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1、河南理工大学毕业设计（论文）说明书摘 要如何很好的节约和利用能源，特别是可持续性能源，一直是人类所面临的问题了所以研究智能化家庭住宅里的能源如何被更有效的节约和利用，也有着十分现实和长远的意义。而家用太阳能热水器就是一个节约能源，有效利用能源的典型。随着人类生活的不断进步，科学技术的不断发展，电子技术在各个领域的广泛应用，智能化家庭住宅模式必将成为人类住宅模式的发展趋势。美国、日本等发达国家已经在这方面做了很多有益的探索和研究，在我国，随着人民生活水平的日益提高，智能化家庭住宅模式也必将在我国兴起、发展和完善。所以实现对家用设备的智能化控制也就成了一种有益的、必要的、积极的探索和研究。同时，自
2、21世纪以来我国太阳能利用取得了举世瞩目的成绩，太阳能热水器是太阳能热利用中技术最成熟、应用最广泛、产业化发展最快的领域，并且随着大众文明意识的提高、人民生活水平的不断提高以及对生活热水需求的日益增长和拥有9亿人口的农村潜在市场的开发，研究、开发与太阳能热水器相配套的智能化控制系统，也就有着重大意义，同时会创造良好的社会效益。针对这些，开发具有智能度、通用性好、稳定性好、界面友好的太阳能热水器控制系统，这些都是现在研究的主流方向。关键词:太阳能热水器，太阳能，传感器，单片机AbstractTo economize and utilize energy resource, especially
3、the lasting energy 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 patte
4、rn has been a development 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 ti
5、me, from the 21 century 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 hundred
6、s million people. 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 录1 太阳能热水器系统简介51.1 太阳能热水器发展概况51.2 太阳能热水器控制仪的现状71.3 太阳能热水器市场前景分析81.
7、4 太阳能热水器系统功能简介92 单片机系统简介112.1 单片机概述112.2关于单片机的一些基本概122.3 芯片简介152.3.1 MSC-51芯片简介152.3.2 MCS-51的引脚说明：183 传感器的特点及应用213.1 温度传感器及其应用213.2 数字温度传感器DS18B20214 系统硬件结构与工作原理244.1 系统硬件结构244.2 电加热、电磁阀控制电路254.2.1 光电耦合器264.2.2 双向可控硅264.2.3 电加热、电磁阀控制电路274.3 温度监测与控制电路及其工作原理284.3.1 基本工作原理电路284.3.2 源程序284.4水位监测及控制电路及其
8、工作原理384.4.1霍尔效应及霍尔传感器384.4.2 霍尔流量计的工作原理404.4.3 测水量软件流程414.5 显示控制及其实现程序414.5.1 液晶显示器的特点、分类及其他424.5.2 液晶显示器与单片机接口电路434.6键盘接口电路及其编程444.6.1键盘接口方式444.6.2键盘接口电路454.6.3键盘编程454.7总模块电路及其编程464.7.1总模块电路图464.7.2 源程序475 仿真与测试585.1 利用proteus 绘制电路图585.2 在KEIL中对程序的调试方法605.3 仿真的实现64致 谢67参考文献68691 太阳能热水器系统简介1.1 太阳能热水
9、器发展概况能源是人类生存和社会发展的物质基础，一个能够持续发展的社会应该是一个既能满足当前需要又不危及后代人前途的社会。因而，随着世界性能源短缺和环境污染的日益严重，节约能源和寻找新的可再生无污染的能源就摆在了人们的面前。节约能源，尽可能多的用洁净能源代替高碳量的矿物燃料，也就成为能源和环境建设必须好遵循的基本原则之一。太阳能的开发和利用，正是适应了这种需要，据检测，每平方米太阳能热水器在其寿命期内可减少一吨煤所造成的向大气排放的有害化合物。因而开发利用太阳能，是减少环境污染的重要选择。1992年联合国召开了全球与环境发展大会之后，许多国家纷纷将太阳能列入重点开发项目。充分开发利用太阳能也就成
