河南科技學(xué)院2013屆本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 論文題目：基于單片機(jī)的太陽能熱水器設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：史利平所在院系：機(jī)電學(xué)院 所學(xué)專業(yè)：應(yīng)用電子技術(shù)教育導(dǎo)師姓名：田熙燕完成時(shí)間：2013年5月20日摘要本文以89C52單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了一種數(shù)字化且智能化的太陽能熱水器控制系統(tǒng)。重點(diǎn)研究了配合RC充放電式水位測量及其優(yōu)化，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的太陽能熱水器控制系統(tǒng)相比較，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價(jià)格低廉、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：太陽能熱水器，89C52，RC充放電，8255AAbstractThispaperwhichtakesthe89C52microcontrollerasthecore,designacontrolsystemofsolarwaterheaterwhichisdigitalandintelligent.FocusontheRCwiththecharginganddischargingtypewaterlevelmeasurementandoptimization,andcomparedtothesolarwaterheatercontrolsystemofthissystemwiththetraditional,ithasthecharacteristicsofsimplestructure,convenientuse,lowprice,strongantiinterferenceability.Keywords:Solarwaterheater,89C52,RCchargeanddischarge,8255A目錄1引言 21.1太陽能熱水器的發(fā)展現(xiàn)狀 21.2課題的研究內(nèi)容 22太陽能熱水器控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 22.1太陽能熱水器整體結(jié)構(gòu) 22.2方案選擇 23電路硬件設(shè)計(jì) 43.1水位測量電路 43.2水溫測量電路 73.3水位、水溫測量電路的整體設(shè)計(jì) 83.4時(shí)鐘電路 83.4.1DS1302串行時(shí)鐘芯片 93.4.2DS1302與單片機(jī)的連接及時(shí)間讀取方法 103.5鍵盤和顯示電路 103.5.18255A芯片介紹 103.5.28255A在太陽能熱水器控制電路中的作用 123.5.3顯示電路工作原理 123.5.4鍵盤電路原理 143.6驅(qū)動(dòng)電路 143.7電源電路 144軟件設(shè)計(jì) 155結(jié)束語 16致謝 17參考文獻(xiàn) 17附錄系統(tǒng)整體電路圖 181引言1.1太陽能熱水器的發(fā)展現(xiàn)狀 隨著全球氣候變暖的加快，節(jié)能減排日趨嚴(yán)峻，世界各國都在尋求新的能源替代戰(zhàn)略，以求得可持續(xù)發(fā)展和在日后的發(fā)展中獲取優(yōu)勢地位。近年來各種環(huán)保、節(jié)能的熱水器紛紛涌入市場，但太陽能熱水器以節(jié)能、環(huán)保、安全、可資源再生、零資源消耗成為市場的主流產(chǎn)品。源于競爭，各大商家為了使自己的產(chǎn)品在市場上立足并長遠(yuǎn)發(fā)展，不斷提高太陽能熱水器的性能，其中太陽能熱水器控制器以其靈活、貼近客戶成為商家競爭的熱點(diǎn)。目前，各大商家紛紛提高太陽能熱水器的智能化程度來滿足消費(fèi)者的需求。1.2課題的研究內(nèi)容本課題以89C52單片機(jī)為核心配合傳感器、顯示器件、電磁閥、電加熱器、報(bào)警器等外圍器件，采集熱水器儲(chǔ)水箱中的水位、水溫信號(hào)，通過控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)、電加熱器加熱來控制儲(chǔ)水器的水位、溫度，并完成水位、水溫顯示，時(shí)間顯示，水溢報(bào)警等功能。