基于单片机的太阳能热水器测控仪设计

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二〇一二年六月

基于单片机的太阳能热水器测控仪设计

摘要：如何很好的节约和利用能源，特别是可持续性能源，是人类所面临的重要问题。 太阳能热水器以其廉价、节能的特点，受到广大消费者的青睐，与之配套的控制器设计 问题一直受到人们的关注。

本文提出了一种新型的太阳能热水器控制系统设计方案。本设计采用1^03-51系列 单片机八丁89052作为中央处理器，结合外围电路单元，采用液位传感器、温度传感器 ⑶丁 100〕、辅助加热电路、031302实时时钟、1602液晶显示屏、按键等模块，完成 时间、温度、水位的显示及设定功能。

控制系统可以根据天气情况利用辅助加热装置（电加热器）使蓄水箱内的水温达到 预先设定的温度，从而达到24小时供应热水的目的。本文主要介绍了单片机太阳能热 水器测控仪的硬件、软件的设计和调试方法等内容。 关键词：太阳能热水器；单片机；控制器；传感器

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目录

觀^I @录^III

1绪论^1 1.1概述^1 1.2太阳能热水器发展概况及市场竞争分析^2 1.2.1国内外研究现状^2 1.2.2

国内外太阳能热水器发展趋势^3 1.2.3太阳能热水器的市场分析^3 1.3本课题研究的主要内容^4 1.3.1太阳能热水器的组成与工作原理^4 1.3.2太阳能热水器测控仪的设计内容^4 2太阳能热水器测控仪总体方案的设计^6 2.1热水器微控制器系统框图^6 2.2控制器系统主要元件简介^6 2.2.1 单片机八丁 89052^6 2.2.2铂热电阻口丁 100^8

2.2.3 转换芯片 ^00)832 ^9 2.2.4超声波测距仪只03尺04 ^10 2.2.5 时钟芯片 031302 ^11 3硬件设计^13 3.1绘图软件？10化199叱简介^13 3.2控制器各单元模块硬件电路设计^13 3.2.1单片机及其外围电路的设计^13 3.2.2超声波液位传感器电路设计^14 3.2.3时钟电路设计^16 3.2.4温度传感器电路设计^18 3.2.5上水控制电路和辅助加热电路设计^20 3.2.6显示4路设计^21 3.2.7按键接口电路设计^22 4软件设计^23 4.1四扎11^1310^3软件环境^23 4.2程序徽^23 4.2.1系统总流程图^23 4.2.2超声波模块程序设计^24 4.2.3时钟模块程序设计^25 4.2.4温度模块程序设计^27 4.2.5液晶显示模块程序设计^27 4.2.6按键扫描模块程序设计^29 5佩试^31

5.1 ？1016118 简介 ^31 5.2软件调试^31 5.3硬件调试^32 6 雜 ^35 参考纖^36 麵^371绪论 1.1 概述

在资源紧张，环境污染的大背景下，太阳能热水器与传统的燃气热水器和电热水器 相比有着无可取代的优势，因此近几年太阳能热水器得到了蓬勃的发展。然而，目前市 场上的太阳能热水器控制系统大多存在功能单一、操作复杂、控制不便等问题。很多控 制器只具有温度和水位显示功能，却不具有温度控制功能，致使热水器在阴天不能方便 使用。即使热水器具有辅助加热功能，也可能由于加热时间不能控制而产生过烧，从而 浪费电能。所以研究智能型太阳能热水器测控仪有着极其深远的意义。

0太阳能节能环保

太阳能作为一种新能源，与常规能源相比，它有三大特点：第一，它是最丰富的能 源，可随时被我们利用。据估计，在过去的11亿年中，太阳只消耗了它本身能量的27。。 因此可足够供给我们使用，可谓是取之不尽，用之不竭；第二，地球上，太阳能就在我 们的身边，我们可以随时就地开发利用，不存在任何运输问题。对于交通不发达的农村、 海岛和边远地区具有更优越的利用价值；第三，太阳能是一种洁净的能源。在开发利用 时，不会产生废渣、废水、废气、也没有噪音，更不会影响生态帄衡。绝对不会造成污 染和公害。

我国目前有13亿人口，3.5亿个家庭，按较低标准每户每天使用6摄氏度热水100 升，从冷水到热水升温45摄氏度计算，共需热量450千卡。折合电量5.2度，折合天然 气0.5立方米。按每度电0.50元，每立方米天然气。40元计算，每天分别需要2.6元（电) 或0.70元〔天然气\\按每月30天计算，分别需要72元和21元，每年分别需要864 元和252元。以上均为仅根据电和天然气热值进行的计算，尚未考虑电热器与燃气热水 器的热转换效率及由于结垢其值肯定会不断下降的影响。根据实际调查，一个家庭用电 热水器，全年的电费消耗约1000元，若使用太阳能热水器，其投资在2000—3000元之 间，两至三年节约的电费即可收回。

2^太阳能的价格趋于帄民化

近几年来，原油价格飞涨，以原油为原料的燃气价格也大幅上涨，燃气热水器的使 用成本大大增加，这给太阳能热水器产业带来了巨大的商机。现在的太阳能热水器越来 越受欢迎。

IV

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据北大四季沐歌太阳能热水器经销商家说，近年来的销量比以前同期增长了 一倍。现在，越来越多的消费者认同太阳能热水器。也札因如此，全国各地出现了各种 品牌的太阳能热水器，这也给消费者带来了更多的选择性。

今年的家电市场刮起了一阵节能风暴，节能家电成为一大卖点。太阳能热水器以节 能、安全、价格走低的趋势成为了人们关注的焦点。

3〉安全可靠

使用太阳能热水器没有人身危险，也没有环境污染，而使用燃气热水器有可能发生 煤气中毒事故；使用电热水器有可能发生触电身亡事故。据了解，太阳能热水器不仅能 以907。以上的效率将辐射能转换为热量，更能以近乎1007。的效率保存热水，使用效率 更高。它的确是一种很好的节能型“绿色?产品

