太陽能熱水器溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)最終

1、目錄1緒論21.1 課題背景21.2太陽能熱水器21.3設(shè)計(jì)要求21.3.1控制要求2受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型32對(duì)硬件電路的研究與設(shè)計(jì)42.1 單片機(jī)核心簡(jiǎn)介42.1.1 組成框圖及內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)4寄存器和存儲(chǔ)器52.1.3 單片機(jī)各口及其負(fù)載能力、接口要求62.1.4 MCS51單片機(jī)的引腳功能82.2 對(duì)溫度傳感器的選擇122.2.1 溫度傳感器的作用122.2.2 常用的溫度傳感器類型122.2.3 溫度傳感器的選擇142.2.4 DS18B20 詳解152.3對(duì)顯示模塊的設(shè)計(jì)222.3.1 1602液晶的硬件222.3.2 1602指令集252.4 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)26時(shí)鐘電路方案研究262.4

2、.2 DS1302硬件研究262.5 系統(tǒng)的輸入設(shè)備292.5.1 鍵盤的設(shè)計(jì)292.5.2 電源的設(shè)計(jì)302.5.3 電源方案的確定312.5.4 電源的設(shè)計(jì)原理312.5.5 電源的性能要求322.6 外部驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)332.7 水位監(jiān)測(cè)電路的設(shè)計(jì)342.7.1 水位監(jiān)測(cè)的方案對(duì)比353 軟件設(shè)計(jì)373.1流程圖373.2程序37附錄一電路原理圖：38附錄二PROTEUS效果圖：391緒 論1.1 課題背景太陽能作為一種新能源，它與常規(guī)能源相比有三大特點(diǎn)：第一：它是人類可以利用的最豐富的能源。據(jù)估計(jì)，在過去漫長(zhǎng)的11億年中，太陽消耗了它本身能量的2%。今后足以供給地球人類，使用幾十億年，

3、真是取之不盡，用之不竭。第二：地球上，無論何處都有太陽能，可以就地開發(fā)利用，不存在運(yùn)輸問題，尤其對(duì)交通不發(fā)達(dá)的農(nóng)村、海島和邊遠(yuǎn)地區(qū)更具有利用的價(jià)值。第三：太陽能是一種潔凈的能源。在開發(fā)利用時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣、也沒有噪音，更不會(huì)影響生態(tài)平衡。絕對(duì)不會(huì)造成污染和公害。1.2太陽能熱水器基于太陽能各種優(yōu)點(diǎn)，我們應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行充分的利用，在以太陽能為主要能源的家用電器中，與我們?nèi)粘Ｉ蠲芮邢嚓P(guān)的產(chǎn)品就是太陽能熱水器。隨著太陽能熱水器市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，品牌集中度將越來越高，消費(fèi)者購買時(shí)的品牌意識(shí)也逐步增強(qiáng)，因此太陽能市場(chǎng)的前景還是一片大好。在本論文中，我主要闡述我對(duì)太陽能熱水器的一種設(shè)計(jì)理念。

4、本系統(tǒng)會(huì)具有時(shí)間、溫度和水位三種參數(shù)實(shí)時(shí)顯示和控制功能，而且具有時(shí)間設(shè)定、溫度設(shè)定與控制功能。針對(duì)我對(duì)太陽能熱水器的設(shè)計(jì)理念，首先我要解決的問題是尋求一款性能優(yōu)良的溫度傳感器來實(shí)時(shí)對(duì)太陽能熱水器中的水溫進(jìn)行檢測(cè)，畢竟消費(fèi)者所買來的太陽能熱水器是用來洗澡的，因此對(duì)于能否放出適宜的溫度時(shí)至關(guān)重要的。其次，要做較好的安全措施，要對(duì)消費(fèi)者的人身安全負(fù)責(zé)，這樣，我便需要對(duì)熱水器進(jìn)行一定的漏電保護(hù)及防止電熱絲干燒的措施。對(duì)于以上我所提出的問題，我將進(jìn)行詳細(xì)的論述與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃伎肌?.3設(shè)計(jì)要求1.3.1 控制要求（1）要求太陽能熱水器溫度控制系統(tǒng)具有時(shí)間、溫度和水位三種參數(shù)實(shí)時(shí)顯示和控制。功能，而且具有時(shí)間設(shè)

5、定、溫度設(shè)定與控制功能。 （2）設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)太陽能熱水器溫度控制器的硬件電路，其中包括數(shù)據(jù)采集電路、控制執(zhí)行電路、顯示電路等。（3）用PROTEL2004軟件對(duì)本系統(tǒng)的硬件電路進(jìn)行繪制和設(shè)計(jì)。同時(shí)做出本控制系統(tǒng)的PROTEUS仿真。1.3.2 受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型在太陽能熱水器系統(tǒng)中，最重要的環(huán)節(jié)便是溫度控制環(huán)節(jié)，我們首先手動(dòng)設(shè)置適合人類淋浴的水溫，我們對(duì)水問控制包括兩個(gè)方面，即：水溫太熱，我們需要多加入涼水進(jìn)行溫度的調(diào)節(jié)；另一方面是水溫太高，而外界的太陽能亮又不能使水溫迅速達(dá)到我們的要求，那么就是控制系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)電熱絲，對(duì)水溫進(jìn)行加熱，因此我們的控制對(duì)象有兩個(gè)，那就是加水和加熱。2 對(duì)硬件電路的

6、研究與設(shè)計(jì)2.1 單片機(jī)核心簡(jiǎn)介組成框圖及內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)80C5l內(nèi)部組成方框圖如圖1所示，內(nèi)部總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。圖2-1 80C51單片機(jī)組成方框圖圖2-2 80C51總體結(jié)構(gòu)框圖80C51主要包括算術(shù)邏輯部件ALU、累加器A(有時(shí)也稱ACC)、只讀存儲(chǔ)器ROM、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、指令寄存器IR、程序計(jì)數(shù)據(jù)PC、定時(shí)器計(jì)數(shù)據(jù)、 IO接口電路、程序狀態(tài)寄存器PSW、寄存器組，此外，還有堆棧寄存器SP、數(shù)據(jù)指針寄存器DPTR等部件。這些部件集成在一塊芯片上，通過內(nèi)部總線連接，構(gòu)成完整的微型計(jì)算機(jī)。下面按其部件功能分類予以介紹。寄存器和存儲(chǔ)器微處理器中的寄存器是學(xué)習(xí)指令系統(tǒng)和程序設(shè)計(jì)中常會(huì)接觸

