【導讀】器智能控制器的硬件設計和軟件設計方案。采用DSl2887芯片實現(xiàn)時間設定、溫度。套全自動太陽能熱水器控制器具有使用方便、穩(wěn)定性高、實用性高和節(jié)能等特點，為用戶使用熱水提供了極大的方便。

　　

【正文】 太陽能熱水器系統(tǒng)硬件設計 21 3 太陽能熱水器系統(tǒng)硬件設計 太陽能控制器系統(tǒng)硬件結 構 根據控制要求，采用 8051 單片機的智能控制器結構框圖如圖所示。由于本系統(tǒng)運算量不大， 沒有太多的中間數(shù)據需要處理、保存，因此不再外擴數(shù)據存儲器。僅使用 8051 內部 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、自動加水控制電路、設定鍵和串行顯示接口電路、復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束后發(fā)生中斷申請 ， 提醒 CPU 將有 998ms 左右的時間去獲取有效的數(shù)據 ， 在中斷之后的 998ms 時間內 ， 程序可先將時 標數(shù)據讀到芯片內部的不掉電靜態(tài) RAM 中。因為芯片內部的靜態(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 244μ s 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 244μ s 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 ， 等到 UIP 變成低電平后再去讀數(shù)據 [14]。 DS12887 時鐘 8051 單片機系統(tǒng) 水位和溫度顯示 鍵盤輸入 溫度檢測 復位電路 輔助加熱 水位檢測和加水系統(tǒng) 圖 31太陽能控制器硬件結構圖 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 太陽能熱水器系統(tǒng)硬件設計 22 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 DALLAS 半導體公司最新推出的時鐘芯片DS12887，該芯片采用 CMOS 技術，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內部，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 8051 單片機的接口電路見下圖。模式選擇腳 MOT 接地， 選擇 IN TEL 時序。 DS12887 的高位地址用 8051 的 選擇，則時鐘芯片的高 8位地址為 EFH，而其低 8 位地址則由芯片內部各單元的地址來決定 (00H～ 80H)， DS12887 的中斷輸出端 IRQ 接上拉電阻，同 8051 中斷線 INTO 相連，為單片機提供中斷信號 [15]。 圖 32 DS12887與單片機接口電路 水位檢測和自動加水電路 原太陽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，沒有自動上水和停水、手動調溫的功能，屬于一種開環(huán)控制。 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 太陽能熱水器系統(tǒng)硬件設計 23 水位檢測原理如下：當水箱 中無水時。 8個非門均由 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。當水位高于非門 W18的輸入探針時，由于水的導電作用，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 100k 左右，所以上拉電阻選擇太小的話，將在水位升高時，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 左右能很好地滿足電路的工作要求。為了使 8051 隨時能夠讀出當前的 水位情況，這里選用 74LS244 作為狀態(tài)輸入緩沖器 [16]。 自動加水原理如下：當 A點水位 (即高水位燈閃光時 )信號低于 0． 5V時， 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，二位二通閥關斷，停止上水。當水位到下限水位 B 點時 (即低水位燈閃光時 )， B 點上水信號為 ， RS觸發(fā)器置“ 1”，發(fā)光二極管 D11發(fā)光，三極管導通，二位二通閥打開，自動上水。