太阳能热水器中央控制器的设计与实现

东北林业大学毕业论文.2.1ADC0809与用单片机控制A/D转换器时，多采用查询和中断控制两种方法。查询法是在单片机把启动命令送到ADC之后，执行别的程序，同时对ADC的状态进行查询，以检查ADC变换是否已经结束，如查询到变换已结束，则读入转换完毕的数据。中断控制法是在启动信号送入A/D转换器时之后，单片机执行别的程序。当A/D转换器变换结束并向单片机发出中断请求信号时，单片机响应此中断请求，进入中断服务程序，读入转换数据，并进行必要的数据处理，然后返回原程序[14]。这种方法单片机无需进行转换时间的管理，CPU效率高，所以特别适合于变换时间较长的A/D转换器时[14]。本系统就是采用中断控制法。89C51与ADC0809接口电路图如图3-3所示。将ADC0809作为外扩的并行I/O口，由P2.7和WR端的脉冲同时有效时启动A/D转换，通道选择端与A、B、C分别与地址线A0、A1、A2相连。其端口地址为7FF8H—7FFFH。A/D转换结束后，EOC向89C51的INT1端输入一个高电平，既向单片机产生一个外部中断1信号。.图3-3ADC0809与89C51的中断方式原理图3.3键盘和显示器接口设计3.3.1键盘工作原理[3]键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。键盘输入应解决的问题1．键盘输入的特点键盘的实质是一组开关的集合。通常按键所用开关为机械弹性开关，均利用了机械触点的合、断。一个电压信号通过机械触点的断开、闭合过程，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下断开。因而，在闭合和断开的瞬间均伴随着一连串的抖动，抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5～10ms。2．消除按键抖动1)硬件消除抖动一般采用双稳态消抖电路。2)软件消除按键抖动。如果按键较多硬件电路将无法胜任，因此常采用软件的方法进行消抖。在第一次检测到有键按下时，执行一段延时10ms子程序后再按确认该键电平是否仍保持闭合状态，如果保持闭合状态电平则确认为真正有键按下，从而消除了抖动的影响。3．键盘接口的工作原理常见的键盘接口分为独立式键盘接口和矩阵式键盘接口两种。本系统采用矩阵式键盘接口。矩阵式键盘接口是适用于按键数量较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。矩阵式4*4键盘如图3-4所示。从图中可以看出，在按键数量较多的场合，矩阵键盘与独立式按键相比，要节省很多I/O口线。图3-4矩阵式4*4键盘原理图1）矩阵式键盘接口的工作原理按键设置在行、列线的交叉点上，行、列线分别连接开关的两端。行线通过上拉电阻接到正+5V。平时无按键时，行线处于高电平状态，而当有按键按下时，行线电平状态键由此行线相连的列电平决定。列线如果为低电平，这行线电平为低；列线电平如果为高，则行线电平也高。这是识别矩阵键盘按键是否被按下的关键所在。由于矩阵键盘中行、列线为多键共用，各按键均影响该键所在的电平。因此各按键彼此间互相发生影响，所以必须将行、列线信号配合起来并作适当的处理，才能确定闭合键的位置。2）按键的识别方法按键识别的方法主要有扫描法、线反转法和键盘编码。由于本系统按键较多所以采用键盘编码的方法。3.3.2LED显示器工作原理LED显示器有静态和动态显示两种方式。1．LED静态显示LED显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极（或供阳极）连接在一起并接地(或+5V)；每位的段选线（a-dp）分别与一个八位的锁存器输出相连。所以称为静态显示。各个LED的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不变，直到显示另一个字符为止。也正是因为如此，静态显示的亮度比较高。2．LED动态显示在多位LED显示时，为简化硬件电路，通常将所有的位的段选线相应的并联在一起，由一个8位I/O口控制，形成段选线的多路复用。而各共阳极或共阴极分别由相应得I/O线控制，实现各位的分时选通。由于动态显示所用接口管线较少，因此本系统采用LED显示器的动态显示方式。3.3.3键盘/显示电路系统键盘显示接口采用8279芯片，用硬件完成键盘与显示器扫描[4]。