畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）太陽能熱水器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘 要如何很好的節(jié)約和利用能源，特別是可持續(xù)性能源，一直是人類所面臨的問題了所以研究智能化家庭住宅里的能源如何被更有效的節(jié)約和利用，也有著十分現(xiàn)實(shí)和長遠(yuǎn)的意義。而家用太陽能熱水器就是一個節(jié)約能源，有效利用能源的典型。隨著人類生活的不斷進(jìn)步，科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電子技術(shù)在各個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，智能化家庭住宅模式必將成為人類住宅模式的發(fā)展趨勢。美國、日本等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)在這方面做了很多有益的探索和研究，在我國，隨著人民生活水平的日益提高，智能化家庭住宅模式也必將在我國興起、發(fā)展和完善。所以實(shí)現(xiàn)對家用設(shè)備的智能化控制也就成了一種有益的、必要的、積極的探索和研究。同時，自21世紀(jì)以來我國太陽能利用取得了舉

2、世矚目的成績，太陽能熱水器是太陽能熱利用中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最快的領(lǐng)域，并且隨著大眾文明意識的提高、人民生活水平的不斷提高以及對生活熱水需求的日益增長和擁有9億人口的農(nóng)村潛在市場的開發(fā)，研究、開發(fā)與太陽能熱水器相配套的智能化控制系統(tǒng)，也就有著重大意義，同時會創(chuàng)造良好的社會效益。針對這些，開發(fā)具有智能度、通用性好、穩(wěn)定性好、界面友好的太陽能熱水器控制系統(tǒng)，這些都是現(xiàn)在研究的主流方向。關(guān)鍵詞:太陽能熱水器，太陽能，傳感器，單片機(jī)abstractto economize and utilize energy resource, especially the lasting energ

3、y resource, is a problem that humankind has faced. so it is so realistic and significant to research how to economize and utilize energy resource in home using. and the solar heater is a good example in economizing and utilizing energy resource. the intelligentized residential pattern has been a dev

4、elopment direction of residential pattern of human being，as continually progress inhuman life and technology and the using of electronic technique in every field. so to make the intelligentized control of residential equipmentinto reality is a necessary, active thing. at the same time, from the 21 c

5、entury the using of the solar energy has been made a progress in our country. and the solar energy heater is the most mature, extensive technique in this field. as the continuous progress of peoples civilization consciousness and life, the deploitation of country market of 9 hundreds million people.

6、 it is also significant to research, deploitation the intelligentized control system of the solar energy heater. it also can create great social benefit.keywords: solar energy heater ， solar energy ，sensor，singlechip目 錄1 太陽能熱水器系統(tǒng)簡介51.1 太陽能熱水器發(fā)展概況51.2 太陽能熱水器控制儀的現(xiàn)狀71.3 太陽能熱水器市場前景分析81.4 太陽能熱水器系統(tǒng)功能簡介92

7、單片機(jī)系統(tǒng)簡介112.1 單片機(jī)概述112.2關(guān)于單片機(jī)的一些基本概122.3 芯片簡介152.3.1 msc-51芯片簡介152.3.2 mcs-51的引腳說明：183 傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用213.1 溫度傳感器及其應(yīng)用213.2 數(shù)字溫度傳感器ds18b20214 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與工作原理244.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)244.2 電加熱、電磁閥控制電路254.2.1 光電耦合器264.2.2 雙向可控硅264.2.3 電加熱、電磁閥控制電路274.3 溫度監(jiān)測與控制電路及其工作原理284.3.1 基本工作原理電路284.3.2 源程序284.4水位監(jiān)測及控制電路及其工作原理384.4.1霍爾效應(yīng)及霍

8、爾傳感器384.4.2 霍爾流量計(jì)的工作原理404.4.3 測水量軟件流程414.5 顯示控制及其實(shí)現(xiàn)程序414.5.1 液晶顯示器的特點(diǎn)、分類及其他424.5.2 液晶顯示器與單片機(jī)接口電路434.6鍵盤接口電路及其編程444.6.1鍵盤接口方式444.6.2鍵盤接口電路454.6.3鍵盤編程454.7總模塊電路及其編程464.7.1總模塊電路圖464.7.2 源程序475 仿真與測試585.1 利用proteus 繪制電路圖585.2 在keil中對程序的調(diào)試方法605.3 仿真的實(shí)現(xiàn)64致 謝67參考文獻(xiàn)681 太陽能熱水器系統(tǒng)簡介1.1 太陽能熱水器發(fā)展概況能源是人類生存和社會發(fā)展的物

9、質(zhì)基礎(chǔ)，一個能夠持續(xù)發(fā)展的社會應(yīng)該是一個既能滿足當(dāng)前需要又不危及后代人前途的社會。因而，隨著世界性能源短缺和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，節(jié)約能源和尋找新的可再生無污染的能源就擺在了人們的面前。節(jié)約能源，盡可能多的用潔凈能源代替高碳量的礦物燃料，也就成為能源和環(huán)境建設(shè)必須好遵循的基本原則之一。太陽能的開發(fā)和利用，正是適應(yīng)了這種需要，據(jù)檢測，每平方米太陽能熱水器在其壽命期內(nèi)可減少一噸煤所造成的向大氣排放的有害化合物。因而開發(fā)利用太陽能，是減少環(huán)境污染的重要選擇。1992年聯(lián)合國召開了全球與環(huán)境發(fā)展大會之后，許多國家紛紛將太陽能列入重點(diǎn)開發(fā)項(xiàng)目。充分開發(fā)利用太陽能也就成為世界各國政府可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策

