【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ALE/ PROG ：地址鎖存信號(hào)線。 圖 P3 口第二功能說(shuō)明 PSEN ：外部程序存儲(chǔ)器讀選通端。 EA /VPP：訪問(wèn)內(nèi)部程 序存儲(chǔ)器控制端 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 6 XTAL XTAL2：震蕩電路輸入端。 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 51 單片機(jī)內(nèi)部機(jī)構(gòu)如圖 [8] 圖 51 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 4 控制器各模塊電路設(shè)計(jì) 主控芯片模塊 單片機(jī)只有 40 個(gè)管腳，其中 I/O 管腳只有 32 個(gè)，必須合理地分配單片機(jī)管腳，否則很容易造成單片機(jī)管腳的不夠用。另外，單片機(jī)運(yùn)行需要時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源、地線等，這些電路也需要在單片機(jī)主控芯片里面設(shè)計(jì)。主控芯片模塊 proteus 仿真圖如圖 。 [9] 圖 主控芯片模塊 proteus 仿真圖 時(shí)鐘電路 單片機(jī)的運(yùn)行需要時(shí)鐘電路的支持， 單片機(jī) 時(shí)鐘電路 是配合外部晶體實(shí)現(xiàn)振蕩的電路， 它由一個(gè)晶振和兩個(gè)電容組成，其組成圖如圖 ，它的兩端分別接在單片機(jī)的 XTAL1 和 XTAL2 管腳。它 可以為單片機(jī)提供運(yùn)行時(shí)鐘，如果運(yùn)行時(shí)鐘為 0 的話，單片機(jī) 就不工作，當(dāng)然超出單片機(jī)的工作頻率的時(shí)鐘也會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)不 能正常 工作 ， C51 單片機(jī)的支持的時(shí)鐘頻率 為 0~24MHz。 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 8 圖 單片機(jī)時(shí)鐘電路 復(fù)位電路 在單片機(jī)在使用過(guò)程中有時(shí)（比如上電瞬間以及運(yùn)行中出現(xiàn)錯(cuò)誤的時(shí)候）需要使單片機(jī)從開(kāi)始狀態(tài)重新運(yùn)行，這時(shí)就需要單片機(jī)的復(fù)位電路了。它可以使單片機(jī)內(nèi)部各寄存器的值變?yōu)槌跏紶顟B(tài)，復(fù)位電路如圖 。它可以在單片機(jī)上電瞬間和復(fù)位開(kāi)關(guān)按下的瞬間給單片機(jī) RESET 管腳加上一個(gè)程指數(shù)函數(shù)的電平信號(hào)，當(dāng)此電平信號(hào)能夠在單片機(jī)的 RESET 管腳保持兩個(gè)機(jī)器周期 以上的高電平時(shí)，單片機(jī)就能完成復(fù)位操作。 [10] 圖 單片機(jī)復(fù)位電路 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 9 單片機(jī)管腳分配 單片機(jī)管腳分配如圖 。 圖 單片機(jī)管腳分配 DS18B20 溫度檢測(cè)及顯示模塊 蓄水箱水溫檢測(cè)電路使用單總線 DS18B20 芯片，它可以將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化成脈沖信號(hào)進(jìn)而轉(zhuǎn)化成水溫高低的信號(hào)。 DS18B20 的 DQ 端與單片機(jī)的 口相連，它可以將水溫大小直接以數(shù)值的方式存放在其內(nèi)部的 RAM 中，單片機(jī)可以通過(guò) DS18B20 的 DQ 引腳直接讀取其內(nèi)部 RAM 中存放的溫度值。