太阳能热水器的智能控制器-毕业设计

目目 录录 1 1 绪论绪论 .1 1 1.1 太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析 .1 1.2 太阳能热水器的应用及意义 .2 2 2 系统组成及工作原理系统组成及工作原理 .4 4 2.1 系统设计要求 .4 2.2 系统总体结构设计 .4 2.3 太阳能热水器组成及原理 .6 2.4 系统的组成框图 .7 3 3 硬件设计硬件设计 .9 9 3.1 最小系统板设计 .9 3.2 按键及显示电路 .11 3.3 温度采集模块电路设计 .11 3.5 报警电路模块 .16 3.6 继电器控制加热电路 .17 3.7 水位检测接口电路 .18 3.8 水位控制电路 .19 4 4 系统软件设计系统软件设计 .2020 4.1 软件设计分析 .20 4.2 软件程序设计要求 .20 4.3 主程序模块 .22 4.4 中断服务程序设计 .22 4.5 子程序模块 .23 5 5 系统调试系统调试 .3030 6 6 结论结论 .3232 参考文献参考文献 .3333 致致 谢谢 .3434 附录附录 A A 电路原理图电路原理图.3535 附录附录 B B PCBPCB 图图 .3636 附录附录 C C 程序代码程序代码.3737 南昌航空大学学士学位论文 1 1 1 绪论绪论 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。 南昌航空大学学士学位论文 2 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 当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社 会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实 行“阳光计划” ，开发太阳能资源， 寻求经济发展的新动力。太阳能作为一种可再生的新能源，越来越引起人们的关注。 中国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔。 太阳能（Solar Energy） ，一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。 自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物 件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有意把 太阳能进一步发展。太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。 太阳能发电一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如 风能，化学能，水的势能等。 利用太阳能的优缺点 优点： (1)没有地域的限制无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开 发和利 用，且无须开采和运输。 (2)开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁能源之一，在环境污染越来越严 重的今天，这一点是极其宝贵的。 (3)每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于 130 万亿吨煤，其总量属现今世 界上可以开发的最大能源。 (4)根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的 寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。 缺点： (1)分散性：到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。在 利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换 设备，造价较高。 (2)不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以 及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断 的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。 (3)效率低和成本高：目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的， 技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说， 南昌航空大学学士学位论文 3 经济性还不能与常规能源相竞争。 南昌航空大学学士学位论文 4 2 2 系统组成及工作原理系统组成及工作原理 本系统功能由硬件和软件两大部份协调完成，硬件部分主要完成信号的采集、 转换及各种信息的显示等；软件主要完成功能计算和控制功能等。 2.12.1 系统设计要求系统设计要求 本课题以 51 单片机为检测控制核心，采用实时时钟，不仅实现了时间温度 水位三种参数实时显示，而且具有时间设定，温度设定与控制功能。 系统要求：1.采用传感器对信号进行采集，温度误差0.1 水位显示误差5% 2.有数据和状态显示功能。 