基于单片机的太阳能热水器控制系统设计

I I 学号 毕毕 业业 设设 计 论计 论 文 文 基于单片机的太阳能热水器控制系统设计基于单片机的太阳能热水器控制系统设计 教 学 系 信息工程系 指导教师 专业班级 自动化 学生姓名 二零一四年六月 II II 毕业设计毕业设计 论文论文 任务书任务书 学生姓名专业班级自动化 指导教师工作单位华夏学院信息工程系 设计 论文 题目基于单片机的太阳能热水器控制系统设计 设计 论文 主要内容 设计 论文 主要内容 太阳能热水器是太阳能利用中最常见的一种装置 经济效益明显 太阳能热水器控制系统 能测量并显示水温 同时还能对水位进行设置 可以根据天气情况利用辅助加热装置使蓄水箱 内的水温达到预先设定的温度 从而达到 24 小时供应热水的目的 以单片机为核心器件按照 太阳能热水器的不同功能对电路模块进行设计 再进行软件设计 其主要功能包括 1 系统具有水温显示功能 显示范围 0 99 2 系统具有水位显示功能 3 系统具有加水功能 4 系统具有报警功能 要求完成的主要任务 要求完成的主要任务 1 查阅资料 写出不低于 10 篇参考文献 其中至少有 2 篇外文文献 的参考文献摘要 2 进行方案论证 写出开题报告 3 进行总体设计和详细设计 完成软 硬件设计 4 完成系统的调试 按系统设计要求 能独立运行演示程序 5 撰写论文并准备答辩 要求论文语言通顺 整篇论文不少于 10000 字 时间安排时间安排 第 1 3 周 收集资料 完成开题报告 第 4 6 周 查阅文献 进行系统总体设计 做出布局 第 7 11 周 做出硬件和软件上的整体设计 撰写毕业论文初稿 并定期交指导老师审查 第 12 14 周 完成相关调试 在软件上进行仿真 同时对论文进行修改 第 15 16 周 准备论文答辩 III III 必读参考资料必读参考资料 1 何立民 单片机应用系统设计系统配置与接口技术 北京 北京航空航天大学出版社 2001 2 王幸之 单片机应用系统抗干扰技术 北京 北京航空航天大学出版社 2000 3 张毅刚 MCS 51 单片机应用设计 哈尔滨 哈尔滨工业大学出版社 1997 4 窦振中 PIC 系列单片机应用设计与实例 M 北京 北京航空航天大学出版社 1999 5 王化祥 传感器原理及应用 M 天津 天津大学出版社 1998 指导教师签名 教研室主任签名 IV IV 毕业设计毕业设计 论文论文 开题报告开题报告 题目基于单片机的太阳能热水器控制系统设计 1 目的及意义 含国内外的研究现状分析 国外对太阳能热水器的研究始于 20 世纪 50 年代初 美国 瑞典 澳大利亚 日本等发达国家 纷纷投入了大量人力 物力对太阳能热泵进行深入研究与开发 在各地实施了多项太阳能热泵示范 工程 如宾馆 住宅 学校 医院 图书馆以及游泳馆等 取得了一定的经济效益和良好的社会效 益 目前 太阳能热水器的应用已比较普遍 在国外 许多国家通过政府补贴的式鼓励居民应用太 阳能热水器 欧洲还采用了 工程项目法 等措施来加强太阳能热水器的推广 我国在没有政府补贴 的情况下 太阳能热水器的销售和普及的速度也十分迅速 据统计 1999 年我国销售的太阳能热 水器的面积近 300 万平方米 其数量居世界首位 并且销售的产品都是国产产品 销售的区域主要在 经济比较发达地区 而这些区域很多并非是太阳能资源丰富的地区 若能在全国范围内推广使用太 阳能热水器 其节能潜力和环保效益将是十分巨大的 近年 我国部分地区严重的能源短缺推动了太阳能热水器的广泛使用 这项环保而节能的新型 产品在市场上迅速得到发展 到 2002 年底 我国太阳能热水器的总产量已达到 1000 万平方米总产 值 110 多亿元 总保有量高达 4000 万平方米 有关专家预测 在未来的 10 年中 太阳能热水器将 以 15 每年的速度增长 到 2010 年将达到 1 亿平方米 总体来看 我国太阳能热泵热水技术还处于发展阶段 太阳能热水器装置在我国尚难实现商品 化 仍有许多问题需要解决 随着技术的不断更新 将会有越来越多 越来越完善的太阳能热水器 产品出现 太阳能热水供应系统也会越来越完善 太阳能技术的推广使用 节约了能源改善了环境 提高了人们的生活质量 为人类的文明和进步作出了巨大的贡献 能源问题与安全问题是现代社会各界普遍关注的焦点之一 目前市场上存在三种样式的热水器 VIII VIII 电热水器 燃气热水器和太阳能热水器 近年来 在一氧化碳中毒事故中 由燃气热水器造成的约 占 1 3 电热水器的大规模用电 并不能给人们的正常生活带来便利 作为后来者的太阳能热水器 因其安全性好 节能 绿色环保等优点 近几年呈现出爆发式的发展趋势 选择太阳能热水器这个课题 可以让我更好的认知可持续发展问题 看清目前的能源现状 以 及各国在节约能源上的措施 在太阳能革新上运用的新技术 此外 太阳能热水器已经走进千家万 户 控制系统是太阳能的核心 可以尽可能做到节能环保 作这样一个设计 不仅可以考察自己大学四年 的专业课的理论与动手实践能力 产品也具有一定的市场前景 本文设计的太阳能热水器是以 89C52 单片机为检测控制核心 不仅实现了温度 水位两种参 数的实时显示功能 而且具有温度设定与控制功能 控制器可以根据天气情况利用辅助加热装置使 蓄水箱内的水温达到预先设定的温度 从而达到 24 小时供应热水的目的 实际应用结果表明 该 控制器和以往的显示仪相比具有性价比高 温度控制与显示精度高 使用方便和性能稳定等优点 