7、到的、寄存器是由觸發(fā)器組成的，8位寄存器由8個(gè)觸發(fā)器組成，16位寄存器由16個(gè)觸發(fā)器組成。MCS51中的寄存器較多，大體可分為通用寄存器和專用寄存器兩類。圖2-3 微處理器存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)MCS51存儲(chǔ)器配置：微型計(jì)算機(jī)必須配置一定數(shù)量的存儲(chǔ)器，但不同的微型計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的配置不同。一種是程序與數(shù)據(jù)共用一個(gè)存儲(chǔ)器，如圖3(a)所示。一般的通用計(jì)算機(jī)都采用此種形式。另一種是將程序與數(shù)據(jù)分別放在兩個(gè)存儲(chǔ)器內(nèi)，一個(gè)稱程序存儲(chǔ)器，另一個(gè)稱數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，如圖3(b)所示。MCS5l單片機(jī)屬于此類。這是由單片機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn)所決定的，因?yàn)閱纹瑱C(jī)往往是為某個(gè)特定對(duì)象服務(wù)的，這是與通用計(jì)算機(jī)不同的一個(gè)顯著特點(diǎn)。它的程序設(shè)計(jì)

8、調(diào)試成功后，一般是固定不變的，因而程序(包括常數(shù)表)可以而且也應(yīng)該一次性地永久放到單片機(jī)內(nèi)。這樣不僅省去了每次開機(jī)后臺(tái)程序重新裝入步驟，還可以有效地防止圍掉電和其它干擾而引起的程序丟失的錯(cuò)誤。MCS51片內(nèi)集成有一定容量的程序存儲(chǔ)器(803180c318032除外)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器并具有較大的外部存儲(chǔ)器擴(kuò)展能力。物理上，MCS51有4個(gè)存儲(chǔ)器空間：片內(nèi)程序存儲(chǔ)器、片外程序存儲(chǔ)器，片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。圖4給出了訪問程序存儲(chǔ)器時(shí)，程序取指所涉及到的信號(hào)和時(shí)序。如果程序存儲(chǔ)器是外部的，則程序存儲(chǔ)器讀選PSEN一般是每個(gè)圖2-4 MCS-51 執(zhí)引外部程序存儲(chǔ)器中指令碼時(shí)的總線周期機(jī)器周期兩次

9、有效，如圖4(a)所示，如果是訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，如圖4(b)所示，則要跳過兩個(gè)PSEN，因?yàn)榈刂泛蛿?shù)據(jù)總線正在用于訪問數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。應(yīng)該注意的是，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器總線周期為程序存儲(chǔ)器總線周期的2倍，圖5給出了端口0和端口2所發(fā)送的地址ALE和PSEN的相對(duì)時(shí)序。ALE用于將P0的低位地址字節(jié)鎖存到地址鎖存器中。單片機(jī)各口及其負(fù)載能力、接口要求MCS51單片機(jī)有4個(gè)口，共32根I/O線。所有4個(gè)端口都是雙向口，每口都包含一個(gè)鎖存器，即專用寄存器P0-P3，一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器和輸入緩沖器。為了方便起見，我們把4個(gè)端口和其中的鎖存器(即專用寄存器)都籠統(tǒng)地表示為P0P3。MCS-51在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址由

10、P0、P2口送出，數(shù)據(jù)則通過P1口傳送，這時(shí)P0口是分時(shí)多路轉(zhuǎn)換的雙向總線。無外部存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中，所有4個(gè)端口都可以作為準(zhǔn)雙向口使用。P0口是8位雙向三態(tài)輸入輸出接口，如圖5(a)所示。P0口既可作地址數(shù)據(jù)總線使用又可作通用IO口用。連接外部存儲(chǔ)器時(shí)，P0口一方面作為8位數(shù)據(jù)輸入輸出口，另一方面用來輸出外部存儲(chǔ)器的低8位地址。作輸出口時(shí)，輸出漏極開路，驅(qū)動(dòng)NMOS電路時(shí)應(yīng)外接上拉電阻；作輸人口之前，應(yīng)先向鎖存器寫1，使輸出的兩個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管均關(guān)斷，引腳處于“浮空”狀態(tài)，這樣才能做到高阻輸入，以保證輸人數(shù)據(jù)的正確。正是由于該端口用作IO口，輸入時(shí)應(yīng)先寫l，故稱為準(zhǔn)雙向口。當(dāng)P0口作地址數(shù)據(jù)總線使用時(shí)

11、，就不能再把它當(dāng)通用I/O口使用。P1口是8位準(zhǔn)雙向口，作通用輸入輸出口使用，如圖5(b)所示。在輸出驅(qū)動(dòng)器部分，Pl口有別于P0口，它接有內(nèi)部上拉電阻。P1口的每以一位可以獨(dú)立地定義為輸人或者輸出，因此，P1口既可作為8位并行輸入輸出口，又可作為8位輸入輸出端。CPU既可以對(duì)P1口進(jìn)行字節(jié)操作，又可以進(jìn)行位操作。當(dāng)作輸入方式時(shí)，該位的鎖存器必須頂寫1。P2口是8位準(zhǔn)雙向輸入輸出接口，如圖5(c)所示。P2口可作通用I0口使用與P1口相同。當(dāng)外接程序存儲(chǔ)據(jù)時(shí)，P2口給出地址的高8位，此時(shí)不能用作通用，IO口。當(dāng)外按數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，若RAM小于256KB，用R0、R1作間址寄存器，只需要P0口送出

12、地址低8位，P2口可以用作通用IO ；若RAM大于256KB，必須用16位寄存器DPTR作間址寄存器則P2口只能在一定限度內(nèi)作一股IO 口使用。 P3口也是一個(gè)8位的準(zhǔn)雙向輸入輸出接口，如圖5(d)所示。它具有多種功能。一方面與P1口一樣作為一般準(zhǔn)雙向輸入輸出接口，具有字節(jié)操作和位操作二種工作方式；另一方面8條閑人輸出線可以獨(dú)立地作為串行輸入輸出口和其它控制信號(hào)線。圖2-5 I/O一位鎖存器和緩沖器結(jié)構(gòu)P0P3端口的負(fù)載能力及接口要求P0口的輸出級(jí)與P1-P3口的輸出級(jí)在結(jié)構(gòu)上是不同的，因此它們的負(fù)載能力和接口要求也各不相同。P0口的每一位輸出可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL輸入，但把它當(dāng)通用口使用時(shí)，輸

