基于单片机的太阳能热水器控制系统的设计毕业设计（论文） - 图文

毕业设计（论文）

题 目

基于单片机的太阳能 热水器控制系统的设计

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毕业设计（论文）任务书

一、设计题目：1、题目名称 基于单片机的太阳能热水器控制系统的设计 2、题目来源 自备 二、目的和意义 通过对一个基于单片机的能实现太阳能热水器控制系统的设计，从而达到学习、了解单片机的各方面的应用，太阳能热水器的工作原理及实现方法。 系统由主控制器AT89C51、时钟电路DS1302、显示电路、按键电路、和复位电路等部分构成，能实现时钟（时、分、秒）显示的功能及对温度的显示与控制等。 三、原始资料 太阳能热水器说明书 四、设计说明书应包括的内容 1、太阳能热水器的发展 2、太阳能热水器的组成及工作原理 3、控制系统的软、硬件实现 4、编写的控制程序等。 五、设计应完成的图纸 1、太阳能热水器控制系统的原理图 2、太阳能热水器控制系统的PCB图 六、主要参考资料 1、太阳能热水器说明书 2、《单片机原理、应用及c51程序设计》 清华大学出版社 2

七、进度要求 1、设计阶段 第 1 周（ 2 月 20 日）至第14 周（ 5 月 26 日）共 14 周 2、答辩日期 第 14 周（ 2012 年 5 月 26 日） 3、实习阶段 第 15 周（ 5 月 28 日）至第18 周（ 6 月 22 日）共 3 周 八、其它要求 针对现场对太阳能热水器的要求进行控制系统方面的设计，主要包括水温显示、定时上水、防冻功能、恒温控制、时钟显示的功能等。 3

基于单片机的太阳能热水器控制系统的设计

摘 要

太阳能热水器以其诸多的优点受到人们的欢迎。本文结合实际太阳能热水器的具体应用，在介绍太阳能、单片机的特点基础上，详细描述了太阳能热水器的工作原理和设计方案。这里根据太阳能热水器对控制器的要求与特点，提出了一种基于单片机的太阳能热水器智能控制器的设计方法，给出了系统硬件设计及软件实现方法。全文分三大部分。第一部分包括第一章，描述太阳能的利用和前景发展状况。第二部分包括第二章，描述太阳能系统组成及工作原理。第三部分包括第三、四章硬件设计及电路原理和软件设计，分别介绍了一般的太阳能热水器及循环系统、单片机发展和原理，这也是此款太阳能热水器的理论基础和必要前提。

关键词：太阳能热水器;实时时钟;单片机

I

Design of control system for Solar Water Heater

based on SCM

Abstract

Solar Water Heater is popular with its pretty benefits, Based on author?s real experience on Solar Water Heater design, this article describes the working theory of this solar water hearer after introducing the characters of solar、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 SCM. Sum up a design way of the system?s 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 3,Chapter 4: the design of hardware and software、the theory of the circuit. Separately introducing 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 Words：Solar Water Heater；Real clock；Single Chip Microcomputer(SCM)

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目 录

摘 要 ........................................................................................................................ I ABSTRACT ............................................................................................................. II 前 言 .................................................................................................................... V 第1章 绪论 ............................................................................................................. 1 1.1 太阳能热水器的发展背景及意义 ................................................................. 1 1.2 太阳能热水器的主要功能 ............................................................................. 2 第2章：太阳能热水器的组成及工作原理 ........................................................... 4 2.1 太阳能热水器组成及原理 ............................................................................. 4 2.2 主要芯片的结构与特点 ................................................................................. 5 2.2.1 AT89C51单片机结构特点 .................................................................... 5 2.2.2 74HC595及74HC138介绍 ................................................................... 7 2.2.3 DS1302实时时钟芯片简介 ................................................................... 8 第3章：太阳能热水器硬件设计 ......................................................................... 11 3.1 太阳能控制器硬件结构 ............................................................................... 11 3.2 控制器实时时钟接口电路 ........................................................................... 11 3.3 温度检测及A/D转换 .................................................................................. 12 3.4 看门狗和复位接口电路的设计 ................................................................... 14 3.5 键盘和显示接口电路的设计 ....................................................................... 15 3.5.1 键盘电路 ................................................................................................. 15

