毕业设计（论文）基于单片机的太阳能热水器控制系统的设计

1、山西大学工程学院 毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题 目 基于单片机的太阳能 热水器控制系统的设计 系 别 电力工程系 专 业 电气工程及其自动化 班 级 电本 0824 姓 名 指导教师 下达日期 2012 年 2 月 20 日 设计时间自 2012 年 2 月 20 日 至 2012 年 5 月 25 日 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 一、设计题目：1、题目名称 基于单片机的太阳能热水器控制系统的设计 2、题目来源 自备 二、目的和意义 通过对一个基于单片机的能实现太阳能热水器控制系统的设计，从而达到学习、了解单片机的 各方面的应用，太阳能热水器的工作原理及实现方法。 系

2、统由主控制器 at89c51、时钟电路 ds1302、显示电路、按键电路、和复位电路等部分构成， 能实现时钟（时、分、秒）显示的功能及对温度的显示与控制等。 三、原始资料 太阳能热水器说明书 四、设计说明书应包括的内容 1、太阳能热水器的发展 2、太阳能热水器的组成及工作原理 3、控制系统的软、硬件实现 4、编写的控制程序等。 五、设计应完成的图纸 1、太阳能热水器控制系统的原理图 2、太阳能热水器控制系统的 pcb 图 六、主要参考资料 1、太阳能热水器说明书 2、 单片机原理、应用及 c51 程序设计 清华大学出版社 七、进度要求 1、设计阶段 第 1 周（ 2 月 20 日）至第 14

3、周（ 5 月 26 日）共 14 周 2、答辩日期 第 14 周（ 2012 年 5 月 26 日） 3、实习阶段 第 15 周（ 5 月 28 日）至第 18 周（ 6 月 22 日）共 3 周 八、其它要求 针对现场对太阳能热水器的要求进行控制系统方面的设计，主要包括水温显示、定时上水、防 冻功能、恒温控制、时钟显示的功能等。 基于单片机的太阳能热水器控制系统的设计基于单片机的太阳能热水器控制系统的设计 摘摘要要 太阳能热水器以其诸多的优点受到人们的欢迎。本文结合实际太阳能热水器的具体 应用，在介绍太阳能、单片机的特点基础上，详细描述了太阳能热水器的工作原理和设 计方案。这里根据太阳能热水

4、器对控制器的要求与特点，提出了一种基于单片机的太阳 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。全文分三大部 分。第一部分包括第一章，描述太阳能的利用和前景发展状况。第二部分包括第二章， 描述太阳能系统组成及工作原理。第三部分包括第三、四章硬件设计及电路原理和软件 设计，分别介绍了一般的太阳能热水器及循环系统、单片机发展和原理，这也是此款太 阳能热水器的理论基础和必要前提。 关键词：太阳能热水器;实时时钟;单片机 design of control system for solar water heater based on scm abstract solar water

5、 heater is popular with its pretty benefits, based on authors real experience on solar water heater design, this article describes the working theory of this solar water hearer after introducing the characters of solar、single chip microcomputer(scm).according to the request and characteristic of sol

6、ar water heater for the controller. providing a design of intelligent con- troller for solar water heater based on scm. sum up a design way of the systems hardware and software. this article is divided into 3 parts. part one is chapter 1,including the use and perspective of solar energy. part two, i

7、ncluding chapter 2, describing the including and the theory of this solar water heater. part three, including chapter 3,chapter 4: the design of hardware and software、the theory of the circuit. separately introducing common solar water heater and cycle system, the development and theory of single ch

8、ip microcomputer(scm),which are the basic theory and necessary precondition. key words：solar water heater；real clock；single chip microcomputer(scm) 目 录 摘要.i abstract .ii 前 言.v 第 1 章 绪论.1 1.1 太阳能热水器的发展背景及意义 .1 1.2 太阳能热水器的主要功能 .2 第 2 章：太阳能热水器的组成及工作原理.4 2.1 太阳能热水器组成及原理 .4 2.2 主要芯片的结构与特点 .5 2.2.1 at89c5

9、1 单片机结构特点.5 2.2.2 74hc595 及 74hc138 介绍.7 2.2.3 ds1302 实时时钟芯片简介.8 第 3 章：太阳能热水器硬件设计.11 3.1 太阳能控制器硬件结构 .11 3.2 控制器实时时钟接口电路 .11 3.3 温度检测及 a/d 转换.12 3.4 看门狗和复位接口电路的设计 .14 3.5 键盘和显示接口电路的设计 .15 3.5.1 键盘电路.15 3.5.2 显示接口电路的设计.16 3.6 水位传感器 .18 第 4 章：控制器的软件设计.20 4.1 主程序设计 .20 结 论.21 参考文献.22 附录一 pcb 元件材料 .23 附录

