【導(dǎo)讀】器智能控制器的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)方案。采用DSl2887芯片實(shí)現(xiàn)時(shí)間設(shè)定、溫度。套全自動(dòng)太陽(yáng)能熱水器控制器具有使用方便、穩(wěn)定性高、實(shí)用性高和節(jié)能等特點(diǎn)，為用戶使用熱水提供了極大的方便。

　　

【正文】 太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 21 3 太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 太陽(yáng)能控制器系統(tǒng)硬件結(jié) 構(gòu) 根據(jù)控制要求，采用 8051 單片機(jī)的智能控制器結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。由于本系統(tǒng)運(yùn)算量不大， 沒(méi)有太多的中間數(shù)據(jù)需要處理、保存，因此不再外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。僅使用 8051 內(nèi)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(shí)時(shí)時(shí)鐘接口電路，蓄水箱溫度和水位檢測(cè)接口電路、自動(dòng)加水控制電路、設(shè)定鍵和串行顯示接口電路、復(fù)位接口電路以及輔助加熱接口電路等。 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(qǐng) ， 提醒 CPU 將有 998ms 左右的時(shí)間去獲取有效的數(shù)據(jù) ， 在中斷之后的 998ms 時(shí)間內(nèi) ， 程序可先將時(shí) 標(biāo)數(shù)據(jù)讀到芯片內(nèi)部的不掉電靜態(tài) RAM 中。因?yàn)樾酒瑑?nèi)部的靜態(tài) RAM 和狀態(tài)寄存器是可隨時(shí)讀寫的 ， 在離開(kāi)中斷服務(wù)子程序前應(yīng)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(lái)指示芯片是否處于更新周期。在 UIP 位從低變高 244μ s 后 ，芯片將開(kāi)始其更新周期 ， 所以檢測(cè)到 UIP 位為低電平時(shí) ， 則利用 244μ s 的間隔時(shí)間去讀取時(shí)標(biāo)信息。如檢測(cè)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) [14]。 DS12887 時(shí)鐘 8051 單片機(jī)系統(tǒng) 水位和溫度顯示 鍵盤輸入 溫度檢測(cè) 復(fù)位電路 輔助加熱 水位檢測(cè)和加水系統(tǒng) 圖 31太陽(yáng)能控制器硬件結(jié)構(gòu)圖 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 22 控制器實(shí)時(shí)時(shí)鐘接 口電路 為實(shí)現(xiàn)熱水器 24 小時(shí)供應(yīng)熱水的目的，控制器必須有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘來(lái)為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的基準(zhǔn)時(shí)間；在軟件設(shè)計(jì)上則要實(shí)時(shí)地讀出當(dāng)前時(shí)間，同設(shè)定時(shí)間比較，以決定系統(tǒng)工作狀態(tài)。本系統(tǒng)采用美國(guó) DALLAS 半導(dǎo)體公司最新推出的時(shí)鐘芯片DS12887，該芯片采用 CMOS 技術(shù)，把時(shí)鐘芯片所需的晶振和電池以及相關(guān)的電路集成到芯片內(nèi)部，并與 MC146818 管腳完全兼容。 DS12887 芯片具有微功耗、外圍接口簡(jiǎn)單、精度高，工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。它與 8051 單片機(jī)的接口電路見(jiàn)下圖。模式選擇腳 MOT 接地， 選擇 IN TEL 時(shí)序。 DS12887 的高位地址用 8051 的 選擇，則時(shí)鐘芯片的高 8位地址為 EFH，而其低 8 位地址則由芯片內(nèi)部各單元的地址來(lái)決定 (00H～ 80H)， DS12887 的中斷輸出端 IRQ 接上拉電阻，同 8051 中斷線 INTO 相連，為單片機(jī)提供中斷信號(hào) [15]。 