相应 的库及元件，单击浏览，查找相应的元件并放置。由于有些元件库中没有，需要自己编 辑，新建30111泣丨0在丄化界面下编辑需要的元件，元件编辑好了之后可以命名保存在库里面，这样下次用到时就可以像其他元件一样自由调用。电 源元件与0接地元件有别于一般的电气元件。它们必须通过菜单电路图绘制工具栏 上的按钮调用，编辑窗口中会有一个随鼠标指针移动的电源符号，在对话框中可以编辑 电源属性，在网络栏中修改电源符号的网络名称，在风格栏中修改电源类型，修改电源 符号放置的风格。第四步，连线及放置接点。所有元件放置完毕后，就可以进行电路图中各对象间的 连线，右击鼠标一放置电线。连线的主要目的是按照电路设计的要求建立网络的实际 连通性。最后全都完成后单击工具一电气规则检查，检查原理图中的连线是否有问题。 所有步骤完成后单击保存。3.2控制器各单元模块硬件电路设计根据控制要求，本设计采用八丁89052单片机做控制器。由于本系统没有太多的中 间数据需要处理、保存，因此不再外扩数据存储器。仅使用八内部已完 全能够满足要求。系统的硬件接口电路包括：单片机及外围电路，超声波液位传感器电 路，实时时钟电路，？丁100温度传感器电路，上水电路及辅助加热器电路，液晶显示电 路及按键接口设计电路等。3.2.1单片机及其外围电路的设计单片机系统由八丁89052和一定功能的外围电路组成，外围电路包括：提供单片机 工作时所必须的时钟信号的时钟电路，为单片机提供复位的复位电路。如图3.1所示。：0335奸33X119011了5丁处5185627灸：|105图3.1单片机入的外围电路0时钟信号电路时钟是单片机运行的基础，因此，适中的速度和稳定性都直接影响单片机的工作。 单片机的时钟信号通常有两种电路方式，内部振荡方式和外部震荡方式。本设计采用的是外部振荡方式，在引脚八丁丛1和引脚八丁八12之间外接晶振和微 调电容02和03，与单片机内部的一个高增益的反相放大器一起构成自激振荡器，并产 生振荡时钟脉冲。02和03起稳定振荡频率、快速起振的作用。本设计中选取的是电容 值大小为33矸的两个电容。晶振频率的典型值为6.2、122和24 工，最高可达 到40 1只2。晶振的频率越高，系统时钟频率也越高，单片机的运行速度越快，本设计 选取的是12胃2。单片机是按照一定的时序为基准来工作的，其基准就是时钟的振荡频率，所有操作 都是以时钟频率的倍数为最小单位来进行的。时钟周期是单片机的基本时间单位，晶振的振荡频率为12 112时，时钟周期为 1/12118=0.。机器周期是：?!完成一个基本操作所需要的时间。单片机中常把执行一条指令的 过程分为几个机器周期，每个机器周期内完成一个基本操作。单片机以每12个振荡周 期为一个机器周期，晶振频率为122时，机器周期为12/12仍118。2复位电路在单片机中，尺3丁引脚是复位信号输入端，复位信号为高电平时有效，其有效时间 应持续24个振荡周期以上才能完成复位操作，复位电路极性电容的大小直接影响复 位时间，一般采用10至3011？，容值越大需要的复位时间越短，在本设计中，使用的是 约为12他12的石英晶体振荡器，这时电容0：1的大小选取1011？，114的大小为101。这 样就能进行可靠地上电复位和手动复位操作。3.2.2 超声波液位传感器电路设计超声波液位传感器是用来检测水箱中液位的高度，以确定是否需要打开冷水阀上水 达到设定要求。单片机发出的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接 收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序， 测得时间为I，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送1X0显示。图3.2为超声 波测距仪原理框图。图3.2超声波测距仪原理框图0超声波发射电路发射电路主要由反向器7礼304和超声波发射换能器丁构成，单片机端口 ？17输出 402的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级 反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能 器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联的方式，用以提高 驱动能力。上位电阻1110、1111 一方面可以提高反向器输出高电平的驱动能力， 另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。图3.3为超声波发 射电路原理图。图3.3超声波发射电路压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压 电晶片和一个换能板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率 时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生 器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。超声波发射换能器与接 收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。