【正文】 控制上水閥進(jìn)行工作，但由于控制信號(hào)太小，需要接驅(qū)動(dòng)電路將信號(hào)適當(dāng)放大，在這里，我采用的是達(dá)林頓管。把 T0和 T1產(chǎn)生的中斷綜合處理，即可得到電源電壓過(guò)零的時(shí)刻。 L3產(chǎn)生 的交流電壓，通過(guò) C2 交連到 T0 和 T1 端。當(dāng) 輸出低電平時(shí)， 7404 輸出低電平， 4N25 輸出的電流經(jīng)晶體管 9013 放大后流向雙向可控硅門極，雙向可控硅導(dǎo)通，電熱器加熱。 單片機(jī) 8051 的 端輸出的觸發(fā)信號(hào)，經(jīng) 7407 后，送到光電耦合器 4N25。電路圖見(jiàn)圖 29。按 1 號(hào)鍵對(duì)水位進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置結(jié)束后按 2 號(hào)鍵即啟動(dòng)進(jìn)水裝置；按 3 號(hào)鍵可對(duì)水溫進(jìn)行設(shè)置，設(shè)定結(jié)束后按 4 號(hào)鍵即啟動(dòng)加熱裝置。當(dāng)使用者有按鍵要求時(shí)， 6 位數(shù)碼管顯示使用者設(shè)定的溫度和水位，設(shè)定結(jié)束后及其它工作時(shí)間， 6 位 LED 顯示熱水器當(dāng)前的實(shí)際溫度和水位值。 6 位 LED 數(shù)碼顯示和鍵盤 本設(shè)計(jì)根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，用了 6 位 LED 數(shù)碼管，其中， 3 位顯示溫度，其它三位顯示水位，顯示值精確到個(gè)位。 8255 的端口 A 和端口 B 均作為輸出口，控制字 PA 位和PB 位均為 1，端口 C 作輸入口，控制字 PC2， PC1為 0，其他位不用為 0，控制字為 3H。數(shù)位的掃描信號(hào)也由8255 的 A 端口 PA 0~PA5提供， 字段信號(hào)由 8255 的 B 端口 PB0~PB7輸出。 在本設(shè)計(jì)中，鍵盤由 8255 的 A 端口 PA 0和 PA1作列掃描，由 C 端口的 PC0和 PC1作行輸入口。因此在使用 8255 之前必須要先對(duì)其初始化編程。它通常與地址總線的最低位 A1A2相連； RESET：復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效，復(fù)位后全部?jī)?nèi)部寄存器，包括控制字寄存器均清“ 0”，所有通道均置為輸入方式， 24 條 I/O 引腳均呈高阻狀態(tài)； PA 口（ PA0~7）：一個(gè) 8 位數(shù)據(jù)輸出鎖存 /緩沖而輸入鎖存功能的輸入 /輸出通道口； PB 口（ PB0~7）：一個(gè) 8 位數(shù)據(jù)輸出鎖存 /緩沖而輸入緩沖功能的輸入 /輸出通道口； PC 口（ PC0~7）：一個(gè) 8 位數(shù)據(jù)輸出鎖存 /緩沖而輸入緩沖功能的輸入 /輸出通道口； Vcc： +5V 電源； GND：接地端。如果全用單片機(jī)本身的并行口作鍵盤和顯示器接口，會(huì)占用過(guò)多的端口而影響其他控制任務(wù)的實(shí)現(xiàn)，因此本系統(tǒng)采用 8255 作為 LED 數(shù)碼顯示和鍵盤的并行接口。它們都可通過(guò)軟件編程來(lái)設(shè)置各 I/O 口的工作方式。Intel 配套外圍接口器件的種類齊全，并與 MCS51 單片微機(jī)外部接口配置邏輯電路極為簡(jiǎn)單、方便，這也是 MCS51 單片微機(jī)應(yīng)用廣泛的原因之一。當(dāng) 8051 掃描到有按鍵按下時(shí)，便轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)，即調(diào)節(jié)水溫或者水位，在調(diào)整 LED 數(shù)碼顯示的同時(shí)去驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)來(lái)加 熱或者上水來(lái)實(shí)現(xiàn)使用者的設(shè)置。在運(yùn)行過(guò)程中， 8051 不斷輸出信號(hào)控制溫度傳感器 AD590 和水位傳感器 CB900，使它們自動(dòng)檢 測(cè)水溫、水位，采集信號(hào)，當(dāng) 8051 啟動(dòng) ADC0809 實(shí)行轉(zhuǎn)換時(shí)，傳感器的信號(hào)經(jīng)處理后送入 ADC0809，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng) 8051 讀入處理后送 LED 顯示。 關(guān)于 8051 與 ADC0809 的硬件接口設(shè)計(jì)思路已經(jīng)在上一節(jié)介紹過(guò)了，在這里就不再重復(fù)。