太陽能熱水器的智能控制器設(shè)計(jì)

1、目錄摘 要.IAbstract.II第一章：緒論1.1 太陽能熱水器的發(fā)展概況及市場競爭分析1.2 太陽能熱水器的應(yīng)用及意義第二章：太陽能熱水器的組成及工作原理2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.2 太陽能熱水器組成及原理2.3 主要芯片的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 2.3.1 DS12887實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片簡介 2.3.2 80C51單片機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 2.3.3 數(shù)字溫度傳感器DS18B20主要特性及測溫原理第三章：太陽能熱水器硬件設(shè)計(jì)3.1 太陽能控制器硬件結(jié)構(gòu)3.2 控制器實(shí)時(shí)時(shí)鐘接口電路設(shè)計(jì)3.3 水位檢測和溫度檢測接口電路設(shè)計(jì)3.4 看門狗和復(fù)位接口電路設(shè)計(jì)3.5 鍵盤和顯示接口電路設(shè)計(jì) 3.5.1 鍵盤電路 3

2、.5.2 顯示接口電路3.6 光電隔離與輔助加熱電路設(shè)計(jì) 第四章：控制器的軟件設(shè)計(jì)結(jié)束語參考文獻(xiàn)致謝附錄太陽能熱水器智能控制器的設(shè)計(jì)摘要太陽能熱水器以其諸多的優(yōu)點(diǎn)受到人們的歡迎。本文結(jié)合實(shí)際太陽能熱水器的具體應(yīng)用，在介紹太陽能、傳感器、單片機(jī)的特點(diǎn)基礎(chǔ)上，詳細(xì)描述了太陽能熱水器的工作原理和設(shè)計(jì)方案。這里根據(jù)太陽能熱水器對控制器的要求與特點(diǎn)，提出了一種基于DS12887的太陽能熱水器智能控制器的設(shè)計(jì)方法，給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn)方法。全文分三大部分。第一部分包括第一章，描述太陽能的利用和前景發(fā)展?fàn)顩r。第二部分包括第二章，描述太陽能系統(tǒng)組成及工作原理。第三部分包括第三、四章硬件設(shè)計(jì)及電路原理和

3、軟件設(shè)計(jì)，分別介紹了傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用、一般的太陽能熱水器及循環(huán)系統(tǒng)、單片機(jī)發(fā)展和原理，這也是此款太陽能熱水器的理論基礎(chǔ)和必要前提。關(guān)鍵詞： 太陽能熱水器;傳感器; 模糊控制; 實(shí)時(shí)時(shí)鐘;單片機(jī) Design of intelligent controllerfor Solar Water HeaterAbstract Solar Water Heater is popular with its pretty benefits, Based on authors real experience on Solar Water Heater design, this article describ

4、es the working theory of this solar water hearer after introducing the characters of solar、sensor、Single Chip Microcomputer(SCM).According to the request and characteristic of Solar Water heater for the controller. Providing a design of Intelligent Con- troller for Solar Water heater based on DS1288

5、7. 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, including Chapter 2, describing the including and the theory of this solar water heater. Part three, including Chapter

6、 3,Chapter 4: the design of hardware and software、the theory of the circuit. Separately introducing the characters and use of transducer, common solar water heater and cycle system, the development and theory of Single Chip Microcomputer(SCM),which are the basic theory and necessary precondition.Key

7、 Words： Solar Water Heater、Sensor、Vague control、 Real clock、Single Chip Microcomputer(SCM).第一章：緒論1.1太陽能熱水器的發(fā)展概況及市場競爭分析目前，中國已成為世界上最大的太陽能熱水器生產(chǎn)國，年產(chǎn)量約為世界各國之和，已有一百多家太陽能熱水器生產(chǎn)廠。但是與之配套的太陽能熱水器控制器卻一直處在研究與開發(fā)階段。這種控制器只具有溫度和液位顯示功能， 而且為分段顯示，溫度顯示誤差為10%，水位顯示誤差為25%。這種顯示器(還稱不上控制器)不具有溫度控制功能，當(dāng)由于天氣原因而光強(qiáng)不足時(shí)，就會(huì)給熱水器用戶帶來不便；即

8、使熱水器具有輔助加熱功能，由于加熱時(shí)間不能控制而產(chǎn)生過燒，從而浪費(fèi)大量的電能。本文設(shè)計(jì)的太陽能熱水器控制器以80C51單片機(jī)為檢測控制核心，采用DS12887 實(shí)時(shí)時(shí)鐘，不僅實(shí)現(xiàn)了時(shí)間、溫度和水位三種參數(shù)實(shí)時(shí)顯示和FUZZY控制功能，而且具有時(shí)間設(shè)定、溫度設(shè)定與控制功能。溫度控制采用模糊控制， 控制器可以根據(jù)天氣情況利用輔助加熱裝置使蓄水箱內(nèi)的水溫在設(shè)定時(shí)間達(dá)到預(yù)先設(shè)定的溫度，從而達(dá)到24小時(shí)供應(yīng)熱水的目的。太陽能熱水器是太陽能利用中最常見的一種裝置，經(jīng)濟(jì)效益明顯，正在迅速的推廣應(yīng)用，太陽能熱水器能夠?qū)⑻栞椛淠苻D(zhuǎn)換熱能，供生產(chǎn)和生活使用。他主要由平板集熱器、蓄水器和連接管道等部件組成，可分循