2.22.2 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 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： 南昌航空大学学士学位论文 5 C3 C2 F3 热 集 水 热 太阳光 F1 箱 器 C1 D D 自来水 F2 图 2.2 系统控制原理图 注释：C1：热水箱的温度传感器 C2：循环水管中的温度传感器 C3：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 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 南昌航空大学学士学位论文 6 早晨水温控制之后（79 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-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. 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 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 F2，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. 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。 2.32.3 太阳能热水器组成及原理太阳能热水器组成及原理 5 5 6 6 4 4 7 7 2 2 1 1 3 3 南昌航空大学学士学位论文 7 图 2.3 热水器装置简图 注释：1-集热器；2-下降水管；3-循环水管；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。 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。 2.42.4 系统的组成框图系统的组成框图 本次太阳能热水器系统是一种新型的智能温控系统系统，该系统的设计以 AT89C51 为核心，将传感器检测技术、智能控制相结合，整个系统可分为单片机最 小系统模块、DS18B20 检测温度模块，报警模块、检测水位模块、控制水位模块和 7279 键盘显示模块。 1.具体原理框图如图 2.2 南昌航空大学学士学位论文 8 AT89C51 单 片 机 的 控 制 DS18B20W 温 度采集电路 门磁传感器探 测 水位检测 无线电控制 （键盘输入及显 示） 报警电路 水位控制电 路 LED 指示灯 加热控制 图 2.4 硬件原理框图 南昌航空大学学士学位论文 9 3 3 硬件设计硬件设计 根据控制要求，采用 80C51 单片机的智能控制器结构框图如图所示。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 STC80C51 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。 3.13.1 最小系统板设计最小系统板设计 根据本次毕业设计的技术要求和总体设计方案,设计中用了最小系统板。最小系 统板的主要芯片为 STC89C52 单片机和 HD7279A，STC89C52 单片机是主要程序控制芯 片，HD7279A 是显示电路的主要芯片。STC89C52 单片机是 E2PROM 型单片机，可寻址 64KB 字节的程序存储器和 64KB 字节的外部数据存储器。以单片机为核心，配以一 定的外围电路和软件，实现某些功能，就组成了单片机应用系统。STC89C5 单片机 是一个低功耗、高性能、带 FLASH 存储器的 8 位微处理器。由于 STC89C52 带有 FLASH 闪烁存储器，可以进行多次的程序写入和修改，方便、实用。本系统用一片 STC89C52 单片机代替了 8031 单片机和 2764 程序存储器两块芯片，达到了简化电路 的效果。 图 3.1 单片机最小系统 南昌航空大学学士学位论文 10 3.1.13.1.1 复位电路复位电路 图 3.1.1 复位电路图 3.1.23.1.2 时钟振荡电路时钟振荡电路 时钟电路是为系统产生所需要的时钟信号，是计算机的心脏，控制着计算机的 工作节奏。其电路图如下图 3.5 所示，片内电路与片外器件构成一个时钟发生电路， CPU 的所有操作均在时钟脉冲同步下进行，片内振荡器的震荡频率 f 0 非常接近晶 振频率，一般多在 1.2MHz12MHz 之间选取，这次毕设用的时钟频率是 12MHz 。STC89C52 内部都有一个反相放大器，XTAL1 、XTAL2 分别是反相放大器输入和输 出端，外接定时反馈元件就组成震荡器产生时钟送至单片机内部的各个部件。图 3.2 中 C1、C2 是反馈电容，其值在 5pF30pF 之间选择，典型值是 30Pf 。作用有 两个：其一是使振荡器起振，其二是对振荡器的频率 f 起微调（C1、C2 大，f 变 小） 。 