13、出級(jí)是開漏電路，故用它驅(qū)動(dòng)NM0S輸入時(shí)需外接上拉電阻；把它當(dāng)?shù)刂窋?shù)據(jù)總線時(shí)，則需接外部上拉電阻。P1P3口的輸出級(jí)接有內(nèi)部上拉電阻，它們的每一位輸出可驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL輸入。CHMOS端口只能提供幾毫安的輸出電流，故當(dāng)作為輸出口去驅(qū)動(dòng)一個(gè)普通晶體管的基極時(shí)，應(yīng)在端口與晶體管基極間串聯(lián)一個(gè)電阻，以限制高電平輸出時(shí)的電流。I/O口的讀一修改一寫特性由圖5可見，每個(gè)IO端口均有兩種讀人方法，讀鎖存器和讀引腳，并有相應(yīng)的指令，那么如何區(qū)分讀端口的指令是讀鎖存器還是讀引腳呢?讀鎖存器指令是從鎖存器中讀取數(shù)據(jù)，進(jìn)行處理，并把處理以后的數(shù)據(jù)重新寫入鎖存器中這類指令稱為“讀一修改一寫”指令。當(dāng)目的操作數(shù)是一

14、個(gè)IO端口或IO端口的某一位時(shí)，這些指令是讀鎖存器而不是讀引腳，即為“讀一修改一寫”指令，下面是一些“讀一修改一寫”指令。ANL (邏輯與,例如 ANL P1,A)ORL (邏輯或,例如 ORL P2,A)XRL (邏輯異或,例如 XRL P3,A)JBC (若位=1,則轉(zhuǎn)移并清零,例如 JBC P1.1,LABEL)CPL (取反位,例如CPL,P3.0)INC (遞增,例如INC P2)DEC (遞減,例如DEC P2)DJNZ (遞減,若不等于0則轉(zhuǎn)移,例如DJNZ P3,LABEL)MOV P1.7 C(進(jìn)位位送到端口P1的位7)CLR P1.4 (清零端口P1的位4)SETB P1.

15、2 (置位端口P1的位2)讀引腳指令一般都是以IO端口為原操作數(shù)的指令，執(zhí)行讀引腳指令時(shí)，打開三態(tài)門，輸人口狀態(tài)。例如，讀P1口的輸入狀態(tài)時(shí)，讀引用指令為；MOV A，P1。"讀一修改一寫"指令指向鎖存器而不是引腳，其理由是為了避免可能誤解引腳上的電平。例如，端口位可能用于驅(qū)動(dòng)晶體管的基極，在寫1至該位時(shí)，晶體管導(dǎo)通，若CPU隨后在引腳處而不是在鎖存器處讀端口位，則它將讀回晶體管的基極電壓，將其解釋為邏輯0。讀該鎖存器而不是引腳將返回正確值邏輯1。MCS51單片機(jī)的引腳功能MSC-51單片機(jī)采用40引腳的雙列直插封裝(DIP)方式。圖6為其引腳及邏輯符號(hào)圖。在40條引腳中，

16、有2條專用于主電源的引腳，2條外接晶體的引腳，4條控制引腳，3I/O引腳。下面分別敘述各引腳的功能。1、主電源引腳Vss和VccVss(20)：接地；Vcc(40)：正常操作時(shí)接十5V電源2 、外接晶體引腳XTAL1和XTAL2當(dāng)外接晶體振蕩器時(shí)，XTAL1和XTAL2分別接在外接晶體兩端，當(dāng)采用外部時(shí)鐘方式時(shí)，XTAL1接地，XTAL2接外來振蕩信號(hào)。圖2-6 MCS51單片機(jī)引腳圖及邏輯符號(hào)圖3、控制引腳 RST/Vpp(9)：當(dāng)振蕩器正常運(yùn)行時(shí)，在此引腳上出現(xiàn)二個(gè)機(jī)器周期以上的高電平使單片機(jī)復(fù)位。Vcc掉電期間，此引腳可接備用電源，以保持內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)。當(dāng)Vcc下降掉到低于規(guī)定的水平，

17、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。ALE(30)：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，由單片機(jī)的P2口送出地址的高8位，P0口送出地址的低8位，數(shù)據(jù)也是通過P0口傳送。作為P0口某時(shí)選出的信息到底是低8位地址還是傳送的數(shù)據(jù)，需要有一信號(hào)同步地進(jìn)行分別。當(dāng)ALE信號(hào)(允許地址鎖存)為高電平(有效)P0口送出低8位地址，通過ALE信號(hào)鎖存低8位地址。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的16，因此可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘。但需注意：當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(執(zhí)行MOVX指令)時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。ALE端可驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL輸入。PSEN

18、(29)：程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)，低電平有效。MCS51單片機(jī)可以外接程序存儲(chǔ)器及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它們的地址可以是重合的。MCS5l單片機(jī)是通過相應(yīng)的控制信號(hào)來區(qū)別到底P2口和P0口送出的是程序存儲(chǔ)器還是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址。從外部程序存儲(chǔ)器取指令(或常數(shù))期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 有效，此時(shí)地址總線上送出地址為程序存儲(chǔ)器地址；如果訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這兩次有效的P5EN信號(hào)將不出現(xiàn)。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是靠 (讀)及 (寫)信號(hào)控制的。同樣可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL輸入。EAVpp(31)：當(dāng)EA保持高電平時(shí)，訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器(4K8)，但當(dāng)PC(程序計(jì)數(shù)器)值超過OFFFH時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程

19、序當(dāng)EA保持低電平時(shí)，則只訪問外部程序存儲(chǔ)器(從0000H地址開始)，不管單片機(jī)內(nèi)部是否有程序存儲(chǔ)器。對(duì)于EPROM型單片機(jī)，在EPROM編程期間，此引腳用于施加21V的編程電源(Vpp)。輸入輸出引腳 P0.0P0.7(3932)：P0口是一個(gè)漏極開路型準(zhǔn)雙向IO口。在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，它是分時(shí)多路轉(zhuǎn)換的地址(低8位)和數(shù)據(jù)總線，在訪問期間激活了內(nèi)部的上拉電阻。在EPROM編程時(shí)，它接收指令字節(jié)，而在驗(yàn)證程序時(shí)，則輸出指令字節(jié)。驗(yàn)證時(shí)，要求外接上拉電阻。P1.0P1.7(18)：P1口是帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口。在EPROM編程和程序驗(yàn)證時(shí)，它接收低8位地址。P2.0P2.7(2128