9、環(huán)式、直流式和悶曬式。當(dāng)今社會(huì)發(fā)展日新月異，人們衣食住行也在不斷的提高?，F(xiàn)有電熱型熱水器費(fèi)用昂貴及燃?xì)庑偷牟话踩裕遗欧哦趸嘉廴敬髿?，北方用煤氣取暖造成城市空氣環(huán)境污染，這些都是太陽能熱水器良好的外部生存環(huán)境。太陽能熱水器 克服了上述缺點(diǎn)，他是綠色環(huán)保產(chǎn)品。它使用簡單、方便。太陽能熱水器順呼時(shí)代發(fā)展的要求，滿足人們對環(huán)保綠色產(chǎn)品的需求。在人類文明程度日益提高的今天，它是現(xiàn)代文明社會(huì)的最佳選擇。應(yīng)該注意到，集體單位對太陽能熱水器的用量很大。新建商住樓安裝熱水器，已是房屋開發(fā)公司計(jì)劃之內(nèi)的事，配套熱水器的商品房銷勢更好5。 此款熱水器包括主、從兩大系統(tǒng)：主系統(tǒng)的特點(diǎn)是在晴好的天氣利用太陽光能

10、為熱水器加熱；從系統(tǒng)相當(dāng)于電熱水器，它在無光照的情況下利用電輔助加熱。它充分利用太陽能的豐富的免費(fèi)的資源的優(yōu)勢，同時(shí)考慮到在陰天及夜間無法利用太陽能的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮太陽能熱水器和電熱水器的各自優(yōu)勢，這是世面上大部分熱水器所不能比擬的。1.2太陽能熱水器的應(yīng)用及意義眾所周知，太陽能是取之不盡，用之不竭，沒有污染的巨大能源。隨著世界上煤、油、氣的儲(chǔ)量日益減少，能源危機(jī)已日益增長，環(huán)境污染的危機(jī)已威脅著生態(tài)平衡，太陽能開發(fā)利用的課題已提到人類的面前。有人預(yù)測：二十一世紀(jì)太陽能將由輔助能源上升為主要能源。但由于太陽能的分散性、季節(jié)性和地區(qū)性又給太陽能利用帶來重重困難，有些技術(shù)難點(diǎn)尚未突破，產(chǎn)品造價(jià)偏高

11、（如光電池）。因而尚未被人們大規(guī)模的使用。在太陽能熱利用技術(shù)中，太陽能熱水器是技術(shù)上比較成熟、造價(jià)比較低廉的產(chǎn)品，同時(shí)給人民提供不耗能源、保護(hù)環(huán)境、絕對安全的熱水而受到人們的歡迎。太陽能熱水器是以太陽能光熱轉(zhuǎn)換，利用溫室效應(yīng)和虹吸原理使水加熱的裝置，此裝置分為兩個(gè)不同的概念：1.太陽能熱水工程系統(tǒng)，這種系統(tǒng)由太陽能集熱器、儲(chǔ)水箱管線、補(bǔ)水箱組成不同形式的熱水系統(tǒng)，包括自然循環(huán)式、定溫放水式等等，可構(gòu)成提供熱水10噸到100噸的裝置，大多提供集體單位使用。2.太陽能熱水器是指將上述各種不見組裝成一個(gè)小系統(tǒng)，提供家庭或需要產(chǎn)熱水1噸以下的單位使用，此種裝置算為太陽能熱水器。太陽能熱水器（或系統(tǒng)）均

12、以其采光面積作為計(jì)量單位，一般1平方米光面積可產(chǎn)熱水100升，采光面積每種型號(hào)不同，一般在1.52.0平方米。我國從“六五”計(jì)劃期間開始推廣太陽能熱水器，到目前全國已有250萬平方米采光面積的太陽能熱水器，廠家又幾家發(fā)展到全國約有180家左右，是目前世界上推廣最大的國家之一，而且形成了規(guī)模，形成了中國特色的太陽能企業(yè)，有中國太陽能協(xié)會(huì)為中心的學(xué)術(shù)中心，以中國農(nóng)村能源企業(yè)協(xié)會(huì)太陽能熱利用專業(yè)委員會(huì)為中心，制定了產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、測試條件、產(chǎn)品合格證頒發(fā)等一系列措施。世界各國的太陽能熱水器生產(chǎn)發(fā)展也很快。例如：澳大利亞政府規(guī)定，在北部地區(qū)新建房屋一定要設(shè)置太陽能熱水器，西澳大利亞已有25%的新住宅安裝了太

13、陽能熱水器。日本現(xiàn)在每年安裝太陽能熱水器近50萬臺(tái)，現(xiàn)在有20%的家庭安裝了太陽能熱水器，計(jì)劃今后普及率達(dá)到25%，按照日本的“陽光計(jì)劃”還將為公寓，辦公樓安裝6500套太陽能熱水系統(tǒng)，為工廠安裝1900套工業(yè)用太陽能熱水系統(tǒng)。以色列的法令規(guī)定所有新建筑物必須配備太陽能熱水器，目前普及率已超過60%。英、法、德、意、希臘五國到2000年底推廣熱水器600萬平方米，比1990年增長2倍多。國內(nèi)外太陽能熱水器使用量增長如此之快，其根本原因是：能源問題、環(huán)保問題是當(dāng)今世界各國面臨的主要問題之一。太陽能熱水器是節(jié)能、環(huán)保產(chǎn)品，故受到廣泛重視，發(fā)展極快，預(yù)計(jì)今后每年將以15%20%的速度發(fā)展。根據(jù)理論計(jì)