图 3.1.2 时钟振荡电路 南昌航空大学学士学位论文 11 3.23.2 按键及显示电路按键及显示电路 123456 A B C D 654321 D C B A T itle N umberR evisionSize B D ate:25-Jun-2010Sheet of File:F:丝丝206041119丝丝丝丝丝丝.D DBD raw n By: V DD 1 V DD 2 N C 3 V SS 4 N C 5 C S 6 C LK 7 D AT A 8 K EY 9 SG 10 SF 11 SE 12 SD 13 SC 14 SB 15 SA 16 D P 17 D IG 0 18 D IG 1 19 D IG 2 20 D IG 3 21 D IG 4 22 D IG 5 23 D IG 6 24 D IG 7 25 C LK O 26 R C 27 R EA ET 28 7279 U 1 7279 V CC R 15 200 R 14 200 R 17 10K R 18 10K R 9200 R 10200 R 11200 R 16 200 R 1R 2R 3R 4 C 1 15pf R 19 1.5K V CC R 13 200 R 12 200 R 5R 6R 7R 8 10 0K x 8 S0S1S2S3 S4S5S6S7 S8 SW -PB S9S10S11 S12S13S14S15 a bf c g d e 1 2 3 4 56 7 8 9 10 e d com c dp g f a b com S8 a bf c g d e 1 2 3 4 56 7 8 9 10 e d com c dp g f a b com S7 a bf c g d e 1 2 3 4 56 7 8 9 10 e d com c dp g f a b com S6 a bf c g d e 1 2 3 4 56 7 8 9 10 e d com c dp g f a b com S5 a bf c g d e 1 2 3 4 56 7 8 9 10 e d com c dp g f a b com S4 a bf c g d e 1 2 3 4 56 7 8 9 10 e d com c dp g f a b com S3 a bf c g d e 1 2 3 4 56 7 8 9 10 e d com c dp g f a b com S2 a bf c g d e 1 2 3 4 56 7 8 9 10 e d com c dp g f a b com S1 CS CLK DATA KEY R 1910K R 2010K 图 3.2 7279 按键显示电路 最小系统板采用 HD7279A 芯片来控制数据的数码管的显示。数码管的作用是显 示检测的温度和水位，共用 8 个数码管来显示温度和水位，前三位显示温度值，后 三位显示水位值，超过所设定的最大温度值或水位值时将触发报警电路。本模块由 按键和显示器两部分组成，是人机对话的窗口，主要作用是输入操作命令和观察系 统的工作状态。由于系统自动化程度高，所以本系统的人机对话并不是很多，大部 分功能都是系统按照软件设置进行。共有 16 个按键，一个是确定按键、一个温度阈 值的上翻键和下翻键，一个是时间的校时键，一个是页面的切换键，其余十个是 0- 9 数字按键。具体电路图如图 3.2 所示。 3.33.3 温度采集模块电路设计温度采集模块电路设计 3.3.13.3.1 温度采集方案设计比较温度采集方案设计比较 在设计温度采集电路时，主要是通过一个温度传感器，将采集到的温度信号经 南昌航空大学学士学位论文 12 过一系列的处理之后，最终送入单片机内进行处理，从而达到显示的目的。 方案一：利用 PT-100 温度传感器通过电桥电路把温度转换成模拟电压，经由放 大电路，模数转换电路，最终将数字量送入单片机内进行处理。 方案二：采用集成数字化温度传感器 DS18B20，将数字温度信号直接送入单片 机内进行处理。 分析：考虑到 PT-100 价格比较昂贵，硬件设计较为复杂，并且很容易受到外界 的干扰，适合反应较慢的测温场合，而集成数字化温度传感器 DS18B20 具有很多优 点：它能直接将温度转化为数字量，测量精度较高，集成度高，外围电路少，所以 最终选择 DS18B20。 3.3.23.3.2 DS18B20DS18B20 的介绍及其主要特性的介绍及其主要特性 数字化温度传感器 DS18B20，是美国 DALLAS 半导体公司生产的可组网数字温度 传感器芯片，在其内部使用了在板（ON-BOARD）专利技术。全部传感元件及转换电 路集成在形如一支三极管的集成电路内，支持“一线总线”的数字方式传输，具有 较强的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量。 1）适应电压范围更宽，电压范围：3.05.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。 2）独特的单线接口方式，DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微 处理器与 DS18B20 的双向通讯 3）DS18B20 支持多点组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上，实现多点 测温 4）DS18B20 在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一 支三极管的集成电路内 5）温范围55125，在-10+85时精度为0.5 6）可编程的分辨率为 912 位，对应的可分辨温度分别为 0.5、0.25、 0.125和 0.0625，可实现高精度测温 7）在 9 位分辨率时最多在 93.75ms 内把温度值转换为数字，12 位分辨率时最多在 南昌航空大学学士学位论文 13 750ms 内把温度值转换为数字，速度更快。 8）测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给 CPU，同时可传送 CRC 校验码，具有极强的抗干扰纠错能力 9）负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 3.3.33.3.3 DS18B20DS18B20 的引脚定义及内部结构的引脚定义及内部结构 图 3.3.3 DS18B20 的引脚图 DS18B20 引脚定义： DQ 为数字信号输入/输出端 GND 为电源地端 VDD 为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地） DS18B20 内部结构：主要由 64 位光刻 ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触 发器 TH 和 TL、配置寄存器四部分组成。 