太阳能热水器控制毕业设计论文

1、中华人民共和国教育部毕业设计论文题目： 太阳能热水器中央控制器的设计与实现学 生: 指导教师: 学 院: 专 业:2007年6月当今计算机技术在飞速发展，微机应用日益普及深入，微机在通信 自动化、工业自动控制、电子测量、信息管理和信息系统等方面得到广 泛的应用。嵌入式计算机系统是以应用为中心，以计算机技术为基础， 软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能，可靠性，成本，体积，功效等 严格要求的专业计算机系统。其最初应用是基于单片机的。单片机小巧 灵活，成本低，易于产品化。它面向控制，能针对性的解决从简单到复 杂的各种控制任务。目前，国内的太阳能热水器还处于研发阶段，这种控制器只具有温 度和水位的显示

2、功能，不具有温度控制功能。由于加热时间不能控制而 导致过烧，从而浪费大量电能。本设计是以89C51单片机为检测控制中心，采用ds12887实时时钟，实现了温度，水位，时间三种参数的实时 显示功能。关键词：单片机；太阳能热水器；智能控制；水位；温度；时间；The Desig n and realizati on of the Solar-powered water heaters cen tral con trollerAbstractToday the computer technology is developedquickly.The microcomputer is increasing

3、ly used widely.摘要Abstract第1章绪论. 11.1目前太阳能热水器的研发面临的问题 . 1第二章系统总体设计方案 . 22.1系统任务和功能. 22.2 AT89C51 功能和特点 . 32.3通用四运算放大器 LM324. 52.3.1.LM324 作反相交流放大器 . 62.3.2LM324 作测温电路 .62.4 DS18B20 数字式温度传感器 . 72.4.1 DS18B20与单片机的典型接口设计 . 82.5锁存器 LM373. 102.6 I/O 接口电路 8255A. 11第三章 太阳能热水器中央控制器的硬件设计 . 143.1前端的模拟电路设计 . 14

4、3.1.1温度传感器的选用. 163.1.2DS18B20与单片机的典型接口. 163.2 8255A 与单片机的典型接口设计. 173.2.1 ADC0809 与89C51单片机的接口设计 . 173.3键盘和显示器接口设计 . 183.3.1键盘工作原理. 183.3.2LED 显示器工作原理. 203.3.3接口芯片的选择及其原理. 203.4单片机复位电路的设计. 223.5单片机时钟电路的设计. 243.6系统原理综述 . 25第四章 太阳能热水器中央控制器的软件设计 . 274.1系统总体软件设计 . 274.2数据采集软件设计 . 274.2.1中断服务子程序. 274.2.2水

5、位检测子程序. 294.3显示和键盘软件设计 . 304.3.1动态显示子程序设计. 304.3.2键盘子程序设计. 32第五章抗干扰技术设计 . 345.1主要抗干扰技术 . 345.2提高系统抗干扰能力的主要方法 . 34第六章结论 . 37参考文献附录致谢太阳能热水器中央控制器的设计与实现第一章绪论当今计算机技术在飞速发展，微机应用日益普及深入，微机在通信 自动化、工业自动控制、电子测量、信息管理和信息系统等方面得到广 泛的应用。嵌入式计算机系统是以应用为中心，以计算机技术为基础， 软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能，可靠性，成本，体积，功效等 严格要求的专业计算机系统。其最初应用是基于

6、单片机的。单片机小巧 灵活，成本低，易于产品化。它面向控制，能针对性的解决从简单到复 杂的各种控制任务。单片机具有体积小，功耗低，价格便宜等优点，近年来还开发了一 些以单片机母片为核，在片中嵌入更多的专用型单片机，因此单片机在 计算机控制领域中应用越来越广泛。单片机的应用意义不仅限于它的广 泛及所带来的巨大的经济效益。更重要的是在于单片机的应用正是从根 本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。从前必须由模拟电路 或数字电路实现的大部分功能，现在已能使用单片机通过软件的方法实 现。这种以软件取代硬件并提高系统性能的控制技术，称之为微控制技 术。微控制技术标志着一种全新概念的出现，是对传统控制

7、技术的一次 革命。随着单片机应用的推广和普及，微控制技术必将不断发展，日益 完善。作为目前炙手可热的太阳能热水器，以其智能化和人工化为其显 著特点。其中就是以单片机为中央处理器核心，完成了诸多的功能，发 挥了至关重要的作用。1.1目前太阳能热水器的研发面临的问题太阳能热水器使用方便，节能，无污染，普及推广迅速。目前市场 上太阳能热水器的控制系统大部分都存在着或多或少的缺点：功能单 一、操作复杂、控制不方便等。随着人们生活水平的提高和电子技术的 发展,这样的太阳能热水器控制系统越来越不适应人们的生活需求 ，开 发一种控制方便，操作灵活的太阳能热水器的控制系统，已经成为当务 之急。本文设计了一种以