10、，一方面可以廣泛地應(yīng)用于熱水、發(fā)電、制冷、采暖等諸多方面，另一方面可以大量節(jié)省石油煤碳等不可再生資源，將大大緩解能源匾乏而帶來的嚴(yán)重后果。早在1973年，美國就制定了政府級的陽光發(fā)電計(jì)劃。而后許多國家都制定了相應(yīng)的發(fā)展計(jì)劃。80年代，日本、澳大利亞、美國、以色列和希臘等國家出現(xiàn)新興的太陽熱水工業(yè)。我國幅員遼闊，具有豐富的太陽能資源和良好的開發(fā)利用基礎(chǔ)。全國太陽能國輻射總量在3.8- 8.4x 10千焦/平方米之間，約占全國2/3以上的地區(qū)全年日照時數(shù)大于2000小時。經(jīng)過十余年的努力，我國太陽能利用取得了舉世矚目的成績，太陽能熱水器是太陽能熱利用中技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最快的領(lǐng)域。

11、當(dāng)前我國自主開發(fā)的全玻璃真空管太陽能熱水器在世界上處于領(lǐng)先水平，并出口到日本、美國等發(fā)達(dá)國家。國內(nèi)應(yīng)用情況據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國太陽能熱水器在2005年年底的年產(chǎn)量為1500萬平方米，占世界總產(chǎn)量的75.6%；保有量為7500萬平方米，占世界總保有量的60.6%。年產(chǎn)量及擁有量均居世界首位，成為我國節(jié)能領(lǐng)域的新興產(chǎn)業(yè)，已引起國際能源界的關(guān)注，發(fā)展勢頭很好。進(jìn)入90年代，中國在改革開放政策指引下，隨著太陽能熱水器的不斷改進(jìn)、大眾文明意識的提高、人民生活水平的不斷提高以及對生活熱水需求的日益增長和擁有9億人口的農(nóng)村潛在，市場的開發(fā)，更是促進(jìn)了太陽熱水工業(yè)的迅速發(fā)展，太陽能熱水器應(yīng)用同時也得到了一個大規(guī)模進(jìn)展

12、，并且形成了與空調(diào)、彩電、冰箱等一樣的大規(guī)模市場。太陽能熱水器是利用集熱器吸收太陽光，將光能轉(zhuǎn)化成熱能，并通過儲水箱將熱水儲存的裝置。目前，技術(shù)水平最高的太陽能熱水器是真空集熱管太陽能熱水器。真空集熱管的內(nèi)、外管之間是真空夾層，確保冬季管內(nèi)不結(jié)冰，能夠正常使用，內(nèi)管上有一層選擇性吸收鍍膜，膜層能充分吸收太陽光。真空管里的水，吸收熱量后，通過溫差循環(huán)，加熱儲箱內(nèi)的水。太陽能中央熱水系統(tǒng)采取以太陽能為主，電能為輔的能源利用方式。一般情況下全年90%的熱水來自太陽能，只需10%的電能作補(bǔ)充，365天全天候可以供應(yīng)熱水。太陽能熱水器可在全國大部分地區(qū)使用，并被廣泛應(yīng)用于家庭，在賓館沐浴、工業(yè)用水等方面

13、獲得利用。同時，由于其經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著。不用煤油電而用太陽能熱水器洗浴的城鄉(xiāng)居民全國有3000多萬，年節(jié)約能源200萬噸標(biāo)準(zhǔn)煤。太陽熱水不但為廣大城鄉(xiāng)用戶所接受，而且建設(shè)部已將它列入建筑節(jié)能新技術(shù)，準(zhǔn)備推廣，太陽熱水系統(tǒng)將與被動太陽采暖、光伏器件一起成為21世楊太陽能建筑結(jié)構(gòu)的一個組成部分。太陽熱水要擴(kuò)展到為工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務(wù)。太陽能產(chǎn)品本身還存在著使用不方便、不配套、質(zhì)量檔次不高的狀況。同時，由于受自身?xiàng)l件的限制，隨著春夏秋冬四季的變化，以及不同季節(jié)不同天氣的變化，由于真空集熱管太陽能熱水器的單一性能，出水溫度和熱水存量的不確定性給使用中帶來眾多不便，同時也造成了對太陽能的利用效率低下，太陽能

14、熱水器也就在一定程度上滿足不了不同用戶的不同需要，從而影響了太陽能熱水器的長期發(fā)展。1.2 太陽能熱水器控制儀的現(xiàn)狀在太陽能熱水器的控制方面，其發(fā)展就遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于太陽能熱水器本身的發(fā)展，絕大多數(shù)用戶對水位(進(jìn)水)的控制仍然依賴于觀察溢流管有無溢流。但這種方法有明顯缺陷:1)在往水箱進(jìn)冷水時，水箱內(nèi)存留的熱水往上升，直至從溢流管溢出，這樣從溢流口到用戶室內(nèi)這段溢流管所含容積的溫度較高的水白白浪費(fèi)了，溢流管越長，損失越大。2)進(jìn)水進(jìn)到溢流管溢出為止，即水箱已充滿，但當(dāng)在太陽能的作用下，隨著水溫的不斷升高，水的體積不斷膨脹，將上層溫度最高的水從溢流口不斷排出，又造成了大量熱能的流失。為了滿足用戶的需要