20、)：P2口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口。在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，它送出高8位地址。在對(duì)EPROM編程和程序驗(yàn)證期間，它接收高8位地址。 P 3.0P3.7(1017)：P3口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向IO口。在MCS5l中，這8個(gè)引腳還兼有專用功能，這些功能見表1。這些專用功能的口線，在與外部設(shè)備接口、外接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等方面具有非常重要的作用。表1 P3 各口線與專用功能下圖是設(shè)計(jì)的單片機(jī)最小系統(tǒng)圖：下圖是在仿真中的單片機(jī)系統(tǒng)圖：2.2 對(duì)溫度傳感器的選擇2.2.1 溫度傳感器的作用在太陽能熱水器系統(tǒng)中，我們要對(duì)水溫進(jìn)行檢測(cè)，因此我們需要把水溫這個(gè)非電量，通過適宜的溫度傳感器轉(zhuǎn)換成一個(gè)電

21、量，從而我們對(duì)溫度值所對(duì)應(yīng)的電信號(hào)進(jìn)行處理，最終達(dá)到我們的控制要求。因此，溫度傳感器在本系統(tǒng)中起到了非常重要的作用。2.2.2 常用的溫度傳感器類型(1) 熱電偶溫度傳感器對(duì)于熱電偶溫度傳感器，其工作原理是將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體A和B焊接起來，構(gòu)成一個(gè)閉合回路，如圖2-1-1所示。當(dāng)導(dǎo)體A和B的兩個(gè)執(zhí)著點(diǎn)1和2之間存在溫差時(shí)，兩者之間便產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì),因而在回路中形成一個(gè)大小的電流,這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。溫度傳感器熱電偶就是利用這一效應(yīng)來工作的。同時(shí)，熱電偶溫度傳感器還具有一些優(yōu)點(diǎn)，即：測(cè)量精度高。因溫度傳感器熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。測(cè)量范圍廣。常用的溫度傳感器熱電偶從

22、-50+1600均可邊續(xù)測(cè)量，某些特殊溫度傳感器熱電偶最低可測(cè)到-269（如金鐵鎳鉻），最高可達(dá)+2800（如鎢-錸）。構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便。溫度傳感器熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便。但是，由于熱電偶溫度傳感器客觀的結(jié)構(gòu)形式，為了保證溫度傳感器熱電偶可靠、穩(wěn)定地工作，我們要求組成溫度傳感器熱電偶的兩個(gè)熱電極的焊接必須牢固；兩個(gè)熱電極彼此之間應(yīng)很好地絕緣，以防短路；補(bǔ)償導(dǎo)線與溫度傳感器熱電偶自由端的連接要方便可靠；保護(hù)套管應(yīng)能保證熱電極與有害介質(zhì)充分隔離。(2)熱敏電阻溫度傳感器熱電阻溫度傳感器測(cè)溫是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加

23、這一特性來進(jìn)行溫度測(cè)量的。溫度傳感器熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅，此外，現(xiàn)在已開始采用甸、鎳、錳和銠等材料制造溫度傳感器熱電阻。其主要有精通型溫度傳感器熱電阻、鎧裝溫度傳感器熱電阻、端面溫度傳感器熱電阻、隔爆型溫度傳感器熱電阻等集中類型。對(duì)于溫度傳感器熱電阻測(cè)溫系統(tǒng)，一般由溫度傳感器熱電阻、連接導(dǎo)線和顯示儀表等組成。必須注意：溫度傳感器熱電阻和顯示儀表的分度號(hào)必須一致；為了消除連接導(dǎo)線電阻變化的影響，必須采用三線制接法。(3)紅外線測(cè)溫技術(shù).紅外檢測(cè)器將吸收的輻射轉(zhuǎn)化為熱能，因此提高檢測(cè)器的溫度。并把溫度變化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電子信號(hào)，放大顯示出來。紅外線是占據(jù)在可見光之間電磁波

24、譜的一部分。電磁波譜是一組不同類型的輻射。它包括伽馬射線、X射線、紫外線、可見紅外輻射、微波、和無線電波。紅外線的波長(zhǎng)大于可見光的波長(zhǎng)。因此紅外線是一種不可見光。“紅外”的意思就是“在紅線以下”，表明這種光只有在電磁波譜的紅光以下才能被看到。紅外非接觸溫度感測(cè)器可以測(cè)量所有目標(biāo)物體釋放的紅外能量，具有響應(yīng)快的特點(diǎn)。通常被用于測(cè)量移動(dòng)和間歇性目標(biāo)，真空狀態(tài)下的目標(biāo)，由于惡劣環(huán)境空間限制以及安全威脅無法由人接觸的目標(biāo)。盡管在有些情況下使用其它設(shè)備也可以完成，但成本相對(duì)較高。(4)DS18B20數(shù)字式溫度傳感器DS18B20數(shù)字式溫度傳感器采用獨(dú)特的單線接口方式，該溫度傳感器在與微處理器連接時(shí)僅需要

25、一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。其測(cè)溫范圍在55125之間，采用獨(dú)特的一線接口，只需要一根數(shù)據(jù)線即可完成通信任務(wù)。電壓范圍為3.0 V至5.5 V，無需備用電源。該傳感器由于體積小巧，測(cè)量溫度轉(zhuǎn)卻，因此應(yīng)用范圍很廣，該產(chǎn)品適用于冷凍庫，糧倉，儲(chǔ)罐，電訊機(jī)房，電力機(jī)房，電纜線槽等測(cè)溫和控制領(lǐng)域等等。該溫度傳感器可編程的分辨率為912位 溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字格式最大值為750毫秒 用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置 應(yīng)用范圍包括恒溫控制，工業(yè)系統(tǒng)，消費(fèi)電子產(chǎn)品溫度計(jì)，或任何熱敏感系統(tǒng)。由于每一個(gè)DS18B20的包含一個(gè)獨(dú)特的序號(hào)，多個(gè)ds18b20s可以同時(shí)存在于一條總線。這使得

26、溫度傳感器放置在許多不同的地方。2.2.3 溫度傳感器的選擇通過我對(duì)市場(chǎng)上現(xiàn)存的各種各樣的溫度傳感器進(jìn)行比對(duì)調(diào)查，我發(fā)現(xiàn)DS18B20數(shù)字型溫度傳感器最適合應(yīng)用到我所設(shè)計(jì)的太陽能熱水器系統(tǒng)中。對(duì)于熱電偶溫度傳感器來說，雖然其測(cè)溫范圍非常廣，甚至最高能測(cè)數(shù)千攝氏度的高溫，但是在我們的太陽能熱水器中，其水溫最高也超不過100攝氏度，因此要那么高的量程是沒有任何實(shí)際意義的，同時(shí)，在使用熱電偶溫度傳感器時(shí)有很多的不便之處，例如需要溫度校正、溫度補(bǔ)償?shù)鹊燃?xì)節(jié)問題，都太繁瑣，這樣不利于簡(jiǎn)化產(chǎn)品生產(chǎn)工藝和降低生產(chǎn)成本，同時(shí)，熱電偶溫度傳感器雖然能夠?qū)囟刃盘?hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，但是這樣的電信號(hào)只是一個(gè)模擬信號(hào)，我