提高了我国太阳能应用领域控制水平 具有可观的经济效益和社会效益 太阳能热水器因利用太阳能 无污染 使用方便 长期使用投入费用低等特点而备受人们青睐 本设计介绍了一种以 89C52 单片机为核心构成的太阳能热水器智能控制器的设计方法 给出了系统 硬件设计及软件实现方法 本设计以单片机 89C52 为核心 将来自温度和水位的信号直接送入单 片机 一方面通过 LCD 显示当前温度和水位值 另外一方面与温度和水位设定值进行比较 运算 根据结果发出相应的上水 加热指令 对热水器的温度和水位进行控制 2 基本内容和技术方案 太阳能热水器是太阳能利用中最常见的一种装置 经济效益明显 太阳能热水器控制系统能测 量并显示水温 同时还能对水位进行设置 可以根据天气情况利用辅助加热装置使蓄水箱内的水温 达到预先设定的温度 从而达到 24 小时供应热水的目的 以单片机为核心器件按照太阳能热水器 的不同功能对电路模块进行设计 再进行软件设计 其主要功能包括 1 系统具有水温显示功能 显示范围 0 99 IX IX 2 系统具有水位显示功能 3 系统具有加水及加热功能 通过调节滑动电阻器改变电阻大小来模拟加水功能和加热功能 4 系统具有报警功能 设计的主要内容包括 1 总体设计 主要由温度水位数据采集模块 单片机控系统及 LCD 显示模块组成 2 温度 水位检测电路设计 该部分是实现温度及水位控制的重要环节 只有准确检测出温度 和水位 才能通过软件实现辅助加热 3 单片机控制系统设计 在经过广泛的比较之后 确定采用 ATMEL 公司的 AT89C52 FLASH 单片机 它不仅具有 8031 单片机的一切功能 还有许多功能是 8031 所没有的 4 模拟 数字转电路设计 设计中应用的是 A D 转换的中断方式 这种方式使 A D 转换器与处 理器的工作时间同时进行 因而节省机时 常用于实时性要求比较强或多参数的数据采集 系统 5 LCD 显示电路设计 本设计中采用的是 LCD1602 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶 它是一 种专门用来显示字母 数字 符号等的点阵型液晶模块 6 软件部分设计 根据要求 控制器软件设计采用模块化结构 包括主程序 显示子程序等 要求完成的主要任务 1 查阅资料 写出不低于 10 篇参考文献 其中至少有 2 篇外文文献 的参考文献摘要 2 进行方案论证 写出开题报告 3 进行总体设计和详细设计 完成软 硬件设计 4 完成系统的调试 按系统设计要求 能独立运行演示程序 X X 5 撰写论文并准备答辩 要求论文语言通顺 整篇论文不少于 10000 字 主要结构框图 控制器 测量元件 执行 元件 控制对象 3 进度安排 第 1 3 周 收集资料 完成开题报告 第 4 6 周 查阅文献 进行系统总体设计 做出布局 第 7 11 周 做出硬件和软件上的整体设计 撰写毕业论文初稿 并定期交指导老师审查 第 12 14 周 完成相关调试 在软件上进行仿真 同时对论文进行修改 第 15 16 周 准备论文答辩 4 指导老师意见 X X 指导教师签名 年 月 日 郑郑 重重 声声 明明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成 果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本论文不包括任何其他个人或集体已经发表 或撰写的成果作品 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 X X 本人签名 日期 目目 录录 摘 要 1 ABSTRACT 2 1 绪论 3 1 1 太阳能热水器的概述 3 1 2 太阳能热水器的发展 3 1 3 太阳能热水器的研究现状 5 2 系统设计 6 2 1 主要任务及内容 6 2 2 系统的主要功能 6 2 3 系统总体结构框图的设计 7 2 4 温度检测电路设计 7 2 5 水位控制电路设计 13 2 6 模拟 数字转换电路 13 2 7 单片机的控制系统 16 X X 2 8 LCD 显示电路设计 23 3 软件部分设计 28 3 1 程序流程图设计 28 3 2 软件程序设计 31 4 分析和总结 34 参 考 文 献 35 附录 A 仿真电路图 36 附录 B 程序清单 37 致 谢 54 1 摘摘 要要 本文设计的太阳能热水器是以 89C52 单片机为检测控制核心 不仅实现了温度 水位两种参数的 实时显示功能 而且根据温度和水位的高低 设置了报警电路 当温度及水位达到某一设定值时 报 警电路发出警报 从而达到保护热水器的目地 并防止温度过高对人体造成伤害 太阳能热水器因利用太阳能 无污染 使用方便 长期使用投入费用低等特点而备受人们青睐 本设计给出了系统硬件设计及软件实现方法 以单片机 89C52 为核心 将来自温度和水位的信号经 A D 转换后直接送入单片机 一方面通过 LCD 显示当前温度和水位值 另外一方面与温度和水位设定 值进行比较 运算 根据结果发出相应的上水指令 对热水器的温度和水位进行控 关键词关键词 太阳能热水器 单片机 AT89C52 LCD 2 ABSTRACT Solar water heater is designed in this paper is based on 89C52 microcontroller as the control core