III

3.5.2 显示接口电路的设计 ............................................................................. 16 3.6 水位传感器 ................................................................................................... 18 第4章：控制器的软件设计 ................................................................................. 20 4.1 主程序设计 ................................................................................................... 20 结 论 ................................................................................................................... 21 参考文献 ................................................................................................................. 22 附录一 PCB元件材料 .......................................................................................... 23 附录二 程序 ........................................................................................................... 24 附录三 NTC103F3950 温度阻值对照表 ............................................................. 32 附录四 原理图及PCB图 ..................................................................................... 35 英文文献 ................................................................................................................. 37 中文翻译 ................................................................................................................. 43 指导教师评语表 ....................................................................................................... 1

IV

前 言

随着微电子技术的高速发展，单片机在国民经济的个人领域得到了广泛的运用。单片机以体积小、功能全、性价比高等诸多优点，在工业控制、家用电器、通信设备、信息处理、尖端武器等各种测控领域的应用中独占鳌头，单片机开发技术已成为电子信息、电气、通信、自动化、机电一体化等专业技术人员必须掌握的技术。太阳能热水器是以太阳能作为能源进行加热的热水器。一般家用太阳能热水器需要自动或半自动运行，控制系统是不可少的，常用的控制器是自动上水、水满断水并显示水温和水位，带电辅助加热的太阳能热水器还有漏电保护、防干烧等功能。目前市场上有手机短信控制的智能化太阳能热水器，具有水位水位查询、故障报警、启动上水、关闭上水、启动电加热等功能，方便了用户。其温度控制部分是单片机实验中一个很常用的题目。因为它有很好的开放性和可发挥性，因此对作者的要求比较高，不仅考察了对单片机的掌握能力更加强调了对单片机扩展的应用。而且在操作的设计上要力求简洁，功能上尽量齐全，显示界面也要出色。所以，对其温度控制的设计是很有价值的。

王涛

二〇一二年五月

V

第1章 绪论

1.1 太阳能热水器的发展背景及意义

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，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浪费大量的电能。温度控制采用模糊控制，控制器可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。它主要由平板集热器、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。

太阳能热水器环保、无污染，人们用着安全放心。利用太阳的能源，大量节约现有的能源，是以后能源发展的趋势。原有的燃气热水器和电热水器虽然加热速度比较快，但是所用的煤和气都会对环境造成一定的污染，而且会使室内的空气变得不清新，电热水器的功率较大，对长期使用的一般家庭来说必定会带来一定的经济困难，是一笔相当大的开销。太阳能热水器安全、环保、经济，带有辅助加热功能的热水器可在全年的任何时候使用，设计一个控制器来帮助人们了解水的温度和热水器中水位的高低，使人们清楚的使用。

先前国内外大多数家庭使用的太阳能热水器只是纯粹的太阳能加热问题，还没有其他的智能控制方面，在没有太阳的天气中没有足够的能源使水箱中的水加到最热。其次对太阳能热水器中的水位没有记录，使人们不能及时知道水箱中的水量，以便补充，缺乏自动性。如今大多数的家庭太阳能都装有水位监测和水温测量、显示的功能，使用更加方便。近年来，利用太阳能和其它能源的结合，使得太阳能热水器更加的完善，在任何天气情况下都能使用到热水。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。

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。太阳能热水器顺着时代发展的要求，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需用量很大。

众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭，没有污染的巨大能源。随着世界上煤、石油、天然气的存储量日益减少，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，因而尚未被人们大规模使用。

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，同时给人民提供低耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。世界各国的太阳

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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，已经有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，计划今后普及率更高。有些国家法令规定所有新建筑物必须配备太阳能热水器。

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到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、精度高等特点，为太阳能热水器的进一步推广具有积极的推动作用。

本设计主要利用单片机为核心，选择热敏电阻NTC10K，将检测的模拟信号经过A/D转换后送入单片机处理。通过LED数码管来显示温度和水位。要经过几部分的设计来完成：

（1）LED数码管显示部分设计 （2）A/D转换部分设计 （3）温度采集部分设计

（4）控制加热和上水电路设计

从系统需要和研究内容可以看出，本设计需要做的主要工作有：查阅相关资料，了解各部分功能原理。查阅元器件资料，掌握器件工作原理和硬件实现方法。

1.2 太阳能热水器的主要功能

图1-1 运行图

（1）数码管水温水位显示：集热器顶部温度处显示集热器顶部温度T1，集热器底部温度处显示集热器底部温度T2，集热器底部温度处显示储热水箱温度T3，水箱温度处显示恒温水箱温度T4，水箱温度处显示用户管路温度T5，按向下键一次集热器顶部温度处显示温度T6，时钟处显示实时时钟，定时时间处显示定时加热时间和定时上水时间，状态显示区显示各种外接负载的运行状态。

