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1、工程设计 04053034 王之阳太阳能热水器辅助电加热器的设计04053034 王之阳2008年12月5日引言伴随着住宅消费和人们对生活品质要求的不断提高，热水器已经成为普通中国人追求的商品。太阳能热水器，由于太阳能可无偿使用，对环境无污染安全、可靠，无需维护并且使用寿命长，而成为国家大力提倡的环保节能型产品。但目前市场上太阳能热水器辅助电加热器的控制系统几乎都不具有温度控制功能，有些热水器即使有此功能，也由于控制精度不高，存在过烧现象而严重浪费电能。本文利用集成温度传感器AD590设计并制作了一款基于AT89S52单片机的太阳能热水器辅助电加热器。将其安置在水箱里，以备阴、雨、雪天使用。该
2、加热器具有较高的测量精度和控制精度。一、系统总体结构太阳能里面另有两个温度感应器，当太阳能不足时，首先太阳能板上的传感器发挥作用，让A原副线圈工作，比和开关一，当水温不能达到一定程度的时候，另一传感器工作，让BA原副线圈工作，闭合开关二，在开关一、开关二的共同作用下，电加热器电源开关打开，单片机控制动作有效。本辅助电加热控制器由温度检测电路、信号调理电路，A/D转换电路和单片机等组成，如图1所示。工作原理如下：通过温度传感器将被测温度转换成电信号，经信号调理电路放大后，由A/D转换电路转换成数字信号输入单片机，单片机对比预先设定的温度，判断是否需要开启辅助加热器，同时将温度值实时显示在LED显
3、示器上。二、系统硬件结构1、单片机最小系统设计单片机最小系统由主控器AT89S52、时钟电路和复位电路三部分组成。单片机AT89S52作为核心控制器控制着整个系统工作。时钟电路负责产生单片机工作所必需的时钟信号，复位电路使得单片机能够正常、有序、稳定地工作。（1）AT89S52AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT
4、89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱
5、动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。 在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.
6、0/T2）和时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。 在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。 引脚号第二功能P1.0 （T2）定时器/计数器T2的外部计数输入，时钟输出P1.1 （T2EX）定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制P1.5 （MOSI）在系统编程用P1.6 （MISO）在系统编程用P1.7 （SCK）在系统编程用P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部
7、电阻的原因，将输出电流（IIL）。 在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL
8、）。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 端口引脚第二功能P3.0 （RXD）串行输入口P3.1 （TXD）串行输出口P3.2 （INT0）外中断0P3.3 （INT1）外中断1P3.4 （T0）定时/计数器0P3.5 （T1）定时/计数器1P3.6 （WR）外部数据存储器写选通P3.7 （RD）外部数据存储器读选通此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG：当访问外部程存储器或数据存储器时
9、，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52由外部程序存储
10、器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP：外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。（2）AT89S52的时钟电路a.时钟电路：时钟电路由外接谐振器的时钟振荡器、时钟发生器及关断控制信号等组成。如下
11、图所示。b.外部电路连接：CPU的时钟振荡信号有两个来源：一是采用内部振荡器，此时需在XTAL1和XTAL2脚接一只频率范围为033MHz的晶体振荡器或陶瓷振荡器及两只30pF/40pF微调电容；二是采用外部振荡器，此时应将外部振荡器的输出信号接至XTAL1脚，将XTAL2脚浮空。连接图如下图所示。（3）AT89S52的复位电路AT89S52单片机内部有一个由施密特触发器等组成的复位电路。复位信号是从其RST脚输入的。ATS89S52单片机规定，当其处于正常工作状态，且振荡器工作稳定后，在RST端有从低电平到高电平，且高电平保持时间大于两个机器周期的复位信号时，CPU将响应并完成对系统的复位。
12、其中：一、复位信号是高电平有效；二、高电平的保持时间必须大于两个机器周期，其保持时间与振荡频率有关。AT89S52单片机常用的复位方式有上电复位、手动复位和看门狗定时器复位三种。在本设计中采用的是上电复位。上电复位：是指在系统上电时，RST端自动产生复位所需要的信号将单片机复位。根据手册，其简单的上电复位电路及参数如下图所示。上电时，RST端高电平的维持时间取决于R和C的值。要使单片机可靠复位，必须保持该维持时间足够长。按键复位：图a是单片机的按键复位电路。在实际应用中，常将上电复位电路图与图a相结合，组成上电和手动复位电路，如图b所示。看门狗定时器复位：看门狗定时器用于在程序运行的过程中，监
13、视程序运行状况，并在单片机受到干扰进入非正常运行状态时，自动复位单片机，使其回到初始状态。在AT89S52单片机内部有一个看门狗定时器，可以根据用户程序的正常运行周期设置该定时器的定时时间，允许其溢出信号复位单片机，启动看门狗定时器，并在程序的适当位置清空看门狗定时器。一旦单片机进入非正常运行状态，看门狗定时器将因不能执行清空指令而溢出（即超过了设置的定时时间），并自动复位单片机，使之回到初始状态。（4）最小系统图2、温度采集电路设计温控系统是保证热水器温度的控制中枢，直接影响热水器的使用性能。若温控系统灵敏度不够，就会使热水器总是处于启动的状态，耗电量就大。在传统的电热水器中，温度传感器多采
14、用的是热电偶、热电阻，其灵敏度难以满足要求。因此本系统温度传感器选用AD590。运算放大器用LM741。（1）AD590它是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源，是一种价格低廉高精度的温度传感器，具有体积小、稳定性好、测量精度高等优点，特别是其灵敏度高。AD590测温范围为55+150，满足人们日常生产和生活中的温度范围。AD590电源电压可在4V6V范围变化，可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。AD590产生的电流与绝对温度成正比，它有非常好的线性输出性能，温度每增加1，其电流增加1uA。其输出电流是以绝对温度零度（-273）为基准，因此在室温25时，其
15、输出电流Iout=（273+25）=298A。注意事项：1、 Vo的值为Io乘上10K,以室温25而言,输出值为10K298A=2.98V。2、 测量Vo时,不可分出任何电流,否则测量值会不准。AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。（2）LM741LM741是单片高性能内补偿运算放大器，具有较宽的共模电压范围，在使用中不会出现闩锁现象，可用作积分器、求和放大器及普通反馈放大器，LM741应用很广泛，可以构成各种功能电路。宽范围的共模电压和无阻塞功能可用于电压跟随器。高增益和宽范围的工作