1.2 太阳能热水器发展概况及市场竞争分析 1.2.1 国内外研究现状

0国内研究现状

我国太阳能历史可追溯到1958年，在上世纪70年代末起，我国就加大研发与生产 太阳能集热器。1979年前后我国有些单位迎头研发全玻璃真空管集热器。清华大学运用 电真空物理的背景，发明了专利是铝一氮化铝太阳选择性吸收涂层，在世界上开创用单 个铝阴极通过磁控射制备红外低发射率低层、铝一氮化铝吸收太阳光的陶瓷薄膜和淡化 铝减反膜三个部分。使用真空管的集热器可以在严寒、低太阳辐射下利用，很适合多种 气候。

太阳能热利用产业的发展，在突破了太阳选择性吸收涂层的核心技术，通过产学研 结合，生产性能价格比较好的介质。

国外研究现状

国际上，太阳能热水器技术己日趋成熟，已达到了工业化生产阶段，作为商品进入 市场，综合起来，国外的太阳能热水器有以下几个特点：

政府重视。它首先表现在政府投资大，譬如美国在78年到81年在太阳能供 热方面

的投资每年都在1亿美元以上。随着投资的增长，太阳能领域里的人员和科研成 果增长的速度也都相应得到了提高。其次表现在各国都根据本国的情况，制订出了能源 政策，比如美国在能源政策和能源法案中，对国家投资、指定太阳能科研规定以及实行 税收优惠等经济措施分别作了规定。

^产品的高档化、大型化。由于国外一些主要利用太阳能国家的经济实力较强, 为了满足社会的需要，其太阳能热水器从设计、制作以及材料等都趋于高档化，而且在 太阳能热水器体统上附加诸如循环泵，专用阀、辅助电加热器等。当然价格也是比较高 的。去年北京举行的国际可再生能源展览会上，澳大利亚送展的一套家用太阳能热水器 售价达400多美元。

但是，从另一方面看，其发展仍不帄衡，一些发展中国家应用较为广泛的仍有不少 是较为低档的太阳能热水器。近年来，印度研究和使用的大都是日本早期产品一一集热 蓄热合一式太阳能热水器。

产品多样化，技术上先进。国外近几年来主要发展的仍是管板式，并对降低 成本，

提高效率和可靠性，以及简化设计和安装程序等都做了大量的研究工作，取得了 显著的进展。

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驱动（吸收或输出电流）4个丁丁 1逻辑门电路。对端口 ？2写“1?，通过内部的上拉 电阻把端口拉到高电帄，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻， 某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(〖札)。在访问外部程序存储器或16位地址 的外部数据存储器时，？2 口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器 时，？2 口输出？2锁存器的内容。？13811编程或校验时，？2亦接收高位地址和一些控制 信号。

(心？3 口： ？3 口是一组带有内部上拉电阻的8位双向1/0 口。？3 口输出缓冲级 可驱动（吸收或输出电流）4个XIX逻辑门电路。对？3 口写入“1”时，它们被内部 上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的？3 口将用上拉电阻输出电流 (口匕)。？3 口除了作为一般的1/0 口线外，更重要的用途是它的第二功能。？3 口还接 收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。 2.2.2 铂热电阻？1100

由于本设计的温度是测温电路，可以使用热敏电阻？丁 100的感温效应。？丁100温度 传感器为札温度系数热敏电阻传感器，主要技术参数如下 ⑴测量范围:-2001?+8501； ⑵允许偏差值八。0：八级土 ((^+^规卜丨\\ 8级土 0.30+0.005卜| ⑴热响应时间008；

(斗）最小置入深度：热电阻的最小置入深度2200111111； 0允通电流2 501八。

另外，？丁100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。铂 热电阻的线性较好，在0?1001之间变化时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。铂热电 阻阻值与温度关系为：

时，尺？尸10011十八!+8*^2+^*^3*0-100)]

(之）01分58501时，办丁^100氺0十入计只^)

92

式中，人 ^ 0.00390802； 8 :-0眉000580； 0 = 0.0000000000042735。可见？丁 100 在常温0?100摄氏度之间变化时线性度非常好，其阻值表达式可近似简化为：1^=100 (^^),当温度变化1摄氏度，？丁 100阻值近似变化0.39欧姆。表2.1为？丁 100在01 ?1001的分度表。

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表2.1 ？1100分度表 3 4 5 101.17 105.07 108.96 112.83 116.31 120.55 124.39 128.22 132.04 135.85 139.64 101.56 105.46 109.35 113.22 117.08 120.94 124.78 128.61 132.42 136.23 140.02 101.95 105.85 109.73 113.61 117.47 121.32 125.54 128.99 132.80 136.61 140.40 00 0 100 103.9 107.79 111.67 115.54 119.40 123.24 127.08 130.90 134.71 138.51 1 100.39 104.29 108.18 112.06 115.93 119.78 123.63 127.46 131.28 135.09 138.88 2 100.78 104.68 108.75 112.45 116.31 120.17 124.01 127.84 131.66 135.47 139.26 6 102.34 106.24 110.12 114.99 117.85 121.7 125.54 129.37 133.18 136.98 140.77 7 102.73 106.63 110.51 114.38 118.24 122.09 125.92 129.75 133.56 137.36 141.15 8 103.12 107.02 110.9 114.77 118.62 122.47 126.31 130.13 133.94 137.74 141.53 9 103.51 107.4 111.28 115.15 119.01 122.86 126.69 130.51 134.32 138.12 141.91 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 2.2.3 转换芯片

^00)832是一个模丨数转换芯片，用在温度传感器电路中，^000832接在温度信号 调理电路之后，可用于将电压模拟量转换为数字量，通过液晶显示屏从而显示温度。

八00)832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道八瓜转换芯片。 由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前己经有很高 的普及率。学习并使用^00)832可是使我们了解人瓜转换器的原理，有助于我们单片 机技术水帄的提高。引脚图如图2.3所示。具有以下特点 8位分辨率； (之）双通道人瓜转换；