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（2）温差循环：当集热器顶部温度与储热水箱温度之差T1-T3>7℃（可调）时，水泵P1打开，进行循环，当T1-T3<3℃（可调）时，水泵P1关闭，停止循环。

（3）恒温水箱定温上水：当恒温水箱温度T4大于定温出水设定温度且水位小于6格时，电磁阀E1打开，定温补水；恒温水箱温度T4小于定温出水设定温度或水位达到6格时，电磁阀E1关闭，停止上水。

（4）储热水箱向恒温水箱定温上水：当储热水箱温度T3>40℃（可调）水位小于6格，且电磁阀E1不启动时，启动泵P3，当T3<40℃（同上）或水位达到6格或电磁阀E1启动时，停止P3。

（5）恒温水箱手动上水：在电磁阀E1不启动时，手动启动泵P3上水到设定的水位自动停止。

（6）恒温水箱定时上水：在电磁阀E1不启动时，自动在设定的时间启动P3上水到设定的水位，并自动停止。

（7）恒温水箱自动上水：在电磁阀E1不启动时，通过自动上水键启动循环上水功能，当水箱水位低于设定下限水位时自动启动泵P3，上水到设定上限水位值时，停止P3停止上水。

（8）恒温水箱手动加热：手动启动辅助加热，把恒温水箱内的水加热到设定温度后停止加热。

（9）恒温水箱定时加热：可任意设定辅助加热定时启动时间（建议设定在下午3时到5时之间）。当恒温水箱温度T4在设定时间前达到设定温度时，辅助加热自动取消；而当恒温水箱温度在设定时间前未达到设定温度时，辅助加热自动启动，直到水箱温度T4大于设定值时停止加热。真正做到光电互补，既节电又保证全天候使用。

（10）恒温水箱自动加热：可用辅助加热反复循环加热，使水箱温度恒定在设定温度附近。当水箱温度T4低于设定温度时，自动启动辅助加热，到水箱温度高于设定温度后停止。 （11）定时间段管路循环：在设定时间段内，如果管路温度T5低于设定值，水箱温度T4高于设定值+5℃，启动管路循环泵P2，当T5高于设定温度+3℃或T4低于设定温度+3℃，停止P2。

（12）防冻循环功能：当集热器底部温度T2小于防冻设定温度时，水泵P1启动，进行循环防冻；当集热器底部温度T2大于设定温度+3℃，延时2分钟后防冻循环停止。

（13）防冻电热带功能：当温度T6小于防冻设定温度时，电加热带H1启动；当温度T6大于防冻设定温度+3时，电加热带H1停止。

（14）高温度保护：当集热器顶部温度T1>90℃（可调）时，P1不启动（按泵循环按键可启动P1，5分钟后停）；当T1<90℃（同上）时，恢复启动P1。 （15）定时循环：每天7：00，启动P1，延时5分钟关闭。

（16）自动锁键盘：开机默认键盘锁定，键盘锁指示灯亮（原防冻）：按向上键5秒，键盘指示灯灭，键盘解锁，蜂鸣器响1声，30分钟后锁定。 （17）低水位保护：当水位为0格时，E2，P2不启动。

（18）停电保持：停电时，控制器内置电池可以维持系统时钟继续运行，可以连续运行1年以上，系统运行参数可以永久保存。

（19）故障报警：将可能发生的故障显示在屏幕上，便于故障确认及维修。 （20）宽电压工作：可以承受较宽的电压波动，耐高压、耐低压幅度较大。 （21）安全防护：设有短路、过流、漏电、过温断电四种安全防护功能。

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第2章：太阳能热水器的组成及工作原理

2.1 太阳能热水器组成及原理

2-1 热水器装置简图

1-集热器 2-下降水管 3-储热水箱

4-恒温水箱 5-上升水管 6-自来水管 7-热水出水管

热水器主要由集热器、循环管道和水箱等组成，图中为典型的热水器装置图。图中集热器1按最佳倾角放置，下降水管2的一端与储热水箱3的下部相连，另一端与集热器1的下集管接通。上升水管5与储热水箱3上部相连，另一端与集热器1的上集管相接。恒温水箱4供给储热水箱3所需的冷水。

