太阳能热水器智能控制器设计

1、高 等 教 育 自 学 考 试毕 业 论 文太阳能热水器智能控制的设计姜 伟专 业： 电气工程与自动化 主考学校：兰州交通大学 准考证号： 462114125107 指导教师姓名职称： 李玉霞 甘肃省高等教育自学考试办公室印制2015年 10 月 10 日电气工程与自动化专业本科论文XX专业 太阳能热水器智能控制的设计The design of the intelligent control of the solar water heater姜 伟Jiang wei论 文 评 定 表姓名专业名称主考学校准考证号评定项目写 作 部 分答 辩总计立论观点组织结构语言表达回答问题表述能力发挥水平30

2、%20%20%20%5%5%100%得分指导教师评语 签名：答辩委员会评语答辩委员会组成及签名职称： 签字：职称： 签字：职称： 签字： 年 月 日目 录摘 要5关键词5绪论61.太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析62.太阳能热水器的应用及意义7第1章：太阳能热水器的组成及工作原理81.1 系统总体结构设计81.早晨水温控制92.循环水集热过程103.冷水集热控制104.水箱加热控制101.2太阳能热水器组成及原理111.3 主要芯片的结构与特点121.3.1.DS12887时钟芯片简介121.主要技术特点122.DS12887/ DS12C887 的内部结构133.DS12887/ DS1

3、2C887 内部寄存器的功能154. DS12887/DS12C887 的中断和更新周期171.3.2 80C51单片机结构特点181.芯片的引脚描述191.3.3 数字温度传感器DS18B20主要特性及测温原理21一、DS18B20的特性21二、DS18B20 测温原理21三、DS18B20的操作协议22第2章：太阳能热水器硬件设计232.1.太阳能控制器硬件结构232.2. 控制器实时时钟接口电路232.3.水位检测和温度检测接口电路242.4 看门狗和复位接口电路的设计252.5 键盘和显示接口电路的设计262.5.1 键盘电路262.5.3 显示接口电路的设计262.6 光电隔离与辅助

4、加热电路设计28结束语29致谢30参考文献3131摘 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、传感器、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器对控制器的要求与特点，提出了一种基于DS12887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，分别介绍了传感器的特点及应用、一般的太阳能热水器及循环系统、单片机发展

5、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;传感器; 模糊控制; 实时时钟;单片机 绪论 1.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。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。这种控制器只具有温度和液位显示功能， 而且为分段显示，温度显示误差为10%，水位显示误差为25%。这种显示器(还称不上控制器)不具有温度控制功能，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产生过烧，从而浪费大量的电

6、能。本文设计的太阳能热水器控制器以80C51单片机为检测控制核心，采用DS12887 实时时钟，不仅实现了时间、温度和水位三种参数实时显示和FUZZY控制功能，而且具有时间设定、温度设定与控制功能。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。他主要由平板集热器、蓄水器和连接管道等部件组成，可分循环式、直流式和闷晒式。当今社会发展日新月异，人们衣食住行也在不断的提高。现

7、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5。 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

8、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能比拟的。 2.太阳能热水器的应用及意义众所周知，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

9、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。太阳能热水器是以太阳能光热转换，利用温室效应和虹吸原理使水加热的装置，此装置分为两个不同的概念：1.太阳能热水工程系统，这种系统由太阳能集热器、储水箱管线、补水箱组成不同形式的热水系统，包括自然循环式、定温放水式等等，可构成提供热水10吨到100吨的装置，大多提供集体单位使用。2.太阳能热水器是指将上述各种不见组装成一个小系统，提供家庭或需要产热水1吨以下的单位使用，此种装置算为太阳能热水器。太阳能热水器（或系统）均以其采光面积作为计量单位，一般1平方米光面积可产热水100升，采光面积每种

10、型号不同，一般在1.52.0平方米。国内外太阳能热水器使用量增长如此之快，其根本原因是：能源问题、环保问题是当今世界各国面临的主要问题之一。根据理论计算及实际应用证明，太阳能热水器每平方米光面积一年可节约标准煤200-300公斤节电1500度，或节约液化气180公斤。采用本热水器与电热水器、燃气热水器相比，还具有绝对安全，最为卫生的特点，在电费，液化气、煤气价格较高的地区，用户1-3年即收回投资，在这以后提供的热水是免费的。 第1章：太阳能热水器的组成及工作原理 1.1 系统总体结构设计 排气管 不锈钢保温水箱图1-1系统结构图图1-1为系统设计的结构图，该图的系统控制原理图如下图1-2： T