另外配有鍵盤，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)上水、手動(dòng)電加熱、設(shè)置水位、設(shè)置溫度等功能。2太陽能熱水器控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)2.1太陽能熱水器整體結(jié)構(gòu)太陽能熱水器整體結(jié)構(gòu)大致可以分為四大部分：（1）水位、水溫測量電路。這部分用于采集水位、水溫信號(hào)給單片機(jī)，是太陽能熱水器控制器最關(guān)鍵的部位。（2）時(shí)間、水位、溫度顯示和鍵盤電路。鍵盤部分用于系統(tǒng)和人的信息交互，通過鍵盤可使系統(tǒng)顯示所需要查看的信息。時(shí)間、水位、溫度信息通過數(shù)碼管顯示給用戶。（3）時(shí)鐘電路。給系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)時(shí)間或參考時(shí)間，以便于對電加熱時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。（4）驅(qū)動(dòng)電路。包括電加熱、上水電磁閥、報(bào)警電路，是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行部分。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。2.2方案選擇水位測量和水溫測量：水位測量和水溫測量是太陽能熱水器控制系統(tǒng)的最重要部分，因此傳感器的選擇是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。水位傳感器的選擇：位測量可以有多種方法，我們從性能和成本兩方面進(jìn)行考慮，選擇RC充放電式水位傳感器，而沒有選用大眾式的排阻分檔鍵盤式水位傳感器。因?yàn)镽C充放電式水位傳感器明顯優(yōu)于排阻分檔鍵盤式水位傳感器的地方有：（1）接線簡單，排阻分檔鍵盤式水位傳感器需要四根導(dǎo)線傳輸水位信號(hào)，而RC充放電式水位傳感器僅需要兩根就能完成，這對于線路較長的太陽能熱水器傳輸信號(hào)電路來說能節(jié)省相當(dāng)多的導(dǎo)線資源。（2）給水溫測量電路設(shè)計(jì)帶來方便，RC充放電式水位傳感器的原理可以同樣運(yùn)用到熱電阻溫度測量電路中。（3）占用較少的I/O口，僅需兩個(gè)I/O口就能完成水位檢測任務(wù)，極大地節(jié)約了單片機(jī)的I/O口資源。水位、水溫測量水溫、時(shí)間顯示89C52水位、水溫測量水溫、時(shí)間顯示89C528255A8255A鍵盤鍵盤時(shí)鐘時(shí)鐘電加熱電加熱水位指示燈水位指示燈上水上水報(bào)警報(bào)警圖1太陽能熱水器控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖溫度傳感器的選擇：溫度傳感器選用了NTC負(fù)溫度系數(shù)熱電阻溫度傳感器，因?yàn)樗哂徐`敏度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、耐腐蝕、壽命長、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。此外水溫測量電路選用了RC充放電式熱電阻水溫傳感器測量電路。對于對溫度要求不算精確的太陽能熱水器系統(tǒng)，完全可以滿足我們的需要。其優(yōu)勢還是十分突出的：（1）僅需2個(gè)I/O口就能完成對溫度的檢測，節(jié)約了單片機(jī)的I/O，有利于降低成本。（2）實(shí)現(xiàn)起來也十分簡單。時(shí)間、水位、溫度顯示和鍵盤電路：太陽能熱水器系統(tǒng)需要用數(shù)碼管顯示時(shí)間和溫度，時(shí)間精確到分，24或12小時(shí)制，這就需要4位顯示；而溫度顯示范圍為0—99度，這又需要2位顯示。對于六位顯示，采用占用I/O較少的動(dòng)態(tài)掃描方式，也需要六位位選碼數(shù)據(jù)線，八位段選碼數(shù)據(jù)線，共需14個(gè)I/O口。鍵盤采用復(fù)用方式，仍需要至少4個(gè)I/O口。