当集热器吸收太阳辐射后，集热器内温度上升，水温也随之升高。水温升高后，水的比重减轻，便经上升水管进入储热水箱上部。而储热水箱下部的冷水比重较大，就由水箱下流到集热器下方，在集热器内受热后又上升。这样不断对流循环，水温逐渐提高，直到集热器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。

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2.2 主要芯片的结构与特点

2.2.1 AT89C51单片机结构特点

AT89C51是MCS- 51单片机的基础上精心设计，由美国ATMEL公司生产的高性能八位单片机。内置2KBEPROM的20脚AT89C2051以及内置1KBEPROM的20脚AT89C1051。AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，片内有4K字节的在线可重复编程快擦快写程度存储器，能重复写入擦除解1000 次，数据保存时间为十年。它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低了系统成本。只要程序长度小于4KB，四个I/O口全部提供给用户。可用5V电压编程，而且擦写时间仅需10ms，仅为87C51的擦除时间的百分之一，与87C51的12V电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。工作电压范围宽2.7V～6V，全静态工作，工作频率宽，在0Hz～24MHz内，比8751及87C51等51系列的6MHz～12MHz更具有灵活性，系统能快能慢。

AT89C51芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。另外，AT89C51还具有MCS51系列单片机的所有优点。128×8位内部RAM，32位双向输入输出线，两个十六位定时/计时器，5个中断源，两级中断优先级，一个全双工异步串行口及时钟发生器等。

一、单片机的组成

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（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时器/计数器、和各种输入/输出（I/O）接口（如并行I/O口、串行I/O口和A/D转换器）等。他们之间相互连接图如2-2图，构成一个完整的微型计算机。

图2-2 单片机结构框图

二、AT89C51结构和功能 （1）特点：

·AT89C51与MCS51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容； ·片内有4K字节在线可重复编程快擦写程序存储器；

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P1.040VCC1·全静态工作，工作范围：0Hz～24MHz；

2P1.139P0.0·三级程序存储器加密； P1.2338P0.1P1.3P0.2437·128×8位内部RAM ；

P1.436P0.35·32位双向输入输出线； 6P1.5P0.435·两个十六位定时器/计数器； P1.6347P0.533P1.78P0.6·五个中断源，两级中断优先级；

32P0.7RST/VPD989C51·一个全双工的异步串行口；

31RXDP3.010EA/VPP·间歇和掉电工作方式。 TXDP3.111ALE/PROG301229（2）管脚功能： INT0P3.2PSENP3.31328P2.7AT89C51单片机为40引脚芯片，如图2-3INT114P2.6T0P3.427所示。 P3.51526P2.5T11625P2.41) I/O口线：P0、P1、P2、P3共四个口P0WRP3.62417P2.3口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有RDP3.7P2.2XTAL11823该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。P0XTAL21922P2.12021口也用以输出外部存储器的低8位地址。由于GNDP2.0是分时输出，故应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址锁存信号用ALE的P1口是专门供用户使用图2-3 AT89C51管脚图

的I/O口，是准双向口。P2口是从系统扩展时作高8位地址线用。不扩展外部存储器时，P2口也可以作为用户I/O口线使用，P2口也是准双向口。P3口是双功能口，该口的每一位均可独立地定义为第一I/O功能或第二I/O功能。作为第一功能使用时操作同P1 口。P3口的第二功能如表2-1所示。 表2-1 P3双功能口功能表

端口 第一功能标记 第二功能

P3.0 RXD 串行输入口

P3.1 TXD 串行输出口

P3.2 INT0 外部中断0输入

P3.3 INT1 外部中断1输入

P3.4 T0 定时/计时器0外部输入

P3.5 T1 定时/计时器0外部输入

P3.6 WD 外部数据存储器写选通

P3.7 RD 外部数据存储器读选通

2) 控制口线：PSEN (片外取控制)、ALE( 地址锁存控制)、EA (片外储器选择)、RESET (复位控制)。

3) 电源及时钟:VCC、GND、XTAL1、XTAL2。

AT89C51有间歇和掉电两种工作模式。间歇模式是由软件来设置的，当外围器件仍然处于工作状态时，CPU可根据工作情况适时地进入睡眠状态，内部RAM和所有特殊的寄存器值将保持不变。这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。掉电模式是VCC电压低于电源下限，振荡器停振，CPU停止执行指令。该芯片内RAM和特殊功能寄存器值保持不变，直到掉电模式被终止。只有VCC电压恢复到正常工作范围而且在振荡器稳定振荡后，通过硬件复位掉电模式可被终止。