8、单片机 AT89C51为核心,显示直观,操作方便,带有看门殉及监控的F2PR0MF2PR0Mi i工作狀态指示电路控制灵活的控制器第二章系统总体方案设计随着计算机在各种智能控制系统应用中的不断深入与蓬勃发展 ， 单片机更以其小巧的外形、较高的性价比、灵活的控制方式广泛地应用 在这一领域。文章所介绍的太阳能热水器自动控制系统 ，将低价位的单 片机引入太阳能热水器中，以单片机作为核心部件，实时采集温度和水 位数据，并设置报警系统，当水位不符合某一标准时发出报警信号，还 有定时提醒加水的电路。本系统实现了多重功能的有机结合和智能控 制。2.1系统任务和功能(1)多点水温水位输入及显示功能。(2)辅助

9、能源加热控制功能：定时加热、自动加热控制(3)上水控制功能：自动上水、定温上水控制。(4)报警控制功能：高、低温及高、低水位报警控制。(5)检测控制功能：手动输出检查。放大器驱动电蹄水位捋示电路口 1温度显示水泵钱盘电磁阀* 报警电路自动挖制仪I执疔部杵数四 据透 症一89C51 单片机 系统V/F 转 换r rr- TH wfU-放大器 d放大器丁太阳能集热器uj!iiuiuj!iiui, ,imiTiHiFimHnmimiTiHiFimHnmiiiiviHjviHj nnim*nnim*温度传感器温度铸感器 温度传榕黠竝电器W W继电雒U 2图一系统结构图电源转换电路串并转换电路!2.2

10、AT89C51结构和特点AT89C51是MCS- 51单片机的基础上精心设计， 由美国ATMEL公司 生产的高性能八位单片机。内置2KBEPROM的20脚AT89C2051以及内置 1KBEPROM 的 20脚AT89C1051。AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，片内有4K 字节的在线可重复编程快擦快写程度存储器，能重复写入擦除解1000次，数据保存时间为十年。它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上 完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多 MCS-51系列产品没有的功能。AT89C51可构成真正的单片机最小应用系 统，缩小系统体积，增

11、加系统的可靠性，降低了系统成本。只要程序长 度小于4KB，四个I/O 口全部提供给用户。可用5V电压编程，而且擦写时 间仅需10ms,仅为87C51的擦除时间的百分之一，与87C51的12V电压擦 写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适 合许多嵌入式控制领域。工作电压范围宽2. 7V6V，全静态工作，工作 频率宽，在0Hz24MHz内，比8751及87C51等51系列的6MHz12MHz 更具有灵活性，系统能快能慢。AT89C51芯片提供三级程序存储器加密， 提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿 制。另外，AT89C51还具有MCS51系列单片机

12、的所有优点。128X 8位内 部RAM，32位双向输入输出线，两个十六位定时/计时器，5个中断源， 两级中断优先级，一个全双工异步串行口及时钟发生器等5。AT89C51结构和功能：1 特点：AT89C51与MCS51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；片内有4K字节在线可重复编程快擦写程序存储器；全静态工作，工作范围：0Hz24MHz ;三级程序存储器加密；128X 8位内部 RAM ;32位双向输入输出线；两个十六位定时器/计数器；五个中断源，两级中断优先级；一个全双工的异步串行口；间歇和掉电工作方式。2.管脚功能：AT89C51单片机为40引脚芯片如图2-2所示。1) I/O口线：P0

13、、P1、P2、P3共四个口 P0口是三态双向口，通称数 据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。P0口也 用以输出外部存储器的低8位地址。由于是分时输出，故应在外部加锁 存器将此地址数据锁存，地址锁存信号用 ALE的P1 口是专门供用户使用 的I/O口，是准双向口。 P2口是从系统扩展时作高8位地址线用。不扩展 外部存储器时，P2口也可以作为用户I/O 口线使用，P2口也是准双向口。 P3 口是双功能口，该口的每一位均可独立地定义为第一 I/O功能或第二 I/O功能。作为第一功能使用时操作同 P1 口。P3口的第二功能如表2-1 所示。2）控制口线：PSEN （片外取控制）、

14、ALE（地址锁存控制）、EA （片 外储器选择）、RESET （复位控制）。3）电源及时钟：Vcc、GND、XTAL1、XTAL2。AT89C51有间歇和掉电两种工作模式。间歇模式是由软件来设置 的，当外围器件仍然处于工作状态时，CPU可根据工作情况适时地进入 睡眠状态，内部RAM和所有特殊的寄存器值将保持不变。这种状态可 被任何一个中断所终止或通过硬件复位。 掉电模式是VCC电压低于电源 下限，振荡器停振，CPU停止执行指令。该芯片内RAM和特殊功能寄存 器值保持不变，直到掉电模式被终止。只有 Vcc电压恢复到正常工作范 围而且在振荡器稳定振荡后，通过硬件复位掉电模式可被终止。P1.0140