10、为世界各国政府可持续发展的能源战略决策，一方面可以广泛地应用于热水、发电、制冷、采暖等诸多方面，另一方面可以大量节省石油煤碳等不可再生资源，将大大缓解能源匾乏而带来的严重后果。早在1973年，美国就制定了政府级的阳光发电计划。而后许多国家都制定了相应的发展计划。80年代，日本、澳大利亚、美国、以色列和希腊等国家出现新兴的太阳热水工业。我国幅员辽阔，具有丰富的太阳能资源和良好的开发利用基础。全国太阳能国辐射总量在3.8- 8.4x 10千焦/平方米之间，约占全国2/3以上的地区全年日照时数大于2000小时。经过十余年的努力，我国太阳能利用取得了举世瞩目的成绩，太阳能热水器是太阳能热利用中技术最成
11、熟、应用最广泛、产业化发展最快的领域。当前我国自主开发的全玻璃真空管太阳能热水器在世界上处于领先水平，并出口到日本、美国等发达国家。国内应用情况据统计，我国太阳能热水器在2005年年底的年产量为1500万平方米，占世界总产量的75.6%；保有量为7500万平方米，占世界总保有量的60.6%。年产量及拥有量均居世界首位，成为我国节能领域的新兴产业，已引起国际能源界的关注，发展势头很好。进入90年代，中国在改革开放政策指引下，随着太阳能热水器的不断改进、大众文明意识的提高、人民生活水平的不断提高以及对生活热水需求的日益增长和拥有9亿人口的农村潜在，市场的开发，更是促进了太阳热水工业的迅速发展，太阳
12、能热水器应用同时也得到了一个大规模进展，并且形成了与空调、彩电、冰箱等一样的大规模市场。太阳能热水器是利用集热器吸收太阳光，将光能转化成热能，并通过储水箱将热水储存的装置。目前，技术水平最高的太阳能热水器是真空集热管太阳能热水器。真空集热管的内、外管之间是真空夹层，确保冬季管内不结冰，能够正常使用，内管上有一层选择性吸收镀膜，膜层能充分吸收太阳光。真空管里的水，吸收热量后，通过温差循环，加热储箱内的水。太阳能中央热水系统采取以太阳能为主，电能为辅的能源利用方式。一般情况下全年90%的热水来自太阳能，只需10%的电能作补充，365天全天候可以供应热水。太阳能热水器可在全国大部分地区使用，并被广泛
13、应用于家庭，在宾馆沐浴、工业用水等方面获得利用。同时，由于其经济和社会效益显著。不用煤油电而用太阳能热水器洗浴的城乡居民全国有3000多万，年节约能源200万吨标准煤。太阳热水不但为广大城乡用户所接受，而且建设部已将它列入建筑节能新技术，准备推广，太阳热水系统将与被动太阳采暖、光伏器件一起成为21世杨太阳能建筑结构的一个组成部分。太阳热水要扩展到为工农业生产服务。太阳能产品本身还存在着使用不方便、不配套、质量档次不高的状况。同时，由于受自身条件的限制，随着春夏秋冬四季的变化，以及不同季节不同天气的变化，由于真空集热管太阳能热水器的单一性能，出水温度和热水存量的不确定性给使用中带来众多不便，同时
14、也造成了对太阳能的利用效率低下，太阳能热水器也就在一定程度上满足不了不同用户的不同需要，从而影响了太阳能热水器的长期发展。1.2 太阳能热水器控制仪的现状在太阳能热水器的控制方面，其发展就远远落后于太阳能热水器本身的发展，绝大多数用户对水位(进水)的控制仍然依赖于观察溢流管有无溢流。但这种方法有明显缺陷:1)在往水箱进冷水时，水箱内存留的热水往上升，直至从溢流管溢出，这样从溢流口到用户室内这段溢流管所含容积的温度较高的水白白浪费了，溢流管越长，损失越大。2)进水进到溢流管溢出为止，即水箱已充满，但当在太阳能的作用下，随着水温的不断升高，水的体积不断膨胀，将上层温度最高的水从溢流口不断排出，又造
15、成了大量热能的流失。为了满足用户的需要，市场上相应也推出了太阳能热水器控制仪。调查分析 目前市场上的此类装置，存在如下缺陷:1.智能化程度不高，一方面，人工上水，用户需占用大量时间，使用十分不方便；另一方面，也造成了对太阳能利用的效率低下；2.其关键元件水温、水位探头插入水箱中，依靠探头金属与水导电产生信号来显示水位。太阳能水温升高时，探头上会产生水垢，影响了探头与水之间的导电性能，整套水位显示系统也就失去了作用，控制仪也就不能正常使用 ；3.虽然此类产品种类多，但功能都不齐全，各有侧重，且通用性较差；4.交互界面不友好，用户了解信息和操作都不方便。基于这几点考虑，针对目前市场上的家用太阳能热