鍵盤和顯示電路共需18個(gè)I/O口，89C52單片機(jī)共有4×8個(gè)I/O口，而又有8個(gè)口有特殊功能，也就是常用的共有3×8個(gè)I/O口，該系統(tǒng)的其他設(shè)置也還要占用大量I/O口，顯然這樣太浪費(fèi)資源。本設(shè)計(jì)采用可編程并行接口芯片8255A擴(kuò)展I/O口，這樣就比直接顯示鍵盤電路節(jié)省了7個(gè)I/O口。時(shí)鐘電路：太陽能熱水器雖然節(jié)能環(huán)保，但它也有自身的許多缺點(diǎn)，例如受天氣狀況的影響太大，如果某天因陰雨天氣等原因日照不足，水溫偏低，使用者就無法正常使用熱水。為了解決這個(gè)問題需要為控制系統(tǒng)提供電加熱裝置。因此為了避免因加熱時(shí)間不足而造成水溫達(dá)不到所需的溫度或因加熱時(shí)間過長而浪費(fèi)大量電能等諸多問題，本設(shè)計(jì)采用了DS1302串行時(shí)鐘芯片對電加熱時(shí)間進(jìn)行控制。它與DS12B887的計(jì)時(shí)功能基本相同，它們的最大區(qū)別是DS1302時(shí)串行I/O方式，而DS12B887時(shí)并行I/O口方式，DS12B887編程實(shí)現(xiàn)要容易些，而DS1302要占用較少的I/O資源?？梢娛褂肈S1302串行時(shí)鐘芯片能夠節(jié)省單片機(jī)的硬件資源，并能充分發(fā)揮單片機(jī)的軟件優(yōu)勢。驅(qū)動(dòng)電路：它主要包括上水、電加熱、報(bào)警電路，它們都屬于大功率電路。它們均采用Q9013三極管進(jìn)行放大驅(qū)動(dòng)，需用開關(guān)控制外部電源的關(guān)斷。該電路主要是采用單片機(jī)為驅(qū)動(dòng)開關(guān)提供開關(guān)信號(hào)，以控制電源的通斷，使得驅(qū)動(dòng)電路獲得電源，執(zhí)行相應(yīng)的功能。3電路硬件設(shè)計(jì)3.1水位測量電路太陽能熱水器的水位和水溫傳感器的基本形狀如圖2所示。圖2太陽能水位水溫傳感器外形圖從圖2中我們可以清楚的地看到傳感器外形非常簡單，一共只有4個(gè)端口，其中一個(gè)是防凍接口，沒有使用，使用的只有3個(gè)端口，在可用的三個(gè)端口上分別標(biāo)有公共、水位、水溫標(biāo)志，由此可知測量水位、水溫都各用了一個(gè)端口。觀察傳感器可知水位傳感器有5個(gè)與水接觸點(diǎn)，我們從上到下依次命名它們?yōu)?—5觸點(diǎn)。我們分別測量了觸點(diǎn)不同接法時(shí)公共和水位兩端口之間的電阻，數(shù)據(jù)如表1所示。由上述測試結(jié)果的電阻值得出這樣的規(guī)律，那就是電阻的并聯(lián)短接，其原理如圖3所示。RC充放電測量水位的工作原理是：水面每接觸一個(gè)鋼針就會(huì)多并聯(lián)一個(gè)電阻，電阻隨水位變化而規(guī)律的變化。利用單片機(jī)的一個(gè)口周期性的給電容電路充放電，然后用單片機(jī)監(jiān)測電容兩端電壓的變化，因?yàn)殡娙蓦妷旱纳仙蛳陆禃r(shí)間T＝RC，所以用單片機(jī)記錄這個(gè)時(shí)間就能判別電阻的變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為水位的變化進(jìn)行顯示及其他動(dòng)作，原理圖如圖4。水位測量電路的具體設(shè)計(jì)及優(yōu)化：（1）直接接單片機(jī)I/O口檢測單片機(jī)中的定時(shí)器可以提供電壓變化時(shí)間的紀(jì)錄，接下來就是如何將電壓的變化傳遞給單片機(jī)。一種簡單的方案是：用P1.0口給RC電路周期性的充放電，然用P1.1口監(jiān)測電容的電平變化，完成計(jì)時(shí)，這種方案看上去簡單易實(shí)現(xiàn)，但實(shí)際則行不通。按剛才提到的方法接圖如圖5。圖3太陽能水位傳感器原理表1輸出電阻值短接方式無短接1、21、2、31、2、3、41、2、3、4、5輸出電阻值（kΩ）極大2512.58.66.3圖4RC充放電式水位傳感器測量電路原理圖圖5直接用I/O檢測電容電壓測量水位電路原理圖這樣做得到的結(jié)果是P1.1的電壓一直保持高電平，即電容電壓一直保持高點(diǎn)平。這與單片機(jī)內(nèi)部電路有關(guān)。