15、，市場上相應(yīng)也推出了太陽能熱水器控制儀。調(diào)查分析 目前市場上的此類裝置，存在如下缺陷:1.智能化程度不高，一方面，人工上水，用戶需占用大量時間，使用十分不方便；另一方面，也造成了對太陽能利用的效率低下；2.其關(guān)鍵元件水溫、水位探頭插入水箱中，依靠探頭金屬與水導(dǎo)電產(chǎn)生信號來顯示水位。太陽能水溫升高時，探頭上會產(chǎn)生水垢，影響了探頭與水之間的導(dǎo)電性能，整套水位顯示系統(tǒng)也就失去了作用，控制儀也就不能正常使用 ；3.雖然此類產(chǎn)品種類多，但功能都不齊全，各有側(cè)重，且通用性較差；4.交互界面不友好，用戶了解信息和操作都不方便?；谶@幾點(diǎn)考慮，針對目前市場上的家用太陽能熱水器控制系統(tǒng)存在的缺陷 ，我們做了必要

16、的、有益的調(diào)整、改進(jìn)和完善。以at89c51單片機(jī)為核心 ，利用霍爾流量計(jì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬探頭，解決了升溫結(jié)垢問題；同時實(shí)現(xiàn)對太陽能熱水器的水位、補(bǔ)水方式、補(bǔ)水時間的程序化控制，提高了系統(tǒng)的智能化，同時提高了對太陽能的利用率；通過液晶顯示與用戶建立良好的交互界面。1.3 太陽能熱水器市場前景分析在全球能源形勢緊張、氣候變暖嚴(yán)重威脅經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活健康的今天，世界各國都在尋求新的能源替代戰(zhàn)略，以求得可持續(xù)發(fā)展和在日后的發(fā)展中獲取優(yōu)勢地位。太陽能以其清潔、源源不斷、安全等顯著優(yōu)勢，成為關(guān)注重點(diǎn)。在太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，太陽能熱水器的熱利用轉(zhuǎn)換技術(shù)無疑是最為成熟的，其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也較光伏電池、太陽能發(fā)電

17、等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先一步。但是目前市場還有待規(guī)范，消費(fèi)群體還有待培育，技術(shù)還有尚須改進(jìn)，因而對于企業(yè)來說還有較大的成長空間。 2005年，中國太陽能熱水器年產(chǎn)量已突破1500萬平方米，保有量超過6200萬平方米，行業(yè)總產(chǎn)值已逾150億元。2005年中國熱水器市場銷售量達(dá)到1283.4萬臺，銷售額達(dá)到101.6億元，比上年同期分別增長了20%與33.7%。 2006年，中國燃?xì)狻⑻柲芗邦愃颇茉吹钠骶咧圃煨袠I(yè)累計(jì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)總產(chǎn)值24,125,852千元；實(shí)現(xiàn)累計(jì)產(chǎn)品銷售收入22,071,020千元，比上年同期增長31.32%；實(shí)現(xiàn)累計(jì)利潤總額為759,646千元，比上年同期增長54.07%。 2007年1-

18、11月，中國燃?xì)?、太陽能及類似能源的器具制造行業(yè)累計(jì)實(shí)現(xiàn)工業(yè)總產(chǎn)值28,248,917千元，比上年同期增長了29.14%；累計(jì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品銷售收入27,222,371千元，比上年同期增長了41.02%；累計(jì)實(shí)現(xiàn)利潤總額955,850千元，比上年同期增長了65.14%。 中國太陽能熱水器的年生產(chǎn)量是歐洲的2倍，北美的4倍，現(xiàn)已成為世界上最大的太陽能熱水器生產(chǎn)國和最大的太陽能熱水器市場，并仍在以每年20-30的速度遞增。但是中國太陽能熱水器生產(chǎn)的企業(yè)有3500多家，除皇明、清華陽光、華揚(yáng)、澳柯瑪、北大四季沐歌等10個全國性品牌因質(zhì)量、售后服務(wù)過硬而市場知名度較高外，行業(yè)中存在著大量紛繁蕪雜的雜牌子企業(yè)

19、，這種狀況不利于行業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。 1.4 太陽能熱水器系統(tǒng)功能簡介太陽能熱水器控制儀具有功能齊全、智能化強(qiáng)、操作簡單方便、人機(jī)交互界面良好等諸多優(yōu)點(diǎn):1.4.1 功能上1.太陽能熱水器水位測定:通過霍爾雙向流量計(jì)可較精確的測定目前太陽能熱水器的水量，解決了長期困擾太陽能控制器可靠性的難點(diǎn)。2.太陽能熱水器水溫測定與控制:通過溫度傳感器來探測太陽能熱水器的溫度，并通過單片機(jī)控制在數(shù)碼管上以數(shù)字形式顯示；用戶也可以根據(jù)需要選用或不選用輔助電加熱器。3.補(bǔ)水方式選擇:用戶可以根據(jù)自己的需要選擇自動補(bǔ)水系統(tǒng)一旦檢測到水位低于一定值就自動打開電磁閥補(bǔ)水直到滿水位)或手動補(bǔ)水系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)定的補(bǔ)水時間來進(jìn)

20、行補(bǔ)水)。同時，也加設(shè)了緊急補(bǔ)水鍵，(用戶第一次按下緊急補(bǔ)水鍵，就開始補(bǔ)水，系統(tǒng)就會補(bǔ)水到滿水位，若補(bǔ)水當(dāng)中，用戶第二次按下此鍵，則停止補(bǔ)水)。3.顯示:監(jiān)測結(jié)果以及相應(yīng)的用戶操作，都在液晶上以圖形或數(shù)字的方式來顯示，直觀、明了，用戶用起來很方便。.此外，系統(tǒng)還對多種意外情況做了相應(yīng)的保護(hù)措施。如，當(dāng)系統(tǒng)檢測到電磁閥打開，而流量計(jì)沒記數(shù)時，則延時2分鐘，自動切斷電磁閥(防止用戶補(bǔ)水時，自來水公司突然停水);當(dāng)電加熱啟動著時，用戶如果用水，則切斷電加熱，直到用戶用水完畢，再重新開啟電加熱。(防止帶電用水):等等。1.4.2 智能上太陽能熱水器滿足了不同用戶的不同需要，可根據(jù)季節(jié)不同，用水狀況不同