27、們無法將這樣的模擬信號(hào)直接傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理，因?yàn)槲覀兊?1單片機(jī)只能夠處理數(shù)字量，因此假如要對(duì)熱電偶溫度傳感器輸出地模擬信號(hào)進(jìn)行處理，我們只能通過一定的放大電路，將微弱的電信號(hào)進(jìn)行放大，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，只有這樣，我們才能用51單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算，在這過程中，我們還必須用到一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器件，這樣無疑又增加了成本，這是不理智的。因此，把熱電偶溫度傳感器運(yùn)用到我們的太陽能熱水器系統(tǒng)中來，這是不合適的。對(duì)于熱敏電阻傳感器來說，其具有如同熱電偶溫度傳感器相同的弊端，那就是轉(zhuǎn)換出來的溫度信號(hào)也是個(gè)非常微弱模擬量，也需要對(duì)這個(gè)微弱的模擬信號(hào)進(jìn)行放大，最終經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換電路才能

28、傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理運(yùn)算，因此，采用熱電阻溫度傳感器作為本太陽能熱水器的測(cè)溫器件也是不合理的。綜合以上分析，我發(fā)現(xiàn)只有DS18B20溫度傳感器才是能夠運(yùn)用到太陽能熱水器中的最佳選擇。因?yàn)镈S1B820具有合適的量程，即：-55-+125。這個(gè)量程能夠完全滿足對(duì)太陽能熱水器中的水溫進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)具有較高的靈敏度，除此之外，該溫度傳感器還具有其他形式的溫度傳感器最大的優(yōu)勢(shì)，那就是該溫度傳感器是一個(gè)數(shù)字式的溫度傳感器，它能夠在非常短的時(shí)間內(nèi)，將外界的非電量的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成一串二進(jìn)制數(shù)，我們對(duì)這一串二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行運(yùn)算就可以得到準(zhǔn)確的溫度值，這樣，我們不僅可以測(cè)量出精確地溫度值，我們還省卻了復(fù)雜的信號(hào)放大

29、電路及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，這樣便極大地降低了生產(chǎn)成本和簡(jiǎn)化了生產(chǎn)工藝，因此我最終選擇了DS18B20溫度傳感器作為該太陽能熱水器的測(cè)溫元件。2.2.4 DS18B20 詳解2.2.4.1DS18B20的主要特性（1）適應(yīng)電壓范圍更寬，電壓范圍：3.05.5V，在寄生電源方式下可由數(shù)據(jù)線供電 （2）獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊 （3）DS18B20支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)多點(diǎn)測(cè)溫 （4）DS18B20在使用中不需要任何外圍元件，全部傳感元件及轉(zhuǎn)換電路集成在形如一只三極管的集成電路

30、內(nèi) （5）溫范圍55125，在-10+85時(shí)精度為±0.5 （6）可編程的分辨率為912位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625，可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫 （7）在9位分辨率時(shí)最多在93.75ms內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字，12位分辨率時(shí)最多在750ms內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快 （8）測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以"一線總線"串行傳送給CPU，同時(shí)可傳送CRC校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力 （9）負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀，但不能正常工作。2.2.4.2 DS18B20的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成

31、：64位光刻ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20的外形及管腳排列如圖:圖 DS18B20的外形及管腳2.2.4.3DS18B20工作原理    DS18B20的讀寫時(shí)序和測(cè)溫原理與DS1820相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由2s減為750ms。 DS18B20測(cè)溫原理如圖3所示。圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號(hào)送給計(jì)數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩率明顯改變，所產(chǎn)生的信號(hào)作為計(jì)數(shù)器2的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在55所

32、對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器1對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值減到0時(shí)，溫度寄存器的值將加1，計(jì)數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計(jì)數(shù)器1重新開始對(duì)低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，如此循環(huán)直到計(jì)數(shù)器2計(jì)數(shù)到0時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的數(shù)值即為所測(cè)溫度。圖3中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器1的預(yù)置值。DS18B20有4個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件：  （1）光刻ROM中的64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，接著的48位是該

33、DS18B20自身的序列號(hào)，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。 （2）DS18B20中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以12位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以0.0625/LSB形式表達(dá)，其中S為符號(hào)位。這是12位轉(zhuǎn)化后得到的12位數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在18B20的兩個(gè)8比特的RAM中，二進(jìn)制中的前面5位是符號(hào)位，如果測(cè)得的溫度大于0，這5位為0，只要將測(cè)到的數(shù)值乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度；如果溫度小于0，這5位為1，測(cè)到的數(shù)值需要取反

34、加1再乘于0.0625即可得到實(shí)際溫度。    例如+125的數(shù)字輸出為07D0H，+25.0625的數(shù)字輸出為0191H，-25.0625的數(shù)字輸出為FF6FH，-55的數(shù)字輸出為FC90H。（3）DS18B20溫度傳感器的存儲(chǔ)器    DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的EEPRAM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL和結(jié)構(gòu)寄存器。 （4）配置寄存器該字節(jié)各位的意義如下： 低五位一直都是"1"，TM是測(cè)試模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在

35、測(cè)試模式。在DS18B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動(dòng)。R1和R0用來設(shè)置分辨率，如下表所示：（DS18B20出廠時(shí)被設(shè)置為12位）高速暫存存儲(chǔ)器  高速暫存存儲(chǔ)器由9個(gè)字節(jié)組成，其分配如表5所示。當(dāng)溫度轉(zhuǎn)換命令發(fā)布后，經(jīng)轉(zhuǎn)換所得的溫度值以二字節(jié)補(bǔ)碼形式存放在高速暫存存儲(chǔ)器的第0和第1個(gè)字節(jié)。單片機(jī)可通過單線接口讀到該數(shù)據(jù)，讀取時(shí)低位在前，高位在后，數(shù)據(jù)格式如表1所示。對(duì)應(yīng)的溫度計(jì)算：當(dāng)符號(hào)位S=0時(shí)，直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)S=1時(shí)，先將補(bǔ)碼變?yōu)樵a，再計(jì)算十進(jìn)制值。表?2是對(duì)應(yīng)的一部分溫度值。第九個(gè)字節(jié)是冗余檢驗(yàn)字節(jié)。根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)（單

