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1、本科毕业设计（论文）基于单片机的太阳能热水器智能控制系统的设计 摘要太阳能热水器以其诸多的优点受到人们的欢迎。本论文以89C52单片机为核心，配合电阻型4档水位传感器、负温度系数NTC热敏电阻温度传感器、8255A扩展键盘和显示器件 、驱动电路（电磁阀、电加热、报警）等外围器件， 完成对太阳能热水器容器内的水位、水温测量、显示；时间显示；缺水时自动上水，水溢报警；手动上水、参数设置；定时水温过低智能电加热等功能。其中本文第一章主要说明了太阳能热水器智能控制系统的研究现状和本课题的主要任务，第二章对系统的硬件结构作了简单介绍，第三章介绍了控制系统软件实现。 本系统对于水位传感器、水温传感器的电阻
2、数据的处理均采用独特的RC充放电的方法。它与使用A/D转换器相比，电路简单、制造成本低。特别适用于对水位、水温要求不精确的场合。关键词：太阳能，热水器，控制器，89C52，RC充放电AbstractSolar Water Heater is popular with its pretty benefits, This thesis take the 89C52 microcontroller integrated circuit as the core, the coordinate 4 grades of waters level resistance sensor, the negativ
3、e temperature coefficient NTC thermistor temperature sensor,the 8255A expansion keyboard and the demonstration component, the actuate circuit (solenoid valve, electric heating, warning) and other periphery component, completes to the water level and temperature measure and demonstrate; the time demo
4、nstrate; lack of water automatically upstream, the water overflow warn; fixed time intelligencely electric heat.The first chapter mainly explains the solar water heater intelligent control system research and the main task of this project, the second chapter of the hardware structure of the system i
5、s briefly introduced, the third chapter introduced the control system software implementation.Regarding the process of the water level sensor and water temperature sensor resistance data this system uses the method of the unique RC electric sufficient and discharging. Compared to using the A/D conve
6、rter, the electric circuit is simple, the production cost is low. Specially it is suitable for the water level and the water temperature measuring requested unprecise situation.Key word: Solar energy, water heater, controller, 89C52, RC electric sufficient and discharge64目录摘要1Abstract3第一章 绪论31.1太阳能热
7、水器的发展概况及市场竞争分析31.2太阳能热水器的应用及意义41.3太阳能热水器的工作原理6第二章 控制系统的硬件设计82.1主控芯片模块82.1.1主控芯片模块电路82.1.2主控芯片简介92.2 温度传感模块122.2.1温度测量模块选择122.2.2温度测量模块简介132.2.3水温计算132.3水位检测模块162.3.1水位模块选择162.3.2水位测量电路的具体设计162.4时钟模块212.4.1 DS1302串行时钟芯片212.4.2时钟电路的设计222.5输入输出模块232.5.1方案设计232.5.2 8255A在控制电路的应用262.5.3键盘电路原理272.5.4显示电路原
8、理282.6其他硬件电路设计302.6.1 上水控制电路302.6.2 电加热控制电路302.6.3报警控制电路312.6.4 水位显示电路312.6.5上水电磁阀、电加热、报警等驱动电路312.7电源电路31第三章 控制系统软件设计323.1控制系统软件设计流程图323.2温度测量编程实现333.3水位测量编程实现343.4时间读取编程时实现353.5键盘扫描编程实现383.6显示编程实现39结 论41参考文献42致谢43附录44附录一44附录二63第一章 绪论1.1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
