【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 計(jì)； （ 4）總體設(shè)計(jì)； 太陽(yáng)能熱水器控制器設(shè)計(jì) 4 2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路 根據(jù)題目要求，可以將本系統(tǒng)分為：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)模塊、溫度檢測(cè)模塊 、 水位檢測(cè)模塊、按鍵控制模塊、顯示模塊、電源模塊、報(bào)警檢測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及 A/D 轉(zhuǎn)換等。其中通過(guò)單片機(jī)控制及水位檢測(cè)模塊采集模擬信號(hào)經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存儲(chǔ)送到 LED 顯示。按鍵采用直接用 I/O 口線(xiàn)構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路即 獨(dú)立式按鍵 ；顯示模塊選擇使用 6 位共陽(yáng)極 LED 數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)距離顯示；報(bào)警在缺水或水位過(guò)高返回信號(hào)時(shí)開(kāi)始工作。 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 具體功能說(shuō)明如下： (1) 使用電源為 220VAC/50HZ。 (2) 水溫顯示：水溫用 動(dòng)態(tài) 數(shù)碼管顯示 ,測(cè)溫范圍 0—99℃ ；精度 177。2 ℃。 (3) 水位顯示：本系統(tǒng)利用水位檢測(cè)電路可以檢測(cè) 3 個(gè)水位 ,50％ 、 80％、 100％；用發(fā)光二極管來(lái)顯示當(dāng)前水位 ,當(dāng)水位超過(guò)該水位點(diǎn) ,相應(yīng)發(fā)光二極管發(fā)亮。 (4) 水位設(shè)置：可設(shè)置加水水位 50％ 、 80％、 100％。按 “水位 ”鍵 ,數(shù)碼 管 顯示當(dāng)前水位 ,如顯示 50,表示 50％ ,這時(shí) “水位 ”鍵旁的發(fā)光二極管亮 ,通過(guò)按 “∧ ”或 “∨ ”鍵可以調(diào)整水位設(shè)置。 (5) 手動(dòng)上水：在手動(dòng)控制狀態(tài) ,可以通過(guò)設(shè)在面板上的按 “上水 ”鍵隨時(shí)進(jìn)行手動(dòng)加水 ,若水位低于預(yù)置水位 ,可上水至預(yù)置水位；若水位已達(dá)到預(yù)置水位 ,則在原水位基礎(chǔ)上再加一檔；若水位已加滿(mǎn) ,則停止手動(dòng)加水。 (6) 強(qiáng)制上水：水位傳感器出現(xiàn)故障時(shí) ，可按“上水”鍵實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制上水，美縫中會(huì)出現(xiàn)蜂鳴提示，注意有無(wú)溢出。 方案論證 太陽(yáng)能作為能源利用的一種方式，具有使用方便、安全經(jīng)濟(jì)、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)， 因而得到廣泛應(yīng)用。本設(shè)計(jì)主要是研究其出水恒溫控制系統(tǒng)，現(xiàn)有較為常用的方案如下 手動(dòng)式：使用時(shí)先手動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)械閥，調(diào)好冷熱水混合比例，溫度合適后再使用，但在使用過(guò)程中，常會(huì)放一段時(shí)間的冷、熱水，混合后又會(huì)出現(xiàn)忽冷忽熱的現(xiàn)象，造成資源浪費(fèi)，還有壓力的變化，均需要再次手動(dòng)調(diào)節(jié)，這樣操作既復(fù)雜又不方便，也使沐浴者皮膚感到不舒服。 5 加熱式 :使用時(shí)先手動(dòng)調(diào)節(jié)太陽(yáng)能熱水器水箱內(nèi)的水溫，使出水口恒溫。