the real time display function not only of the temperature the water level of two kinds of parameters and according to the temperature and water level set the alarm circuit when the temperature and the water level reaches a set value the alarm circuit alarm to protect the water heater Thus high temperature and prevent damage to the human body The solar water heater due to use of solar energy no pollution convenient use long term use of inputs and low cost highly favored by people This design gives the realization method of the system hardware design and software 89C52 single chip microcomputer as the core signal from the temperature and water level by the A D converted directly into a single chip a display of current temperature and water level value through the LCD on the other hand with the water level and temperature setting value is compared computing sends out the corresponding water order according to the results the water heater temperature and water level control Key words Solar water heater single chip LCD 3 1 绪论绪论 随着社会的发展 对能源的需求在快速增长 使不可再生能源的贮量不断减少 同时燃用不可再生 能源而带来的全球性污染和生态环境的破坏日益严重 开发利用新型清洁能源的问题越来越受到世界 各国的重视 太阳能作为一种取之不尽的清洁能源 经过了几起几落的开发 研究之后 现在又进入 了一个新的开发利用阶段 各种太阳能转换设备层出不穷 其中太阳能热水器就是其中的一种主要的 转化设备 其核心部分是集热器 目前 太阳能热水器上使用的集热器有平板型 真空集热管和热管 真空管三种类型 平板型集热器的价格相对较低 普通平板集热器的热效率受工质温度和环境温度的 影响比较大 冬季不能正常使用 1 1 太阳能热水器的概述 太阳能热水器将太阳光能转化为热能 将水从低温度加热到高温度 以满足人们在生活 生产中 的热水使用 太阳能热水器按结构形式分为真空管式太阳能热水器和平板式太阳能热水器 真空管式 太阳能热水器为主 占据国内 95 的市场份额 真空管式家用太阳能热水器是由集热管 储水箱及支 架等相关附件组成 把太阳能转换成热能主要依靠集热管 集热管利用热水上浮冷水下沉的原理 使 水产生微循环而达到所需热水 太阳能热水器是一种技术成熟 应用广泛的可再生能源产品 在全球很多国家得到了广泛的应用 在提供热水供应 提高人民的生活水平 减少常规能源消耗等方面发挥了巨大作用 通常 太阳能热 水器也称太阳热水装置或太阳热水系统 或工程 但严格来说是有区别的 按国标 GB T187l3 和行标 NY T513 的规定 太阳热水器储热水箱的容水量在 0 6t 以下的称为家用太阳能热水器 大丁 0 6t 则称为太阳热水系统或太阳热水工程 为叙述方便 在本文中统称太阳能热水器 在我国 希腊 以色列等国家 太阳能热水器主要供应生活和沐浴热水 在欧洲 澳大利亚等国 家 太阳能热水系统主要是作为辅助热源与常规能源系统联合运行 既能供应生活和洗浴热水 还为 建筑供暖 在美国 太阳能热水器主要是用于游泳池加热 我国的太阳能热水系统市场已完全商业化 运行 而其他国家的太阳能热水系统的发展仍依靠政府的补助和优惠政策 尚未实现商业化运行 1 2 太阳能热水器的发展 1 2 1 国外太阳能热水器的发展历程 4 1767 年瑞士科学家贺瑞斯发明了第一台太阳能集热器 1891 年 美国马里州的肯普发明了世界上第一台闷晒式太阳热水器 被他命名为 顶峰 热水器 它的特点是集热器和贮水箱合二为一 水在容器中不能流动 依靠容器壁吸收太阳辐射能加热水 闷 晒式太阳热水器的优点是结构简单 成本低 缺点是装置保温性能差 热水必须在当天傍晚及时用完 因此应用范围受到很大限制 1936 年 美国天体物理学家 Charles Greeley Abbott 发明了太阳能开水器 1941 年 在佛罗里达州大约有 6 万套太阳能热水器被使用 到 20 世纪 70 年代末期 全世界大约装有太阳热水器 300 多万台 太阳热水器的开发利用在美国 澳大利亚 日本 德国 以色列等国都有很大的发展 日本在 1980 1985 年间 