15、VCCP1.1二239二P0.0P1.2o3381P0.1P1.314371P0.2P1.4536P0.3P1.5635P0.4P1.6o734P0.5P1.71833P0.6RST/VPDLJ989C5132P0.7RXDP3.0O1031EA/VppTXDP3.111130ALE/PROGINT0P3.21229PSENINT1P3.311328P2.7T0P3.41427P2.6T1P3.5115261P2.5WRP3.6116251P2.4RDP3.71724P2.3XTAL1118231P2.2XTAL2119221P2.1GND12021P2.0图2-22-2 AT89C51AT8

16、9C51管脚图表2-12-1 P3P3双功能口功能表第一功能标记第二功能P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输岀口P3. 2INTO外部中断0输入P3. 3INT1外部中断1输入P3. 4T0定时/计时器0外部输入P3. 5T1定时/计时器0外部输入P3. 6WD外部数据存储器写选通P3. 7RD外部数据存储器读选通89C51单片机的中断系统有5个中断请求源，用户可以用软件屏蔽 所有的中断请求，也可以用软件使CPU接收中断请求，每一中断源可用 软件独立地控制为开中断或关中断。当所有中断源设为开中断时，89C51中的中断源优先级如表2-2所示：表2-22-2中断优先级及入口地址中断源优先级

17、人口地址外部中断010003H定时器/计数器T02000BH外部中断130013H定时器/计数器T04001BH串行口中断50023H2.3通用四运算放大器LM324LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装,外形如图 所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图2.1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“ +、-”为两个信号输入端，“V+” “V为正、负电源 端，“Vc为输出端。两个信号输入端中,Vi-（-）为反相输入端,表示运放 输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（ +）为同相输入端,表示运放 输出端Vo的信

18、号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图2.22.3.1 LM324作反相交流放大器电路见附图2.11。此放大器可代替晶体管进行交流放大，可用于扩音 机前置放大等。电路无需调试。放大器采用单电源供电 ,由R1、R2组 成1/2V+偏置,C1是消振电容。（图 2.112.11）放大器电压放大倍数Av仅由外接电阻Ri、Rf决定：Av=-Rf/Ri。负 号表示输出信号与输入信号相位相反。按图中所给数值 ，Av=-10。此电 路输入电阻为Ri。一般情况下先取Ri与信号源内阻相等，然后根据要求 的放大倍数在选定Rf。 Co和Ci为耦合电容。2.3.2 LM324应用作测温电路感温探头采用一只硅三

19、极管3DG6,把它接成二极管形式。硅晶体管 发射结电压的温度系数约为-2.5mV/C,即温度每上升1度，发射结电压 变会下降2.5mV。运放A1连接成同相直流放大形式，温度越高，晶体 管BG1压降越小，运放A1同相输入端的电压就越低，输出端的电压也 越低。（图表2.12.1）1414 1313 1212 1111 1010 9 9 8 81 12 2 3 3 4 45 56 6 7 7（图表2.22.2）RJ 100K图 2.212.21这是一个线性放大过程。在A1输出端接上测量或处理电路，便可对 温度进行指示或进行其它自动控制。2.4 DS18B20数字式温度传感器DS18B20内部结构图

20、3.3所示，主要由4部分组成：64位ROM、温度传感 器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如图3.4所示，DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输 入端（在寄生电源接线方式时接地，见图3.9）。图3.3 DS18B20内部结构DS1&2&DS1&2&O O 丁匚 qrg匚2 2斗ot匚t斗D各帕包打P PNC hINCINCTSOCNcnraNClNCl IIII2 27 7V VD&D& 1 1 11116 6iDO nrnrA5JEIBOTTi.MV LA图3.43.4 DS18B20DS18B20封装形式2.41 DS18B

21、20与单片机的典型接口设计DS18B20DS1822 “一线总线”数字化温度传感器是 DALLAS最新单线数字温度传感器，同DS182C一样，DS18B2I也 支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55 C+125 C,在-10+85C范围内,精度为 0.5 GDS1822的精度较差为土 2 C。现场温度直接以“一线总线” 的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场 温度测量，与前一代产品不同，新的产品支持 3V5.5V的电压范围，使 系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小。DS18B20可以程序设定912位的分辨率，精度为土 0.5 G可选 更小的封装方式，

