廣告設(shè)計與制作畢業(yè)論文

1、本科畢業(yè)設(shè)計（論文）基于單片機的太陽能熱水器智能控制系統(tǒng)的設(shè)計 摘要太陽能熱水器以其諸多的優(yōu)點受到人們的歡迎。本論文以89c52單片機為核心，配合電阻型4檔水位傳感器、負(fù)溫度系數(shù)ntc熱敏電阻溫度傳感器、8255a擴展鍵盤和顯示器件 、驅(qū)動電路（電磁閥、電加熱、報警）等外圍器件， 完成對太陽能熱水器容器內(nèi)的水位、水溫測量、顯示；時間顯示；缺水時自動上水，水溢報警；手動上水、參數(shù)設(shè)置；定時水溫過低智能電加熱等功能。其中本文第一章主要說明了太陽能熱水器智能控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和本課題的主要任務(wù)，第二章對系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)作了簡單介紹，第三章介紹了控制系統(tǒng)軟件實現(xiàn)。 本系統(tǒng)對于水位傳感器、水溫傳感器的電阻

2、數(shù)據(jù)的處理均采用獨特的rc充放電的方法。它與使用a/d轉(zhuǎn)換器相比，電路簡單、制造成本低。特別適用于對水位、水溫要求不精確的場合。關(guān)鍵詞：太陽能，熱水器，控制器，89c52，rc充放電abstractsolar water heater is popular with its pretty benefits, this thesis take the 89c52 microcontroller integrated circuit as the core, the coordinate 4 grades of waters level resistance sensor, the negativ

3、e temperature coefficient ntc thermistor temperature sensor,the 8255a expansion keyboard and the demonstration component, the actuate circuit (solenoid valve, electric heating, warning) and other periphery component, completes to the water level and temperature measure and demonstrate; the time demo

4、nstrate; lack of water automatically upstream, the water overflow warn; fixed time intelligencely electric heat.the first chapter mainly explains the solar water heater intelligent control system research and the main task of this project, the second chapter of the hardware structure of the system i

5、s briefly introduced, the third chapter introduced the control system software implementation.regarding the process of the water level sensor and water temperature sensor resistance data this system uses the method of the unique rc electric sufficient and discharging. compared to using the a/d conve

6、rter, the electric circuit is simple, the production cost is low. specially it is suitable for the water level and the water temperature measuring requested unprecise situation.key word: solar energy, water heater, controller, 89c52, rc electric sufficient and discharge目錄摘要1abstract3第一章 緒論31.1太陽能熱水器

7、的發(fā)展概況及市場競爭分析31.2太陽能熱水器的應(yīng)用及意義41.3太陽能熱水器的工作原理6第二章 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計82.1主控芯片模塊82.1.1主控芯片模塊電路82.1.2主控芯片簡介92.2 溫度傳感模塊122.2.1溫度測量模塊選擇122.2.2溫度測量模塊簡介132.2.3水溫計算132.3水位檢測模塊162.3.1水位模塊選擇162.3.2水位測量電路的具體設(shè)計162.4時鐘模塊212.4.1 ds1302串行時鐘芯片212.4.2時鐘電路的設(shè)計222.5輸入輸出模塊232.5.1方案設(shè)計232.5.2 8255a在控制電路的應(yīng)用262.5.3鍵盤電路原理272.5.4顯示電路原理2

8、82.6其他硬件電路設(shè)計302.6.1 上水控制電路302.6.2 電加熱控制電路302.6.3報警控制電路312.6.4 水位顯示電路312.6.5上水電磁閥、電加熱、報警等驅(qū)動電路312.7電源電路31第三章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計323.1控制系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖323.2溫度測量編程實現(xiàn)333.3水位測量編程實現(xiàn)343.4時間讀取編程時實現(xiàn)353.5鍵盤掃描編程實現(xiàn)383.6顯示編程實現(xiàn)39結(jié) 論41參考文獻(xiàn)42致謝43附錄44附錄一44附錄二63第一章 緒論1.1太陽能熱水器的發(fā)展概況及市場競爭分析目前，中國已成為世界上最大的太陽能熱水器生產(chǎn)國，年產(chǎn)量約為世界各國之和，已有一百多家太陽能熱水

9、器生產(chǎn)廠。但是與之配套的太陽能熱水器控制器卻一直處在研究與開發(fā)階段。這種控制器只具有溫度和液位顯示功能， 而且為分段顯示，溫度顯示誤差為10%，水位顯示誤差為25%。這種顯示器(還稱不上控制器)不具有溫度控制功能，當(dāng)由于天氣原因而光強不足時，就會給熱水器用戶帶來不便；即使熱水器具有輔助加熱功能，由于加熱時間不能控制而產(chǎn)生過燒，從而浪費大量的電能。本文設(shè)計的太陽能熱水器控制器以at89c52單片機為檢測控制核心，采用串行芯片ds1302 實時時鐘，不僅實現(xiàn)了時間、溫度和水位三種參數(shù)實時顯示和水溢報警功能，還能實現(xiàn)手動上水、手動電加熱、設(shè)置水位、設(shè)置溫度等功能。溫度控制采用模糊控制， 控制器可以根

