588.基于89s52的太陽(yáng)能熱水器智能水位控制儀的設(shè)計(jì)【電子專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)】

1、摘 要本文設(shè)計(jì)了一個(gè)太陽(yáng)能熱水器智能控制系統(tǒng)。它以89c52單片機(jī)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(kuò)展鍵盤(pán)和顯示器件 、驅(qū)動(dòng)電路（電磁閥、電加熱、報(bào)警）等外圍器件， 完成對(duì)太陽(yáng)能熱水器容器內(nèi)的水位、水溫測(cè)量、顯示；時(shí)間顯示；缺水時(shí)自動(dòng)上水，水溢報(bào)警；手動(dòng)上水、參數(shù)設(shè)置；定時(shí)水溫過(guò)低智能電加熱等功能。其中本文第一章主要說(shuō)明了太陽(yáng)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(duì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)作了簡(jiǎn)單介紹，第三章重點(diǎn)介紹了水位水溫測(cè)量電路，第四章介紹了時(shí)鐘電路，第五章介紹了顯示和鍵盤(pán)電路，第六章對(duì)其他電路作了介紹，第七章是對(duì)水位測(cè)量電路的硬件

2、調(diào)試。本系統(tǒng)對(duì)于水位傳感器、水溫傳感器的電阻數(shù)據(jù)的處理均采用獨(dú)特的rc充放電的方法。它與使用a/d轉(zhuǎn)換器相比，電路簡(jiǎn)單、制造成本低。特別適用于對(duì)水位、水溫要求不精確的場(chǎng)合。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能，熱水器，控制器，89c52，rc充放電abstractthis article has designed a intelligence control system for solar-powered water heater. it take the 89c52 microcontroller integrated circuit as the core, the coordinate 4 grades o

3、f waters level resistance sensor, the negative 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 tempe

4、rature measure and demonstrate; the time demonstrate; lack of water automatically upstream, the water overflow warn; fixed time intelligencely electric heat.the first chapter of this article mainly explained the research situation of the solar-powered water heater intelligence control system and the

5、 primary mission of this topic. the second chapter has made the simple introduction to the overall construction of the system .the third chapter introduced with emphasis on the water level and water temperature metering circuit.the fourth chapter introduced the clock circuit .the fifth chapter intro

6、duced the demonstration and the keyboard circuit,.the sixth chapter has made the introduction to other circuits. the seventh chapter is the hardware debugging of the water level measuring circuit.regarding the process of the water level sensor and water temperature sensor resistance data this system

7、 uses the method of the unique rc electric sufficient and discharging. compared to using the a/d converter, 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 energ

8、y, water heater, controller, 89c52, rc electric sufficient and discharge 目 錄摘 要iabstract（英文摘要）ii目 錄iii第一章 引 言11.1 課題的背景意義11.2 太陽(yáng)能熱水器和其控制器的發(fā)展現(xiàn)狀11.3 課題的研究?jī)?nèi)容3第二章 太陽(yáng)能熱水器智能水位控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)介紹4第三章 水位和水溫測(cè)量電路硬件設(shè)計(jì)53.1 水位測(cè)量電路53.1.1 方案比較選擇53.1.2 水位測(cè)量電路的具體設(shè)計(jì)及優(yōu)化83.2 水溫測(cè)量電路153.2.1 方案比較選擇153.2.2 水溫測(cè)量電路的設(shè)計(jì)及溫度計(jì)算方法163.3 水位、

9、水溫測(cè)量電路的整體設(shè)計(jì)20第四章 時(shí)鐘電路214.1 時(shí)鐘芯片選擇214.1.1 ds12b887并行時(shí)鐘芯片214.1.2 ds1302串行時(shí)鐘芯片224.1.3 比較選擇234.2 時(shí)鐘電路的應(yīng)用設(shè)計(jì)234.2.1 ds1302 內(nèi)部寄存器234.2.2 ds1302與單片機(jī)的連接及時(shí)間讀取方法24第五章 鍵盤(pán)和顯示電路275.1 方案選擇275.1.1 8255a芯片介紹275.1.2 8255a在太陽(yáng)能熱水器控制電路中的作用305.2 顯示電路工作原理315.2.1 8255a顯示電路的硬件結(jié)構(gòu)315.2.2 8255a實(shí)現(xiàn)顯示方法335.3 鍵盤(pán)電路原理355.3.1 獨(dú)立式鍵盤(pán)工作