10、二 程序.24 附录三 ntc103f3950 温度阻值对照表.32 附录四 原理图及 pcb 图 .35 英文文献.37 中文翻译.43 指导教师评语表.47 前 言 随着微电子技术的高速发展，单片机在国民经济的个人领域得到了广泛的运用。单 片机以体积小、功能全、性价比高等诸多优点，在工业控制、家用电器、通信设备、信 息处理、尖端武器等各种测控领域的应用中独占鳌头，单片机开发技术已成为电子信息、 电气、通信、自动化、机电一体化等专业技术人员必须掌握的技术。太阳能热水器是以 太阳能作为能源进行加热的热水器。一般家用太阳能热水器需要自动或半自动运行，控 制系统是不可少的，常用的控制器是自动上水、

11、水满断水并显示水温和水位，带电辅助 加热的太阳能热水器还有漏电保护、防干烧等功能。目前市场上有手机短信控制的智能 化太阳能热水器，具有水位水位查询、故障报警、启动上水、关闭上水、启动电加热等 功能，方便了用户。其温度控制部分是单片机实验中一个很常用的题目。因为它有很好 的开放性和可发挥性，因此对作者的要求比较高，不仅考察了对单片机的掌握能力更加 强调了对单片机扩展的应用。而且在操作的设计上要力求简洁，功能上尽量齐全，显示 界面也要出色。所以，对其温度控制的设计是很有价值的。 王涛 二一二年五月 第 1 章 绪论 1.1 太阳能热水器的发展背景及意义 目前，中国已成为世界上最大的太阳能热水器生产

12、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。但是与之配套的太阳能热水器控制器却一直处在研 究与开发阶段，当由于天气原因而光强不足时，就会给热水器用户带来不便；即使热水 器具有辅助加热功能，由于加热时间不能控制而浪费大量的电能。温度控制采用模糊控 制，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在设定时间达到预先 设定的温度，从而达到 24 小时供应热水的目的。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，正在迅速的推广应用，太阳能热水器能够将太阳辐射能转换 热能，供生产和生活使用。它主要由平板集热器、蓄水器和连接管道等部件组成，可分 循环式、直流式和闷

13、晒式。 太阳能热水器环保、无污染，人们用着安全放心。利用太阳的能源，大量节约现有 的能源，是以后能源发展的趋势。原有的燃气热水器和电热水器虽然加热速度比较快， 但是所用的煤和气都会对环境造成一定的污染，而且会使室内的空气变得不清新，电热 水器的功率较大，对长期使用的一般家庭来说必定会带来一定的经济困难，是一笔相当 大的开销。太阳能热水器安全、环保、经济，带有辅助加热功能的热水器可在全年的任 何时候使用，设计一个控制器来帮助人们了解水的温度和热水器中水位的高低，使人们 清楚的使用。 先前国内外大多数家庭使用的太阳能热水器只是纯粹的太阳能加热问题，还没有其 他的智能控制方面，在没有太阳的天气中没有

14、足够的能源使水箱中的水加到最热。其次 对太阳能热水器中的水位没有记录，使人们不能及时知道水箱中的水量，以便补充，缺 乏自动性。如今大多数的家庭太阳能都装有水位监测和水温测量、显示的功能，使用更 加方便。近年来，利用太阳能和其它能源的结合，使得太阳能热水器更加的完善，在任 何天气情况下都能使用到热水。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，这是世面上 大部分热水器所不

15、能比拟的。 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。太阳能热水器顺着时代发展的要求，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需用量很大。 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、 石油、天然气的存储量日益减少，能源危机已日益增长，环境污染的危机已威胁着生态

16、 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，因而尚未被人们大规模使用。 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， 同时给人民提供低耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。世界各国的 太阳能热水器生产发展也很快。例如：澳大利亚政府规定，在北部地区新建房屋一定要 设置太阳能热水器，已经有 25的新住宅安装了太阳能热水器。日本现在每年安装太阳 能热水器近 50 万台，计划今后普及率更高。有些国家法令规

17、定所有新建筑物必须配备太 阳能热水器。 太阳能热水器的推广应用及经济效益据不完全统计，迄今全国太阳能热水器累计安 装使用总量已达到 300 万平方米以上。所以该控制器具有使用方便、性价比高、工作可 靠、精度高等特点，为太阳能热水器的进一步推广具有积极的推动作用。 本设计主要利用单片机为核心，选择热敏电阻 ntc10k，将检测的模拟信号经过 a/d 转换后送入单片机处理。通过 led 数码管来显示温度和水位。要经过几部分的设计来完 成： （1）led 数码管显示部分设计 （2）a/d 转换部分设计 （3）温度采集部分设计 （4）控制加热和上水电路设计 从系统需要和研究内容可以看出，本设计需要做的