键盘由0-9数字键，报警值设定键，时钟设定键，左位移键，确认键，运行键等组成，采用4×4键盘。用户可以通过键盘完成人机接口的各种操作。键盘以中断方式工作。当有按键时，8279申请中断CPU响应中断后转入键盘监控处理程序。显示器采用4个LED数码管，系统检测数据经AT89C51单片机处理后通过I/O口送到驱动电路，LED显示甲烷气体现场浓度。8279与单片机AT89C51的硬件接口电路图如图3-13所示。8279芯片外接4×8键盘和4位显示器，工作于4位显示和键盘输入工作方式，均为编码扫描，其组成可分为三个部分：图3-68279与单片机AT89C51的硬件接口电路图1．显示接口：由4个7段LED显示器组成。SL0-SL2经74LS138(1)译码低四位扫描控制位选口，显示字符的段选码由8279芯片的一个4位输出口OUB0-3同步输出实现，并且经74LS06非门轮流驱动7段LED显示器。消隐显示信号输出线与74LS138(1)的使能端E3相连，当显示功换时,输出低电平关闭74LS138(1)，从而达到显示消隐的目的。2．键盘接口：16个键排成4行4列的矩阵。8279工作于键盘输入方式，4根列扫描线由SL0-SL7经74LS138(2)译码获得，只用其中的四根，4根行信号线由RL0，RL1，RL2，RL3引入。由于8279的输入线RL0-RL7内部有上位电阻，当无键按下时均为高电平，而当有键按下时则被键盘上的按键拉成低电平，该键的行、列号信息被读人FIFORAM缓冲器中。同时8279的中断请求信号IRQ为高电平，可向CPU申请中断，读取键值代码。3．8279与AT89C51的接口：在硬件连线图中，单片机AT89C51的P2.7脚经反向器接片选信号CS。8279的A0端用于控制读写命令/状态和数据，A0与地址锁存器74LS373输出的最低位地址线AB0相接，所以8279的数据口地址为8FFEH，命令/状态口地址为8FFFH。8279的CNTL、SHIFT引脚接地。3.4单片机复位电路的设计复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把程序计数器PC值初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键重新启动单片机。RST引脚是复位信号的输入端，高电平有效，其有效时间应持续24个震荡周期（即两个机器周期）以上。若使频率为6MHZ的晶振，则复位信号持续时间超过4μs才能完成复位操作。复位操作由上电复位和按键手动复为两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图3-7所示。只要电源VCC的上电时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就完成了系统的复位初始化。按键手动复位分为电平方式和脉冲方式两种。其中，电平复位是复位端通过电阻与Vcc电源接通而实现的。脉冲复位是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的。在计算机测控系统中，为了保证微处理器稳定而可靠地运行，需要配置电压监控电路；为了实现掉电数据保护，需备用电池及切换电路；为了使微处理器尽快摆脱因干扰而陷入的死循环，需要配置看门狗电路，将完成这些功能的电路集成在一起的芯片中称为微处理器监控器。图3-7单片机系统复位电路在单片机系统中，为了摆脱“死循环”通常采用“看门狗技术”也就是程序监控技术。“看门狗”技术就是不断监视程序循环运行时间，若发现时间超过已知的循环设定时间，则认为系统陷入了“死循环”，然后强迫程序即PC返回到0000H，在0000H处安排一段出错处理程序，使系统进入正常工作。“看门狗”技术可由硬件实现，可由软件实现，也可由两者结合实现。本系统采用微处理器监控器MAX690A完成硬件“看门狗”电路。MAX690A是美国MAXIM公司的产品，具有以下功能：(1)在微处理器上电、掉电及低压供电时，产生一个复位输出信号。(2)具有备用电池切换电路，备用电池可供给其他低功耗逻辑电路。(3)具有看门狗电路，该电路的触发脉冲时间间隔超过1.6s时，将产生一个复位输出。(4)可用于低电压检测。MAX690A的主要电气参数为：·工作电压Vcc(1.2～5.5V)；·静态电流200μA；·备用电池方式静态电流50μA；·复位脉冲宽度TRS为200ms；·看门狗定时时间为1.6s；·复位门限电平4.65V。