從圖中可見，P1.1口只有高電平和低電平兩種狀態(tài)，當(dāng)P1.1口為高電平時(shí)，將電容端與P1.1連接，VCC會(huì)通過內(nèi)部上拉電阻持續(xù)給電容充電，所以監(jiān)測電容電壓一直為高電平。而當(dāng)將其置低電平時(shí)，P1.1口相當(dāng)于接地，將會(huì)出現(xiàn)相反的情況，其通過地一直給電容放電，電容電壓一直低電平。（2）采取與I/O隔離并用中斷監(jiān)測電容電壓的電路這樣需要將電容電壓與單片機(jī)監(jiān)測端口隔離，采取如圖6所示電路。LM358電壓跟隨器的輸出電壓幅度為0至Vcc-1.5V,而要跟隨的電壓范圍為0—5V，所以應(yīng)選用大于+6.5V的電源供電，這里選用+12V單電源供電。LM393比較器設(shè)置+3V的參考電壓，將電容電壓的指數(shù)曲線變成矩形波，波形圖如圖7所示。將參考電壓接同相輸入端，比較電壓接反相輸入端，從而實(shí)現(xiàn)電容電壓在上升到參考電壓時(shí)比較器產(chǎn)生下降沿信號(hào)，作為單片機(jī)的外部中斷信號(hào)。另外LM393的同相輸入端輸入和反相輸入端輸入之間有相互嵌位作用，+5V電源和分壓電阻提供的+3v參考電平對反相輸入端輸入有嵌位作用，如果不接LM358電壓跟隨器而與電容直接相連，顯然會(huì)影響電容電壓的變化，因此在這加了電壓跟隨器進(jìn)行隔離。圖6水位測量電路（3）充電時(shí)間的設(shè)定和電容的選擇電容充電時(shí)間的計(jì)算公式為：T=RC（1）T即位電容電壓上升時(shí)間。編程使P1.3口輸出周期性的方波，給電容充放電，方波半周期（充電或放電時(shí)間）為T′，應(yīng)使方波半周期大于電容電壓上升時(shí)間，即：T′≥T（2）如果使用單片機(jī)主程序一直循環(huán)給P1.3口輸出方波，方波的周期可以很大，超過幾秒甚至幾十秒，但是這樣主程序就只能干這一項(xiàng)工作，影響單片機(jī)的其他工作。所以要用定時(shí)器來實(shí)現(xiàn)方波輸出。這樣用定時(shí)器就可以用定時(shí)中斷使P1.3口輸出方波，又不影響單片機(jī)的其他工作。這樣方波的周期就受定時(shí)器定時(shí)時(shí)間的限制。89C52單片機(jī)定時(shí)器共有4種定時(shí)方式，其中定時(shí)時(shí)間最長的為定時(shí)方式1。當(dāng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器在方式1下做定時(shí)器用時(shí)，其定時(shí)時(shí)間計(jì)算公式為：T=（N-計(jì)數(shù)初值）×晶振周期×12（3）如圖7，這里用INT0中斷來監(jiān)視記錄電容變化，內(nèi)部編程實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)器對電容電壓上升時(shí)間的記錄，所以可以通過將計(jì)時(shí)器寄存器里的值顯示出來的方式直觀顯示水位結(jié)果，來確定合適的電容。以下是編程實(shí)現(xiàn)這一過程的結(jié)果。圖7電容電壓與比較器輸出信號(hào)(仿真和實(shí)測)表2不同電容大小時(shí)計(jì)數(shù)器寄存器中的值一水位二水位三水位四水位TH0TL0TH0TL0TH0TL0TH0TL02uFA0-B4——85-98——70-83——60-65——1uF64-70——49-50——38-40——32-34——0.22uF2——180-A3172-80164-72由表格數(shù)據(jù)可見當(dāng)選用2uF電容時(shí)，應(yīng)需較大的充放電時(shí)間，充放電不夠充分，所以計(jì)數(shù)器寄存器中的值大而不準(zhǔn)；而當(dāng)取0.22uF電容式計(jì)數(shù)寄存器TH0的值僅為1或2，非常不利用區(qū)分；當(dāng)取1uF電容時(shí)，數(shù)據(jù)大小合適，分段明顯，所以應(yīng)選用1uF電容。另外，電容兩端的最高電壓為+5V，最低電壓為0V，所以所選電容的耐壓留有一定裕量為最大電壓的3倍，所以應(yīng)選取耐壓為15V以上的電容。3.2水溫測量電路RC充放電式熱電阻水溫傳感器測量電路的原理與前面提到的RC充放電式水位傳感器測量電路原理完全相同，只要把水位電阻換成熱電阻就可以了。其缺點(diǎn)是不夠精確，但成本很低，對于對溫度要求不算精確的太陽能熱水器系統(tǒng)，完全可以滿足我們的需要。