18、主要工作有：查阅相关资料，了 解各部分功能原理。查阅元器件资料，掌握器件工作原理和硬件实现方法。 1.2 太阳能热水器的主要功能 （1）数码管水温水位显示：集热器顶部温度处显示集热器顶部温度 t1，集热器底部温度 处显示集热器底部温度 t2，集热器底部温度处显示储热水箱温度 t3，水箱温度处显示恒 温水箱温度 t4，水箱温度处显示用户管路温度 t5，按向下键一次集热器顶部温度处显示 图 1-1 运行图 温度 t6，时钟处显示实时时钟，定时时间处显示定时加热时间和定时上水时间，状态显 示区显示各种外接负载的运行状态。 （2）温差循环：当集热器顶部温度与储热水箱温度之差 t1-t37（可调）时，水

19、泵 p1 打开，进行循环，当 t1-t340（可调）水位小于 6 格， 且电磁阀 e1 不启动时，启动泵 p3，当 t390（可调）时，p1 不启动（按泵循环按键 可启动 p1，5 分钟后停） ；当 t125mhz； 标准串行（ spi ）接口；cmos 串行输出，可用于多个设备的级联； 低功耗： ta =25 时， icc=4 a （ max ） 三、管脚定义、说明 管脚编号管脚名说明 1、2、3、4 、5、6、7 、15 o0o7 三态输出管脚 8 gnd 电源地 9qh 清零端 图 2-4 74hc595 管脚图 表 2-3 75c595 管脚说 明 74hc13874hc138 介绍介

20、绍 1、概述与特点 74hc138 是一款高速 cmos 器 件，74hc138 引脚兼容低功耗肖特 基 ttl（lsttl）系列。 74hc138 译码器可接受 3 位二 进制加权地址输入（a0, a1 和 a2） ，并当使能时，提供 8 个互斥的低有效输出（y0 至 y7） 。74hc138 特有 3 个使能输入端：两个低有效（e1 和 e2）和一个高有效（e3） 。除 非 e1 和 e2 置低且 e3 置高，否则 74hc138 将保持所有输出为高。利用这种复合使能特 性，仅需 4 片 74hc138 芯片和 1 个反相器，即可轻松实现并行扩展，组合成为一个 1- 32（5 线到 32

21、线）译码器。任选一个低有效使能输入端作为数据输入，而把其余的使能 输入端作为选通端，则 74hc138 亦可充当一个 8 输出多路分配器，未使用的使能输入端 必须保持绑定在各自合适的高有效或低有效状态。74hc138 与 74hc238 逻辑功能一致， 只不过 74hc138 为反相输出。 cd74hc138 ，cd74hc238 和 cd74hct138 ，cd74hct238 是高速硅栅 cmos 解 码器，适合内存地址解码或数据路由应用。74hc138 作用原理于高性能的存贮译码或要 求传输延迟时间短的数据传输系统，在高性能存贮器系统中，用这种译码器可以提高译 码系统的效率。将快速赋能电

22、路用于高速存贮器时，译码器的延迟时间和存贮器的赋能 时间通常小于存贮器的典型存取时间，这就是说由肖特基钳位的系统译码器所引起的有 效系统延迟可以忽略不计。hc138 按照三位二进制输入码和赋能输入条件，从 8 个输出 端中译出一个低电平输出。两个低电平有效的赋能输入端和一个高电平有效的赋能输入 端减少了扩展所需要的外接门或倒相器，扩展成 24 线译码器不需外接门；扩展成 32 线 译码器，只需要接一个外接倒相器。在解调器应用中，赋能输入端可用作数据输入端。 二、主要特性 电压 2.06.0v ； 驱动电流 5.2ma ； 传输延迟 12ns5v； 逻辑电平 cmos； 功耗考量 低功耗或电池供

23、电应用 ； 封装与引脚 so16、ssop16、dip16、tssop16 3、管脚定义、说明 10srclr 移位寄存器清零端 11srclk 数据输入时钟线 12rclk 输出存储器锁存时钟线 13oe 输出使能 14ser 数据线 16vcc 电源端 管脚编号管脚名说明 7、9、10、11、 12、13、14、15 y0y7 输出管脚 1、2、3 a0a2 输入管脚 4、5、6 e1e3 使能端 8gnd 电源地 16vcc 电源 表 2-4 74hc138 管脚说 明 图 2-5 74hc138 管脚图 2.2.3 ds1302 实时时钟芯片简介 实时时钟电路 ds1302 是 dal

24、las 公司的一种具有涓细电流充电能力的电路，主要 特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充 电功能。采用普通 32.768khz 晶振。 1、ds1302 的结构及工作原理 ds1302 是美国 dallas 公司推出的一种高性能、低功耗、带 ram 的实时时钟电 路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压 为 2.5v5.5v。采用三线接口与 cpu 进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字 节的时钟信号或 ram 数据。ds1302 内部有一个 318 的用于临时性存放数据的 ram 寄 存器。ds1302 是 d