MAX690A与89C51单片机的接口电路如图3-8所示：图3-8MAX690A与89C51的接口电路本电路有复位电路和看门狗电路功能，R1、R2选取说明如下：（3-1）当R1=1kΩ，R2=2.6kΩ，使+5V电压跌落到4.5V，PFI的输出电压低于1.25V时，PFO输出高电平作为单片机的中断信号。单片机正常工作时，P1.0口定期(小于1.6s)改变WDI输入端的电平，使看门狗电路不发出复位电路。当出现“死机”，单片机将不能定期改变WDI电平，看门狗电路便会在1.6s后产生一个复位信号，使单片机复位，待经过200ms复位脉冲宽后，单片机复位结束，程序从0000H开始重新执行，保证了系统的正常运转。3.5单片机时钟电路的设计时钟电路用于产生89C51单片机工作时所必需的时钟信号。89C51单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证同步方式的实现，89C51单片机应在唯一的时钟信号控制下，严格地按时序执行工作。因此时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种为外部时钟方式。本系统采用内部时钟方式。89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，用于构成振荡器。反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，分别是89C51的19脚和18脚。在XTAL1和XTAL2两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。89C51内部时钟方式的振荡电路如图3-9所示。晶体的振荡频率范围通常在1.2MHz到24MHz之间。晶体的频率越高，则系统的频率越高单片机的运行速度越快。本系统选择振荡频率为24MHz的石英晶体。图3-9AT89C51内部时钟方式电路3.6系统原理综述系统硬件原理如原理图（附）所示。通过原理图，我们可以分析出系统的原理，于是系统主要原理如下：温度的测量通过温度传感器输出正比于不同温度的电压值来实现，在和8255A接口相连的pc中，通过二极管分别显示四个不同的水位情况。通过两个按键s2和s3来实现加热和加水的功能，当s2按下时，就触发外部中断0，进入中断子程序，执行加热功能。当s3按下时，就出发了外部中断1进入中断子程序，执行手动加水功能。单片机通过P0口用一个8255A扩展芯片实现8位LED显示，Po口和373相连锁存地址信号，P2.0~P2.3和水位检测传感器接口电路连接，P2.6和P2.7分别接有加水继电器和加热继电器。作为8255A的PC口接有6个二极管，分别用来显示水位1、2、3、4状态，还有加水状态和加热状态的提示信号。再通过接口电路8255A反映到显示屏上。单片机其余I/O口线安排：·VCC：接+5V电源。·GND：接地。·RST：接MAX690A的RESET。·P3.0(ALE)：与8255H的ALE脚相连提供时钟信号。·XTAL1、XTAL2：通过晶振实现单片机内部时钟。·PSEN：允许程序存储器输出控制端。·EA：内外程序存储器选择控制端。·P1.7：接MAX960的WDI端。·RD：接8255H的RD端。·WR：接8255H的WR端。4太阳能热水器中央控制器的软件设计在完成太阳能热水器中央控制器的硬件设计后，要达到系统设计需求，用单片机实现自动控制，就需要进行软件设计。同时运用软件设计可以相对地简化硬件结构，有效地降低设计成本并提高系统的性能。根据系统设计要求，软件设计应具备以下功能：·对水的温度数据的读入；·对数码管显示子程序的实现；·通过键盘输入实现数据采集；·将数据存入EPROM中实现掉电保护；·将采集到的数据通过LED显示。4.1系统总体软件设计本系统主要是完成由89C51为核心控制器来实现对太阳能热水器水位和水温的检测，并在适当的时候报警，并把温度数据体现在8位数码管上。主程序首先完成对串口，定时器，中断源的初始化设置，初始运行参数，开中断，然后循环读取键盘状态，检测系统是否漏电。一旦检测到系统漏电，立即进行声音和显示报警，并切断所有执行机构电源；若系统不漏电，则根据存储的键盘状态和检测的水温，水位等状态信号进行相应的处理并等待中断服务程序的执行。其主要的软件原理图如图1和2。系统正常控制时，首先显示水温和水位，若检测到水流开关打开用水时，自动断开上水阀和电加热体电源，即实现水电联动，用水停电。