14、算及實(shí)際應(yīng)用證明，太陽能熱水器每平方米光面積一年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤200-300公斤節(jié)電1500度，或節(jié)約液化氣180公斤。采用本熱水器與電熱水器、燃?xì)鉄崴飨啾?，還具有絕對安全，最為衛(wèi)生的特點(diǎn)，在電費(fèi)，液化氣、煤氣價(jià)格較高的地區(qū)，用戶1-3年即收回投資，在這以后提供的熱水是免費(fèi)的。設(shè)計(jì)可以參考以下的幾個(gè)意見：1.在設(shè)計(jì)民用建筑時(shí)，若此地區(qū)沒有集中熱水供應(yīng)，可給用戶安裝太陽能熱水器，以提供熱水，提高住房的檔次，在設(shè)計(jì)時(shí)將冷、熱水管線預(yù)埋，以平均每套住宅建筑面積65平方計(jì)算，工程造價(jià)大約每平方米增加18-20元，2.設(shè)計(jì)工廠浴室時(shí)，可考慮采用太陽能熱水系統(tǒng)，每平方采光面積產(chǎn)熱水100升計(jì)算，100平方

15、米太陽能熱水系統(tǒng)可產(chǎn)熱水10噸，每人每次標(biāo)準(zhǔn)用水40升，可解決250人的洗浴用水。作為工廠中低溫工業(yè)熱水，可根據(jù)當(dāng)?shù)馗鞣N各樣的不同條件予以特殊設(shè)計(jì)。3.作為工廠中低溫工業(yè)熱水，可根據(jù)當(dāng)?shù)馗鞣N各樣的不同條件予以特殊設(shè)計(jì)，太陽能熱水器的推廣應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)效益據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，迄今全國太陽能熱水器累計(jì)安裝使用總量已達(dá)300萬平方米以上。所以該控制器具有使用方便、性價(jià)比高、工作可靠、精度高等特為太陽能熱水器的進(jìn)一步推廣具有積極的推動(dòng)作用。第二章：太陽能熱水器的組成及工作原理2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 排氣管 不銹鋼保溫水箱圖2-1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖2-1為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)圖，該圖的系統(tǒng)控制原理圖如下圖2-2： T3 T

16、2 F 3 熱 集 水 熱 太陽光 F1 箱 器 T1 D 自來水 F2圖2-2 系統(tǒng)控制原理圖注釋：T1：熱水箱的溫度傳感器T2：循環(huán)水管中的溫度傳感器T3：集熱器中的溫度傳感器F1：循環(huán)水閥門F2：冷水閥門F3：熱水閥門此款熱水器利用微機(jī)控制主要有以下幾種控制功能：晨水加熱控制、溫水循環(huán)控制、冷水集熱控制、水箱加熱控制。1. 早晨水溫控制由于清晨太陽光較弱，所以太陽能熱水器從系統(tǒng)發(fā)揮作用。為了提供溫度不低于30攝氏度的水，熱水器在清晨4-7點(diǎn)之間對水箱進(jìn)行電加熱，具體控制過程如下：首先，關(guān)閉冷水閥門F2和循環(huán)水閥門F1，然后微機(jī)開始進(jìn)行水箱的溫度采集，同時(shí)進(jìn)行溫度的比較，當(dāng)水箱的溫度小于3

17、0攝氏度時(shí)，電熱器D接通進(jìn)行加熱，同時(shí)微機(jī)繼續(xù)對熱水箱的溫度進(jìn)行采集。當(dāng)溫度加熱到大于30攝氏度時(shí)電熱器斷開，如此反復(fù)循環(huán)保證了溫度的穩(wěn)定。2. 循環(huán)水集熱過程早晨水溫控制之后（79點(diǎn)），設(shè)定當(dāng)日的水箱溫度N（由兩位BCD次齒輪開關(guān)設(shè)定），輸入微機(jī)，再利用微機(jī)控制系統(tǒng)，通過太陽光能對熱水箱加熱以達(dá)到理想溫度N。具體控制過程如下：打開循環(huán)閥門F1，關(guān)閉冷水進(jìn)水閥門F2，熱水閥門F3處于空控狀態(tài)。然后開始比較溫度，若（T3-T15攝氏度，T2T1）為止。如若T1=N，那么循環(huán)水集熱過程結(jié)束，進(jìn)入冷水集熱控制過程。3. 冷水集熱控制此時(shí)熱水箱溫度已達(dá)到了N，冷水要進(jìn)入太陽能集熱器，這時(shí)溫度為T3，和

18、當(dāng)日的設(shè)定溫度值相比較，若T3N則將已加熱的水送入熱水箱，每天的控制時(shí)段大概為9點(diǎn)20點(diǎn)。具體控制過程如下：關(guān)閉循環(huán)水閥門F2，打開冷水閥門F2，熱水閥門F3處于可控狀態(tài)。若T3N，打開熱水閥門F3并將保持一段時(shí)間，若T3N閥門F3繼續(xù)保持打開狀態(tài)，否則關(guān)閉F3?？梢姡芜^程充分利用太陽光能轉(zhuǎn)化為熱能，方便快捷。4. 水箱加熱控制此時(shí)，也許你會(huì)問如果沒有日照或者日照較弱時(shí)，到了晚上我們是否還能洗上熱水澡嗎？答案是肯定的，不要忘了這款熱水器還有一個(gè)從系統(tǒng)，這時(shí)它就要發(fā)揮作用了。熱水箱溫度為T1，將它和設(shè)定值N相比較，從而控制是否打開電加熱，控制時(shí)段為下午，具體過程如下： 若T1N，電加熱接通；否

19、則，電加熱斷開，而且，15點(diǎn)20點(diǎn)中的每個(gè)小時(shí)有下表的關(guān)系：表一 時(shí)間（時(shí)） 溫度比較 加熱值（度） 15 T135N 35 16 T140N 40 17 T145N 45 18 T150N 50 19 T155N 55 20 T160N 60最終熱水箱的溫度加熱到設(shè)定值N。由此可見，即使沒有日照我們照樣可以洗上熱水澡了。綜上所述，太陽能供熱控制系統(tǒng)不僅節(jié)約而且高度只能化，方便省事，不論日常家居，還是對賓館、學(xué)校等都是最佳選擇。2.2太陽能熱水器組成及原理 6 5 4 7 2 1 3 2-3 熱水器裝置簡圖1-集熱器 2-下降水管 3-循環(huán)水管4-補(bǔ)給水箱 5-上升水管 6-自來水管 7-熱水