25、s1202 的升级产品，与 ds1202 兼容，但增加了主电源/后备电源双电 源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。 2、引脚功能及结构 ds1302 的引脚排列,其中 vcc1 为后备电源，vcc2 为主电源。在主电源关闭的情况下， 也能保持时钟的连续运行。ds1302 由 vcc1 或 vcc2 两者中的较大者供电。当 vcc2 大于 vcc1+0.2v 时，vcc2 给 ds1302 供电。当 vcc2 小于 vcc1 时，ds1302 由 vcc1 供电。x1 和 x2 是振荡源，外接 32.768khz 晶振。rst 是复位/片选线，通过把 rst 输入驱动置高 电平来

26、启动所有的数据传送。rst 输入有两种功能：首先，rst 接通控制逻辑，允许地 址/命令序列送入移位寄存器；其次，rst 提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当 rst 为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对 ds1302 进行操作。如果在传送过程 中 rst 置为低电平，则会终止此次数据传送，i/o 引脚变为高阻态。上电运行时，在 vcc2.0v 之前，rst 必须保持低电平。只有在 sclk 为低电平时，才能将 rst 置为高电 平。i/o 为串行数据输入输出端(双向)，后面有详细说明。sclk 为时钟输入端。 3、ds1302 的控制字节 ds1302 的控制字如图 2-7 所示。

27、控制字节的最高有效位(位 7)必须是逻辑 1，如果它 为 0，则不能把数据写入 ds1302 中，位 6 如果为 0，则表示存取日历时钟数据，为 1 表 示存取 ram 数据；位 5 至位 1 指示操作单元的地址；最低有效位(位 0)如为 0 表示要进 行写操作，为 1 表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。 4、数据输入输出 (i/o) 管脚编号管脚名说明 1vcc2主电源 2、3 x1、x2震荡源，外接 32768hz 晶振 4gnd电源地 5rst复位/片选线 6 i/o串行数据输入/输出端（双向） 7sclk串行数据输入端 8vcc1后备电源 表 2-5 ds1302 引脚功能

28、表 图 2-6 ds1302 引脚图 图 2-7 ds1302 控制字节图 在控制指令字输入后的下一个 sclk 时钟的上升沿时，数据被写入 ds1302，数据 输入从低位即位 0 开始。同样，在紧跟 8 位的控制指令字后的下一个 sclk 脉冲的下降 沿读出 ds1302 的数据，读出数据时从低位 0 位到高位 7。 5、ds1302 的寄存器 ds1302 有 12 个寄存器，其中有 7 个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为 bcd 码形式,其日历、时间寄存器及其控制字见表 2-6。 命令字各位内容 寄存器名称 写操作 读操作 取值范围 7 6 5 4 3 2 1 0 秒寄存器 80h

29、 81h0059 ch 10sfc sec 分寄存器 82h 83h0059 0 10min min 时寄存器 84h 85h 0112 或 0023 12/24 0 10 hr hr 日寄存器 86h 87h 0128，29 ，30，31 0 0 10 date date 月寄存器 88h 89h0112 0 0 0 10m month 周寄存器 8ah 8bh0107 0 0 0 0 0 day 年寄存器 8ch 8dh0099 10year year 此外，ds1302 还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与 ram 相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充

30、电寄存器外的所有寄存器 内容。 ds1302 与 ram 相关的寄存器分为两类：一类是单个 ram 单元，共 31 个，每 个单元组态为一个 8 位的字节，其命令控制字为 c0hfdh，其中奇数为读操作，偶数 为写操作；另一类为突发方式下的 ram 寄存器，此方式下可一次性读写所有的 ram 的 31 个字节，命令控制字为 feh(写)、ffh(读)。 表 2-6 日历、时间寄存器及其控制 字 第 3 章：太阳能热水器硬件设计 3.1 太阳能控制器硬件结构 图 3-1 系统总体硬件框图 系统总体硬件框图与工作原理： 经过对所要设计的控制系统的功能要求进行分析，可以得到系统的总体硬件设计框 图，

31、如图 3-1 所示。 由系统的总框图可以看出该系统的工作原理为：单片机 89c51 作为控制核心并协调 整个系统的工作，通过数字温度传感器检测当前水的温度，数字信号直接送入单片机 89c51 内，通过单片机的处理在 led 数码管上显示当前的温度值。另外一路是在水箱中 的水位传感器测水的压力从而得到水位的高低，水位传感器输出的是 05v 的模拟量， 要经过 a/d 转换成为数字量再送入单片机 89c51 进行处理，在 led 数码管上显示水位值。 3.2 控制器实时时钟接口电路 为实现热水器 24 小时供应热水的目的，控制器必须有一个实时时钟来为系统提供准 确的基准时间；在软件设计上则要实时地

32、读出当前时间，同设定时间比较，以决定系统 工作状态。本系统采用美国 dallas 公司推出的一种高性能、低功耗、带 ram 的实时 时钟电路 ds1302。它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功 能，工作电压为 2.5v5.5v。采用三线接口与 cpu 进行同步通信，并可采用突发方式一 次传送多个字节的时钟信号或 ram 数据。ds1302 内部有一个 318 的用于临时性存放 数据的 ram 寄存器。ds1302 是 ds1202 的升级产品，与 ds1202 兼容，但增加了主电源 /后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。 3.3 温度检测及