11、3 T2 F 3 热 集 水 热 太阳光 F1 箱 器 T1 D 自来水 F2图1-2 系统控制原理图注释：T1：热水箱的温度传感器T2：循环水管中的温度传感器T3：集热器中的温度传感器F1：循环水阀门F2：冷水阀门F3：热水阀门此款热水器利用微机控制主要有以下几种控制功能：晨水加热控制、温水循环控制、冷水集热控制、水箱加热控制。 1.早晨水温控制由于清晨太阳光较弱，所以太阳能热水器从系统发挥作用。为了提供温度不低于30摄氏度的水，热水器在清晨4-7点之间对水箱进行电加热，具体控制过程如下：首先，关闭冷水阀门F2和循环水阀门F1，然后微机开始进行水箱的温度采集，同时进行温度的比较，当水箱的温度

12、小于30摄氏度时，电热器D接通进行加热，同时微机继续对热水箱的温度进行采集。当温度加热到大于30摄氏度时电热器断开，如此反复循环保证了温度的稳定。 2.循环水集热过程早晨水温控制之后（79点），设定当日的水箱温度N（由两位BCD次齿轮开关设定），输入微机，再利用微机控制系统，通过太阳光能对热水箱加热以达到理想温度N。具体控制过程如下：打开循环阀门F1，关闭冷水进水阀门F2，热水阀门F3处于空控状态。然后开始比较温度，若（T3-T1>5摄氏度，T2>T1）为止。如若T1=N，那么循环水集热过程结束，进入冷水集热控制过程。 3.冷水集热控制此时热水箱温度已达到了N，冷水要进入太阳能集热

13、器，这时温度为T3，和当日的设定温度值相比较，若T3>N则将已加热的水送入热水箱，每天的控制时段大概为9点20点。具体控制过程如下：关闭循环水阀门F2，打开冷水阀门F2，热水阀门F3处于可控状态。若T3>N，打开热水阀门F3并将保持一段时间，若T3<N，关闭F3继续给太阳能集热器加热，知道温度答应N，当打开F3时此时比较水管水温T2与N的值，若T2>N阀门F3继续保持打开状态，否则关闭F3。可见，次过程充分利用太阳光能转化为热能，方便快捷。 4.水箱加热控制此时，也许你会问如果没有日照或者日照较弱时，到了晚上我们是否还能洗上热水澡吗？答案是肯定的，不要忘了这款热水器还有

14、一个从系统，这时它就要发挥作用了。热水箱温度为T1，将它和设定值N相比较，从而控制是否打开电加热，控制时段为下午，具体过程： 若T1<N，电加热接通；否则，电加热断开，而且，15点20点中的每个小时有下表的关系：表1-1 时间（时） 温度比较 加热值（度） 15 T1<35<N 35 16 T1<40<N 40 17 T1<45<N 45 18 T1<50<N 50 19 T1<55<N 55 20 T1<60<N 60最终热水箱的温度加热到设定值N。由此可见，即使没有日照我们照样可以洗上热水澡了。综上所述，太阳能供

15、热控制系统不仅节约而且高度只能化，方便省事，不论日常家居，还是对宾馆、学校等都是最佳选择。 1.2太阳能热水器组成及原理 1-3 热水器装置简图1-集热器 2-下降水管 3-循环水管4-补给水箱 5-上升水管 6-自来水管 7-热水出水管热水器主要由集热器、循环管道和水箱等组成，图中为典型的热水器装置图。图中集热器1按最佳倾角放置，下降水管2的一端与循环水箱3的下部相连，另一端与集热器1的下集管接通。上升水管5与循环水箱3上部相连，另一端与集热器1的上集管相接。补给水箱4供给循环水箱3所需的冷水。 当集热器吸收太阳辐射后，集热器内温度上升，水温也随之升高。水温升高后，水的比重减轻，便经上升水管