20、出水管熱水器主要由集熱器、循環(huán)管道和水箱等組成，圖中為典型的熱水器裝置圖。圖中集熱器1按最佳傾角放置，下降水管2的一端與循環(huán)水箱3的下部相連，另一端與集熱器1的下集管接通。上升水管5與循環(huán)水箱3上部相連，另一端與集熱器1的上集管相接。補(bǔ)給水箱4供給循環(huán)水箱3所需的冷水。 當(dāng)集熱器吸收太陽輻射后，集熱器內(nèi)溫度上升，水溫也隨之升高。水溫升高后，水的比重減輕，便經(jīng)上升水管進(jìn)入循環(huán)水箱上部。而循環(huán)水箱下部的冷水比重較大，就由水箱下流到集熱器下方，在集熱器內(nèi)受熱后又上升。這樣不斷對流循環(huán)，水溫逐漸提高，直到集熱器吸收的熱量與散失的熱量相平衡時(shí)，水溫不再升高。這種熱水利用循環(huán)加熱的原理，因此又稱循環(huán)熱水器

21、。集熱器是一種利用溫室效應(yīng)，將太陽能輻射轉(zhuǎn)換為熱能的裝置，該裝置與一般熱水交換器不一樣，熱交換器通常只是液體到液體，或是液體到氣體的熱交換過程，而平板行集熱器時(shí)直接將太陽輻射傳給液體或氣體，是一個(gè)復(fù)雜的傳熱過程。平板型集熱器結(jié)構(gòu)形式很多，世界上已實(shí)用的集熱器就有直管式、瓦楞式、扁管式、鋁翼式等二十多種。2.3 主要芯片的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)2.3.1.DS12887時(shí)鐘芯片簡介 隨著2000 年的即將來臨，“千年蟲”問題成為困擾當(dāng)今世界的一大難題。過去采用兩位數(shù)表示年度的日歷系統(tǒng)將要用四位數(shù)來表示，因此有關(guān)的計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件都要作相應(yīng)的修改。據(jù)此，美國達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司(Dallas)最新推出DS

22、12887的串行接口實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，采用CMOS 技術(shù)制成，具有內(nèi)部晶振和時(shí)鐘芯片備份鋰電池，同時(shí)它與目前IBMAT計(jì)算機(jī)常用的時(shí)鐘芯片MCB 和DS1287 管腳兼容，可直接替換。它所提供的世紀(jì)字節(jié)在位置32h，世紀(jì)寄存器32h到2000 年1月1日從19遞增到20。采用DS12887 芯片設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路不需任何外圍電路和器件，并具有良好的微機(jī)接口。DS12887芯片具有微功耗，外圍接口簡單，精度高，工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛用于各種需要較高精度的實(shí)時(shí)時(shí)鐘系統(tǒng)。美國Dallas公司推出兩款數(shù)字時(shí)鐘芯片DS12887/DS12C887，兩款時(shí)鐘芯片都將在1999年12月31日23時(shí)59分59秒時(shí)

23、順利地跳到2000 年1月1日零時(shí)，并能實(shí)2000 年2月29 日的閏年提示，是時(shí)鐘芯片DS1287 的增強(qiáng)型品種，結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于MCB 的改進(jìn)型。芯片都采用24引腳雙列直插式封裝，其引腳接口邏輯和內(nèi)部操作方式與MC 基本一致，所不同的是DS12887/DS12C887 芯片的晶體振蕩器、振蕩電路、充電電路和可充電鋰電池等一起封裝在芯片的上方，組成一個(gè)加厚的集成電路模塊，因此，DS12887/ DS12C887時(shí)鐘芯片無需MC 的電源電位檢測端( PS)，電路通電時(shí)其充電電路便自動(dòng)對可充電電池充電，充足一次電可供芯片時(shí)鐘運(yùn)行半年之久，正常工作時(shí)可保證時(shí)鐘數(shù)據(jù)十年內(nèi)不會(huì)丟失。此外，片內(nèi)通用的RAM

24、 為MC 的兩倍以上。DS12887/DS12C887 內(nèi)部有專門的接口電路，從而使得外部電路的時(shí)序要求十分簡單，使它與各種微處理器的接口大大簡化。使用時(shí)無需外圍電路元件，只要選擇引腳MOT 電平，即可和不同計(jì)算機(jī)總線連接。1.主要技術(shù)特點(diǎn)DS12887/DS12C887 具有下列主要技術(shù)特點(diǎn)：(1) 具有完備的時(shí)鐘、鬧鐘及到2100年的日歷功能，可選擇12小時(shí)制或24小時(shí)制計(jì)時(shí)，有AM和PM、星期、夏令時(shí)間操作，閏年自動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙δ堋?2) 具有可編程選擇的周期性中斷方式和多頻率輸出的方波發(fā)生器功能。(3) DS12887內(nèi)部有14個(gè)時(shí)鐘控制寄存器，包括10個(gè)時(shí)標(biāo)寄存器，4個(gè)狀態(tài)寄存器和114

