毕业设计---基于单片机的太阳能热水器控制系统的设计.doc

内蒙古科技大学设计说明书（毕业论文） 内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文） 题 目：基于单片机的太阳能热水器测控系统的设计学生姓名：田文帅学 号：0605106428专 业：自动化班 级：自2006-4班指导教师：贾玉瑛 高级工程师55基于单片机的太阳能热水器测控系统的设计摘 要众所周知，世界上的能源危机越来越严重，迫切需要找到新的能源来代替传统能源。而太阳能以其能源干净，安全可靠，源源不断的来源备受人们青睐，在对太阳能的利用当中，太阳能热水器无疑是技术最成熟的。本文结合实际太阳能热水器的具体应用，设计了以AT89S51单片机为核心，AD590温度传感器，OP07高精度运放大器，ADC0832芯片等元器件为基础的太阳能热水器的智能控制器，详细描述了它的工作原理和设计方案。根据太阳能热水器对控制器的要求，给出了系统硬件设计及软件的实现方法，从而实现了自动与手动上水，自动与手动加热，温度水位显示等实用功能。全文分为3大部分，第一部分是绪论部分结介绍本设计的目的要求以及市场前景分析 和设计的思路方法。第二部分是硬件电路的设计部分，详细介绍了硬件的电路图和硬件的控制原理以及控制方法。第三部分为设计的软件设计部分，描述了设计的软件程序。关键词：单片机、太阳能热水器、温控系统 AbstractThe solar energy water heater with the advantages of clean energy by the welcome of people. Based on the practical application of solar water heater, design with AT89S51 as the core, the temperature sensor AD590 to OP07,High precision operation amplifier, ADC0832 chips on the basis of components of the solar energy water heater only controller, a detailed description of its working principle and design scheme. According to the requirement of solar water heater of controller, system hardware design and software realization method, so as to realize the automatic and manual, automatic and manual heating water, water temperature display and practical function.The letter divides into three parts, the first part is introduced and the introduction section design requirement and market analysis and design method of thinking. The second part is part of the hardware circuit design, detailed introduces the hardware circuit and control principle of hardware and the control method. The third part is the design of the software design, describes the design of the software program.In winter, the demand for water heater is very big, the solar energy water heater is the main source of water, and so can namely is an energy and renewable energy, which is rich in resources, can use free, and no transport. No pollution to environment