10、據(jù)天氣情況利用輔助加熱裝置使蓄水箱內(nèi)的水溫在設(shè)定時間達(dá)到預(yù)先設(shè)定的溫度，從而達(dá)到24小時供應(yīng)熱水的目的。太陽能熱水器是太陽能利用中最常見的一種裝置，經(jīng)濟效益明顯，正在迅速的推廣應(yīng)用，太陽能熱水器能夠?qū)⑻栞椛淠苻D(zhuǎn)換熱能，供生產(chǎn)和生活使用。他主要由平板集熱器、蓄水器和連接管道等部件組成，可分循環(huán)式、直流式和悶曬式。當(dāng)今社會發(fā)展日新月異，人們衣食住行也在不斷的提高?，F(xiàn)有電熱型熱水器費用昂貴及燃?xì)庑偷牟话踩裕遗欧哦趸嘉廴敬髿?，北方用煤氣取暖造成城市空氣環(huán)境污染，這些都是太陽能熱水器良好的外部生存環(huán)境。太陽能熱水器 克服了上述缺點，他是綠色環(huán)保產(chǎn)品。它使用簡單、方便。太陽能熱水器順呼時代發(fā)展的

11、要求，滿足人們對環(huán)保綠色產(chǎn)品的需求。在人類文明程度日益提高的今天，它是現(xiàn)代文明社會的最佳選擇。應(yīng)該注意到，集體單位對太陽能熱水器的用量很大。新建商住樓安裝熱水器，已是房屋開發(fā)公司計劃之內(nèi)的事，配套熱水器的商品房銷勢更好1。 此款熱水器包括主、從兩大系統(tǒng)：主系統(tǒng)的特點是在晴好的天氣利用太陽光能為熱水器加熱；從系統(tǒng)相當(dāng)于電熱水器，它在無光照的情況下利用電輔助加熱。它充分利用太陽能的豐富的免費的資源的優(yōu)勢，同時考慮到在陰天及夜間無法利用太陽能的缺點，充分發(fā)揮太陽能熱水器和電熱水器的各自優(yōu)勢，這是世面上大部分熱水器所不能比擬的。1.2太陽能熱水器的應(yīng)用及意義眾所周知，太陽能是取之不盡，用之不竭，沒有污

12、染的巨大能源。隨著世界上煤、油、氣的儲量日益減少，能源危機已日益增長，環(huán)境污染的危機已威脅著生態(tài)平衡，太陽能開發(fā)利用的課題已提到人類的面前。有人預(yù)測：二十一世紀(jì)太陽能將由輔助能源上升為主要能源。但由于太陽能的分散性、季節(jié)性和地區(qū)性又給太陽能利用帶來重重困難，有些技術(shù)難點尚未突破，產(chǎn)品造價偏高（如光電池）。因而尚未被人們大規(guī)模的使用。在太陽能熱利用技術(shù)中，太陽能熱水器是技術(shù)上比較成熟、造價比較低廉的產(chǎn)品，同時給人民提供不耗能源、保護環(huán)境、絕對安全的熱水而受到人們的歡迎。太陽能熱水器是以太陽能光熱轉(zhuǎn)換，利用溫室效應(yīng)和虹吸原理使水加熱的裝置，此裝置分為兩個不同的概念：1.太陽能熱水工程系統(tǒng)，這種系統(tǒng)

13、由太陽能集熱器、儲水箱管線、補水箱組成不同形式的熱水系統(tǒng)，包括自然循環(huán)式、定溫放水式等等，可構(gòu)成提供熱水10噸到100噸的裝置，大多提供集體單位使用。2.太陽能熱水器是指將上述各種不見組裝成一個小系統(tǒng)，提供家庭或需要產(chǎn)熱水1噸以下的單位使用，此種裝置算為太陽能熱水器。太陽能熱水器（或系統(tǒng)）均以其采光面積作為計量單位，一般1平方米光面積可產(chǎn)熱水100升，采光面積每種型號不同，一般在1.52.0平方米。我國從“六五”計劃期間開始推廣太陽能熱水器，到目前全國已有250萬平方米采光面積的太陽能熱水器，廠家又幾家發(fā)展到全國約有180家左右，是目前世界上推廣最大的國家之一，而且形成了規(guī)模，形成了中國特色的

14、太陽能企業(yè)，有中國太陽能協(xié)會為中心的學(xué)術(shù)中心，以中國農(nóng)村能源企業(yè)協(xié)會太陽能熱利用專業(yè)委員會為中心，制定了產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、測試條件、產(chǎn)品合格證頒發(fā)等一系列措施。世界各國的太陽能熱水器生產(chǎn)發(fā)展也很快。例如：澳大利亞政府規(guī)定，在北部地區(qū)新建房屋一定要設(shè)置太陽能熱水器，西澳大利亞已有25%的新住宅安裝了太陽能熱水器。日本現(xiàn)在每年安裝太陽能熱水器近50萬臺，現(xiàn)在有20%的家庭安裝了太陽能熱水器，計劃今后普及率達(dá)到25%，按照日本的“陽光計劃”還將為公寓，辦公樓安裝6500套太陽能熱水系統(tǒng)，為工廠安裝1900套工業(yè)用太陽能熱水系統(tǒng)。以色列的法令規(guī)定所有新建筑物必須配備太陽能熱水器，目前普及率已超過60%。英、法