16、水器控制系统存在的缺陷 ，我们做了必要的、有益的调整、改进和完善。以AT89C51单片机为核心 ，利用霍尔流量计代替传统的金属探头，解决了升温结垢问题；同时实现对太阳能热水器的水位、补水方式、补水时间的程序化控制，提高了系统的智能化，同时提高了对太阳能的利用率；通过液晶显示与用户建立良好的交互界面。1.3 太阳能热水器市场前景分析在全球能源形势紧张、气候变暖严重威胁经济发展和人们生活健康的今天，世界各国都在寻求新的能源替代战略，以求得可持续发展和在日后的发展中获取优势地位。太阳能以其清洁、源源不断、安全等显著优势，成为关注重点。在太阳能产业的发展中，太阳能热水器的热利用转换技术无疑是最为成熟的
17、，其产业化进程也较光伏电池、太阳能发电等产业领先一步。但是目前市场还有待规范，消费群体还有待培育，技术还有尚须改进，因而对于企业来说还有较大的成长空间。 2005年，中国太阳能热水器年产量已突破1500万平方米，保有量超过6200万平方米，行业总产值已逾150亿元。2005年中国热水器市场销售量达到1283.4万台，销售额达到101.6亿元，比上年同期分别增长了20%与33.7%。 2006年，中国燃气、太阳能及类似能源的器具制造行业累计实现工业总产值24,125,852千元；实现累计产品销售收入22,071,020千元，比上年同期增长31.32%；实现累计利润总额为759,646千元，比上年
18、同期增长54.07%。 2007年1-11月，中国燃气、太阳能及类似能源的器具制造行业累计实现工业总产值28,248,917千元，比上年同期增长了29.14%；累计实现产品销售收入27,222,371千元，比上年同期增长了41.02%；累计实现利润总额955,850千元，比上年同期增长了65.14%。 中国太阳能热水器的年生产量是欧洲的2倍，北美的4倍，现已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和最大的太阳能热水器市场，并仍在以每年20-30的速度递增。但是中国太阳能热水器生产的企业有3500多家，除皇明、清华阳光、华扬、澳柯玛、北大四季沐歌等10个全国性品牌因质量、售后服务过硬而市场知名度较高外
19、，行业中存在着大量纷繁芜杂的杂牌子企业，这种状况不利于行业的长远发展。 1.4 太阳能热水器系统功能简介太阳能热水器控制仪具有功能齐全、智能化强、操作简单方便、人机交互界面良好等诸多优点:1.4.1 功能上1.太阳能热水器水位测定:通过霍尔双向流量计可较精确的测定目前太阳能热水器的水量，解决了长期困扰太阳能控制器可靠性的难点。2.太阳能热水器水温测定与控制:通过温度传感器来探测太阳能热水器的温度，并通过单片机控制在数码管上以数字形式显示；用户也可以根据需要选用或不选用辅助电加热器。3.补水方式选择:用户可以根据自己的需要选择自动补水系统一旦检测到水位低于一定值就自动打开电磁阀补水直到满水位)或
20、手动补水系统根据用户设定的补水时间来进行补水)。同时，也加设了紧急补水键，(用户第一次按下紧急补水键，就开始补水，系统就会补水到满水位，若补水当中，用户第二次按下此键，则停止补水)。3.显示:监测结果以及相应的用户操作，都在液晶上以图形或数字的方式来显示，直观、明了，用户用起来很方便。.此外，系统还对多种意外情况做了相应的保护措施。如，当系统检测到电磁阀打开，而流量计没记数时，则延时2分钟，自动切断电磁阀(防止用户补水时，自来水公司突然停水);当电加热启动着时，用户如果用水，则切断电加热，直到用户用水完毕，再重新开启电加热。(防止带电用水):等等。1.4.2 智能上太阳能热水器满足了不同用户的
21、不同需要，可根据季节不同，用水状况不同，确定每日的上水时间和次数，充分利用太阳能源;可根据家庭用水时间和温度，自动进行电补温，克服气候的变化，确保家庭用热水;一次性设定好后无须操心，由控制器进行自动管理。1.4.3 接口上单管上下水，一阀多能。它也抛弃了传统的浮球箱来判定水满否，而是微型化处理，无需溢流管，直接由单片机根据预先设定的满水量判断并实现自动水满关闭。1.4.4 实用面上现在不光有单个的太阳能热水器用户，也有小区式的太阳能热水器用户，该设计可以同时满足两种用户的需要。另一方面，控制系统可以单独使用于太阳能热水器，也可以与可与家用电热水器连用进行控制。2 单片机系统简介2.1 单片机概
22、述微型计算机的出现与发展已广泛应用到各行各业中，使人们的日常生活、工作都发生了重大变化，如果没有微型计算机，人们的工作、生活的质量将受很大的损失。单片微型计算机是微型计算机发展中的一个重要分支，其独特的结构与性能越来越普及地应用于国民经济的各个领域。本绪论主要是介绍什么是单片微型计算机:它与微型计算机的区别是什么;单片微型计算机的发展概况;它的特点和应用。通过对本绪论的学习，使读者对单片微型计算机有一个初略的认识和了解。单片机微型计算机是微型计算机的一个重要分支，也是颇具生命力的机种。单片机微型计算机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称为微控制器。 通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包