and solar water heater detection controller is muti _ function development orientation.Keywords: SCM, solar water heater, the temperature control system 目录摘 要IAbstractII目录III第1章 绪论11.1 太阳能热水器的概况11.2太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析21.2.1太阳能热水器的节能和经济效益分析71.2.2太阳能热水器的环境效益分析7第2章 系统硬件设计102.1 控制系统组成及工作原理102.1.1 系统的组成102.1.2 控制装置的工作原理122.2 主要原器件选择及硬件电路的设计122.2.1 AT89S51高性能8位单片机122.2.2数码管显示原理152.3 AT89S51单片机的最小系统182.4 AT89S51单片机时钟电路182.5 AT89S51单片机复位电路192.6水位检测电路的硬件设计202.7水温检测电路的硬件设计202.8 键盘电路的硬件设计272.9 驱动电路的硬件设计282.10显示电路的硬件设计312.11 控制系统原理图32第3章 软件设计333.1 主程序流程图333.2水温控制上水程序343.3温度显示子程序353.4 键盘处理程序36结束语37第四章 参考文献38第五章 附录395.1 主程序流程图395.2 中断子程序405.3温控进水程序405.3.1温度检测程序405.3.2水温控制上水程序415.4 温度显示子程序425.5 键盘处理程序445.6基于单片机的太阳能热水器控制系统的设计程序45致谢56 第1章 绪论1.1 太阳能热水器的概况设计的目的及意义：本设计具有很强的实用性,用成本低廉的电阻式传感器以及电极配以单片机技术对生产实际中的太阳能热水器的水温的控制以及水位的显示。本装置电路简单、实用性强、性价比高、水温控制灵活，水位显示直观醒目。可广泛应用于家庭生活对太阳能热水器的水位显示与水温控制。具有良好的市场前景。 控制系统设计要求：1、能够根据水位和水温两个条件控制是否需要进水，每次只进整个水箱的四分之一水量，也可以在手动状态下自由进水（上满时自由停止）或停止进水。2、控制系统具有手动和自动切换功能；3、具有水温和水位显示功能；4、具有进水超水位和超水温报警指示；5、用水时若水温达不到设置值时，可手动起动加热装置，这样可在很大程度上节约电能；6、用水时可自由调节水温；7、控制系统具体管道排空功能，这样防止冬天时因水管内有积水而在夜间冻裂水管。 设计实现思路及方法：水位由潜入储水容器不同深度的水位电极和潜入容器底部的公共电极（导线）检测；并由四个绿色LED发光二极管显示：若无水则绿灯不亮；若有四分之一储水箱的水亮一盏绿灯；通过观察绿灯点亮的数量可识别水位的高低，这里取5段显示，也可根据需要进行增减。水温由四个LED数码管显示，前三个数码管显示的为温度最后一个数码管我们只用到了四段码显示为温度的符号C，水温有效值最多可显示为99.9。1.2太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析目前，中国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国，年产量约为世界各国之和，已有一百多家太阳能热水器生产厂。当今社会发展日新月异，人们衣食住行也在不断的提高。现有电热型热水器费用昂贵及燃气型的不安全性，且排放二氧化碳污染大气，北方用煤气取暖造成城市空气环境污染，这些都是太阳能热水器良好的外部生存环境。太阳能热水器 克服了上述缺点，他是绿色环保产品。它使用简单、方便。太阳能热水器顺呼时代发展的要求，满足人们对环保绿色产品的需求。在人类文明程度日益提高的今天，它是现代文明社会的最佳选择。应该注意到，集体单位对太阳能热水器的用量很大。新建商住楼安装热水器，已是房屋开发公司计划之内的事，配套热水器的商品房销势更好此款热水器包括主、从两大系统：主系统的特点是在晴好的天气利用太阳光能为热水器加热；从系统相当于电热水器，它在无光照的情况下利用电辅助加热。它充分利用太阳能的丰富的免费的资源的优势，同时考虑到在阴天及夜间无法利用太阳能的缺点，充分发挥太阳能热水器和电热水器的各自优势。2001年到2006年太阳能热利用产业快速发展。2006年销售额近300亿元，提供就业机会60多万个。中国太阳热水器2005年安装量为世界的77%。