政府对 1000 万套家庭住宅配上太阳热水器 为居民提供生活用热水 1990 年 日本东京大约有 150 万栋建筑使用了太阳能热水器 以色列大约 30 的房屋安装了太阳能热 水器系统 所有的新房子都要求安装太阳能热水系统 法国在 1990 年安装太阳热水器的住宅达 200 万 座 相当于 70 万吨石油提供的热能 美国有 500 万幢以上的住宅安装有太阳热水器 在欧洲 过去 10 年来太阳能热水器的增长率一直保持在 18 左右 预计未来十年增长率会达到 23 欧盟提出到 2010 年安装 1 亿平方米太阳能热水器的规划 欧洲太阳能学会预算 2020 年欧洲太 阳能热水器运用高达 14 亿平方米 1 2 2 中国太阳能热水器发展历程 太阳能热水器的发展历史在我国可以追溯历史在 1958 年 天津大学有 12 6 平米的太阳能浴室 70 年代兴起开发利用太阳能热潮 开始以平板式和闷晒式为主 生产规模较小 技术水平较低 1979 年我国有些单位迎头研发全玻璃真空管集热器 但是太阳热水器的产量仅十万 2 m 1987 年 我国从加拿大引进铜铝复合 SUNSTRIP 生产线 制造了第一支全玻璃真空集热管 使我国平板集热器产品质量跨上一个新台阶 我国太阳能热水器产业开始进入以现代化生产手段制造 国产优质平板集热器的历史新阶段 90 年代 我国建立了全玻璃真空集热管和热管真空管集热器工业 使我国太阳能热水器推广应用 上了一个新台阶 进入 90 年代 随着技术进步和企业规模的扩大 技术和企业都逐步成熟 太阳能热水器逐步形成 了真空管 平板和闷晒三种技术系列 实现了产品的系列化和规模化生产 90 年代后期 住宅商品化 的发展以及家庭对热水需求的大幅度增长 为太阳能热水器的发展提供了巨大的市场空间 5 自上世纪 90 年代以来 我国太阳能热水器行业保持了 10 多年的快速增长 据权威资料显示 1992 年 我国太阳能热水器产业年生产量只有 50 万平方米 而到 2005 年 我国太阳能热水器年产量 已突破 1500 万平方米 是 2000 年 640 万平方米的 2 倍多 行业总产值已逾 150 亿元 2006 年国家统计局的资料表明中国太阳能热水器年产量已突破 1800 万平方米 行业总产值已逾 200 亿元 2007 年我国太阳能热水器产量已突破 2300 万平方米 整个太阳热水器行业市场销售额达到 320 亿元 有关权威专家统计 2008 年产量达到 2800 万平方米 产值达到 400 多亿元 与 2007 年同期相 比增长超过 20 其中出口约为 1000 万美元 出口欧洲 美洲 非洲 南非 韩国 东南亚等 100 多 个国家 目前我国太阳能热水器的年生产量是欧洲的 2 倍 北美的 4 倍 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 该产业也成为我国惟一在生产能力和利用规模上处于世界 领先水平的可再生能源产业 1 2 3 太阳能热水器的总体发展 近年来 随着全玻璃真空管及其太阳能热水器生产技术的不断完善以及生产装备逐步实现专业化 越来越多的小企业进入太阳能热水器产业 再加上产业管理滞后 市场不够规范 使规范经营的大中 型太阳能热水器企业面临小型企业的不公平竞争 国际太阳能市场始终以平板型太阳能热水器为主 而中国平板型太阳能热水器的产量和市场 份额近年来却逐年减少 这就使得中国太阳能市场与当前世界太阳能市场主流形成了较大的反差 太阳能热水器产品的质量监督和管理力度不够 国家级太阳能热水器产品质量检测中心至今尚未建成 太阳能热水器产品质量认证工作也尚未开展 一部分企业的产品以次充好 在一定程度上影响了太阳 能热水器在消费者中的声誉 太阳能与建筑一体化的工作尚处于起步阶段 目前还没有太阳能热水 器与建筑一体化成功的可供学习的样板 更缺乏这方面的设计安装规范 因而不少房地产开发商和建 筑设计单位对此不敢轻易投资 也不敢贸然采用 然而 尽管太阳能热水器产业面临上述种种挑战 在各方面存在诸多障碍 但太阳能热水器产业同时又面临很多机遇 1 3 太阳能热水器的研究现状 近年 我国部分地区严重的能源短缺推动了太阳能热水器的广泛使用 这项环保而节能的新型产 品在市场上迅速得到发展 到 2002 年底 我国太阳能热水器的总产量已达到 1000 万平方米总产值 110 多亿元 总保有量高达 4000 万平方米 有关专家预测 在未来的 10 年中 太阳能热水器将以 15 每 6 年的速度增长 到 2010 年将达到 1 亿平方米 目前中国太阳能热水器品牌基本上分为三类 一是拥有全国销售网络的企业 如皇明等一两家 二是正处在由地方网络向全国过渡的企业 有华阳与清华阳光等几家 第三类是数量庞大的地方小太 阳能热水器企业 有数字显示 这样的小太阳能热水器生产企业全国有 3000 多家 基本上每个省份都 有近百家这样的小企业 这些间接导致了我国太阳能热水器行业整体技术水平的落后 在国际市场上 缺乏竞争力 据权威部门统计 100 亿的产业规模 年出口量仅 1000 万美元左右 不及总量的 1 总体来看 我国太阳能热泵热水技术还处于发展阶段 太阳能热水器装置在我国尚难实现商品化 仍有许多问题需要解决 2 系统设计系统设计 2 1 主要任务及内容 太阳能热水器因利用太阳能 无污染 使用方便 长期使用投入费用低等特点而备受人们青睐 本设计以单片机 AT89C52 为核心 将来自温度和水位检测的信号经过调理 A D 转化后送入单片机 