圖 32 DS12887與單片機(jī)接口電路 水位檢測(cè)和自動(dòng)加水電路 原太陽(yáng)能熱水器的控制面板只作為水箱的溫度顯示和水位顯示的作用，沒(méi)有自動(dòng)上水和停水、手動(dòng)調(diào)溫的功能，屬于一種開(kāi)環(huán)控制。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 23 水位檢測(cè)原理如下：當(dāng)水箱 中無(wú)水時(shí)。 8個(gè)非門均由 1M電阻上拉成高電平，所以圖中各非門輸出均為低電平 ,D3— D10均不亮。當(dāng)水位高于非門 W18的輸入探針時(shí)，由于水的導(dǎo)電作用，使非門 W18 的輸入變?yōu)榈碗娖?，所以其輸出變?yōu)楦唠娖剑?LED點(diǎn)亮，依此類推口隨著水位的上升，各非門輸出相繼為高電平。 LED 依次點(diǎn)亮。這里要注意的是上拉電阻不能選擇太小，因?yàn)樗碾娮柙?100k 左右，所以上拉電阻選擇太小的話，將在水位升高時(shí)，無(wú)法把非門輸入端拉成低電平。實(shí)驗(yàn)表明，上拉電阻選擇在 500K1M 左右能很好地滿足電路的工作要求。為了使 8051 隨時(shí)能夠讀出當(dāng)前的 水位情況，這里選用 74LS244 作為狀態(tài)輸入緩沖器 [16]。 自動(dòng)加水原理如下：當(dāng) A點(diǎn)水位 (即高水位燈閃光時(shí) )信號(hào)低于 0． 5V時(shí)， RS 觸發(fā)器為“ 0”，電阻 R54端為低電平，發(fā)光二極管 D11 熄滅，三極管截止，二位二通閥關(guān)斷，停止上水。當(dāng)水位到下限水位 B 點(diǎn)時(shí) (即低水位燈閃光時(shí) )， B 點(diǎn)上水信號(hào)為 ， RS觸發(fā)器置“ 1”，發(fā)光二極管 D11發(fā)光，三極管導(dǎo)通，二位二通閥打開(kāi)，自動(dòng)上水。另外也可以根據(jù)水溫人工加以控制，水溫過(guò)高可以按手動(dòng)進(jìn)水按扭 K6，降低水溫。當(dāng)水溫適合可按手動(dòng)停水按扭 K5，這兩個(gè)按扭可隨意控 制 [17]。 圖 33水位監(jiān)測(cè)及顯示接口電路 看門狗和復(fù)位接口電路的設(shè)計(jì) 在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，單片機(jī)由于受到各種干擾而不能可靠上電復(fù)位，甚至在東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 24 程序運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)死機(jī)是普遍存在的問(wèn)題。利用 X25045 芯片組成的看門狗復(fù)位電既能保證單片機(jī)系統(tǒng)在上電時(shí)產(chǎn)生可靠的復(fù)位脈沖，又能在單片機(jī)死機(jī)時(shí)對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)復(fù)位。 X25045 芯片內(nèi)包含有一個(gè)看門狗定時(shí)器，可通過(guò)軟件預(yù)置系統(tǒng)的監(jiān)控時(shí)間。在看門狗定時(shí)器預(yù)置的時(shí)間內(nèi)若沒(méi)有總線活動(dòng)，則 X25045 將從 RESET 輸出一個(gè)高電平信號(hào)，經(jīng)過(guò)微分電路 C R3 輸出一個(gè)正脈沖，使 CPU 復(fù)位。電路中，CPU的復(fù)位信號(hào)共有 2個(gè)：人工復(fù)位 (K R R3)和 Watchdog 復(fù)位 (C R1)，通過(guò)與 門綜合后加到 RESET 端。 C R3 的時(shí)間常數(shù)不必太大，有數(shù)百微秒即可，因?yàn)檫@時(shí) CPU 的振蕩器已經(jīng)在工作。 X25045 硬件連接圖如圖所示 【 13】 。 圖 34 看門狗和復(fù)位接口電路 鍵盤和顯示接口電路的設(shè)計(jì) 鍵盤電路 鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸人數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段。鍵盤實(shí)質(zhì)上是一組按鍵開(kāi)關(guān)集合， 通常選用機(jī)械彈性開(kāi)關(guān)，它們利用了機(jī)械觸點(diǎn)的合、斷作用。鍵的閉合與否，反映在輸出電壓上就是呈現(xiàn)低電平還是高電平，通過(guò)對(duì)電平高低狀態(tài)的檢測(cè)，便可確認(rèn)是否有按鍵按下。為了確保 CPU 對(duì)一次按鍵動(dòng)作只確認(rèn)一次，那就必須消除抖動(dòng)的影響，這樣才能使鍵盤在單片機(jī)系統(tǒng)中使用得更加穩(wěn)定。 