太阳能辅助加热装置的设计本科学位论文.doc

山东职业学院

毕业设计

题目： 太阳能热水器
智能控制器的设计
系别：电气工程系
专业：电气自动化技术
班级：电气自动化技术1033班
学生姓名：闫珊珊
指导老师：杜洋
完成时间：2013-1-20

摘 要
太阳是距地球最近、与地球关系最密切的一颗恒星能量的天然来源，太阳能是取之不尽，用之不竭，没有污染的巨大能源。。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（如光电池）。因而尚未被人们大规模的使用。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。太阳能热水器顺呼时代发展的要求，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用量很大。新建商住楼安装热水器，已是房屋开发公司计划之内的事，配套热水器的商品房销势更好。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，同时给人民提供不耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。目前,太阳能热水器控制器还一直处于研究与开发阶段,市面在售的控制器绝大部分只具备温度和水位显示功能,不具备温度水位的自动控制功能。虽然有的控制器配有电加热辅助装置,但都不是全智能型的,给用户使用带来许多不便。
本系统采用51单片机为核心，采用温度传感器进行温度检测，并通过数码管显示，功能键盘可以实现辅助电加热温度控制。其主要功能包括热水器温度显示，液位显示，辅助电加热温度控制，辅助电加热时间控制、预约控制等。做到智能的、功能完善的、操作简便的太阳能辅助加热系统。

关键词：单片机、太阳能热水器、温控系

目 录
摘 要 2
1.前言（绪论） 4
1.1 太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析 4
2.设计思路及要求 4
2.1 本设计的目的和意义 4
2.2 设计过程及工艺要求 5
2.3 论文的结构组成 5
2.4 太阳能热水器辅助加热系统设计总体方案设计 6
2.4.1系统硬件电路方案 6
2.4.2 温湿度传感器的选择以及传感器相关参数 7
2.4.3 单片机型号选择 9
2.4.4 AT89S52单片机参数等相关信息 10
2.4.5数码管的选择以及相关的参数 14
2.4.6时钟芯片的选择以及相关的参数 17
2.4.7其他相关元件的选择以及相关的参数 21
2.4.8系统整体软件设计思路 21
3.太阳能热水器智能控制器系统硬件方案设计 22
3.1 系统温度采集电路硬件设计方案 22
3.2 系统时间采集电路硬件设计方案 23
3.3 系统水位采集电路硬件设计方案 24
3.4 系统单片机及按键电路硬件设计方案 25
3.5 系统数码管显示电路硬件设计方案 26
3.6 系统报警及水位水温控制电路硬件设计方案 27
4.太阳能热水器智能控制器系统设计软件方案设计 27
4.1 系统单片机读取按键信息软件方案 27
4.2 系统单片机读取处理芯片信息软件方案 29
4.3 系统LED显示以及其他部分软件方案 30
总 结 31
结束语 32
致谢 32
参 考 文 献 32
附件一 电路图 33
附件二 源程序 34