10、原理355.3.2 鍵盤(pán)功能介紹355.3.3 鍵盤(pán)掃描程序36第六章 其他硬件電路設(shè)計(jì)376.1 上水電磁閥、電加熱、報(bào)警等驅(qū)動(dòng)電路376.1.1 上水控制電路376.1.2 電加熱控制電路376.1.3 報(bào)警控制電路376.1.4 水位顯示電路376.2 電源電路38第七章 水位傳感器電路的硬件調(diào)試397.1 測(cè)試p1.3口和電容兩端的波形397.2 測(cè)試電容電壓變化引起的中斷信號(hào)407.3 顯示計(jì)數(shù)器寄存器中的值和實(shí)測(cè)水位43結(jié) 論44參考文獻(xiàn)45致 謝46附 錄47第一章 引 言1.1 課題的背景意義隨著太陽(yáng)能熱水器的迅速推廣，廣大消費(fèi)者對(duì)太陽(yáng)能熱水器特別是太陽(yáng)能熱水器控制器的要求越來(lái)

11、越高，太陽(yáng)能熱水器商家為使自己的產(chǎn)品能在市場(chǎng)上生存和發(fā)展，在不斷提高太陽(yáng)能熱水器熱水性能的同時(shí)，也不斷加大力度滿足消費(fèi)者對(duì)于太陽(yáng)能使用方便的要求，于是太陽(yáng)能熱水器的智能化程度越來(lái)越高。本設(shè)計(jì)追蹤科技應(yīng)用前沿，跟蹤市場(chǎng)，根據(jù)論文資料及市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品模型，在加上自己的理解和創(chuàng)意，模仿出了一套智能化的太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)完全跟隨太陽(yáng)能熱水器本身智能化程度和成本的要求，為太陽(yáng)能熱水器提供了一套智能化程度高、性能良好、使用方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的配套控制系統(tǒng)。1.2 太陽(yáng)能熱水器和其控制器的發(fā)展現(xiàn)狀中國(guó)太陽(yáng)能熱水產(chǎn)業(yè)的發(fā)展始于上世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)的市場(chǎng)定位是農(nóng)村或中小城鎮(zhèn)的低收入家庭。90年代后期，住宅商

12、品化的發(fā)展以及家庭對(duì)熱水需求的大幅度增長(zhǎng)為太陽(yáng)能熱水器的發(fā)展提供了市場(chǎng)空間, 太陽(yáng)能熱水器的生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，形成了一些有一定知名度的產(chǎn)品和品牌。自上世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)太陽(yáng)能熱水器行業(yè)保持了10多年的快速增長(zhǎng) ,2005年 太陽(yáng)能熱水器年生產(chǎn)量為1 500萬(wàn)平方米，是2000年640萬(wàn)平方米的2倍多，到2005年底，我國(guó)太陽(yáng)能熱水器保有量超過(guò)7500萬(wàn)平方米是2000年2600萬(wàn)平方米的近3倍。目前，我國(guó)既是世界上最大的太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)國(guó)，同時(shí)也擁有世界上最大的太陽(yáng)能熱水器市場(chǎng)。至2005年，全國(guó)有1000多家有一定規(guī)模的太陽(yáng)熱水器生產(chǎn)企業(yè)，年總產(chǎn)值達(dá)150多億元，出口創(chuàng)匯2000萬(wàn)美元

13、，全行業(yè)提供約30多萬(wàn)個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益1。到目前已有許多太陽(yáng)能品牌為大家耳熟能詳，如皇明、桑樂(lè)、四季牧歌、力諾等?？傊?，太陽(yáng)能熱水器已是一件和電視機(jī)、洗衣機(jī)一樣必不可少的家用電器。進(jìn)步源于競(jìng)爭(zhēng)，在我國(guó)太陽(yáng)能擁有廣闊的市場(chǎng)，當(dāng)然也有更大的競(jìng)爭(zhēng)，各大商家為了使自己的產(chǎn)品在市場(chǎng)上立足并長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，不斷提高太陽(yáng)能熱水器的性能，其中太陽(yáng)能熱水器控制器以其靈活、貼近客戶成為商家競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。目前，各大商家紛紛提高太陽(yáng)能熱水器的智能化程度來(lái)滿足消費(fèi)者的需求。許多太陽(yáng)能熱水器的功能有：開(kāi)機(jī)自檢、溫控上水、強(qiáng)制上水、水位預(yù)置、水質(zhì)設(shè)置、水溫指示、低水壓上水、水位顯示、防高溫空曬、缺水報(bào)警

