太陽能熱水器智能控制器的設計說明

1、高 等 教 育 自 學 考 試畢 業(yè) 論 文太陽能熱水器智能控制的設計 偉專 業(yè)： 電氣工程與自動化 主考學校：交通大學 號： 7 指導教師職稱： 玉霞 省高等教育自學考試辦公室印制2015年 10 月 10 日電氣工程與自動化專業(yè)本科論文XX專業(yè) 太陽能熱水器智能控制的設計The design of the intelligent control of the solar water heater 偉Jiang wei論 文 評 定 表專業(yè)名稱主考學校號評定項目寫 作 部 分答 辯總計立論觀點組織結(jié)構(gòu)語言表達回答問題表述能力發(fā)揮水平30%20%20%20%5%5%100%得分指導教師評語 簽

2、名：答辯委員會評語答辯委員會組成及簽名職稱： 簽字：職稱： 簽字：職稱： 簽字： 年 月 日目 錄摘 要5關鍵詞5緒論61.太陽能熱水器的發(fā)展概況及市場競爭分析62.太陽能熱水器的應用及意義7第1章：太陽能熱水器的組成及工作原理81.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計81.早晨水溫控制92.循環(huán)水集熱過程103.冷水集熱控制104.水箱加熱控制101.2太陽能熱水器組成及原理111.3 主要芯片的結(jié)構(gòu)與特點121.3.1.DS12887時鐘芯片簡介121.主要技術(shù)特點122.DS12887/ DS12C887 的部結(jié)構(gòu)133.DS12887/ DS12C887 部寄存器的功能154. DS12887/DS1

3、2C887 的中斷和更新周期171.3.2 80C51單片機結(jié)構(gòu)特點181.芯片的引腳描述191.3.3 數(shù)字溫度傳感器DS18B20主要特性及測溫原理21一、DS18B20的特性21二、DS18B20 測溫原理21三、DS18B20的操作協(xié)議22第2章：太陽能熱水器硬件設計232.1.太陽能控制器硬件結(jié)構(gòu)232.2. 控制器實時時鐘接口電路232.3.水位檢測和溫度檢測接口電路242.4 看門狗和復位接口電路的設計252.5 鍵盤和顯示接口電路的設計262.5.1 鍵盤電路262.5.3 顯示接口電路的設計262.6 光電隔離與輔助加熱電路設計28結(jié)束語29致30參考文獻31摘 要太陽能熱水

4、器以其諸多的優(yōu)點受到人們的歡迎。本文結(jié)合實際太陽能熱水器的具體應用，在介紹太陽能、傳感器、單片機的特點基礎上，詳細描述了太陽能熱水器的工作原理和設計方案。這里根據(jù)太陽能熱水器對控制器的要求與特點，提出了一種基于DS12887的太陽能熱水器智能控制器的設計方法，給出了系統(tǒng)硬件設計及軟件實現(xiàn)方法。全文分三大部分。第一部分包括第一章，描述太陽能的利用和前景發(fā)展狀況。第二部分包括第二章，描述太陽能系統(tǒng)組成及工作原理。第三部分包括第三、四章硬件設計及電路原理和軟件設計，分別介紹了傳感器的特點及應用、一般的太陽能熱水器及循環(huán)系統(tǒng)、單片機發(fā)展和原理，這也是此款太陽能熱水器的理論基礎和必要前提。關鍵詞： 太陽

5、能熱水器;傳感器; 模糊控制; 實時時鐘;單片機 緒論 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。本文設計的太陽能熱水器控制器以80C51單片機為檢測控制核心，

6、采用DS12887 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FUZZY控制功能，而且具有時間設定、溫度設定與控制功能。溫度控制采用模糊控制， 控制器可以根據(jù)天氣情況利用輔助加熱裝置使蓄水箱的水溫在設定時間達到預先設定的溫度，從而達到24小時供應熱水的目的。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氣型的不安全性，且排放二氧化碳污染大氣，北

7、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)公司計劃之的事，配套熱水器的商品房銷勢更好5。 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能為熱水器加熱；從系統(tǒng)相當于電熱水器，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

8、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。 2.太陽能熱水器的應用及意義眾所周知，太陽能是取之不盡，用之不竭，沒有污染的巨大能源。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。有人預測：二十一世紀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、

9、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)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。國外太陽能熱水器使用量增長如此之快，其

10、根本原因是：能源問題、環(huán)保問題是當今世界各國面臨的主要問題之一。根據(jù)理論計算及實際應用證明，太陽能熱水器每平方米光面積一年可節(jié)約標準煤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、燃氣熱水器相比，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。 第1章：太陽能熱水器的組成及工作原理 1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計 排氣管 不銹鋼保溫水箱圖1-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖1-1為系統(tǒng)設計的結(jié)構(gòu)圖，該圖的系統(tǒng)控制原理圖如下圖1-2： T3 T2 F 3 熱 集 水 熱 太 F1 箱 器 T1 D 自來水 F2圖