23、含有计算机的基本功能部件：中央处理器、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。单片微型计算机简称单片机。它在一块芯片上集成了各种功能部件:中央处理器(CP切、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(RO峋、定时器/计数器、和各种输入/输出(Fo)接口(如并行FO口、串行FO口和A/D转换器)等。由于它的结构与指令功能同步，也经历了四个阶段:第一阶段(1971一1974年)，主要是美国Intel 公司从早先的第一台MCS一4微型计算机，到后来功能较强的8位微处理器Inte18o08和Fairchild公司的FS微处理器。这些微处理器虽说
24、还不是单片机，但从此拉开了研制单片机的序幕。第二阶段(1974一1978)初级单片机阶段，以Intel公司的MCS一48为代表。这个系列的单片机内集成有8位CPU，并行I/0 口，8位定时器/计数器，寻址范围不大于4K，且无串行口。第三阶段(1978一1983) 高性能单片机阶段。在这一阶段的单片机普遍带有串行口，有多级中断处理系统，16位定时器/计数器。片内ROM，R乃初容量加大，且寻址范围可达64K字节，有的片内还带有A/D转换器接口。这类单片机有INTEL公司的MCS一51，MOTOROLA公司的6801和ZILOG公司的28等。其中MCS一51系列产品，由于其优良的性能价格比，特别适合
25、我国的国情，MCS一51系列单片机有可能稳定相当一段时期。现在，国内的MCS一51热正在升温，随着我国经济建设步伐的加大，MCS一51系列单片机必将在各个领域大显身手。第四阶段(1983一现在)，8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段。此阶段主要特征是一方面发展16位单片机及专用单片机:另一方面不断完善高档8位单片机，改善其结构，以满足不同用户的需要。MCS一5王系列属高档单片机，近年来，工NTEL公司在提高该系列产品性能方面作了不少工作，相继推出了不少新产品:8052/8752/8032、低功耗的CHMOS工艺芯片SOC51/87C51/80C31、具有高级语言编程的芯片8052AH一BA
26、SIC、高性能的C252系列等。在本次设计中我们采用了MCS一51系列中的89C51来完成产品种的CPU的功能。在单片机的应用领域中按照单片机的特点，单片机可分为单机引用和多机应用。单机应用领域有:测控系统、智能仪表、机电一体化产品、智能接口等。多机应用领域有:功能集散系统、并行多机控制系统、局部网络系统等。我们所设计的太阳能供热控制系统属于单机应用领域的测控系统，即利用单片机完成对温度的采集、比较、控制等功能。2.2关于单片机的一些基本概随着电子技术的迅速发展，计算机已深入地渗透到我们的生活中，单片机的内容比较抽象，相对已熟悉的模拟电路、数字电路，单片机中有一些新的概念必须要理解，下面就对这
27、些最基本概念作一说明。一、总线：一个电路总是由元器件通过电线连接而成的，在模拟电路中，连线并不成为一个问题，因为各器件间一般是串行关系，各器件之间的连线并不很多，但计算机电路却不一样，它是以微处理器为核心，各器件都要与微处理器相连，各器件之间的工作必须相互协调，所以就需要的连线就很多了，如果仍如同模拟电路一样，在各微处理器和各器件间单独连线，则线的数量将多得惊人，所以在微处理机中引入了总线的概念，各个器件共同享用连线，所有器件的8根数据线全部接到8根公用的线上，即相当于各个器件并联起来，但仅这样还不行，如果有两个器件同时送出数据，一个为0，一个为1，那么，接收方接收到的究竟是什么呢？这种情况是
28、不允许的，所以要通过控制线进行控制，使器件分时工作，任何时候只能有一个器件发送数据（能有多个器件同时接收）。器件的数据线也就被称为数据总线，器件所有的控制线被称为控制总线。在单片机内部或者外部存储器及其它器件中有存储单元，这些存储单元要被分配地址，才能使用，分配地址当然也是以电信号的形式给出的，由于存储单元比较多，所以，用于地址分配的线也较多，这些线被称为地址总线。二、数据、地址、指令：之所以将这三者放在一起，是因为这三者的本质都是一样的数字，或者说都是一串0和1组成的序列。换言之，地址、指令也都是数据。指令：由单片机芯片的设计者规定的一种数字，它与我们常用的指令助记符有着严格的一一对应关系，