14、、自動(dòng)防溢流、 缺水上水、手動(dòng)上水、故障提示等許多貼近客戶需求的功能。目前太陽(yáng)能控制器的控制器基本實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，以單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)占領(lǐng)太陽(yáng)能熱水器的主要市場(chǎng)。在市場(chǎng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)能控制單片機(jī)的型號(hào)較多，其中應(yīng)用最多的是51系列和pic系列單片機(jī)。其基本框圖如圖1-1所示。圖1-1 市場(chǎng)太陽(yáng)能熱水器基本框圖2太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水位顯示、水位控制、溫度顯示、防凍等多種功能，其中對(duì)水位的檢測(cè)、控制，實(shí)現(xiàn)水位顯示、自動(dòng)上水、超限報(bào)警是太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)的核心。目前大多數(shù)太陽(yáng)能熱水器的水位傳感器都采用分段式水位傳感器，因?yàn)樘?yáng)能熱水器對(duì)水位精確度的要求不高，并且分段式傳感器的成本很

15、低。圖1-2是常用的一種分段式熱水器傳感器的基本原理。對(duì)于溫度的檢測(cè)便于用戶的使用和控制電加熱。目前，溫度傳感器的應(yīng)用種類較為繁雜，有直接使用熱電阻、熱電偶的，也有使用數(shù)字溫度變送器（如max6674）的。在顯示方面多采用led顯示或lcd液晶顯示。圖1-2 一種分段式水溫傳感器31.3 課題的研究?jī)?nèi)容本課題主要是對(duì)市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品的仿制，要能夠?qū)崿F(xiàn)太陽(yáng)能熱水器的完整功能。本課題以89c52單片機(jī)為核心配合傳感器、顯示器件、電磁閥、電加熱器、報(bào)警器等外圍器件，采集熱水器儲(chǔ)水箱中的水位、水溫信號(hào)，通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)、電加熱器加熱來(lái)控制儲(chǔ)水器的水位、溫度，并完成水位、水溫顯示，時(shí)間顯示，水溢報(bào)警等功

16、能。另外配有鍵盤(pán)，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)上水、手動(dòng)電加熱、設(shè)置水位、設(shè)置溫度等功能。第二章 太陽(yáng)能熱水器智能水位控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)介紹太陽(yáng)能熱水器整體結(jié)構(gòu)大致可以分為四大部分：1水位、水溫測(cè)量電路。這部分用于采集水位水溫信號(hào)給單片機(jī)，是太陽(yáng)能熱水器控制器最關(guān)鍵的部位。2時(shí)間、水位、溫度顯示和鍵盤(pán)電路。這部分用于系統(tǒng)和人的信息交互，有對(duì)太陽(yáng)能熱水器狀態(tài)的直觀顯示，也有用于人對(duì)系統(tǒng)控制的鍵盤(pán)電路。3時(shí)鐘電路。給系統(tǒng)提供時(shí)間顯示和參考時(shí)間。4驅(qū)動(dòng)電路。包括電加熱、上水電磁閥、報(bào)警電路，是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行部分。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。圖2-1 太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖第三章 水位和水溫測(cè)量電路硬件設(shè)計(jì)

17、水位測(cè)量和水溫測(cè)量是太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)的最重要部分，是實(shí)現(xiàn)其他功能的基礎(chǔ)，此部分性能好壞將關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)良程度，所以設(shè)計(jì)一個(gè)性能良好的水位、水溫測(cè)量系統(tǒng)是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。3.1 水位測(cè)量電路水位測(cè)量可以有多種方法，需從性能和成本兩方面進(jìn)行考慮，選擇合適的方案。3.1.1 方案比較選擇1排阻分檔鍵盤(pán)式水位傳感器在許多資料中都介紹了一種類似鍵盤(pán)電路的分檔水位傳感器，其原理圖如圖3-1所示。圖3-1 排阻式水位測(cè)試電路示意圖4它的工作原理類似于鍵盤(pán)的工作原理，用 5根不銹鋼針?lè)謩e置于水箱內(nèi)的 四種不同高度的位置，當(dāng)某個(gè)鋼針不接觸水面時(shí)，其輸出為高電平；當(dāng)其與水面接觸時(shí)則輸出低電平。它們的輸出接至