高電平為訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，低電平只訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器； P0 口： 8 位漏極開(kāi)路雙向并行 I/O 端口，當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，它是地址總線（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，外部不擴(kuò)展而單片應(yīng)用時(shí)，則作雙向 I/O 口用 ； P1 口： 8 位準(zhǔn)雙向并行 I/O 端口； P2 口： 8 位準(zhǔn)雙向并行 I/O 端口，當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)作高 8 位地址用，不 做外部功能擴(kuò)展 （單片應(yīng)用）時(shí)，則作準(zhǔn)雙向 I/O 口用； P3 口：具有內(nèi)部上拉電路的 8 位準(zhǔn)雙向并行 I/O 端口，它還提供特殊的第二功能，它的每一位均可獨(dú)立定義為第一功能的 I/O 口和第二特殊功能，其具體含義為如下 —— RXD，串行數(shù)據(jù)接收端 —— TXD，串行數(shù)據(jù)發(fā)送端 —— INT0，外部中斷 0 請(qǐng)求端，低電平有效 —— INT1，外部中斷 1 請(qǐng)求端，低電平有效 —— T0，定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0 外部事件計(jì)數(shù)輸入端 —— T1，定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1 外部事件計(jì)數(shù)輸入端 —— WR，外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通， 低電平有效 —— RD，外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通，低電平有效 3． 8051 的具體應(yīng)用 8051 作為系統(tǒng)的主要控制芯片起著指揮中心的作用，是系統(tǒng)輸入部分和輸出部分建立聯(lián)系的橋梁。當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將以 1/12 振蕩頻率輸出。當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)， ALE 信號(hào)的負(fù)跳變將 P0 口上的低 8 位地址送入鎖存器。 [3] MCS51 系列單片機(jī) 8051 1． 8051 內(nèi)部的功能部件 8 位 CPU； 振蕩器和時(shí)鐘電路； 4K 字節(jié)的程序存儲(chǔ)器 ROM； 128 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM； 可 尋址外部程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器各 64K 字節(jié)； 20 多個(gè)特殊功能寄存器； 32 線并行 I/O 口； 1 個(gè)全雙工串行 I/O 口； 2 個(gè) 16 位定時(shí) /計(jì)數(shù)器； 5 個(gè)中斷源，有 2 個(gè)優(yōu)先級(jí)，同級(jí)中斷則按優(yōu)先順序查詢； 具有較強(qiáng)功能的位處理（布爾）能力。MCS51 單片微機(jī)正是以其外部功能擴(kuò)展簡(jiǎn)單、靈活、方便的特點(diǎn)，滿足了廣泛的各種不同應(yīng)用系統(tǒng)的要求，成為應(yīng)用最廣的單片機(jī)系列，既可構(gòu)成最簡(jiǎn)單系統(tǒng)，也可設(shè)計(jì)成相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)。單片微機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)是“面向測(cè)控”。 AD 轉(zhuǎn)換硬件原理圖如下： MCS51 系列單片機(jī) 8051 單片機(jī)概述 隨著大規(guī)模集成技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，為滿足實(shí)時(shí)應(yīng)用領(lǐng)域的急切需要，要求進(jìn)一步縮小體積和降低成本，實(shí)現(xiàn)了把組成計(jì)算機(jī)的五大部分集成在一塊芯片上，既在一 塊芯片上集成了： CPU、振蕩器電路、 ROM 和 RAM 存儲(chǔ)器、定時(shí) /計(jì)數(shù)器和并行 /串行接口等，一塊芯片就構(gòu)成一臺(tái)具有一定功能的計(jì)算機(jī)，稱為單片微型計(jì)算機(jī)。即 低電平有效。利用 8051 的低三位地址線 A0~A2輸出路地址，分別與地址輸入端口 A~C連接。