33、a/d 转换 温度检测主要采用热敏电阻 ntc10k，并结合单片机的 a/d 转换功能，通过对电路 中热敏电阻两端电压的计算，求出其对应的电阻阻值，通过 ntc10k 的温度及对应阻值 表格（0-99）找出温度。 1、热敏电阻 ntc10k 的测温原理 ntc（negative temperature coefficient）是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有 负温度系数的热敏电阻现象和材料。该材料是利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种 或两种以上的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺而成的半导体陶瓷，可制成 具有负温度系数（ntc）的热敏电阻。其电阻率和材料常数随材料成分比例、烧结气

34、氛、 烧结温度和结构状态不同而变化。现在还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为代表的 非氧化物系 ntc 热敏电阻材料。 ntc 热敏半导瓷大多是尖晶石结构或其他结构的氧化物陶瓷，具有负的温度系数， 电阻值可近似表示为： rt = rt *exp(bn*（1/t-1/t0) 式中 rt、rt0 分别为温度 t、t0 时的电阻值，bn 为材料常数陶瓷晶粒本身由于 温度变化而使电阻率发生变化，这是由半导体特性决定的。 ntc 的特性曲线如下图 3-2 所示： 二、单片机的 a/d 转换 单片机的 a/d 转换口在 p1 口（p1.7-p1.0） ，有 8 路 10 位高速 a/d 转换器，速度可达

35、250khz（25 万次/秒） 。8 路电压输入型 a/d，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、 频谱检测等。上电复位后 p1 口为弱上拉型 i/o 口，用户可以通过软件设置将 8 路中的任 何一路设置为 a/d 转换，不需作为 a/d 试用的口可继续作为 i/o 口使用。 单片机 a/d 转换器的结构如下图 3-3 所示： 图 3-2 ntc 特性曲线图 当 auxr.1/adrj=0 时，a/d 转换结果寄存器格式如下： 当 auxr.1/adrj=1 时，a/d 转换结果寄存器格式如下： adc（a/d 转换器）由多路选择开关、比较器、逐次比较寄存器、10 位 dac、转换 结果寄存器

36、(adc_res 和 adc_resl)以及 adc_contr 构成。是逐次比较型 adc。逐 次比较型 adc 由一个比较器和 d/a 转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位(msb)开 始，顺序地对每一输入电压与内置 d/a 转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所 得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。逐次比较型 a/d 转换器具有速度高，功耗低等 优点。 从上图可看出，模拟多路开关，将通过 adc0-7 的模拟量输入送给比较器。用数/模 转换器的模拟量与本次输入的模拟量通过比较器进行比较，将比较结果保存到逐次比较 器，并通过逐次比较寄存器输出转换结果。a/d 转换结束后，最终的转换结

37、果保存到 adc 转换结果寄存器 adc_res 和 adc_resl，同时，置位 adc 控制寄存器 adc_contr 中的 a/d 转换结束标志位 adc_flag，以供程序查询或发出申请中断。模 拟通道的选择控制由 adc 控制寄存器 adc_contr 中的 chs2chs0 确定。adc 的转 换速度由 adc 控制寄存器中的 speed1 和 speed0 确定。在使用前，应先给 adc 上电， 也就是置位 adc 控制寄存器中的 adc_power 位。 adc_power：adc 电源控制位。 图 3-3 单片机 a/d 转换器的结构图 0：关闭 a/d 转换器电源；1：打开

38、 a/d 转换器电源。 建议进入空闲模式前，将 adc 电源关闭，即 adc_power=0。启动 a/d 转换前一 定要确认 a/d 电源已打开，a/d 转换结束后关闭 a/d 电源可降低功耗，也可不关闭。初 次打开内部 a/d 转换模拟电源，需适当延时，等内部模拟电源稳定后，再启动 a/d 转换。 speed1，speed0：模数转换器转换速度控制位 speed1speed0a/d 转换所需时间 11 90 个时钟周期转换一次，cpu 工作频率 21mhz 时，a/d 转换速度约 250khz 10180 个时钟周期转换一次 01360 个时钟周期转换一次 00540 个时钟周期转换一次

39、adc_flag：模拟转换器结束标志位。当 a/d 转换完成后，adc_flag=1，要由软件清 0。不管是 a/d 转换完成后由申请产生中断，还是由软件查询该标志位 a/d 转换是否结束， 当 a/d 转换完成后，adc_flag=1，一定要软件清 0。 adc_start：模拟转换器转换启动控制位。设置为 1 时，开始转换，转换结束后为 0。 chs2/chs1/chs0：模拟通道选择。 chs2chs1chs0模拟输入通道选择 000选择 p1.0 作为 a/d 输入来用 001选择 p1.1 作为 a/d 输入来用 010选择 p1.2 作为 a/d 输入来用 011选择 p1.3 作