AT89C51单片机的中断系统有5个中断请求源，用户可以用软件屏蔽所有的中断请求，也可以用软件使CPU接收中断请求，每一中断源可用软件独立地控制为开中断或关中断。

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当所有中断源设为开中断时，AT89C51中的中断源优先级如表2-2所示：

表2-2 中断优先级及入口地址 中断源

外部中断0

定时器/计数器T0 外部中断1

定时器/计数器T0 串行口中断

优先级 人口地址 1 2 3 4 5

0003H 000BH 0013H 001BH 0023H

2.2.2 74HC595及74HC138介绍

74HC595介绍

一、概述与特点

74HC595是一个8位串并转换和串行传输的控制芯片。具有8位移位、存储和三态输出。数据在SRCLK的上升沿输入和串行输出，在RCLK的上升沿存储。当使能端OE为低电平，存储寄存器的数据输出到8位总线。

74HC595是硅结构的CMOS器件， 兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。 74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。 移位寄存器和存储器是分别的时钟。如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。 移位寄存器有一个串行移位输入、一个串行输出和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能端OE为低电平时，存储寄存器的数据输出到总线。8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，具有高阻关断状态。将串行输入的8位数字，转变为并行输出的8位数字，例如控制一个8位数码管，将不会有闪烁。 二、主要特性

高速移位时钟频率 Fmax>25MHz；

标准串行（ SPI ）接口；CMOS 串行输出，可用于多个设备的级联； 低功耗： TA =25 ℃ 时， Icc=4 μ A （ MAX ） 三、管脚定义、说明

表2-3 75C595管脚说明 管脚编号 管脚名 说明 三态输出管脚 电源地 清零端 移位寄存器清零端 数据输入时钟线 输出存储器锁存时钟线 输出使能 数据线 电源端 图2-4 74HC595管脚图

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1、2、3、4、O0—O7 5、6、7、15 8 9 10 11 12 13 14 16 GND Q'H SRCLR SRCLK RCLK OE SER VCC 74HC138介绍

一、概述与特点

74HC138是一款高速CMOS器件，74HC138引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。

74HC138译码器可接受3位二进制加权地址输入（A0, A1和A2），并当使能时，提供8个互斥的低有效输出（Y0至Y7）。74HC138特有3个使能输入端：两个低有效（E1和E2）和一个高有效（E3）。除非E1和E2置低且E3置高，否则74HC138将保持所有输出为高。利用这种复合使能特性，仅需4片74HC138芯片和1个反相器，即可轻松实现并行扩展，组合成为一个1-32（5线到32线）译码器。任选一个低有效使能输入端作为数据输入，而把其余的使能输入端作为选通端，则74HC138亦可充当一个8输出多路分配器，未使用的使能输入端必须保持绑定在各自合适的高有效或低有效状态。74HC138与74HC238逻辑功能一致，只不过74HC138为反相输出。 CD74HC138 ，CD74HC238和CD74HCT138 ，CD74HCT238是高速硅栅CMOS解码器，适合内存地址解码或数据路由应用。74HC138 作用原理于高性能的存贮译码或要求传输延迟时间短的数据传输系统，在高性能存贮器系统中，用这种译码器可以提高译码系统的效率。将快速赋能电路用于高速存贮器时，译码器的延迟时间和存贮器的赋能时间通常小于存贮器的典型存取时间，这就是说由肖特基钳位的系统译码器所引起的有效系统延迟可以忽略不计。HC138 按照三位二进制输入码和赋能输入条件，从8 个输出端中译出一个低电平输出。两个低电平有效的赋能输入端和一个高电平有效的赋能输入端减少了扩展所需要的外接门或倒相器，扩展成24 线译码器不需外接门；扩展成32 线译码器，只需要接一个外接倒相器。在解调器应用中，赋能输入端可用作数据输入端。 二、主要特性

电压 2.0～6.0V ； 驱动电流 ±5.2mA ； 传输延迟 12ns@5V； 逻辑电平 CMOS；

功耗考量 低功耗或电池供电应用 ；

封装与引脚 SO16、SSOP16、DIP16、TSSOP16 三、管脚定义、说明

表2-4 74HC138管脚说明

管脚编号 管脚名 说明 输出管脚 输入管脚 使能端 电源地 电源 7、9、10、11、Y0—Y7 12、13、14、15 1、2、3 4、5、6 8 16 A0—A2 E1—E3 GND VCC 图2-5 74HC138管脚图