3.3.43.3.4 DS18B20DS18B20 的工作原理的工作原理 DS18B20 测温原理如图所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小， 用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器 1。高温度系数晶振随温度变化其振荡频 率明显改变，所产生的信号作为计数器 2 的脉冲输入。计数器 1 和温度寄存器被预 置在55所对应的一个基数值。计数器 1 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行 减法计数，当计数器 1 的预置值减到 0 时，温度寄存器的值将加 1，计数器 1 的预 置将重新被装入，计数器 1 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数， 如此循环直到计数器 2 计数到 0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中 的数值即为所测温度。图中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其 南昌航空大学学士学位论文 14 输出用于修正计数器 1 的预置值。 图 3.3.4 DS18B20 测温原理图 3.3.53.3.5 DS18B20DS18B20 与单片机的接口电路设计与单片机的接口电路设计 图 3.3.5 DS18B20 与单片机接口电路图 南昌航空大学学士学位论文 15 如图采用外接电源供电方式，在外接电源供电方式下，DS18B20 从单线信号线 上吸取能量,在信号线 DQ 处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于 低电平期间消耗电容上的电能来继续工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容） 充电。独特的寄生电源方式有三个好处，分别是在进行远距离测温时，无需本地电 源；可以在没有常规电源的条件下读取 ROM；电路更加简洁，仅用一根 I/O 口实现 测温。要想使 DS18B20 进行精确的温度转换，I/O 线必须保证在温度转换期间获得 足够的能量。该电路只适应于单一温度传感器测温情况下，不适宜于电池供电系统 中工作，并且工作电源 VCC 必须保证在 5V，当电源电压下降时，寄生电源能够汲取 的能量也降低，会使温度误差变大。单片机的 P1.4 口接 DQ,当 DS18B20 处于写存储 器操作和温度 A/D 转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为 10us。由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三态的。主机控制 DS18B20 完成温度转换必须经过 3 个步骤：初始化、ROM 操作指令、存储器操作指令。本次 单片机系统所用的晶振频率为 11.0592 MHz，根据 DS18B20 的初始化时序、写时序 和读时序，分别编写 3 个子程序：初始化子程序、写（命令或数据）子程序、读数 据子程序，所有的数据读写均由最低位开始。 注意事项： DS1820 虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用 P 口线较少等优点， 但在实际应用中也应注意以下几个方面的问题： 较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于 DS1820 与微处理器间 采用串行数据传送，因此，在对 DS1820 进行读写编程时，必须严格的保证读写 时序，否则将无法读取测温结果。在使用 PL/M、C 等高级语言进行系统程序设 计时，对 DS1820 操作部分最好采用汇编语言实现。 在 DS1820 的有关资料中均未提及单总线上所挂 DS1820 数量问题，容易使人 误认为可以挂任意多个 DS1820，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂 DS1820 超过 8 个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点 测温系统设计时要加以注意。 在 DS1820 测温程序设计中，向 DS1820 发出温度转换命令后，程序总要等待 DS1820 的返回信号，一旦某个 DS1820 接触不好或断线，当程序读该 DS1820 时， 将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行 DS1820 硬件连接和软件设计 时也要给予一定的重视。测温电缆线建议采用屏蔽 4 芯双绞线，其中一对线接 南昌航空大学学士学位论文 16 地线与信号线，另一组接 VCC 和地线，屏蔽层在源端单点接地。温度传感器 DS18B20 汇编程序，采用器件默认的 12 位转化,最大转化时间 750 毫秒；可以将 检测到的温度直接显示到 STC89C52 开发实验板的两个数码管上；显示温度 00 到 99 度，很准确无需校正。 