常用的鍵盤接口分為獨(dú)立式按鍵接口和矩陣式鍵盤接口。在本系統(tǒng)中，鍵盤輸東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 25 人部分主要用于顯示設(shè)定溫度、時(shí)間；重設(shè)溫度、時(shí)間及時(shí)間的調(diào)整。采用四鍵中斷方式，當(dāng)四鍵中有任意一鍵按下時(shí)， 4輸入與門就會(huì)產(chǎn)因此采用獨(dú)立式鍵盤來(lái)完成這一功能，產(chǎn)生一次 從高到低的電平跳變，產(chǎn)生中斷信號(hào)， CPU 的外部中斷 1 相應(yīng)的設(shè)定為下降沿中斷的觸發(fā)方式。響應(yīng)中斷后執(zhí)行相應(yīng)的按鍵功能。 S1 鍵功能鍵，只有此鍵按下其它三個(gè)鍵才有效，此鍵可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)入時(shí)間、溫度的調(diào)整狀態(tài)，設(shè)定溫度時(shí)間的小時(shí)位，設(shè)定溫度時(shí)間的分鐘位， S2 鍵為加 1鍵， S3 為減 1鍵， S4 位確定鍵，實(shí)現(xiàn)各功能后的確定。 圖 35鍵盤電路 顯示接口電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī) 8051， 2片 74HC164， 8個(gè) LED 數(shù)碼管， 8個(gè) 200 歐姆左右的限流電阻。74HC164 是 8 位串入并出移位寄存器。它的每一個(gè)輸 出管腳都具有驅(qū)動(dòng)能力。顯示時(shí)、分、秒和溫度的顯示。 利用兩片 74HC164 其中一片作為段碼驅(qū)動(dòng) U6，另一片作為位碼驅(qū)動(dòng) U5， 2 片 74HC164 采用級(jí)聯(lián)方式連接，只占用單片機(jī) 8051 的 2 個(gè) I/O端口硬件電路圖如 36 所示。位碼驅(qū)動(dòng) U5 的數(shù)據(jù)輸入端口、時(shí)鐘輸入端口分別連接 8051的 RXD 和 TXD 端口，段碼驅(qū)動(dòng) U6的數(shù)據(jù)輸入端口、時(shí)鐘輸入端口分別連接位碼驅(qū)動(dòng) B 的 Q7 和 8051 的 TXD 端口，選擇 8051 的串行口方式為 0 方式，即移位寄存器方式。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 26 圖 36顯示接口電路 溫度檢測(cè)電路 溫度檢 測(cè)電路圖如圖所示 , 溫度檢測(cè)電路采用 DS18B20 芯片使其換成脈沖信號(hào)，送到 8051 的 I/O 口 (編程為計(jì)數(shù)器工作模式 )，通過(guò)測(cè)量輸出脈沖頻率的大小來(lái)?yè)Q算成水溫高低信號(hào)。 圖 37溫度測(cè)量電路 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 27 光電隔離與輔助加熱電路設(shè)計(jì) 當(dāng)室外光強(qiáng)不足（陰天和下雨）時(shí)，對(duì)水箱的水提前加熱是很必要的，這一電路恰好能完成這一功能。工作原理：當(dāng)單片機(jī) 8051 口輸出低電平時(shí)，三極管T1導(dǎo)通，光電耦合器導(dǎo)通，繼電器閉合，電阻絲 L1 發(fā)熱，這樣就完成了加熱任務(wù)，此電路雖然簡(jiǎn)單，但在太陽(yáng)能熱水器中是必 不可少的。同理當(dāng) 口輸出低電平時(shí)電阻絲 L2發(fā)熱，也可完成加熱任務(wù)。 該系統(tǒng)利用繼電器的常開(kāi)觸點(diǎn)來(lái)作為接通輔助加熱器的開(kāi)關(guān)。此處采用了光電耦合器 4N25 作為對(duì)繼電器線圈的控制端。當(dāng) 4N25 中的發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，繼電器線圈中將有電流流過(guò)，使常開(kāi)觸點(diǎn)動(dòng)作，接通輔助加熱器開(kāi)始加熱。二極管 D1 的作用是為繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)電壓有一個(gè)放電的通路。對(duì)繼電器動(dòng)作與否的總控信號(hào)是單片機(jī)的 口線。當(dāng) CPU 向 發(fā)清零信號(hào)時(shí)， 經(jīng)反相器后變?yōu)楦唠娖?，進(jìn)人與門，此時(shí)若與門另一輸人腳為高，則與門輸 出高電平，同時(shí)發(fā)光二極管的 D1 點(diǎn)亮，指示工作狀態(tài)為正在輔助加熱。同時(shí)使光藕合器發(fā)光管發(fā)光，繼電器動(dòng)作，開(kāi)始輔助加熱。與門的另一輸人腳接的是水位檢測(cè)最低位和次低位非門的輸出端。