9、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，从而浪费大量的电能。本文设计的太阳能热水器控制器以AT89C52单片机为检测控制核心，采用串行芯片DS1302 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水溢报警功能，还能实现手动上水、手动电加热、设置水位、设置温度等功能。温度控制采用模糊控制， 控制器可
10、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
11、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1。 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。1.2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
12、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
13、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，采光面积每种型号不同，一般在1.52.0平方米。我国从“六五”计划期间开始推广太阳能热水器，到目前全国已有250万平方米采光面积的太阳能热水器，厂家又几家发展到全国约有180家左右，是目前世界上推广最大的国家之一，而且形成了规模，形成了中国特
14、色的太阳能企业，有中国太阳能协会为中心的学术中心，以中国农村能源企业协会太阳能热利用专业委员会为中心，制定了产品标准、测试条件、产品合格证颁发等一系列措施。世界各国的太阳能热水器生产发展也很快。例如：澳大利亚政府规定，在北部地区新建房屋一定要设置太阳能热水器，西澳大利亚已有25%的新住宅安装了太阳能热水器。日本现在每年安装太阳能热水器近50万台，现在有20%的家庭安装了太阳能热水器，计划今后普及率达到25%，按照日本的“阳光计划”还将为公寓，办公楼安装6500套太阳能热水系统，为工厂安装1900套工业用太阳能热水系统。以色列的法令规定所有新建筑物必须配备太阳能热水器，目前普及率已超过60%。英
15、、法、德、意、希腊五国到2000年底推广热水器600万平方米，比1990年增长2倍多。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。太阳能热水器是节能、环保产品，故受到广泛重视，发展极快，预计今后每年将以15%20%的速度发展。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。设计可以参考以下的几个意见
16、：1.在设计民用建筑时，若此地区没有集中热水供应，可给用户安装太阳能热水器，以提供热水，提高住房的档次，在设计时将冷、热水管线预埋，以平均每套住宅建筑面积65平方计算，工程造价大约每平方米增加18-20元，2.设计工厂浴室时，可考虑采用太阳能热水系统，每平方采光面积产热水100升计算，100平方米太阳能热水系统可产热水10吨，每人每次标准用水40升，可解决250人的洗浴用水。作为工厂中低温工业热水，可根据当地各种各样的不同条件予以特殊设计。3.作为工厂中低温工业热水，可根据当地各种各样的不同条件予以特殊设计。太阳能热水器的推广应用及经济效益据不完全统计，迄今全国太阳能热水器累计安装使用总量已达
17、300万平方米以上。所以该控制器具有使用方便、性价比高、工作可靠、精度高等特为太阳能热水器的进一步推广具有积极的推动作用。1.3太阳能热水器的工作原理图1.3 热水器装置简图热水器主要由集热板、循环管道和水箱等组成，图中为典型的热水器装置图。图中集热板按最佳倾角放置，副水箱供给保温热水箱所需的冷水。集热板吸收太阳辐射后，集热板内温度上升，水温也随之升高。水温升高后，水的比重减轻，便经上循环管进入保温热水箱上部。而保温水箱下部的冷水比重较大，就由水箱下流到集热板下方，在集热板内受热后又上升。这样不断对流循环，水温逐渐提高，直到集热板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
18、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。第二章 控制系统的硬件设计2.1主控芯片模块2.1.1主控芯片模块电路单片机系统由AT89C52和一定功能的外围电路组成，包括为单片机提供复位电压的复位电路，提供系统频率的晶振。这部分电路主要负责程序的存储和运行。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振
19、荡器频率的高低、谐振器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。晶体可在1.2MHz12MHz之间任选，电容C1和C2的典型值在20pF100pF之间选择，但在60pF70pF时振荡器具有较高的频率稳定性。典型值通常选择为30pF左右，但本电路采用30pF。AT89C52的复位是由外部的复位电路来实现的。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。本设计中所用到的是上电按钮复位，如图2.1所示。图2.1单片机系统2.1.2主控芯片简介89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用ATMEL公司可靠的CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS
20、产品。它结合了CMOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于89C52增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟
21、振荡停止，同时停止芯片内其它功能。89C52有PDIP(40pin)和PLCC(44pin)两种封装形式。图2.2为AT89C52的引脚图图2.2 AT89C52的引脚图主要功能特性 标准MCS-51内核和指令系统 片内8kROM（可扩充64kB外部存储器） 32个双向I/O口 256x8bit内部RAM（可扩充64kB外部存储器） 3个16位可编程定时/计数器 时钟频率3.5-12/24/33MHz 向上或向下定时计数器 改进型快速编程脉冲算法 6个中断源 5.0V工作电压 全双工串行通信口 布尔处理器 帧错误侦测 4层优先级中断结构 自动地址识别 兼容TTL和CMOS逻辑电平 空闲和掉电节
22、省模式 PDIP(40)和PLCC(44)封装形式管脚说明：VCC：供电电压。 GND2：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在F
23、LASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可
24、接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口作为AT89C52的一些特殊功能口，管脚 备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（计时器0外部输入） P3.5 T1（计时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/
25、PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。 在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两/PSEN有效。但在访问外部
26、数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA / VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。2.2 温度传感模块2.2.1温度测量模块选择 温度测量的方案有很多，经过方案比较，对太阳能热水器中水的温度进行控制及显示，需对热水器水温与出水温度进行检测。对于热水器来说温度控
27、制与显示的精度要求并不高，因此本设计采用负温度系数NTC 热敏电阻作为测温元件，利用NTC 热敏电阻阻值随温度变化而改变的特性实现测温。水温测量电路如图2.3图2.3 水温测量电路原理图2.2.2温度测量模块简介NTC是Negative Temperature Coefficient 的缩写，意思是负的温度系数，泛指负温度系数很大的半导体材料或元器件，所谓NTC热敏电阻器就是负温度系数热敏电阻器。它是以锰、钴、镍和铜等金属氧化物为主要材料， 采用陶瓷工艺制造而成的。这些金属氧化物材料都具有半导体性质，因为在导电方式上完全类似锗、硅等半导体材料。温度低时，这些氧化物材料的载流子（电子和孔穴）数目
28、少，所以其电阻值较高；随着温度的升高，载流子数目增加，所以电阻值降低。NTC热敏电阻器在室温下的变化范围在10O1000000欧姆，温度系数-2%-6.5%。NTC热敏电阻器可NTC热敏电阻器广泛用于测温、控温、温度补偿等方面。3NTC（Negative Temperature Coeff1Cient）是指随温度上升电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料。该材料是利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺而成的半导体陶瓷，可制成具有负温度系数（NTC）的热敏电阻。其电阻率和材料常数随材料成分比例、烧结气氛、烧结温度和结构状态不同而变
29、化。现在还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为代表的非氧化物系NTC热敏电阻材料。 它的测量范围一般为-10+300，也可做到-200+10，甚至可用于+300+1200环境中作测温用。负温度系数热敏电阻器温度计的精度可以达到0.1，感温时间可少至10s以下。它不仅适用于粮仓测温仪，同时也可应用于食品储存、医药卫生、科学种田、海洋、深井、高空、冰川等方面的温度测量。2.2.3水温计算NTC 热敏电阻的阻值与温度的准确关系为:RT=R0exp1T-1T0 (2-1)式中R0 为温度为T0 时的电阻值，T0 为基准温度298.15K， 即25 。为材料系数。R0 与由热敏电阻生产厂家给出6。由式2-