22、更宽的电压适用范围。分辨率设定，及用户设定的报 警温度存储在EEPRO中，掉电后依然保存。DS18B20的性能是新一代产 品中最好的！性能价格比也非常出色！DS1822与DS18B20软件兼容，是DS18B20的简化版本。省略了存储用户定义报警温度、分辨率参数的 EEPRQM精度降低为土 2 C,适用于对性能要求不高，成本控制严格的 应用，是经济型产品。继“一线总线”的早期产品后，DS1820开辟了温度传感器技术的新概念。DS18B20和DS1822使电压、特性及封装有更 多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B2

23、0勺地址序列码。64位光刻ROM勺排列是：开始8位（28H）是 产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是 DS1R8iTO2DS1R8iTO2PACKAGEPACKAGENCNCNCNCGNDS18Q2CZ84INS DKd I Al Ot 1 n 1 (IZ+ 125 Cooooom noioooo07D011+85 C*0000 0101 010 00000550h+25 0625 C0000 O(KJ 1 W J 0001019111+ I0.125 C000( 0000 JOtOOOlO0GA2I1lii.ii 1 (ItH)O 100k)OdOXh0rC0

24、000 0000 0000 0000(XIOOh彳彳5 CIlli 1JH IHI 1000FFF811JO 125 匚匚HH IE1I CHOI H1Qrrsi-h2-.(C5 (.1111 1J10 OHO HUrubih-55(.1111Wicooh* he uLuelhe irnKierului t! leuistiri “ S5 (DS1820使用中注意事项DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口 线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：(1)较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS182

25、0进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对 DS1820操作部分最好采用汇编语 言实现。(2)在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂 DS1820数量问 题，容易使人误认为可以挂任意多个 DS182Q在实际应用中并非如此。 当单总线上所挂DS182Q超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动 问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。(3)连接DS182Q的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通 信号电缆传输长度超过5Qm时，读取的测温数据将发生错误。当将总线 电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达

26、15Qm当采用每米绞 合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情 况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用DS182Q进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹 配问题。 在DS182Q测温程序设计中，向DS182Q发出温度转换命令后， 程序总要等待DS182Q的返回信号，一旦某个DS182Q接触不好或断线， 当程序读该DS182Q时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在 进行DS182Q硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信 号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。例如+1

27、25C的数字输出为Q7DQH +25.Q625 C的数字输出为Q191H, -25.Q625 C的数字输出为FF6FH -55C的数字输出为 FC9QHbit?bit?billbill 6-6-tnitni 5 5bitbit 4 4bitbit bitbit i iNlONlOLSLS ByteByte才 11才1屮1 1屮NtNt 1J1Jbtibti 1414biii ililbi 11bitbit 1010bitbit 9 9MSMS BvlvBvlvS SS SS SS Ss2*2*2 21 1217 7TITTTT7Ts11DODOQOQOD1D1QiQiD2D2Q2Q2D3D3Q

28、3Q3D4D4Q4Q4D5D5Q5Q5D6D6Q6Q6D7D7Q?Q? * *LELEOEOE2IsET?OELEDnQnLHHHLHLLLLLLLLHHHXXZ2.5 锁存器 74LS37374LS373是一种8D锁存器，具有三态驱动输出，其引脚电路图如下：引脚图中Dn-输入端；Qn-输出端；OE、LE为控制端，该片如何工作 由功能表定，表中L为低电平、H为高电平、Z为高阻抗（相当开路）X为任意电 平，一般将0E接低电平，LE接ALE就能正常工作。2.6 I/O 接口电路 8255A（1 ）总线接口部分/CS 片选线A1、A0-端口选择线（选片内四个端口寄存器）/RD 读信号线/WR 写信号

29、线7ILS3737ILS373其它8位锁存/ 冲缓8位锁存双向8位锁存/ 冲缓8位锁存(2)内部逻辑部分PC?“04 f f鹿组拽制翻1揑制血弘工越式 ppcO 陶酗电路J二器一成枷口鮒时計(3)外设接口部分可由编程决定三个端口的功能输入输出C 口冲位锁存/缓8位锁存线分成两组分别作A 口、B 口的选通联络 冲线2、8255A的端口操作A1 A0选中00 PAD01 PB 口10 PC 口11 控制寄存器二、8255A的工作方式及方式选择1、8255A的工作方式(1)方式0基本输入/输出方式A 口、B 口、C 口均有此方式，无选通， 是单片机与外部设备之间（2）方式1 仅PAD、PB口有此方式