18、電子開(kāi)關(guān)cd4069，經(jīng)過(guò)cd4069反向并經(jīng)74ls244驅(qū)動(dòng)后分別接入89c52的 p10p13引腳。cpu對(duì)這些引腳進(jìn)行判斷后 ，送去顯示相應(yīng)的水位值。顯示共分 4檔 ，每檔為滿水位的25% 。這種方法簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，省去了傳統(tǒng)的 ad轉(zhuǎn)換器，成本低，雖然不精確但可以滿足使用要求4。2rc充放電式水位傳感器測(cè)量電路這種電路資料較少，但我們?cè)谑袌?chǎng)上購(gòu)買的桑樂(lè)太陽(yáng)能的水位和水溫傳感器就是基于這種原理，其基本形狀如圖3-2所示。圖3-2 桑樂(lè)太陽(yáng)能水位水溫傳感器外形圖從圖3-2中我們可以清楚的地看到傳感器外形非常簡(jiǎn)單，一共只有4個(gè)端口，其中一個(gè)是防凍接口，沒(méi)有使用，使用的只有3個(gè)端口，在可用的三

19、個(gè)端口上分別標(biāo)有公共、水位、水溫標(biāo)志，由此可知測(cè)量水位、水溫都只用了一個(gè)端口。觀察傳感器可知水位傳感器有5個(gè)與水接觸點(diǎn)，我們從上到下依次命名它們?yōu)?5觸點(diǎn)。我們分別測(cè)量了觸點(diǎn)不同接法時(shí)公共和水位兩端口之間的電阻，數(shù)據(jù)如表3-1所示。由上述測(cè)試結(jié)果的電阻值得出這樣的規(guī)律，那就是電阻的并聯(lián)短接，其原理如圖3-3所示。表3-1 輸出電阻值表短接方式無(wú)短接1、21、2、31、2、3、41、2、3、4、5輸出電阻值（k）極大2512.58.66.3圖3-3 桑樂(lè)太陽(yáng)能水位傳感器原理它的工作原理是，水面每接觸一個(gè)鋼針就會(huì)多并聯(lián)一個(gè)電阻，電阻隨水位變化而規(guī)律的變化。利用單片機(jī)的一個(gè)口周期性的給電容電路充放電

20、，然后用圖3-4 rc充放電式水位傳感器測(cè)量電路原理圖單片機(jī)監(jiān)測(cè)電容兩端電壓的變化，因?yàn)殡娙蓦妷旱纳仙蛳陆禃r(shí)間t=rc，所以用單片機(jī)記錄這個(gè)時(shí)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(dòng)作。3傳感器選擇rc充放電式水位傳感器測(cè)量電路，明顯優(yōu)于排阻分檔鍵盤(pán)式水位傳感器的地方有：（1）接線簡(jiǎn)單，排阻分檔鍵盤(pán)式水位傳感器需要四根導(dǎo)線傳輸水位信號(hào)，而rc充放電式水位傳感器僅需要兩根就能完成，這對(duì)于線路較長(zhǎng)的太陽(yáng)能熱水器傳輸信號(hào)電路來(lái)說(shuō)能節(jié)省相當(dāng)多的導(dǎo)線資源。（2）給水溫測(cè)量電路設(shè)計(jì)帶來(lái)方便，rc充放電式水位傳感器的原理可以同樣運(yùn)用到熱電阻溫度測(cè)量電路中。（3）占用較少的i/o口，僅需兩

21、個(gè)i/o口就能完成水位檢測(cè)任務(wù)，極大地節(jié)約了單片機(jī)的i/o 口資源。綜上比較可見(jiàn)選用第二種方案較為優(yōu)越。3.1.2 水位測(cè)量電路的具體設(shè)計(jì)及優(yōu)化1直接接單片機(jī)i/o口檢測(cè)單片機(jī)中的定時(shí)器可以提供電壓變化時(shí)間的紀(jì)錄，接下來(lái)就是如何將電壓的變化傳遞給單片機(jī)。一種簡(jiǎn)單的方案是：用p1.0口給rc電路周期性的充放電，然后用p1.1口監(jiān)測(cè)電容的電平變化，完成計(jì)時(shí)，這種方案看上去簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但實(shí)際則行不通。按剛才提到的方法接圖如圖3-5。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(diǎn)平。這與單片機(jī)內(nèi)部電路有關(guān)，單片機(jī)的內(nèi)部電路如圖3-6所示。圖3-5 直接用i/o檢測(cè)電容電壓測(cè)量水