29、不能由单片机的开发者更改。地址：是寻找单片机内部、外部的存储单元、输入输出口的依据，内部单元的地址值已由芯片设计者规定好，不可更改，外部的单元能由单片机开发者自行决定，但有一些地址单元是一定要有的。数据：这是由微处理机处理的对象，在各种不一样的应用电路中各不相同，一般而言，被处理的数据可能有这么几种情况：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常数（如MOV TH0，#10H）10H即定时常数。4实际输出值（如P1口接彩灯，要灯全亮，则执行指令：MOV P1，#0FFH，要灯全暗，则执行指令：MOV
30、 P1，#00H）这里0FFH和00H都是实际输出值。三、P0口、P2口和P3的第二功能使用办法,各端口的第二功能完全是自动的，不需要用指令来转换。如P3.6、P3.7分别是WR、RD信号，当微片理机外接RAM或有外部I/O口时，它们被用作第二功能，不能作为通用I/O口使用，只要一微处理机一执行到MOVX指令，就会有对应的信号从P3.6或P3.7送出，不需要事先用指令说明。事实上不能作为通用I/O口使用也并不是不能而是（使用者）不会将其作为通用I/O口使用。你完全能在指令中按排一条SETB P3.7的指令，并且当单片机执行到这条指令时，也会使P3.7变为高电平，但使用者不会这么去做，因为这常常
31、这会导致系统的崩溃（即死机）。四、程序的执行过程 单片机在通电复位后8051内的程序计数器（PC）中的值为0000，所以程序总是从0000单元开始执行，也就是说：在系统的ROM中一定要存在0000这个单元，并且在0000单元中存放的一定是一条指令。五、堆栈 堆栈是一个区域，是用来存放数据的，这个区域本身没有任何特殊之处，就是内部RAM的一部份，特殊的是它存放和取用数据的方式，即所谓的先进后出，后进先出，并且堆栈有特殊的数据传输指令，即PUSH和POP，有一个特殊的专为其服务的单元，即堆栈指针SP，每当执一次PUSH指令时，SP就（在原来值的基础上）自动加1，每当执行一次POP指令，SP就（在原
32、来值的基础上）自动减1。由于SP中的值能用指令加以改变，所以只要在程序开始阶段更改了SP的值，就能把堆栈设置在规定的内存单元中，如在程序开始时，用一条MOV SP，#5FH指令，就时把堆栈设置在从内存单元60H开始的单元中。一般程序的开头总有这么一条设置堆栈指针的指令，因为开机时，SP的初始值为07H，这样就使堆栈从08H单元开始往后，而08H到1FH这个区域正是8031的第二、三、四工作寄存器区，经常要被使用，这会造成数据的浑乱。当设置好堆栈区后，并不意味着该区域成为一种专用内存，它还是能象普通内存区域一样使用，只是一般情况下编程者不会把它当成普通内存用了。六、单片机的开发过程 这里所说的开
33、发过程并不是一般书中所说的从任务分析开始，我们假设已设计并制作好硬件，下面就是编写软件的工作。在编写软件之前，首先要确定一些常数、地址，事实上这些常数、地址在设计阶段已被直接或间接地确定下来了。如当某器件的连线设计好后，其地址也就被确定了，当器件的功能被确定下来后，其控制字也就被确定了。然后用文本编缉器（如EDIT、CCED等）编写软件，编写好后，用编译器对源程序文件编译，查错，直到没有语法错误，除了极简单的程序外，一般应用仿真机对软件进行调试，直到程序运行正确为止。运行正确后，就能写片（将程序固化在EPROM中）。在源程序被编译后，生成了扩展名为HEX的目标文件，一般编程器能够识别这种格式的
34、文件，只要将此文件调入即可写片。七、仿真、仿真机 仿真是单片机开发过程中非常重要的一个环节，除了一些极简单的任务，一般产品开发过程中都要进行仿真，仿真的主要目的是进行软件调试，当然借助仿真机，也能进行一些硬件排错。一块单片机应用电路板包括单片机部份及为达到使用目的而设计的应用电路，仿真就是利用仿真机来代替应用电路板（称目标机）的单片机部份，对应用电路部份进行测试、调试。仿真有CPU仿真和ROM仿真两种，所谓CPU仿真是指用仿真机代替目标机的CPU，由仿真机向目标机的应用电路部份供给各种信号、数据，进行调试的办法。这种仿真能通过单步运行、连续运行等多种办法来运行程序，并能观察到单片机内部的变化，