16、进入循环水箱上部。而循环水箱下部的冷水比重较大，就由水箱下流到集热器下方，在集热器内受热后又上升。这样不断对流循环，水温逐渐提高，直到集热器吸收的热量与散失的热量相平衡时，水温不再升高。这种热水利用循环加热的原理，因此又称循环热水器。集热器是一种利用温室效应，将太阳能辐射转换为热能的装置，该装置与一般热水交换器不一样，热交换器通常只是液体到液体，或是液体到气体的热交换过程，而平板行集热器时直接将太阳辐射传给液体或气体，是一个复杂的传热过程。平板型集热器结构形式很多，世界上已实用的集热器就有直管式、瓦楞式、扁管式、铝翼式等二十多种。 1.3 主要芯片的结构与特点 1.3.1.DS12887时钟芯

17、片简介随着2000 年的即将来临，“千年虫”问题成为困扰当今世界的一大难题。过去采用两位数表示年度的日历系统将要用四位数来表示，因此有关的计算机操作系统和应用软件都要作相应的修改。据此，美国达拉斯半导体公司(Dallas)最新推出DS12887的串行接口实时时钟芯片，采用CMOS 技术制成，具有内部晶振和时钟芯片备份锂电池，同时它与目前IBMAT计算机常用的时钟芯片MC146818B 和DS1287 管脚兼容，可直接替换。它所提供的世纪字节在位置32h，世纪寄存器32h到2000 年1月1日从19递增到20。采用DS12887 芯片设计的时钟电路不需任何外围电路和器件，并具有良好的微机接口。D

18、S12887芯片具有微功耗，外围接口简单，精度高，工作稳定可靠等优点，可广泛用于各种需要较高精度的实时时钟系统。美国Dallas公司推出两款数字时钟芯片DS12887/DS12C887，两款时钟芯片都将在1999年12月31日23时59分59秒时顺利地跳到2000 年1月1日零时，并能实2000 年2月29 日的闰年提示，是时钟芯片DS1287 的增强型品种，结构上相当于MC146818B 的改进型。芯片都采用24引脚双列直插式封装，其引脚接口逻辑和内部操作方式与MC146818 基本一致，所不同的是DS12887/DS12C887 芯片的晶体振荡器、振荡电路、充电电路和可充电锂电池等一起封装

19、在芯片的上方，组成一个加厚的集成电路模块，因此，DS12887/ DS12C887时钟芯片无需MC146818 的电源电位检测端( PS)，电路通电时其充电电路便自动对可充电电池充电，充足一次电可供芯片时钟运行半年之久，正常工作时可保证时钟数据十年内不会丢失。此外，片内通用的RAM 为MC146818 的两倍以上。DS12887/DS12C887 内部有专门的接口电路，从而使得外部电路的时序要求十分简单，使它与各种微处理器的接口大大简化。使用时无需外围电路元件，只要选择引脚MOT 电平，即可和不同计算机总线连接。 1.主要技术特点DS12887/DS12C887 具有下列主要技术特点：(1)

20、具有完备的时钟、闹钟及到2100年的日历功能，可选择12小时制或24小时制计时，有AM和PM、星期、夏令时间操作，闰年自动补偿等功能。(2) 具有可编程选择的周期性中断方式和多频率输出的方波发生器功能。(3) DS12887内部有14个时钟控制寄存器，包括10个时标寄存器，4个状态寄存器和114bit作掉电保护用的低功耗RAM。(4) 由于该芯片具有多种周期中断速率时钟中断功能，因此可以满足各种不同的待机要求，最长可达24小时，使用非常方便。(5) 时标可选择二进制或BCD码表示。(6) 工作电压： + 4. 55. 5V、工作电流：715mA。(7) 工作温度范围：070°C。 2

21、.DS12887/ DS12C887 的内部结构DS12887/DS12C887为24引脚芯片，内部结构如下图。图1-4 DS18B20内部框图 其中：MOT：计算机总线选择端；SQW：方波输出，速率和是否输出由专用寄存器A、B的预置参数决定；AD0AD7：地址/数据(双向)总线，由AS 的下降沿锁存8位地址；R/W：读/写数据;AS：地址锁存信号端；DS：数据读信号端；CS：选通信号端,低电平有效；IRQ：中断申请，由专用寄存器决定；RESET：复位端；NC：空引脚。DS12887内部由振荡电路，分频电路，周期中断/方波选择电路，14字节时钟和控制单元，114字节用户非易失RAM，十进制/二