當(dāng)水箱內(nèi)溫度較低時(shí)，用輔助電加熱的方式將水加熱到所需溫度，當(dāng)水箱內(nèi)溫度過(guò)高時(shí)，或兌冷水或無(wú)能為力。這在很多情況下既無(wú)必要，又造 成了水資源浪費(fèi)。 智能式 :通過(guò)控制器與檢測(cè)裝置的配合，檢測(cè)與控制相應(yīng)的檢測(cè)與控制，將水溫加熱到所需要的溫度并保持。 太陽(yáng)能熱水器在晴天一般能自動(dòng)加熱水溫，就算在陰天的情況下，太陽(yáng)能熱水器內(nèi)部的發(fā)熱管也會(huì)將水溫加熱至用戶(hù)所需溫度，但保溫時(shí)間不長(zhǎng)。 總體設(shè)計(jì) 根據(jù)該系統(tǒng)所要達(dá)到的功能，選擇適當(dāng)?shù)脑骷秃线m的芯片來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，理解各器件的原理和功能。太陽(yáng)能熱水器控制器設(shè)計(jì)，就要有溫度采集器件，根據(jù)相關(guān)參數(shù)范圍選擇了 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，采集到的數(shù)據(jù)為數(shù)字量，可以直接送入單片機(jī)處理，電路簡(jiǎn)單，數(shù)字 溫度傳感器比模擬溫度傳感器測(cè)量結(jié)果精確。要顯示水位量就要水位檢測(cè)傳感器，這個(gè)量就要由傳感器來(lái)測(cè)量，這里的水位檢測(cè)傳感器選擇模擬的傳感器，模擬量不能直接進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行處理，要變成二進(jìn)制的數(shù)字量才能送入單片機(jī)進(jìn)行處理，這就要進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，把采集到的水位信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量。 A/D 轉(zhuǎn)換的器件選擇為 ADC0809 轉(zhuǎn)換芯片，電路簡(jiǎn)單、方便。 方案選擇實(shí)現(xiàn) 通過(guò)對(duì)太陽(yáng)能熱水器控制要求、設(shè)計(jì)任務(wù)和系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能，綜合成本等各因素考慮設(shè)計(jì)出如下的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示。 圖 該控制系統(tǒng)以 AT89C51 單片機(jī)作為中央控制器，通過(guò) DS18B20 溫度傳感器檢測(cè)當(dāng)前水溫，通過(guò)單片機(jī)的處理在 LED 顯示片上顯示當(dāng)前的溫度值。另外一路是水位檢測(cè)傳感器測(cè)量水箱中水位的高低，并通過(guò)指示燈的變化顯示水位，系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)在內(nèi)部通過(guò)比較設(shè)定的溫度和當(dāng)前溫度：當(dāng)前溫度小于設(shè)定值時(shí)就會(huì)閉合繼電器開(kāi)關(guān)，開(kāi)太陽(yáng)能熱水器控制器設(shè)計(jì) 6 啟加熱裝置，自動(dòng)上水方面控制，當(dāng)水位低于低水檔會(huì)自動(dòng)閉合上水裝置繼電器的開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)上水裝置。水位到達(dá)高水擋時(shí)就會(huì)自動(dòng)斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，停止上水。 7 3 硬件電路設(shè)計(jì) 熱水器出水控 制系統(tǒng)硬件電路主要包括幾個(gè)方面：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)、電源電路、指示電路、水溫檢測(cè)電路、水位檢測(cè)電路、 LED 顯示電路、控制電路及 A/D 轉(zhuǎn)換電路等。 