15、、德、意、希臘五國到2000年底推廣熱水器600萬平方米，比1990年增長2倍多。國內(nèi)外太陽能熱水器使用量增長如此之快，其根本原因是：能源問題、環(huán)保問題是當(dāng)今世界各國面臨的主要問題之一。太陽能熱水器是節(jié)能、環(huán)保產(chǎn)品，故受到廣泛重視，發(fā)展極快，預(yù)計今后每年將以15%20%的速度發(fā)展。根據(jù)理論計算及實際應(yīng)用證明，太陽能熱水器每平方米光面積一年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤200-300公斤節(jié)電1500度，或節(jié)約液化氣180公斤。采用本熱水器與電熱水器、燃?xì)鉄崴飨啾?，還具有絕對安全，最為衛(wèi)生的特點，在電費，液化氣、煤氣價格較高的地區(qū)，用戶1-3年即收回投資，在這以后提供的熱水是免費的。設(shè)計可以參考以下的幾個意見：1

16、.在設(shè)計民用建筑時，若此地區(qū)沒有集中熱水供應(yīng)，可給用戶安裝太陽能熱水器，以提供熱水，提高住房的檔次，在設(shè)計時將冷、熱水管線預(yù)埋，以平均每套住宅建筑面積65平方計算，工程造價大約每平方米增加18-20元，2.設(shè)計工廠浴室時，可考慮采用太陽能熱水系統(tǒng)，每平方采光面積產(chǎn)熱水100升計算，100平方米太陽能熱水系統(tǒng)可產(chǎn)熱水10噸，每人每次標(biāo)準(zhǔn)用水40升，可解決250人的洗浴用水。作為工廠中低溫工業(yè)熱水，可根據(jù)當(dāng)?shù)馗鞣N各樣的不同條件予以特殊設(shè)計。3.作為工廠中低溫工業(yè)熱水，可根據(jù)當(dāng)?shù)馗鞣N各樣的不同條件予以特殊設(shè)計。太陽能熱水器的推廣應(yīng)用及經(jīng)濟效益據(jù)不完全統(tǒng)計，迄今全國太陽能熱水器累計安裝使用總量已達(dá)30

17、0萬平方米以上。所以該控制器具有使用方便、性價比高、工作可靠、精度高等特為太陽能熱水器的進(jìn)一步推廣具有積極的推動作用。1.3太陽能熱水器的工作原理圖1.3 熱水器裝置簡圖熱水器主要由集熱板、循環(huán)管道和水箱等組成，圖中為典型的熱水器裝置圖。圖中集熱板按最佳傾角放置，副水箱供給保溫?zé)崴渌璧睦渌＜療岚逦仗栞椛浜?，集熱板?nèi)溫度上升，水溫也隨之升高。水溫升高后，水的比重減輕，便經(jīng)上循環(huán)管進(jìn)入保溫?zé)崴渖喜?。而保溫水箱下部的冷水比重較大，就由水箱下流到集熱板下方，在集熱板內(nèi)受熱后又上升。這樣不斷對流循環(huán)，水溫逐漸提高，直到集熱板吸收的熱量與散失的熱量相平衡時，水溫不再升高。這種熱水利用循環(huán)加熱的

18、原理，因此又稱循環(huán)熱水器。集熱器是一種利用溫室效應(yīng)，將太陽能輻射轉(zhuǎn)換為熱能的裝置，該裝置與一般熱水交換器不一樣，熱交換器通常只是液體到液體，或是液體到氣體的熱交換過程，而平板行集熱器時直接將太陽輻射傳給液體或氣體，是一個復(fù)雜的傳熱過程。平板型集熱器結(jié)構(gòu)形式很多，世界上已實用的集熱器就有直管式、瓦楞式、扁管式、鋁翼式等二十多種。第二章 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計2.1主控芯片模塊2.1.1主控芯片模塊電路單片機系統(tǒng)由at89c52和一定功能的外圍電路組成，包括為單片機提供復(fù)位電壓的復(fù)位電路，提供系統(tǒng)頻率的晶振。這部分電路主要負(fù)責(zé)程序的存儲和運行。對外接電容的值雖然沒有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會影響振蕩器

19、頻率的高低、諧振器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。晶體可在1.2mhz12mhz之間任選，電容c1和c2的典型值在20pf100pf之間選擇，但在60pf70pf時振蕩器具有較高的頻率穩(wěn)定性。典型值通常選擇為30pf左右，但本電路采用30pf。at89c52的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實現(xiàn)的。復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。本設(shè)計中所用到的是上電按鈕復(fù)位，如圖2.1所示。圖2.1單片機系統(tǒng)2.1.2主控芯片簡介89c52是intel公司mcs-51系列單片機中基本的產(chǎn)品，它采用atmel公司可靠的cmos工藝技術(shù)制造的高性能8位單片機，屬于標(biāo)準(zhǔn)的mcs-51的hcmos產(chǎn)品

20、。它結(jié)合了cmos的高速和高密度技術(shù)及cmos的低功耗特征，它基于標(biāo)準(zhǔn)的mcs-51單片機體系結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，屬于89c52增強型單片機版本，集成了時鐘輸出和向上或向下計數(shù)器等更多的功能，適合于類似馬達(dá)控制等應(yīng)用場合。89c52內(nèi)置8位中央處理單元、256字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器ram、8k片內(nèi)程序存儲器（rom）32個雙向輸入/輸出(i/o)口、3個16位定時/計數(shù)器和5個兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)時鐘振蕩電路。此外，89c52還可工作于低功耗模式，可通過兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結(jié)cpu而ram定時器、串行口和中斷系統(tǒng)維持其功能。掉電模式下，保存ram數(shù)據(jù)，時鐘振蕩