22、进制计加器，总线接口电路，电源开关写保护单元和内部锂电池等部分组成。DS12887管脚分配如图：图1-5 管脚分配图VCC：直流电源+ 5V 电压。当5V电压在正常范围内时，数据可读写;当VCC低于4.25V，读写被禁止，计时功能仍继续;当VCC下降到3V以下时，RAM和计时器供电被切换到内部锂电池。MOT(模式选择)：MOT 管脚接到VCC时，选择MOTOROLA时序，当接到GND 时，选择INTEL时序。SQW(方波信号输出)：SQW 管脚能从实时时钟内部15级分频器的13个抽头中选择一个作为输出信号，其输出频率可通过对寄存器A编程改变。AD0 AD7(双向地址/ 数据复用线)：总线接口，

23、可与MOTOROLA微机系列和INTEL 微机系列接口。AS (地址选通输入)：用于实现信号分离，在AD/ ALE 的下降沿把地址锁入DS12887。DS(数据选通或读输入)：DS/ RD 管脚有两种操作模式，取决于MOT管脚的电平，当使用MOTORO2LA 时序时，DS是一正脉冲，出现在总线周期的后段，称为数据选通；在读周期，DS指示DS12887驱动双向总线的时刻; 在写周期，DS的后沿使DS12887锁存写数据。选择INTEL时序时，DS称作(RD)，RD与典型存贮器的允许信号(OE) 的定义相同。R/W(读/ 写输入) ： R/ W 管脚也有两种操作模式。选MOTOROLA 时序时，R

24、/W 是一电平信号，指示当前周期是读或写周期，DS为高电平时，R/ W高电平指示读周期，R/W 信号是一低电平信号，称为WR。在此模式下，R/ W管脚与通用RAM 的写允许信号(WE) 的含义相同。CS(片选输入)：在访问DS12887 的总线周期内片选信号必须保持为低。IRQ(中断申请输入)：低电平有效，可作微处理的中断输入。没有中断的条件满足时，IRQ处于高阻态。IRQ线是漏极开中输入，要求外接上接电阻。RESET(复位输出)：当该脚保持低电平时间大于200ms，保证DS12887有效复位。 3.DS12887/ DS12C887 内部寄存器的功能因DS12887 和DS12C887 结构

25、功能上类似，现以DS12887 为例说明如下：CPU通过读DS12887的内部时标寄存器得到当前的时间和日历，也可通过选择二进制码或BCD码初始化芯片的10个时标寄存器。其114bit非易失性静态RAM 可供用户使用，对于没有RAM的单片机应用系统，可在主机掉电时来保存一些重要的数据。DS12887 的4个状态寄存器用来控制和指DS12887模块的当前工作状态，除数据更新周期外，程序可随时读写这4个寄存器，各寄存器的功能和作用如下。寄存器A各位不受复位的影响，UIP 位为只读位，其它各位均可读写。寄存器的控制字的格式如下表1-2所列：表1-2 DS12887 控制寄存器A 各布尔位定义：IT7

26、 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0UIP DV2 DV1 DV0 RS3 RS2 RS1 RS01.IP 位：更新周期标志位。该位为“1”时，表示芯片正处于或即将开始更新周期，此时程序不准读写时标寄存器；该位为“0”时，表示至少在244s 后才开始更新周期，此时程序可读芯片内时标寄存器。该位是只读位。2. DV0 、DV1 、DV2 ：芯片内部振荡器RTC 控制位。当芯片解除复位状态，并将010写入DV0、DV1、DV2后，另一个更新周期将在500ms后开始。因此，在程序初始化时可用这三位精确地使芯片在设定的时间开始工作。这与MC146818 不同的是，DS