1.前言（绪论）
1.1 太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析
自20世纪90年代以来，我国太阳能热水器行业保持了20年左右的快速增长。1992年，我国太阳能热水器产业年生产量只有50万平方米，而到2011年，我国太阳能热水器总产量达到5700万平方米。
目前我国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和太阳能热水器市场，该产业也成为我国唯一在生产能力和利用规模上处于世界领先水平的可再生能源产业。随着太阳能热利用行业竞争态势的日趋激烈，有长远发展眼光的太阳能企业开始将创新放在各项工作的重中之重，无论是在核心技术还是外观形象，无论是集热技术、保温技术还是高能效技术、太阳能与建筑一体化技术，都取得了飞速的发展与进步。
2012年6月，国家财政部、发改委、工业和信息化部联合发起的《高效节能太阳能热水器惠民工程推广实施细则》正式出台。推广期限暂定为2012年6月1日至2013年5月31日，旨在通过采取财政补贴的方式，支持太阳能热水器的推广使用，拉动新能源产品的消费。
　　目前，我国城乡居民对洗浴热水的需求增长迅猛。在农村地区和中小城市，太阳能热水器已经成为提高人民生活质量、全面建设小康社会的重要手段。随着中高温太阳能热水器的开发以及太阳能与建筑一体化技术的日益完善，太阳能热水器的应用领域不再局限于提供热水，正逐步向取暖、制冷、烘干和工业应用方向拓展，中国太阳能热水器市场潜力巨大。
2.设计思路及要求
2.1 本设计的目的和意义
本设计具有很强的实用性,用成本低廉的电阻式传感器以及电极配以单片机技术对生产实际中的太阳能热水器的水温的控制以及水位的显示。本装置电路简单、实用性强、性价比高、水温控制灵活，水位显示直观醒目。可广泛应用于家庭生活对太阳能热水器的水位显示与水温控制。具有良好的市场前景
2.2 设计过程及工艺要求
（1）基本功能；
① 检测温度、水位；
② 显示温度、水位；
（2）主要技术参数 
① 温度检测范围 ：0℃-99℃；
② 测量精度 ：1.0℃；
③ 水位检测范围 ：10%-100%；  
④ 检测精度 ：20%；  
⑤ 显示方式 ：数码管显示；
⑥ 信息输入方式 ：通过按键可以设定水温、加热时间、预约加热时间等。
⑦ 提示方式 ：在温度达到设定温度、加热时间到、预约加热时间到、水位到达极限时会有声光提示。自动上水时会有灯光常亮，和一声提示音。
⑧上水方式：自动上水时是在设定加热水位小于25%时，当水位上升至75%时自动上水停止，用户可以手动上水，也可以通过水管的并联使用手动开关上水。
2.3 论文的结构组成
本论文分为四部分:
绪论：太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析。
第二章：主要介绍太阳能热水器辅助加热系统设计的目的和意义及设计过程及工艺要求，介绍介绍本论文的结构组成，介绍硬件原理框图及软件实现方案并通过比较硬件电路组成部分和软件部分各种实现方案，最终确立最佳方案。
第三章：介绍以单片机AT89S52为信息处理核心的太阳能热水器辅助加热系统设计电路，详细分析各单元的硬件电路，并给出相关电路原理图。
第四章：根据仪器的硬件构成和功能要求，给出相应的软件设计及主要程序流程图 。
2.4 太阳能热水器辅助加热系统设计总体方案设计
2.4.1系统硬件电路方案
根据系统功能要求，需要一下电路：单片机控制电路，水位监测电路，温度检测电路、按键检测电路，温度、水位、计时显示电路，加水控制电路，加热控制电路，时间读取电路等等。由这几个模块电路组成整个系统，完成水温水位自动智能控制。