21、，確定每日的上水時間和次數(shù)，充分利用太陽能源;可根據(jù)家庭用水時間和溫度，自動進(jìn)行電補(bǔ)溫，克服氣候的變化，確保家庭用熱水;一次性設(shè)定好后無須操心，由控制器進(jìn)行自動管理。1.4.3 接口上單管上下水，一閥多能。它也拋棄了傳統(tǒng)的浮球箱來判定水滿否，而是微型化處理，無需溢流管，直接由單片機(jī)根據(jù)預(yù)先設(shè)定的滿水量判斷并實(shí)現(xiàn)自動水滿關(guān)閉。1.4.4 實(shí)用面上現(xiàn)在不光有單個的太陽能熱水器用戶，也有小區(qū)式的太陽能熱水器用戶，該設(shè)計(jì)可以同時滿足兩種用戶的需要。另一方面，控制系統(tǒng)可以單獨(dú)使用于太陽能熱水器，也可以與可與家用電熱水器連用進(jìn)行控制。2 單片機(jī)系統(tǒng)簡介2.1 單片機(jī)概述微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)與發(fā)展已廣泛應(yīng)用到各

22、行各業(yè)中，使人們的日常生活、工作都發(fā)生了重大變化，如果沒有微型計(jì)算機(jī)，人們的工作、生活的質(zhì)量將受很大的損失。單片微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)發(fā)展中的一個重要分支，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)與性能越來越普及地應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域。本緒論主要是介紹什么是單片微型計(jì)算機(jī):它與微型計(jì)算機(jī)的區(qū)別是什么;單片微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展概況;它的特點(diǎn)和應(yīng)用。通過對本緒論的學(xué)習(xí)，使讀者對單片微型計(jì)算機(jī)有一個初略的認(rèn)識和了解。單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個重要分支，也是頗具生命力的機(jī)種。單片機(jī)微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)，特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器。 通常，單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能部件：中央處理器、

23、存儲器和i/o接口電路等。因此，單片機(jī)只需要和適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個單片機(jī)控制系統(tǒng)。單片微型計(jì)算機(jī)簡稱單片機(jī)。它在一塊芯片上集成了各種功能部件:中央處理器(cp切、隨機(jī)存取存儲器(ram)、只讀存儲器(ro峋、定時器/計(jì)數(shù)器、和各種輸入/輸出(fo)接口(如并行fo口、串行fo口和a/d轉(zhuǎn)換器)等。由于它的結(jié)構(gòu)與指令功能同步，也經(jīng)歷了四個階段:第一階段(1971一1974年)，主要是美國intel 公司從早先的第一臺mcs一4微型計(jì)算機(jī)，到后來功能較強(qiáng)的8位微處理器inte18o08和fairchild公司的fs微處理器。這些微處理器雖說還不是單片機(jī)，但從此拉開了研制單片機(jī)的

24、序幕。第二階段(1974一1978)初級單片機(jī)階段，以intel公司的mcs一48為代表。這個系列的單片機(jī)內(nèi)集成有8位cpu，并行i/0 口，8位定時器/計(jì)數(shù)器，尋址范圍不大于4k，且無串行口。第三階段(1978一1983) 高性能單片機(jī)階段。在這一階段的單片機(jī)普遍帶有串行口，有多級中斷處理系統(tǒng)，16位定時器/計(jì)數(shù)器。片內(nèi)rom，r乃初容量加大，且尋址范圍可達(dá)64k字節(jié)，有的片內(nèi)還帶有a/d轉(zhuǎn)換器接口。這類單片機(jī)有intel公司的mcs一51，motorola公司的6801和zilog公司的28等。其中mcs一51系列產(chǎn)品，由于其優(yōu)良的性能價格比，特別適合我國的國情，mcs一51系列單片機(jī)有可

25、能穩(wěn)定相當(dāng)一段時期。現(xiàn)在，國內(nèi)的mcs一51熱正在升溫，隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)步伐的加大，mcs一51系列單片機(jī)必將在各個領(lǐng)域大顯身手。第四階段(1983一現(xiàn)在)，8位單片機(jī)鞏固發(fā)展及16位單片機(jī)推出階段。此階段主要特征是一方面發(fā)展16位單片機(jī)及專用單片機(jī):另一方面不斷完善高檔8位單片機(jī)，改善其結(jié)構(gòu)，以滿足不同用戶的需要。mcs一5王系列屬高檔單片機(jī)，近年來，工ntel公司在提高該系列產(chǎn)品性能方面作了不少工作，相繼推出了不少新產(chǎn)品:8052/8752/8032、低功耗的chmos工藝芯片soc51/87c51/80c31、具有高級語言編程的芯片8052ah一basic、高性能的c252系列等。在本次