当检测到水位过低时，控制单片机在8255A的PC3口的二极管提示加水，然后手动加水。达到最高水位时同样提醒停止加水。在水位超过第二档时，将检测到的实际水温和设置水温进行比较，若实际水温低于设置水温时，则加热体通电进行辅助电加热；若水温高于设置水温时，切断加热体电源；若检测到水位低档，不管温度设置高低，总是停止加热，防止加热体干烧，在加热功能中将最高水温控制在适当的温度，超温时停止加热并报警。图一系统主程序流程图4.2数据采集软件设计4.2.1中断服务子程序开始开始关中断关中断保护现场，关闭电磁阀保护现场，关闭电磁阀将P3口的内容读入水位寄存器SW1中，其地址位0A将P3口的内容读入水位寄存器SW1中，其地址位0A0H将SW1中的内容进行处理，得出水位检测结果入SW2将SW1中的内容进行处理，得出水位检测结果入SW2调用水位处理子程序调用水位处理子程序置P3.4口为第二功能置P3.4口为第二功能启动计数器T0并延时启动计数器T0并延时从计数器T0中读取V/F的转换结果，并存入WD中从计数器T0中读取V/F的转换结果，并存入WD中调用温度算法子程序调用温度算法子程序调显示子程序调显示子程序恢复现场恢复现场开中断开中断中断返回中断返回4.2.2水位检测子程序开始开始现场保护现场保护取水位结果取水位结果是低水位是中水位是次高水位是高水位是低水位是中水位是次高水位是高水位无水位显示指针偏移量置为04H显示指针偏移量为＃03H显示指针偏移量置为＃02H显示指针偏移量置为＃01H显示指针偏移量置为＃00H无水位显示指针偏移量置为04H显示指针偏移量为＃03H显示指针偏移量置为＃02H显示指针偏移量置为＃01H显示指针偏移量置为＃00H启动电磁阀启动电磁阀显示缓冲区地址＋偏移＝显示段码地址显示缓冲区地址＋偏移＝显示段码地址将显示内容放入寄存器wx中将显示内容放入寄存器wx中恢复现场恢复现场返回返回4.3显示和键盘软件设计当要进行显示和软件设计时，单片机首先要通过P2.7端向8155H的CE端输出一个高电平，选中8155H。4.3.1动态显示程序设计在AT89C51内部的RAM中设置4个显示缓冲单元79H—7CH，分别存放显示器的4位数据，8155H的PA口扫描输出总是只有一位高电平，即显示器的4位中仅有一位公共阴极为低电平，其它位高电平，8155H的PB口输出相应位（阴极为低）的显示字形的断码，使其一位显示出一个字符，其它位为暗，依次改变PA口输出为高的位，PB口输出对应的段码，显示器的四位就动态地显示出由缓冲区中显示数据所得字符[18]。其显示流程如图4-3所示。图4-3动态显示程序流程图4.3.2键盘子程序设计当键盘无键输入时，8155H的PC0到3口不全为1，只有当键盘有键输入时PC0-3口全为1时，向单片机提出外部中断申请，单片机响应中断请求，由外部中断0的中断服务程序将输入的键号存入模拟通道指针R7，从而使系统采集键号所代表的模拟通道的量，并将其值通过LED显示出来。其键盘产生外部中断时的中断服务程序流程图如图4-4所示。通过延时子程序达到去键盘抖动的目的，并将所输入键的键号存入模拟通道选择指针R7中。中断结束后，返回主程序。从而实现通过按键选择模拟通道，并采集相应通道的数据。此外采集到的数据还需存入单片机片内的EPROM内，防止单片机突然掉电造成采集到的数据丢失。图4-4键盘中断服务程序5抗干扰技术设计单片机测控系统体积小、价格低、功能灵活、使用方便，已在工业领域中得到广泛应用，单片机系统越来越受到人们的关注。单片机系统的可靠性是由多种的，其中系统的抗干扰性能的好坏是影响系统可靠性的重要因素。因此，研究抗干扰技术，对保证单片机测控系统稳定、可靠的工作是非常必要的。一般把影响单片机测控系统正常工作的信号称为噪音，又称干扰。环境对单片机系统得干扰一般都是以脉冲的形式进入系统的，干扰窜入单片机的渠道主要有三条：1．空间干扰。2．供电系统干扰。3．过程通道干扰。5.1主要抗干扰技术[20]提高单片机系统的技术措施有降低单片机的频率，时钟监测电路、看门狗技术与低电压复位技术等技术。外时钟是高频的噪声源，除能引起对本应用系统的干扰之外，还可能产生对外界的干扰，使电磁兼容检测不能达标。在对系统可靠性要求很高的应用系统中，选用频率低的单片机是降低系统噪声的原则之一。监测系统时钟，当发现系统时钟停振时产生系统复位信号以恢复系统时钟，是单片机提高系统可靠性的措施之一。而时钟监控有效与省电指令STOP是一对矛盾。只能使用其中之一。