真空管型约占世界总产量的90%以上，硼硅玻璃3.3年产量约占世界70%，吸气剂约占世界95%以上，年约1.9亿支真空集热管用，年约0.9亿支显像管用。据国家经贸委资源与综合利用司提供的消息，目前，我国已成为世界上最大的太阳能热水器生产和使用国。2000年，我国太阳能热水器年销售量达600万平方米，实现产值60亿元，上缴税金2.5亿元。2000年底全国太阳能热水器拥有量达2600万平方米，年替代常规能源能力400万吨标准煤，居世界第一位。太阳能热水器已成为与燃气热水器、电热水器并列的三大热水器之一。热效率高,可以连续不断的供应热水,出水量大,使用十分方便，随着禁直推强、国家西气东输重点发展燃气的能源政策实行，为燃气热水器提供了广阔的市场空间。有关调查显示，燃气热水器在今后三五年内将保持10%以上的增长率。 太阳能热水器因其安全、节能、经济、环保等优点为消费者接受。我国太阳能热水器市场年增长率20%30%，年销售量400万平方米，整个太阳能热水器行业产值已超过35亿元，当前它在我国热水器市场份额中约占5%。综评一般太阳能热水器容积为70L260L，全年70%以上的热水由太阳辐射加热完成，在安装辅助能源装置的情况下，可以实现全天候24小时供热水。太阳能热水器可用于不同的建筑结构，如平顶房、尖顶房、高层建筑阳台。太阳能热水器由微承压向承压发展，结构设计更趋合理、美观，使用更便捷。真空管太阳能热水器全年适应性强，安装防冻等辅助装置，系统运行更趋可靠。太阳能热水器辅助能源设备是实现家庭热水中心的最佳途径。太阳能热水器无污染、节能、环保、安全、零使用费用，经济效益显著。太阳能热水器有国家政策支持，市场远未饱和，发展前景大。在全球能源形势紧张、气候变暖严重威胁经济发展和人们生活健康的今天，世界各国都在寻求新的能源替代战略，以求得可持续发展和在日后的发展中获取优势地位。太阳能以其清洁、源源不断、安全等显著优势，成为关注重点。在太阳能产业的发展中，太阳能热水器的热利用转换技术无疑是最为成熟的，其产业化进程也较光伏电池、太阳能发电等产业领先一步。但是目前市场还有待规范，消费群体还有待培育，技术还有尚须改进，因而对于企业来说还有较大的成长空间。 中国的太阳能热利用技术研究开发始于20世纪70年代末，其重点置于简单，价廉的低温热利用的适用技术，如太阳能温室，太阳灶，被动太阳房，太阳热水器，和太阳干燥器。这类技术在农村得到推广应用，为缓解农村能源短缺，改善农村生态环境和农民生活起了积极的作用，并收到了实效。20世纪80年代太阳能热水器列入国家“六五”和“七五”科技攻关项目。主要的研发项目是高效平板太阳集热器和全玻璃真空集热管。在90年代全玻璃真空集热管的科技成果通过中试转化为生产力形成自行设计和配套的集热管生产线是科技攻关的最杰出的成果。 2007年，中国太阳能热水器产量的增长速度约为30%，年产量达2340万（16380MWth），总保有量约为10800万（75600MWth）（太阳能热水器寿命按10年计算，1997年前的保有量作废）。2007年，太阳能热水器市场销售额约为320亿元人民币，产值亿元人民币以上的企业有20多家；2007年，太阳能热水器的出口额增长约为28%，6500万美元左右，产品出口欧洲、美洲、非洲、东南亚等50多个国家和地区。 中国太阳能热水器的年生产量是欧洲的2倍，北美的4倍，现已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和最大的太阳能热水器市场，并仍在以每年20-30的速度递增。但是中国太阳能热水器的生产企业有5000多家，除桑乐、皇明、清华阳光、华扬、太阳雨、力诺瑞特等10个全国性品牌因质量、售后服务过硬而市场知名度较高外，行业中存在着大量纷繁芜杂的杂牌企业，这种状况不利于行业的长远发展，这就要求政府部门进行规范，加强监管引导。尽管市场现状不如人意，但市场前景仍看好。随着国民经济和人民生活水平的不断提高，居民对家庭室内热水的需求越来越强烈，中国太阳能热水器市场潜力巨大，市场预测： 据中国五金制品协会统计，目前中国城市家庭中，57.4%拥有燃气热水器,31.3%拥有电热水器,拥有的太阳能热水器只有7.6%。但在城市家庭的购买预期调查中,三者的比例将演变为35.8%、30.2%、23.2%,太阳能热水器的比例将大幅增长,一种融合三者之长的家庭热水中心也将占据9.5%的比例。据国家信息中心经济预测部所做的全国消费者家用电器消费意向调查结果显示，99年城镇家庭热水器的购买量为8.84台/百户，销售总量比98年增长11%左右，传统的燃气热水器产业实现升级换代，迎来安全时代，电热水器持续升温，逐渐成为市场较活跃的家电商品之一，作为热水器市场的新秀，太阳能热水器开始崭露头角。