26、設(shè)計(jì)中我們采用了mcs一51系列中的89c51來完成產(chǎn)品種的cpu的功能。在單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域中按照單片機(jī)的特點(diǎn)，單片機(jī)可分為單機(jī)引用和多機(jī)應(yīng)用。單機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域有:測控系統(tǒng)、智能儀表、機(jī)電一體化產(chǎn)品、智能接口等。多機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域有:功能集散系統(tǒng)、并行多機(jī)控制系統(tǒng)、局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等。我們所設(shè)計(jì)的太陽能供熱控制系統(tǒng)屬于單機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域的測控系統(tǒng)，即利用單片機(jī)完成對溫度的采集、比較、控制等功能。2.2關(guān)于單片機(jī)的一些基本概隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)已深入地滲透到我們的生活中，單片機(jī)的內(nèi)容比較抽象，相對已熟悉的模擬電路、數(shù)字電路，單片機(jī)中有一些新的概念必須要理解，下面就對這些最基本概念作一說明。一、總線：一個電

27、路總是由元器件通過電線連接而成的，在模擬電路中，連線并不成為一個問題，因?yàn)楦髌骷g一般是串行關(guān)系，各器件之間的連線并不很多，但計(jì)算機(jī)電路卻不一樣，它是以微處理器為核心，各器件都要與微處理器相連，各器件之間的工作必須相互協(xié)調(diào)，所以就需要的連線就很多了，如果仍如同模擬電路一樣，在各微處理器和各器件間單獨(dú)連線，則線的數(shù)量將多得驚人，所以在微處理機(jī)中引入了總線的概念，各個器件共同享用連線，所有器件的8根數(shù)據(jù)線全部接到8根公用的線上，即相當(dāng)于各個器件并聯(lián)起來，但僅這樣還不行，如果有兩個器件同時送出數(shù)據(jù)，一個為0，一個為1，那么，接收方接收到的究竟是什么呢？這種情況是不允許的，所以要通過控制線進(jìn)行控制，使

28、器件分時工作，任何時候只能有一個器件發(fā)送數(shù)據(jù)（能有多個器件同時接收）。器件的數(shù)據(jù)線也就被稱為數(shù)據(jù)總線，器件所有的控制線被稱為控制總線。在單片機(jī)內(nèi)部或者外部存儲器及其它器件中有存儲單元，這些存儲單元要被分配地址，才能使用，分配地址當(dāng)然也是以電信號的形式給出的，由于存儲單元比較多，所以，用于地址分配的線也較多，這些線被稱為地址總線。二、數(shù)據(jù)、地址、指令：之所以將這三者放在一起，是因?yàn)檫@三者的本質(zhì)都是一樣的數(shù)字，或者說都是一串0和1組成的序列。換言之，地址、指令也都是數(shù)據(jù)。指令：由單片機(jī)芯片的設(shè)計(jì)者規(guī)定的一種數(shù)字，它與我們常用的指令助記符有著嚴(yán)格的一一對應(yīng)關(guān)系，不能由單片機(jī)的開發(fā)者更改。地址：是尋找

29、單片機(jī)內(nèi)部、外部的存儲單元、輸入輸出口的依據(jù)，內(nèi)部單元的地址值已由芯片設(shè)計(jì)者規(guī)定好，不可更改，外部的單元能由單片機(jī)開發(fā)者自行決定，但有一些地址單元是一定要有的。數(shù)據(jù)：這是由微處理機(jī)處理的對象，在各種不一樣的應(yīng)用電路中各不相同，一般而言，被處理的數(shù)據(jù)可能有這么幾種情況：1地址（如mov dptr，#1000h），即地址1000h送入dptr。2方式字或控制字（如mov tmod，#3），3即是控制字。3常數(shù)（如mov th0，#10h）10h即定時常數(shù)。4實(shí)際輸出值（如p1口接彩燈，要燈全亮，則執(zhí)行指令：mov p1，#0ffh，要燈全暗，則執(zhí)行指令：mov p1，#00h）這里0ffh和00h

30、都是實(shí)際輸出值。三、p0口、p2口和p3的第二功能使用辦法,各端口的第二功能完全是自動的，不需要用指令來轉(zhuǎn)換。如p3.6、p3.7分別是wr、rd信號，當(dāng)微片理機(jī)外接ram或有外部i/o口時，它們被用作第二功能，不能作為通用i/o口使用，只要一微處理機(jī)一執(zhí)行到movx指令，就會有對應(yīng)的信號從p3.6或p3.7送出，不需要事先用指令說明。事實(shí)上不能作為通用i/o口使用也并不是不能而是（使用者）不會將其作為通用i/o口使用。你完全能在指令中按排一條setb p3.7的指令，并且當(dāng)單片機(jī)執(zhí)行到這條指令時，也會使p3.7變?yōu)楦唠娖剑褂谜卟粫@么去做，因?yàn)檫@常常這會導(dǎo)致系統(tǒng)的崩潰（即死機(jī)）。四、程序

31、的執(zhí)行過程 單片機(jī)在通電復(fù)位后8051內(nèi)的程序計(jì)數(shù)器（pc）中的值為0000，所以程序總是從0000單元開始執(zhí)行，也就是說：在系統(tǒng)的rom中一定要存在0000這個單元，并且在0000單元中存放的一定是一條指令。五、堆棧 堆棧是一個區(qū)域，是用來存放數(shù)據(jù)的，這個區(qū)域本身沒有任何特殊之處，就是內(nèi)部ram的一部份，特殊的是它存放和取用數(shù)據(jù)的方式，即所謂的先進(jìn)后出，后進(jìn)先出，并且堆棧有特殊的數(shù)據(jù)傳輸指令，即push和pop，有一個特殊的專為其服務(wù)的單元，即堆棧指針sp，每當(dāng)執(zhí)一次push指令時，sp就（在原來值的基礎(chǔ)上）自動加1，每當(dāng)執(zhí)行一次pop指令，sp就（在原來值的基礎(chǔ)上）自動減1。由于sp中的值