另外也可以根據水溫人工加以控制，水溫過高可以按手動進水按扭 K6，降低水溫。當水溫適合可按手動停水按扭 K5，這兩個按扭可隨意控 制 [17]。 圖 33水位監(jiān)測及顯示接口電路 看門狗和復位接口電路的設計 在單片機控制系統(tǒng)中，單片機由于受到各種干擾而不能可靠上電復位，甚至在東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 太陽能熱水器系統(tǒng)硬件設計 24 程序運行過程中出現(xiàn)死機是普遍存在的問題。利用 X25045 芯片組成的看門狗復位電既能保證單片機系統(tǒng)在上電時產生可靠的復位脈沖，又能在單片機死機時對其進行自動復位。 X25045 芯片內包含有一個看門狗定時器，可通過軟件預置系統(tǒng)的監(jiān)控時間。在看門狗定時器預置的時間內若沒有總線活動，則 X25045 將從 RESET 輸出一個高電平信號，經過微分電路 C R3 輸出一個正脈沖，使 CPU 復位。電路中，CPU的復位信號共有 2個：人工復位 (K R R3)和 Watchdog 復位 (C R1)，通過與 門綜合后加到 RESET 端。 C R3 的時間常數(shù)不必太大，有數(shù)百微秒即可，因為這時 CPU 的振蕩器已經在工作。 X25045 硬件連接圖如圖所示 【 13】 。 圖 34 看門狗和復位接口電路 鍵盤和顯示接口電路的設計 鍵盤電路 鍵盤在單片機應用系統(tǒng)中能實現(xiàn)向單片機輸人數(shù)據、傳送命令等功能，是人工干預單片機的主要手段。鍵盤實質上是一組按鍵開關集合， 通常選用機械彈性開關，它們利用了機械觸點的合、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，通過對電平高低狀態(tài)的檢測，便可確認是否有按鍵按下。為了確保 CPU 對一次按鍵動作只確認一次，那就必須消除抖動的影響，這樣才能使鍵盤在單片機系統(tǒng)中使用得更加穩(wěn)定。 常用的鍵盤接口分為獨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長江學院畢業(yè)設計（論文） 太陽能熱水器系統(tǒng)硬件設計 25 人部分主要用于顯示設定溫度、時間；重設溫度、時間及時間的調整。采用四鍵中斷方式，當四鍵中有任意一鍵按下時， 4輸入與門就會產因此采用獨立式鍵盤來完成這一功能，產生一次 從高到低的電平跳變，產生中斷信號， CPU 的外部中斷 1 相應的設定為下降沿中斷的觸發(fā)方式。響應中斷后執(zhí)行相應的按鍵功能。 S1 鍵功能鍵，只有此鍵按下其它三個鍵才有效，此鍵可以實現(xiàn)進入時間、溫度的調整狀態(tài)，設定溫度時間的小時位，設定溫度時間的分鐘位， S2 鍵為加 1鍵， S3 為減 1鍵， S4 位確定鍵，實現(xiàn)各功能后的確定。 圖 35鍵盤電路 顯示接口電路的設計 單片機 8051， 2片 74HC164， 8個 LED 數(shù)碼管， 8個 200 歐姆左右的限流電阻。74HC164 是 8 位串入并出移位寄存器。它的每一個輸 出管腳都具有驅動能力。顯示時、分、秒和溫度的顯示。 利用兩片 74HC164 其中一片作為段碼驅動 U6，另一片作為位碼驅動 U5， 2 片 74HC164 采用級聯(lián)方式連接，只占用單片機 8051 的 2 個 I/O端口硬件電路圖如 36 所示。位碼驅動 U5 的數(shù)據輸入端口、時鐘輸入端口分別連接 8051的 RXD 和 TXD 端口，段碼驅動 U6的數(shù)據輸入端口、時鐘輸入端口分別連接位碼驅動 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。 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 太陽能熱水器系統(tǒng)硬件設計 26 圖 36顯示接口電路 溫度檢測電路 溫度檢 測電路圖如圖所示 , 溫度檢測電路采用 DS18B20 芯片使其換成脈沖信號，送到 8051 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。 圖 37溫度測量電路 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 太陽能熱水器系統(tǒng)硬件設計 27 光電隔離與輔助加熱電路設計 當室外光強不足（陰天和下雨）時，對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：當單片機 8051 口輸出低電平時，三極管T1導通，光電耦合器導通，繼電器閉合，電阻絲 L1 發(fā)熱，這樣就完成了加熱任務，此電路雖然簡單，但在太陽能熱水器中是必 不可少的。