在水 溫的顯示上，本設(shè)計(jì)采用兩位 LED 數(shù)碼管來(lái)實(shí)現(xiàn)， LED 數(shù)碼管的段選信號(hào)由單片機(jī)的P0 口來(lái)發(fā)出，其位選信號(hào)由單片機(jī)的 、 管腳發(fā)出。水溫檢測(cè)及顯示模塊的 proteus 電路仿真如圖 。 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 10 圖 溫度檢測(cè)及顯示模塊 proteus 仿真圖 DS18B20 芯片簡(jiǎn)介 DS18B20 是美國(guó) DALLAS 公司推出的一種溫度傳感器，它能比較準(zhǔn)確的測(cè)量 55~125℃之間的溫度。相對(duì)于以前的熱敏電阻等溫度傳感器， DS18B20 更加智能，它能夠直接測(cè)出被測(cè)環(huán)境的溫度并以數(shù)值方式存在其內(nèi)部的 RAM 中，當(dāng)有需要時(shí)，它可以通過(guò)單總線實(shí)現(xiàn)單片機(jī)等對(duì) DS18B20 內(nèi)部 RAM 中數(shù)據(jù)的讀取。 DS18B20 有如下性能特點(diǎn)： 單總線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，僅需要一個(gè)引腳即可完成數(shù)據(jù)在 DS18B20 和單片機(jī)之間的通信。 每個(gè) DS18B20 都有獨(dú)一無(wú)二的序列號(hào) ，可以在一條線上并聯(lián)多個(gè) DS18B20芯片 。 測(cè)量溫度范圍－ 55℃ ~＋ 125℃ 。 分辨率 可調(diào) 。 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu) [11] DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 。 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 11 圖 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 DS18B20引腳 DS18B20 引腳功能描述見(jiàn)圖 。 序號(hào) 名稱 引腳功能描述 1 GND 地信號(hào) 2 DQ 數(shù)字信號(hào)輸入輸出引腳 3 VDD 供電電源輸入端 圖 DS18B20 各引腳功能 DS18B20 轉(zhuǎn)換成的溫度數(shù)據(jù)格式 [12] 當(dāng) DS18B20 接到溫度轉(zhuǎn)換命令時(shí)它就可以將測(cè)得的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成溫度值并以 16 位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在其高速緩存 RAM 中，其溫度值格式如圖 。 圖 DS18B20 溫度數(shù)據(jù)格式 單片機(jī)可以通過(guò) DS18B20 的 DQ 引腳直接取 RAM 中溫度的值，讀取時(shí)，先讀取低位數(shù)據(jù)，然后讀取高 位數(shù)據(jù)。在 DS18B20 溫度數(shù)據(jù)格式中，當(dāng) S=0 時(shí)表示此時(shí)的溫度值為正值，當(dāng) S=1 時(shí)表示此時(shí)溫度為負(fù)值。 DS18B20 ROM 命令 [13] DS18B20 的一系列操作基本都是通過(guò) ROM命令來(lái)實(shí)現(xiàn)的， DS18B20 的 ROM煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 12 命令見(jiàn)圖 。 