连接 DS1820 的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传 输长度超过 50m 时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带 屏蔽电缆时，正常通讯距离可达 150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏 蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号 波形产生畸变造成的。因此，在用 DS1820 进行长距离测温系统设计时要充分考 虑总线分布电容和阻抗匹配问题。 3.53.5 报警电路模块报警电路模块 方案一： 9011 的基极为高电平且两个三极管均导通，驱动扬声器工作，即报警。否则输 出低电平，不报警。报警电路如图所示： R2 3K LS1 SPE AKE R VC C Q1 901 1 图 3.5.1 报警电路图 南昌航空大学学士学位论文 17 方案二： 该方案中采用简单的放大电路，信号通过7407驱动器后即送给蜂鸣器，且报警 声音响亮，适合于报警，所以也实现了设计要求。报警电路如图所示。 图 3.5.2 报警电路二 两种方案都各有优势，此次设计采用方案一。 3.63.6 继电器控制加热电路继电器控制加热电路 图 3.6 继电器加热电路 加热控制电路由单片机 P1 口的 P1.4 控制。通过单片机送给加热执行机构进行 加热，电路驱动电磁锁吸合与打开，从而达到加热的目的。光耦可以隔离输入量与 输出量，在本设计中起到隔离单片机与电磁继电器的作用。当单片机发出开锁信号 时，P1.4 口为低电平，此时光耦内部的的发光二极管导通，接收三极管吸收光而导 通，因此使继电器处于常开端即加热。当输入密码错误时，输入端为高电平，电磁 继电器的中心抽头由“常开”接到“常闭” ，此时不加热。加热电路如图 3.6 所示： 南昌航空大学学士学位论文 18 3.73.7 水位检测接口电路水位检测接口电路 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所示。 图 3.7 水位检测电路图 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 80C51 随时能够读出当前的水位情况，这里选用 74L S244 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 南昌航空大学学士学位论文 19 来换算成水温高低信号。 3.83.8 水位控制电路水位控制电路 该水位控制电路是控制水阀的打开与闭合来实现放水和停止放水，本次设计采 用一个发光二极管的亮与灭来模拟水阀的开与合。具体原理图如下： 图 3.8 水位控制电路图 南昌航空大学学士学位论文 20 4 4 系统软件系统软件设计设计 4.14.1 软件设计分析软件设计分析 软件是系统的指挥中心，由它来配合控制完成各种预定功能。为了充分发挥 STC89C52 优越的性能价格比，在设计上尽量做到硬件“软化” ，进一步体现软件编 程的灵活性，使系统硬件设计得到简化。系统软件采用 MCS-51 单片机汇编语言编写， 采用了模块化结构设计。为增强系统的实时性，对那些偶然事件采用中断方式处理， 主程序主要用于系统的控制和管理。 软件设计时，首先是做好准备工作，即读出每个按键的键值，并检查数码管是 否可以正确显示所有数字。电路设计时是按模块设计的，软件设计也一样，采用中 断子程序方式，首先编写大概的主程序，然后理出所需设计的子程序并逐个分析和 设计子程序，编写出子程序后应给予编译检查错误，若有错误再更正直到通过编译 即没有语法错误，等每个子程序编写完以后，再修改主程序完成整体的程序编写， 最后在将程序进行调试。 4.24.2 软件程序设计要求软件程序设计要求 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。 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、键盘子程序、 T0 中断子程序、LED 显示子程、温度检测子程序等。系统主程序主要完成温度和水 位的检测和一些初始化功能。 4.2.14.2.1 HD7279HD7279 串行接口串行接口 HD7279 采用串行方式与微处理器通信，串行数据从 DATA 引脚送入芯片，并由 CLK 端同步。当片选信号变为低电平后，DATA 引脚上的数据在 CLK 的上升沿被写入 HD7279 的缓冲寄存器中。 HD7279 的指令结构有三种类型：1、不带数据的纯指令，指令的宽度为 8 个 bit，即微处理器需发送 8 个 CLK 脉冲。2、带有数据的指令，指令宽度为 16bit， 南昌航空大学学士学位论文 21 即微处理器需发送 16 个 CLK 指令。3、读取键盘指令，宽度为 16bit，前 8 个位微 处理器发送到 HD7279 的指令，后 8 个 bit 为 HD7279 返回的键盘代码。执行此指令 时，HD7279 的 DATA 端在第九个 CLK 脉冲的上升沿变为输出状态，并与第十六个脉 冲的下降沿恢复为输入状态，等待接受下一个指令。 串行接口的时序如下图： 1）纯指令 2）带数据指令 3）读键盘指令 南昌航空大学学士学位论文 22 4.34.3 主程序模块主程序模块 主程序主要完成初始化、显示处理、送 7279 显示、键盘扫描以及键处理等功能， 其中初始化又涉及内存单元，显缓区，堆栈，定时器赋初值，及各寄存器的初始化， 流程图如图 4.3 所示： 开始 初始化 按键扫描 键处理 显示处理、显示 有键按下否？ 