27、12887固定使用32 768Hz 的内部晶体，所以，DV0 =“0”，DV1 =“1”，DV2 =“0”，即只有一种010的组合选择即可启动RTC。3. RS3、RS2、RS1、RS0：周期中断可编程方波输出速率选择位。各种不同的组合可以产生不同的输出。程序可以通过设置寄存器B的SQWF 和PIE 位控制是否允许周期中断和方波输出。其寄存器A输出速率选择位如表1-3所列。表1-3 DS12887 控制寄存器A 输出速率选择位定义寄存器A 输出速率选择位 32 768Hz 时基RS3 RS2 RS1 RS0 中断周期 SQWF输出频0 0 0 0 无 无0 0 0 1 3.90625ms 25

28、6Hz0 0 1 0 7. 8125ms 128Hz0 0 1 1 122.0s 8.192kHz0 1 0 0 244.141s 4.096kHz0 1 0 1 488.281s 2.048kHz0 1 1 0 976.5625s 1.024kHz0 1 1 1 1.953125ms 512Hz1 0 0 0 3.90625ms 256Hz1 0 0 1 7.812ms 128Hz1 0 1 0 15.625ms 64Hz1 0 1 1 31.25ms 32Hz1 1 0 0 62.5ms 16Hz1 1 0 1 125ms 8Hz1 1 1 0 250ms 4Hz1 1 1 1 500ms

29、 2Hz寄存器B允许读写，主要用于控制芯片的工作状态。寄存器B的控制字的格式如表1-4所列。表1-4 DS12887 控制寄存器B各布尔位定义BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0SET PIE AIE UIE SQWE DM 24/12 DSE (1) SET 位：当该位为“0”时，芯片处于正常工作状态，每秒产生一个更新周期来更新时标寄存器为“1”时，芯片停止工作，程序在此期间可初始化芯片的各个时标寄存器。(2)PIE、AIE、UIE 位：分别为周期中断、报警中断、更新周期结束中断允许位。各位为“1”时，允许芯片发相应的中断。(3)SQWE 位：方波输

30、出允许位。SQWE“1”，按寄存器A 输出速率选择位所确定的频率输出方波;SQWE =“0”，脚SQW保持低电平。(4) DM 位：时标寄存器用十进制BCD 码表示或用二进制表示格式选择位。DM =“0”时，为十进制BCD码;DM =“1”时，为二进制码。(5) 24/ 12 位： 24/ 12 小时模式设置位。24/12位=“1”时，为24 小时工作模式;24/ 12 位=“0”时，为12 小时工作模式。(6)DSE位：夏令时服务位。DSE=“1”，夏时制设置有效，夏时制结束可自动刷新恢复时间;DSE=“0”，无效。寄存器C的控制字的格式如表1-4所列。该寄存器的特点是程序访问读该寄存器后，

31、该寄存器的内容将自动清零，从而使IRQF 标志位变为高电平，否则，芯片将无法向CPU 申请下一次中断。表1-5 DS12887 控制寄存器C各布尔位定义BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0IRQF PF AF UF 0 0 0 0(1) IRQF位：中断申请标志位。该位逻辑表达式为：IRQF = PF·PIE +AF·AIE+UF·UIE。当IRQF位变“1”时，引脚将变低电平引发中断申请。(2) PF、AF、UF 位：这三位分别为周期中断、报警中断、更新周期结束中断标志位。只要满足各中断的条件，相应的中断标志位将置“1”

32、。(3) BIT3BIT0 ：未定义的保留位。读出值始终为0 。(4) 寄存器D为只读寄存器。寄存器D的控制字的格式如表1-6所示。表1-6 DS12887 控制寄存器D 各布尔位定义BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0VRT 0 0 0 0 0 0 0(1) VRT 位：芯片内部RAM 与寄存器内容有效标志位。该位为“1”时，指芯片内部RAM 和寄存器内容有效。读该寄存器后，该位将自动置“1”。(2) BIT6BIT0 位：保留位。读出的数值始终为0。 4. DS12887/DS12C887 的中断和更新周期DS12887/DS12C887 处于正常