32、能用指令加以改變，所以只要在程序開始階段更改了sp的值，就能把堆棧設(shè)置在規(guī)定的內(nèi)存單元中，如在程序開始時，用一條mov sp，#5fh指令，就時把堆棧設(shè)置在從內(nèi)存單元60h開始的單元中。一般程序的開頭總有這么一條設(shè)置堆棧指針的指令，因?yàn)殚_機(jī)時，sp的初始值為07h，這樣就使堆棧從08h單元開始往后，而08h到1fh這個區(qū)域正是8031的第二、三、四工作寄存器區(qū)，經(jīng)常要被使用，這會造成數(shù)據(jù)的渾亂。當(dāng)設(shè)置好堆棧區(qū)后，并不意味著該區(qū)域成為一種專用內(nèi)存，它還是能象普通內(nèi)存區(qū)域一樣使用，只是一般情況下編程者不會把它當(dāng)成普通內(nèi)存用了。六、單片機(jī)的開發(fā)過程 這里所說的開發(fā)過程并不是一般書中所說的從任務(wù)分析開

33、始，我們假設(shè)已設(shè)計(jì)并制作好硬件，下面就是編寫軟件的工作。在編寫軟件之前，首先要確定一些常數(shù)、地址，事實(shí)上這些常數(shù)、地址在設(shè)計(jì)階段已被直接或間接地確定下來了。如當(dāng)某器件的連線設(shè)計(jì)好后，其地址也就被確定了，當(dāng)器件的功能被確定下來后，其控制字也就被確定了。然后用文本編緝器（如edit、cced等）編寫軟件，編寫好后，用編譯器對源程序文件編譯，查錯，直到?jīng)]有語法錯誤，除了極簡單的程序外，一般應(yīng)用仿真機(jī)對軟件進(jìn)行調(diào)試，直到程序運(yùn)行正確為止。運(yùn)行正確后，就能寫片（將程序固化在eprom中）。在源程序被編譯后，生成了擴(kuò)展名為hex的目標(biāo)文件，一般編程器能夠識別這種格式的文件，只要將此文件調(diào)入即可寫片。七、仿

34、真、仿真機(jī) 仿真是單片機(jī)開發(fā)過程中非常重要的一個環(huán)節(jié)，除了一些極簡單的任務(wù)，一般產(chǎn)品開發(fā)過程中都要進(jìn)行仿真，仿真的主要目的是進(jìn)行軟件調(diào)試，當(dāng)然借助仿真機(jī)，也能進(jìn)行一些硬件排錯。一塊單片機(jī)應(yīng)用電路板包括單片機(jī)部份及為達(dá)到使用目的而設(shè)計(jì)的應(yīng)用電路，仿真就是利用仿真機(jī)來代替應(yīng)用電路板（稱目標(biāo)機(jī)）的單片機(jī)部份，對應(yīng)用電路部份進(jìn)行測試、調(diào)試。仿真有cpu仿真和rom仿真兩種，所謂cpu仿真是指用仿真機(jī)代替目標(biāo)機(jī)的cpu，由仿真機(jī)向目標(biāo)機(jī)的應(yīng)用電路部份供給各種信號、數(shù)據(jù)，進(jìn)行調(diào)試的辦法。這種仿真能通過單步運(yùn)行、連續(xù)運(yùn)行等多種辦法來運(yùn)行程序，并能觀察到單片機(jī)內(nèi)部的變化，便于改正程序中的錯誤。所謂rom仿真，

35、就是用仿真機(jī)代替目標(biāo)機(jī)的rom，目標(biāo)機(jī)的cpu工作時，從仿真機(jī)中讀取程序，并執(zhí)行。這種仿真其實(shí)就是將仿真機(jī)當(dāng)成一片eprom，只是省去了擦片、寫片的麻煩，并沒有多少調(diào)試手段可言。常常這是二種不一樣類型的仿真機(jī)，也就是說，一臺仿真機(jī)不能既做cpu仿真，又做rom仿真?？赡艿那闆r下，當(dāng)然以cpu仿真好。2.3 芯片簡介2.3.1 msc-51芯片簡介mcs-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 89c51是mcs-51系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品，我們以這一代表性的機(jī)型進(jìn)行系統(tǒng)的講解。 89c51單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲器(rom)、數(shù)據(jù)存儲器(ram)、定時/計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線

36、、地址總線和控制總線等三大總線，現(xiàn)在我們分別加以說明：中央處理器：中央處理器(cpu)是整個單片機(jī)的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼，cpu負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作。數(shù)據(jù)存儲器(ram)89c51內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的ram只有128個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運(yùn)算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。圖2-3-1 89c51內(nèi)部結(jié)構(gòu)程序存儲器(rom)：89c51共有4096個8位

37、掩膜rom，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。89c51 定時/計(jì)數(shù)器(rom)：89c51有兩個16位的可編程定時/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時或計(jì)數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。并行輸入輸出(i/o)口：89c51共有4組8位i/o口(p0、 p1、p2或p3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。全雙工串行口：89c51內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用。中斷系統(tǒng)：89c51具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計(jì)數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。時鐘電路：89c51內(nèi)置最高頻率達(dá)12mhz