在本設(shè)計(jì)中，借用主機(jī) 8051 的 ALE 作為 ADC0809 的 CLK。 ADC0809 需要外接變換時(shí)鐘和參考電壓，在實(shí)際應(yīng)用中變換時(shí)鐘常將MCS51 單片機(jī)的時(shí)鐘經(jīng)分頻得到。 A、 B、 C 三位地址的輸入與8 路通道的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下： 4． ADC0809 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案中的應(yīng)用 AD 轉(zhuǎn)換硬件原理圖如下： 根據(jù)對(duì) ADC0809 的轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào) EOC 的不同處理方法， 8051（將在下一節(jié)介紹）配置 ADC0809 可分為：查詢方式和中斷方式。 A、 B、 C：地址輸入端口。 OE：完成轉(zhuǎn)換后數(shù)字量輸出允許控制信號(hào)輸入端口，高電平有效，用以打開(kāi)三態(tài)數(shù)據(jù)鎖存器的輸出。 ALE：地址鎖存允許信號(hào)輸入端口， ALE 的下降沿將地址輸入鎖存器。 VREF（ +） 、 VREF（ ） ：參考電壓（ +）、（ ）連接端。 Vcc： +5V 工作電源。了解芯片的外特性是設(shè)計(jì)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，ADC0809 各引腳的功能含義如下： D0~D7： 8 位二進(jìn)制數(shù)字量輸出端口。此時(shí)，只要在 OE 端加一高電平，即可打開(kāi)數(shù)據(jù)線的三態(tài)緩沖器從 D0~D7數(shù)據(jù)線讀得一次變換后的數(shù)據(jù)。此時(shí)變換工作開(kāi)始進(jìn)行，標(biāo)志 ADC0809 正在工作的狀態(tài)信號(hào)是 EOC 由高電平（閑狀態(tài)）變成為低電平（工作狀態(tài)）。這樣，對(duì)應(yīng)路的模擬電壓就和內(nèi)部變換電路接通。在進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)，路地址先送到 A~C 地址輸入端。 ADC0809由單一 +5V 電源供電，片內(nèi)帶有鎖存功能的 8 路模擬電子開(kāi)關(guān)，可對(duì) 0~5V8 路的輸入模擬電壓信號(hào)分時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，完 成一次轉(zhuǎn)換約需 100μs，輸出具有 TTL 三態(tài)鎖存緩沖器，可直接與 MCS51 數(shù)據(jù)總線相接，通過(guò)適當(dāng)?shù)耐饨与娐?，還可對(duì)0~5V 的雙極性模擬信號(hào)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換。 ADC0809 1． ADC0809 的主要特性 分辨率為 8 位； 轉(zhuǎn)換時(shí)間為 100μs； 無(wú)零度和滿刻度調(diào)整； 單一 +5V 供電，模擬輸入電壓為 0~5V，正負(fù) 5V，正負(fù) 10V； 8 路通道轉(zhuǎn)換，帶鎖存控制邏輯； 具有鎖存的三態(tài)輸出，輸出與 TTL 兼容； 功耗為 15mW。其中， ADC0808/0809 增加了 8 路模擬開(kāi)關(guān)，可對(duì) 8路模擬信號(hào)進(jìn)行分時(shí)采樣。逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)是，速度高，其轉(zhuǎn)換時(shí)間在幾微秒到幾百微秒之間。目前最常用的是雙積分式和逐次逼近式。本系統(tǒng)僅用 A/D 轉(zhuǎn)換器。反之，由計(jì)算機(jī)數(shù)值處理的數(shù)字量也必須經(jīng)轉(zhuǎn)換成模擬量，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)變化的模擬量控制。 取樣保持器工作狀態(tài)由外部控制信號(hào)控制， 由于開(kāi)關(guān)狀態(tài)的切換需要一定的時(shí)間，因此實(shí)際保持的信號(hào)電壓會(huì)存在一定的誤差，這個(gè)誤差必須遠(yuǎn)小于 A/D 的轉(zhuǎn)換時(shí)間，同時(shí)也必須遠(yuǎn)小于信號(hào)的變化時(shí)間。主要由保持電容 C，輸入、輸出緩沖放大器以及控制開(kāi)關(guān) S 組成。在 A/D 轉(zhuǎn)換過(guò)程中，取樣保持對(duì)保證 A/D 轉(zhuǎn)換的精確度具有重要作用。能 完成上述功能的器件稱為取樣保持器。當(dāng)輸入信號(hào)頻率較高時(shí)，由于孔徑時(shí)間的存在，會(huì)造成較大的孔徑誤差。