另外與A/D轉(zhuǎn)換式溫度傳感器相比，其優(yōu)勢還是十分突出的：僅需2個(gè)I/O口就能完成對溫度的檢測，節(jié)約了單片機(jī)的I/O，有利于降低成本；實(shí)現(xiàn)起來也十分簡單。水溫測量電路的設(shè)計(jì)及溫度計(jì)算方法：（1）水溫測量電路對太陽能熱水器中水的溫度進(jìn)行控制及顯示，需對熱水器水溫與出水溫度進(jìn)行檢測。對于熱水器來說溫度控制與顯示的精度要求并不高，因此本設(shè)計(jì)采用負(fù)溫度系數(shù)NTC熱敏電阻作為測溫元件，利用NTC熱敏電阻阻值隨溫度變化而改變的特性實(shí)現(xiàn)測溫。圖8水溫測量電路原理圖（2）水溫計(jì)算方法NTC熱敏電阻的阻值與溫度的準(zhǔn)確關(guān)系為:（4）因?yàn)?9C52單片機(jī)無法進(jìn)行直接的對數(shù)運(yùn)算，按公式計(jì)算溫度值將是十分困難的。在這里查表法是一種經(jīng)常采用的解決辦法，即事先計(jì)算出所有可能的計(jì)時(shí)結(jié)果所對應(yīng)的溫度值以表格形式寫入控制程序，每次轉(zhuǎn)換完畢后查表得出所對應(yīng)的溫度值。但此種方法需占用較多的程序儲(chǔ)存空間本設(shè)計(jì)采用一次線性插值法對溫度與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果之間的關(guān)系進(jìn)行分段線性化，以少量單片機(jī)能直接進(jìn)行的運(yùn)算的組合去逼近目標(biāo)函數(shù)。圖9為溫度T與計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)結(jié)果N之間的關(guān)系曲線。圖9計(jì)時(shí)寄存器值N與溫度T的關(guān)系曲線其中圓滑曲線為實(shí)際的T-N關(guān)系曲線設(shè)計(jì)中根據(jù)使用要求將曲線在0-90范圍內(nèi)分3段采用圖中的3段直線斷代替實(shí)際曲線。計(jì)算出的溫度值在0-20范圍內(nèi)誤差不超過2℃,在20-90范圍內(nèi)誤差不超過1℃。3.3水位、水溫測量電路的整體設(shè)計(jì)由上面的分析知道，兩者的電路原理一樣，都是用P1口給電容充電，用中斷檢測電容電壓變化。作為充電口P1口的作用相當(dāng)于電源（充電時(shí)）或地（方電時(shí)），所以可以用同一個(gè)口為兩個(gè)沖放電回路充電，兩個(gè)回路是獨(dú)立的。LM393和LM358都是雙運(yùn)放、8腳DIP封裝，恰好用于水位和水溫檢測兩路。下面圖10是實(shí)際的水位和水溫測量電路圖，圖11是實(shí)際的水位指示電路。以P1.3口作為水位和水溫電路的公共充放電口，以INTO作為水位測量電路的中斷檢測口，以INT1作為水溫測量電路的中斷檢測口。圖10水位和水溫測量電路實(shí)際電路圖圖11水位指示電路3.4時(shí)鐘電路太陽能熱水器雖然節(jié)能環(huán)保，但它也有自身的許多缺點(diǎn)，例如受天氣狀況的影響太大，如果某天因陰雨天氣等原因日照不足，水溫偏低，使用者就無法正常使用熱水。為了解決這個(gè)問題需要為控制系統(tǒng)提供電加熱裝置。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)利用時(shí)鐘芯片提供時(shí)間信號(hào)完成加熱功能的電加熱系統(tǒng)。下面對時(shí)鐘芯片電路的介紹。3.4.1DS1302串行時(shí)鐘芯片DS1302芯片的性能特點(diǎn)：實(shí)時(shí)時(shí)鐘具有能計(jì)算2100年之前的秒、分、時(shí)、日、日期、星期、月、年的能力還有閏年調(diào)整的能力，318位暫存數(shù)據(jù)存儲(chǔ)RAM，串行I/O口方式使得管腳數(shù)量最少，寬范圍工作電壓2.0-5.5V，工作電流2.0V時(shí),小于300nA，讀/寫時(shí)鐘或RAM數(shù)據(jù)時(shí)有兩種傳送方式單字節(jié)傳送和多字節(jié)傳送字符組方式，8腳DIP封裝或可選的8腳SOIC封裝根據(jù)表面裝配，簡單3線接口，與TTL兼容Vcc＝5V。圖12為DS1302管腳封裝管腳圖。