33、工作状态时，每秒钟将产生一个更新周期，芯片处于更新周期的标志是寄存器A中的UIP位为“1”。在更新周期内，芯片内部时标寄存器数据处于更新阶段，故在该周期内，微处理器不能读芯片时标寄存器的内容，否则将得到不确定数据。更新周期的基本功能主要是刷新各个时标寄存器中的内容，同时秒时标寄存器内容加1，并检查其他时标寄存器内容是否有溢出，如有溢出则相应进位日、月、年。另外一个功能是检查三个时、分、秒报警时标寄存器的内容是否与对应时标寄存器的内容相符，如果相符则寄存器C中的AF 位置“1”。如果报警时标寄存器的内容为C0H至FFH之间的数据，则为不关心状态。为了采样时标寄存器中的数据，DS12887/DS1

34、2C887 提供了两种避开更新周期内访问时标寄存器的方案：第一种是利用更新周期结束发出的中断。它可以编程允许在每次更新周期结束后发生中断申请，提醒CPU将有998ms左右的时间去获取有效的数据，在中断之后的998ms时间内，程序可先将时标数据读到芯片内部的不掉电静态RAM中。因为芯片内部的静态RAM 和状态寄存器是可随时读写的，在离开中断服务子程序前应清除寄存器C中的IRQF 位。另一种是：利用寄存器A中的UIP位来指示芯片是否处于更新周期。在UIP位从低变高244s后，芯片将开始其更新周期，所以检测到UIP位为低电平时，则利用244s 的间隔时间去读取时标信息。如检测到UIP 位为“1”，则

35、可暂缓读数据，等到UIP 变成低电平后再去读数据。 1.3.2 80C51单片机结构特点微型计算机的出现与发展已广泛应用到各行各业中，使人们的日常生活工作都发生了重大变化，如果没有微型计算机，人们的工作生活的质量都受到很大的损失。单片微型计算机是微型计算机发展中的一个重要分支，其独特的结构与性能，越来越普及地应用于国民经济的各个领域，以下主要介绍80C51单片机，它与微型计算机的区别是什么，单片机发展概况；它的特点和应用，通过对本节的学习，使大家对单片微型计算机有个初步的认识和了解。一、单片机的组成单片微型计算机简称单片机，它在一块芯片上集成了各种功能部件：中央处理器（CPU）、随机存取存储器

36、（RAM）、只读存储器（ROM）、定时器/计数器、和各种输入/输出（I/O）接口（如并行I/O口、串行I/O口和A/D转换器）等。他们之间相互连接图如1-6图，构成一个完整的微型计算机。图1-6 单片机结构框图二、80C51单片机的引脚描述及片外总线结构 1.芯片的引脚描述CHMOS制造工艺的80C51单片机采用40引脚的双列直插封装（DIP方式），在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制与其它电源复用的引脚，32条输入/输出（I/O）引脚。下面按其引脚功能为四部分叙述这40条引脚功能。（1） 电源引脚VCC和VSS。其中：VCC（40脚）接+5V电压。VS

37、S（20脚）接地。（2） 接晶体引脚XTAL1和XTAL2。 XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时，对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。XTAL2（18脚）接外部晶体的另一端。在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。采用外部振荡器时，对CHMOS单片机，该引脚悬浮。（3） 控制或与其他电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP。ST/VPD（9脚）：当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。推荐在此引脚与VSS引脚接一个约8.2K的下拉电阻

38、，与VCC引脚之间连接一个约10uf的电容，以保证可靠地复位。（4）VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保持内部RAM的数据不丢失。当VCC主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范围内，VPD就向内部RAM提供备用电源。（5）ALE/PROG（30脚）：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL

39、输入电路。对于EPROM型的单片机，在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。（6）RSEN（29脚）：此脚的输出是外部程序存储器的读写选通信号。在从外部程序存储器取令（或常数）期间，每个机器周期两次PESN有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现，PSEN同样可以驱动（吸收或输出）8个LS型的TTL输入。（7）EA/VPP：当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序，当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器，对于常用的80C51来说，无

40、内部程序存储器，所以EA脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚也用于施加21伏的编程电源（VPP）。输入/输出I/O引脚P0、P1、P2、P3共32根。a)P0口（39脚32脚）：是双向8位三态I/O口，外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LSTTL负载。b)P1口（1脚8脚）：是8位准双向I/O口由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能琐存，故不是 真正的I/O口。门口能驱动（吸收或输出电流）4个LSTTL负载，对8052、8032，P1.0引脚的第二功能为T2定时/计数器的外部输入，P1.1引脚