11、1-2 系統(tǒng)控制原理圖注釋：T1：熱水箱的溫度傳感器T2：循環(huán)水管中的溫度傳感器T3：集熱器中的溫度傳感器F1：循環(huán)水閥門F2：冷水閥門F3：熱水閥門此款熱水器利用微機控制主要有以下幾種控制功能：晨水加熱控制、溫水循環(huán)控制、冷水集熱控制、水箱加熱控制。 1.早晨水溫控制由于清晨太較弱，所以太陽能熱水器從系統(tǒng)發(fā)揮作用。為了提供溫度不低于30攝氏度的水，熱水器在清晨4-7點之間對水箱進行電加熱，具體控制過程如下：首先，關閉冷水閥門F2和循環(huán)水閥門F1，然后微機開始進行水箱的溫度采集，同時進行溫度的比較，當水箱的溫度小于30攝氏度時，電熱器D接通進行加熱，同時微機繼續(xù)對熱水箱的溫度進行采集。當溫度加

12、熱到大于30攝氏度時電熱器斷開，如此反復循環(huán)保證了溫度的穩(wěn)定。 2.循環(huán)水集熱過程早晨水溫控制之后（79點），設定當日的水箱溫度N（由兩位BCD次齒輪開關設定），輸入微機，再利用微機控制系統(tǒng)，通過太能對熱水箱加熱以達到理想溫度N。具體控制過程如下：打開循環(huán)閥門F1，關閉冷水進水閥門F2，熱水閥門F3處于空控狀態(tài)。然后開始比較溫度，若（T3-T1>5攝氏度，T2>T1）為止。如若T1=N，那么循環(huán)水集熱過程結(jié)束，進入冷水集熱控制過程。 3.冷水集熱控制此時熱水箱溫度已達到了N，冷水要進入太陽能集熱器，這時溫度為T3，和當日的設定溫度值相比較，若T3>N則將已加熱的水送入熱水箱，

13、每天的控制時段大概為9點20點。具體控制過程如下：關閉循環(huán)水閥門F2，打開冷水閥門F2，熱水閥門F3處于可控狀態(tài)。若T3>N，打開熱水閥門F3并將保持一段時間，若T3<N，關閉F3繼續(xù)給太陽能集熱器加熱，知道溫度答應N，當打開F3時此時比較水管水溫T2與N的值，若T2>N閥門F3繼續(xù)保持打開狀態(tài)，否則關閉F3?？梢?，次過程充分利用太能轉(zhuǎn)化為熱能，方便快捷。 4.水箱加熱控制此時，也許你會問如果沒有日照或者日照較弱時，到了晚上我們是否還能洗上熱水澡嗎？答案是肯定的，不要忘了這款熱水器還有一個從系統(tǒng)，這時它就要發(fā)揮作用了。熱水箱溫度為T1，將它和設定值N相比較，從而控制是否打開電

14、加熱，控制時段為下午，具體過程： 若T1<N，電加熱接通；否則，電加熱斷開，而且，15點20點中的每個小時有下表的關系：表1-1 時間（時） 溫度比較 加熱值（度） 15 T1<35<N 35 16 T1<40<N 40 17 T1<45<N 45 18 T1<50<N 50 19 T1<55<N 55 20 T1<60<N 60最終熱水箱的溫度加熱到設定值N。由此可見，即使沒有日照我們照樣可以洗上熱水澡了。綜上所述，太陽能供熱控制系統(tǒng)不僅節(jié)約而且高度只能化，方便省事，不論日常家居，還是對賓館、學校等都是最佳選擇。

15、1.2太陽能熱水器組成及原理 1-3 熱水器裝置簡圖1-集熱器 2-下降水管 3-循環(huán)水管4-補給水箱 5-上升水管 6-自來水管 7-熱水出水管熱水器主要由集熱器、循環(huán)管道和水箱等組成，圖中為典型的熱水器裝置圖。圖中集熱器1按最佳傾角放置，下降水管2的一端與循環(huán)水箱3的下部相連，另一端與集熱器1的下集管接通。上升水管5與循環(huán)水箱3上部相連，另一端與集熱器1的上集管相接。補給水箱4供給循環(huán)水箱3所需的冷水。 當集熱器吸收太陽輻射后，集熱器溫度上升，水溫也隨之升高。水溫升高后，水的比重減輕，便經(jīng)上升水管進入循環(huán)水箱上部。而循環(huán)水箱下部的冷水比重較大，就由水箱下流到集熱器下方，在集熱器受熱后又上升

16、。這樣不斷對流循環(huán)，水溫逐漸提高，直到集熱器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)加熱的原理，因此又稱循環(huán)熱水器。集熱器是一種利用溫室效應，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。 1.3 主要芯片的結(jié)構(gòu)與特點 1.3.1.DS12887時鐘芯片簡介隨著2000 年的即將來臨，“千年蟲”問題成為困擾當今世界的一大難題。過去采用兩位數(shù)表示年