25、bit作掉電保護(hù)用的低功耗RAM。(4) 由于該芯片具有多種周期中斷速率時(shí)鐘中斷功能，因此可以滿足各種不同的待機(jī)要求，最長可達(dá)24小時(shí)，使用非常方便。(5) 時(shí)標(biāo)可選擇二進(jìn)制或BCD碼表示。(6) 工作電壓： + 4. 55. 5V、工作電流：715mA。(7) 工作溫度范圍：070C。2.DS12887/ DS12C887 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS12887/DS12C887為24引腳芯片，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖。圖2-4 DS18B20內(nèi)部框圖其中：MOT：計(jì)算機(jī)總線選擇端；SQW：方波輸出，速率和是否輸出由專用寄存器A、B的預(yù)置參數(shù)決定；AD0AD7：地址/數(shù)據(jù)(雙向)總線，由AS 的下降沿鎖存8位地址；

26、R/W：讀/寫數(shù)據(jù);AS：地址鎖存信號(hào)端；DS：數(shù)據(jù)讀信號(hào)端；CS：選通信號(hào)端，低電平有效；IRQ：中斷申請，由專用寄存器決定；RESET：復(fù)位端；NC：空引腳。DS12887內(nèi)部由振蕩電路，分頻電路，周期中斷/方波選擇電路，14字節(jié)時(shí)鐘和控制單元，114字節(jié)用戶非易失RAM，十進(jìn)制/二進(jìn)制計(jì)加器，總線接口電路，電源開關(guān)寫保護(hù)單元和內(nèi)部鋰電池等部分組成。DS12887管腳分配如圖：圖2-5 管腳分配圖VCC：直流電源+ 5V 電壓。當(dāng)5V電壓在正常范圍內(nèi)時(shí)，數(shù)據(jù)可讀寫;當(dāng)VCC低于4.25V，讀寫被禁止，計(jì)時(shí)功能仍繼續(xù);當(dāng)VCC下降到3V以下時(shí)，RAM和計(jì)時(shí)器供電被切換到內(nèi)部鋰電池。MOT(模

27、式選擇)：MOT 管腳接到VCC時(shí)，選擇MOTOROLA時(shí)序，當(dāng)接到GND 時(shí)，選擇INTEL時(shí)序。SQW(方波信號(hào)輸出)：SQW 管腳能從實(shí)時(shí)時(shí)鐘內(nèi)部15級(jí)分頻器的13個(gè)抽頭中選擇一個(gè)作為輸出信號(hào)，其輸出頻率可通過對寄存器A編程改變。AD0 AD7(雙向地址/ 數(shù)據(jù)復(fù)用線)：總線接口，可與MOTOROLA微機(jī)系列和INTEL 微機(jī)系列接口。AS (地址選通輸入)：用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)分離，在AD/ ALE 的下降沿把地址鎖入DS12887。DS(數(shù)據(jù)選通或讀輸入)：DS/ RD 管腳有兩種操作模式，取決于MOT管腳的電平，當(dāng)使用MOTORO2LA 時(shí)序時(shí)，DS是一正脈沖，出現(xiàn)在總線周期的后段，稱為數(shù)

28、據(jù)選通；在讀周期，DS指示DS12887驅(qū)動(dòng)雙向總線的時(shí)刻; 在寫周期，DS的后沿使DS12887鎖存寫數(shù)據(jù)。選擇INTEL時(shí)序時(shí)，DS稱作(RD)，RD與典型存貯器的允許信號(hào)(OE) 的定義相同。R/W(讀/ 寫輸入) ： R/ W 管腳也有兩種操作模式。選MOTOROLA 時(shí)序時(shí)，R/W 是一電平信號(hào)，指示當(dāng)前周期是讀或?qū)懼芷?，DS為高電平時(shí)，R/ W高電平指示讀周期，R/W 信號(hào)是一低電平信號(hào)，稱為WR。在此模式下，R/ W管腳與通用RAM 的寫允許信號(hào)(WE) 的含義相同。CS(片選輸入)：在訪問DS12887 的總線周期內(nèi)片選信號(hào)必須保持為低。IRQ(中斷申請輸入)：低電平有效，可作

29、微處理的中斷輸入。沒有中斷的條件滿足時(shí)，IRQ處于高阻態(tài)。IRQ線是漏極開中輸入，要求外接上接電阻。RESET(復(fù)位輸出)：當(dāng)該腳保持低電平時(shí)間大于200ms，保證DS12887有效復(fù)位。3.DS12887/ DS12C887 內(nèi)部寄存器的功能因DS12887 和DS12C887 結(jié)構(gòu)功能上類似，現(xiàn)以DS12887 為例說明如下：CPU通過讀DS12887的內(nèi)部時(shí)標(biāo)寄存器得到當(dāng)前的時(shí)間和日歷，也可通過選擇二進(jìn)制碼或BCD碼初始化芯片的10個(gè)時(shí)標(biāo)寄存器。其114bit非易失性靜態(tài)RAM 可供用戶使用，對于沒有RAM的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，可在主機(jī)掉電時(shí)來保存一些重要的數(shù)據(jù)。DS12887 的4個(gè)狀態(tài)寄

30、存器用來控制和指DS12887模塊的當(dāng)前工作狀態(tài)，除數(shù)據(jù)更新周期外，程序可隨時(shí)讀寫這4個(gè)寄存器，各寄存器的功能和作用如下。寄存器A各位不受復(fù)位的影響，UIP 位為只讀位，其它各位均可讀寫。寄存器的控制字的格式如下表2所列：表2 DS12887 控制寄存器A 各布爾位定義：IT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0UIP DV2 DV1 DV0 RS3 RS2 RS1 RS01.IP 位：更新周期標(biāo)志位。該位為“1”時(shí)，表示芯片正處于或即將開始更新周期，此時(shí)程序不準(zhǔn)讀寫時(shí)標(biāo)寄存器；該位為“0”時(shí)，表示至少在244s 后才開始更新周期，此時(shí)程序可讀芯片內(nèi)時(shí)標(biāo)寄存器