2.2.3 DS1302实时时钟芯片简介

实时时钟电路DS1302是DALLAS公司的一种具有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通32.768kHz晶振。

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一、DS1302的结构及工作原理

DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。 二、引脚功能及结构

表2-5 DS1302引脚功能表

管脚编号 管脚名 说明

图2-6 DS1302引脚图

1 Vcc2 主电源 2、3 X1、X2 震荡源，外接32768Hz晶振

4 5 6 7 8 GND RST I/O SCLK Vcc1 电源地 复位/片选线 串行数据输入/输出端（双向） 串行数据输入端 后备电源 DS1302的引脚排列,其中Vcc1为后备电源，Vcc2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc>2.0V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)，后面有详细说明。SCLK为时钟输入端。 三、DS1302的控制字节

DS1302 的控制字如图2-7所示。控制字节的最高有效位(位7)必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入DS1302中，位6如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据；位5至位1指示操作单元的地址；最低有效位(位0)如为0表示要进行写操作，为1表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。

图2-7 DS1302控制字节图 四、数据输入输出(I/O)

在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位到高位7。 五、DS1302的寄存器

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DS1302有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码形式,其日历、时间寄存器及其控制字见表2-6。

表2-6 日历、时间寄存器及其控制字 寄存器名称 秒寄存器 分寄存器 时寄存器 日寄存器 月寄存器 周寄存器 年寄存器 命令字 写操作 读操作 80H 81H 82H 83H 84H 85H 86H 87H 88H 89H 8AH 8BH 8CH 8DH 取值范围 00~59 00~59 01~12或00~23 各位内容 7 6 5 4 3 2 1 0 CH 10SFC SEC 0 10MIN MIN 12/24 0 10 HR HR 01~28，29， 0 0 10 DATE DATE 30，31 01~12 01~07 00~99 0 0 0 10M MONTH 0 0 0 0 0 DAY 10YEAR YEAR 此外，DS1302 还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器内容。 DS1302与RAM相关的寄存器分为两类：一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为C0H～FDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；另一类为突发方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字为FEH(写)、FFH(读)。

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第3章：太阳能热水器硬件设计

3.1 太阳能控制器硬件结构

图3-1 系统总体硬件框图

系统总体硬件框图与工作原理：

经过对所要设计的控制系统的功能要求进行分析，可以得到系统的总体硬件设计框图，如图3-1所示。

由系统的总框图可以看出该系统的工作原理为：单片机89C51作为控制核心并协调整个系统的工作，通过数字温度传感器检测当前水的温度，数字信号直接送入单片机89C51内，通过单片机的处理在LED数码管上显示当前的温度值。另外一路是在水箱中的水位传感器测水的压力从而得到水位的高低，水位传感器输出的是0～5V的模拟量，要经过A/D转换成为数字量再送入单片机89C51进行处理，在LED数码管上显示水位值。

3.2 控制器实时时钟接口电路

为实现热水器24小时供应热水的目的，控制器必须有一个实时时钟来为系统提供准确的基准时间；在软件设计上则要实时地读出当前时间，同设定时间比较，以决定系统工作状态。本系统采用美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路DS1302。它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V～5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。

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3.3 温度检测及A/D转换

温度检测主要采用热敏电阻NTC10K，并结合单片机的A/D转换功能，通过对电路中热敏电阻两端电压的计算，求出其对应的电阻阻值，通过NTC10K的温度及对应阻值表格（0℃-99℃）找出温度。

一、热敏电阻NTC10K的测温原理

NTC（Negative Temperature CoeffiCient）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。

NTC热敏半导瓷大多是尖晶石结构或其他结构的氧化物陶瓷，具有负的温度系数，电阻值可近似表示为：

Rt = RT *EXP(Bn*（1/T-1/T0)

式中RT、RT0分别为温度T、T0时的电阻值，Bn为材料常数．陶瓷晶粒本身由于温度变化而使电阻率发生变化，这是由半导体特性决定的。

NTC的特性曲线如下图3-2所示：

图3-2 NTC特性曲线图

二、单片机的A/D转换

单片机的A/D转换口在P1口（P1.7-P1.0），有8路10位高速A/D转换器，速度可达250KHz（25万次/秒）。8路电压输入型A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D试用的口可继续作为I/O口使用。

单片机A/D转换器的结构如下图3-3所示：

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