41、的第二功能为T2EX捕捉、重装触发，即T2的外部控制端。对EPROM编程和程序验证时，它的接收低8位地址。c)P2口（21脚28脚）：是8位准双向I/O口。在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址，在对EPROM编程和程序验证期间，它的接收高8位地址。P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LSTTL负载。d)P3口（10脚17脚）：是8位准双向I/O口，在80c51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口，P3能驱动（吸收或输出电流）4个LSTTL负载。作为第一功能用时，就作为普通的I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。表1-6 口线 引脚 第二功能 P3.0 10

42、 RXD（串行输入口） P3.1 11 TXD（串行输出口） P3.2 12 INT0(外部中断0) P3.3 13 INT1(外部中断1) P3.4 14 T0（定时器0外部输入） P3.5 15 T1（定时器1外部输入） P3.6 16 WR（外部数据存储器写脉冲） P3.7 17 RD（外部数据存储器读脉冲）值得强调的是，P3口的每一条引脚都可以独立定义第一功能的输入输出或第二功能。 1.3.3 数字温度传感器DS18B20主要特性及测温原理一线式数字温度传感器DS18B20是DS1820的更新换代产品(由美国DA IIAS公司生产)。它具有体积小,分辨率高,转换快等优点。由于每片DS1

43、8B20 含有唯一的硅串行数, 所以在一条总线上可以挂接多达248 218×1014只DS18B20,再加上DS18B20 独特的单线总线结构,决定了DS18B20 特别适合于大型的多路温度实时测控系统的温度检测。温度实时测控集装箱的设计, 在实现测控系统的温度检测方面就较好地利用了DS18B20 的独到特点,使系统得到了极大的简化。 一、DS18B20的特性(1) 独特的单线接口方式。DS18B20 在I/O处理器连接时,仅需要一个I/O 口即可实现微处理器同DS18B20的双向通讯。(2) DS18B20支持组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的单线上,实现多点测温。(3)

44、 DS18B20 的测温范围为: - 55+125,在-10+ 85时, 其精度为+ 015。(4) DS18B20的测温结果的数字量位数从912位,可编程进行选择。(5) DS18B20内含寄生电源，器件既可以由单线总线供电,也可用外部的电源(310V515V )供电。数字化温度传感器DS1820测温范围为- 55+125 ，增量值为0.5 (9位温度读数)，它主要由4个数据部件部分组成：64位ROM;温度传感器;非易失性的温度告警触发器TH 和TL；高速便笺存储器64 位ROM用于存储序列号，其首字节固定为28H，表示产品类型码，后6个字节是每个器件的编码，最后1个字节是CRC 校验码.

45、温度告警触发器TH和TL 存储用户通过软件写入的报警上下限值，高速便笺存储器由9个字节组成，其中有2个字节RAM单元用来存放温度值前1个字节为温度值的补码低8位，后1个字节为符号位和温度值的补码高3位。 二、DS18B20 测温原理DS18B20内部结构框图,如图1-7所示。2-7 DS18B20内部结构框图DS18B20 的测温原理：DS18B20 测量温度采用了特有的温度测量技术，它是通过计数时钟周期来实现的，内部计数器对一个受温度影响的振荡器的脉冲计数,低温时,振荡器的脉冲可以通过门电路。而当到达某一设置高温时, 振荡器的脉冲无法通过门电路。计数器设置为- 55。同时, 计数器复位在当前

46、的温度值时, 电路对振荡器的温度系数进行补偿, 计数器重新开始计数直到回零。如果门电路仍未关闭, 则系统重复上述过程。 三、DS18B20的操作协议 DS18B20单纯通信功能是分时完成的。单线信号包括复位脉冲,响应脉冲,写“0”,写“1”,读“1”。它们有严格的时隙概念。系统对DS18B20的操作以ROM命令(5个)和存储器命令(6个)形式出现。对它的操作协议是： 初始化DS18B20发复位脉冲)发ROM功能命令处理数据发存储器命令处理数据。各种操作都有相应的时序图。DS18B20在使用时，一般都采用单片机来实现数据采集。只需将DS18B20 信号线与单片机1位I/O线相连，且单片机的1位I