输入输出电帄与丁丁 17(^03相兼容； “）5乂电源供电时输入电压在0?5乂之间； 0工作频率为250X^2，转换时间为32卟； “）一般功耗仅为15111^；

(了）8？、14？一01？(双列直插）、多种封装；

(各）商用级芯片温宽为工业级芯片温宽为-40。0 10+851。

05 ― 1

―3 6 00 0^10 阁2.3入0匸0832引脚图 ―0一 为8位分辨率入70转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的1

⑶1

一 ⑶0 — 2

8 一似

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模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0?5乂 之间。芯片转换时间仅为32^13，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差， 转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加 方便。通过01数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。 2.2.4 超声波测距仪008议04

本设计釆用超声波测距仪作为液位传感器，超声波测距仪主要是用于测量水箱中液 位的高度。

0产品特点

30-31104超声波测距模块可提供2(^400^的非接触式距离感测功能。测距精度 可达高到3111111；

模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。

基本工作原理

〔0采用10 口 丁 111(3触发测距，给至少10118的高电帄信号；

(之）模块自动发送8个401012的方波，自动检测是否有信号返回；

有信号返回，通过10 口 2(3110输出一个高电帄，高电帄持续的时间就是超声波 从发射到返回的时间。测试距离气高电帄时间丨声速04(爪173从2。

3〉电气参数

超声波测距仪模块共有四个引脚接出：乂0：供5乂电源，为地线，7111(3触发 控制信号输入，5(3110回响信号输出等四支线。超声波相应的电气参数如表2.2所示。

表2.2超声波电气参数 电气参数 工作电压 工作电流 工作频率 最远射程 最近射程 测量角度 输入触发信号 输出回响信号 规格尺寸 110-81104超声波模块 00 5 V 15131^ 備2 4111 20111 15度 10118的丁丁 1脉冲 输出丁IX电帄信号，与射程成比例 45*20*15111111 4〉超声波时序图

系统只需提供一个10113以上脉冲触发信号,超声波模块内部将发出8个40@周期 电帄并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测 距离成札比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。公式： 距离二高电帄时间

514

声速丨！' 一般测量周期为601X18以上，以防止发射信号对 回响信号的影响。图2.4为超声

10115 的 丁丁匕

波的时序图。

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驗信号 循环发出8个40&12脉冲

模块内部 发出信号 输出回响 信号 回响电帄输出 与检测距萬成比例 图2.4超声波时序图

2.2.5 时钟芯片081302

本设计中的031302时钟芯片用在时钟电路模块中，用于显示实时时间：时、分、 秒。

081302是八3公司推出的涓流充电时钟芯片，内含有一个实时时钟彳日历和 31字节静态11^。实时时钟7日历电路提供秒、分、时、日、日期、月、年的信息，时 钟可以对闰年自动调整天数，时钟操作可通过八]乂指示决定采用24或12小时格式。 031302与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信，仅需用到三个口线：以3 复位、1/0数据、(串行时钟）。时钟的读7写数据以一个字节或多达31个 字节的字符组方式通信。051302工作时功耗很低，保持数据核实中信息时功耗小于

1爾。

0 031302的主要性能指标为

031302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，还有闰年调整的能力；

内部含有31个字节静态可提供用户访问；

采用串行数据传送方式，使得管脚数量最少，简单3？13线接口； “）工作电压范围宽：2.0?5.5^； 0工作电流：2.0^时，小于300?；

(^)时钟或[数据的读丨写有两种传送方式：单字节传送和多字节传送方式； (了）采用8脚01？封装或8010封装； (各）与丁丁[兼容，\\^产5\\^；

(今）可选工业级温度范围：-401?十85。0； (⑴）具有涓流充电能力；

00采用主电源和备份电源双电源供应； (^)备份电源可由电池或大容量电容实现。

2^引脚功能

XI、幻之间接入32.7681012晶振；尺\\3\\丁\\为复位引脚，低电帄有效，操作时高电帄; 1/0是数据输入7输出引脚，具有三态功能。是串行时钟输入引脚；乂^1为工作电 源引脚；乂^2为备用电源引脚。图2.5为031302的引脚图。

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图2.5 081302的引脚图

3硬件设计

3.1绘图软件？『0仏19986简介

？101619986是？10把1公司在80年代末推出的20八软件，在电子行业的0：八0软件中， 它当之无愧地排在众多20八软件的前面。本设计用的是？1咖199叱的汉化版，下面简单 介绍一下本设计的绘图过程【9】。

第一步，建文档。单击文件一〉新建设计，弹出一个设计数据库，修改文件名及数 据库位置。点击000111X16111：，在单击文件一〉新建文件，选取8(^111沿丨0 000111116111建立一 个原理图文档。

第二步，添加元件库。在放置元件之前，必须先将该元件所在的元件库载入内存才 行。通常只载入必要而常用的元件库，其它特殊的元件库当需要时再载入。操作是在.&1！ 界面下，单击设计一〉添加彳删除文件库，选择相应的库即可。

第三步，添加元件，绘制原理图。由于电路是由元件（含属性）及元件间的边线所 组成的，所以现在要将所有可能使用到的元件都放到空白的绘图页上。软件左侧有相应 的库及元件，单击浏览，查找相应的元件并放置。由于有些元件库中没有，需要自己编 辑，新建3011⑶1泣丨0

在丄化界面下编辑需要的元件，元件编辑好了之

后可以命名保存在库里面，这样下次用到时就可以像其他元件一样自由调用。电 源元件与@0接地元件有别于一般的电气元件。它们必须通过菜单电路图绘制工具栏 上的按钮调用，编辑窗口中会有一个随鼠标指针移动的电源符号，在对话框中可以编辑 电源属性，在网络栏中修改电源符号的网络名称，在风格栏中修改电源类型，修改电源 符号放置的风格。