据预测，到2015年，我国太阳能热水器普及率将达到20%30%，约2.32亿平方米的市场拥有量，年产值438亿元。 众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭，没有污染的巨大能源。随着世界上煤、油、气的储量日益减少，能源危机已日益增长，环境污染的危机已威胁着生态平衡，太阳能开发利用的课题已提到人类的面前。有人预测：二十一世纪太阳能将由辅助能源上升为主要能源。但由于太阳能的分散性、季节性和地区性又给太阳能利用带来重重困难，有些技术难点尚未突破，产品造价偏高（如光电池）。因而尚未被人们大规模的使用。在太阳能热利用技术中，太阳能热水器是技术上比较成熟、造价比较低廉的产品，同时给人民提供不耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。 首先，应用太阳能热水器不消耗任何常规能源，而是利用取之不尽、用之不竭的太阳能。太阳每时每刻都在进行核聚变反应，其功率达3.910的23次方kW，地球表面大约能接收到其中的8.510的13次方kW，相当于全世界发电量的几十万倍。太阳中反应堆氢的储量，足够维持600亿年。 其次，应用太阳能热水器安全可靠，没有爆炸、漏电、漏气等会造成人身伤害的危险，且自动运行，操作简单，基本无维修工作量。再次，太阳能热水器没有固、液、气体排污，对环境无任何不利影响。太阳能热水器若有辅助加热，可充分发挥其功能，即使夜间或阴雨天以及太阳被云层遮蔽时，也能全天候使用。 目前，我国太阳能热水器的推广普及十分迅速，1997年销售面积近300万平方米，数量居世界首位；全国从事太阳能热水器研制、生产、销售和安装的企业达1000余家，年产值20亿元。太阳能热水器智能控制器的应用及意义太阳能热水器虽然有诸多的好处，但对用户而言，可能存在以下几方面疑虑:一：水箱上水的问题，很多家庭可能采用手动上水，就是在适当的时间去扳动水阀，直至水箱满了，溢流管有水流下来，提醒用户去关闭水阀。同时还要避开中午日照比较强烈的时段，防止冷热交换过于强烈，炸裂箱内水管。这样做无可厚非，可是很不方便，首先每天早上或晚上洗完澡后都要记得去扳动水阀，否则第二天洗澡的时候可能就没水了。还有时候水上满了却忘记去关水阀了，这样家里可能也要发大水了，存在很多避免不了的麻烦。二：水箱内水量的问题：很多人也有这样的经历，正在洗澡时候发现水快没了，可是又不能马上上水，否则这样热水也变成冷水了，若是洗到一半没水了更是尴尬。可是洗澡之前又看不到水箱里还剩多少水，只能在合适的时间多上几次水，这样给用户也带来了很大的麻烦。三：存在干烧的问题：用户外出一两天没用热水器，没能每天按时上水，水箱内液位已经过低。日照强烈时，箱内水温很高，可能这样短期不会出现什么问题，可是时间长了热水器的寿命就大大缩减了，成本还没收回就要更换新的热水器了，这样就很不值得了。四：水温的问题，南方的太阳能用户经常会有这样的经历，夏天每天都要洗热水澡，有时一天还要洗好几次，可是又经常碰见下雨，阴天，光照很弱的天气。这时候普通的太阳能热水器恐怕就不能胜任了。晚上用水的时候发现水温很低，只能洗冷水澡了，冬天的时候要想洗个热水澡更是不可能的了。诸多的疑虑，的确给用户带来了很大的麻烦。但要是在洗澡间里配套给热水器安装个智能控制器，所有的问题就能迎刃而解了。究竟什么是太阳能热水器智能控制器，每个人眼里有不同的看法，通俗来讲它就像一个人一直帮你观察着热水器的各种情况，你洗澡的时候帮你调好水温 ，没有水的时候帮你把水上满等等。有了它可以不再让你不必因以上的几点麻烦而对太阳能存有很多疑虑了，可以无忧无虑的使用太阳能。“人性化”与否也一直是设计这类控制器的必要前提，也是是否能得到用户认可得关键性因素。所以智能控制器的设计也需要紧紧围绕这个目标展开。只有考虑到真正的“智能”，“人性化”，设计出的控制器也才能被用户所接受，市场前景也更为广阔。目前，中国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国，年产量约为世界各国之和，已有一百多家太阳能热水器生产厂。与之配套的智能控制器也层出不穷，各式各样。但它们不是过于简易，就是价格太高，不适合普通的家庭用户。这些控制器大多是采用51系列的单片机为核心，加上8255，温度传感器，时钟芯片等作为扩展电路，温度值和水的档位用数码管或LED灯加以显示，和LED灯作为声光报警，就组成了比较传统的智能控制器。