22、位電路原理圖圖3-6 p1口的位結(jié)構(gòu)5從圖中可見(jiàn)，p1口只有高電平和低電平兩種狀態(tài)，當(dāng)p1.1口為高電平時(shí)，將電容端與p1.1連接，vcc會(huì)通過(guò)內(nèi)部上拉電阻持續(xù)給電容充電，所以監(jiān)測(cè)電容電壓一直為高電平。而當(dāng)將其置低電平時(shí)，p1口相當(dāng)于接地，將會(huì)出現(xiàn)相反的情況，其通過(guò)地一直給電容放電，電容電壓一直低電平。2采取與i/o隔離并用中斷監(jiān)測(cè)電容電壓的電路這樣需要將電容電壓與單片機(jī)監(jiān)測(cè)端口隔離，采取如圖3-7所示電路。 圖3-7 水位測(cè)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。電壓跟隨器的顯著特點(diǎn)就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來(lái)說(shuō)，輸入

23、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(shuō)電壓跟隨器有較好的隔離作用，使輸出對(duì)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3-8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(shí)現(xiàn)電容電壓在上升到參考電壓時(shí)比較器產(chǎn)生下降沿信號(hào)，作為單片機(jī)的外部中斷信號(hào)。如圖3-8所示。根據(jù)lm393的特性本設(shè)計(jì)電源電路提供的電壓，選用+5v給其

24、供電。由lm393的內(nèi)部原理圖可知lm393的輸出為集電極開(kāi)路，它的輸出高電平與lm393的電源無(wú)關(guān)，但須接外部電源和上拉電阻。在圖3-7所示的水位測(cè)量電路中并未有這樣的上拉電壓電路，是因?yàn)閱纹瑱C(jī)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3-6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(duì)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(huì)影響電容電壓的變化，這就是要加電壓跟隨器進(jìn)行隔離的原因。圖3-8 電容電壓與比較器輸出信號(hào)(仿真和實(shí)測(cè))3充電時(shí)

25、間的設(shè)定和電容的選擇電容充電時(shí)間的計(jì)算公式為： (3-1)t即位電容電壓上升時(shí)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(shí)間）為，應(yīng)使方波半周期大于電容電壓上升時(shí)間，即： (3-2)如果使用單片機(jī)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(guò)幾秒甚至幾十秒，但是這樣主程序就只能干這一項(xiàng)工作，影響單片機(jī)的其他工作。所以要用定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)方波輸出。這樣用定時(shí)器就可以用定時(shí)中斷使p1.4口輸出方波，又不影響單片機(jī)的其他工作。這樣方波的周期就受定時(shí)器定時(shí)時(shí)間的限制。89c52單片機(jī)定時(shí)器共有4種定時(shí)方式，其中定時(shí)時(shí)間最長(zhǎng)的為定時(shí)方式1。當(dāng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器在方式

26、1下做定時(shí)器用時(shí)，其定時(shí)時(shí)間計(jì)算公式為： （3-3）采用12m的晶振，晶振周期為s，因?yàn)椴扇《〞r(shí)器終端方式，所以n=0xffff=65536。所以： （3-4）那么當(dāng)t=30ms,計(jì)數(shù)初值為0x8ad0=35536。定時(shí)輸出30ms其程序如下：void main() initial(); while(1) display();void timer_t1() interrupt 3 th1=0x8a; /重新給定時(shí)器1賦值 tl1=0xd0; p1_4=!p1_4; /充放電變換if(p1_4) /充電開(kāi)始時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器0 tl0=th0=0x00; /定時(shí)器0賦初值0 tr0=1; /啟動(dòng)定時(shí)器

27、0 如圖3-6，這里用int0 中斷來(lái)監(jiān)視記錄電容變化，內(nèi)部編程實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)器對(duì)電容電壓上升時(shí)間的記錄，所以可以通過(guò)將計(jì)時(shí)器寄存器里的值顯示出來(lái)的方式直觀顯示電容電壓結(jié)果，來(lái)確定合適的電容。以下是編程實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的結(jié)果。表3-2 不同電容大小時(shí)計(jì)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(jiàn)當(dāng)選用2uf電容時(shí)，應(yīng)需較大的充放電時(shí)間，充放電不夠充分，所以計(jì)數(shù)器寄存器中的值大而不準(zhǔn)；而當(dāng)取0.22uf電容式計(jì)數(shù)寄存器th0的值僅