17、度的日歷系統(tǒng)將要用四位數(shù)來表示，因此有關的計算機操作系統(tǒng)和應用軟件都要作相應的修改。據(jù)此，美國達拉斯半導體公司(Dallas)最新推出DS12887的串行接口實時時鐘芯片，采用CMOS 技術(shù)制成，具有部晶振和時鐘芯片備份鋰電池，同時它與目前IBMAT計算機常用的時鐘芯片MC146818B 和DS1287 管腳兼容，可直接替換。它所提供的世紀字節(jié)在位置32h，世紀寄存器32h到2000 年1月1日從19遞增到20。采用DS12887 芯片設計的時鐘電路不需任何外圍電路和器件，并具有良好的微機接口。DS12887芯片具有微功耗，外圍接口簡單，精度高，工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，可廣泛用于各種需要較高精度的

18、實時時鐘系統(tǒng)。美國Dallas公司推出兩款數(shù)字時鐘芯片DS12887/DS12C887，兩款時鐘芯片都將在1999年12月31日23時59分59秒時順利地跳到2000 年1月1日零時，并能實2000 年2月29 日的閏年提示，是時鐘芯片DS1287 的增強型品種，結(jié)構(gòu)上相當于MC146818B 的改進型。芯片都采用24引腳雙列直插式封裝，其引腳接口邏輯和部操作方式與MC146818 基本一致，所不同的是DS12887/DS12C887 芯片的晶體振蕩器、振蕩電路、充電電路和可充電鋰電池等一起封裝在芯片的上方，組成一個加厚的集成電路模塊，因此，DS12887/ DS12C887時鐘芯片無需MC1

19、46818 的電源電位檢測端( PS)，電路通電時其充電電路便自動對可充電電池充電，充足一次電可供芯片時鐘運行半年之久，正常工作時可保證時鐘數(shù)據(jù)十年不會丟失。此外，片通用的RAM 為MC146818 的兩倍以上。DS12887/DS12C887 部有專門的接口電路，從而使得外部電路的時序要求十分簡單，使它與各種微處理器的接口大大簡化。使用時無需外圍電路元件，只要選擇引腳MOT 電平，即可和不同計算機總線連接。 1.主要技術(shù)特點DS12887/DS12C887 具有下列主要技術(shù)特點：(1) 具有完備的時鐘、鬧鐘及到2100年的日歷功能，可選擇12小時制或24小時制計時，有AM和PM、星期、夏令時

20、間操作，閏年自動補償?shù)裙δ堋?2) 具有可編程選擇的周期性中斷方式和多頻率輸出的方波發(fā)生器功能。(3) DS12887部有14個時鐘控制寄存器，包括10個時標寄存器，4個狀態(tài)寄存器和114bit作掉電保護用的低功耗RAM。(4) 由于該芯片具有多種周期中斷速率時鐘中斷功能，因此可以滿足各種不同的待機要求，最長可達24小時，使用非常方便。(5) 時標可選擇二進制或BCD碼表示。(6) 工作電壓： + 4. 55. 5V、工作電流：715mA。(7) 工作溫度圍：070°C。 2.DS12887/ DS12C887 的部結(jié)構(gòu)DS12887/DS12C887為24引腳芯片，部結(jié)構(gòu)如下圖。圖

21、1-4 DS18B20部框圖 其中：MOT：計算機總線選擇端；SQW：方波輸出，速率和是否輸出由專用寄存器A、B的預置參數(shù)決定；AD0AD7：地址/數(shù)據(jù)(雙向)總線，由AS 的下降沿鎖存8位地址；R/W：讀/寫數(shù)據(jù);AS：地址鎖存信號端；DS：數(shù)據(jù)讀信號端；CS：選通信號端,低電平有效；IRQ：中斷申請，由專用寄存器決定；RESET：復位端；NC：空引腳。DS12887部由振蕩電路，分頻電路，周期中斷/方波選擇電路，14字節(jié)時鐘和控制單元，114字節(jié)用戶非易失RAM，十進制/二進制計加器，總線接口電路，電源開關寫保護單元和部鋰電池等部分組成。DS12887管腳分配如圖：圖1-5 管腳分配圖VC

22、C：直流電源+ 5V 電壓。當5V電壓在正常圍時，數(shù)據(jù)可讀寫;當VCC低于4.25V，讀寫被禁止，計時功能仍繼續(xù);當VCC下降到3V以下時，RAM和計時器供電被切換到部鋰電池。MOT(模式選擇)：MOT 管腳接到VCC時，選擇MOTOROLA時序，當接到GND 時，選擇INTEL時序。SQW(方波信號輸出)：SQW 管腳能從實時時鐘部15級分頻器的13個抽頭中選擇一個作為輸出信號，其輸出頻率可通過對寄存器A編程改變。AD0 AD7(雙向地址/ 數(shù)據(jù)復用線)：總線接口，可與MOTOROLA微機系列和INTEL 微機系列接口。AS (地址選通輸入)：用于實現(xiàn)信號分離，在AD/ ALE 的下降沿把地