这样还算比较优秀，很多商家直接连温度显示也省了，只简单辅助了一个自动上水功能，就称之为太阳能智能控制器。这样的控制器并不能给用户带来多大的方便，比如阴雨天想洗热水澡的愿望都实现不了。这样的控制器当然更称不上人性化。由此可见给太阳能热水器配备真正的智能控制器是非常有必要的，也很有意义。本文也将围绕这个主题，在“智能”，“人性化 ”的前提下详细探讨该智能控制器的设计思想，设计方案，整体硬件设计，主要芯片和单片机的接口电路以及如何用软件设计并调试成功的方法。1.2.1太阳能热水器的节能和经济效益分析与电热水器的对比计算太阳能热水器日产50热水90kg，取进水温度为15，则每天吸收太阳能13.23MJ，折合成电能3.657kWh。考虑到电热转换效率为98%，则相当于3.732kWh。以本地电价0.47元kWh计，日节约电费1.75元。该太阳能热水器每年比电热水器节省费用640元，4年可全部收回投资。与燃气热水器的对比计算以通常家用的液化石油气为例，每钢瓶15kg，热值约42MJkg，议价45元。考虑到液化石油气的燃烧效率及排气热损失，取热量转换效率为70%，则13.23MJ热量要燃烧0.45kg液化石油气才能获得，折合燃料费用1.35元。该太阳能热水器每年可节约燃气费用493元，5年可全部收回投资。 与锅炉耗煤的对比计算某锅炉烧热2吨50热水，耗煤300kg。按比例折算，太阳能热水器每天相当于节煤13.5kg。按煤价250元/t计算，太阳能热水器年节约燃料费1232元，基本上当年可收回投资的50%。 与洗浴收费的对比计算按每人每次淋浴用热水30kg计算，太阳能热水器日产50热水可供3人洗浴。以本地淋浴最低价2元/（人.次）计，每天可产生效益6元，年产生效益2190元。2年之内不仅可收回该太阳能热水器的全部投资，并可产生一定的经济效益。 1.2.2太阳能热水器的环境效益分析太阳能热水器不消耗常规燃料，对环境不产生污染。而煤、液化石油气的燃烧过程以及电能获取过程中都会对环境产生一定的污染。与电热水器对比太阳能热水器日吸收热量13.23MJ，折合电能3.657kWh。考虑电热转换效率为98%，输电效率为95%（1996年全国电力线损率为8.53%），目前我国发电标准煤耗为350gkWh，则采用太阳能热水器理论上每年可减排的大气污染物为：烟气4908.7Nm3，CO2 662.3Nm3，SO2 2.0Nm3。与燃气热水器对比太阳能热水器日吸收热量13.23MJ，折合燃烧液化石油气0.45kg。理论上每年可减排的大气污染物为：烟气1480.9Nm3，CO2 230.7Nm3，SO2 0.015Nm3。与锅炉燃煤对比采用太阳能热水器日节煤13.5kg。理论上每年可减排的大气污染物为：烟气39300Nm3，CO2 5302Nm3，SO2 15.9Nm3。资源是社会经济发展的物质基础，经济愈发展，对资源的依赖性愈强。许多资源（如煤、石油、天然气等）是不可再生的，而且在利用过程中给人类生存环境带来极大污染，人类繁衍生息的物质和环境基础受到严峻挑战。加强清洁、可再生资源的开发利用，已引起全世界的普遍重视。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生资源，有节能、环保、安全和永续利用等优点，理应成为开发利用的首选。其中太阳能热水器作为家庭生活用品，其开发利用在我国已走过了二十多年的历程，生产技术成熟，具有明显优点：（一）从节能环保的角度讲，使用太阳能热水器不会对环境造成污染，同时为国家节约了大量能源，社会效益明显，是国家重点推广项目，使用前景广阔。（二）太阳能热水器的使用寿命较长，使用太阳能热水器经济实惠。若使用合理，其寿命可达15年甚至更长。据测算，使用平方米太阳能热水器，相当于每年节约10度电。太阳能热水器的费用只有燃气热水器的七分之一，电热水器的六分之一。购置太阳能热水器一次性投资3000元左右，使用5至6年就可实现与其热水器的支出对比平衡。按照装置寿命15年计算，其经济效益是十分明显的。（三）太阳能热水器集热效果好，集热时间更长。只要阳光能照射到的地方，就可以使用太阳能热水器，即使在高寒地区一年四季也可以正常使用。在我国浙江、江苏、山东等地，太阳能热水器的研发和生产已形成规模，应用太阳能热水器的场所也由家居使用扩展到医院、学校、宾馆、饭店、游泳池、洗浴场所等 第2章 系统硬件设计2.1 控制系统组成及工作原理2.1.1 系统的组成 如图2-1所示，本系统主要由控制器、自动控制阀、手动控制阀、水位检测电极、水温检测传感器、电阻加热丝、储水箱等组成。 控制器：主要通过里面的电磁阀控制YV1和YV2的通断，控制水温检测传感器检测水温、控制水位检测传感器检测水在水箱中的位置以及控制电阻加热丝加热。