28、為1或2，非常不利用區(qū)分；當(dāng)取1uf電容時(shí)，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3-2知r最大值為25k，所以： (3-5)又由式3-8得： (3-6)這樣由公式3-5、3-6得到。因此取充電和放電時(shí)間為30ms。4、編程實(shí)現(xiàn)水位處理由于水電阻的波動(dòng)性和電容的不穩(wěn)定性等原因，計(jì)數(shù)器中的數(shù)值會(huì)有一定的波動(dòng)，所以需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理顯示水位。其中buf1為計(jì)數(shù)器0寄存器中的值。void lvread() if(buf160) wtlv=1; /顯示1

29、水位l3=0;l2=1;l1=1;l0=1; else if(buf145) wtlv=2; /顯示2水位 l3=1;l2=;l1=1;l0=1; else if(buf136) wtlv=3;/ 顯示3水位 l3=1;l2=1;l1=0;l0=1; else wtlv=4;/ 顯示4水位 l3=1;l2=1;l1=1;l0=0;3.2 水溫測(cè)量電路水溫測(cè)量電路的設(shè)計(jì)包括傳感器的選擇和測(cè)量電路的選擇?？紤]到性價(jià)比等原因，市場(chǎng)上大部分太陽(yáng)能熱水器的溫度傳感器都選用ntc負(fù)溫度系數(shù)熱電阻，本系統(tǒng)也選用這種。下面主要論述測(cè)量電路。3.2.1 方案比較選擇溫度測(cè)量方案很多，下面通過(guò)比較選擇合適的測(cè)量方

30、法。1 熱電阻a/d轉(zhuǎn)換式水溫傳感器圖3-9 熱電阻a/d轉(zhuǎn)換電路原理圖a/d轉(zhuǎn)換式水溫傳感器的原理是，利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性，將隨溫度變化的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)化為變化的電壓信號(hào)，然后將這個(gè)電壓信號(hào)經(jīng)運(yùn)放放大處理成05v的電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)。這種電路測(cè)量比較精確，但需用a/d轉(zhuǎn)換器，而a/d轉(zhuǎn)換的價(jià)格較貴，會(huì)加大成本，另外a/d轉(zhuǎn)換需占用8個(gè)數(shù)據(jù)口和兩個(gè)片選口及兩個(gè)控制口共12個(gè)i/o口。2rc充放電式熱電阻水溫傳感器測(cè)量電路rc充放電式熱電阻水溫傳感器測(cè)量電路的原理與前面提到的rc充放電式水位傳感器測(cè)量電路原理完全相同，只要把水位電阻換成熱電阻就可以了。

31、其缺點(diǎn)是不夠精確，但成本很低，對(duì)于對(duì)溫度要求不算精確的太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)，完全可以滿足我們的需要。另外與a/d轉(zhuǎn)換式溫度傳感器相比，其優(yōu)勢(shì)還是十分突出的：（1）僅需2個(gè)i/o口就能完成對(duì)溫度的檢測(cè)，節(jié)約了單片機(jī)的i/o，有利于降低成本。 （2）實(shí)現(xiàn)起來(lái)也十分簡(jiǎn)單。3.2.2 水溫測(cè)量電路的設(shè)計(jì)及溫度計(jì)算方法1水溫測(cè)量電路圖3-10 水溫測(cè)量電路原理圖對(duì)太陽(yáng)能熱水器中水的溫度進(jìn)行控制及顯示，需對(duì)熱水器水溫與出水溫度進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于熱水器來(lái)說(shuō)溫度控制與顯示的精度要求并不高，因此本設(shè)計(jì)采用負(fù)溫度系數(shù)ntc 熱敏電阻作為測(cè)溫元件，利用ntc 熱敏電阻阻值隨溫度變化而改變的特性實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。2水溫計(jì)算方法ntc

32、 熱敏電阻的阻值與溫度的準(zhǔn)確關(guān)系為: (3-7)式中r0 為溫度為t0 時(shí)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7。由式3-7可得: (3-8)由式3-3和式3-4可得； (3-9)經(jīng)測(cè)試t0=25的計(jì)數(shù)器寄存器中的值=16384。將t0 、值代入上式并用攝氏溫度表示時(shí)水膽溫度為； (3-10)因?yàn)?9c52單片機(jī)無(wú)法進(jìn)行直接的對(duì)數(shù)運(yùn)算，按上述公式計(jì)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(jì)算出所有可能的計(jì)時(shí)結(jié)果所對(duì)應(yīng)的溫度值以表格形式寫(xiě)入控制程序，每次轉(zhuǎn)換完畢后查表得出所對(duì)應(yīng)的溫度值。但此種方法需占用較多的