40、为 a/d 输入来用 100选择 p1.4 作为 a/d 输入来用 101选择 p1.5 作为 a/d 输入来用 110选择 p1.6 作为 a/d 输入来用 111选择 p1.7 作为 a/d 输入来用 1）当 adrj=0 时，如果取 10 位结果，则按下面公式计算： 10-bit a/d conversion result：（adc_res7:0,adc_resl1:0）=1024vin/vcc 2）当 adrj=0 时，如果取 8 位结果，则按下面公式计算： 8-bit a/d conversion result：（adc_res7:0)=256vin/vcc 3）当 adrj=1 时

41、，如果取 10 位结果，则按下面公式计算： 10-bit a/d conversion result：（adc_res1:0,adc_resl7:0）=1024vin/vcc 式中，vin 为模拟输入通道输入电压，vcc 为单片机实际工作过电压，用单片机工作 电压作为模拟参考电压。 3.4 看门狗和复位接口电路的设计 在由单片机构成的微型计算机系统中，由于单片机的工作常常会受到来自外界电磁 场的干扰，造成程序的跑飞，而陷入死循环，程序的正常运行被打断，由单片机控制的 系统无法继续工作，会造成整个系统的陷入停滞状态，发生不可预料的后果，所以出于 对单片机运行状态进行实时监测的考虑，便产生了一种专

42、门用于监测单片机程序运行状 态的芯片，俗称看门狗(watchdog)。 看门狗，又叫 watchdog timer，是一个定时器电路，一般有一个输入，叫喂狗 (kicking the dog or service the dog） ，一个输出到 mcu 的 rst 端，mcu 正常工作的时候， 每隔一段时间输出一个信号到喂狗端，给 wdt 清零，如果超过规定的时间不喂狗， （一 般在程序跑飞时） ，wdt 定时超过，就会给出一个复位信号到 mcu，使 mcu 复位，防 止 mcu 死机.。看门狗的作用就是防止程序发生死循环，或者说程序跑飞。 在工业控制、汽车电子、航空航天等需要高可靠性的系统中

43、，为了防止系统在异常 情况下，受到干扰，mcu/cpu 程序跑飞，导致系统长时间异常工作，通常是引进看门狗， 如果 mcu/cpu 不在规定的时间内按要求访问看门狗，就认为 mcu/cpu 处于异常状态， 看门狗就会强迫 mcu/cpu 复位，使系统重新从头开始按规律执行用户程序。单片机 at89c51 内部也引进此看门狗功能，使单片机系统可靠性设计变得更加方便/简洁。 1、工作原理 在系统运行以后也就启动了看门狗的计数器，看门狗就开始自动计数，如果到了一 定的时间还不去清看门狗，那么看门狗计数器就会溢出从而引起看门狗中断，造成系统 复位。 二、系统软件看门狗的设计思路： 1、看门狗定时器 t

44、0 的设置。在初始化程序块中设置 t0 的工作方式，并开启中断和 计数功能。系统 fosc=12 mhz，t0 为 16 位计数器，最大计数值为（2 的 16 次方）-1=65 535，t0 输入计数频率是fosc/12，溢出周期为（65 535+1）/1=65 536（s） 。 2、计算主控程序循环一次的耗时。考虑系统各功能模块及其循环次数，本系统主控 制程序的运行时间约为 166 ms。系统设置看门狗定时器 t0 定时 30 ms(t0 的初值为 65 536-30 000=35 536） 。主控程序的每次循环都将刷新 t0 的初值。如程序进入死循环 而 t0 的初值在 30 ms 内未被

45、刷新，这时看门狗定时器 t0 将溢出并申请中断。 3、设计 t0 溢出所对应的中断服务程序。此子程序只须一条指令，即在 t0 对应的中 断向量地址(000bh）写入无条件转移命令，把计算机拖回整个程序的第一行，对单片 机重新进行初始化并获得正确的执行顺序 3.5 键盘和显示接口电路的设计 3.5.1 键盘电路 键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人工干预 单片机的主要手段。 一、键盘输入应解决的问题： 1键盘输入的特点 键盘的实质是一组开关的集合。通常按键所用开关为机械弹性开关，均利用了机械 触点的合、断。一个电压信号通过机械触点的断开、闭合过程，由于机械触点的弹性

46、作 用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下断开。因而，在 闭合和断开的瞬间均伴随着一连串的抖动，抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一 般为 510ms。 2键盘接口的工作原理 图 3-5 led 数码管外形及引脚 图 常见的键盘接口分为独立式键盘接口和矩阵式键盘接口两种。矩阵式键盘接口是适 用于按键数量较多的场合，它由行线和列线组成，按键位于行、列的交叉点上。在按键 数量较多的场合，矩阵键盘与独立式按键相比，要节省很多 i/o 口线。由于本系统设计所 需的按键较少，为了编程简单、方便，所以采用独立式键盘接口输入。 二、独立式键盘电路 p1.0- p1.7 口作为按键的