第四步，连线及放置接点。所有元件放置完毕后，就可以进行电路图中各对象间的 连线，右击鼠标一〉放置电线。连线的主要目的是按照电路设计的要求建立网络的实际 连通性。最后全都完成后单击工具一〉电气规则检查，检查原理图中的连线是否有问题。 所有步骤完成后单击保存。

3.2控制器各单元模块硬件电路设计

根据控制要求，本设计采用八丁89052单片机做控制器。由于本系统没有太多的中 间数据需要处理、保存，因此不再外扩数据存储器。仅使用八189052内

部

已

完

全能

够满足要求。系统的硬件接口电路包括：单片机及外围电路，超声波液位传感器电 路，实时时钟电路，？丁100温度传感器电路，上水电路及辅助加热器电路，液晶显示电 路及按键接口设计电路等。

3.2.1单片机及其外围电路的设计

单片机系统由八丁89052和一定功能的外围电路组成，外围电路包括：提供单片机 工作

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时所必须的时钟信号的时钟电路，为单片机提供复位的复位电路⑽。如图3.1所示。

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图3.1单片机入189052的外围电路

0时钟信号电路

时钟是单片机运行的基础，因此，适中的速度和稳定性都直接影响单片机的工作。 单片机的时钟信号通常有两种电路方式，内部振荡方式和外部震荡方式。

本设计采用的是外部振荡方式，在引脚八丁丛1和引脚八丁八12之间外接晶振和微 调电容02和03，与单片机内部的一个高增益的反相放大器一起构成自激振荡器，并产 生振荡时钟脉冲。02和03起稳定振荡频率、快速起振的作用。本设计中选取的是电容 值大小为33矸的两个电容。晶振频率的典型值为6.2、12—2和24 ―工，最高可达 到40 1^只2。晶振的频率越高，系统时钟频率也越高，单片机的运行速度越快，本设计 选取的是12胃2。

单片机是按照一定的时序为基准来工作的，其基准就是时钟的振荡频率，所有操作 都是以时钟频率的倍数为最小单位来进行的。

时钟周期是单片机的基本时间单位，晶振的振荡频率为12 ^112时，时钟周期为

1/12118=0.0833118。

机器周期是^：?!!完成一个基本操作所需要的时间。单片机中常把执行一条指令的 过程分为几个机器周期，每个机器周期内完成一个基本操作。单片机以每12个振荡周 期为一个机器周期，晶振频率为12—2时，机器周期为12/12仍118。

2^复位电路

在单片机中，尺3丁引脚是复位信号输入端，复位信号为高电帄时有效，其有效时间 应持续24个振荡周期以上才能完成复位操作，复位电路极性电容的大小直接影响复 位时间，一般采用10至3011？，容值越大需要的复位时间越短，在本设计中，使用的是 约为12他12的石英晶体振荡器，这时电容0：1的大小选取1011？，114的大小为101。这 样就能进行可靠地上电复位和手动复位操作。 3.2.2 超声波液位传感器电路设计

超声波液位传感器是用来检测水箱中液位的高度，以确定是否需要打开冷水阀上水 达到设定要求。

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单片机发出401012的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接 收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序， 测得时间为I，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送1X^0显示。图3.2为超声 波测距仪原理框图。

图3.2超声波测距仪原理框图

0超声波发射电路

发射电路主要由反向器7礼304和超声波发射换能器丁构成，单片机端口 ？17输出 40^2的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级 反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能 器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联的方式，用以提高 驱动能力。上位电阻1110、1111 一方面可以提高反向器741304输出高电帄的驱动能力， 另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。图3.3为超声波发 射电路原理图。

图3.3超声波发射电路

压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压 电晶片和一个换能板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率 时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生 器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振

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动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。超声波发射换能器与接 收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。

超声波检测接收电路 由于超声波在空气中的传播过程中是有衰减的，如果距离较远，

那么超声波接收电 路所接收到的超声波信号就会比较微弱，因此需要对接收到的信号进行放大而且放大的 倍数也要比较大。超声波接收电路主要是由集成电路0X20106人芯片电路构成的， 0X20106人芯片电路可以对超声波信号进行放大、限幅、带通滤波、峰值检波、整形、 比较等功能，比较完之后超声波接收电路会输出一个低电帄到单片机去请求中断，即当 单片机停止计时，并开始去进行数据的处理。

0X20106八芯片的前置放大器具有自动增益控制的功能，当测量的距离比较近时， 放大器不会过载；而当测量距离比较远时，超声波信号微弱，前置放大器就有较大的放 大增益效果。0X20106八芯片的5脚外接电阻，对它的带通滤波器的频率进行调节，而且 不用再外接其他的电感，能够很好地避免外加磁场对芯片电路的干扰，而且它的可靠性 也是比较高的。0X20106人芯片电路本身就具有很高的抗干扰的能力，而且灵敏度也比 较高。适当更改电容04的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。所以，能满 足本设计的要求。超声波接收电路如图3.4所示。

一 1114 200^ 6113 221；

3 ^ ？：

6

：05 7 ?、 06

3.2.3时钟电路设计

3.311

？

330？？

图3.4超声波检测接收电路

3.3逆

为了实现热水器24小时可以供应热水的目的，控制器必须有一个实时时钟来为系 统提供准确的时间，本系统采用051302时钟电路来实现。

031302硬件图中，乂^1为主电源，乂^2为后备电源。在主电源关闭的情况下，也 能保持适中的连续运行。031302由乂^1或乂?2两者中的较大者供电。当乂?2大于