31、。該位是只讀位。2. DV0 、DV1 、DV2 ：芯片內(nèi)部振蕩器RTC 控制位。當(dāng)芯片解除復(fù)位狀態(tài)，并將010寫入DV0、DV1、DV2后，另一個(gè)更新周期將在500ms后開始。因此，在程序初始化時(shí)可用這三位精確地使芯片在設(shè)定的時(shí)間開始工作。這與MC 不同的是，DS12887固定使用32 768Hz 的內(nèi)部晶體，所以，DV0 =“0”，DV1 =“1”，DV2 =“0”，即只有一種010的組合選擇即可啟動(dòng)RTC。3. RS3、RS2、RS1、RS0：周期中斷可編程方波輸出速率選擇位。各種不同的組合可以產(chǎn)生不同的輸出。程序可以通過設(shè)置寄存器B的SQWF 和PIE 位控制是否允許周期中斷和方波輸出

32、。其寄存器A輸出速率選擇位如表3所列。表3 DS12887 控制寄存器A 輸出速率選擇位定義寄存器A 輸出速率選擇位 32 768Hz 時(shí)基RS3 RS2 RS1 RS0 中斷周期 SQWF輸出頻0 0 0 0 無 無0 0 0 1 3.90625ms 256Hz0 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.ms 512Hz1 0 0 0 3.90625ms 256Hz1 0 0

33、 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 2Hz寄存器B允許讀寫，主要用于控制芯片的工作狀態(tài)。寄存器B的控制字的格式如表4所列。表4 DS12887 控制寄存器B各布爾位定義BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0SET PIE AIE UIE SQWE DM 24/12 DSE(1) SET 位：當(dāng)該位為“0”時(shí)，芯片處于正常工作狀態(tài)，每秒產(chǎn)生一個(gè)更新

34、周期來更新時(shí)標(biāo)寄存器為“1”時(shí)，芯片停止工作，程序在此期間可初始化芯片的各個(gè)時(shí)標(biāo)寄存器。(2)PIE、AIE、UIE 位：分別為周期中斷、報(bào)警中斷、更新周期結(jié)束中斷允許位。各位為“1”時(shí)，允許芯片發(fā)相應(yīng)的中斷。(3)SQWE 位：方波輸出允許位。SQWE“1”，按寄存器A 輸出速率選擇位所確定的頻率輸出方波;SQWE =“0”，腳SQW保持低電平。(4) DM 位：時(shí)標(biāo)寄存器用十進(jìn)制BCD 碼表示或用二進(jìn)制表示格式選擇位。DM =“0”時(shí)，為十進(jìn)制BCD碼;DM =“1”時(shí)，為二進(jìn)制碼。(5) 24/ 12 位： 24/ 12 小時(shí)模式設(shè)置位。24/12位=“1”時(shí)，為24 小時(shí)工作模式;24

35、/ 12 位=“0”時(shí)，為12 小時(shí)工作模式。(6)DSE位：夏令時(shí)服務(wù)位。DSE=“1”，夏時(shí)制設(shè)置有效，夏時(shí)制結(jié)束可自動(dòng)刷新恢復(fù)時(shí)間;DSE=“0”，無效。寄存器C的控制字的格式如表4所列。該寄存器的特點(diǎn)是程序訪問讀該寄存器后，該寄存器的內(nèi)容將自動(dòng)清零，從而使IRQF 標(biāo)志位變?yōu)楦唠娖?，否則，芯片將無法向CPU 申請下一次中斷。表5 DS12887 控制寄存器C各布爾位定義BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0IRQF PF AF UF 0 0 0 0(1) IRQF位：中斷申請標(biāo)志位。該位邏輯表達(dá)式為：IRQF = PFPIE +AFAIE+UFU

36、IE。當(dāng)IRQF位變“1”時(shí)，引腳將變低電平引發(fā)中斷申請。(2) PF、AF、UF 位：這三位分別為周期中斷、報(bào)警中斷、更新周期結(jié)束中斷標(biāo)志位。只要滿足各中斷的條件，相應(yīng)的中斷標(biāo)志位將置“1”。(3) BIT3BIT0 ：未定義的保留位。讀出值始終為0 。寄存器D為只讀寄存器。寄存器D的控制字的格式如表6所示。表6 DS12887 控制寄存器D 各布爾位定義BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0VRT 0 0 0 0 0 0 0(1) VRT 位：芯片內(nèi)部RAM 與寄存器內(nèi)容有效標(biāo)志位。該位為“1”時(shí)，指芯片內(nèi)部RAM 和寄存器內(nèi)容有效。讀該寄存器后，該

37、位將自動(dòng)置“1”。(2) BIT6BIT0 位：保留位。讀出的數(shù)值始終為0。4. DS12887/DS12C887 的中斷和更新周期DS12887/DS12C887 處于正常工作狀態(tài)時(shí)，每秒鐘將產(chǎn)生一個(gè)更新周期，芯片處于更新周期的標(biāo)志是寄存器A中的UIP位為“1”。在更新周期內(nèi)，芯片內(nèi)部時(shí)標(biāo)寄存器數(shù)據(jù)處于更新階段，故在該周期內(nèi)，微處理器不能讀芯片時(shí)標(biāo)寄存器的內(nèi)容，否則將得到不確定數(shù)據(jù)。更新周期的基本功能主要是刷新各個(gè)時(shí)標(biāo)寄存器中的內(nèi)容，同時(shí)秒時(shí)標(biāo)寄存器內(nèi)容加1，并檢查其他時(shí)標(biāo)寄存器內(nèi)容是否有溢出，如有溢出則相應(yīng)進(jìn)位日、月、年。另外一個(gè)功能是檢查三個(gè)時(shí)、分、秒報(bào)警時(shí)標(biāo)寄存器的內(nèi)容是否與對應(yīng)時(shí)標(biāo)寄