單片機(jī) 的選擇 AT89C51 單片機(jī) AT89C51 單片機(jī)是 ATMEL 公司生產(chǎn)的一款運(yùn)行電壓低，工作性能很高的 CMOS 8位單片機(jī)。芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)構(gòu)造中還含有一個(gè) 8KB 的可以進(jìn)行成百上千次反復(fù)編寫(xiě)程序或者是刪除程序的 PEROM。不但如此單片機(jī)內(nèi)部還包含有一個(gè) 256B 的片內(nèi) RAM。AT89C51 單片機(jī)的生產(chǎn)技術(shù)使用的是 ATMEL 公司的較為成熟的技術(shù)。使用 ATMEL 公司技術(shù)生產(chǎn)出來(lái)的單片機(jī)的精度都很高，而且它的存儲(chǔ)也很方便快捷。 AT89C51 的主要性能參數(shù)： (1) AT89C51 與 MCS51 系列單片機(jī)的編程指令代碼以及管腳的各個(gè)功能都是一樣的。 (2) 內(nèi)部還有可以對(duì)字節(jié)（ KB）進(jìn)行很多次的編寫(xiě)或者是刪除的高速存儲(chǔ)器（ FLASH存儲(chǔ)器）。 (3) 對(duì)于程序的編寫(xiě)或是刪除的次數(shù)可以達(dá)到上千次。 (4) 全靜態(tài)邏輯操作：零赫茲（ HZ）～二十四兆赫茲 (MHZ)的多級(jí)對(duì)所編寫(xiě)程序保護(hù)、保密的存儲(chǔ)。 (5) 由于內(nèi)部特殊的構(gòu)造為程序員提供了一個(gè) 256*8KB 的內(nèi) 部隨機(jī)存儲(chǔ)單元（ RAM）以及三十二個(gè)可以對(duì)端口編寫(xiě)程序的 I/0 口。 (6) 三個(gè)十六位的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器（ T0、 T T2）。 (7) 八個(gè)中斷地址區(qū)。 (8) AT89C51 的異步串行通道還可以對(duì)其進(jìn)行程序的編寫(xiě)。 (9) 運(yùn)行時(shí)對(duì)于電流電壓的消耗非常的低。 AT89C51 可下降到零赫茲的全靜態(tài)邏輯操作。當(dāng)整個(gè)在不工作的情況下單片機(jī)就會(huì)停止工作，雖然單片機(jī)已經(jīng)停止工作了，但是它內(nèi)部的存儲(chǔ)區(qū)間、定時(shí)（計(jì)數(shù)器）以及處于通信的端口和中斷任然是在工作狀態(tài)的。當(dāng)單片機(jī)的系統(tǒng)在正常工時(shí)由于各種各樣的原因突然斷電時(shí)它內(nèi)部 的 RAM 中的程序或者是其他數(shù)據(jù)并不會(huì)因?yàn)橥蝗婚g的失電而變得一無(wú)所有，他會(huì)保存的很完整。當(dāng)外部晶體振蕩電路不發(fā)生震蕩時(shí)并且整個(gè)系統(tǒng)中的其他電路元部件也一樣不工作時(shí)單片機(jī)的工作會(huì)一直進(jìn)行到下一個(gè)硬件電路中的復(fù)位點(diǎn)為止才會(huì)停止工作的。 太陽(yáng)能熱水器控制器設(shè)計(jì) 8 中斷系統(tǒng)：中斷系統(tǒng)的作用主要是對(duì)外部或內(nèi)部的終端請(qǐng)求進(jìn)行管理與處理。 AT89C51 有 6 個(gè) 中斷源 ：兩個(gè)是受外部影響 的中斷 INT0 和 INT1。另外的三個(gè)中斷受內(nèi)部定時(shí)器（ 定時(shí)器 0、 2）控制以及一個(gè)串行的中斷。單片機(jī)的這些中斷的任何一個(gè)中斷源頭都受特殊 寄存器 IE 或者置位按鍵控制，即可以使這些中斷源是不是有效。當(dāng)任一一個(gè)中斷源有效時(shí)這個(gè)中斷被允許，無(wú)效時(shí)這個(gè)中斷源不被允許中斷。特別的 IE 中還有總的控制位就相當(dāng)于一個(gè)總開(kāi)關(guān)，這個(gè)總開(kāi)關(guān)控制所有的中斷。 IE 寄存器的第 7 位是不可以使用的。在 AT89C51 中 IE 寄存器第 6 位也是不可以使用的。所以通常程序員在編寫(xiě)程序是不可以給這些位寫(xiě)入“ 1”。 