23、址鎖入DS12887。DS(數(shù)據(jù)選通或讀輸入)：DS/ RD 管腳有兩種操作模式，取決于MOT管腳的電平，當使用MOTORO2LA 時序時，DS是一正脈沖，出現(xiàn)在總線周期的后段，稱為數(shù)據(jù)選通；在讀周期，DS指示DS12887驅(qū)動雙向總線的時刻; 在寫周期，DS的后沿使DS12887鎖存寫數(shù)據(jù)。選擇INTEL時序時，DS稱作(RD)，RD與典型存貯器的允許信號(OE) 的定義相同。R/W(讀/ 寫輸入) ： R/ W 管腳也有兩種操作模式。選MOTOROLA 時序時，R/W 是一電平信號，指示當前周期是讀或?qū)懼芷?，DS為高電平時，R/ W高電平指示讀周期，R/W 信號是一低電平信號，稱為WR。在

24、此模式下，R/ W管腳與通用RAM 的寫允許信號(WE) 的含義相同。CS(片選輸入)：在訪問DS12887 的總線周期片選信號必須保持為低。IRQ(中斷申請輸入)：低電平有效，可作微處理的中斷輸入。沒有中斷的條件滿足時，IRQ處于高阻態(tài)。IRQ線是漏極開中輸入，要求外接上接電阻。RESET(復位輸出)：當該腳保持低電平時間大于200ms，保證DS12887有效復位。 3.DS12887/ DS12C887 部寄存器的功能因DS12887 和DS12C887 結(jié)構(gòu)功能上類似，現(xiàn)以DS12887 為例說明如下：CPU通過讀DS12887的部時標寄存器得到當前的時間和日歷，也可通過選擇二進制碼或B

25、CD碼初始化芯片的10個時標寄存器。其114bit非易失性靜態(tài)RAM 可供用戶使用，對于沒有RAM的單片機應用系統(tǒng)，可在主機掉電時來保存一些重要的數(shù)據(jù)。DS12887 的4個狀態(tài)寄存器用來控制和指DS12887模塊的當前工作狀態(tài)，除數(shù)據(jù)更新周期外，程序可隨時讀寫這4個寄存器，各寄存器的功能和作用如下。寄存器A各位不受復位的影響，UIP 位為只讀位，其它各位均可讀寫。寄存器的控制字的格式如下表1-2所列：表1-2 DS12887 控制寄存器A 各布爾位定義：IT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0UIP DV2 DV1 DV0 RS3 RS2 RS1 RS01

26、.IP 位：更新周期標志位。該位為“1”時，表示芯片正處于或即將開始更新周期，此時程序不準讀寫時標寄存器；該位為“0”時，表示至少在244s 后才開始更新周期，此時程序可讀芯片時標寄存器。該位是只讀位。2. DV0 、DV1 、DV2 ：芯片部振蕩器RTC 控制位。當芯片解除復位狀態(tài)，并將010寫入DV0、DV1、DV2后，另一個更新周期將在500ms后開始。因此，在程序初始化時可用這三位精確地使芯片在設定的時間開始工作。這與MC146818 不同的是，DS12887固定使用32 768Hz 的部晶體，所以，DV0 =“0”，DV1 =“1”，DV2 =“0”，即只有一種010的組合選擇即可啟

27、動RTC。3. RS3、RS2、RS1、RS0：周期中斷可編程方波輸出速率選擇位。各種不同的組合可以產(chǎn)生不同的輸出。程序可以通過設置寄存器B的SQWF 和PIE 位控制是否允許周期中斷和方波輸出。其寄存器A輸出速率選擇位如表1-3所列。表1-3 DS12887 控制寄存器A 輸出速率選擇位定義寄存器A 輸出速率選擇位 32 768Hz 時基RS3 RS2 RS1 RS0 中斷周期 SQWF輸出頻0 0 0 0 無 無0 0 0 1 3.90625ms 256Hz0 0 1 0 7. 8125ms 128Hz0 0 1 1 122.0s 8.192kHz0 1 0 0 244.141s 4.09

28、6kHz0 1 0 1 488.281s 2.048kHz0 1 1 0 976.5625s 1.024kHz0 1 1 1 1.953125ms 512Hz1 0 0 0 3.90625ms 256Hz1 0 0 1 7.812ms 128Hz1 0 1 0 15.625ms 64Hz1 0 1 1 31.25ms 32Hz1 1 0 0 62.5ms 16Hz1 1 0 1 125ms 8Hz1 1 1 0 250ms 4Hz1 1 1 1 500ms 2Hz寄存器B允許讀寫，主要用于控制芯片的工作狀態(tài)。寄存器B的控制字的格式如表1-4所列。表1-4 DS12887 控制寄存器B各布爾位定