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^0014-0.2V时，给081302供电。当\\002小于^001时，031302由乂邙1供电。 XI和乂2是振荡源，外接32.7681^2晶振。113丁是复位义片选线，通过把尺5丁输入驱动 置高电帄来启动所有的数据传送，与单片机的？1.3相连。尺5丁输入有两种功能：首先， 尺3丁接通控制逻辑，允许地址乂命令序列送入移位寄存器；其次，115丁提供终止单字节 或多字节数据的传送手段。当尺5丁为高电帄时，所有的数据传送被初始化，允许对 031302进行操作。如果在传送过程中115丁置为低电帄，则会终止此次数据传送，1/0 引脚变为高阻态。上电运行时，在乂?〉2，0乂之前，尺3丁必须保持低电帄。只有在 为低电帄时，才能将尺31'置为高电帄。与？1.4相连的1/0为串行数据输入输出端（双 向）。301^：为时钟输入端，与单片机的？1.5相连。031302与单片机接口电路如图3.5 所示。

29 \\001 XI 30

~31~

051302

^789052

图3.5 081302与单片机接口电路

控制字节的最高有效位（位必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入到 031302中。位6如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取11^4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。

在控制指令字输入后的下一个301^：时钟的上升沿时数据被写入031302，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30！^反脉冲的下降沿 读出031302的数据，读出数据时从低位0位至高位了.

031302共有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟有关、存放的数据位为 800码形式。其日历、时间寄存器及其控制字见表3.1。

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表3.1 081302的日历、时钟寄存器及其控制字 寄存器 命令字 取值范围 各位内容 5 写操作 秒 分 时 曰 月 周 年 8011 8211 8411 86只 8811 8他 80^ 读操作 81只 839 8511 879 8911 88只 809 7 00 ?59 00 ?59 00?12/00 ?23 00-28,29,30,31 01 ?12 01 ?07 00?99 6 10850 101^ 0 0 0 4 3 2 1 0 820 ^11^ ⑶ 0 0 0 0 12/24 0 10 100八丁2 0 0 0八丁 5 丽 0 顯乂丁只 0 0八丫 10处从 丫5从 此外，031302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 11^1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 器的内容。031302与11^1相关的寄存器分为两类：一类是单个11^1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0)11??0本其中奇数为读操作，偶 数为写操作；在一类为突发方式下的寄存器，此方式下一次性读写所有的 的31个字节，命令控制字为？5只（写）、即只（读）。 3.2.4 温度传感器电路设计

在本设计中，？丁100温度模块是用来检测热水器控制仪水箱中水的温度，以确定是 否需要辅助加热器的加热。此模块包括两部分：一部分是温度信号调理电路部分，另一 部分是^0转换部分。

0温度信号调理电路

温度传感器？丁 100，它是电阻信号，必须进行IV变换，由？丁 100、1121、幻2、 ^23构成前端桥式电路，温度的变化将使温度传感器阻值发生变化，从而使该电桥帄衡 遭到破坏，产生一个对外输出电压由于水箱内的温度控制在0?1001，所以查 表2.1可得温度传感器最高可能达到的阻值约为140欧姆，因此前端桥式电路的输出乂0 的最大值约为：

广 140 120 、 「0 = 5x1 ---------- ~ ----------- |厂 ^ 0.037^ ^ 2400 十 140 2400 十 120」 (^) 为了保证其输出信号与人…转换器的输入信号要求相匹配，必须对此电压值进行调 理放大。根据运算放大器规则，若设图3.6中运算放大器的各引脚对地电压分别用其引 脚编号表示，则前端桥式电路的输出乂0可以表示为

厂 0二 ?5-1/3

〈2〉

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1125 1^6

图3.6温度信号调理电路

对运算放大器电路可以列写下述方程：

I 1

、尺1 1 1

⑴

| -- 十 ---- 3 - ----- ?1=0 、/? 25 及26」 尺2621 尺 28〕 7？ 27 7？28 分析发现，使式中能够利用式“)，则必须保证下式成立：

7？ 26 : ⑷

11X1 7？ 25 二 7？28 本设计中选取各电阻阻值满足式“）的要求，具体阻值在图3.6中己经标出。 此时将式0〉中两个方程相减得到

^ 1 1 ^ 1

I --- 十----- 卜 0 二 --- 111 、1121 7？ 28 ；7？ 28 ⑴

则该运算放大器电路对前端桥式电路的输出电压训的的放大倍数为

111 及 28 十及 27 12000 十 100V 0 7？ 27 100 121

因此温度信号的最终输出电压范围为〔0?X 121即0?454乂，在转换器 所要求的输入信号范围0?5乂之内。电阻幻4和电容015构成一阶滤波电路；在运算放 大器的信号输入端加电容，可以有效防止高频干扰。

^0转换电路

^000832与单片机的接口应为4条数据线，分别是03、01^、00、01。如图3.7 所示。由于00端与01端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以将 00和01并联在一根数据线上与单片机？12相连。当^0(30832未工作时其0输入端

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应为高电帄，此时芯片禁用，和00/01的电帄可任意。当要进行人…转换时，须 先将03使能端置于低电帄并且保持低电帄直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作, 同时由处理器向芯片时钟输入端输入时钟脉冲，00/01端则使用01端输入通道 功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下沉之前01端必须是高电帄，表示起始信 号。在第2、3个脉冲下沉之前01端应输入2位数据用于选择通道功能。

.01：

IX

2 3 咖咖^00053：

~

当此2位数据为“1”、“0”时，只对000进行单通道转换。当2位数据为“1?、 “1”时，只对0只1进行单通道转换。当2位数据为“0”、“0”时，将000作为札输 入端取+, 0111作为负输入端进行输入。当2位数据为“0”、“1”时，将0150作为 负输入端0^，0111作为札输入端进行输入。到第3个脉冲的下沉之后01端的输 入电帄就失去输入作用，此后00/01端则开始利用数据输出00进行转换数据的读取。 从第4个脉冲下沉开始由00端输出转换数据最高位0八丁八7，随后每一个脉冲下沉00 端输出下个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出0八丁八0。随后输出8位数据， 到第19个脉冲时数据输出完成，也标志着一次4/0转换的结束。最后将匚3置高电帄 禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理。得到的电压数值转换为温度的相应计算在软 件设计的温度模块程序设计4.2.4中说明。 3.2.5 上水控制电路和辅助加热电路设计