具體工作原理見(jiàn)上一節(jié)，這里不再累述。其工作電壓為 12V。 2．液位變送器 CB900 本系統(tǒng)采用液位變送器 CB900 作為采樣水位信號(hào)的傳感器，現(xiàn)簡(jiǎn)單介紹一 下 CB900。用電路將這種變化進(jìn)行轉(zhuǎn)換及放大，便可獲得與壓力差成比例的直流電壓輸出。壓差傳感器實(shí)際上是一個(gè)差動(dòng)電容式壓力傳感器，它由動(dòng)電極感壓膜片、固定電極隔液膜片等組成。 圖 24 是壓差式液位傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。 當(dāng)儲(chǔ)液罐為密封型時(shí)（見(jiàn)圖 23） 壓差、液位高度及零點(diǎn)的移動(dòng)關(guān)系如下： 高壓側(cè)的壓力 1p 為 ? ?2101 hhpp ???? ? （ 24） 低壓側(cè)的壓力 2p 為 ? ?32021 hhpp ???? ? （ 25） 壓力差 p? 為 21 ppp ??? （ 26） 式 24 至 26 中， ? 為液體的密度； 1h 為所控最高液面與最低液面之間的高度；2h 為最小控制液面距測(cè)量基準(zhǔn)面的高度； 0? 為填充液體密度； 0p 為罐內(nèi)壓力； 3h為填充液面距最小液位的高度。 如圖 22 所示，其基準(zhǔn)面上的壓力由下式確定，即 ? ?21 hhhp ????? ?? （ 23） 式 23 中， p 為測(cè)量基準(zhǔn)面的壓力； ? 為液體的密度； h 為液面距測(cè)量基準(zhǔn)面的高度； 1h 為所控最高液面與最小液面之間的高度； 2h 為最小液面距測(cè)量基準(zhǔn)面的高度。 水位傳感器 1．壓差式液位傳感器的工作原理 壓差式液位傳感器是根據(jù)液面的高度與液壓成比例的原理制成的。硅二極管 VD（ 1N4001）可防止 LM324 進(jìn)入飽和狀態(tài)。 1μA，使 LM324 的輸出電壓 UO（ V）為 tRAtRIRU ???????? ? 262120 101 ? （ 22） 由于 0U 與被測(cè)溫度 t 成正比，從而實(shí)現(xiàn)了 t/U 轉(zhuǎn)換，這就是利用 AD590 測(cè)量攝氏溫度的原理。只要在 0℃ 以下調(diào)整 R1，使 I0等于 AD590 在該溫度下的工作電流值（此時(shí)I1=0， IO=I0）， I0即為恒定值，在測(cè)溫過(guò)程中 I1僅隨 IO變化。 AD590 的負(fù)極接 5V電源。例如，當(dāng)電源電壓從 5V 變化到 10V 時(shí)，所引起的電流最大變化量?jī)H為 1μA，等價(jià)于 1 攝氏度的測(cè)溫誤差。這表明，其輸出電流 I（ μA）與熱力學(xué)溫度 T（ K） 嚴(yán)格成正比。其工作電壓為 +4~+30V，測(cè)溫范圍是 55~150 攝氏度，對(duì)應(yīng)于熱力學(xué)溫度 T 每變化 1K，輸出電流就變化 1μA。系統(tǒng)相應(yīng)的功能由編程來(lái)具體實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)任務(wù)，輸入通道部分需由傳感器采樣溫度和水位信號(hào)，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，將模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)后送入 8051，再由 8051 外接的 8255 送 LED 數(shù)碼管顯示。在軟件部分中，則具體分析系統(tǒng)的工作流程，編出部分子程序和中斷服務(wù)程序。 在此，我將系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為兩大部分，即硬件設(shè)計(jì)部分和軟件設(shè)計(jì)部分?，F(xiàn)在一般的太陽(yáng)能熱水器雖然有著不少 優(yōu)點(diǎn)，如節(jié)能、無(wú)污染、安全方便等，但在實(shí)際應(yīng)用中也存在著一些缺點(diǎn)，如陰雨天無(wú)法使用、無(wú)自動(dòng)上水功能、不顯示水溫水位等等。 本系統(tǒng)充分利用了 8051 單片機(jī)的各種資源，使系統(tǒng)使用方便，安全可靠，克服了太陽(yáng)能熱水器的一些缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了其運(yùn)行的自動(dòng)化。另外，由于本設(shè)計(jì)要用到 6 位 LED 顯示器及四個(gè)功能按鍵，故采用一片可編程輸入輸出接口芯片 8255 來(lái)實(shí)現(xiàn)這部分的設(shè)計(jì)。在《電子與自動(dòng) 化》雜志 1998 年第 5 期的內(nèi)容中提到了關(guān)于太陽(yáng)能熱水器單片機(jī)的控制設(shè)計(jì)，其采用的是美國(guó) Microchip公司的高性能單片機(jī) PIC16C73，是一種以