圖12DS1302管腳封裝管腳圖管腳描述：X1、X232.768KHz晶振管腳；GND地；RST復(fù)位腳；I/O數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳；SCLK串行時(shí)鐘；Vcc1,Vcc2電源供電管腳；3.4.2DS1302與單片機(jī)的連接及時(shí)間讀取方法DS1302的管腳按前面的說明進(jìn)行連接，SCLK同步時(shí)鐘口接P1.5口，I/O數(shù)據(jù)輸入輸出口接P1.6口，RST復(fù)位引腳接P1.7口，VCC2接+5V電源，VCC1接+5V備用電池，X1、X2接32.768KHZ晶振。單片機(jī)與DS1302的連接方式如圖13所示。讀取DS1302的時(shí)鐘時(shí)間：DS1302為串行時(shí)鐘芯片，每次傳送一位數(shù)據(jù)，通過P1.5給DS1302發(fā)同步脈沖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐健1.6口與DS1302I/O引腳相連，將要讀取值的控制字串行寫入到DS1302中，每寫一位，發(fā)送一個(gè)同步脈沖，控制字為8位，讀出的時(shí)、分?jǐn)?shù)據(jù)也是8位，寫完8位控制字，DS1302隨后就通過I/O引腳將該值送給單片機(jī)。I/O引腳上的數(shù)據(jù)在SCLK的上升沿串行輸入(寫數(shù)據(jù)到DS1302)，在SCLK的下降沿串行輸出(讀數(shù)據(jù))。為了啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，引腳RST應(yīng)為高電平。DS1302有多種功能的控制字，其中讀時(shí)和分的控制字分別為0x85和0x83。3.5鍵盤和顯示電路鍵盤和顯示電路是太陽能熱水器水位控制系統(tǒng)與用戶的接口，用戶通過顯示來觀察水溫、水位、時(shí)間等狀態(tài)值，再根據(jù)觀察到的值，通過鍵盤對太陽能熱水器進(jìn)行控制。本章設(shè)計(jì)了較為合理的鍵盤和顯示電路完成這些功能。3.5.18255A芯片介紹Intel公司生產(chǎn)的可編程并行接口芯片8255A已廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程中，例如8255A與A/D、D/A配合構(gòu)成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過8255A連接的兩個(gè)或多個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成相互之間的通信，系統(tǒng)與外設(shè)之間通過8255A交換信息等等，所有這些系統(tǒng)都將8255A用作為并行接口。（1）8255A的引腳功能定義8255A的引腳定義如表2所示。8255A為一可編程的通用接口芯片。它有三個(gè)數(shù)據(jù)端口A、B、C，每個(gè)端口為8位，并均可設(shè)成輸入和輸出方式，但各個(gè)端口仍有差異：端口A（PA0～PA7）：8位數(shù)據(jù)輸出鎖存/緩沖器，8位數(shù)據(jù)輸入鎖存器；圖13單片機(jī)與DS1302的連接圖端口B（PB0～PB7）：8位數(shù)據(jù)I/O鎖存/緩沖器，8位數(shù)據(jù)輸入緩沖器；端口C（PC0～PC7）：8位輸出鎖存/緩沖器，8位輸入緩沖器（輸入時(shí)沒有鎖存）。表38255A引腳定義引腳名功能連接去向D0-D7數(shù)據(jù)總線（雙向）CPURESET復(fù)位輸入CPU片選信號(hào)譯碼電路EQ讀信號(hào)CPU寫信號(hào)CPUA0,A1端口地址CPUPA0-PA7端口A外設(shè)PB0-PB7端口B外設(shè)PC0-PC7端口C外設(shè)VCC電源（+5V）/GND地/在模式控制下這個(gè)端口又可以分成兩個(gè)4位的端口，它們可單獨(dú)用作為輸出控制和狀態(tài)輸入。端口A、B、C又可組成兩組端口（12位）：A組和B組。在每組中，端口A和端口B用作為數(shù)據(jù)端口，端口C用作為控制和狀態(tài)聯(lián)絡(luò)線。在8255A中，除了這三個(gè)端口外，還有一個(gè)控制寄存器，用于控制8255A的工作方式。因此8255A共有4個(gè)端口寄存器，分別用A0、A1指定：A1＝0，A0＝0，表示訪問端口A；A1＝0，A0＝1，表示訪問端口B；A1＝1，A0＝0，表示訪問端口C；A1＝1，A0＝1，表示訪問控制寄存器。