0上水控制电路

太阳能热水器要具有自动上水的功能。太阳能热水器开始工作后，当实际水位小于 设定水位时，则通过单片机控制冷水阀来向太阳能热水器水箱里加水直到达到设定值要 求，通过单片机控制停止加水。

当水箱里的水温超过设定水温时，单片机控制冷水水阀向水箱加水，同时通过温度 传感器将水温反馈给单片机，直到水温不大于设定温度，停止加水；若水箱的水是满的, 也停止加水。

2〉辅助加热电路

太阳能热水器测控仪中的加热模块是控制器的从系统，当没有太阳能或者太阳能的 热量达不到设定值的要求时，则需要启动加热模块给水箱中的水加热，以达到设定值要 求。

本设计采用220乂的交流电，当实际温度小于设定温度时，单片机？0.7 口发出一个

^8 103I 3

3

灯 89052

图3.7入00:0832电路

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高电帄，使三极管卩1导通，同时电路导通，继电器开始工作，XI闭合，继电器控制电 热丝加热，使水箱中的温度达到设定温度，再通过单片机使？0.7为低电帄，电路断开， 电路停止加热。控制加热电路如图3.8所示。

31 1^4143

？0 7

艮13

3.3^：

图3.8控制加热电路

3.2.6显示电路设计

本系统中1^01602液晶显示模块主要是用来显示时钟的时间，实际温度及设定温 度，以及实际液位及设定液位，是操作人员可以直观化的一个界面，同时也是为了配合 按键设置，使输入可视化。

本系统采用1^01602：

为液晶显示器对比度调整端，接札电源时对比度最弱,

接地时对比度最高。尺3是读写命令与数据控制端口，高电帄读数据，低电帄写命令。 尺界是读写控制端口，高电帄读信号，低电帄写信号；5端为使能端，当2端由高电 帄跳变成低电帄时，液晶模块执行命令。数据端由？2提供实现8位并行通信，其数据交 换的速率比较快。图3.9为1^01602的显示电路。

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602

阁3.9 1X01602显不电路

3.2.7按键接口电路设计

本设计采用五个个按键，最佳的接口方案是独立式接法，即每一个1/0 口上只接一 个按键，按键的另一端接地。按键分工，从上到下依次为1，、2、3、4、5号按键：1，2 号按键为时钟和分钟的加减键；3，4号按键为温度、液位和水箱高度的加减按键；5号 按键是用来选择温度、液位和水箱高度的按键。如图3.10所示。

？

？ ？ ？

303；11|

灣右亡 ？浐《一 ^養？一 二二二 .:^./一 ./| 「：二 二」二度自？一/51 2 !(^? 2^1 II 009\\^21/120 5 152:2 1. \\7 71X0V .10. 1 《一 二、、？二、囊二 ；02 图3.10按键电路

独立式键盘的实现方法是利用单片机1/0 口读取口的电帄高低来判断是否有键按 下。电路中将按键的一端接地，另一端接一个1/0 口，程序开始时将此1/0 口置于高电 帄，帄时无按键按下时1/0 口保护高电帄。当右键按下时，此1/0 口与地短路迫使1/0 口为低电帄。按键释放后，与单片机连接的上位电阻使1/0 口仍然保持高电帄。系统所 要做的就是在程序中查询此1/0 口的电帄状态就可以了解是否有按键动作了。

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1^0一\\\\^丨6—(^(^((^(^); 1.00^1*11^00111(0x0 0；

[^&乂他⑶； 1

V 显示关闭 众显示清屏

本设计中1^0显示屏的作用是将太阳能热水器测控仪的时间、温度及液位在1^0 的两行显示出来。1^0的趴]^地址映射图如图4.5所示：

图4.5化\\1\\1地址映射图

031302时钟的时、分、秒在1X01602的第一行显示，各占了两个字节。程序如下: 1.00^1*11^011^(0,0,8111121^111116^110 ^]/^])；

1.00^1*11^011&^ 19093111121^111101111 [引0/。10认

#显示时

1.00^1*11^011^(3,0,8111121^111110110 ^]/^])；夕显示分

01.00^1*11^011&1(4,0,3111121^1111101111 ⑶/。10认

1.00^1*11^011^(6,0,8111121^111116^13110 间/⑴]);八显示秒 1.00^1*11^011&1(7,0,3111121^1111101111 间0/。10^；|

1.001602显示屏的第二行是液位高度和温度的显示。相应的程序如下所示：

奶也仏⑴]^03=8(1&1；&[^]/10；

861(1^1&[^]【1

10；

從池糾1】[。卜呂此可1 乂 10；

8过此可1】【1卜血叫1^10； 5过也1^【2】^03=8(1&1；&[^]/10； 8过此对2】

1110；

1.00^1*11^011&1(3,1叫(^网]);

1^：0一\\\\^知豇(七^—匕[奶也乜网⑴]);八设定水位的显示

化」：1！耵^ 11，1，8池21[奶加叫1】网]);

1^0一\\\\^1化12，1，也!!2![奶4泔对1】⑴]V \设定温度的显示 1^：0一\\\\^1化3站蚪二]…]]);

10,0,8111121^861(1^12311 ^])； V设定超声波装置高度的显示

1.00^1116^11^(14,0^^(1813[^]^; V对温度0、液位11及超声波高度只模式的选择 [⑶—猶⑶咖〔1…，?⑶?)； 乙1，?/?)； [⑶—糧^响〔5，1，?⑶?)； 即 二，。）

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《！^：0」\\~知」：11耵〈8，1，^匕!^々^!…]]);

[(^-界!^」!!!!^!^，1，8111121口丄]]);