水位监测电路
显示电路
显示电路
提示电路

单片机处理电路

温度检测电路
显示电路

加水电路
加热电路
按键检测电路
显示电路

时间读取电路
显示电路

图2—1 太阳能热水器辅助加热系统硬件原理图
其各部分电路具体功能如下：
·1 水位监测电路：在家用太阳能热水器中对水位要求的精确度不高，因而不需要购买价格昂贵的水位监测仪器，可以根据实际需要搭建简易电路检测水位。
·2温度检测电路：根据实际需要，温度检测电路要有较好的稳定性，外部电路越简单其工作的稳定性就越好。因为太阳能热水器的测温点距加热控制器有一定的距离，因而在选择温度传感器时最好选用数字量的器件。
·3 按键信息输入电路：此电路主要完成加热温度设定、加热时间设定、预约加热时间设定、改变显示数据等等功能，属于人机交流部分，使整个系统更加合理，人性化。对于整个系统的完善，有至关重要的作用。
·4 单片机信息处理电路：不言而喻，这部分电路对于整个系统而言相当人的大脑，其主要包括了整个单片机（51系列）的最小系统，各个模块电路连接等。当然最主要的是他的软件要正常运行。
·5 时间读取电路：此电路主要为此系统提供较为准确的时间，使整个系统能正确的判断出白天与夜晚和何时是用水高峰等，是其能达到智能控制的关键。
·6 提示电路及信息显示电路：此电路主要完成当水温度值、水位超过设定值或最大值时，发出提示信号，其中包括声响信号和光信号。显示电路是人机交互平台的重要组成部分，主要可以完成显示实时的温度值、设定值、水位值及计时的显示的功能。其显示信息数量较为简单，所以可以选择数码管显示。
·7 加水电路及加热电路：对于家用太用能热水器加水加热都没有精确的水位温度要求，在此电路可以直接选择开关量的器件控制加热加水，但其控制的电压电流值比较大，所以在设计上要综合考虑。
考虑到每个模块都可以有多种实现方案，下面通过比较各种方案，来选择最优化的实现方案
2.4.2 温湿度传感器的选择以及传感器相关参数
传感器又称为换能器、变换器等。温湿度传感器是温湿度测系统中重要的组成部分，其基本功能是将库房的温度和湿度这样一些物理量(非电量)转换成为便于测量的电量。温湿度传感器的精度、灵敏度、抗干扰能力及安装方式决定了温湿度传感器测量精度，因此其选型对整个设计具有决定性的作用。
目前，温湿度信号的测量方式较多，但在测温方面主要有：
① 金属热电阻：温度/热改变电阻阻值
② 热电偶：温度/热量使导体产生温差电动势
③ 半导体热敏电阻：温度/热量改变电阻阻值
④ 红外释热测温：温度改变红外热辐射
⑤ 色温法：温度改变金属颜色变化（炼钢）
⑥ 石英：温度改变石英震荡频率
⑦ 形变：温度使双金属片弯曲
而以上传感器不能满足外部电路简单，数字量输出的要求，而DS1302及能满足系统的要求而且价格便宜，稳定性好。以下介绍它的相关信息：
一线式数字温度传感器DS18B20是DS1820的更新换代产品(由美国DA IIAS公司生产)。它具有体积小,分辨率高,转换快等优点。由于每片DS18B20 含有唯一的硅串行数, 所以在一条总线上可以挂接多达248≈ 218×1014只DS18B20,再加上DS18B20 独特的单线总线结构,决定了DS18B20 特别适合于大型的多路温度实时测控系统的温度检测。温度实时测控集装箱的设计, 在实现测控系统的温度检测方面就较好地利用了DS18B20 的独到
特点,使系统得到了极大的简化。
（1）DS18B20的特性
1）独特的单线接口方式。DS18B20 在I/O处理器连接时,仅需要一个I/O 口即可实现微处理器同DS18B20的双向通讯。
2）DS18B20支持组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的单线上,实现多点测温。
3）DS18B20 的测温范围为: - 55℃～+125℃,在-10℃～+ 85℃时, 其精度为+ 015℃。
4）DS18B20的测温结果的数字量位数从9～12位,可编程进行选择。
数字化温度传感器DS1820测温范围为- 55～+125 ℃，增量值为0.5 ℃(9位温度读数)，它主要由4个数据部件部分组成：64位ROM;温度传感器;非易失性的温度告警触发器TH 和TL；高速便笺存储器64 位ROM用于存储序列号，其首字节固定为28H，表示产品类型码，后6个字节是每个器件的编码，最后1个字节是CRC 校验码. 温度告警触发器TH和TL 存储用户通过软件写入的报警上下限值，高速便笺存储
器由9个字节组成，其中有2个字节RAM单元用来存放温度值前1个字节为温度值的补码低8位，后1个字节为符号位和温度值的补码高3位。
（2）DS18B20 测温原理
DS18B20内部结构框图,如图3-4所示。