一方面通过 LCD 显示当前温度和水位值 另外一方面与温度和水位设定值进行比较 运算 根据结果 发出相应的上水 加热指令 对热水器的温度和水位进行控制 本次设计的主要内容 a 温度 水位检测电路的设计 b A D 转换器及 AT89C52 的接口设计 c 软件设计 d 总体设计 2 2 系统的主要功能 太阳能热水器自动控制系统具有以下功能 1 水温显示 水温用 LCD 显示 测温范围 0 99 精度 2 2 水位显示 本系统利用水位检测电路可以检测 5 个水位 包括 4 个正常水位 20 50 80 100 和一个底水位 7 2 3 系统总体结构框图的设计 太阳能热水器控制器主要由温度水位数据采集模块 单片机控系统和键盘显示电路及电机控制部 分组成 本次设计选用的是 AT89C52 单片机作为核心控制器 组成热水器微控制系统 传感器采用的 是 ADC0803 和 ADC0831 传感器 并负责将检测到的水压转换成 0 5V 的模拟信号 然后通过 ADC0803 及 ADC0831 模数转换器把检测到的温度电压信号转换成数字信号 一方面由单片机 AT89C52 完成最终完成太阳能热水器控制器的控制功能 另一方面通过 LCD 显示当前温度和水位值 另外一方面与温度和水位设定值进行比较 运算 根据结果发出相应的上水 加热指令 对热水器的 温度和水位进行控 系统框图如图 2 1 所示 AT89C52 温度检测A D 转换 水位控制A D 转换 水量设置 温度设置 显示电路 LCD 1602 显示 报警电路 图 2 1 太阳能热水器控制器系统框图 2 4 温度检测电路设计 温度检测部分是实现温度智能控制的重要环节 只有准确地检测出温度 才能通过软件实现辅助加热 其性能的好坏直接影响系统的性能 对于温度检测 采用的是温度传感器 DS18B20 DS18B20 是常用 的温度传感器 具有体积小 硬件开销低 抗干扰能力强 精度高的特点 DS18B20 的管脚排列如图 2 2 所示 8 图 2 2 DS18B20 引脚图 引脚定义 DQ 数字信号输入 输出端 GND 电源接地 VDD 外接供电电源输入端 在寄生电源接线方式时接地 2 4 1 DS18B20 技术性能描述 1 独特的单线接口方式 DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯 2 测温范围 55 125 固有测温分辨率 0 5 3 支持多点组网功能 多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上 最多只能并联 8 个 如果数量 过多 会使供电电源电压过低 从而造成信号传输的不稳定 实现多点测温 4 工作电源 3 5V DC 5 在使用中不需要任何外围元件 6 测量结果以 9 12 位数字量方式串行传送 2 4 2 DS18B20 的初始化 1 先将数据线置高电平 1 2 延时 该时间要求的不是很严格 但是尽可能的短一点 3 数据线拉到低电平 0 4 延时750微秒 该时间的时间范围可以从480到960微秒 5 数据线拉到高电平 1 9 6 延时等待 如果初始化成功则在15到60微妙时间之内产生一个由 DS18B20所返回的低电平 0 据该状态可以来确定它的存在 但是应注意不能无限的进行等待 不然会使程序进入死循环 所以要进行超时控制 7 若 CPU 读到了数据线上的低电平 0 后 还要做延时 其延时的时间从发出的高电平算起 第 5 步的时间算起 最少要480微秒 8 将数据线再次拉高到高电平 1 后结束 DS18B20 时序图如图 2 3 所示 其内部结构图如图 2 4 所示 图 2 3 DS18B20 时序图 64 位 ROM 和 单线 接口 存储器控制逻辑 存储 器 温度传感器 高温度触发 低温度触发 8 位 CRC 触发 器 电 源 检 测 图 2 4 DS18B20 内部结构图 2 4 3 DS18B20 工作原理 DS18B20 的读写时序和测温原理与 DS1820 相同 只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同 且温度转换时的延时时间由 2s 减为 750ms DS18B20 测温原理如图 2 5 所示 图中低温度系数晶振 的振荡频率受温度影响很小 用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器 1 高温度系数晶振 随温度变 10 化其振荡率明显改变 所产生的信号作为计数器 2 的脉冲输入 计数器 1 和温度寄存器被预置在 55 所对应的一个基数值 计数器 1 对 低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数 当计数器 1 的预置值减到 0 时 温度寄存器的值将加 1 计数器 1 的预置将重新被装入 计数器 1 重 新开始对低 温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数 如此循环直到计数器 2 计数到 0 时 停止温度寄存器值的累 加 此时温度寄存器中的数值即 为所测温度 DS18B20 温度数据如表 2 1 所示 图 2 5 DS18B20 测温原理框图 表 2 1 DS18B20 温度数据表 温度输入输出 125 0000 0111 1101 000007D0h 85 0000 0101 0101 