30、,PC 口中若干位作联络信号线的直接数据通道各联络信号线的意义:/STB 输入选通信号，外设发来。IBF 输入缓冲器满信号，发给外设（通知外设数据未被取走，暂不能接收新数据）INTR 中断请求信号，外部设备发给单片机INTE 中断允许信号/OBF 输出缓冲器满信号，发给外设（单片机将数据已送到指定口，外部设备可以取走）/ACK 外设响应信号，由外部设备发来（数据已送到外部设备）（3）方式3 双向方式仅PA 口有此方式。PC3 PC7作联络线此时，PB 口可以是方式0;也可以是方式1（ PC0 PC1作联络 线）。2、8255A的方式控制字用编程方法向8255A的控制口写控制字，可决定它的工作方

31、式。有 两个控制字：（1）方式选择控制字1D63D4D3D2D1DO“ i ”方式控制标志位D6 D5-决定A组的工作方式，0 0方式00 1方式11 X方式2D4 A 口的传输方向，1入,0 出。D3 PC7 PC4的传输方向，1 入，0 出。D2决定B组的工作方式，0方式0，1方式1D1 B 口的传输方向，1入,0 出。D0 PC3 PC0传输方向，1入，0 出。(2) PC 口置位/复位控制字0 D6D5D4D3D2D1D0“0” -标志位。D6 D5不使用位。D3 D2、D1 位选择位，000 111 分别对应PC7 PC0D0 位状态位，1 置位，0 复位。3太阳能热水器中央控制器的

32、硬件设计3.1前端模拟电路设计现代传感器在原理与结构上千差万别，如何根据具体的测量目的、 测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首 先要解决的问题。当传感器确定之后，与之相配套的测量方法和测量设 备也就可以确定了。测量结果的成败，在很大程度上取决于传感器的选 用是否合理。1.根据测量对象与测量环境确定传感器的类型要进行一个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器， 这需要分析多方面的因素之后才能确定。 因为，即使是测量同一物理量, 也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需 要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程 的大小；

33、被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触 式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是 进口，价格能否承受，还是自行研制。2.灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因 为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利 于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界 噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传 感器本身应具有较高的信噪比，尽减少从外界引入的串扰信号。3.频率响应特性传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率 范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应

34、总有一定延迟，希 望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽， 而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感 器可测信号的频率较低。4.线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在 此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大， 并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以 后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝 对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定 的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量 带来极大的方便。5.稳定性传感器使用一

35、段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影 响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用 环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环 境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具 体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。6.精度精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测 量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传 感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。 这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单 的传感器。如果测量目的是定性分析的，选

36、用重复精度高的传感器即可，不宜 选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值， 就需选用精度等级能满足要求的传感器。对某些特殊使用场合，无法选 到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。自制传感器的性能应满足 使用要求11。本系统设计以采集温度为例，通过选用不同的传感器及其相应传感 器的放大电路，可实现多路采集不同的测量数据如温度、湿度、压力等 数据。3.1.1温度传感器选用本系统采用接触式温度传感器 DS18B20。DS18B20、DS1822 一线 总线”数字化温度传感器是DALLAS最新单线数字温度传感器，同DS1820 一样，DS18B20也 支持一线总线”接口，测量温

37、度范围为 -55 +125C,在-10+85 范围内，精度为）.5 C。DS1822的精度较差 为2 C o现场温度直接以 一线总线”的数字方式传输，大大提高了系 统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，与前一代产品不同， 新的产品支持3V5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新 一代产品更便宜，体积更小。3.1.2 DS18B20与单片机的典型接口设计可以采用外接电源与寄生电源供电（就是供电电源从数据线上得到）图3.8外接电源供电3.28255A与单片机的接口电路设计3.2.1 ADC0809与89C51单片机的接口设计用单片机控制A/D转换器时，多采用查询和中断控制两种方法。

38、查 询法是在单片机把启动命令送到 ADC之后，执行别的程序，同时对ADC 的状态进行查询，以检查 ADC变换是否已经结束，如查询到变换已结束，则读入转换完毕的数据。中断控制法是在启动信号送入A/D转换器时之后，单片机执行别的程序。当 A/D转换器变换结束并向单片机发出 中断请求信号时，单片机响应此中断请求，进入中断服务程序，读入转 换数据，并进行必要的数据处理，然后返回原程序14。这种方法单片机 无需进行转换时间的管理，CPU效率高，所以特别适合于变换时间较长 的A/D转换器时14。本系统就是采用中断控制法。89C51与ADC0809 接口电路图如图3-3所示。将ADC0809作为外扩的并行I

39、/O 口，由P2.7和WR端的脉冲同时 有效时启动A/D转换，通道选择端与A、B、C分别与地址线A0、A1、 A2相连。其端口地址为7FF8H 7FFFHA/D转换结束后，EOC向89C51 的INT1端输入一个高电平，既向单片机产生一个外部中断 1信号。图3-33-3 ADC0809ADC0809与89C5189C51的中断方式原理图13.3键盘和显示器接口设计3.3.1键盘工作原理3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。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