图2—2 DS18B20内部结构框图
DS18B20 的测温原理：DS18B20 测量温度采用了特有的温度测量技术，它是通过计数时钟周期来实现的，内部计数器对一个受温度影响的振荡器的脉冲计数,低温时,振荡器的脉冲可以通过门电路。而当到达某一设置高温时, 振荡器的脉冲无法通过门电路。计数器设置为- 55℃。同时, 计数器复位在当前的温度值时, 电路对振荡器的温度系数进行补偿, 计数器重新开始计数直到回零。如果门电路仍未关闭, 则系统重复上述过程。
（3）DS18B20的操作协议
DS18B20单纯通信功能是分时完成的。单线信号包括复位脉冲,响应脉冲,写“0”,写“1”,读“1”。它们有严格的时隙概念。系统对DS18B20的操作以ROM命令(5个)和存储器命令(6个)形式出现。对它的操作协议是： 初始化DS18B20发复位脉冲)→发ROM功能命令→处理数据→发存储器命令处理数据。各种操作都有相应的时序图。
DS18B20在使用时，一般都采用单片机来实现数据采集。只需将DS18B20 信号线与单片机1位I/O线相连，且单片机的1位I/O线可挂接多个DS18B20，就可实现单点或多点温度检测。DS18B20传感器精度高、互换性好;它直接将温度数据进行编码，可以只使用一根电缆传输温度数据，通信方便，传输距离远且抗干扰性好：与用传统温度传感器组成的多点测温系统相比可节省大量电缆，而且系统得以简化，系统扩充维护十分方便。DS18B20 可以广泛用于工厂工业过程、大型粮仓、酿酒厂，食品加工厂的温度检测以及宾馆、仪器仪表室等处的温度检测和控制。
2.4.3 单片机型号选择
市场上单片机种类繁多且功能各异，价格也相差很大，现在简单介绍一下我们常用单片机：
① PIC单片机：是MICROCHIP公司的产品,其突出的特点是体积小,功耗低,精简指令集,抗干扰性好,可靠性高,有较强的模拟接口,代码保密性好,大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片。
② EMC单片机：是台湾义隆公司的产品,有很大一部分与PIC 8位单片机兼容,且相兼容产品的资源相对比PIC的多,价格便宜,有很多系列可选,但抗干扰较差。
③ ATMEL单片机(51单片机)：ATMEl公司的8位单片机有AT89、AT90两个系列,AT89系列是8位Flash单片机,与8051系列单片机相兼容,静态时钟模式;AT90系列单片机是增强RISC结构、全静态工作方式、内载在线可编程Flash的单片机,也叫AVR单片机。
④ PHLIPIS 51PLC系列单片机(51单片机)：PHILIPS公司的单片机是基于80C51内核的单片机,嵌入了掉电检测、模拟以及片内RC振荡器等功能,这使51LPC在高集成度、低成本、低功耗的应用设计中可以满足多方面的性能要求。
⑤ HOLTEK单片机：台湾盛扬半导体的单片机,价格便宜,种类较多,但抗干扰较差,适用于消费类产品。
⑥ TI公司单片机(51单片机)：德州仪器提供了TMS370和MSP430两大系列通用单片机.TMS370系列单片机是8位CMOS单片机,具有多种存储模式、多种外围接口模式,适用于复杂的实时控制场合;MSP430系列单片机是一种超低功耗、功能集成度较高的16位低功耗单片机,特别适用于要求功耗低的场合。
综合以上信息，为满足系统设计需要和综合系统造价，以后产品的推广与安装，特选用ATMEL公司生产的AT89S52系列的单片机。
2.4.4 AT89S52单片机参数等相关信息
①AT89S52主要性能
与MCS-51单片机产品兼容；8K字节在系统可编程Flash存储器；1000次擦写周期；全静态操作：0Hz～33Hz；三级加密程序存储器；32个可编程I/O口线；三个16位定时器/计数器；八个中断源；全双工UART串行通道；低功耗空闲和掉电模式；掉电后中断可唤醒；看门狗定时器；双数据指针；掉电标识符。
②AT89S52功能特性描述
AT89S52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AT89S52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。
③AT89S52的引脚结构