21、停止，同時停止芯片內(nèi)其它功能。89c52有pdip(40pin)和plcc(44pin)兩種封裝形式。圖2.2為at89c52的引腳圖圖2.2 at89c52的引腳圖主要功能特性 標(biāo)準(zhǔn)mcs-51內(nèi)核和指令系統(tǒng) 片內(nèi)8krom（可擴充64kb外部存儲器） 32個雙向i/o口 256x8bit內(nèi)部ram（可擴充64kb外部存儲器） 3個16位可編程定時/計數(shù)器 時鐘頻率3.5-12/24/33mhz 向上或向下定時計數(shù)器 改進(jìn)型快速編程脈沖算法 6個中斷源 5.0v工作電壓 全雙工串行通信口 布爾處理器 幀錯誤偵測 4層優(yōu)先級中斷結(jié)構(gòu) 自動地址識別 兼容ttl和cmos邏輯電平 空閑和掉電節(jié)省模

22、式 pdip(40)和plcc(44)封裝形式管腳說明：vcc：供電電壓。 gnd2：接地。 p0口：p0口為一個8位漏級開路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門電流。當(dāng)p1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在fiash編程時，p0 口作為原碼輸入口，當(dāng)fiash進(jìn)行校驗時，p0輸出原碼，此時p0外部必須被拉高。 p1口：p1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4ttl門電流。p1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在fla

23、sh編程和校驗時，p1口作為低八位地址接收。 p2口：p2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個ttl門電流，當(dāng)p2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時，p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。p2口在flash編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 p3口：p3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o口，可接收

24、輸出4個ttl門電流。當(dāng)p3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。p3口作為at89c52的一些特殊功能口，管腳 備選功能 p3.0 rxd（串行輸入口） p3.1 txd（串行輸出口） p3.2 /int0（外部中斷0） p3.3 /int1（外部中斷1） p3.4 t0（計時器0外部輸入） p3.5 t1（計時器1外部輸入） p3.6 /wr（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） p3.7 /rd（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） rst：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持rst腳兩個機器周期的高電平時間。 ale/pr

25、og：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。 在flash編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ale端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ale脈沖。如想禁止ale的輸出可在sfr8eh地址上置0。此時， ale只有在執(zhí)行movx，movc指令是ale才起用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ale禁止，置位無效。 /psen：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩/psen有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)

26、存儲器時，這兩次有效的/psen信號將不出現(xiàn)。/ea / vpp：當(dāng)/ea保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000h-ffffh），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/ea將內(nèi)部鎖定為reset；當(dāng)/ea端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在flash編程期間，此引腳也用于施加12v編程電源（vpp）。 xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 xtal2：來自反向振蕩器的輸出。2.2 溫度傳感模塊2.2.1溫度測量模塊選擇 溫度測量的方案有很多，經(jīng)過方案比較，對太陽能熱水器中水的溫度進(jìn)行控制及顯示，需對熱水器水溫與出水溫度進(jìn)行檢測。對于熱水器來說溫度控制與

27、顯示的精度要求并不高，因此本設(shè)計采用負(fù)溫度系數(shù)ntc 熱敏電阻作為測溫元件，利用ntc 熱敏電阻阻值隨溫度變化而改變的特性實現(xiàn)測溫。水溫測量電路如圖2.3圖2.3 水溫測量電路原理圖2.2.2溫度測量模塊簡介ntc是negative temperature coefficient 的縮寫，意思是負(fù)的溫度系數(shù)，泛指負(fù)溫度系數(shù)很大的半導(dǎo)體材料或元器件，所謂ntc熱敏電阻器就是負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器。它是以錳、鈷、鎳和銅等金屬氧化物為主要材料， 采用陶瓷工藝制造而成的。這些金屬氧化物材料都具有半導(dǎo)體性質(zhì)，因為在導(dǎo)電方式上完全類似鍺、硅等半導(dǎo)體材料。溫度低時，這些氧化物材料的載流子（電子和孔穴）數(shù)目少，

28、所以其電阻值較高；隨著溫度的升高，載流子數(shù)目增加，所以電阻值降低。ntc熱敏電阻器在室溫下的變化范圍在10o1000000歐姆，溫度系數(shù)-2%-6.5%。ntc熱敏電阻器可ntc熱敏電阻器廣泛用于測溫、控溫、溫度補償?shù)确矫妗?ntc（negative temperature coeff1cient）是指隨溫度上升電阻呈指數(shù)關(guān)系減小、具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻現(xiàn)象和材料。該材料是利用錳、銅、硅、鈷、鐵、鎳、鋅等兩種或兩種以上的金屬氧化物進(jìn)行充分混合、成型、燒結(jié)等工藝而成的半導(dǎo)體陶瓷，可制成具有負(fù)溫度系數(shù)（ntc）的熱敏電阻。其電阻率和材料常數(shù)隨材料成分比例、燒結(jié)氣氛、燒結(jié)溫度和結(jié)構(gòu)狀態(tài)不同而變化。

29、現(xiàn)在還出現(xiàn)了以碳化硅、硒化錫、氮化鉭等為代表的非氧化物系ntc熱敏電阻材料。 它的測量范圍一般為-10+300，也可做到-200+10，甚至可用于+300+1200環(huán)境中作測溫用。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻器溫度計的精度可以達(dá)到0.1，感溫時間可少至10s以下。它不僅適用于糧倉測溫儀，同時也可應(yīng)用于食品儲存、醫(yī)藥衛(wèi)生、科學(xué)種田、海洋、深井、高空、冰川等方面的溫度測量。2.2.3水溫計算ntc 熱敏電阻的阻值與溫度的準(zhǔn)確關(guān)系為:rt=r0exp1t-1t0 (2-1)式中r0 為溫度為t0 時的電阻值，t0 為基準(zhǔn)溫度298.15k， 即25 。為材料系數(shù)。r0 與由熱敏電阻生產(chǎn)廠家給出6。由式2-1可