29、義BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0SET PIE AIE UIE SQWE DM 24/12 DSE (1) SET 位：當該位為“0”時，芯片處于正常工作狀態(tài)，每秒產(chǎn)生一個更新周期來更新時標寄存器為“1”時，芯片停止工作，程序在此期間可初始化芯片的各個時標寄存器。(2)PIE、AIE、UIE 位：分別為周期中斷、報警中斷、更新周期結(jié)束中斷允許位。各位為“1”時，允許芯片發(fā)相應的中斷。(3)SQWE 位：方波輸出允許位。SQWE“1”，按寄存器A 輸出速率選擇位所確定的頻率輸出方波;SQWE =“0”，腳SQW保持低電平。(4) DM 位：時標寄存

30、器用十進制BCD 碼表示或用二進制表示格式選擇位。DM =“0”時，為十進制BCD碼;DM =“1”時，為二進制碼。(5) 24/ 12 位： 24/ 12 小時模式設置位。24/12位=“1”時，為24 小時工作模式;24/ 12 位=“0”時，為12 小時工作模式。(6)DSE位：夏令時服務位。DSE=“1”，夏時制設置有效，夏時制結(jié)束可自動刷新恢復時間;DSE=“0”，無效。寄存器C的控制字的格式如表1-4所列。該寄存器的特點是程序訪問讀該寄存器后，該寄存器的容將自動清零，從而使IRQF 標志位變?yōu)楦唠娖?，否則，芯片將無法向CPU 申請下一次中斷。表1-5 DS12887 控制寄存器C各

31、布爾位定義BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0IRQF PF AF UF 0 0 0 0(1) IRQF位：中斷申請標志位。該位邏輯表達式為：IRQF = PF·PIE +AF·AIE+UF·UIE。當IRQF位變“1”時，引腳將變低電平引發(fā)中斷申請。(2) PF、AF、UF 位：這三位分別為周期中斷、報警中斷、更新周期結(jié)束中斷標志位。只要滿足各中斷的條件，相應的中斷標志位將置“1”。(3) BIT3BIT0 ：未定義的保留位。讀出值始終為0 。(4) 寄存器D為只讀寄存器。寄存器D的控制字的格式如表1-6所示。表1-6

32、DS12887 控制寄存器D 各布爾位定義BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0VRT 0 0 0 0 0 0 0(1) VRT 位：芯片部RAM 與寄存器容有效標志位。該位為“1”時，指芯片部RAM 和寄存器容有效。讀該寄存器后，該位將自動置“1”。(2) BIT6BIT0 位：保留位。讀出的數(shù)值始終為0。 4. DS12887/DS12C887 的中斷和更新周期DS12887/DS12C887 處于正常工作狀態(tài)時，每秒鐘將產(chǎn)生一個更新周期，芯片處于更新周期的標志是寄存器A中的UIP位為“1”。在更新周期，芯片部時標寄存器數(shù)據(jù)處于更新階段，故在該周期，

33、微處理器不能讀芯片時標寄存器的容，否則將得到不確定數(shù)據(jù)。更新周期的基本功能主要是刷新各個時標寄存器中的容，同時秒時標寄存器容加1，并檢查其他時標寄存器容是否有溢出，如有溢出則相應進位日、月、年。另外一個功能是檢查三個時、分、秒報警時標寄存器的容是否與對應時標寄存器的容相符，如果相符則寄存器C中的AF 位置“1”。如果報警時標寄存器的容為C0H至FFH之間的數(shù)據(jù)，則為不關心狀態(tài)。為了采樣時標寄存器中的數(shù)據(jù)，DS12887/DS12C887 提供了兩種避開更新周期訪問時標寄存器的方案：第一種是利用更新周期結(jié)束發(fā)出的中斷。它可以編程允許在每次更新周期結(jié)束后發(fā)生中斷申請，提醒CPU將有998ms左右的

34、時間去獲取有效的數(shù)據(jù)，在中斷之后的998ms時間，程序可先將時標數(shù)據(jù)讀到芯片部的不掉電靜態(tài)RAM中。因為芯片部的靜態(tài)RAM 和狀態(tài)寄存器是可隨時讀寫的，在離開中斷服務子程序前應清除寄存器C中的IRQF 位。另一種是：利用寄存器A中的UIP位來指示芯片是否處于更新周期。在UIP位從低變高244s后，芯片將開始其更新周期，所以檢測到UIP位為低電平時，則利用244s 的間隔時間去讀取時標信息。如檢測到UIP 位為“1”，則可暫緩讀數(shù)據(jù)，等到UIP 變成低電平后再去讀數(shù)據(jù)。 1.3.2 80C51單片機結(jié)構(gòu)特點微型計算機的出現(xiàn)與發(fā)展已廣泛應用到各行各業(yè)中，使人們的日常生活工作都發(fā)生了重大變化，如果沒