36、片機(jī)）控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個(gè)步驟：每一次讀寫之前都要對(duì)DS18B20進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送RAM指令，這樣才能對(duì)DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。復(fù)位要求主CPU將數(shù)據(jù)線下拉500微秒，然后釋放，當(dāng)DS18B20收到信號(hào)后等待1660微秒左右，后發(fā)出60240微秒的存在低脈沖，主CPU收到此信號(hào)表示復(fù)位成功。2.2.4.5 DS18B20的應(yīng)用電路 DS18B20測(cè)溫系統(tǒng)具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)。下面就是DS18B20幾個(gè)不同應(yīng)用方式下的測(cè)溫電路圖： 1、DS18B20寄生電源供電方式在寄生電源供電方式下，DS18B

37、20從單線信號(hào)線上汲取能量：在信號(hào)線DQ處于高電平期間把能量?jī)?chǔ)存在內(nèi)部電容里，在信號(hào)線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）充電。    獨(dú)特的寄生電源方式有三個(gè)好處：    1）進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)溫時(shí)，無需本地電源    2）可以在沒有常規(guī)電源的條件下讀取ROM    3）電路更加簡(jiǎn)潔，僅用一根I/O口實(shí)現(xiàn)測(cè)溫 要想使DS18B20進(jìn)行精確的溫度轉(zhuǎn)換，I/O線必須保證在溫度轉(zhuǎn)換期間提供足夠的能量，由

38、于每個(gè)DS18B20在溫度轉(zhuǎn)換期間工作電流達(dá)到1mA，當(dāng)幾個(gè)溫度傳感器掛在同一根I/O線上進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫時(shí)，只靠4.7K上拉電阻就無法提供足夠的能量，會(huì)造成無法轉(zhuǎn)換溫度或溫度誤差極大。  因此，圖2-3電路只適應(yīng)于單一溫度傳感器測(cè)溫情況下使用，不適宜采用電池供電系統(tǒng)中。并且工作電源VCC必須保證在5V，當(dāng)電源電壓下降時(shí)，寄生電源能夠汲取的能量也降低，會(huì)使溫度誤差變大。    2、DS18B20寄生電源強(qiáng)上拉供電方式    改進(jìn)的寄生電源供電方，為了使DS18B20在動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換周期中獲得足夠的電流供應(yīng)

39、，當(dāng)進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換或拷貝到E2存儲(chǔ)器操作時(shí)，用MOSFET把I/O線直接拉到VCC就可提供足夠的電流，在發(fā)出任何涉及到拷貝到E2存儲(chǔ)器或啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換的指令后，必須在最多10S內(nèi)把I/O線轉(zhuǎn)換到強(qiáng)上拉狀態(tài)。在強(qiáng)上拉方式下可以解決電流供應(yīng)不走的問題，因此也適合于多點(diǎn)測(cè)溫應(yīng)用，缺點(diǎn)就是要多占用一根I/O口線進(jìn)行強(qiáng)上拉切換。               注意：在寄生電源供電方式中，DS18B20的VDD引腳必須接地3、DS18B20的外部電源供電方式在外部

40、電源供電方式下，DS18B20工作電源由VDD引腳接入，此時(shí)I/O線不需要強(qiáng)上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時(shí)在總線上理論可以掛接任意多個(gè)DS18B20傳感器，組成多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)。注意：在外部供電的方式下，DS18B20的GND引腳不能懸空，否則不能轉(zhuǎn)換溫度，讀取的溫度總是85。外部電源供電方式是DS18B20最佳的工作方式，工作穩(wěn)定可靠，抗干擾能力強(qiáng)，而且電路也比較簡(jiǎn)單，可以開發(fā)出穩(wěn)定可靠的多點(diǎn)溫度監(jiān)控系統(tǒng)。站長(zhǎng)推薦大家在開發(fā)中使用外部電源供電方式，畢竟比寄生電源方式只多接一根VCC引線。在外接電源方式下，可以充分發(fā)揮DS18B20寬電源電壓范圍的優(yōu)點(diǎn)，即使電源電壓VCC降

41、到3V時(shí)，依然能夠保證溫度量精度。下圖是本系統(tǒng)中的DS18B20的原理圖及仿真效果圖：2.3 對(duì)顯示模塊的設(shè)計(jì)2.3.1 1602液晶的硬件通過對(duì)本太陽能熱水器系統(tǒng)的功能要求進(jìn)行分析，在正常使用時(shí)需要顯示的信息分別是時(shí)間、溫度、水位三個(gè)量，基于現(xiàn)實(shí)的數(shù)據(jù)量不是太大，同時(shí)為了簡(jiǎn)化將來的生產(chǎn)工藝和降低生產(chǎn)成本，我選用了較為常用且價(jià)格低廉的1602液晶屏作為本太陽能溫度控制系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)器件。1602是工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符能顯示16列2行字符。1602字符型LCD通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線VCC(15腳)和地線GND(16腳)，其控

42、制原理與14腳的LCD完全一樣，以下是各個(gè)口線的功能定義：下圖是在protel2004中設(shè)計(jì)的液晶顯示電路：以下是在PROTEUS仿真中的液晶顯示效果圖：在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，在液晶屏幕的左上角顯示從0-4的數(shù)值，分別對(duì)應(yīng)五個(gè)檔位的水位指，當(dāng)水位為0時(shí)，說明缺水，水位為4時(shí)，說明水充足。在液晶的第一行靠右邊顯示的是系統(tǒng)的時(shí)間，包括小時(shí)、分鐘和秒。在液晶的第二行左邊顯示的數(shù)值是當(dāng)前溫度傳感器所檢測(cè)到得水溫值，右邊顯示的是我們認(rèn)為設(shè)定的溫度值。1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一

43、個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫的英文字母“A”的代碼是01000001B（41H），顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來，我們就能看到字母“A”。因?yàn)?602識(shí)別的是ASCII碼，試驗(yàn)可以用ASCII碼直接賦值，在單片機(jī)編程中還可以用字符型常量或變量賦值，如'A。2.3.2 1602指令集1602通過D0D7的8位數(shù)據(jù)端傳輸數(shù)據(jù)和指令。顯示模式設(shè)置： (初始化)0011 0000 0x38 設(shè)置16×2顯示，5×7點(diǎn)陣，8位數(shù)據(jù)接口；顯示開關(guān)及光標(biāo)設(shè)置： (初始化)0000 1DCB D顯示(1有效)、C光標(biāo)顯示(1有效)、B光標(biāo)閃爍(1有效)0000