看门狗技术是监测应用程序中的一段定时中断服务程序的运行状况，当这段程序不工作时判断为系统故障，从而产生系统复位。低电压复位技术是监测单片机电源电压，当电压低于某一值时产生复位信号。由于单片机技术的发展，单片机本身对电源电压范围的要求越来越宽。电源电压从当初的5V降至3.3V并继续下降到2.7V、2.2V、1.8V。在是否使用低电压复位功能时应根据具体应用情况权衡一下。5.2提高单片机系统抗干扰能力的主要方法提高单片机抗干扰能力的主要方法有接地，隔离与屏蔽和滤波。接地指接大地，也称作保护地。为单片机系统提供良好的地线，对提高系统的抗干扰能力极为有益。特别是对有防雷击要求的系统，良好的接地至关重要。系统运用一系列抗干扰元件，目的在于将雷击、浪涌式干扰以及快脉冲群干扰去除，而去除的方法都是将干扰引入大地，如果系统不接地，或者虽有地线但接地电阻过大，则这些元件都不能发挥作用。为单片机供电的电源的地俗称逻辑地，它们和大地的关系可以相通、浮空、或接一电阻，要视应用场合而定。不能把地线随便接在暖气管子上。绝对不能把接地线与动力线的火线、零线中的零线混淆。典型的信号隔离是光电隔离。使用光电隔离器件将单片机的输入输出隔离开，一方面使干扰信号不得进入单片机系统，另一方面单片机系统本身的噪声也不会以传导的方式传播出去。屏蔽则是用来隔离空间辐射的，对噪声特别大的部件，如开关电源，用金属盒罩起来，可减少噪声源对单片机系统的干扰。对特别怕干扰的模拟电路，如高灵敏度的弱信号放大电路可屏蔽起来。而重要的是金属屏蔽本身必须接真正地上。滤波指各类信号按频率特性分类并控制它们的方向。常用的有各种低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器。低通滤波器用在接入的交流电源线上，旨在让50HZ的交流电顺利通过，将其它高频噪声导入大地。低通滤波器的配置指标是插入损耗，选择的低通滤波器插入损耗过低起不到抑制噪声的作用，而过高的插入损耗会导致“漏电”，影响系统的人身安全性。高通、带通滤波器则应根据系统中对信号的处理要求选择使用。印制电路板的设计对单片机系统能否抗干扰非常重要。要本着尽量控制噪声源、尽量减小噪声的传播与耦合，尽量减小噪声的吸收这三大原则设计印制电路板和布线。当你设计单片机用印制电路板时应注意以下原则：1.印制电路板要合理区分，单片机系统通常可分三区，即模拟电路区(怕干扰)，数字电路区(即怕干扰、又产生干扰)，功率驱动区（干扰源）。2.印刷板按单点接电源、单点接地原则送电。三个区域的电源线、地线由该点分三路引出。噪声元件与非噪声元件要离得远一些。使用满足系统要求的最低频率的时钟，时钟产生器要尽量靠近用到该时钟的器件。3.石英晶体振荡器外壳要接地，时钟线要尽量短，使用45度的折线布线，不要使用90度的折线，以减小高频信号的发射。时钟线垂直于I/O线比平行于I/O线干扰小，时钟线要远离I/O线。每个集成电路要加一个去耦电容，要选高频信号好的独石电容式瓷片电容作去耦电容。去耦电容焊在印制电路板上时，引脚要尽量短。需要时，电源线、地线上可加铜线绕制铁氧用体而成的高频扼流器件阻断高频噪传导。除了上述介绍的通过滤波器滤波外，对于随机干扰，可以用数字滤波方法予以削弱或滤除。所谓数字滤波，就是通过一定的计算或判断程序减少干扰信号中的比重，实际上它是一个程序滤波。数字滤波克服了模拟滤波器的不足，它与模拟滤波器相比有以下优点：数字滤波是用程序实现的，不需要增加设备，所以可靠性高、稳定性好；数字滤波可以对频率很低（如0.01Hz）的信号实行滤波，具有灵活、方便、功能强的特点。由于数字滤波具有以上优点，所有数字滤波在单片机应用系统中得到了广泛的应用。6结论本设计主要完成以AT89C51为智能核心的太阳能热水器中央控制器的硬件电路设计以及相应的软件设计。完成的工作主要包括:根据系统的功能和相应的技术指标，完成了系统的整体硬件电路的设计；详细阐述了系统中各主要部分之间的接口设计的具体思路以及相应的电路原理图，包括AT89C51控制单元各个接口之间的设计，并简要阐述了如何提高系统的抗干扰问题。软件部分主要讨论了数据的采集处理以及各个中断处理系统。本系统的主要功能是对太阳能热水器的水位检测，温度检测并显示，定时上水，报警电路以及显示电路等。实现多任务融为一体，成本比较低且实现起来简单易行。本系统硬件结构简单，软件设计灵活，充分发挥了单片机结构紧凑、功能强的优点，是一种电路设计新颖，操作方便的太阳能热水器控制器。东北林业大学毕业设计参考文献[1]张毅刚，彭喜