35、有微型計算機，人們的工作生活的質(zhì)量都受到很大的損失。單片微型計算機是微型計算機發(fā)展中的一個重要分支，其獨特的結(jié)構(gòu)與性能，越來越普及地應用于國民經(jīng)濟的各個領域，以下主要介紹80C51單片機，它與微型計算機的區(qū)別是什么，單片機發(fā)展概況；它的特點和應用，通過對本節(jié)的學習，使大家對單片微型計算機有個初步的認識和了解。一、單片機的組成單片微型計算機簡稱單片機，它在一塊芯片上集成了各種功能部件：中央處理器（CPU）、隨機存取存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、定時器/計數(shù)器、和各種輸入/輸出（I/O）接口（如并行I/O口、串行I/O口和A/D轉(zhuǎn)換器）等。他們之間相互連接圖如1-6圖，構(gòu)成一個完整的微型

36、計算機。圖1-6 單片機結(jié)構(gòu)框圖二、80C51單片機的引腳描述及片外總線結(jié)構(gòu) 1.芯片的引腳描述CHMOS制造工藝的80C51單片機采用40引腳的雙列直插封裝（DIP方式），在單片機的40條引腳中有2條專用于主電源的引腳，2條外接晶體的引腳，4條控制與其它電源復用的引腳，32條輸入/輸出（I/O）引腳。下面按其引腳功能為四部分敘述這40條引腳功能。（1） 電源引腳VCC和VSS。其中：VCC（40腳）接+5V電壓。VSS（20腳）接地。（2） 接晶體引腳XTAL1和XTAL2。 XTAL1（19腳）接外部晶體的一個引腳。在單片機部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構(gòu)成了片振蕩器。當采用外

37、部振蕩器時，對CHMOS單片機，此引腳作為驅(qū)動端。XTAL2（18腳）接外部晶體的另一端。在單片機部，接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時，對CHMOS單片機，該引腳懸浮。（3） 控制或與其他電源復用引腳RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP。ST/VPD（9腳）：當振蕩器運行時，在此引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平將使單片機復位。推薦在此引腳與VSS引腳接一個約8.2K的下拉電阻，與VCC引腳之間連接一個約10uf的電容，以保證可靠地復位。（4）VCC掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保持部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。當VCC主電源下掉到低于規(guī)定的電平，而VPD在其規(guī)

38、定的電壓圍，VPD就向部RAM提供備用電源。（5）ALE/PROG（30腳）：當訪問外部存儲器時，ALE（允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE端仍以不變的頻率周期性地出現(xiàn)正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。然而要注意的是，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。ALE端可以驅(qū)動（吸收或輸出電流）8個LS型的TTL輸入電路。對于EPROM型的單片機，在EPROM編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖（PROG）。（6）RSEN（29腳）：此腳的輸出是外部程序存儲器的讀寫選通信號。在從外部程序存儲器取令（或常數(shù)

39、）期間，每個機器周期兩次PESN有效。但在此期間，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將不出現(xiàn)，PSEN同樣可以驅(qū)動（吸收或輸出）8個LS型的TTL輸入。（7）EA/VPP：當EA端保持高電平時，訪問部程序存儲器，但在PC（程序計數(shù)器）值超過0FFFH時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器的程序，當EA保持低電平時，則只訪問外部程序存儲器，不管是否有部程序存儲器，對于常用的80C51來說，無部程序存儲器，所以EA腳必須常接地，這樣才能只選擇外部程序存儲器。對于EPROM型單片機，在EPROM編程期間，此引腳也用于施加21伏的編程電源（VPP）。輸入/輸出I/O引腳P0、P1、P2、P3

40、共32根。a)P0口（39腳32腳）：是雙向8位三態(tài)I/O口，外接存儲器時，與地址總線的低8位及數(shù)據(jù)總線復用，能以吸收電流的方式驅(qū)動8個LSTTL負載。b)P1口（1腳8腳）：是8位準雙向I/O口由于這種接口輸出沒有高阻狀態(tài)，輸入也不能瑣存，故不是 真正的I/O口。門口能驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個LSTTL負載，對8052、8032，P1.0引腳的第二功能為T2定時/計數(shù)器的外部輸入，P1.1引腳的第二功能為T2EX捕捉、重裝觸發(fā)，即T2的外部控制端。對EPROM編程和程序驗證時，它的接收低8位地址。c)P2口（21腳28腳）：是8位準雙向I/O口。在訪問外部存儲器時，它可以作為擴展電路高8位

41、地址總線送出高8位地址，在對EPROM編程和程序驗證期間，它的接收高8位地址。P2可以驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個LSTTL負載。d)P3口（10腳17腳）：是8位準雙向I/O口，在80c51中，這8個引腳還用于專門功能，是復用雙功能口，P3能驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個LSTTL負載。作為第一功能用時，就作為普通的I/O口用，功能和操作方法與P1口相同。表1-6 口線 引腳 第二功能 P3.0 10 RXD（串行輸入口） P3.1 11 TXD（串行輸出口） P3.2 12 INT0(外部中斷0) P3.3 13 INT1(外部中斷1) P3.4 14 T0（定時器0外部輸入） P3.5 15