44、 01NS N=1(讀或?qū)懸粋€(gè)字符后地址指針加1 &光標(biāo)加1)，N=0(讀或?qū)懸粋€(gè)字符后地址指針減1 &光標(biāo)減1)，S=1 且 N=1 (當(dāng)寫一個(gè)字符后，整屏顯示左移)S=0 當(dāng)寫一個(gè)字符后，整屏顯示不移動(dòng)數(shù)據(jù)指針設(shè)置：數(shù)據(jù)首地址為80H，所以數(shù)據(jù)地址為80H+地址碼(0-27H，40-67H)其他設(shè)置：01H(顯示清屏，數(shù)據(jù)指針=0，所有顯示=0)；02H(顯示回車，數(shù)據(jù)指針=0)。通常推薦的初始化過程：延時(shí)15ms寫指令38H延時(shí)5ms寫指令38H延時(shí)5ms寫指令38H延時(shí)5ms（以上都不檢測(cè)忙信號(hào)）（以下都要檢測(cè)忙信號(hào)）寫指令38H寫指令08H 關(guān)閉顯示寫指令01H 顯示

45、清屏寫指令06H 光標(biāo)移動(dòng)設(shè)置寫指令0cH 顯示開及光標(biāo)設(shè)置2.4 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 時(shí)鐘電路方案研究由于本系統(tǒng)需要顯示時(shí)間，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，在單片機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行時(shí)鐘的顯示，通常用兩種方法。第一種方法是利用單片機(jī)的定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)，例如，通過一個(gè)定時(shí)器定時(shí)10毫秒，每當(dāng)是毫秒到后就對(duì)一個(gè)變量進(jìn)行累加，當(dāng)這個(gè)變量累加到100的時(shí)候，也就產(chǎn)生了一秒的定時(shí)。利用這種方法來做時(shí)鐘功能具有節(jié)約成本，簡(jiǎn)化電路的優(yōu)點(diǎn)，但是也具有很大的缺點(diǎn)，一方面，通過自身的定時(shí)器來產(chǎn)生一秒的定時(shí)，會(huì)產(chǎn)生誤差，經(jīng)過一段時(shí)間后，誤差累計(jì)，從而導(dǎo)致時(shí)間會(huì)不準(zhǔn)，令一個(gè)缺點(diǎn)就是在系統(tǒng)斷電后重新工作時(shí)，由于單片機(jī)掉電后內(nèi)存中的數(shù)據(jù)全部不能保存

46、，因此時(shí)間會(huì)重置，增加了設(shè)備的不穩(wěn)定因素?；谝陨峡紤]，我沒有利用定時(shí)器來做時(shí)鐘功能，而是引入市場(chǎng)上技術(shù)較成熟且廉價(jià)的DS1302時(shí)鐘芯片來完成時(shí)鐘功能的設(shè)計(jì)。 DS1302硬件研究DS1302 是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路，它可以對(duì)年、月、日、周日、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為2.5V5.5V。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個(gè)字節(jié)的時(shí)鐘信號(hào)或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個(gè)31×8的用于臨時(shí)性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級(jí)產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/

47、后背電源雙電源引腳，同時(shí)提供了對(duì)后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電的能力。                DS1302的引腳排列,其中Vcc1為后備電源，VCC2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時(shí)鐘的連續(xù)運(yùn)行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當(dāng)Vcc2大于Vcc10.2V時(shí)，Vcc2給DS1302供電。當(dāng)Vcc2小于Vcc1時(shí)，DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。RST是復(fù)位/片

48、選線，通過把RST輸入驅(qū)動(dòng)置高電平來啟動(dòng)所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng)RST為高電平時(shí)，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對(duì)DS1302進(jìn)行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，則會(huì)終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運(yùn)行時(shí)，在Vcc>2.0V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時(shí)，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)，后面有詳細(xì)說明。SCLK為時(shí)鐘輸入端。下圖為DS1302的引腳功能圖：在控制指令字輸入后的下一個(gè)SCLK時(shí)鐘的上

49、升沿時(shí)，數(shù)據(jù)被寫入DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位0開始。同樣，在緊跟8位的控制指令字后的下一個(gè)SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)時(shí)從低位0位到高位7。在控制指令字輸入后的下一個(gè)SCLK時(shí)鐘的上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)被寫入DS1302，數(shù)據(jù)輸入從低位即位0開始。同樣，在緊跟8位的控制指令字后的下一個(gè)SCLK脈沖的下降沿讀出DS1302的數(shù)據(jù)，讀出數(shù)據(jù)時(shí)從低位0位到高位7。DS1302有12個(gè)寄存器，其中有7個(gè)寄存器與日歷、時(shí)鐘相關(guān)，存放的數(shù)據(jù)位為BCD碼形式,其日歷、時(shí)間寄存器及其控制字見表1。此外，DS1302 還有年份寄存器、控制寄存器、充電寄存器、時(shí)鐘突發(fā)寄存器及與RAM相關(guān)的寄

50、存器等。時(shí)鐘突發(fā)寄存器可一次性順序讀寫除充電寄存器外的所有寄存器內(nèi)容。 DS1302與RAM相關(guān)的寄存器分為兩類：一類是單個(gè)RAM單元，共31個(gè)，每個(gè)單元組態(tài)為一個(gè)8位的字節(jié)，其命令控制字為C0HFDH，其中奇數(shù)為讀操作，偶數(shù)為寫操作；另一類為突發(fā)方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性讀寫所有的RAM的31個(gè)字節(jié)，命令控制字為FEH(寫)、FFH(讀)。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當(dāng)Vcc2大于Vcc10.2V時(shí)，Vcc2給DS1302供電。當(dāng)Vcc2小于Vcc1時(shí)，DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。RST是復(fù)位/片選線，通過把

51、RST輸入驅(qū)動(dòng)置高電平來啟動(dòng)所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng)RST為高電平時(shí)，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對(duì)DS1302進(jìn)行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，則會(huì)終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運(yùn)行時(shí)，在Vcc2.5V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時(shí)，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)，后面有詳細(xì)說明。SCLK始終是輸入端。下圖是在PROTEUS仿真中DS1302的圖片：下圖是利用PROTEL2004繪制的原理圖總的

52、DS1302接線電路：2.5 系統(tǒng)的輸入設(shè)備 鍵盤的設(shè)計(jì)在本太陽能熱水器系統(tǒng)中，在使用時(shí)，我們需要對(duì)水位、時(shí)間以及溫度進(jìn)行設(shè)定，因此必須要有輸入設(shè)備，考慮到輸入的數(shù)據(jù)量不是太大，因此我只設(shè)計(jì)了四個(gè)按鍵，分別是功能鍵、增大鍵、減小鍵和退出鍵。由于按鍵數(shù)量少，因此占用口線也少，為了簡(jiǎn)化程序和電路，我直接將四個(gè)按鍵接到單片機(jī)的四個(gè)I/O口上，并且在四個(gè)口線都加上10K的上拉電阻，這樣可以保證在按鍵不按下的情況下，單片機(jī)的引腳上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的高電平，以此來增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免不必要的誤動(dòng)作。按鍵的另一端全部都接地，這樣，在某個(gè)按鍵按下的時(shí)候，會(huì)將對(duì)應(yīng)口線的點(diǎn)位拉低位0；因此我只要通過程序，時(shí)刻對(duì)四