之所以要把水位檢測(cè)信號(hào)引到這里，是利用硬件實(shí)現(xiàn)輔助加熱防干燒的功能。當(dāng)水位低到無(wú)法檢測(cè)到時(shí)，與門輸出端將被鎖死為低電平，繼電器將不會(huì)有機(jī)會(huì)動(dòng)作，防止了干燒。這里使用兩根水位檢測(cè)線是為了防止有一根水位線斷線系統(tǒng)拒絕輔助加熱的情況，增強(qiáng)了系統(tǒng)容錯(cuò)性。 圖 38光電隔離與輔助加熱電路 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 28 電源電路的設(shè)計(jì) 如 下 圖所示電路為輸出 電壓 +5V、輸出電流 的穩(wěn)壓電源。它由電源變壓器 T，橋式整流電路 D1～ D4，濾波電容 C C8，防止自激電容 C C9 和一只固定式三端穩(wěn)壓器 (7805)極為簡(jiǎn)捷方便地搭成的。 220V 交流市電通過(guò)電源變壓器變換成交流低壓，再經(jīng)過(guò)橋式整流電路 D1～ D4和濾波電容 C6的整流和濾波，在固定式三端穩(wěn)壓器 LM7805的 Vin和 GND兩端形成一個(gè)并不十分穩(wěn)定的直流電壓 (該電壓常常會(huì)因?yàn)槭须婋妷旱牟▌?dòng)或負(fù)載的變化等原因而發(fā)生變化 )。此直流電壓經(jīng)過(guò) LM7805的穩(wěn)壓和 C8 的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產(chǎn)生了精度高、穩(wěn)定度 好的直流輸出電壓。三端穩(wěn)壓器是一種標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的通用線性穩(wěn)壓電源集成電路，以其體積小、成本低、性能好、工作可靠性高 和 使用簡(jiǎn)捷方便等特點(diǎn)，成為目前穩(wěn)壓電源中應(yīng)用最為廣泛的一種單片式集成穩(wěn)壓器件 [18]。 圖 39電源電路 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 控制器的軟件設(shè) 計(jì) 29 4 控制器的軟件設(shè)計(jì) 主程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，必須明確熱水器對(duì)控制器所提出的控制要求。當(dāng)陽(yáng)光充足時(shí)，熱水器會(huì)利用太陽(yáng)能將蓄水箱內(nèi)的水加熱到一定的溫度 (可能會(huì)高于設(shè)定溫度 )，控制器將不啟動(dòng)輔助加熱裝置；當(dāng)陽(yáng)光不足 (陰雨天 )時(shí)，為了使用戶同樣能夠使用到熱水，控制器能夠自 動(dòng)啟動(dòng)輔助加熱器，借助電能將水箱內(nèi)的水加熱到設(shè)定溫度。這樣，熱水器不論在什么樣的天氣里，都能夠向用戶提供設(shè)定溫度的熱水，從而給用戶帶來(lái)便利。 根據(jù)上面的要求，控制器軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括主程序、鍵盤中斷子程序、顯示子程序等。系統(tǒng)主程序主要完成溫度、水位檢測(cè)及進(jìn)行當(dāng)前溫度值與設(shè)定溫度值的比較和一些初始化功能。 對(duì)于溫度和時(shí)間設(shè)定，每次設(shè)定結(jié)束后，就將設(shè)定值存人 DS12C887 的非易失性 RAM 中，下次開(kāi)機(jī)時(shí)進(jìn)行讀取。這樣做至少有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn) :一是系統(tǒng)在不進(jìn)行設(shè)定時(shí)，就認(rèn)定該設(shè)定值和先前一次一樣，解決了每次開(kāi)機(jī) 總要從頭設(shè)定的問(wèn)題；另一個(gè)是若系統(tǒng)在運(yùn)行中間停電而再次來(lái)電時(shí)，可以不用重新設(shè)定，就能按原先設(shè)定值對(duì)溫度進(jìn)行控制，增強(qiáng)了控制器適應(yīng)外界變化的能力。系統(tǒng)主程序流程圖如圖 41所示。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 控制器的軟件設(shè) 計(jì) 30 顯示子程序 顯示子程序的流程圖如圖 42 所示。該模塊完成以下功能 :①用六只八段的共陰極數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)顯示功能，其中前四位顯示時(shí)間的小時(shí)和分，后兩位顯示溫度。②時(shí)間的小時(shí)和分位之間用兩只發(fā)光二極管以 1 Hz 的頻率閃爍實(shí)現(xiàn)類似電子表式的閃爍顯示 [19]。 開(kāi)始 初始化模塊 溫度和水位測(cè)定模塊 鍵盤和