指令 協(xié)議 功能讀ROM 33H 讀DS1 8B2 0中的編碼(即6 4位地址)搜索ROM 0F0H用于確定掛接在同一總線上DS1 8B2 0的個(gè)數(shù)和識(shí)別64 位ROM 地址，為操作各器件作好準(zhǔn)備跳過(guò)ROM 0CCH忽略64位R OM地址，直接向D S18 B20 發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換命令，適用于單個(gè)DS1 8B2 0工作的情況告警搜索命令0ECH 執(zhí)行后，只有溫度超過(guò)廟宇值上限或下限的片子才做出響應(yīng)溫度轉(zhuǎn)換 44H啟動(dòng)DS1 8B2 0進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間最長(zhǎng)為50 0ms (典型為200ms),結(jié)果存 入內(nèi)部9字節(jié)RAM中讀暫存器 BEH 讀內(nèi)部RAM 中9字節(jié)的內(nèi)容寫(xiě)暫存器 4EH發(fā)出向內(nèi)部RAM 的第4字節(jié)寫(xiě)上、下溫度數(shù)據(jù)命令，緊跟該溫度命令之后，傳達(dá)兩字節(jié)的數(shù)據(jù)復(fù)制暫存器48H 將RAM 中第4字內(nèi)容復(fù)制到E2PROM中重調(diào)E2PROM0B8H 將E2PRO M中內(nèi)容恢復(fù)到RA M中的第4 字節(jié)讀供電方式0B4H讀DS1 8B2 0的供電模式，寄生供電時(shí)DS 18B 20發(fā)送“0 ”，外部供電時(shí)DS1 8B2 0發(fā)送“1”發(fā)出此命令后，接著發(fā)出64位R OM編碼，訪問(wèn)單總線上與該編碼相對(duì)應(yīng)的DS1 8B2 0,使之作出響應(yīng)，為下一步對(duì)該D S18 B20 的讀寫(xiě)作準(zhǔn)備符合ROM 55H 圖 DS18B20 的 ROM 命令 74LS245 簡(jiǎn)介 74LS245 為 8 位雙向 3 態(tài)緩沖電路，主要用途為數(shù)據(jù)的雙向緩沖，以增強(qiáng)芯片的驅(qū)動(dòng)能力。 [14]74LS245 真值表如圖 所示。 輸入 輸出 G DIR L L 從 B 端到 A 端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 L H 從 B 端到 A 端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸 H 高阻態(tài) 圖 74LS245 真值表 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 13 LED 數(shù)碼管顯示 LED 數(shù)碼管是由八個(gè)發(fā)光二極管排列在一起并相互連接組成的，根據(jù)其連接方法的不同， LED 數(shù)碼管可以分為共陰極和共陽(yáng)極兩種連接方法。兩種接法電路圖如圖 。 圖 LED 數(shù)碼管及接線方法 當(dāng)把數(shù)碼管中各發(fā)光二極管的陰極連接在一塊并與地相連，通過(guò)從各發(fā)光二極管陽(yáng)極是否接電源來(lái)控制發(fā)光二極管的亮滅時(shí)成為共陰極接法。同理，當(dāng) 把數(shù)碼管中各發(fā)光二極管陽(yáng)極接在一塊并與電源相連，通過(guò)在各發(fā)光二極管陰極是否接地來(lái)控制各發(fā)光二極管的亮滅時(shí)稱為共陽(yáng)極接法。不同的接法所需要點(diǎn)亮電平是不一樣的，所以在使用數(shù)碼管顯示時(shí)，一定要注意區(qū)分這兩種接法。當(dāng)然為了顯示數(shù)字或字符，需要對(duì)數(shù)字或字符進(jìn)行編碼，本設(shè)計(jì)采用共陰極 LED 數(shù)碼管顯示。 LED 數(shù)碼管顯示方式有兩種，即靜態(tài)顯示方式和動(dòng)態(tài)顯示方式。靜態(tài)顯示就是每個(gè)數(shù)碼管都需要連接一個(gè) 8 位的數(shù)據(jù)線，通過(guò)該 8 位數(shù)據(jù)線發(fā)送數(shù)據(jù)來(lái)保持顯示的字符，當(dāng)向數(shù)碼管送入一次 8 位數(shù)據(jù)時(shí)數(shù)碼管就會(huì)一直顯示該字符，如果需要改變需 要顯示的字符則需要重新給數(shù)碼管輸入另一個(gè) 8 位數(shù)據(jù)。