35、便于改正程序中的错误。所谓ROM仿真，就是用仿真机代替目标机的ROM，目标机的CPU工作时，从仿真机中读取程序，并执行。这种仿真其实就是将仿真机当成一片EPROM，只是省去了擦片、写片的麻烦，并没有多少调试手段可言。常常这是二种不一样类型的仿真机，也就是说，一台仿真机不能既做CPU仿真，又做ROM仿真。可能的情况下，当然以CPU仿真好。2.3 芯片简介2.3.1 MSC-51芯片简介MCS-51单片机内部结构 89C51是MCS-51系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。 89C51单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、
36、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。数据存储器(RAM)89C51内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。图2-3-1 89C51内部结构程序存储器(
37、ROM)：89C51共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。89C51 定时/计数器(ROM)：89C51有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。并行输入输出(I/O)口：89C51共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。全双工串行口：89C51内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。中断系统：89C51具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。时钟电
38、路：89C51内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但89C51单片机需外置振荡电容。单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。下图是MCS-51系列单片机的内部结构示意图2-3-2。图2-3-2 MCS-51系列单片机的内部结构示意图2.3.2 MCS-51的引脚说明：MCS-51系列单
39、片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：如图2-3-3Pin9:RESET/Vpd复位信号复用脚，当89C51通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始
40、复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，89C51的初始态。89C51的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位。此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。Pin30:ALE/当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。如果单片机是EPROM，在编程其间，将用于输入编程脉冲。Pin29:当访问外部程序存储
41、器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。Pin31:EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的8031,EA端必须接地。在编程时，EA/Vpp脚还需加上21V的编程电压。图2-3-3 AT89C51引脚分布图3 传感器的特点及应用3.1 温度传感器及其应用温度传感器是
42、通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化，所以能做温度传感器的材料相当多。温度传感器防温度变化而引起物理参数变化的有:膨胀、电阻、电容、热电动势、磁性能七频率、光学特性及热噪声等等。随着生产的发展，新型温度传感器还会不断地涌现。由于工业生产中温度测量的范围极宽，从零下几百度到零上几千度，而各种材料做成的温度传感器只能在一定的温度范围内使用。常用的测温传感器的种类与测温范围如表2一2所示。温度传感器与被测介质的接触方式分为两大类:接触式与非接触式。接触式温度传感器需要与被测介质保持热接触，使两者进行充分的热交换而达到同一温度。这一类传感器主要有电阻式