30、得:t=11lnrtr0+1t0 (2-2)由式2-13和式2-14可得；rtr0=ntn0 (2-3)將t0 、值代入上式并用攝氏溫度表示時水膽溫度為；t=114050lnn16384+1298.15-273.15 (2-4)因為89c52單片機無法進(jìn)行直接的對數(shù)運算，按上述公式計算溫度值將是十分困難的。在這里查表法是一種經(jīng)常采用的解決辦法，即事先計算出所有可能的計時結(jié)果所對應(yīng)的溫度值以表格形式寫入控制程序，每次轉(zhuǎn)換完畢后查表得出所對應(yīng)的溫度值。但此種方法需占用較多的程序儲存空間本設(shè)計采用一次線性插值法對溫度與a/d 轉(zhuǎn)換結(jié)果之間的關(guān)系進(jìn)行分段線性化，以少量單片機能直接進(jìn)行的運算的組合去逼近

31、目標(biāo)函數(shù)。圖2.4為溫度t 與計時器計時結(jié)果n之間的關(guān)系曲線。圖2.4 計時寄存器值n與溫度t的關(guān)系曲線其中圓滑曲線為實際的t-n關(guān)系曲線設(shè)計中根據(jù)使用要求將曲線在0 -90 范圍內(nèi)分3 段采用圖中的3 段直線斷代替實際曲線。曲線按式2-4 計算出圖中各線段端點坐標(biāo)值為：n1=1000，t1=90()； n2=7549，t2=43()； n3=20000，t3=20()； n4=56450，t4=0()；分段線性化后溫度t 的近似計算公式：，() (2-5)，() (2-6)，() (2-7)為了能在單片機上進(jìn)行計算，將以上三式進(jìn)一步變換成如下形式（其中int為取整函數(shù)）： t=97-int(

32、n*8/1000), (2-8) t=50-int(n/1000), (2-9) t=30-int(n*5/10000), (2-10)式2-8,2-9 和2-10的計算過程僅需通過簡單的幾步移位與加減法操作即可實現(xiàn)，與通過式2-4 計算并進(jìn)行四舍五入圓整的結(jié)果相比較單片機通過式2-8,2-9 和2-10計算出的溫度值在020 范圍內(nèi)誤差不超過2,在20 90 范圍內(nèi)誤差不超過1,并且計算出的溫度值與a/d 轉(zhuǎn)結(jié)果之間保持良好的單調(diào)遞增關(guān)系。2.3水位檢測模塊2.3.1水位模塊選擇實驗證明，純凈水幾乎是不導(dǎo)電的，但自然界存在的以及人們?nèi)粘Ｊ褂玫乃紩幸欢ǖ膍g2+、ca2+等離子，它們的存

33、在使水導(dǎo)電。本控制裝置就是利用水的導(dǎo)電性來完成的。本論文采用rc充放電式水位傳感器來作為我們測量的元件。原理如圖2.5圖2.5 rc充放電式水位傳感器測量電路原理圖它的工作原理是，水面每接觸一個鋼針就會多并聯(lián)一個電阻，電阻隨水位變化而規(guī)律的變化。利用單片機的一個口周期性的給電容電路充放電，然后用單片機監(jiān)測電容兩端電壓的變化，因為電容電壓的上升或下降時間t=rc，所以用單片機記錄這個時間就能判別電阻的變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為水位的變化進(jìn)行顯示及其他動作。2.3.2水位測量電路的具體設(shè)計1直接接單片機i/o口檢測單片機中的定時器可以提供電壓變化時間的紀(jì)錄，接下來就是如何將電壓的變化傳遞給單片機。一種簡單的

34、方案是：用p1.0口給rc電路周期性的充放電，然后用p1.1口監(jiān)測電容的電平變化，完成計時，這種方案看上去簡單易實現(xiàn)，但實際則行不通。按剛才提到的方法接圖如圖2.6。這樣做得到的結(jié)果是p1.1的電壓一直保持高電平，即電容電壓一直保持高點平。這與單片機內(nèi)部電路有關(guān)，單片機的內(nèi)部電路如圖2.7所示。圖2.6直接用i/o檢測電容電壓測量水位電路原理圖圖2.7 p1口的位結(jié)構(gòu)42采取與i/o隔離并用中斷監(jiān)測電容電壓的電路這樣需要將電容電壓與單片機監(jiān)測端口隔離，采取如圖2.8所示電路。圖2.8 水位測量電路1.lm358的應(yīng)用lm358的正向輸入端接電容電壓正端，反向輸入端與輸出端相連，構(gòu)成電壓跟隨器。

35、電壓跟隨器的顯著特點就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要達(dá)到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通?？梢缘綆讱W姆，甚至更低，也就是說電壓跟隨器有較好的隔離作用，使輸出對輸入影像較小，正好滿足我們的要求6。lm358的輸出電壓幅度為0 至vcc-1.5v,而要跟隨的電壓范圍為05v，所以應(yīng)選用大于+6.5v的電源供電，這里選用+12v單電源供電2lm393的作用給比較器設(shè)置+3v的參考電壓，將電容電壓的指數(shù)曲線變成矩形波，波形圖如圖2.9所示。將參考電壓接同相輸入端，比較電壓接反相輸入端，從而實現(xiàn)電容電壓在上升到參考電壓時比較器產(chǎn)生下降沿信號，作為單片機的外部中斷信號。如圖2.9