47、信号输入端，键按下，就执行该键的功能。 当按钮按下后，电路与地接通时，i/o 口与地面相连为低电平。按钮没有按下时，电 路不与地面相接，i/o 口与电压高端相连为高电平。 本设计中采用了共阴极接法。如图 3-4 所示： 3.5.2 显示接口电路的设计 一、led 显示器有静态和动态显示两种方式。 （1）led 静态显示 led 显示器工作于静态显示方式时，各位的共阴极（或共阳极）连接在一起并接地 (或+5v)；每位的段选线（a-dp）分别与一个八位的锁存器输出相连。所以称为静态显示。 各个 led 的显示字符一经确定，相应锁存器的输出将维持不变，直到显示另一个字符为 止。也正是因为如此，静态显

48、示的亮度比较高。 （2）led 动态显示 在多位 led 显示时，为简化硬件电路，通常将所有的位的段选线相应的并联在一起， 由一个 8 位 i/o 口控制，形成段选线的多路复用。而各共 阳极或共阴极分别由相应的 i/o 线控制，实现各位的分时 选通。 由于动态显示所用接口管线较少，因此本系统采用 led 显示器的动态显示方式。 二、led 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。 led 数码管由发光二极管作为

49、显示字段的数码型显示器件。图 3-5 为 led 数码管外 图 3-4 采用共阴极接法的按钮原理图 g f c om a b 10 9 8 7 6 1 2 3 4 5 e d c om c dp dp （ a ） （ b ） dp g f e d c b a +5v 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。 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。 为了节省单片机 i/o

50、 口的数量，将各位数码管的 ag 对应笔画并联起来分别与 74hc595 的 8 位串行输入相连，再与单片机的 p2.0p2.2 引脚连接。显示时，由 p2 口并 行输出各位数字的笔段码，并依次由 74hc138 来控制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，既保证了各 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。如图 3-6 所示： 三、led 显示中的发光二极管根据其连接的方法有共阴极和共阳极两种结构。 （1） 共阴极结构 把各段发光二极管的阴极连接在一起构成公共阴极。使用时，公共阴极接地，根据 要求需点亮发光

51、二极管的阳极输入高电平，不需点亮的发光二极管的阳极输入低电平。 （2）共阳极结构 把各段发光二极管的阳极连接在一起构成公共阳极。使用时，公共阳极接+5v（或高 电平） ，根据要求需要点亮发光二极管的阴极输入低电平，不需点亮的发光二极管的阴极 输入高电平。如图 3-7 所示：通过控制 7 个段的发光二极管的亮暗的不同组合，可以显示 多种数字、字母以及其他符号。 图 3-6 led 数码管与 74hc595 及 74hc138 的接线图 图 3-7 采用共阴极接法的原理图 动态扫描显示控制方式就是逐个地循环点亮各位显示器，即在某一瞬间，只让某一 位的位选线处于选通状态（共阳极的为高电平，共阴极的为

52、低电平）其它各位的位选线 处于断开状态，同时段选线上输出相应位要显示字符的字段码。这样在每一个瞬间，8 位 led 中只有选通的那一位 led 显示出字符，而其它 7 位则是熄灭的。同样，在下一瞬 间，只显示下 1 位 led。如此继续下去，等 8 位 led 都显示完毕后，在循环进行。虽然 这些字符是在不同的瞬时轮流点亮的，但由于人眼的视觉残留效应，看到的是 8 位稳定 显示的字符，与静态显示的效果完全一样。所以为了简化电路、降低成本，此系统中采 用动态显示方式。 3.6 水位传感器 水位传感器由温控器部分与水位控制部分组成，与其配套的还有电动阀前的减压装 置，及用于加热的旋转式消声加热器。

53、容器内的水位传感器，将感受到的水位信号传送 到控制器，控制器内的计算机将实测的水位信号与设定信号进行比较，得出偏差，然后 根据偏差的性质，向给水电动阀发出开关的指令，保证容器达到设定水位。进水程序 完成后，温控部份的计算机向供给热媒的电动阀发出开的指令，于是系统开始对容器内 的水进行加热。到设定温度时，控制器才发出关阀的命令，切断热源，系统进入保温状 态。程序编制过程中，确保系统在没有达到安全水位的情况下，控制热源的电动调节阀 不开阀，从而避免了热量的损失与事故的发生。 （1）用途：投入式水位传感器适用于石油化工、水利、电力、制药、供排水、环保等系 统和行业的各种介质的水位测量。精巧的结构，简

54、单的调校和灵活的安装方式为用户轻 松地使用提供了方便。 （2）工作原理：采用水压压力与该水的高度成比例的原理，当水位传感器投入到被测液 体中某一深度时，传感器迎液面受到的压力公式为： = gh + po 式中： p ：变送器迎液面所受压力 ：被测液体密度 g ：当地重力加速度 po ：液面上大气压 h ：变送器投入液体的深度 同时，通过导气不锈钢将液体的压力引入到传感器的正压腔，再将液面上的大气压 po 与传感器的负压腔相连，以抵消传感器背面的 po ，使传感器测得压力为：gh ， 显然 , 通过测取压力 p ，可以得到液位高度。 （3）功能特点：稳定性好，满度、零位长期稳定性可达 0.1%f