超声波检测接收电路 由于超声波在空气中的传播过程中是有衰减的，如果距离较远，那么超声波接收电 路所接收到的超声波信号就会比较微弱，因此需要对接收到的信号进行放大而且放大的 倍数也要比较大。超声波接收电路主要是由集成电路0X20106人芯片电路构成的， 0X20106人芯片电路可以对超声波信号进行放大、限幅、带通滤波、峰值检波、整形、 比较等功能，比较完之后超声波接收电路会输出一个低电平到单片机去请求中断，即当 单片机停止计时，并开始去进行数据的处理。？：60X20106八芯片的前置放大器具有自动增益控制的功能，当测量的距离比较近时， 放大器不会过载；而当测量距离比较远时，超声波信号微弱，前置放大器就有较大的放 大增益效果。0X20106八芯片的5脚外接电阻，对它的带通滤波器的频率进行调节，而且 不用再外接其他的电感，能够很好地避免外加磁场对芯片电路的干扰，而且它的可靠性 也是比较高的。0X20106人芯片电路本身就具有很高的抗干扰的能力，而且灵敏度也比 较高。适当更改电容04的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。所以，能满 足本设计的要求。超声波接收电路如图3.4所示。一11142006113221；3 7 “、063.3逆：053.311？330？图3.4超声波检测接收电路3.2.3时钟电路设计为了实现热水器24小时可以供应热水的目的，控制器必须有一个实时时钟来为系 统提供准确的时间，本系统采用时钟电路来实现。硬件图中，乂1为主电源，乂2为后备电源。在主电源关闭的情况下，也 能保持适中的连续运行。由乂1或乂2两者中的较大者供电。当乂2大于0014-0.2V时，给供电。当002小于001时，由乂邙1供电。 XI和乂2是振荡源，外接32.76812晶振。113丁是复位义片选线，通过把尺5丁输入驱动 置高电平来启动所有的数据传送，与单片机的？1.3相连。尺5丁输入有两种功能：首先， 尺3丁接通控制逻辑，允许地址乂命令序列送入移位寄存器；其次，115丁提供终止单字节 或多字节数据的传送手段。当尺5丁为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对 进行操作。如果在传送过程中115丁置为低电平，则会终止此次数据传送，1/0 引脚变为高阻态。上电运行时，在乂2，0乂之前，尺3丁必须保持低电平。只有在 为低电平时，才能将尺31置为高电平。与？1.4相连的1/0为串行数据输入输出端（双 向）。301：为时钟输入端，与单片机的？1.5相连。与单片机接口电路如图3.5 所示。303129001 XI图3.5 与单片机接口电路控制字节的最高有效位（位必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入到 中。位6如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取114数据；位5 至位1指示操作单元的地址；最低有效位（位0如为0表示要进行写操作，为1表示 进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。在控制指令字输入后的下一个301：时钟的上升沿时数据被写入，数据输 入从低位即位0开始。同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个30！反脉冲的下降沿 读出的数据，读出数据时从低位0位至高位了.共有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟有关、存放的数据位为 800码形式。其日历、时间寄存器及其控制字见表3.1。表3.1 的日历、时钟寄存器及其控制字寄存器命令字取值范围各位内容写操作读操作7654 32 1 0秒801181只00 5910850820分821183900 59010111时841185110012/00 2312/24010曰86只87900-28,29,30,3100100八丁20八丁 5月8811891101 12000丽顯乂丁只周8他88只01 0700000 0八丫年80809009910处从丫5从此外，还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与 111相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存 器的内容。与111相关的寄存器分为两类：一类是单个111单元，共31个, 每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为0)11?0札其中奇数为读操作，偶 数为写操作；在一类为突发方式下的寄存器，此方式下一次性读写所有的 的31个字节，命令控制字为？5只（写）、即只（读）。3.2.4 温度传感器电路设计在本设计中，？丁100温度模块是用来检测热水器控制仪水箱中水的温度，以确定是 否需要辅助加热器的加热。此模块包括两部分：一部分是温度信号调理电路部分，另一 部分是0转换部分。0温度信号调理电路温度传感器？丁 100，它是电阻信号，必须进行IV变换，由？丁 100、1121、幻2、 23构成前端桥式电路，温度的变化将使温度传感器阻值发生变化，从而使该电桥平衡 遭到破坏，产生一个对外输出电压由于