00000550h 25 0625 0000 0001 1001 00010191h 10 125 0000 0000 1010 001000A2h 0 5 0000 0000 0000 10000008h 0 0000 0000 0000 00000000h 0 5 1111 1111 1111 1000FFF8h 10 125 1111 1111 0101 1119FF5Eh 25 0625 1111 1110 0110 1111FE6Fh 55 1111 1100 1001 0000FC90h 11 温度检测硬件电路如图 2 6 所示 图 2 6 温度检测电路图 2 4 4 温度控制电路设计 通过温度检测电路对温度进行检测后 可以进一步对温度进行控制 利用电阻的大小来模拟相应 的温度 通过调节电阻的大小来模拟温度的高低 利用 ADC0831 对电阻值的大小进行转换 转换后 降数据传递至单片机 ADC0831 的规格如下 1 转换器数量 1 2 ADC 输入端数量 1 3 输入类型 Voltage 电压 4 接口类型 Serial 串行输出 5 电压参考 5 V 6 电源电压 最大值 6 3 V 7 电源电压 最小值 4 5 V 8 最大功率耗散 0 8 W 10 最大工作温度 70 11 输入电压 5 V ADC0831 的管脚图及元件符号如 2 7 所示 12 图 2 7 ADC0831 的管脚图 引脚说明 1 CS 片选 2 正输入端 3 Vref 负输入端 4 GND 地 5 参考电压输入端 6 DO 串行数据 输出端 7 CLK 时钟输入脚 8 VCC 电源 ADC0831 时序图如 2 8 所示 图 2 8 ADC0831 时序图 调节滑动电阻器改变电阻的大小 利用电阻的大小来模拟温度的高低 具体硬件连接图图 2 9 所 示 图 2 9 温度控制电路图 13 2 5 水位控制电路设计 在水位控制电路中 利用电阻的大小来模拟水位的高低 对于电阻值的 A D 转换 选用的是 ADC0803 和温度控制电路一样 也是通过调节滑动电阻器来改变电阻的大小 利用电阻值的大小来 模拟水位的高低 具体硬件连接图图 2 10 所示 图 2 10 水位检测电路图 2 6 模拟 数字转换电路 A D 转换是将传感器输入的模拟量转换成数字量送入单片机内 设计中应用的是 A D 转换的中断 方式 将转换结束标志信号接到单片机的中断引脚或允许中断的 I O 接口的相应引脚上 当转换结束 时 即提出中断申请 单片机响应后 在中断服务程序中读取数据 这种方式使 A D 转换器与处理器 的工作时间同时进行 因而节省机时 常用于实时性要求比较强或多参数的数据采集系统 模拟 数字转换电路应用的主要芯片是 ADC0803 ADC0803 简介 7 8 路模拟信号的分时采集 片 内有 8 路模拟选通开关 以及相应的通道抵制锁存用译码电路 其转换时间为 100 s 左右 14 图 2 11 ADC0803 引脚图 2 6 1 ADC0803 的内部结构 ADC0803 的内部逻辑结构图如 2 12 图所示 图 2 12 ADC0803 内部逻辑结构图 15 2 6 2 信号引脚 ADC0803 芯片为 28 引脚为双列直插式封装 其引脚排列见图 2 13 对 ADC0803 主要信号引脚的功能说明如下 IN7 IN0 模拟量输入通道 ALE 地址锁存允许信号 对应 ALE 上跳沿 A B C 地址状态送入地址锁存器中 START 转换启动信号 START 上升沿时 复位 ADC0803 START 下降沿时启动芯片 开始进 行 A D 转换 在 A D 转换期间 START 应保持低电平 本信号有时简写为 ST A B C 地址线 通道端口选择线 A B C 为低地址 引脚图中为 ADDA ADDB 和 ADDC CLK 时钟信号 ADC0803 的内部没有时钟电路 所需时钟信号由外界提供 因此有时钟信号引 脚 通常使用频率为 500KHz 的时钟信号 EOC 转换结束信号 EOC 0 正在进行转换 EOC 1 转换结束 使用中该状态信号即可作为查 询的状态标志 又可作为中断请求信号使用 D7 D0 数据输出线 为三态缓冲输出形式 可以和单片机的数据线直接相连 D0为最低位 D7为最高 OE 输出允许信号 用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数据 OE 0 输出数据 线呈高阻 OE 1 输出转换得到的数据 Vcc 5V 电源 Vref 参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较 作为逐次逼近的基准 其典型值为 5V Vref 5V Vref 5V 2 6 3 ADC0803 与单片机的接口设计 16 图 2 13 ADC0803 与单片机的硬件连接 2 7 单片机的控制系统 单片机诞生于 20 世纪 70 年代末 经历了 SCM MCU SOC 三大阶段 第一阶段 SCM 即单 片微型计算机 Single Chip Microcomputer 阶段 主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系 结构 创新模式 获得成功 奠定了 SCM 与通用计算机完全不同的发展道路 第二阶段 MCU 即微 型控制器 Micro Controller Unit 阶段 不断扩展满足嵌入式应用时 