53、個(gè)接有按鍵的引腳的電平進(jìn)行掃描，我便可以得知是哪個(gè)按鍵被按下，然后再通過程序進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)算即可。以下是四個(gè)獨(dú)立案件分別在PROTEL以及PROTEUS中的截圖：2.5.2 電源的設(shè)計(jì)2.5.3電源方案的確定為了讓系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠的工作，首先必須為系統(tǒng)提供可靠的電源，不穩(wěn)定的供電系統(tǒng)不僅會(huì)讓系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，甚至?xí)?duì)一些敏感器件造成不可逆的毀壞。假如輸出功率不夠大，系統(tǒng)在工作時(shí)，如瞬間需要高電流，這樣可能會(huì)拉低電源電壓，使單片機(jī)產(chǎn)生復(fù)位動(dòng)作，造成一些不可控的局面。假如對(duì)電源濾波工作沒做好，同樣也會(huì)干擾單片機(jī)的穩(wěn)定工作，出現(xiàn)復(fù)位或者一些匪夷所思的故障，讓人不好檢修。因此，經(jīng)過仔細(xì)查閱資料后，總結(jié)之前

54、的一些經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，設(shè)計(jì)出一個(gè)穩(wěn)定的5V電源電路，單獨(dú)只為控制系統(tǒng)，也就是單片機(jī)提供電源。2.5.4 電源的設(shè)計(jì)原理電網(wǎng)供電電壓交流220V(有效值)50Hz，要獲得低壓直流輸出，首先必須采用電源變壓器將電網(wǎng)電壓降低獲得所需要交流電壓。降壓后的交流電壓，通過整流電路變成單向直流電，但其幅度變化大（即脈動(dòng)大）。脈動(dòng)大的直流電壓須經(jīng)過濾波電路變成平滑，脈動(dòng)小的直流電，即將交流成份濾掉，保留其直流成份。濾波后的直流電壓，再通過穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓，便可得到基本不受外界影響的穩(wěn)定直流電壓輸出，供給負(fù)載RL。直流穩(wěn)壓電源原理直流穩(wěn)壓電源是一種將220V工頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓的裝置，它需要變壓、整流、濾波

55、、穩(wěn)壓四個(gè)環(huán)節(jié)才能完成，其中，電源變壓器：是降壓變壓器，它將電網(wǎng)220V交流電壓變換成符合需要的交流電壓，并送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的副邊電壓確定；整流電路：利用單向?qū)щ娫?，?0Hz的正弦交流電變換成脈動(dòng)的直流電；濾波電路：可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電壓；穩(wěn)壓電路：穩(wěn)壓電路的功能是使輸出的直流電壓穩(wěn)定，不隨交流電網(wǎng)電壓和負(fù)載的變化而變化。整流電路常采用二極管單相全波整流電路，在橋式整流電路中，每個(gè)二極管都只在半個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)電，所以流過每個(gè)二極管的平均電流等于輸出電流的平均值的一半 。在設(shè)計(jì)中，常利用電容器兩端的電壓不能突變和流過電感器的

56、電流不能突變的特點(diǎn)，將電容器和負(fù)載電容并聯(lián)或電容器與負(fù)載電阻串聯(lián)，以達(dá)到使輸出波形基本平滑的目的。選擇電容濾波電路后，直流輸出電壓：Uo1=(1.11.2)U2，直流輸出電流： （I2是變壓器副邊電流的有效值。），穩(wěn)壓電路可選集成三端穩(wěn)壓器電路。經(jīng)整流濾波輸出的電壓通常是不穩(wěn)定的，不能直接對(duì)系統(tǒng)供電，因此需要經(jīng)過穩(wěn)壓電路將電壓穩(wěn)定到單片機(jī)系統(tǒng)所需的要求。對(duì)任何穩(wěn)壓電路都應(yīng)從兩個(gè)方面考察其穩(wěn)壓特性，一是設(shè)電網(wǎng)電壓波動(dòng)，研究起輸出電壓是否穩(wěn)定；二是設(shè)負(fù)載變化，研究其輸出電壓是否穩(wěn)定。直流穩(wěn)壓電路分為串聯(lián)型穩(wěn)壓電路和開關(guān)型穩(wěn)壓電路，本設(shè)計(jì)采用串聯(lián)型穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓器一般包括單管穩(wěn)壓器和集成穩(wěn)壓器。常用

57、的集成穩(wěn)壓器有固定式三端穩(wěn)壓器和可調(diào)式三端穩(wěn)壓器，本設(shè)計(jì)使用固定式三端穩(wěn)壓器W7805輸出5V電壓。穩(wěn)壓電源的技術(shù)指標(biāo)可以分為兩大類：一類是特性指標(biāo)，如輸出電壓、輸出電流及電壓調(diào)節(jié)范圍；另一類是質(zhì)量指標(biāo)，反映一個(gè)穩(wěn)壓電源的優(yōu)劣，包括穩(wěn)定度、等效內(nèi)阻（輸出電阻）、波紋電壓及溫度系數(shù)等。2.5.5 電源的性能要求對(duì)穩(wěn)壓電源的性能，主要有以下四個(gè)方面的要求：1、穩(wěn)定性好當(dāng)輸入電壓Usr(整流、濾波輸出電壓)在規(guī)定范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，輸出電壓Usc的變化一般要求很小。由于輸入電壓變化而引起輸出電壓變化的程度，稱為穩(wěn)定度指標(biāo)，長(zhǎng)用穩(wěn)壓系數(shù)S來表示：S的大小，反映一個(gè)穩(wěn)壓電源克服輸入電壓變化的能力。在同樣的輸入電壓變化條件下，S越小，輸出電壓的變化越小，電源的穩(wěn)定度越高。通常S約為10-210-4。2、輸出電阻小負(fù)載變化時(shí)（從空載到滿載），輸出電壓Usr應(yīng)基本保持不變，其這方面的性能可用輸出電阻表征。輸出電阻（又稱等效內(nèi)阻）用rn表示，他等于輸出電壓變化量和負(fù)載電流變化量之比，即rn反映負(fù)載變動(dòng)時(shí)，輸出電壓維持恒定的能力,rn越小，則Ifz變化時(shí)輸出電壓的變化也越