38、的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機(jī)運(yùn)行的脈沖時序，但89c51單片機(jī)需外置振蕩電容。單片機(jī)的結(jié)構(gòu)有兩種類型，一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的形式，即哈佛(harvard)結(jié)構(gòu)，另一種是采用通用計(jì)算機(jī)廣泛使用的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一的結(jié)構(gòu)，即普林斯頓(princeton)結(jié)構(gòu)。intel的mcs-51系列單片機(jī)采用的是哈佛結(jié)構(gòu)的形式，而后續(xù)產(chǎn)品16位的mcs-96系列單片機(jī)則采用普林斯頓結(jié)構(gòu)。下圖是mcs-51系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖2-3-2。圖2-3-2 mcs-51系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖2.3.2 mcs-51的引腳說明：mcs-51系列單片機(jī)中的8031、8051及8751均

39、采用40pin封裝的雙列直接dip結(jié)構(gòu)，右圖是它們的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個i/o口，中斷口線與p3口線復(fù)用?，F(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以說明：如圖2-3-3pin9:reset/vpd復(fù)位信號復(fù)用腳，當(dāng)89c51通電，時鐘電路開始工作，在reset引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計(jì)數(shù)器pc指向0000h，p0-p3輸出口全部為高電平，堆棧指針寫入07h，其它專用寄存器被清“0”。reset由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000h地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復(fù)位不改變ram（包括工作寄存器r0-

40、r7）的狀態(tài)，89c51的初始態(tài)。89c51的復(fù)位方式可以是自動復(fù)位，也可以是手動復(fù)位。此外，reset/vpd還是一復(fù)用腳，vcc掉電其間，此腳可接上備用電源，以保證單片機(jī)內(nèi)部ram的數(shù)據(jù)不丟失。pin30:ale/當(dāng)訪問外部程序器時，ale(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問內(nèi)部程序存儲器時，ale端將有一個1/6時鐘頻率的正脈沖信號，這個信號可以用于識別單片機(jī)是否工作，也可以當(dāng)作一個時鐘向外輸出。更有一個特點(diǎn)，當(dāng)訪問外部程序存儲器，ale會跳過一個脈沖。如果單片機(jī)是eprom，在編程其間，將用于輸入編程脈沖。pin29:當(dāng)訪問外部程序存儲器時，此腳輸出負(fù)脈沖選通信號，pc的1

41、6位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在p0和p2口上，外部程序存儲器則把指令數(shù)據(jù)放到p0口上，由cpu讀入并執(zhí)行。pin31:ea/vpp程序存儲器的內(nèi)外部選通線，8051和8751單片機(jī)，內(nèi)置有4kb的程序存儲器，當(dāng)ea為高電平并且程序地址小于4kb時，讀取內(nèi)部程序存儲器指令數(shù)據(jù)，而超過4kb地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。如ea為低電平，則不管地址大小，一律讀取外部程序存儲器指令。顯然，對內(nèi)部無程序存儲器的8031,ea端必須接地。在編程時，ea/vpp腳還需加上21v的編程電壓。圖2-3-3 at89c51引腳分布圖3 傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用3.1 溫度傳感器及其應(yīng)用溫度傳感器是通過物體隨溫度變化而改變某種特性來間接

42、測量的。不少材料、元件的特性都隨溫度的變化而變化，所以能做溫度傳感器的材料相當(dāng)多。溫度傳感器防溫度變化而引起物理參數(shù)變化的有:膨脹、電阻、電容、熱電動勢、磁性能七頻率、光學(xué)特性及熱噪聲等等。隨著生產(chǎn)的發(fā)展，新型溫度傳感器還會不斷地涌現(xiàn)。由于工業(yè)生產(chǎn)中溫度測量的范圍極寬，從零下幾百度到零上幾千度，而各種材料做成的溫度傳感器只能在一定的溫度范圍內(nèi)使用。常用的測溫傳感器的種類與測溫范圍如表2一2所示。溫度傳感器與被測介質(zhì)的接觸方式分為兩大類:接觸式與非接觸式。接觸式溫度傳感器需要與被測介質(zhì)保持熱接觸，使兩者進(jìn)行充分的熱交換而達(dá)到同一溫度。這一類傳感器主要有電阻式、熱電偶、pn結(jié)溫度傳感器等。非接觸式

43、溫度傳感器無需與被測介質(zhì)接觸而是通過被測介質(zhì)的熱輻射或?qū)α鱾鞯綔囟葌鞲衅鳎赃_(dá)到測溫的目的。3.2 數(shù)字溫度傳感器ds18b20 數(shù)字溫度傳感器ds18b20 其外形如小功率三極管。因每一個ds18b20都有一個自己特有的64位芯片id序列號，可以在一條信號線上掛接任意多個數(shù)字式傳感器。表1為分辨率0.0625c時溫度/數(shù)字量關(guān)系表。2.1ds18b20特點(diǎn) （1）獨(dú)有的1-wire接口，只需一個端口管腳進(jìn)行通信； （2）可簡單構(gòu)成分布式多分支溫度測量應(yīng)用系統(tǒng)； （3）不需要任何外圍元件； （4）可通過數(shù)據(jù)線進(jìn)行寄生電源供電； （5）測溫范圍為-55+125； （6）測量精度在-10+85測溫