42、T1（定時器1外部輸入） P3.6 16 WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫脈沖） P3.7 17 RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀脈沖）值得強調(diào)的是，P3口的每一條引腳都可以獨立定義第一功能的輸入輸出或第二功能。 1.3.3 數(shù)字溫度傳感器DS18B20主要特性及測溫原理一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20是DS1820的更新?lián)Q代產(chǎn)品(由美國DA IIAS公司生產(chǎn))。它具有體積小,分辨率高,轉(zhuǎn)換快等優(yōu)點。由于每片DS18B20 含有唯一的硅串行數(shù), 所以在一條總線上可以掛接多達248 218×1014只DS18B20,再加上DS18B20 獨特的單線總線結(jié)構(gòu),決定了DS18B20 特別適合于大型的多路溫度

43、實時測控系統(tǒng)的溫度檢測。溫度實時測控集裝箱的設計, 在實現(xiàn)測控系統(tǒng)的溫度檢測方面就較好地利用了DS18B20 的獨到特點,使系統(tǒng)得到了極大的簡化。 一、DS18B20的特性(1) 獨特的單線接口方式。DS18B20 在I/O處理器連接時,僅需要一個I/O 口即可實現(xiàn)微處理器同DS18B20的雙向通訊。(2) DS18B20支持組網(wǎng)功能,多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的單線上,實現(xiàn)多點測溫。(3) DS18B20 的測溫圍為: - 55+125,在-10+ 85時, 其精度為+ 015。(4) DS18B20的測溫結(jié)果的數(shù)字量位數(shù)從912位,可編程進行選擇。(5) DS18B20含寄生電源，器

44、件既可以由單線總線供電,也可用外部的電源(310V515V )供電。數(shù)字化溫度傳感器DS1820測溫圍為- 55+125 ，增量值為0.5 (9位溫度讀數(shù))，它主要由4個數(shù)據(jù)部件部分組成：64位ROM;溫度傳感器;非易失性的溫度告警觸發(fā)器TH 和TL；高速便箋存儲器64 位ROM用于存儲序列號，其首字節(jié)固定為28H，表示產(chǎn)品類型碼，后6個字節(jié)是每個器件的編碼，最后1個字節(jié)是CRC 校驗碼. 溫度告警觸發(fā)器TH和TL 存儲用戶通過軟件寫入的報警上下限值，高速便箋存儲器由9個字節(jié)組成，其中有2個字節(jié)RAM單元用來存放溫度值前1個字節(jié)為溫度值的補碼低8位，后1個字節(jié)為符號位和溫度值的補碼高3位。 二

45、、DS18B20 測溫原理DS18B20部結(jié)構(gòu)框圖,如圖1-7所示。2-7 DS18B20部結(jié)構(gòu)框圖DS18B20 的測溫原理：DS18B20 測量溫度采用了特有的溫度測量技術(shù)，它是通過計數(shù)時鐘周期來實現(xiàn)的，部計數(shù)器對一個受溫度影響的振蕩器的脈沖計數(shù),低溫時,振蕩器的脈沖可以通過門電路。而當?shù)竭_某一設置高溫時, 振蕩器的脈沖無法通過門電路。計數(shù)器設置為- 55。同時, 計數(shù)器復位在當前的溫度值時, 電路對振蕩器的溫度系數(shù)進行補償, 計數(shù)器重新開始計數(shù)直到回零。如果門電路仍未關閉, 則系統(tǒng)重復上述過程。 三、DS18B20的操作協(xié)議 DS18B20單純通信功能是分時完成的。單線信號包括復位脈沖,

46、響應脈沖,寫“0”,寫“1”,讀“1”。它們有嚴格的時隙概念。系統(tǒng)對DS18B20的操作以ROM命令(5個)和存儲器命令(6個)形式出現(xiàn)。對它的操作協(xié)議是： 初始化DS18B20發(fā)復位脈沖)發(fā)ROM功能命令處理數(shù)據(jù)發(fā)存儲器命令處理數(shù)據(jù)。各種操作都有相應的時序圖。DS18B20在使用時，一般都采用單片機來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。只需將DS18B20 信號線與單片機1位I/O線相連，且單片機的1位I/O線可掛接多個DS18B20，就可實現(xiàn)單點或多點溫度檢測。DS18B20傳感器精度高、互換性好;它直接將溫度數(shù)據(jù)進行編碼，可以只使用一根電纜傳輸溫度數(shù)據(jù)，通信方便，傳輸距離遠且抗干擾性好：與用傳統(tǒng)溫度傳感器組成