自动控制阀：主要通过控制器控制，当水箱中的水的实际温度大于所设置的温度时，自动阀就自动打开往水箱中上水，直到上到上一个目标水位为止。手动控制阀：当自动阀损坏时，可以通过手动阀进行上下水。水位检测电极：主要用来检测水箱中水的位置，主要把水箱分成四等分，一共有五个电极，接地的电极放在最水箱的最底下，其余分别放在四等分点上，比如当水箱中的水在第一等分和第二等分之间，则显示水箱中有四分之一的水，当超过第二等分，则显示二分之一的水。水温检测传感器：主要用来检测水箱中水的实际温度。AD590属于半导体集成电路温度传感器，测温范围-55- +150，在其二端加上一定的工作电压，其输出电流与温度变化成线性电阻加热丝：主要用来加热水箱中水，使其达到用户所需要的温度。 储水箱：主要用于储存所用的水源。图 2-1 系统组成示意图 图 2-1 系统组成示意图2.1.2 控制装置的工作原理本控制系统分为手动和自动两种控制方式，在系统处于自动状态下，当检测温度高于设置温度，且水位未达到最高时，控制器打开电磁水阀YV1和YV2进行上水，同时点亮上水指示灯，当水位上至上一目标水位时，自动停止上水（即关闭电磁水阀YV1和YV2），若水箱内无水，则自动上水至最低水位处。在系统处于手自动状态下，可自由上水或停止上水（上水时水箱水位必须未满），若水位达到最高则自动停止上水；若需要启动加热器则必须先设定加热温度，然后按下加热键进行加热；若需洗浴时，则需打开手动阀YV4，系统自动打开电磁水阀YV2，可通过YV5自由调节水温；当电磁水阀YV1和YV2损坏或停电时，可通过打开YV5和YV6进行上下水解决燃眉之急；此系统设置YV3是为了防止冬天气温过低引起水管因内有积水而冻裂（即手动打开此阀放完水管中的积水）。2.2 主要原器件选择及硬件电路的设计2.2.1 AT89S51高性能8位单片机AT89S51是一个低功耗高性能CMOS 8位单片机，4k Bytes Flash只读程序存储器(ROM),512 Bytes 内部数据存储器(RAM),该微处理器采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，引脚兼容80C51和80C52芯片，片内的Flash存储器可以像常规程序存储器一样进行烧写，AT89S51片内总共有256字节的用户数据区，而128字节的内部扩展数据区需通过清SFR(8EH)的位1并用MOVX指令访问，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，另一个256BytesRAM区与ATMEL之AT89系列8052兼容的单片机是一致的，AT89C51结合通用的8位微处理器和Flash存储技术构成功能强大单片微处理器，可提供许多高性能低价位的系统控制应用场合。 AT89S51主要特点： 40个引脚，32kBytes的程序存储器，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，内置时钟振荡器,其Flash存储器，可反复擦写1000次的Flash存储器可有效地降低开发成本。软件设置电 源省电模式，睡眠其间，定时/计数器，串行口和中断口均停止工作，RAM中的数据被“冻结”，直到下次被中断激活或硬件复位方可恢复工作。 图2-2 AT89S51引脚图(2)、AT89S51主要功能特性兼容MCS51指令系统32k可反复擦写(1000次）Flash ROM32个双向I/O口硬件看门狗WDT电路3个16位可编程定时/计数器时钟频率0-33MHz两个串行中断5128bit内部RAM2个外部中断源内置时钟振荡器中断激活睡眠模式3级加密位双重数据存储器软件设置睡眠和唤醒功能管脚说明：VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 口管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 振荡器特性: XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。2.2.2数码管显示原理由单片机的定时器To做16位计数器（为便于数据处理，这里只用低8位计数值，即寄存器TL0中的值）。一边记录脉冲数量，一边以厘米为单位由四位数码管显示出来。四位数码管采用动态扫描方式显示。长度计量仪采用0.5英寸共阳极连接的LED数码管。LED数码管由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件。