36、所示。根據(jù)lm393的特性本設(shè)計電源電路提供的電壓，選用+5v給其供電。由lm393的內(nèi)部原理圖可知lm393的輸出為集電極開路，它的輸出高電平與lm393的電源無關(guān)，但須接外部電源和上拉電阻。在圖2.8所示的水位測量電路中并未有這樣的上拉電壓電路，是因為單片機內(nèi)部int0、int1口已經(jīng)具備了這樣的電路。int0、int1的內(nèi)部電路類似于p1口如圖2.8所示。另外lm393的同相輸入端輸入和反相輸入端輸入之間有相互嵌位作用，+5v電源和分壓電阻提供的+3v參考帶電平對反相輸入端輸入有嵌位作用，如果不接lm358 電源跟隨器而與電容直接相連，顯然會影響電容電壓的變化，這就是要加電壓跟隨器進(jìn)行隔

37、離的原因。圖2.9 電容電壓與比較器輸出信號(仿真和實測)3充電時間的設(shè)定和電容的選擇電容充電時間的計算公式為：t=rc （2-11）t即位電容電壓上升時間。編程使p1.0口輸出周期性的方波，給電容充放電，方波半周期（充電或放電時間）為，應(yīng)使方波半周期大于電容電壓上升時間，即：tt (2-12)如果使用單片機主程序一直循環(huán)給p1.4口輸出方波，方波的周期可以很大，超過幾秒甚至幾十秒，但是這樣主程序就只能干這一項工作，影響單片機的其他工作。所以要用定時器來實現(xiàn)方波輸出。這樣用定時器就可以用定時中斷使p1.4口輸出方波，又不影響單片機的其他工作。這樣方波的周期就受定時器定時時間的限制。89c52單

38、片機定時器共有4種定時方式，其中定時時間最長的為定時方式1。當(dāng)定時器/計數(shù)器在方式1下做定時器用時，其定時時間計算公式為：t=t-計數(shù)初值晶振周期12 （2-13）采用12m的晶振，晶振周期為s，因為采取定時器終端方式，所以n=0xffff=65536。所以：t=(65536-計數(shù)初值)us。 （2-14）那么當(dāng)t=30ms,計數(shù)初值為0x8ad0=35536。如圖2.7，這里用int0 中斷來監(jiān)視記錄電容變化，內(nèi)部編程實現(xiàn)計時器對電容電壓上升時間的記錄，所以可以通過將計時器寄存器里的值顯示出來的方式直觀顯示電容電壓結(jié)果，來確定合適的電容。以下是編程實現(xiàn)這一過程的結(jié)果。表2-1 不同電容大小時

39、計數(shù)器寄存器中的值一水位二水位三水位四水位th0tl0th0tl0th0tl0th0tl02ufa0b48598708360651uf64704950384032340.22uf2180a31728016472由表格數(shù)據(jù)可見當(dāng)選用2uf電容時，應(yīng)需較大的充放電時間，充放電不夠充分，所以計數(shù)器寄存器中的值大而不準(zhǔn)；而當(dāng)取0.22uf電容式計數(shù)寄存器th0的值僅為1或2，非常不利用區(qū)分；當(dāng)取1uf電容時，數(shù)據(jù)大小合適，分段明顯，所以應(yīng)選用1uf電容。另外，電容兩端的最高電壓為+5v，最低電壓為0v，所以所選電容的耐壓留有一定裕量為最大電壓的3倍，所以應(yīng)選取耐壓為15v以上的電容。由表2-1知r最大

40、值為25k，所以：tt=rc=25ms （2-15）又由式2-2得： (2-16)這樣由公式2-15、2-16得到。因此取充電和放電時間為30ms。2.4時鐘模塊太陽能熱水器雖然節(jié)能環(huán)保，但它也有自身的許多缺點，例如受天氣狀況的影響太大，如果某天因陰雨天氣等原因日照不足，水溫偏低，使用者就無法正常使用熱水。為了解決這個問題需要為控制系統(tǒng)提供電加熱裝置。本系統(tǒng)設(shè)計了一個利用時鐘芯片提供時間信號完成智能加熱功能的電加熱系統(tǒng)。下面對本論文采用的時鐘芯片電路的介紹。2.4.1 ds1302串行時鐘芯片1ds13027芯片的性能特點：實時時鐘具有能計算2100 年之前的秒分時日日期星期月年的能力還有閏年

41、調(diào)整的能力，318 位暫存數(shù)據(jù)存儲ram，串行i/o 口方式使得管腳數(shù)量最少， 寬范圍工作電壓2.0 5.5v， 工作電流2.0v 時,小于300na，讀/寫時鐘或ram 數(shù)據(jù)時有兩種傳送方式單字節(jié)傳送和多字節(jié)傳送字符組方式， 8 腳dip 封裝或可選的8 腳soic 封裝根據(jù)表面裝配， 簡單3 線接口，與ttl 兼容vcc=5v8。2管腳功能描述圖2.10為ds13028腳封裝管腳圖。圖2.10 ds13028腳封裝管腳圖管腳描述：x1 、x2 32.768khz 晶振管腳；gnd 地；rst 復(fù)位腳；i/o 數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳；sclk 串行時鐘；vcc1,vcc2 電源供電管腳；2.4.