同理當 口輸出低電平時電阻絲 L2發(fā)熱，也可完成加熱任務。 該系統(tǒng)利用繼電器的常開觸點來作為接通輔助加熱器的開關。此處采用了光電耦合器 4N25 作為對繼電器線圈的控制端。當 4N25 中的發(fā)光二極管導通時，繼電器線圈中將有電流流過，使常開觸點動作，接通輔助加熱器開始加熱。二極管 D1 的作用是為繼電器觸點動作時產生的動態(tài)電壓有一個放電的通路。對繼電器動作與否的總控信號是單片機的 口線。當 CPU 向 發(fā)清零信號時， 經反相器后變?yōu)楦唠娖?，進人與門，此時若與門另一輸人腳為高，則與門輸 出高電平，同時發(fā)光二極管的 D1 點亮，指示工作狀態(tài)為正在輔助加熱。同時使光藕合器發(fā)光管發(fā)光，繼電器動作，開始輔助加熱。與門的另一輸人腳接的是水位檢測最低位和次低位非門的輸出端。之所以要把水位檢測信號引到這里，是利用硬件實現(xiàn)輔助加熱防干燒的功能。當水位低到無法檢測到時，與門輸出端將被鎖死為低電平，繼電器將不會有機會動作，防止了干燒。這里使用兩根水位檢測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，增強了系統(tǒng)容錯性。 圖 38光電隔離與輔助加熱電路 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 太陽能熱水器系統(tǒng)硬件設計 28 電源電路的設計 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)極為簡捷方便地搭成的。 220V 交流市電通過電源變壓器變換成交流低壓，再經過橋式整流電路 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兩端形成一個并不十分穩(wěn)定的直流電壓 (該電壓常常會因為市電電壓的波動或負載的變化等原因而發(fā)生變化 )。此直流電壓經過 LM7805的穩(wěn)壓和 C8 的濾波便在穩(wěn)壓電源的輸出端產生了精度高、穩(wěn)定度 好的直流輸出電壓。三端穩(wěn)壓器是一種標準化、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 使用簡捷方便等特點，成為目前穩(wěn)壓電源中應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 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 控制器的軟件設 計 29 4 控制器的軟件設計 主程序設計 系統(tǒng)軟件設計時，必須明確熱水器對控制器所提出的控制要求。當陽光充足時，熱水器會利用太陽能將蓄水箱內的水加熱到一定的溫度 (可能會高于設定溫度 )，控制器將不啟動輔助加熱裝置；當陽光不足 (陰雨天 )時，為了使用戶同樣能夠使用到熱水，控制器能夠自 動啟動輔助加熱器，借助電能將水箱內的水加熱到設定溫度。這樣，熱水器不論在什么樣的天氣里，都能夠向用戶提供設定溫度的熱水，從而給用戶帶來便利。 根據上面的要求，控制器軟件設計采用模塊化結構，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、水位檢測及進行當前溫度值與設定溫度值的比較和一些初始化功能。 對于溫度和時間設定，每次設定結束后，就將設定值存人 DS12C887 的非易失性 RAM 中，下次開機時進行讀取。這樣做至少有兩個優(yōu)點 :一是系統(tǒng)在不進行設定時，就認定該設定值和先前一次一樣，解決了每次開機 總要從頭設定的問題；另一個是若系統(tǒng)在運行中間停電而再次來電時，可以不用重新設定，就能按原先設定值對溫度進行控制，增強了控制器適應外界變化的能力。系統(tǒng)主程序流程圖如圖 41所示。 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 控制器的軟件設 計 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)碼管實現(xiàn)顯示功能，其中前四位顯示時間的小時和分，后兩位顯示溫度。②時間的小時和分位之間用兩只發(fā)光二極管以 1 Hz 的頻率閃爍實現(xiàn)類似電子表式的閃爍顯示 [19]。 開始 初始化模塊 溫度和水位測定模塊 鍵盤和