47、/O线可挂接多个DS18B20，就可实现单点或多点温度检测。DS18B20传感器精度高、互换性好;它直接将温度数据进行编码，可以只使用一根电缆传输温度数据，通信方便，传输距离远且抗干扰性好：与用传统温度传感器组成的多点测温系统相比可节省大量电缆，而且系统得以简化，系统扩充维护十分方便。DS18B20 可以广泛用于工厂工业过程、大型粮仓、酿酒厂，食品加工厂的温度检测以及宾馆、仪器仪表室等处的温度检测和控制。第2章：太阳能热水器硬件设计 2.1.太阳能控制器硬件结构根据控制要求，采用80C51单片机的智能控制器结构框图如图1所示。由于本系统运算量不是很大， 没有太多的中间数据需要处理、保存，因此不

48、再外扩数据存储器。仅使用80C51 内部RAM已完全能够满足要求。系统的硬件接口电路包括：控制器实时时钟接口电路，蓄水箱温度和水位检测接口电路、设定键和串行显示接口电路、看门狗和复位接口电路以及继电器输出接口电路等。 图2-1 太阳能控制器硬件结构图 2.2. 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DALLA S半导体公司最新推出的时钟芯片DS12887，该芯片采用CMOS 技术，把时钟芯片所需的晶振和电池以及相关的电路集成到芯片内部，并

49、与MC146818管脚完全兼容。DS12887芯片具有微功耗、外围接口简单、精度高，工作稳定可靠等优点。它与80C51单片机的接口电路见下图2-2。图2-2 DS12887与单片机接口电路模式选择脚MOT接地， 选择IN TEL时序。DS12887 的高位地址用80C51 的P2.4 选择，则时钟芯片的高8位地址为EFH，而其低8 位地址则由芯片内部各单元的地址来决定(00H80H)，DS12887 的中断输出端IRQ 接上拉电阻，同80C51中断线IN TO相连，为单片机提供中断信号。SQW端口编程为2Hz方波输出，经二分频后，驱动两个LED发光二极管作为时钟的秒闪烁显示。 2.3.水位检测

50、和温度检测接口电路蓄水箱水位和温度检测部分是实现温度智能控制的重要环节，只有准确地检测出水位和温度，才能通过软件计算提前开始辅助加热的预加热时间。要实现辅助加热提前时间的精确计算，最好是采用连续液位传感器，但考虑系统成本，本设计仍采用分段式液位传感器(通过软件来提高精度)，在水位显示上也仍采用分段显示。水位检测部分的硬件连接如图2-3所示。图2-3 水位监测及显示接口电路检测原理如下：当水箱中无水时，8个非门均由1M欧姆电阻上拉成高电平， 所以图中各“非”门(CD4069) 输出均为低电平，LED1 LED8 均不亮。当水位高于“非”门1 的输入探针时，由于水的导电作用，使“非”门1 的输入变

51、为低电平，所以其输出变为高电平，LED点亮，依此类推。随着水位的上升，各“非”门输出相继为高电平，LED依次点亮。这里要注意的是上拉电阻不能选择太小，因为水的电阻在100k8 左右，所以上拉电阻选择太小的话，将在水位升高时，无法把“非”门输入端拉成低电平。实验表明， 上拉电阻选择在500k1M欧姆左右能很好地满足电路的工作要求。为了使80C51 随时能够读出当前的水位情况，这里选用74L S244 作为状态输入缓冲器。蓄水箱温度检测电路采用DS18B20芯片使其换成脉冲信号，送到80C51的I/O 口(编程为计数器工作模式)，通过测量输出脉冲频率的大小来换算成水温高低信号。 2.4 看门狗和复位接口电路的设计控制器的看门狗电路由两级74LS123芯片组成。用P1.7作为单稳态触发器的定时脉冲发生端，当P1.7 口线超过一定时间不对74L S123发正脉冲时，系统将自动复位（附录1）。 2.5 键盘和显示接口电路的设计 2.5.1 键盘电路 下图为80C51单片机P1口构成的中断方式4*4键盘电路。P1.0-P1.3为行线，P1.4-P1.7为列线，行线与4输入与门74HC21的一组输入端相连，输出端与外部中断INT1相连。16个键