1=0； I

乙(^―^七―10，1，\/”)； 乙13,1 ^);

八实时温度

4.2.6 按键扫描模块程序设计

键盘处理程序实现对键盘的管理，它的主要任务是： (^确定是否有键按下；

(二）当有键按下时，则对键译码，找出按下的是哪个键；当无键按下时，即返回；

^)如按下复位键，便使整个电路复位；当按下功能键，即转到对应的键服务程序； “）按先后顺序处理同时按键；

^去抖动。按键从开启到闭合稳定，或者从闭合到完全打开，总要有数1118的弹跳时 间（即抖动），如图4.6所示。

按键的确认就是判断按键是否闭合，反映在电压上就是和按键相连的引脚呈现出高 电帄还是低电帄。如果是低电帄，则表示闭合。因此，通过判断电帄的高低，就可以确 定是否有键按下。但是为了确保一次按键动作只确认一次按键，必须消除机械开关的抖 动影响。消除按键的抖动，通常用软件消除的方法。在第一次检测到有按键被按下时， 执行一段101118的延时子程序，再确认该键电帄是否仍然为低电帄，如果保持为低电帄

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状态就说明有键按下，从而消除抖动的影响。再次扫描，如果按键为高电帄说明按键松 开。键盘扫

描

程

序

如

图

4

.

7

所

示

。

图4.7键盘扫描程序

独立式按键执行的相应程序为按键1为每按一次，时钟的小时加1，当数字加到24 时自动转换为0；按键2为每按一次，时钟的分加1，当数字加到60时自动转换为0； 按键3为选择后的功能加一，当数字加到100时自动转换为0；按键4为选择后的功能 减一，当数字减到0时自动转换为99；按键5为功能选择键。相应的程序如下： …辻咖!!!!!!!）

1

11116^11^1【4卜0；

081302一\\\\^七一丁 111160加6业；众札常时间小时力口 1 0^86

2:111116^13110【5】杆；1办11110」3110 ^5^=60)1:11116^13110【5卜0；

051302—界I 知—丁

0^86 3^3X3I 0^86 4

:

8

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1

&

&

&

V 分加 1

1[(8^1紂&[公哗]过对过哗]⑷力代业;V温度加到100，设置为0 8如1啡10=99；！^成

1

⑶86 5：似护\\并(他他

V温度减到-1，设置为99 々温度、液位、高度选择

8^0；1^成

5调试

5.1 ？1^010118 简介

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计算机上应用仿真软件来调试程序，具有硬件投入少，经济优势明显；釆用仿真软 件后，学习的投入变得比较的小，而实际工程问题的研究，也可以先在软件环境中模拟 通过，再进行硬件的投入，这样不仅省时省力，也可以节省因方案不札确或操作不当所 造成的硬件投入的浪费。

？10^6118软件是英国[必⑶咖!\公司出版的20八工具软件。特点有叫：

8可提供的仿真元器件资源：仿真数字和模拟、交流和直流等数千种元 器件，

有30多个元件库。

(之）可提供的仿真仪表资源：示波器、逻辑分析仪、虚拟终端、5？1调试 器、1

七调试器、信号发生器、模式发生器、交直流电压表、交直流电流表。理论上同 一种仪器可以在一个电路中随意的调用。

除了现实存在的仪器外，？阳1如8还提供了一个图形显示功能，可以将线路上 变化

的信号，以图形的方式实时地显示出来，其作用与示波器相似，但功能更多。这些 虚拟仪器仪表具有理想的参数指标，例如极高的输入阻抗、极低的输出阻抗。这些都尽 可能减少了仪器对测量结果的影响。

(心可提供的调试手段？如印8提供了比较丰富的测试信号用于电路的测 试。这

些测试信号包括模拟信号和数字信号。

它不仅具有其它60八工具软件的仿真功能，还能仿真单片机及外围器件。？108 从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到设计，真札 实现了从概念到产品的完整设计。在编译方面，它也支持1^11、仏11和乂?[八8等多种 编译器。？见^1！8是目前最好的模拟单片机外围器件的工具。 5.2 软件调试

软件仿真调试

电路设计制作完成后，先用匕丨1 ^1810113仿真器进行调试。

0

使用菜单?？叫⑶續^ ？叫如?出现一个对话框，然后给将要新建的工程取 一个名字，

单机保存后会出现另外一个对话框选择系统使用的单片机型号，本系统所使 用的单片机型号为八了89052。选中后回到工程窗口的页面打开，在下一层的 ?80X11X^01*0111)1?右键单机选中?八况6匕职再)010叩1 ’ ?，出现对话框，选择 系统所用的源文件即可。

(之）单击菜单中的?？1*0知01/01)11011 &I ^3X^1 ‘丁1’?，出现对话框选中?丁31^1：? 页

面修改单片机的频率项X泣1 (他^)为12。选中?0饥页面选中啦册乂? 选项。

0〉编译连接通过?？丨&11 丁虹运过朽化?来实现。

(斗）在？1*0化118上画出电路图，并将1^丨1多生成的只⑶文件调入到电路中的单片机 内，

8

电机运行。

在对软件进行编译确定无误后，点击目标文件，发现目标无法创建，如图5.1所示： 800111^： 、1602攀01^ (。[^) 及 001^33： 12829

夂衫？六丁為丄 2只只0只 1250： 0002 5122 II兄I丁 1过只23丁只 10丁

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图5.1软件编译中的问题

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查看上面的错误发现，原来031302、如1吵、1602等子程序在主程序中己经定义， 但又在子程序中重复定义了一遍。删除多余定义，重新编译，生成目标文件（^扮）。 再单击“如匕运’，~^ ^ 81：&0^1)112 868810X1^ 。

(巧）单击“0比飓” 一〉“00”，然后单击“04118” 一〉“汾013尺皿111118” ； 再单击“V丨^” ―〉^30^1 ^111(10^8 #1^，就可以看到程序运行后的结果。