44、范圍內(nèi)時為0.5； （7）可編程912位數(shù)字溫度計(jì)，相應(yīng)分辨率為0.50.0625c，最大轉(zhuǎn)換時間分別為93.75ms與750ms； （8）用戶可定義非易失性溫度報警設(shè)置及識別。 2.2ds18b20的工作時序與命令 ds18b20采用嚴(yán)格的單總線通信協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的完整性。該協(xié)議定義了幾種信號類型：復(fù)位脈沖、應(yīng)答脈沖、讀/寫和讀/寫。所有這些信號，除了應(yīng)答脈沖以外，都由主機(jī)發(fā)出同步信號。命令和數(shù)據(jù)都是字節(jié)的低位在前。單總線系統(tǒng)中主設(shè)備首先對ds18b20進(jìn)行初始化，以確認(rèn)總線上有ds18b20在線并做好了操作的準(zhǔn)備，再可執(zhí)行rom功能命令，然后方可執(zhí)行存儲器功能命令以進(jìn)行啟動溫度轉(zhuǎn)換及存儲

45、器操作等控制功能。初始化時序中，主機(jī)先通過拉低總線至少480s，產(chǎn)生復(fù)位脈沖信號（tx），接著主機(jī)釋放總線，并進(jìn)入接收模式（rx），上拉電阻將單總線拉高；之后，在單總線器件檢測到上升沿后，延時1560s，接著通過拉低總線60240s，以產(chǎn)生在線應(yīng)答脈沖。 dsl8b20的rom功能命令如表2所示。 dsl8b20的存儲器功能命令如表3所示。 4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與工作原理系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成:系統(tǒng)的硬件:1)溫度傳感及控制電路；2)水位傳感及控制電路；3)鍵盤輸入電路；4)液晶顯示電路四部分組成。軟件編寫主要實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)測及控制溫度和水位，以及實(shí)現(xiàn)建立良好的人機(jī)交互界面。4.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)a

46、t89c51單片機(jī)共有內(nèi)共有4組8位i/o口(p0、 p1、p2或p3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。在控制器中各個端口的工作分配如下:p0口接respack-8排阻，p1.0-p1.3接四位數(shù)碼管，p2口接鍵盤，用于水位開關(guān)控制閥，p3.7接ds18b20溫度傳感器，p3.5和p3.6接蜂鳴器。圖4-1-1為89c51單片機(jī)管腳分布圖。圖4-1-2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖4-1-3為系統(tǒng)與太陽能熱水器配合的工作示意圖。圖4-1-1 89c51 管腳分布圖4-1-2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖4-1-3控制系統(tǒng)的工作示意圖4. 2 電加熱、電磁閥控制電路對電磁閥以及電加熱的控制，由于是通過微信號控制大電流，大功率，

47、所以必須在開關(guān)和單片機(jī)之間進(jìn)行很好的隔離，以免大電流信號影響單片機(jī)正常工作。4.2.1 光電耦合器光電耦合器是一種以光為媒介來傳輸電信號的光電器件，通常是由發(fā)光器件(可見光led或紅外led)和受光器(光電半導(dǎo)體管)封裝在同一管殼內(nèi)組成。當(dāng)輸入端加上電信號時，發(fā)光器便發(fā)出光線，受光器因受到光照而產(chǎn)生光電流，并從輸出端輸出，這即實(shí)現(xiàn)了“電一光一電”的轉(zhuǎn)換。光電耦合器可以耦合從零到幾百千赫茲的信號。并且響應(yīng)速度快，失真小，電氣隔離性能優(yōu)良。它的輸入端與輸出端之間的絕緣電阻達(dá)10”一10124 ，絕緣電壓為1000-500v，其分布電容只有幾個pf。光電偶合起的發(fā)光器屬于電流驅(qū)動器件，具有抗干擾能力

48、強(qiáng)，共模抑制比高，不受磁場影響，不需磁屏蔽的優(yōu)點(diǎn)。光電耦合器的種類很多，有二極管型、達(dá)林頓型、低通導(dǎo)型、雙向?qū)ΨQ型、高速型等十幾種。其中，三極管型光電耦合器的電流傳輸比較小，若要得到較大的電流傳輸比可選用達(dá)林頓型(復(fù)合管型)光電耦合器;若采用光電耦合器在電路中作為開關(guān)用，要求其飽和壓降低，可選用低通導(dǎo)光電耦合器:在高壓電子線路中，如在高壓穩(wěn)壓電路中，取樣放大管的信號經(jīng)過光電耦合器耦合到調(diào)整管，就要求光電耦合器輸出邊與輸入邊之間有很高的耐壓，此時應(yīng)選用高壓型光電藕合器。4.2.2 雙向可控硅雙向可控硅也稱雙向晶閘管(trial)。它是在單向晶閘管的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的新型器件。單向晶閘管實(shí)質(zhì)是一種直

49、流控制器件，而雙向晶閘管是一種理想的交流開關(guān)器件。雙向可控硅屬于一種npnpn五層器件，有三個極，分別為g,t1和t2。g稱為門極，t1和t2稱為主端子。雙向晶閘管的伏安特性如圖4-2-2所示。性能良好的雙向晶閘管，其正、反向特性曲線具有很好的對稱性。并且其觸發(fā)電流小，通態(tài)平均電流大，作電壓高，也是理想的交流開關(guān)器件。圖4-2-2 雙向晶閘管的伏安特性4.2.3 電加熱、電磁閥控制電路控制系統(tǒng)最終要控制交流電路，為隔離強(qiáng)電對弱電部分的影響，采用了光藕moc3020及雙向可控硅bta20和bta04(電磁閥用bta04，電加熱用bta20)作為中間繼電器，充當(dāng)交流控制開關(guān)。光電隔離和tr工ac驅(qū)動部分電路如圖4-3-1所示。電阻r1限制流經(jīng)moc3020輸出端的電流。與雙向晶閘管并聯(lián)的rc回路用于降低雙向晶閘管的沖擊電壓，保護(hù)雙向晶閘管及moc3020o圖4-2-1電磁閥、電