完整版太阳能热水器控制毕业设计Word下载.docx

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CS——

A1、A0——

RD——

WR——

片选线

端口选择线（选片内四个端口寄存器）

读信号线

写信号线

输入

（2）内部逻辑部分

（3）外设接口部分

可由编程决定三个端口的功能

输入

输出

其它

A口

8位锁存缓冲

8位锁存

双向

B口

C口

可分成两组分别作A口、B口的选通联络线

2、8255A的端口操作

A1

A0

选中

0

PA口

1

PB口

PC口

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的直接数据通道。

（2）方式1——选通输入输出方式

仅PA口、PB口有此方式，PC口中若干位作联络信号线。

各联络信号线的意义：

STB——

IBF——

INTR——

INTE——

OBF——

ACK——

输入选通信号，外设发来。

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）

中断请求信号，外部设备发给单片机

中断允许信号

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）

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，可决定它的工作方式。

有两个控制字：

（1）方式选择控制字

“1”——方式控制标志位

D6、D5——决定A组的工作方式，00——方式0

01——方式1

1×

——方式2

D4——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1。

D1——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”——标志位。

D6、D5——不使用位。

D3、D2、D1——位选择位，000~111分别对应PC7~PC0。

D0——位状态位，1——置位，0——复位。

3太阳能热水器中央控制器的硬件设计

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—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；

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总有—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，测量温度范围为-55°

C~+125°

C，在-10~+85°

C范围内,精度为±

0.5°

C。

DS1822的精度较差为±

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3V~5.5V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。

3.1.2DS18B20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

图3.9寄生电源供电

3.28255A与单片机的接口电路设计

3.2.1ADC0809与89C51单片机的接口设计

用单片机控制AD转换器时，多采用查询和中断控制两种方法。

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AD转换器时之后，单片机执行别的程序。

当AD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AD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IO口，由P2.7和WR端的脉冲同时有效时启动AD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—7FFFH。

AD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3-3ADC0809与89C51的中断方式原理图

3.3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、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IO口线。

图3-4矩阵式4*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采用键盘编码的方法。

3.3.2LED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IO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IO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。

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描[4]。

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4×

4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IO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4×

8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3-68279与单片机AT89C51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OUB0-3同步输出实现，并且经74LS06非门轮流驱动7段LED显示器。

消隐显示信号输出线与74LS138

（1）的使能端E3相连，当显示功换时,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RL0，RL1，RL2，RL3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FIFORAM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。

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A0端用于控制读写命令状态和数据，A0与地址锁存器74LS373输出的最低位地址线AB0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引脚接地。

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4μs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，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。

图3-7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，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。

（2）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。

（3）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：

·

工作电压Vcc（1.2～5.5V）；

静态电流200μA；

备用电池方式静态电流50μA；

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。

MAX690A与89C51单片机的接口电路如图3-8所示：

图3-8MAX690A与89C51的接口电路

本电路有复位电路和看门狗电路功能，R1、R2选取说明如下：

（3-1）

当R1=1kΩ，R2=2.6kΩ，使+5V电压跌落到4.5V，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1.6s）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1.6s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。

本系统采用内部时钟方式。

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。

图3-9AT89C51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，P2.0~P2.3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IO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EPROM中实现掉电保护；

将采集到的数据通过LED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，首先显示水温和水位，若检测到水流开关打开用水时，自动断开上水阀和电加热体电源，即实现水电联动，用水停电。

当检测到水位过低时，控制单片机在8255A的PC3口的二极管提示加水，然后手动加水。

达到最高水位时同样提醒停止加水。

在水位超过第二档时，将检测到的实际水温和设置水温进行比较，若实际水温低于设置水温时，则加热体通电进行辅助电加热；

若水温高于设置水温时，切断加热体电源；

若检测到水位低档，不管温度设置高低，总是停止加热，防止加热体干烧，在加热功能中将最高水温控制在适当的温度，超温时停止加热并报警。

图一系统主程序流程图

4.2数据采集软件设计

4.2.1中断服务子程序

4.2.2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8155H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4个显示缓冲单元79H—7CH，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4-3　动态显示程序流程图

4.3.2键盘子程序设计

当键盘无键输入时，8155H的PC0到3口不全为1，只有当键盘有键输入时PC0-3口全为1时，向单片机提出外部中断申请，单片机响应中断请求，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-