38、存器的內(nèi)容相符，如果相符則寄存器C中的AF 位置“1”。如果報(bào)警時(shí)標(biāo)寄存器的內(nèi)容為C0H至FFH之間的數(shù)據(jù)，則為不關(guān)心狀態(tài)。為了采樣時(shí)標(biāo)寄存器中的數(shù)據(jù)，DS12887/DS12C887 提供了兩種避開更新周期內(nèi)訪問時(shí)標(biāo)寄存器的方案：第一種是利用更新周期結(jié)束發(fā)出的中斷。它可以編程允許在每次更新周期結(jié)束后發(fā)生中斷申請，提醒CPU將有998ms左右的時(shí)間去獲取有效的數(shù)據(jù)，在中斷之后的998ms時(shí)間內(nèi)，程序可先將時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)讀到芯片內(nèi)部的不掉電靜態(tài)RAM中。因?yàn)樾酒瑑?nèi)部的靜態(tài)RAM 和狀態(tài)寄存器是可隨時(shí)讀寫的，在離開中斷服務(wù)子程序前應(yīng)清除寄存器C中的IRQF 位。另一種是：利用寄存器A中的UIP位來指示芯

39、片是否處于更新周期。在UIP位從低變高244s后，芯片將開始其更新周期，所以檢測到UIP位為低電平時(shí)，則利用244s 的間隔時(shí)間去讀取時(shí)標(biāo)信息。如檢測到UIP 位為“1”，則可暫緩讀數(shù)據(jù)，等到UIP 變成低電平后再去讀數(shù)據(jù)。2.3.2 80C51單片機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)與發(fā)展已廣泛應(yīng)用到各行各業(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)量都受到很大的損失。單片微型計(jì)算機(jī)是微型計(jì)算機(jī)發(fā)展中的一個(gè)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(gè)領(lǐng)域，以下主要介紹80C51單片機(jī)，它與微型計(jì)算機(jī)的區(qū)別是什么，單片機(jī)發(fā)展概況；它的特點(diǎn)和應(yīng)用，通

40、過對本節(jié)的學(xué)習(xí)，使大家對單片微型計(jì)算機(jī)有個(gè)初步的認(rèn)識(shí)和了解。一、單片機(jī)的組成單片微型計(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（CPU）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、和各種輸入/輸出（I/O）接口（如并行I/O口、串行I/O口和A/D轉(zhuǎn)換器）等。他們之間相互連接圖如2-6圖，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。圖2-6 單片機(jī)結(jié)構(gòu)框圖二、 80C51單片機(jī)的引腳描述及片外總線結(jié)構(gòu)1.芯片的引腳描述CHMOS制造工藝的80C51單片機(jī)采用40引腳的雙列直插封裝（DIP方式），在單片機(jī)的40條引腳中有2條專用于主電源的引腳，2條外接晶體的引腳，4條控制

41、與其它電源復(fù)用的引腳，32條輸入/輸出（I/O）引腳。下面按其引腳功能為四部分?jǐn)⑹鲞@40條引腳功能。（1） 電源引腳VCC和VSS。其中：VCC（40腳）接+5V電壓。VSS（20腳）接地。（2） 接晶體引腳XTAL1和XTAL2。 XTAL1（19腳）接外部晶體的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)，對CHMOS單片機(jī)，此引腳作為驅(qū)動(dòng)端。XTAL2（18腳）接外部晶體的另一端。在單片機(jī)內(nèi)部，接至上述振蕩器的反相放大器的輸出端。采用外部振蕩器時(shí)，對CHMOS單片機(jī)，該引腳懸浮。（3） 控制或與其他電源復(fù)用引腳RST/VPD、ALE/

42、PROG、PSEN和EA/VPP。ST/VPD（9腳）：當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。推薦在此引腳與VSS引腳接一個(gè)約8.2K的下拉電阻，與VCC引腳之間連接一個(gè)約10uf的電容，以保證可靠地復(fù)位。（4）VCC掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保持內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng)VCC主電源下掉到低于規(guī)定的電平，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)，VPD就向內(nèi)部RAM提供備用電源。（5）ALE/PROG（30腳）：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（允許地址鎖存）的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。即使不訪問外部存儲(chǔ)器，ALE端仍以不變的頻率周期性地出現(xiàn)正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率

43、的1/6。因此，它可用作對外輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)目的。然而要注意的是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。ALE端可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）8個(gè)LS型的TTL輸入電路。對于EPROM型的單片機(jī)，在EPROM編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖（PROG）。（6）RSEN（29腳）：此腳的輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀寫選通信號(hào)。在從外部程序存儲(chǔ)器取令（或常數(shù)）期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次PESN有效。但在此期間，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)，PSEN同樣可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出）8個(gè)LS型的TTL輸入。（7）EA/VPP：當(dāng)EA端保持高電平時(shí)，訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，但在P

44、C（程序計(jì)數(shù)器）值超過0FFFH時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序，當(dāng)EA保持低電平時(shí)，則只訪問外部程序存儲(chǔ)器，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，對于常用的80C51來說，無內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，所以EA腳必須常接地，這樣才能只選擇外部程序存儲(chǔ)器。對于EPROM型單片機(jī)，在EPROM編程期間，此引腳也用于施加21伏的編程電源（VPP）。輸入/輸出I/O引腳P0、P1、P2、P3共32根。a)P0口（39腳32腳）：是雙向8位三態(tài)I/O口，外接存儲(chǔ)器時(shí)，與地址總線的低8位及數(shù)據(jù)總線復(fù)用，能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。b)P1口（1腳8腳）：是8位準(zhǔn)雙向I/O口由于這種接口輸出沒有高阻狀態(tài)，輸