42、2時鐘電路的設(shè)計ds1302 內(nèi)部寄存器ch: 時鐘停止位 寄存器2的第7 位12/24 小時標(biāo)志ch=0 振蕩器工作允許； bit7=1,12 小時模式；ch=1 振蕩器停止； bit7=0,24 小時模式；wp: 寫保護位 寄存器2 的第5 位:am/pm 定義wp=0 寄存器數(shù)據(jù)能夠?qū)懭耄?ap=1 下午模式；wp=1 寄存器數(shù)據(jù)不能寫入； ap=0 上午模式tcs: 涓流充電選擇 ds: 二極管選擇位tcs=1010 使能涓流充電； ds=01 選擇一個二極管;tcs=其它 禁止涓流充電； ds=10 選擇兩個二極管;ds=00 或11, 即使tcs=1010, 充電功能也被禁止表2-

43、2 rs位功能表rs位電阻典型位00沒有沒有01r12 k10r24 k11r328kds1302的管腳按前面的說明進(jìn)行連接，sclk同步時鐘口接p1.5口，i/o數(shù)據(jù)輸入輸出口接p1.6口，ret復(fù)位引腳接p1.7口，vcc2接+5v電源，vcc1接+5v備用電池，x1、x2接32.768mhz晶振。單片機與ds1302的連接方式如圖2.11所示。圖2.11單片機與ds1302的連接圖2.5輸入輸出模塊一般具有人機對話的單片機系統(tǒng)少不了會有鍵盤和顯示屏。鍵盤和顯示電路是太陽能熱水器水位控制系統(tǒng)與用戶的接口，用戶通過顯示來觀察水溫、水位、時間等狀態(tài)值，再根據(jù)觀察到的值，通過鍵盤對太陽能熱水器進(jìn)

44、行控制。本章設(shè)計了較為合理的鍵盤和顯示電路完成這些功能。2.5.1方案設(shè)計太陽能熱水器系統(tǒng)需要用數(shù)碼管顯示時間和溫度，時間精確到分，24或12小時制，這就需要4位顯示；而溫度顯示范圍為099度，這又需要2位顯示。對于六位顯示，采用占用i/o較少的動態(tài)掃描方式，也需要六位位選碼數(shù)據(jù)線，八位段選碼數(shù)據(jù)線，共需14個i/o口。鍵盤采用復(fù)用方式，仍需要至少4個i/o口。鍵盤和顯示電路共需18個i/o口，89c52單片機共有48個i/o口，而又有8個口有特殊功能，也就是常用的共有38個i/o口，該系統(tǒng)的其他設(shè)置也還要占用大量i/o口，顯然這樣太浪費資源。intel公司生產(chǎn)的可編程并行接口芯片8255a已

45、廣泛應(yīng)用于實際工程中，例如8255a與a/d、d/a配合構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過8255a連接的兩個或多個系統(tǒng)構(gòu)成相互之間的通信，系統(tǒng)與外設(shè)之間通過8255a交換信息，等等，所有這些系統(tǒng)都將8255a用作為并行接口。1 8255a的內(nèi)部結(jié)構(gòu)8255a內(nèi)部由pa、pb、pc三個8位可編程雙向i/o口，a組控制器和b組控制器，數(shù)據(jù)緩沖器及讀寫控制邏輯四部分電路組成。 圖2.12為8255a結(jié)構(gòu)框圖和引腳圖圖2.12 8255a結(jié)構(gòu)框圖與引腳圖2、 8255a的引腳功能 數(shù)據(jù)總線（8條）：d0d7，用于傳送cpu和8255a間的數(shù)據(jù)、命令和狀態(tài)字。 控制總線（6條）：reset：復(fù)位線，高電平有效。

46、/cs：片選線，低電平有效。 /rd、/wr：/rd為讀命令線，/wr為寫命令線，皆為低電平有效。a0、a1：地址輸入線：用于選中pa、pb、pc口和控制寄存器中哪一個工作。 并行i/o總線（24條） ：用于和外設(shè)相連，共分三組 3、8255a控制字和狀態(tài)字8255a有兩個控制字：方式控制字和c口置位/復(fù)位控制字。用戶通過程序可以把這兩個控制字送到8255a的控制寄存器，以設(shè)定8255a的工作方式和c口各位狀態(tài)。方式控制字用于設(shè)定8255a三個端口工作于什么方式，是輸入還是輸出方式。 方式控制字方式控制字用于設(shè)定8255a三個端口工作于什么方式，是輸入還是輸出方式。圖2.13為方式控制字。圖2

47、.13方式控制字c口置位/復(fù)位控制字本控制字可以使c口各位單獨置位或復(fù)位，以實現(xiàn)某些控制功能。圖2.14圖2.14 c口置位/復(fù)位控制字圖2.15 8255a狀態(tài)字8255a有三種基本工作方式： 方式0：基本的輸入/輸出方式1：有聯(lián)絡(luò)信號的輸入/輸出；方式2：雙向傳送。這里只介紹基本的輸入輸出工作方式。將端口信號線分成4組，分別由方式控制字的d4、d3、d1、d0控制其傳送方向，當(dāng)某位為1時，相應(yīng)的端口數(shù)據(jù)線設(shè)置成輸入方式；當(dāng)某位為0時，相應(yīng)的端口數(shù)據(jù)線設(shè)置成輸出方式。特別注意，當(dāng)將c口的低4位設(shè)置成同一傳送方向時，則端口c可用作為獨立的端口，因此，8255a提供了3個獨立的8為端口9。2.5