（2）8255的工作方式8255A有三種基本工作方式：方式0：基本的輸入/輸出;方式1：有聯(lián)絡(luò)信號(hào)的輸入/輸出；方式2：雙向傳送。3.5.28255A在太陽能熱水器控制電路中的作用單片機(jī)與8255A的連接如圖14所示，如圖所示分別將8255A的讀、寫、復(fù)位端口與單片機(jī)的讀、寫、復(fù)位端口相連。A0、A1、為8255A的地址口，D0-D9為數(shù)據(jù)口。P2.5與A1相連，P2.6與A2相連，P2.7與相連，提供8255的端口地址信號(hào)。單片機(jī)的P0口為8255A提供數(shù)據(jù)輸出輸入。8255A共占用單片機(jī)11個(gè)常用I/O口，比直接顯示鍵盤電路節(jié)省了7個(gè)I/O口。3.5.3顯示電路工作原理8255A擴(kuò)展顯示及鍵盤電路如圖15所示。圖14單片機(jī)與8255A連接在顯示電路中用8255A的PA口輸出位選信號(hào)，通過74F07接LED顯示器的片選引腳。7407是TTL門集成的六路輸出緩沖器/驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)采用的是共陰極LED顯示器，位選應(yīng)接低電平，可能有幾十毫安的電流輸出，而單片機(jī)的I/O口最大能承受幾毫安的灌電流，所以需用7407來接受較大的輸出電流。PB口輸出的段選信號(hào)，通過74LS245芯片接LED段碼引腳，因?yàn)?255A的輸出電流一般是微安級(jí)的，而LED一般則要求5到幾十毫安的電流，不能直接驅(qū)動(dòng)LED，而74LS245的高電平輸出電流在15毫安左右，可以驅(qū)動(dòng)LED顯示。另外74LS245的輸出接上拉電阻，幫助驅(qū)動(dòng)顯示器。8255A的實(shí)現(xiàn)方法：8255A的PA、PB口作為輸出口驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示；PC口用作輸入口監(jiān)測鍵盤輸入，所以這里須用工作方式0——基本輸入輸出口工作方式，其方式控制字為10001001。8255A的RESET引腳與單片機(jī)的RESET引腳直接相連，當(dāng)單片機(jī)復(fù)位時(shí)，8255A同時(shí)復(fù)位。單片機(jī)的P2.7口與8255A的片選信號(hào)相連，顯示期間一直輸出低電平，選中8255A。在P2.5、P2.6都輸出高電平時(shí),即A1＝1，A2＝1時(shí)，＝0，單片機(jī)輸出寫信號(hào)，訪問控制寄存器，將方式控制字10001001通過單片機(jī)的P0口與8255A的D0-D7數(shù)據(jù)口送給8255的控制字寄存器。控制字寄存器地址為：0111111111111111，即0x7FFF，向該地址寫入控制字即可。當(dāng)P2.5、P2.6都輸出低電平時(shí)，A1＝0，A2＝0時(shí)，＝0，單片機(jī)輸出寫信號(hào)，訪問端口A，將位選碼送出，選中要顯示的位，即端口A地址為：0001111111111111＝0x1FFF，向該地址寫入位選碼即可。然后將P2.5＝0，P2.6＝1，即A1＝0，A2＝1，＝0，單片機(jī)輸出寫信號(hào)，訪問端口B，將段選碼送出，保持幾毫秒的延時(shí)，使LED顯示。即端口C地址為：0101111111111111＝0x5FFF，向該地址寫入段選碼即可。圖158255A擴(kuò)展的鍵盤和顯示電路3.5.4鍵盤電路原理為使用戶使用界面盡量簡單，本文采用四個(gè)按鍵，通過按鍵復(fù)用來實(shí)現(xiàn)手動(dòng)上水、水位設(shè)置、溫度設(shè)置、電加熱多種功能。同時(shí)本文用8255來分別實(shí)現(xiàn)顯示和鍵盤。鍵盤與8255的連接如圖15所示。鍵盤的工作原理是P2.5＝0，P2.6＝1，即A1＝0，A2＝1，＝0，單片機(jī)發(fā)出讀信號(hào)，將8255A的PC口狀態(tài)，通過8255A的D0-D9口送給單片機(jī)。然后單片機(jī)根據(jù)從8255A讀取的數(shù)據(jù)做出相應(yīng)的動(dòng)作。