45、入也不能瑣存，故不是 真正的I/O口。門口能驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)LSTTL負(fù)載，對8052、8032，P1.0引腳的第二功能為T2定時(shí)/計(jì)數(shù)器的外部輸入，P1.1引腳的第二功能為T2EX捕捉、重裝觸發(fā)，即T2的外部控制端。對EPROM編程和程序驗(yàn)證時(shí)，它的接收低8位地址。c)P2口（21腳28腳）：是8位準(zhǔn)雙向I/O口。在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，它可以作為擴(kuò)展電路高8位地址總線送出高8位地址，在對EPROM編程和程序驗(yàn)證期間，它的接收高8位地址。P2可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)LSTTL負(fù)載。d)P3口（10腳17腳）：是8位準(zhǔn)雙向I/O口，在80c51中，這8個(gè)引腳還用于專門功能，是復(fù)用雙

46、功能口，P3能驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)LSTTL負(fù)載。作為第一功能用時(shí)，就作為普通的I/O口用，功能和操作方法與P1口相同。表6 口線 引腳 第二功能 P3.0 10 RXD（串行輸入口） P3.1 11 TXD（串行輸出口） P3.2 12 INT0(外部中斷0) P3.3 13 INT1(外部中斷1) P3.4 14 T0（定時(shí)器0外部輸入） P3.5 15 T1（定時(shí)器1外部輸入） P3.6 16 WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫脈沖） P3.7 17 RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀脈沖）值得強(qiáng)調(diào)的是，P3口的每一條引腳都可以獨(dú)立定義第一功能的輸入輸出或第二功能。2.3.3 數(shù)字溫度傳感器DS18B20

47、主要特性及測溫原理 一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20是DS1820的更新?lián)Q代產(chǎn)品(由美國DA IIAS公司生產(chǎn))。它具有體積小,分辨率高,轉(zhuǎn)換快等優(yōu)點(diǎn)。由于每片DS18B20 含有唯一的硅串行數(shù), 所以在一條總線上可以掛接多達(dá)248 2181014只DS18B20,再加上DS18B20 獨(dú)特的單線總線結(jié)構(gòu),決定了DS18B20 特別適合于大型的多路溫度實(shí)時(shí)測控系統(tǒng)的溫度檢測。溫度實(shí)時(shí)測控集裝箱的設(shè)計(jì), 在實(shí)現(xiàn)測控系統(tǒng)的溫度檢測方面就較好地利用了DS18B20 的獨(dú)到特點(diǎn),使系統(tǒng)得到了極大的簡化。一、DS18B20的特性(1) 獨(dú)特的單線接口方式。DS18B20 在I/O處理器連接時(shí),僅需要一

48、個(gè)I/O 口即可實(shí)現(xiàn)微處理器同DS18B20的雙向通訊。(2) DS18B20支持組網(wǎng)功能,多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的單線上,實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫。(3) DS18B20 的測溫范圍為: - 55+125,在-10+ 85時(shí), 其精度為+ 015。(4) DS18B20的測溫結(jié)果的數(shù)字量位數(shù)從912位,可編程進(jìn)行選擇。(5) DS18B20內(nèi)含寄生電源，器件既可以由單線總線供電,也可用外部的電源(310V515V )供電。數(shù)字化溫度傳感器DS1820測溫范圍為- 55+125 ，增量值為0.5 (9位溫度讀數(shù))，它主要由4個(gè)數(shù)據(jù)部件部分組成：64位ROM;溫度傳感器;非易失性的溫度告警觸發(fā)器T

49、H 和TL；高速便箋存儲(chǔ)器64 位ROM用于存儲(chǔ)序列號(hào)，其首字節(jié)固定為28H，表示產(chǎn)品類型碼，后6個(gè)字節(jié)是每個(gè)器件的編碼，最后1個(gè)字節(jié)是CRC 校驗(yàn)碼. 溫度告警觸發(fā)器TH和TL 存儲(chǔ)用戶通過軟件寫入的報(bào)警上下限值，高速便箋存儲(chǔ)器由9個(gè)字節(jié)組成，其中有2個(gè)字節(jié)RAM單元用來存放溫度值前1個(gè)字節(jié)為溫度值的補(bǔ)碼低8位，后1個(gè)字節(jié)為符號(hào)位和溫度值的補(bǔ)碼高3位。二、DS18B20 測溫原理DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖,如圖2.3.3所示。2-7 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖DS18B20 的測溫原理：DS18B20 測量溫度采用了特有的溫度測量技術(shù)，它是通過計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期來實(shí)現(xiàn)的，內(nèi)部計(jì)數(shù)器對一個(gè)受溫度影響的振蕩器的脈沖計(jì)數(shù),低溫時(shí),振蕩器的脈沖可以通過門電路。而當(dāng)?shù)竭_(dá)某一設(shè)置高溫時(shí), 振蕩器的脈沖無法通過門電路。計(jì)數(shù)器設(shè)置為- 55。同時(shí), 計(jì)數(shù)器復(fù)位在當(dāng)前的溫度值時(shí), 電路對振蕩器的溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償, 計(jì)數(shù)器重新開始計(jì)數(shù)直到回零。如果門電路仍未關(guān)閉, 則系統(tǒng)重復(fù)上述過程。三、DS18B20的操作協(xié)議DS18B20單純通信功能是分時(shí)完成的。單線信號(hào)包括復(fù)位脈沖,