33、程序儲(chǔ)存空間本設(shè)計(jì)采用一次線性插值法對(duì)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(jī)能直接進(jìn)行的運(yùn)算的組合去逼近目標(biāo)函數(shù)。圖3-11為溫度t 與計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)結(jié)果n之間的關(guān)系曲線。圖3-11 計(jì)時(shí)寄存器值n與溫度t的關(guān)系曲線其中圓滑曲線為實(shí)際的t-n關(guān)系曲線設(shè)計(jì)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(shí)際曲線。曲線按式3-10 計(jì)算出圖中各線段端點(diǎn)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(jì)算公式： ，() (3-11)，

34、() (3-12)，() (3-13)為了能在單片機(jī)上進(jìn)行計(jì)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(n*8/1000), (3-14) t=50-int(n/1000), (3-15) t=30-int(n*5/10000), (3-16)式3-14、 3-15 和3-16 的計(jì)算過(guò)程僅需通過(guò)簡(jiǎn)單的幾步移位與加減法操作即可實(shí)現(xiàn)，與通過(guò)式3-10 計(jì)算并進(jìn)行四舍五入圓整的結(jié)果相比較單片機(jī)通過(guò)式3-14、 3-15 和3-16計(jì)算出的溫度值在020 范圍內(nèi)誤差不超過(guò)2,在20 90 范圍內(nèi)誤差不超過(guò)1,并且計(jì)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

35、關(guān)系。3程序?qū)崿F(xiàn)測(cè)量水溫程序與水位程序類似，由單片機(jī)口給電容發(fā)矩形波充放電，然后檢測(cè)中斷計(jì)時(shí)，根據(jù)計(jì)數(shù)器中的值來(lái)判斷當(dāng)前溫度。也就是水溫測(cè)量程序包含中斷計(jì)時(shí)和數(shù)據(jù)處理兩部分。定時(shí)器0和1已經(jīng)被水位測(cè)量電路，和充電定時(shí)占用，所以這里需可以編程序?qū)崿F(xiàn)水位和水溫中斷輪流開(kāi)關(guān)，來(lái)輪流使用定時(shí)器0,計(jì)算溫度傳感器的上升時(shí)間。數(shù)據(jù)處理公式已在上面列出。下面列出數(shù)據(jù)處理程序，其中buf3、buf2為中斷1得到的定時(shí)器1中的值，中斷程序見(jiàn)附件。void tmread() uint val; val=buf3*256+buf2; if(val7549) tmp=97-int(val*8/1000); else

36、if(val0;i-)/往ds1302寫(xiě)入要讀的內(nèi)容（時(shí)或分），共8位 if(reg&0x01) set_ds1302_sda;/如果寫(xiě)入值的第一位為1發(fā)高電平 else clr_ds1302_sda;/否則發(fā)低電平 _nop_();延時(shí)兩個(gè)時(shí)鐘周期 _nop_(); set_ds1302_sclk; 發(fā)同步脈沖 _nop_(); _nop_(); clr_ds1302_sclk; _nop_(); _nop_(); reg=1;/發(fā)送內(nèi)容右移一位 for(i=8;i0;i-)/從ds1302讀出內(nèi)容，共8位 dat=1;接受ds1302數(shù)據(jù)寄存器值右移一位 if(ds1302_sda) da

37、t|=0x80;/讀入一位 set_ds1302_sclk;/發(fā)同步脈沖 _nop_(); _nop_(); clr_ds1302_sclk; _nop_(); _nop_(); clr_ds1302_rst; _nop_(); _nop_(); return(dat); 將讀取得時(shí)間送給指定的寄存器，然后調(diào)顯示程序顯示即可。顯示程序?qū)⒂谙抡陆榻B。第五章 鍵盤(pán)和顯示電路鍵盤(pán)和顯示電路是太陽(yáng)能熱水器水位控制系統(tǒng)與用戶的接口，用戶通過(guò)顯示來(lái)觀察水溫、水位、時(shí)間等狀態(tài)值，再根據(jù)觀察到的值，通過(guò)鍵盤(pán)對(duì)太陽(yáng)能熱水器進(jìn)行控制。本章設(shè)計(jì)了較為合理的鍵盤(pán)和顯示電路完成這些功能。5.1 方案選擇太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)