動(dòng)態(tài)顯示就是通過(guò)一定的操作使各個(gè)數(shù)碼管依次點(diǎn)亮，利用發(fā)光二極管的余暉效應(yīng)和人眼的視覺(jué)暫留現(xiàn)象使人的感覺(jué)就像是同時(shí)點(diǎn)亮各個(gè)數(shù)碼管一樣。動(dòng)態(tài)顯示的亮度比靜態(tài)顯示稍微差一下，程序上稍微麻煩一些，占用的 CPU 時(shí)間長(zhǎng)點(diǎn)，但當(dāng)數(shù)碼管位數(shù)比較多時(shí)需要的管腳位數(shù)明顯減少，硬件電路會(huì)大大簡(jiǎn)化。由于單片機(jī)輸出管腳有限，為了節(jié)省單片機(jī)管腳，本設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)顯示方式。 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 14 水位測(cè)量及顯示模塊 蓄水箱水位是智能控制的一個(gè)重要參數(shù)，是實(shí)現(xiàn)智能控制的重要依據(jù)，只有準(zhǔn)確檢測(cè)出水箱水位才 能更好地實(shí)現(xiàn)水位地顯示以及蓄水箱的上水、停水等操作。要實(shí)現(xiàn)水位地精確檢測(cè)最好采用連續(xù)液位傳感器，但考慮到系統(tǒng)成本及使用范圍，本系統(tǒng)在進(jìn)行水位檢測(cè)時(shí)仍然采用分段式液位傳感器（即在蓄水箱不同的位置放入水位探針），在水位顯示上采用由 5 個(gè)發(fā)光二極管組成的分段式液位顯示器。水位檢測(cè)及顯示電路圖如圖 。 圖 水位檢測(cè)及顯示電路圖 檢測(cè)原理：把五個(gè)金屬水位探針?lè)謩e固定在水箱的五個(gè)位置上，金屬探針通過(guò)一個(gè) 1M 的電阻（即上拉電阻）和 +5V 電源相連，水箱里的水通過(guò)導(dǎo)線和地相連。當(dāng)金屬探針在水面以下時(shí)， +5V 電源、上拉電阻、水箱里的水、地等組成一個(gè)回路，由于水的電阻遠(yuǎn)比 1M 小，所以此時(shí)探針處電平為低電平。這個(gè)低電平通過(guò)一個(gè)反相器（非門(mén)）后變?yōu)楦唠娖?，這個(gè)高電平通過(guò)發(fā)光二極管、 500Ω的電阻放電，使得發(fā)光二極管點(diǎn)亮，顯示此時(shí)該液位有水。當(dāng)金屬探針在水面以上時(shí)，金屬探針處電平為高電平，該高電平經(jīng)過(guò)反相器時(shí)變?yōu)榈碗娖?，低電平不能使發(fā)光二極管發(fā)光，從而顯示該液位沒(méi)有水。至此，水位的顯示完成。水位測(cè)量及顯示模塊 proteus 仿真圖如圖 。 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 15 圖 水位測(cè)量及顯示模塊 proteus 仿真圖 本 proteus 仿真圖使用按鍵開(kāi)關(guān)代替水和 +5V 電源、 1M電阻及地構(gòu)成回路，當(dāng)按鍵按下時(shí)代表此位置處有水，當(dāng)按鍵沒(méi)有按下時(shí)代表此水位處沒(méi)有水。需要注意的是，上拉電阻不宜選的太小，因?yàn)樗怯须娮璧?，上拉電阻選的太小會(huì)導(dǎo)致當(dāng)探針在水面以下時(shí)探針輸出低電平特性不明顯，此時(shí)很容易導(dǎo)致液位顯示上出現(xiàn)錯(cuò)誤。位置最高到位置最低處的探針?biāo)鶞y(cè)出的電平經(jīng)反相器后會(huì)通過(guò)導(dǎo)線依次送到單片機(jī)的 到 管腳，經(jīng)單片機(jī)接收、處理，實(shí)現(xiàn)水位控制的操作。 