对象系统要求的各种外围电路 与接口电路 突显其对象的智能化控制能力 Intel 逐渐变弱 Philips 公司以其在嵌入式应用方面的巨 大优势成为最著名的厂家 将 MCS 51 从单片微型计算机迅速发展到微控制器 第三阶段 单片机是 嵌入式系统的独立发展之路 寻求应用系统在芯片上的最大化是 MCU 阶段发展的重要因素 因此 专用单片机的发展自然形成了 SOC 化趋势 随着微电子技术 IC 设计 EDA 工具的发展 基于 SOC AT89C52 17 的单片机应用系统设计会有较大的发展 因此 对单片机的理解可以从单片微型计算机 单片微控制 器延伸到单片应用系统 单片机的发展 单片机作为微型计算机的一个重要分支 应用面很广 发展 很快 自单片机诞生至今 已发展为上百种系列的近千个机种 我们将 8 位单片机的推出作为起点 那单片机的发展历史大致可分为以下几个阶段 第一阶段 1976 1978 单片机的探索阶段 以 Intel 公司的 MCS 48 为代表 开始探索工控领域 Motorola Zilog 等公司也参与了探索 都取得了满意的效果 第二阶段 1978 1982 单片机的完善阶段 Intel 公司在 MCS 48 基础上推出了完善的 典型的单片机系列 MCS 51 它有完善的外部总线 CPU 外围功能单元集中的管理模式 具有工控特性的位地址空间及位操作方式 指令系统趋于丰富和完善 并且增加了许多突出控制功能的指令 这些都奠定了典型的通用总线型单片机体系结构 第三阶段 1982 1990 8 位单片机的巩固发展及 16 位单片机的推出阶段 也是单片机向微控制器发展的阶 段 Intel 公司推出的 MCS 96 系列单片机 将一些用于测控系统的模数转换器 程序运行监视器 脉 宽调制器等纳入片中 体现了单片机的微控制器特征 随着 MCS 51 系列的广泛应用 许多电气厂商 竞相使用 80C51 为内核 将许多测控系统中使用的电路技术 接口技术 多通道 A D 转换部件 可靠 性技术等应用到单片机中 增强了外围电路功能 强化了智能控制的特征 第四阶段 1990 至今 微控制器的全面发展阶段 随着单片机在各个领域全面深入地发展和应用 出现了高速 大寻址范围 强运算能力的 8 位 16 位 32 位通用型单片机 以及小型廉价的专用型单片机 在选择单片机时也应充分考虑其便利和实用 8031 单片机最大缺点是需要外接 EPROM 电路复 杂 而且 EPROM 还是用紫外线进行擦除的 使用起来很不方便 在经过广泛的比较之后 确定采用 ATMEL 公司的 AT89C52 FLASH 单片机 它不仅具有 8031 单片机的一切功能 还有许多功能是 8031 所没有的 其内部带有 8KB 可多次擦写的 FLASH 内部程序存储器 可用电擦除 十分方便 2 7 1 AT89C52 的主要特性 AT89C52 单片机主要有以下一些特点 1 与 MCS 51 产品兼容 2 具有 8KB 可改写的 FLASH 内部程序存储器 可进行 1000 次擦 写操作 3 全静态操作 0Hz 到 24MHz 4 三级程序存储器加密 5 256 字节内部 RAM 18 6 32 条可编程 I O 线 7 3 个 16 位定时 计数器 8 8 个中断源 9 可编程串行口 10 低功耗空闲和掉电方式 2 7 2 AT89C52 的引脚说明 AT89C52 包括 40 个引脚 其引脚结构如图 2 14 所示 图 2 14 AT89C52 外部管脚排列图 VCC 电源 GND 地 P0 口 P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I O 口 作为输出口 每位能驱动 8 个 TTL 逻辑电平 对 P0 端口写 1 时 引脚用作高阻抗输入 当访问外部程序和数据存储器时 P0 口也被作为低 8 位地 址 数据复用 在这种模式下 P0 具有内部上拉电阻 在 flash 编程时 P0 口也用来接收指令字节 在 程序校验时 输出指令字节 程序校验时 需要外部上拉电阻 P1 口 P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻 辑电平 对 P1 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电流 IIL 此外 P1 0 和 P1 2 分别作定时器 计数器 19 2 的外部计数输入 P1 0 T2 和时器 计数器 2 的触发输入 P1 1 T2 EX 具体如表 2 2 所示 在 flash 编程和校验时 P1 口接收低 8 位地址字节 表 2 2 P1 口部分引脚的第二功能表 引脚号第二功能 P1 0T2 定时器 计数器 T2 的外部计数输入 时钟输出 P1 1T2 EX 定时器 计数器 T2 的捕捉 重载触发信号和方向控制 P1 5MOSI 在系统编程用 P1 6MISO 在系统编程用 P1 7SCK 在系统编程用 P2 口 P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻 辑电平 对 P2 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电流 IIL 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读 取外部数据存储器 例如执行 MOVX DPTR 时 P2 