38、需要用數(shù)碼管顯示時(shí)間和溫度，時(shí)間精確到分，24或12小時(shí)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(duì)于六位顯示，采用占用i/o較少的動(dòng)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(gè)i/o口。鍵盤(pán)采用復(fù)用方式，仍需要至少4個(gè)i/o口。鍵盤(pán)和顯示電路共需18個(gè)i/o口，89c52單片機(jī)共有48個(gè)i/o口，而又有8個(gè)口有特殊功能，也就是常用的共有38個(gè)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(fèi)資源。5.1.1 8255a芯片介紹intel公司生產(chǎn)的可編程并行接口芯片8255a已廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中，例如8255a與a/d、d/a配合構(gòu)成

39、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)8255a連接的兩個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成相互之間的通信，系統(tǒng)與外設(shè)之間通過(guò)8255a交換信息，等等，所有這些系統(tǒng)都將8255a用作為并行接口。 18255a的引腳功能定義8255a的原理結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。它采用40腳的dip封裝，其引腳定義如表5-1所示。8255a為一可編程的通用接口芯片。它有三個(gè)數(shù)據(jù)端口a、b、c，每個(gè)端口為8位，并均可設(shè)成輸入和輸出方式，但各個(gè)端口仍有差異： 端口a（pa0pa7）：8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器，8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器；端口b（pb0pb7）：8位數(shù)據(jù)i/o鎖存/緩沖器，8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器；端口c（pc0pc7）：8位輸出鎖存/緩沖器，8位輸入緩沖器

40、（輸入時(shí)沒(méi)有鎖存）?？刂萍拇嫫鞲咚奈?低四位端口a端口b端口cb組a組vccd7d0a1reseta0pc3pc0pa7pa0pb7pb0pc7pc4gnd圖5-1 8255a輸入輸出口和編程模型表5-1 8255a引腳定義引腳名功能連接去向d0d7數(shù)據(jù)總線（雙向）cpureset復(fù)位輸入cpu片選信號(hào)譯碼電路讀信號(hào)cpu寫(xiě)信號(hào)cpua0,a1端口地址cpupa0pa7端口a外設(shè)pb0pb7端口b外設(shè)pc0pc7端口c外設(shè)vcc電源（+5v）/gnd地/在模式控制下這個(gè)端口又可以分成兩個(gè)4位的端口，它們可單獨(dú)用作為輸出控制和狀態(tài)輸入。 端口a、b、c又可組成兩組端口（12位）：a組和b組，參見(jiàn)

41、圖5-2。在每組中，端口a和端口b用作為數(shù)據(jù)端口，端口c用作為控制和狀態(tài)聯(lián)絡(luò)線。 在8255a中，除了這三個(gè)端口外，還有一個(gè)控制寄存器，用于控制8255a的工作方式。因此8255a共有4個(gè)端口寄存器，分別用a0、a1指定： a1=0，a0=0，表示訪問(wèn)端口a； a1=0，a0=1，表示訪問(wèn)端口b； a1=1，a0=0，表示訪問(wèn)端口c； a1=1，a0=1，表示訪問(wèn)控制寄存器。28255的工作方式圖5-2 方式控制字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(hào)的輸入/輸出； 方式2：雙向傳送。a組可采用方式0方式2，而b組只能采用方式0和方式1，這由8255a的方

42、式控制字控制。當(dāng)向a1=1、a0=1的端口寄存器（即控制寄存器）發(fā)送d7=1的控制字時(shí)，其作用為方式控制字，各個(gè)位的含義如圖5-2所示。工作方式介紹方式0 基本的輸入/輸出 將端口信號(hào)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(shí)，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(shí)，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(shí)，則端口c可用作為獨(dú)立的端口，因此，8255a提供了3個(gè)獨(dú)立的8為端口9。方式1 有聯(lián)絡(luò)信號(hào)的輸入/輸出方式2 雙向傳送本設(shè)計(jì)用方式0，所以方式1、方式2不再詳細(xì)介紹。5.1.2 8255a在太陽(yáng)能熱水器控制電路中的作用單片機(jī)與8255a的連接如圖5-3所示，如圖所示分別將8255a的 讀、寫(xiě)、復(fù)位端口與單片機(jī)的讀、寫(xiě)、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(hào)。單片機(jī)的p0口為8255a提供數(shù)據(jù)輸出輸入。8255a共占用單片機(jī)11個(gè)常用i/o口，比直接顯示鍵盤(pán)電路節(jié)省了7個(gè)i/o口。圖5-3 單片機(jī)與8255a連接圖5.2 顯示電路工作原理5.2.1 8255a