43、、热电偶、PN结温度传感器等。非接触式温度传感器无需与被测介质接触而是通过被测介质的热辐射或对流传到温度传感器，以达到测温的目的。3.2 数字温度传感器DS18B20 数字温度传感器DS18B20 其外形如小功率三极管。因每一个DS18B20都有一个自己特有的64位芯片ID序列号，可以在一条信号线上挂接任意多个数字式传感器。表1为分辨率0.0625C时温度/数字量关系表。2.1DS18B20特点 （1）独有的1-Wire接口，只需一个端口管脚进行通信； （2）可简单构成分布式多分支温度测量应用系统； （3）不需要任何外围元件； （4）可通过数据线进行寄生电源供电； （5）测温范围为-55+12
44、5； （6）测量精度在-10+85测温范围内时为0.5； （7）可编程912位数字温度计，相应分辨率为0.50.0625C，最大转换时间分别为93.75ms与750ms； （8）用户可定义非易失性温度报警设置及识别。 2.2DS18B20的工作时序与命令 DS18B20采用严格的单总线通信协议，以保证数据的完整性。该协议定义了几种信号类型：复位脉冲、应答脉冲、读/写和读/写。所有这些信号，除了应答脉冲以外，都由主机发出同步信号。命令和数据都是字节的低位在前。单总线系统中主设备首先对DS18B20进行初始化，以确认总线上有DS18B20在线并做好了操作的准备，再可执行ROM功能命令，然后方可执行
45、存储器功能命令以进行启动温度转换及存储器操作等控制功能。初始化时序中，主机先通过拉低总线至少480s，产生复位脉冲信号（Tx），接着主机释放总线，并进入接收模式（Rx），上拉电阻将单总线拉高；之后，在单总线器件检测到上升沿后，延时1560s，接着通过拉低总线60240s，以产生在线应答脉冲。 DSl8B20的ROM功能命令如表2所示。 DSl8B20的存储器功能命令如表3所示。 4 系统硬件结构与工作原理系统由硬件和软件两部分组成:系统的硬件:1)温度传感及控制电路；2)水位传感及控制电路；3)键盘输入电路；4)液晶显示电路四部分组成。软件编写主要实现自动监测及控制温度和水位，以及实现建立良好
46、的人机交互界面。4.1 系统硬件结构AT89C51单片机共有内共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。在控制器中各个端口的工作分配如下:P0口接RESPACK-8排阻，P1.0-P1.3接四位数码管，P2口接键盘，用于水位开关控制阀，P3.7接DS18B20温度传感器，P3.5和P3.6接蜂鸣器。图4-1-1为89C51单片机管脚分布图。图4-1-2为系统结构示意图。图4-1-3为系统与太阳能热水器配合的工作示意图。图4-1-1 89C51 管脚分布图4-1-2系统结构示意图图4-1-3控制系统的工作示意图4. 2 电加热、电磁阀控制电路对电磁阀以及电加热的控制
47、，由于是通过微信号控制大电流，大功率，所以必须在开关和单片机之间进行很好的隔离，以免大电流信号影响单片机正常工作。4.2.1 光电耦合器光电耦合器是一种以光为媒介来传输电信号的光电器件，通常是由发光器件(可见光LED或红外LED)和受光器(光电半导体管)封装在同一管壳内组成。当输入端加上电信号时，发光器便发出光线，受光器因受到光照而产生光电流，并从输出端输出，这即实现了“电一光一电”的转换。光电耦合器可以耦合从零到几百千赫兹的信号。并且响应速度快，失真小，电气隔离性能优良。它的输入端与输出端之间的绝缘电阻达10”一10124 ，绝缘电压为1000-500V，其分布电容只有几个pF。光电偶合起的
48、发光器属于电流驱动器件，具有抗干扰能力强，共模抑制比高，不受磁场影响，不需磁屏蔽的优点。光电耦合器的种类很多，有二极管型、达林顿型、低通导型、双向对称型、高速型等十几种。其中，三极管型光电耦合器的电流传输比较小，若要得到较大的电流传输比可选用达林顿型(复合管型)光电耦合器;若采用光电耦合器在电路中作为开关用，要求其饱和压降低，可选用低通导光电耦合器:在高压电子线路中，如在高压稳压电路中，取样放大管的信号经过光电耦合器耦合到调整管，就要求光电耦合器输出边与输入边之间有很高的耐压，此时应选用高压型光电藕合器。4.2.2 双向可控硅双向可控硅也称双向晶闸管(TRIAL)。它是在单向晶闸管的基础上发展而成的新型器件。单向晶闸管实质是一种直流控制器件，而双向晶闸管是一种理想的交流开关