40、、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 5 10ms。2消除按键抖动1）硬件消除抖动一般采用双稳态消抖电路。2）软件消除按键抖动。如果按键较多硬件电路将无法胜任，因此常采用软件的方法进行消抖。在第一次检测到有键按下时，执行一段延时 10ms子程序后再按确认该键电平是否仍保持闭合状态， 如果保持闭合状 态电平则确认为真正有键按下，从而消除了抖动的影响。3.键盘接口的工作原理常见的键盘接口分为独立式键盘接口和

41、矩阵式键盘接口两种。本系 统采用矩阵式键盘接口。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。矩阵式 4*4键 盘如图3-4所示。从图中可以看出，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。+5V4*01231 -r /14567 1 -1 - 丿/ /28910111 -1 丿/ /312131415J(-./y yy y41234图3-43-4矩阵式4*44*4键盘原理图1）矩阵式键盘接口的工作原理按键设置在行、列线的交叉点上，行、列线分别连接开关的两端。 行线通过上拉电阻接到正+5V。平时无按键时，行线处于高电平状

42、态， 而当有按键按下时，行线电平状态键由此行线相连的列电平决定。列线 如果为低电平，这行线电平为低；列线电平如果为高，则行线电平也高 这是识别矩阵键盘按键是否被按下的关键所在。由于矩阵键盘中行、列 线为多键共用，各按键均影响该键所在的电平。因此各按键彼此间互相 发生影响，所以必须将行、列线信号配合起来并作适当的处理，才能确 定闭合键的位置。2）按键的识别方法按键识别的方法主要有扫描法、线反转法和键盘编码。由于本系统 按键较多所以米用键盘编码的方法。332 LED显示器工作原理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（或供阳极）连

43、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得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 态显示万式。3.3.3 键盘/显示电路系统键盘显示接口采用 8279芯片，用硬件完成键盘与显示器扫

44、描 。键盘由0-9数字键，报警值设定键，时钟设定键，左位移键，确认 键，运行键等组成，采用 4X4键盘。用户可以通过键盘完成人机接口 的各种操作。键盘以中断方式工作。当有按键时，8279申请中断CPU响应中断后转入键盘监控处理程序。 显示器采用4个LED数码管，系统 检测数据经AT89C51单片机处理后通过I/O 口送到驱动电路，LED显示 甲烷气体现场浓度。8279与单片机AT89C51的硬件接口电路图如图 3-13所示。8279芯 片外接4X8键盘和4位显示器，工作于4位显示和键盘输入工作方式， 均为编码扫描，其组成可分为三个部分：图3-63-6 82798279与单片机 AT89C51A

45、T89C51的硬件接口电路图1.显示接口：由4个7段LED显示器组成。SL0-SL2经74LS138(1) 译码低四位扫描控制位选口，显示字符的段选码由 8279芯片的一个4 位输出口 OUBO-3同步输出实现，并且经74LS06非门轮流驱动7段LED 显示器。消隐显示信号输出BD线与74LS138(1)的使能端E3相连，当显 示功换时,BD输出低电平关闭74LS138(1)，从而达到显示消隐的目的。2 .键盘接口： 16个键排成4行4列的矩阵。8279工作于键盘输入 方式，4根列扫描线由SL0-SL7经74LS138(2)译码获得，只用其中的四 根，4根行信号线由RLo, RL1，RL2，R

46、L3引入。由于8279的输入线 RL0-RL7内部有上位电阻，当无键按下时均为高电平，而当有键按下时 则被键盘上的按键拉成低电平，该键的行、列号信息被读人FIFO RAM缓冲器中。同时8279的中断请求信号IRQ为高电平，可向CPU申请中 断，读取键值代码。C ,10叮3. 8279与AT89C51的接口 ：在硬件连线图中，单片机 AT89C51 的P2.7脚经反向器接片选信号CS。8279的Ao端用于控制读写命令/状 态和数据，Ao与地址锁存器74LS373输出的最低位地址线 ABo相接， 所以8279的数据口地址为8FFEH,命令/状态口地址为8FFFH。8279的 CNTL、SHIFT弓

47、I脚接地。3.4单片机复位电路的设计复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把程序计数器PC值初始化为0000H,使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的 正常初始化之外，程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为 摆脱困境，也需要按复位键重新启动单片机。RST引脚是复位信号的输入端，高电平有效，其有效时间应持续24 个震荡周期（即两个机器周期）以上。若使频率为 6MHz的晶振，则复 位信号持续时间超过4卩s才能完成复位操作。复位操作由上电复位和按键手动复为两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如 图3- -7所示。只要电源Vcc的上电时间不超过1ms