47、的多點測溫系統(tǒng)相比可節(jié)省大量電纜，而且系統(tǒng)得以簡化，系統(tǒng)擴充維護十分方便。DS18B20 可以廣泛用于工廠工業(yè)過程、大型糧倉、釀酒廠，食品加工廠的溫度檢測以及賓館、儀器儀表室等處的溫度檢測和控制。第2章：太陽能熱水器硬件設計 2.1.太陽能控制器硬件結(jié)構(gòu)根據(jù)控制要求，采用80C51單片機的智能控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。由于本系統(tǒng)運算量不是很大， 沒有太多的中間數(shù)據(jù)需要處理、保存，因此不再外擴數(shù)據(jù)存儲器。僅使用80C51 部RAM已完全能夠滿足要求。系統(tǒng)的硬件接口電路包括：控制器實時時鐘接口電路，蓄水箱溫度和水位檢測接口電路、設定鍵和串行顯示接口電路、看門狗和復位接口電路以及繼電器輸出接口電路等

48、。 圖2-1 太陽能控制器硬件結(jié)構(gòu)圖 2.2. 控制器實時時鐘接口電路為實現(xiàn)熱水器24小時供應熱水的目的，控制器必須有一個實時時鐘來為系統(tǒng)提供準確的基準時間；在軟件設計上則要實時地讀出當前時間，同設定時間比較，以決定系統(tǒng)工作狀態(tài)。本系統(tǒng)采用美國DALLA S半導體公司最新推出的時鐘芯片DS12887，該芯片采用CMOS 技術(shù)，把時鐘芯片所需的晶振和電池以及相關的電路集成到芯片部，并與MC146818管腳完全兼容。DS12887芯片具有微功耗、外圍接口簡單、精度高，工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。它與80C51單片機的接口電路見下圖2-2。圖2-2 DS12887與單片機接口電路模式選擇腳MOT接地， 選擇

49、IN TEL時序。DS12887 的高位地址用80C51 的P2.4 選擇，則時鐘芯片的高8位地址為EFH，而其低8 位地址則由芯片部各單元的地址來決定(00H80H)，DS12887 的中斷輸出端IRQ 接上拉電阻，同80C51中斷線IN TO相連，為單片機提供中斷信號。SQW端口編程為2Hz方波輸出，經(jīng)二分頻后，驅(qū)動兩個LED發(fā)光二極管作為時鐘的秒閃爍顯示。 2.3.水位檢測和溫度檢測接口電路蓄水箱水位和溫度檢測部分是實現(xiàn)溫度智能控制的重要環(huán)節(jié)，只有準確地檢測出水位和溫度，才能通過軟件計算提前開始輔助加熱的預加熱時間。要實現(xiàn)輔助加熱提前時間的精確計算，最好是采用連續(xù)液位傳感器，但考慮系統(tǒng)成

50、本，本設計仍采用分段式液位傳感器(通過軟件來提高精度)，在水位顯示上也仍采用分段顯示。水位檢測部分的硬件連接如圖2-3所示。圖2-3 水位監(jiān)測及顯示接口電路檢測原理如下：當水箱中無水時，8個非門均由1M歐姆電阻上拉成高電平， 所以圖中各“非”門(CD4069) 輸出均為低電平，LED1 LED8 均不亮。當水位高于“非”門1 的輸入探針時，由于水的導電作用，使“非”門1 的輸入變?yōu)榈碗娖?，所以其輸出變?yōu)楦唠娖?，LED點亮，依此類推。隨著水位的上升，各“非”門輸出相繼為高電平，LED依次點亮。這里要注意的是上拉電阻不能選擇太小，因為水的電阻在100k8 左右，所以上拉電阻選擇太小的話，將在水位升

51、高時，無法把“非”門輸入端拉成低電平。實驗表明， 上拉電阻選擇在500k1M歐姆左右能很好地滿足電路的工作要求。為了使80C51 隨時能夠讀出當前的水位情況，這里選用74L S244 作為狀態(tài)輸入緩沖器。蓄水箱溫度檢測電路采用DS18B20芯片使其換成脈沖信號，送到80C51的I/O 口(編程為計數(shù)器工作模式)，通過測量輸出脈沖頻率的大小來換算成水溫高低信號。 2.4 看門狗和復位接口電路的設計控制器的看門狗電路由兩級74LS123芯片組成。用P1.7作為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時脈沖發(fā)生端，當P1.7 口線超過一定時間不對74L S123發(fā)正脈沖時，系統(tǒng)將自動復位（附錄1）。 2.5 鍵盤和顯示接口電路的設計 2.5.1 鍵盤電路 下圖為80C51單片機P1口構(gòu)成的中斷方式4*4鍵盤電路。P1.0-P1.3為行線，P1.4-P1.7為列線，行線與4輸入與門74HC21的一組輸入端相連，輸出端與外部中斷INT1相連。16個鍵號Ki（I=0-15）次序如圖中標注。 圖2-4 80C51 P1口構(gòu)成的4*4中斷方式鍵盤行列式鍵盤處理程序較為復雜，當有鍵按下時74HC21輸出端出現(xiàn)低電平請求中斷；在中斷服務程序中要再次確認是否真有鍵按下，真有鍵按下時，再查出是哪個