55、s/ 年。在补偿温度 0 70 范围内，温度飘移低于 0.1%fs ，在整个允许工作温度范围内低于 0.3%fs 。具有 反向保护、限流保护电路，在安装时正负极接反不会损坏变送器，异常时送器会自动限 流在 35ma 以内。固态结构，无可动部件，高可靠性，使用寿命长。直接投入、安装方 便、结构简单、经济耐用。 （4）技术指标：（本技术指标参考 hdp601s ） 结构配置：采用扩散硅压阻芯体,316 全不锈钢封焊,带三位半数字显示，可直接显示 现场水位 测量范围：100mmh2o100mh2o、500mmh2o500mh2o (水位高/深度) 综合精度：0.2%fs、0.5%fs、1.0%fs

56、输出信号(通讯输出)： 420ma(二线制)、05v、15v、010v(三线制)、 rs485、rs232 现场显示：hdp601-无; hdp601s-led 三位半，0000 - 1999 供电电压：24dcv(936dcv) 介质温度:：085 环境温度：常温(-2085) 负载电阻：电流输出型：最大 800；电压输出型：大于 50k 绝缘电阻：大于 2000m (100vdc 密封等级：ip68 长期稳定性能: 0.1%fs/年 振动影响： 在机械振动频率 20hz1000hz 内，输出变化小于 0.1%fs 电气接口(信号接口): 紧线防水螺母与五芯通气电缆连接。 测量方式： 投入式

57、，潜入式 （5）应用范围：主要适用于水处理厂、工业水塔及储水容器等的液位测量与控制。重型 探头，采用齐平式膜片易于清洗，可使用于河流、地下水位、水库等特殊环境。 （6）性能和优点：其机械结构对过载及腐蚀性介质具有高抵抗性。高精度、长期稳定的 陶瓷电容和进口扩散硅测量单元。密封的电子模块及双滤波压力补偿系统可抵抗气候现 场变化的影响。电子模块可输出 4-20ma 信号并同时带有过压保护的模块。选择集成的温 度传感器 pt100 可同时进行物位及温度的测量。 第 4 章：控制器的软件设计 4.1 主程序设计 硬件电路是一切的基础，在其基础上软件设计是关键的部分，它是单片机工作的重 点，就是让各部分

58、协调工作的命令，软件程序的重要性是毋庸置疑的，是整个控制系统 的命脉，根据各部分编写相应的驱动程序，才能使得相应的芯片有其功能，所以程序设 计是非常重要的。芯片的工作有着与自己对应的时序图，只有根据时序准确的执行命令 才能达到想要的目的，实现芯片的功能。程序的设计还要有着一定的思路，根据系统运 行的过程要画出相应的程序流程图，根据流程图写程序是非常方便的，也不容易产生错 误，得到正确的程序。如图 41 所示 初始化 开始 开中断 显示温度和水位 是否到了水位底线？ 关进水阀门 是否到设定的温度？ 关闭加热器 自动上水 开加热器 y n y n 图 41 系统程序总流程图 结 论 该控制器和以往

59、显示仪相比具有性能价格比高、温度控制与显示精度高、使用方便 和性能稳定等优点。单片机控制系统具有低价、智能的优势，能够根据需求的不同而作 相应的调整，更加个性化。同时，使用单片机控制系统能够节约能源，保护设备，延长 设备的使用时间。 该热水器具备以下特点： （1）结构简单、运行可靠、操作维护简便。 （2）热源取之不尽用之不竭，不需要运输，节省燃料。 （3）无污染，不会对周围环境造成任何影响。 （4）热水产量受季节、地区纬度、采热面积、采热器类型、环境温度、供水温度、 风速、日照实际等因素影响较大。 （5）该系统加装减压阀后可与锅炉配套使用，解决冬季用水。 不用考虑玻璃盖的防冻装置。 （6）该热

60、水器装置置于浴室屋订占地面积较大，同时增加了建筑物的载荷。 通过这一学期的设计，学习到了很多关于单片机及太阳能热水器的知识。因为是初 次接触这些东西，所以在设计上显得有些不完善。比如，时钟显示的实现上，因为结合 c 语言的编程方面有些困难，所以目前还没有编制出来，不过在原理上都大致掌握了。 参考文献 1 刘福才，刘丰，刘立伟. avr 单片机在太阳能热水器智能控制器中的应用， 1999.4. 2 王长胤，文军. 单片单板机原理及应用m . 武汉：武汉大学出版社， 1993. 3 向奇汝. 多功能温度控制器j . 自动化与仪器仪表，1999. 4 何立民. 单片机中、高级教程. 北京航空航天出版