48、.2 8255a在控制電路的應(yīng)用單片機與8255a的連接如圖2.16所示，如圖所示分別將8255a的 讀、寫、復(fù)位端口與單片機的讀、寫、復(fù)位端口相連。a0、a1、為8255a的地址口，d0-d9為數(shù)據(jù)口。p2.5與a1相連，p2.6與a2相連，p2.7與相連，提供8255的端口地址信號。單片機的p0口為8255a提供數(shù)據(jù)輸出輸入。8255a共占用單片機11個常用i/o口，比直接顯示鍵盤電路節(jié)省了7個i/o口。圖2.16 單片機與8255a連接圖2.5.3鍵盤電路原理為使用戶使用界面盡量簡單，本文采用四個按鍵，通過按鍵復(fù)用來實現(xiàn)手動上水、水位設(shè)置、溫度設(shè)置、電加熱多種功能。同時本文用8255來分

49、別實現(xiàn)顯示和鍵盤。鍵盤與8255的連接如圖2.17所示。圖2.17鍵盤控制電路圖獨立式鍵盤工作原理因為鍵盤較少所以用簡單的獨立式鍵盤，它的優(yōu)點是編程簡單，缺點是占用i/o口多，適用于鍵盤較少的電路。鍵盤的工作原理是p2.5=0，p2.6=1，即a1=0，a2=1，=0，單片機發(fā)出讀信號，將8255a的pc口狀態(tài)，通過8255a的d0-d9口送給單片機。然后單片機根據(jù)從8255a讀取的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的動作。這是基本原理，在具體實現(xiàn)時還要考慮鍵盤的延時去抖，去抖的原理是，當(dāng)檢測到有鍵按下時，單片機先不動作，延時10毫秒以后，單片機再次檢測按鍵是否按下，如果還是按下，就說明此鍵確實是按下狀態(tài)，單片機執(zhí)

50、行相應(yīng)操作。鍵盤功能介紹其中s1為手動上水鍵，s2為設(shè)置水位參數(shù)鍵，s3為電加熱鍵，s4為設(shè)置溫度鍵。s1、s3單獨功能鍵。而s2、s4為復(fù)用鍵。當(dāng)?shù)谝淮伟磗2鍵時，進(jìn)入水位設(shè)置狀態(tài)，然后每按一次s1為設(shè)置水位加一，循環(huán)工作。當(dāng)?shù)谝淮伟磗4鍵時，進(jìn)入水溫設(shè)置狀態(tài)，然后每按一次s4為設(shè)置水溫加一，循環(huán)工作。2.5.4顯示電路原理led顯示器是由發(fā)光二極管顯示子段組成的顯示器件。在單片機系統(tǒng)中通常使用的是七段led顯示器，這種顯示器有共陰極共陽極兩種，在這次設(shè)計中選用共陰極led顯示器。共陰極七段led顯示器的管腳如圖2.18所示圖2.18共陰極七段led顯示器的管腳圖表2-3 共陰極led顯示器

51、七段碼顯示字符共陰極七段碼顯示字符共陰極七段碼03fh96f106a7725bb7c34fc39466d5e56de7967df71707p7387fu3e顯示電路如圖2.19圖2.19 顯示電路在顯示電路中用8255a的pa口輸出位選信號，通過74f07接led顯示器的片選引腳。7407是ttl門集成的六路輸出緩沖器/驅(qū)動器，因為本系統(tǒng)采用的是共陰極led顯示器，位選應(yīng)接低電平，可能有幾十毫安的電流輸出，而單片機的i/o口最大能承受幾毫安的灌電流，所以需用7407來接受較大的輸出電流。pb口輸出的段選信號，通過74ls245芯片接led段碼引腳，因為8255a的輸出電流一般是微安級的，而le

52、d一般則要求5到幾十毫安的電流，不能直接驅(qū)動led，而74ls245的高電平輸出電流在15毫安左右，可以驅(qū)動led顯示。另外74ls245的輸出接上拉電阻，幫助驅(qū)動顯示器。2.6其他硬件電路設(shè)計上水、電加熱、報警電路屬于大功率驅(qū)動電路，需用開關(guān)控制外部電源的關(guān)斷。水位顯示是簡單的三極管驅(qū)動電路。電源電路微單片機的主電路及部分驅(qū)動開關(guān)提供電源。本章對這些綜合介紹。2.6.1 上水控制電路由單片機p1.1口的輸出來控制上水電磁閥。單片機p1.1口通過一個2.2k的電阻接9013三極管的基極，9013的集電極通過一個單刀繼電器接正12v電源，9013射極接地。當(dāng)p1.1輸出低電平時，三極管截至，幾乎沒有電流通過三極管的基極到射極、集電極到射極，即,所以此時流過繼電器的電流幾乎為0，繼電器打開。當(dāng)p1.1口輸出高電平時，三極管9013導(dǎo)通，有較大的飽和電流流過繼電器，使其吸合、關(guān)閉，從而開啟電磁閥。2.6.2 電加熱控制電路電加熱的繼電器采用雙開關(guān)繼電器，一個開關(guān)控制電加熱器的火線，另一個控制零線。當(dāng)p1.0輸出低電平時，三極管不導(dǎo)通，繼電器無電流通過，開關(guān)開啟，電加熱器不工作。當(dāng)p1.0輸出高電平時，三極管導(dǎo)通，繼電器有較大電流通過，開關(guān)閉合，電加熱器開始工作。2.6.3報警控制電路報警輸出三極管的集電極接蜂鳴器，蜂鳴器的另一端接正5伏電源。有p1.2口控制報警電路，當(dāng)水位超