右图为LED数码管外形和引脚图，其中7只发光二极管分别对应a-g笔段，构成“日”字形，另一只发光二极管DP作为小数点，因此这种LED显示器称为八段数码管。（如图2-3所示）共阳极型LED数码管，是将各段发光二极管的阳极连在一起，作为公共端com,应接高电平。ag、Dp各笔段中，某笔段接低电平时发光，高电平时不发光。图2-3 LED数码管为了节省单片机I/O口的数量，将各位数码管的ag对应笔画并联起来分别与单片机的P2.0P2.7引脚连接。显示时，由P2口依次输出各位数字的笔段码，并依次由P1.0、P1.1、P1.2、P1.3输出低电平位选信号接通数码管的公共端，轮流进行，循环不止，由于循环的频率较高（约50Hz），加上人眼的视觉暂留，既保障了各位数字的对应显示，又不会出现闪烁现象，实现动态扫描显示。数码管驱动方式数码管是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管。数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。静态显示驱动静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5840根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。 动态显示驱动动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划a,b,c,d,e,f,g,dp的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。2.3 AT89S51单片机的最小系统 图2-5 时钟电路所谓最小系统，即指使单片机能正常工作的所需的最少的电路，即应包含CPU及辅助电路、ROM、RAM及I/O端口等电路。由于AT89S51内部已经包含4KB的Flash Memory程序存储器，所以无需再扩展片外程序存储器。在AT89S51的基础上，加复位电路、时钟电路、EA引脚信号及电源即可。结合资料及所学过的内容，得到如图2-4所示的单片机最小系统。图2-4中，晶体振荡器的频率选6MHZ，复位电路采用上电复位，电路参数如图中所示，以满足系统复位时两个机器周期的高电平的要求。由于CPU的内部已含有程序存储器，所以EA引脚接高电平。4. 4.7F 10K6M20pf+5V Vcc EA GNDAT89S51 RST XTAL1 XTAL220pf+5V图2-4 AT89S51单片机最小系统2.4 AT89S51单片机时钟电路该水位自动显示控制器采用AT89C51单片机，机内有一高增益反相放大器，构成自激振荡电路，振荡频率取6MHz,外接6MHz晶振，两个电容C1、C2取20pF，以便于起振荡的作用。右图中XTAL1为内部时钟工作电路的输入，XTAL2为来自反向振荡器的输出。 C1 C2对频率有微调作用 ，晶振或陶瓷谐振器的调频范围可在1.2HZ12HZ之间选择为了减小寄生电容，更好的保证振荡器的稳定，可靠地工作，振荡器和电容应尽可能安装的与单片机引脚XTAL1和XTAL2靠近。由于内部时钟方式外部电路电路简单，单片机应用系统中大多采用这种方式。内部时钟方式产生的时钟信号的频率就是晶振的共有频率2.5 AT89S51单片机复位电路该水位自动显示控制器采用上电复位电路，由R14、C3构成复位电路，在上电瞬间，产生一个脉冲，AT89S51将复位。为保证可靠复位，脉冲宽度应大于两个机器周期，这取决于R、C时间长数。取电容C=10uF，电阻R=10K。图2-7水位检测电路2.6水位检测电路的硬件设计实验证明，纯净水几乎是不导电的，但自然界存在的以及人们日常使用的水都会含有一定的Mg2+、Ca2+等离子，它们的存在使水导电。本控制装置就是利用水的导电性来完成的。我们把储水箱大致分为四个等份，水位由潜入太阳能热水器的储水箱不同深度的水位电极和潜入储水箱底部的公共电极（导线）进行检测；由单片机依次使各水位电极呈现高电平，由公共电极所接的三极管进行电位转换，水位到达的电极，转换电位为低（0）；水位没有到达的电极，转换电位为高（1）；每检测一位便得到一位数据，5个电极检测一遍以后便得到了5个串行数据，然后把这5个数据转化为字节一路送发光二极管；在这里我们可以用发光二极管亮的盏数来显示水位的高低。（若没有发光二极管亮则表示箱内没有水或者只有少量的水，若有一个发光二极管灯亮则表示箱内有四分之一箱的水，以此类推，若有四个发光二极管亮，则表示水箱水是满的。）