三個(gè)定時(shí)器中的第三個(gè)定時(shí)器的觸發(fā)通常是由寄存器 TF2 和 EXF2 經(jīng)過(guò)一個(gè)或門(mén)來(lái)使得第三個(gè)定時(shí)器觸發(fā)。當(dāng)單片機(jī)在運(yùn)行程序的過(guò)程中進(jìn)入中斷命令后，這些代表位置能有外部的按鍵來(lái)清“ 0”。在 實(shí)際應(yīng)用中，允許 中斷的命令程序 需要確定是不是 TF2或者 EXF2 把中斷激活的。 在程序設(shè)計(jì)中 ,AT89C51 單片機(jī)語(yǔ)言簡(jiǎn)潔、可移植性好 ,靈活的表達(dá)能力的表達(dá) ,可以結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì) ， 可以直接控制計(jì)算機(jī)硬件 ， 所生成的代碼質(zhì)量好?？梢园凑粘Ｒ?guī)的方法進(jìn)行編程 ， 也可以用于在線(xiàn)編程和可以重復(fù)洗滌程序內(nèi)存也可以方便的修改程序。并不是擦洗存儲(chǔ)系統(tǒng)大大降低了成本。 AT89C51 單片機(jī)的引腳排列 如 圖 所示 。 AT89C51 單片機(jī)的引腳功能如下所示： VCC： +5V的電源電壓端口引腳。 GND: +5V的電源電壓的負(fù)極端口引腳，也就是一般所說(shuō)的接地端口。 P0 口： (～ )單片機(jī)的 P0 口總共有八位，是一個(gè)八位的漏極開(kāi)路型的端口，這八位端口不但可以作為輸入端口，也可以作為輸出端口。也就是說(shuō)這八位數(shù)據(jù)端口是雙向的。一般的這八位數(shù)據(jù)端口還可以作為地址 /數(shù)據(jù)總線(xiàn)的復(fù)用端口。 P1 口： (～ ) 單片機(jī)的 P1 口總共有八位，是一個(gè)八位的漏極開(kāi)路型的端口，這八位端口不但可以作為輸入端口，也可 以作為輸出端口。 P1 口和 P0 口不一樣的地方就是在 P1 口所對(duì)應(yīng)的單片機(jī)內(nèi)部中還有相應(yīng)的一組使得電平信號(hào)為高電平的上拉電阻。單片機(jī)內(nèi)部和 P1 口對(duì)應(yīng)的還有四個(gè) TTL 類(lèi)型的邏輯門(mén)電路是由單片機(jī)的 P1 口的輸出驅(qū)動(dòng)。 P2 口：（ ～ ）片機(jī)的 P2 口總共有八位。是一個(gè)八位的漏極開(kāi)路型的端口，這八位端口不但可以作為輸入端口，也可以作為輸出端口。 P2 口和 P0 口不一樣的地方就是在 P1 口所對(duì)應(yīng)的單片機(jī)內(nèi)部中還有相應(yīng)的一組使得電平信號(hào)為高電平的上拉電 9 阻。單片機(jī)內(nèi)部和 P2 口對(duì)應(yīng)的還有四個(gè) TTL 類(lèi)型的邏輯門(mén)電路是由單片機(jī)的 P2 口的輸出驅(qū)動(dòng)。也就是說(shuō) P2 端口和 P1 端口的功能幾乎是一樣的。 P3 口：（ ～ ）單片機(jī)的 P3 口和其他三個(gè)口都不一樣。 P3 是具有兩種功能的端口，如果把 P3 口當(dāng)做和其他 I/O 端口一樣使用時(shí)，它其功能與 P1 端口同。但常用其第二功能， ～ 每個(gè)端口都有 4 個(gè) TTL 邏輯門(mén)電路供它驅(qū)動(dòng)。 P1 口 引腳 號(hào)第二功能： T2（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T2 的外部計(jì)數(shù)輸入） ，時(shí)鐘輸出 T2EX（定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T2 的捕捉 /重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制） MOSI（在 系統(tǒng)編程 用） MISO（在系統(tǒng)編程用） SCK（在系統(tǒng)編程用） P3 口端口 引腳 第二功能： RXD(串行輸入口 ) TXD(串行輸出口 ) INTO(外中斷 0) INT1(外中斷 1) TO(定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0) T1(定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1) WR(外部數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器 寫(xiě)選通 ) RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 ) 此外， P3 口還接收一些用于 FLASH 閃存 編程和程序校驗(yàn)的 控制信號(hào) 。 