30、1可得:T=11lnRTR0+1T0 (2-2)由式2-13和式2-14可得；RTR0=NTN0 (2-3)将T0 、值代入上式并用摄氏温度表示时水胆温度为；T=114050lnN16384+1298.15-273.15 (2-4)因为89C52单片机无法进行直接的对数运算，按上述公式计算温度值将是十分困难的。在这里查表法是一种经常采用的解决办法，即事先计算出所有可能的计时结果所对应的温度值以表格形式写入控制程序，每次转换完毕后查表得出所对应的温度值。但此种方法需占用较多的程序储存空间本设计采用一次线性插值法对温度与A/D 转换结果之间的关系进行分段线性化，以少量单片机能直接进行的运算的组合去
31、逼近目标函数。图2.4为温度T 与计时器计时结果N之间的关系曲线。图2.4 计时寄存器值N与温度T的关系曲线其中圆滑曲线为实际的T-N关系曲线设计中根据使用要求将曲线在0 -90 范围内分3 段采用图中的3 段直线断代替实际曲线。曲线按式2-4 计算出图中各线段端点坐标值为：N1=1000，T1=90()； N2=7549，T2=43()； N3=20000，T3=20()； N4=56450，T4=0()；分段线性化后温度T 的近似计算公式：，() (2-5)，() (2-6)，() (2-7)为了能在单片机上进行计算，将以上三式进一步变换成如下形式（其中int为取整函数）： T=97-in
32、t(N*8/1000), (2-8) T=50-int(N/1000), (2-9) T=30-int(N*5/10000), (2-10)式2-8,2-9 和2-10的计算过程仅需通过简单的几步移位与加减法操作即可实现，与通过式2-4 计算并进行四舍五入圆整的结果相比较单片机通过式2-8,2-9 和2-10计算出的温度值在020 范围内误差不超过2,在20 90 范围内误差不超过1,并且计算出的温度值与A/D 转结果之间保持良好的单调递增关系。2.3水位检测模块2.3.1水位模块选择实验证明，纯净水几乎是不导电的，但自然界存在的以及人们日常使用的水都会含有一定的Mg2+、Ca2+等离子，它们
33、的存在使水导电。本控制装置就是利用水的导电性来完成的。本论文采用RC充放电式水位传感器来作为我们测量的元件。原理如图2.5图2.5 RC充放电式水位传感器测量电路原理图它的工作原理是，水面每接触一个钢针就会多并联一个电阻，电阻随水位变化而规律的变化。利用单片机的一个口周期性的给电容电路充放电，然后用单片机监测电容两端电压的变化，因为电容电压的上升或下降时间t=RC，所以用单片机记录这个时间就能判别电阻的变化，进而转化为水位的变化进行显示及其他动作。2.3.2水位测量电路的具体设计1直接接单片机I/O口检测单片机中的定时器可以提供电压变化时间的纪录，接下来就是如何将电压的变化传递给单片机。一种简
34、单的方案是：用P1.0口给RC电路周期性的充放电，然后用P1.1口监测电容的电平变化，完成计时，这种方案看上去简单易实现，但实际则行不通。按刚才提到的方法接图如图2.6。这样做得到的结果是P1.1的电压一直保持高电平，即电容电压一直保持高点平。这与单片机内部电路有关，单片机的内部电路如图2.7所示。图2.6直接用I/O检测电容电压测量水位电路原理图图2.7 P1口的位结构42采取与I/O隔离并用中断监测电容电压的电路这样需要将电容电压与单片机监测端口隔离，采取如图2.8所示电路。图2.8 水位测量电路1.LM358的应用LM358的正向输入端接电容电压正端，反向输入端与输出端相连，构成电压跟随
35、器。电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低，也就是说电压跟随器有较好的隔离作用，使输出对输入影像较小，正好满足我们的要求6。LM358的输出电压幅度为0 至Vcc-1.5V,而要跟随的电压范围为05V，所以应选用大于+6.5V的电源供电，这里选用+12V单电源供电2LM393的作用给比较器设置+3V的参考电压，将电容电压的指数曲线变成矩形波，波形图如图2.9所示。将参考电压接同相输入端，比较电压接反相输入端，从而实现电容电压在上升到参考电压时比较器产生下降沿信号，作为单片机的外部中断信号。如图2
36、.9所示。根据LM393的特性本设计电源电路提供的电压，选用+5v给其供电。由LM393的内部原理图可知LM393的输出为集电极开路，它的输出高电平与LM393的电源无关，但须接外部电源和上拉电阻。在图2.8所示的水位测量电路中并未有这样的上拉电压电路，是因为单片机内部INT0、INT1口已经具备了这样的电路。INT0、INT1的内部电路类似于P1口如图2.8所示。另外LM393的同相输入端输入和反相输入端输入之间有相互嵌位作用，+5V电源和分压电阻提供的+3v参考带电平对反相输入端输入有嵌位作用，如果不接LM358 电源跟随器而与电容直接相连，显然会影响电容电压的变化，这就是要加电压跟随器进
37、行隔离的原因。图2.9 电容电压与比较器输出信号(仿真和实测)3充电时间的设定和电容的选择电容充电时间的计算公式为：T=RC （2-11）T即位电容电压上升时间。编程使P1.0口输出周期性的方波，给电容充放电，方波半周期（充电或放电时间）为，应使方波半周期大于电容电压上升时间，即：TT (2-12)如果使用单片机主程序一直循环给P1.4口输出方波，方波的周期可以很大，超过几秒甚至几十秒，但是这样主程序就只能干这一项工作，影响单片机的其他工作。所以要用定时器来实现方波输出。这样用定时器就可以用定时中断使P1.4口输出方波，又不影响单片机的其他工作。这样方波的周期就受定时器定时时间的限制。89C5