(^)因为要将程序烧到电路图的单片机中，就必须将此时的X文件转换为上炫文 件。这时就需要单击“？10』邮” ~^ ^0^1:10118 &丁虹骑’丁虹妙丨’?，单击中 的“0^6 02X1^”选项，使程序编译后产生只代码。 5.3 硬件调试

将在巧丨丨中生成的.册X文件加载到？10細8原理图的单片机八丁89052中，然后对 系统进行整体调试【16】。在调试过程中遇到了一些问题，并对问题采取相应的解决方法： 问题：在控制系统中，涉及到了电加热模块，即当室外光强不足〈阴天、下 雨）时，对水箱的水进行电加热是必要的，还涉及到冷水阀上水，即当实际水位低于设 定水位时要加水，然而在仿真中无

法显示出是否在执行加热或上水过程。

解决方法：用相应的一个灯来仿真加热或上水过程。

〔2〕问题：生成文件运行时，调试按键，每按一下，屏幕或者没有反应，或 者连跳两下，“加” “减”键也是如此，想在现有的基础上加一，结果按了一下以后， 并没有加一，有时候连加两次。

原因分析及解决方法：在看按键的部分资料时，得知需要进行按键防抖动，这种抖 动一般在10?2001X18之间，这种不稳定电帄的抖动时间对于人来说太快了，而对于时钟 是仍级别的单片机而言则是漫长的。为了提高系统的稳定性，必须去除或避免它，此 处可通过如1吵0延时程序，延时10x115，结束后再读一次1/0 口的值。

问题：在与1602液晶显示屏连接仿真时，发现液晶显示屏可以启动，清屏， 但是

部分时间不显示，按键并不起作用，显示屏上的时、分、秒为：15 x5 85。如图5.2 所示。

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1.4^0 图5.2液晶显示错误 5^1 5^ I原因分析及解决方法：首先查看程序，是否显示部分的程序问题，或者是定义的部 分代码

關 7^ 而

抓

出错，然后再查看电路图的连接，可能是连接没有接好，部分管脚没有连通。通 过检查，发现程序在匕丨1中运行无误，是031302时钟芯片的与单片机的部分导线连接 错误。

调试后运行无误的原理图显示如图5.3所示：

图5.3札确的原理图显示仿真

原理图仿真札确后，即可按原理图接线来接实物，实物包括单片机八丁89052及外 围电路；超声波模块；时钟模块；？丁100铂热电阻及变送器，后接^00)832转换电路； 1^01602显示屏；按键模块；两个…!)灯01、03用来表示上水和加热过程，⑶!)灯

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与单片机连接之间加了上拉电阻，使电压稳定；外加两个变压器供电，一个用来供十5乂 电源，另外一个是十24乂电源，供电给？丁 100的变送器。实物图如图5.4所示。

图5.4实物图

显示屏的第一行显示的依次是实时时间，超声波高度，温度、液位高度、超声波高 度选择；第二行依次是实时液位高度，设定液位高度，实时温度，设定温度。当实时液 位小于设定液位时，冷水阀上水，01亮。当实时温度小于设定温度时，加热电路加热， 03亮。通电运行的实物图液晶显示如图5.5所示。

图5.5通电运行的实物阁液晶显示

6结论

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本设计功能己基本符合要求，但是由于自己本身水帄有限，所以该系统还有许多不 尽如人意的地方，我将在日后的时间继续完善。

0系统能实现的功能：本系统通过单片机控制各个电路模块以实现对温度、水位 的检测，以及对整个热水器的智能化控制。

2〉系统功能测试：设计前期通过巧丨1软件和？10加8仿真软件的联调，对设计功能 进行仿真，均达到了预期的设计效果，设计后期，硬件制作完毕后，将仿真成功后的程 序通过单片机下载程序，写入单片机，再根据显示模块的各个端口连接方式，札确地将 单片机跟显示模块连接，最后都实现了设计的功能。

3〉系统功能分析：该控制器和以往显示仪相比具有性能价格比高、温度控制与显 示精度高、使用方便和性能稳定等优点。单片机控制系统具有低价、智能的优势，能够 根据需求的不同而作相应的调整，更加个性化。同时，使用单片机控制系统能够节约能 源，保护设备，延长设备的使用时间。

该热水器具有以下特点：结构简单、运行可靠、操作维护简便；热源取之不尽用之 不竭，不需要运输，节省燃料；无污染，不会对周围环境造成任何影响。

通过这次毕业设计，使我得到了一次用专业知识及技能全面分析和解决系统问题的 锻炼，使我在单片机的基本原理、单片机应用系统开发过程，以及在常用编程设计思路 技巧的掌握方面都能向前迈一大步。通过本次毕业论文的设计，接触和使用了大量的单 片机开发工具盒应用软件，如？『0把199此画原理图，8仿真器、巧丨丨编程软件等等。 为曰后成为一名合格的应用型人才打下了良好的基础。

参考文献

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致谢

经过四个月的设计制作，本毕业设计己经基本完成。时光飞逝，几年的学习生涯即 将结束，我的毕业论文即将定稿。在此对所有给予我帮助的人说声谢谢！

首先，要感谢我的指导老师郑老师，本篇论文的顺利完成离不开郑老师的悉心指导， 在此我谨致以崇高的敬意和衷心的感谢！从本次设计选题对我的教导和启发，写开题报 告时对我的精心指导，到论文写作过程中的谆谆教导，都离不开郑老师。同时，郑老师 严谨的治学态度也让我受益良多。

其次是要感谢大学期间各位任课老师在学习上给予的指导和帮助，是他们在学习中 指导我们学习，才扎实了我的理论知识及基本的动手实践能力，这些知识，让我在毕业 设计中乃至以后的工作中都起到很大的作用。

最后要感谢学院提供的实验室和各种工具，才让我的硬件设计得以顺利完成！

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