圖 AT89C51 的引 腳排列 太陽(yáng)能熱水器控制器設(shè)計(jì) 10 AT89C51 單片機(jī)的功能特性 與 MCS 51 指令合并 ； 4 k 字節(jié)編程閃存 存儲(chǔ)器；壽命 1000 寫(xiě) /刷周期 。存儲(chǔ)時(shí)間是10 年 ,工作電壓范圍從 V至 V。所有靜態(tài)工作 ： 0 ~ 24 hz。三級(jí)程序內(nèi)存鎖 。三倍的時(shí)間 ； 128 * 8 RAM32 內(nèi)可編程 I / O 線(xiàn) ； 兩個(gè) 16 位定時(shí)器或計(jì)數(shù)器 ； 五個(gè)中斷源 ； 可編程串行通道 ； 低功率閑置和損失的電力 ； 和芯片級(jí)時(shí)鐘振蕩器電路 。 表 中斷優(yōu)先級(jí)及入口地址 中斷源 優(yōu)先級(jí) 人口地址 外部中斷 0 1 0003H 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T0 2 000BH 外部中斷 1 3 0013H 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 T0 4 001BH 串行口中斷 5 0023H AT89C51 單片機(jī)的最小系統(tǒng)介紹 最小系統(tǒng)指的是最低配置系統(tǒng)可以滿(mǎn)足要求。因?yàn)?MCS 51 系列單片機(jī)內(nèi)部集成不需要晶體振蕩器時(shí)鐘電路和復(fù)位電路 ， 所以最小系統(tǒng)外部的這些部分。這些芯片程序4 KB 的內(nèi)存 ,8051 年內(nèi)部 ROM,如果系統(tǒng)處理不是太復(fù)雜 ， 程序和數(shù)據(jù)不超過(guò) 4 KB,那么芯片 ， 只要外部晶體振蕩器和復(fù)位電路可以構(gòu)成最小系統(tǒng) ， 其主要功能包括 4 KB 內(nèi)部程序內(nèi)存 (地址是 0000 h ~ 0 FFFH)， 銷(xiāo)以滿(mǎn)足高水平 ， 128B 內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ) (地址 00 h ~ 7 跳頻 )， 因?yàn)闆](méi)有使用外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 ， 所以 P0 口 ~ P3 可以所有 I / O 接口。 單片機(jī)最小系統(tǒng)由晶振電路和復(fù)位電路構(gòu)成，最小系統(tǒng)電路如圖 所示。 圖 單片機(jī)最小系統(tǒng) 11 AT89C51 單片機(jī)的時(shí)鐘電路 單片機(jī) AT89C52 的第 18 和第 19 管腳為其外部硬件晶振電路的接口，它的管腳名稱(chēng)分別是 XTAL1 以及 XTAL2。它所相應(yīng)的單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個(gè)反向的放大電路的信號(hào)流入端 /信號(hào)流出端，它可 以接收頻率的范圍很廣泛具體的是 ~12MHz。第 19 管腳也就是所謂的 XTAL2 和他相對(duì)應(yīng)的單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)又是帶時(shí)間規(guī)律的高低電平信號(hào)的流入端。當(dāng)這個(gè)內(nèi)部反相器和外部的元件電路構(gòu)建成如圖 310 所示的 Pierce 振蕩器。如果圖中的振蕩器使用的是石英晶體振蕩器時(shí)，而且外接電容的容量為 C=（ 30177。 10）pF。 在不管什么情形下，振蕩器一直使得單片機(jī)內(nèi)部的時(shí)鐘發(fā)生器為單