口送出高八位地址 在这种应用中 P2 口使 用很强的内部上拉发送 1 在使用 8 位地址 如 MOVX RI 访问外部数据存储器时 P2 口输出 P2 锁存器的内容 在 flash 编程和校验时 P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号 P3 口 P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻 辑电平 对 P3 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电流 IIL P3 口亦作为 AT89S52 特殊功能 第二功 能 使用 如表 2 3 所示 在 flash 编程和校验时 P3 口也接收一些控制信号 表 2 3 P3 口引脚第二功能表 引脚号第二功能 P3 0RXD 串行输入 P3 1TXD 串行输出 P3 2 外部中断 0 0INT P3 3 外部中断 1 1INT 20 P3 4T0 定时器 0 外部输入 P3 5T1 定时器 1 外部输入 P3 6WR 外部数据存储器写选通 P3 7RD 外部数据存储器写选通 RST 复位输入 晶振工作时 RST 脚持续 2 个机器周期高电平将使单片机复位 看门狗计时完 成后 RST 脚输出 96 个晶振周期的高电平 特殊寄存器 AUXR 地址 8EH 上的 DISRTO 位可以使此功 能无效 DISRTO 默认状态下 复位高电平有效 ALE PROG 地址锁存控制信号 ALE 是访问外部程序存储器时 锁存低 8 位地址的输出脉冲 在 flash 编程时 此引脚 PROG 也用作编程输入脉冲 在一般情况下 ALE 以晶振六分之一的固定 频率输出脉冲 可用来作为外部定时器或时钟使用 然而 特别强调 在每次访问外部数据存储器时 ALE 脉冲将会跳过 如果需要 通过将地址为 8EH 的 SFR 的第 0 位置 1 ALE 操作将无效 这一 位置 1 ALE 仅在执行 MOVX 或 MOVC 指令时有效 否则 ALE 将被微弱拉高 这个 ALE 使 能标志位 地址为 8EH 的 SFR 的第 0 位 的设置对微控制器处于外部执行模式下无效 PSEN 外部程序存储器选通信号 PSEN 是外部程序存储器选通信号 当 AT89C52 从外部程序 存储器执行外部代码时 PSEN 在每个机器周期被激活两次 而在访问外部数据存储器时 PSEN 将不 被激活 EA VPP 访问外部程序存储器控制信号 为使能从 0000H 到 FFFFH 的外部程序存储器读取指令 EA 必须接 GND 为了执行内部程序指令 EA 应该接 VCC 在 flash 编程期间 EA 也接收 12 伏 VPP 电压 XTAL1 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 3 AT89S52 存储器 MCS 51 器件又单独的程序存储器和数据存储器 外部程序存储器和数据存储器都可以 64K 寻址 a 程序存储器 如果 EA 引脚接地 程序读取只从外部程序存储器开始 对于 AT89S52 如果 EA 接 VCC 程序 读写先从内部存储器 地址为 0000H 1FFFH 开始 接着从外部寻址 寻址地址为 21 2000H FFFFH b 数据存储器 AT89S52 有 256 字节片内数据存储器 高 128 字节与特殊功能寄存器重叠 也就是说高 128 字 节与特殊功能寄存器有相同的地址 而物理上是分开的 当一条指令访问高于 7FH 的地址时 寻址方 式决定 CPU 访问高 128 字节 RAM 还是特殊功能寄存器空间 直接寻址方式访问特殊功能寄存器 SFR 例如 下面的直接寻址指令访问 0A0H P2 口 存储单元 MOV 0A0H data 使用间接寻址方式访问高 128 字节 RAM 例如 下面的间接寻址方式中 R0 内容为 0A0H 访 问的是地址 0A0H 的寄存器 而不是 P2 口 它的地址也是 0A0H MOV R0 data 堆栈操作也是简介寻址方式 因此 高 128 字节数据 RAM 也可用于堆栈空间 4 中断 AT89S52 有 6 个中断源 两个外部中断 和 三个定时中断 定时器 0 1 2 和0INT1INT 一个串行中断 每个中断都可以通过置位或清除特殊寄存器 IE 中的相关中断允许控制位分别使得中断 源有效与无效 IE 还包括一个中断允许总控制位 EA 他能一次禁止所有中断 如表 2 5 所示 IE 6 位是不可用的 对于 AT89S52 IE 5 位也是不能用的 用户软件不应给这些位为 1 它们为 AT89 系 列新产品预留 定时器 2 可以被寄存器 T2CON 中的 TF2 和 EXF2 的或逻辑触发 程序进入中断服务程序后 这 些标志位都可以由硬件清 0 定时器 0 和定时器 1 标志位 TF0 和 TF1 在计数溢出的那个周期的 S5P2 被置位 它们的值一直到 下一个周期被电路捕捉下来 然而 定时器 2 的标志位 TF2 在计数溢出的那个周期的 S2P2 被置位 在同一周期被电路捕捉下来 表 2 4 中断允许控制器功能表 符号位地址功能 EAIE 7 中断总允许控制位 EA 0 中断总禁止 EA 1 各中断由各自的控制为设定 IE 6预留 22 ET2IE 5定时器 2 中断允许控制位 ESIE 4串行口中断允许控制位 ET1IE 3定时器 1 中断允许控制位 EX1IE