這是基本原理，在具體實(shí)現(xiàn)時(shí)還要考慮鍵盤的延時(shí)去抖，去抖的原理是，當(dāng)檢測到有鍵按下時(shí)，單片機(jī)先不動(dòng)作，延時(shí)10毫秒以后，單片機(jī)再次檢測按鍵是否按下，如果還是按下，就說明此鍵確實(shí)是按下狀態(tài)，單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)操作。其中S1為手動(dòng)上水鍵，S2為設(shè)置水位參數(shù)鍵，S3為電加熱鍵，S4為設(shè)置溫度鍵。S1、S3單獨(dú)功能鍵。而S2、S4為復(fù)用鍵。當(dāng)?shù)谝淮伟碨2鍵時(shí)，進(jìn)入水位設(shè)置狀態(tài)，然后每按一次S1為設(shè)置水位加一，循環(huán)工作。當(dāng)?shù)谝淮伟碨4鍵時(shí)，進(jìn)入水溫設(shè)置狀態(tài)，然后每按一次S4為設(shè)置水溫加一，循環(huán)工作。3.6驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路的電路圖如下圖16，下面分別介紹：上水控制電路：由單片機(jī)P1.1口的輸出來控制上水電磁閥。單片機(jī)P1.1口通過一個(gè)2.2K的電阻接9013三極管的基極，9013的集電極通過一個(gè)單刀繼電器接正12V電源，9013射極接地。當(dāng)P1.1輸出低電平時(shí)，三極管截至，幾乎沒有電流通過三極管的基極到射極、集電極到射極，即Ic≈0,Ib≈0,所以此時(shí)流過繼電器的電流幾乎為0，繼電器打開。當(dāng)P1.1口輸出高電平時(shí)，三極管9013導(dǎo)通，有較大的飽和電流流過繼電器，使其吸合、關(guān)閉，從而開啟電磁閥。電加熱控制電路：電加熱的繼電器采用雙開關(guān)繼電器，一個(gè)開關(guān)控制電加熱器的火線，另一個(gè)控制零線。當(dāng)P1.0輸出低電平時(shí)，三極管不導(dǎo)通，繼電器無電流通過，開關(guān)開啟，電加熱器不工作。當(dāng)P1.0輸出高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，繼電器有較大電流通過，開關(guān)閉合，電加熱器開始工作。報(bào)警控制電路：報(bào)警輸出三極管的集電極接蜂鳴器，蜂鳴器的另一端接正5伏電源。有P1.2口控制報(bào)警電路，當(dāng)水位超標(biāo)時(shí)P1.2口輸出高電平報(bào)警，不報(bào)警時(shí)將P1.2口置低電平。水位顯示電路：水位顯示電路由P2.0-P2.4口來控制，其中P2.4口輸出高低電平控制水位的顯示與否，P2.0-P2.3口輸出高低電平控制二極管的亮滅來顯示水位。3.7電源電路對于太陽能用戶來講，最常用、最方便的電源當(dāng)然是220V的工頻交流電源，但太陽能容熱水器控制系統(tǒng)需要的是穩(wěn)定的+5V和+12V電源，所以要為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)直流電源電路。由于本設(shè)計(jì)由+5V和+12V兩個(gè)不同的電壓供電，并且+5V是主電源。變壓器分別采用220/8和220/15的變壓器，穩(wěn)壓電路分別采用集成穩(wěn)壓器件7805和7812進(jìn)行穩(wěn)壓。圖17為系統(tǒng)+5V直流電源的整體圖，+12V電源與它基本相同。圖16驅(qū)動(dòng)電路圖17系統(tǒng)直流電源總圖4軟件設(shè)計(jì)軟件的作用就是完成對硬件的控制，主程序設(shè)計(jì)思路：軟件設(shè)計(jì)采用各個(gè)模塊功能分開獨(dú)立設(shè)施的設(shè)計(jì)方式，將各個(gè)功能分成獨(dú)立模塊，有系統(tǒng)和監(jiān)控程序一起管理執(zhí)行。本設(shè)計(jì)的軟件包括主程序，鍵盤掃描子程序，顯示子程序，水位測量子程序以及水溫測量程序。由于水電阻的波動(dòng)性和電容的不穩(wěn)定性等原因，計(jì)數(shù)器中的數(shù)值會(huì)有一定的波動(dòng)，所以需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理顯示水位。在這里主要說了軟件實(shí)現(xiàn)水位處理，其中buf[1]為計(jì)數(shù)器0寄存器中的值。本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)整體流程圖如圖18。圖18整體流程圖voi