報(bào)警模塊 太陽(yáng)能熱水器通常對(duì)蓄水箱內(nèi)的水位有一定的要求，當(dāng)水箱水位過(guò)低時(shí)，很容易給 人們的正常生活帶來(lái)不便，所以，當(dāng)水位過(guò)低時(shí)能及時(shí)讓人們知道就顯得比較重要，報(bào)警模塊正是基于此種原因設(shè)計(jì)的。報(bào)警模塊的 proteus 仿真圖如圖。 圖 報(bào)警模塊的 proteus 仿真圖 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 16 檢測(cè)及報(bào)警原理：當(dāng)水位過(guò)低時(shí)，單片機(jī)相應(yīng)管腳被清零，使得單片機(jī)通過(guò) 口輸出一系列脈沖波。脈沖波經(jīng)由 Q R1 組成的放大電路后作用于蜂鳴器BUZI 的線圈上，線圈產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)帶動(dòng)蜂鳴器紙盆震動(dòng)從而發(fā)出聲音。 輔助加熱模塊 當(dāng)光照不足時(shí)，太陽(yáng)能熱水器的水溫很難達(dá)到指定的要求，為了不影響人們的正常 使用，輔助加熱設(shè)備就顯得尤為重要了。輔助加熱模塊的 proteus 電路仿真圖如圖 。 圖 輔助加熱模塊的 proteus 電路仿真圖 繼電器工作原理 繼電器工作原理圖如圖 所示。 [15] 圖 繼電器工作原理圖 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 17 當(dāng)繼電器的控制回路沒(méi)有電流流過(guò)時(shí)，繼電器的銜鐵在彈簧的拉力作用下右端上翹，觸點(diǎn) 3 與觸點(diǎn) 5 斷開(kāi)，與觸點(diǎn) 4 結(jié)合。當(dāng)有電流流過(guò)繼電器的控制回路（即由導(dǎo)線和線圈組成的電磁鐵）時(shí)，電流就會(huì)在在電磁鐵上產(chǎn)生磁場(chǎng)，此時(shí)，銜鐵會(huì)被電磁鐵吸引而下降，使得觸點(diǎn) 3 與觸點(diǎn) 4 分離，與觸點(diǎn) 5 連接。如果在端點(diǎn) 3和端點(diǎn) 5接上其他電路組成被控回路就會(huì)出現(xiàn)當(dāng)有電流流過(guò)控制回路時(shí)被控回路導(dǎo)通，當(dāng)沒(méi)有電流流過(guò)控制回路時(shí)被控回路斷開(kāi)。 輔助加熱模塊工作原理 當(dāng)加熱按鈕沒(méi)有按下時(shí)，此輔助加熱模塊為自動(dòng)控制模式。在自動(dòng)控制模式下，當(dāng)設(shè)定的時(shí)間到時(shí)，單片機(jī)會(huì)自動(dòng)對(duì)蓄水箱的水溫進(jìn)行判斷。當(dāng)水溫高于設(shè)定值時(shí)， 口輸出為高電平，三極管 Q1 集電極和發(fā)射極斷開(kāi)，此時(shí)，輸入回路中沒(méi)有電流為零，繼電器被控回路斷開(kāi)，加熱電阻不工作。當(dāng) 口輸出為低電平時(shí)，三極管 Q1 集電極和發(fā)射極導(dǎo)通， +5V 電源經(jīng)電阻 R1，繼電器控制回路、三極管 Q1 和地相連，輸入回路導(dǎo)通，此時(shí)，繼電器被控回路閉合， 220V交流電源經(jīng)繼電器被控回路給加熱電阻加熱，從而使水溫升高。當(dāng)臨時(shí)（不是設(shè)定時(shí)間）需要熱水時(shí)可以通過(guò)加熱按鈕進(jìn)行加熱，此時(shí)，只需按下加熱按鈕即可對(duì)蓄水箱的水進(jìn)行加熱。 電磁閥控制模塊 電磁閥是把電信號(hào)轉(zhuǎn)化成水龍頭開(kāi)關(guān)信號(hào)的裝置，是實(shí)現(xiàn)水位智能控制不可缺少的一部分。 電磁閥從原理上分為直動(dòng)式 、 分步直動(dòng)式 和 先導(dǎo)式 三類 電磁閥 ，本設(shè)計(jì)采用直動(dòng)式電磁閥。電磁閥控制模塊 proteus 仿真如圖 。 圖 電磁閥控制模塊 proteus 仿真電路圖 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 18 繼電器工作原理