48、,就可以实现自动上 电复位，即接通电源就完成了系统的复位初始化。按键手动复位分为电平方式和脉冲方式两种。其中，电平复位是复 位端通过电阻与Vcc电源接通而实现的。脉冲复位是利用 RC微分电路 产生的正脉冲来实现的。在计算机测控系统中，为了保证微处理器稳定而可靠地运行，需要 配置电压监控电路；为了实现掉电数据保护，需备用电池及切换电路； 为了使微处理器尽快摆脱因干扰而陷入的死循环，需要配置看门狗电 路，将完成这些功能的电路集成在一起的芯片中称为微处理器监控器。VccRST80C51O O O O 1 1MAX690A与89C51单片机的接口电路如图3-8所示：“12+5VR11KR21K1234

49、VoutVba ttVccRESETGNDWDIPFIPEOIEIE U U3.6V1 些1R41J1KP10P00P11P01P12P02P13P03P14P04P15P05P16P06P17P07INT189C51P20INT0P21P22T1P23T0P24P25EA/VPP26P27X1X2RESETRXDTXDRDALE/PWRPSEN3938373635343332212223242526272810113029一一 BT2备用电源图3-73-7单片机系统复位电路在单片机系统中，为了摆脱“死循环”通常采用“看门狗技术”也 就是程序监控技术。“看门狗”技术就是不断监视程序循环运行时间

50、， 若发现时间超过已知的循环设定时间，则认为系统陷入了“死循环”，然后强迫程序即PC返回到0000H，在0000H处安排一段出错处理程序， 使系统进入正常工作。“看门狗”技术可由硬件实现，可由软件实现， 也可由两者结合实现。本系统采用微处理器监控器MAX690A完成硬件“看门狗”电路。MAX690A是美国MAXIM 公司的产品，具有以下功能：（1）在微处理器上电、掉电及低压供电时，产生一个复位输出信号具有备用电池切换电路，备用电池可供给其他低功耗逻辑电路。具有看门狗电路，该电路的触发脉冲时间间隔超过 1.6s时，将产生一个 复位输出。（4）可用于低电压检测。MAX690A的主要电气参数为：工作

51、电压 Vcc（1.25.5V）;静态电流200卩A ;备用电池方式静态电流50卩A;复位脉冲宽度 TRS为200ms；看门狗定时时间为1.6s；复位门限电平4.65V。图3-83-8 MAX690AMAX690A 与89C5189C51的接口电路U36二65 D +5V |MAX690A74F04+ C1 xJOuF S174F32U2A456713i-015143119917晶振|口|1 2c CAAAAA本电路有复位电路和看门狗电路功能，R1、R2选取说明如下：R1 1.25V1R1 R2 一 4.5V - 3.6（3-1）当R仁1kQ, R2=2.6 kQ,使+5V电压跌落到4.5V,

52、PFI的输出电 压低于1.25V时，PFO输出高电平作为单片机的中断信号。单片机正常 工作时，P1.0 口定期（小于1.6 s）改变WDI输入端的电平，使看门狗电路 不发出复位电路。当出现 死机”单片机将不能定期改变 WDI电平，看 门狗电路便会在1.6 s后产生一个复位信号，使单片机复位，待经过200ms 复位脉冲宽后，单片机复位结束，程序从 0000H开始重新执行，保证了 系统的正常运转。3.5单片机时钟电路的设计时钟电路用于产生89C51单片机工作时所必需的时钟信号。89C51 单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证同步方式的实现， 89C51单片机应在唯一的时钟信号控制下，严格地

53、按时序执行工作。因此时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏。时钟 频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的 稳定性。常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种为 外部时钟方式。本系统米用内部时钟方式。89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，用 于构成振荡器。反相放大器的输入端为 XTAL1，输出端为XTAL2，分 别是89C51的19脚和18脚。在XTAL1和XTAL2两端跨接石英晶体及 两个电容就可以构成稳定的自激振荡器。89C51内部时钟方式的振荡电路如图3-9所示。晶体的振荡频率范围通常在 1.2MHz到24MHz之间。 晶体

54、的频率越高，则系统的频率越高单片机的运行速度越快。本系统选 择振荡频率为24MHz的石英晶体。89C51XTAL1XTAL2至内部时钟电路图3-93-9 AT89C51AT89C51内部时钟方式电路3.6系统原理综述系统硬件原理如原理图（附）所示。通过原理图，我们可以分析出 系统的原理，于是系统主要原理如下：温度的测量通过温度传感器输出正比于不同温度的电压值来实现， 在和8255A接口相连的pc中，通过二极管分别显示四个不同的水位情 况。通过两个按键s2和S3来实现加热和加水的功能，当s2按下时，就 触发外部中断0，进入中断子程序，执行加热功能。当 S3按下时，就出 发了外部中断1进入中断子程