2.7水温检测电路的硬件设计本设计温度传感器选用AD590。AD590属于半导体集成电路温度传感器，测温范围-55- +150，在其二端加上一定的工作电压，其输出电流与温度变化成线性图2-8 水温检测电路图关系，1uA/K，误差有几种等级:1、0.5、0.3，本设计中选取0.5品种。OP07为高精度运算放大器，AD590电流流经R36、RP1转换为电压信号，R37、RP2为运算负反馈电阻，成反相比例放大器，将温度信号转换成0-5V的电压信号，ADC0832再将其转换为数字信号，输入CPU。图2-8为温度检测和A/D转换电路图。 AD590简介AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。它的主要特性如下：1、流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：mA/K式中： 流过器件（AD590）的电流，单位为mA；T热力学温度，单位为K。2、AD590的测温范围为-55+150。3、AD590的电源电压范围为4V30V。电源电压可在4V6V范围变化，电流 变化1mA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。4、输出电阻为710MW。5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55+150范围内，非线性误差为0.3。AD590温度传感器不但实现了温度转换为线性化电量测量，而且精确度高，互换性好，应用简单方便，因此，可把输出的电信号经AD卡转换为数字信号，由计算机采集的VI-T的数据，以发挥实时和准确的特点。AD590集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值VBE与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测：式中，K波尔兹常数； q电子电荷绝对值。集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0时输出为0，温度25时输出2.982V。电流输出型的灵敏度一般为1mA/K。、OP07简介Op07是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器。由于OP07具有非常低的输入失调电压，所以OP07在很多场合不需要而外的调零措施，OP07同时具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，这种低失调，高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。宽的输入电压范围与高达110DB的共模抑制比和高输入阻抗的结合，在同向电路阻态中提高了很高的精度，即使在很高的闭环增益下，也能保持极好的线性和增益精度。、下面是OP07参数资料的简明说明：产品型号:OP07CP通道数:1关断功能:No工作电压Max. (V):36工作电压Min. (V):6每通道IQ(典型值)(mA):5带宽GBW(典型值)(MHz):0.600转换速率(典型值)(V/us):0.300输入失调电压(25)(Max.)(mV):0.150失调漂移(典型值)(uV/):0.500输入偏置电流(Max.)(pA):7000共模抑制比(Min.)(dB):100噪声电压(典型值):9.800单电源供电:No满幅:No封装/温度():PDIP-8/070描述:精密,低噪声运放ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎。 ADC0832 具有以下特点： 8位分辨率； 双通道A/D转换； 输入输出电平与TTL/CMOS相兼容； 5V电源供电时输入电压在05V之间； 工作频率为250KHZ，转换时间为32S； 一般功耗仅为15mW； 8P、14PDIP（双列直插）、PICC 多种封装； 商用级芯片温宽为0C to +70C，工业级芯片温宽为40C to +85C； 芯片接口说明： CS_ 片选使能，低电平芯片使能。 CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。 CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。 GND 芯片参考0 电位（地）。 DI 数据