38、2单片机定时器共有4种定时方式，其中定时时间最长的为定时方式1。当定时器/计数器在方式1下做定时器用时，其定时时间计算公式为：T=T-计数初值晶振周期12 （2-13）采用12M的晶振，晶振周期为S，因为采取定时器终端方式，所以N=0XFFFF=65536。所以：T=(65536-计数初值)us。 （2-14）那么当T=30ms,计数初值为0X8AD0=35536。如图2.7，这里用INT0 中断来监视记录电容变化，内部编程实现计时器对电容电压上升时间的记录，所以可以通过将计时器寄存器里的值显示出来的方式直观显示电容电压结果，来确定合适的电容。以下是编程实现这一过程的结果。表2-1 不同电容大
39、小时计数器寄存器中的值一水位二水位三水位四水位TH0TL0TH0TL0TH0TL0TH0TL02uFA0B48598708360651uF64704950384032340.22uF2180A31728016472由表格数据可见当选用2uF电容时，应需较大的充放电时间，充放电不够充分，所以计数器寄存器中的值大而不准；而当取0.22uF电容式计数寄存器TH0的值仅为1或2，非常不利用区分；当取1uF电容时，数据大小合适，分段明显，所以应选用1uF电容。另外，电容两端的最高电压为+5V，最低电压为0V，所以所选电容的耐压留有一定裕量为最大电压的3倍，所以应选取耐压为15V以上的电容。由表2-1知R
40、最大值为25K，所以：TT=RC=25ms （2-15）又由式2-2得： (2-16)这样由公式2-15、2-16得到。因此取充电和放电时间为30ms。2.4时钟模块太阳能热水器虽然节能环保，但它也有自身的许多缺点，例如受天气状况的影响太大，如果某天因阴雨天气等原因日照不足，水温偏低，使用者就无法正常使用热水。为了解决这个问题需要为控制系统提供电加热装置。本系统设计了一个利用时钟芯片提供时间信号完成智能加热功能的电加热系统。下面对本论文采用的时钟芯片电路的介绍。2.4.1 DS1302串行时钟芯片1DS13027芯片的性能特点：实时时钟具有能计算2100 年之前的秒分时日日期星期月年的能力还有
41、闰年调整的能力，318 位暂存数据存储RAM，串行I/O 口方式使得管脚数量最少， 宽范围工作电压2.0 5.5V， 工作电流2.0V 时,小于300nA，读/写时钟或RAM 数据时有两种传送方式单字节传送和多字节传送字符组方式， 8 脚DIP 封装或可选的8 脚SOIC 封装根据表面装配， 简单3 线接口，与TTL 兼容Vcc=5V8。2管脚功能描述图2.10为DS13028脚封装管脚图。图2.10 DS13028脚封装管脚图管脚描述：X1 、X2 32.768KHz 晶振管脚；GND 地；RST 复位脚；I/O 数据输入/输出引脚；SCLK 串行时钟；Vcc1,Vcc2 电源供电管脚；2.
42、4.2时钟电路的设计DS1302 内部寄存器CH: 时钟停止位 寄存器2的第7 位12/24 小时标志CH=0 振荡器工作允许； bit7=1,12 小时模式；CH=1 振荡器停止； bit7=0,24 小时模式；WP: 写保护位 寄存器2 的第5 位:AM/PM 定义WP=0 寄存器数据能够写入； AP=1 下午模式；WP=1 寄存器数据不能写入； AP=0 上午模式TCS: 涓流充电选择 DS: 二极管选择位TCS=1010 使能涓流充电； DS=01 选择一个二极管;TCS=其它 禁止涓流充电； DS=10 选择两个二极管;DS=00 或11, 即使TCS=1010, 充电功能也被禁止表
43、2-2 RS位功能表RS位电阻典型位00没有没有01R12 K10R24 K11R328KDS1302的管脚按前面的说明进行连接，SCLK同步时钟口接P1.5口，I/O数据输入输出口接P1.6口，RET复位引脚接P1.7口，VCC2接+5V电源，VCC1接+5V备用电池，X1、X2接32.768MHZ晶振。单片机与DS1302的连接方式如图2.11所示。图2.11单片机与DS1302的连接图2.5输入输出模块一般具有人机对话的单片机系统少不了会有键盘和显示屏。键盘和显示电路是太阳能热水器水位控制系统与用户的接口，用户通过显示来观察水温、水位、时间等状态值，再根据观察到的值，通过键盘对太阳能热水
44、器进行控制。本章设计了较为合理的键盘和显示电路完成这些功能。2.5.1方案设计太阳能热水器系统需要用数码管显示时间和温度，时间精确到分，24或12小时制，这就需要4位显示；而温度显示范围为099度，这又需要2位显示。对于六位显示，采用占用I/O较少的动态扫描方式，也需要六位位选码数据线，八位段选码数据线，共需14个I/O口。键盘采用复用方式，仍需要至少4个I/O口。键盘和显示电路共需18个I/O口，89C52单片机共有48个I/O口，而又有8个口有特殊功能，也就是常用的共有38个I/O口，该系统的其他设置也还要占用大量I/O口，显然这样太浪费资源。Intel公司生产的可编程并行接口芯片8255
45、A已广泛应用于实际工程中，例如8255A与A/D、D/A配合构成数据采集系统，通过8255A连接的两个或多个系统构成相互之间的通信，系统与外设之间通过8255A交换信息，等等，所有这些系统都将8255A用作为并行接口。1 8255A的内部结构8255A内部由PA、PB、PC三个8位可编程双向I/O口，A组控制器和B组控制器，数据缓冲器及读写控制逻辑四部分电路组成。 图2.12为8255A结构框图和引脚图图2.12 8255A结构框图与引脚图2、 8255A的引脚功能 数据总线（8条）：D0D7，用于传送CPU和8255A间的数据、命令和状态字。 控制总线（6条）：RESET：复位线，高电平有效。 /CS：片选线，低电平有效。 /RD、/WR：/RD为读命令