55、序，执行手动加水功能。单片机通过P0 口用一个8255A扩展芯片实现8位LED显示，Po 口和373相连锁存地址信号，P2.0P2.3和水位检测传感器接口电路连 接，P2.6和P2.7分别接有加水继电器和加热继电器。作为 8255A的PC 口接有6个二极管，分别用来显示水位1、2、3、4状态，还有加水状 态和加热状态的提示信号。再通过接口电路8255A反映到显示屏上。单片机其余I/O 口线安排：-Vcc :接+5V电源。-GND :接地。-RST:接 MAX690A 的 RESET。-P3.0(ALE):与8255H的ALE脚相连提供时钟信号-XTAL1、XTAL2 :通过晶振实现单片机内部时

56、钟。-PSEN:允许程序存储器输出控制端。-EA :内外程序存储器选择控制端。-P1.7:接 MAX960 的 WDI 端。-RD :接 8255H 的 RD 端。-WR :接 8255H 的 WR 端。4太阳能热水器中央控制器的软件设计在完成太阳能热水器中央控制器的硬件设计后，要达到系统设计需 求，用单片机实现自动控制，就需要进行软件设计。同时运用软件设计 可以相对地简化硬件结构，有效地降低设计成本并提高系统的性能。根 据系统设计要求，软件设计应具备以下功能：对水的温度数据的读入；对数码管显示子程序的实现；通过键盘输入实现数据采集；将数据存入EPROI中实现掉电保护；将采集到的数据通过LED

57、显示。4.1系统总体软件设计本系统主要是完成由89C51为核心控制器来实现对太阳能热水器 水位和水温的检测，并在适当的时候报警，并把温度数据体现在8位数码管上。主程序首先完成对串口，定时器，中断源的初始化设置，初始运 行参数，开中断，然后循环读取键盘状态，检测系统是否漏电。一旦检 测到系统漏电，立即进行声音和显示报警，并切断所有执行机构电源； 若系统不漏电，则根据存储的键盘状态和检测的水温，水位等状态信号 进行相应的处理并等待中断服务程序的执行。其主要的软件原理图如图 1和2。系统正常控制时，首先显示水温，通过人工设定系统的温度范围, 当水温高于或低于设定的温度范围，系统会自动报警提示。当水位

58、低于 最低水位时系统会自动报警，提示手动加水，当水位高于设定的最高水 位时，同样提示报警，停止手动加水。只有当水位在水位的正常范围之 内，则系统正常运行。（主程序） 4=I系统初始化I开中断Ir -1d漏电吗巧丛”1所有执行机构断电11读取键盘状态- 11声晋贞示报警II读水谥冰位1 V 调控制子程序111 .图一系统主程序流程图4.2数据采集软件设计421中断服务子程序开始422水位检测子程序4.3显示和键盘软件设计当要进行显示和软件设计时，单片机首先要通过P2.7端向8155HAAAAAA的CE端输出一个高电平，选中 8155H。4.3.1动态显示程序设计在AT89C51内部的RAM中设置

59、4个显示缓冲单元79H7CH，分 别存放显示器的4位数据，8155H的PA 口扫描输出总是只有一位高电 平，即显示器的4位中仅有一位公共阴极为低电平，其它位高电平，8155H 的PB 口输出相应位（阴极为低）的显示字形的断码，使其一位显示出 一个字符，其它位为暗，依次改变PA 口输出为高的位，PB 口输出对应 的段码，显示器的四位就动态地显示出由缓冲区中显示数据所得字符 18。其显示流程如图4-3所示。图4-34-3动态显示程序流程图432键盘子程序设计当键盘无键输入时，8155H的PCO到3 口不全为1，只有当键盘有 键输入时PC 0-3 口全为1时，向单片机提出外部中断申请，单片机响 应中

60、断请求，由外部中断0的中断服务程序将输入的键号存入模拟通道 指针R7,从而使系统采集键号所代表的模拟通道的量，并将其值通过 LED显示出来。其键盘产生外部中断时的中断服务程序流程图如图4-4所示。通过延时子程序达到去键盘抖动的目的，并将所输入键的键号存入 模拟通道选择指针R7中。中断结束后，返回主程序。从而实现通过按 键选择模拟通道，并采集相应通道的数据。此外采集到的数据还需存入 单片机片内的EPROM内，防止单片机突然掉电造成采集到的数据丢失开始 )图4-44-4键盘中断服务程序5抗干扰技术设计单片机测控系统体积小、价格低、功能灵活、使用方便，已在工业 领域中得到广泛应用，单片机系统越来越受