切换键， 切换标志 取反 温度上 翻键 处理 温度下 翻 键处理 数键键 处理 校时键 处理 确认键处 理 Y N 图 4.3 主程序流程图 4.44.4 中断服务程序设计中断服务程序设计 4.4.14.4.1 实时时钟定时器中断服务程序设计实时时钟定时器中断服务程序设计 该部分用来实时时钟显示的中断服务程序：在中断服务程序中，计时初值采用 50ms，最小系统所用的晶振为 12MHz，所以每个机器周期为 2us，具体的初值计算 如下： 50ms=（FFFFH+1-初值）*2us 初值=3CB0H 南昌航空大学学士学位论文 23 入口：000BH 保护现场（A、B、DPH、DPL、PSW 等） 选另一工作寄存区 重新设置定时器初值 中断次数计数， （建立时间标志） （控制显示更新等） 时钟计时 恢复现场 中断返回 图 4.4.1 实时时钟中断流程图 4.54.5 子程序模块子程序模块 子程序是指能完成某一确定的任务并能被其他程序反复调用的程序段。有时把 调用子程序的程序称为主调程序，被调用的子程序称为被调程序。采用子程序结构 可使程序简化，便于调试，并可实现程序模块化。但子程序在结构上应具有通用性 和独立性。 南昌航空大学学士学位论文 24 4.5.14.5.1 DS18B20DS18B20 温度检测子程序设计温度检测子程序设计 图 4.5.1 温度检测流程图 南昌航空大学学士学位论文 26 4.5.24.5.2 水位检测子程序设计水位检测子程序设计 按键检测 水位测试 数码管显示 温度测试 报警 开始 图 4.5.2 水位检测流程图 是否有键 按下 返回 温度上下限 设置 南昌航空大学学士学位论文 27 4.5.34.5.3 72797279 发送接收子程序设计发送接收子程序设计 发送一位到 P1.2 开始 使 CLK 有 效效 清 CLK 为 0 延时 是否 8 位 返回 Y N 开始 读到一位送 A 使 CLK 有 效效 置锁存器为 1 A 左移一位 A 左移一位 清 CLK 为 0 延时 是否 8 位 返回 Y N 图 4.5.3 7279 发送接收子程序流程图 南昌航空大学学士学位论文 28 4.5.44.5.4 DA18B20DA18B20 温度转换子程序流程图温度转换子程序流程图 取 TEMPER_L 中高四 位存 TEMPER_NUM 低四位低四位 开始 C=1 取 TEMPER_H 中低 四位存 TEMPER_NUM 高四高四 位位 取 TEMPER_L 中低四 位存 TEMPER_d TEMPER_d 送 A- 10 A 送 TEMPER_d TEMPER_NUM 加加 一一 查表 返回 Y N 图 4.5.4 温度转换子程序流程图 1820 数据转换子程序：将 TEMPER_L 高四位和 TEMPER_H 低四位送 TEMPER_NUM， 将 TEMEPR_L 低四位送 TEMPER_d，判断 TEMPER_d 是否到十，到则 TEMPER_NUM 加一， 然后查表将二进制转化成十进制。 南昌航空大学学士学位论文 29 4.5.54.5.5 键盘扫描子程序键盘扫描子程序设计设计 键盘处理主要是不断的扫描 7279 模块中的键盘，若有键按下时，则根据得到的 键值查表求出其键号，将键号存放于寄存器 ACC 中供主程序处理。流程图如图 3.7 所示： 键盘处理入口 置 7279 的 CS 有效，并延时 50us 发送读键指令码 15H 到 7279，并延时 12us 接收键值存于 A 中，CS 信号置 1 置键标志 00H 由键值表查键号 清键标志 00H 返回 A 为 FFH 否？ Y N 图 4.5.5 按键扫描处理子程序流程图 4.5.64.5.6 显示处理子程序显示处理子程序设计设计 显示处理子程序主要完成:查表得到所要显示的字符的字形码，然后将字形码送 到 7279 显示模块显示出来。7279 采用串行接口，每发送一位都要延时，且要对其 初始化后才可能正确地显示。流程图如图 3.6 所示： 南昌航空大学学士学位论文 30 显示程序入口 显缓指针 R0、显示码 R1、循环次数 R6 初始 化 置 CS 为低电平，并延时 50us 发显示码到 7279，并延时 25us R0 单元内容查表，将得到的字形码发送至 7279 延时 8us，去除片选信号，修改 R0 和 R1 返回 R6-1=0？ Y N 图 4.5.6 显示处理子程序流程图 南昌航空大学学士学位论文 31 5 5 系统调试系统调试 调试分为硬件电路调试和系统调试。硬件电路调试的主要任务是检查硬件电路 是否有问题，也就是检查硬件电路是否能工作；系统调试的主要任务是在这种硬件 条件下是否可以完成设计的要求。 在制作好 PCB 之后，紧接着就是插上元件调试硬件系统。为了减少硬件调试的 难度，在系统的硬件调试中采用分块调试方法，这样可以减少问题的积累，更加容 易发现问题、解决问题。 调试单片机的最小配置时发现，不能正常下载程序，首先检查串口到单片机电 路部分，用万用表检测发现是串口电路有短路现象。去除错误后，发现仍然不能够 下载，刷程序时无论怎么改变单片机的 I/O 口状态，单片机的各 I/O 始终为高，即 单片机没有工作，可能是单片机的晶振没有起振，单片机没有稳定的时钟信号。仔 细检查发现，接在晶振旁边的瓷片电容是 0.01uf 的 104，还有单片机的 EA 端悬空 未接。对于接在旁边的电容，电容大有利于晶振的稳定，但不容易起振，电容小容 易使晶振起振但稳定性差，104 的电容显然过大，晶振没有起振，因此笔者将 0.01uF 的两个电容改换成了 20pF 的两个起振电容。对于内部有 8K 字节程序存储器 的 STC89C52 来说，若电压引脚 VCC 接5V，程序计数器 PC 的值在 0 至 1FFFH 之间 时，CPU 读取指令时访问内部的程序存储器