图2—3 AT89S52的引脚结构
④AT89S52引脚功能介绍
VCC : 电源
GND: 地
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（P1.0/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）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
引脚第二功能
P3.0 RXD（串行输入）
P3.1 TXD（串行输出）
P3.2 INT0(外部中断0)
P3.3 INT0(外部中断0)
P3.4 T0（定时器0外部输入）
P3.5 T1（定时器1外部输入）
P3.6 WR(外部数据存储器写选通)
P3.7 RD(外部数据存储器写选通)
RST: 复位输入。晶振工作时，RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST 脚输出96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。
ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8 位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。这一位置“1”，ALE 仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个ALE 使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
PSEN:外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。当 AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。
EA/VPP:访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H 到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏VPP电压。
XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。
⑤AT89S52的内部资源
AT89S52 有6个中断源：两个外部中断（INT0 和INT1），三个定时中断（定时器0、1、2）和一个串行中断。这些中断如图10所示每个中断源都可以通过置位或清除特殊寄存器IE 中的相关中断允许控制位分别使得中断源有效或无效。IE还包括一个中断允许总控制位EA，它能一次禁止所有中断。如表5所示，IE.6位是不可用的。对于AT89S52，IE.5位也是不能用的。用户软件不应给这些位写1。它们为AT89系列新产品预留。定时器2可以被寄存器T2CON中的TF2和EXF2的或逻辑触发。程序进入中断服务后，这些标志位都可以由硬件清0。实际上，中断服务程序必须判定是否是TF2 或EXF2激活中断，标志位也必须由软件清0。定时器0和定时器1标志位TF0 和TF1在计数溢出的那个周期的S5P2被置位。它们的值一直到下一个周期被电路捕捉下来。然而，定时器2 的标志位TF2 在计数溢出的那个周期的S2P2被置位，在同一个周期被电路捕捉下来。
AT89S52内部具有看门狗定时器及3个16位可编程定时器/计数器。16位是指他们都是由16个触发器构成，故最大计数模值为。可编程是指它们的工作方式由指令来设置，或者当计数器用，或者当定时器用，并且记数（定时）的范围也可以由指令来设置。这种控制功能是通过定时器方式控制器TMOD来完成的。
存储器结构：MCS-51器件有单独的程序存储器和数据存储器。外部程序存储器和数据存储器都可以64K寻址。程序存储器：如果EA引脚接地，程序读取只从外部存储器开始。对于 89S52，如果EA 接VCC，程序读写先从内部存储器（地址为0000H～1FFFH）开始，接着从外部寻址，寻址地址为：2000H~FFFFH。
数据存储器：AT89S52 有256 字节片内数据存储器。高128 字节与特殊功能寄存器重叠。也就是说高128字节与特殊功能寄存器有相同的地址，而物理上是分开的。当一条指令访问高于7FH 的地址时，寻址方式决定CPU 访问高128 字节RAM 还是特殊功能寄存器空间。直接寻址方式访问特殊功能寄存器（SFR）。例如，下面的直接寻址指令访问0A0H（P2口）存储单元
MOV 0A0H , #data
使用间接寻址方式访问高128 字节RAM。例如，下面的间接寻址方式中，R0 内容为0A0H，访问的是地址0A0H的寄存器，而不是P2口（它的地址也是0A0H）。
MOV @R0 , #data
堆栈操作也是简介寻址方式。因此，高128字节数据RAM也可用于堆栈空间。
2.4.5数码管的选择以及相关的参数
由单片机的定时器To做16位计数器（为便于数据处理，这里只用低8位计数值，即寄存器TL0中的值）。一边记录脉冲数量，一边以厘米为单位由四位数码飞管显示出来。四位数码管采用动态扫描方式显示。长度计量仪采用0.5英寸共阳极连接的LED数码管。

图2—4数码管硬件结构图
LED数码管由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件。右图为LED数码管外形和引脚图，其中7只发光二极管分别对应a-g笔段，构成“日”字形，另一只发光二极管DP作为小数点，因此这种LED显示器称为八段数码管。（如图2-4所示）
共阳极型LED数码管，是将各段发光二极管的阳极连在一起，作为公共端com,应接高电平。a——g、Dp各笔段中，某笔段接低电平时发光，高电平时不发光。
为了节省单片机I/O口的数量，将各位数码管的a——g对应笔画并联起来分别与单片机的P0.0——P0.7引脚连接。显示时，由P2口依次输出各位数字的笔段码，并依次由P2.7、P2.6、P2.5、P2.4、P2.3、P2.2输出低电平位选信号接通数码管的公共端，轮流进行，循环不止，由于循环的频率较高（约50Hz），加上人眼的视觉暂留，既保障了各位数字的对应显示，又不会出现闪烁现象，实现动态扫描显示。
本系统需显示水温，测量范围为0~99℃，用四个八位LED数码管显示。
1）LED结构和显示原理。LED（Light Emitting Diode）显示器是由发光二极管作为显示字段的显示器件，最常见的是由7段型发光二极管（a~g7段）和1个圆点型发光二极管（常以dp表示，主要用来显示小数点）组成的LED显示器，其排列形状如下图所示。这种LED显示器也可称为7段数码显示器（或8段数码显示器）。
LED显示中的发光二极管根据其连接的方法有共阴极和共阳极两种结构。
共阴极结构：把各段发光二极管的阴极连接在一起构成公共阴极，如图a所示。使用时，公共阴极接地，根据要求需点亮发光二极管的阳极输入高电平，不需点亮的发光二极管的阳极输入低电平。
共阳极结构：把各段发光二极管的阳极连接在一起构成公共阳极，如图b 所示。使用时，公共阳极接+5V，根据要求需要点亮发光二极管的阴极输入低电平，不需点亮的发光二极管的阴极输入高电平。
通过控制7个段的发光二极管的亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其他符号。
2）字段码。为了显示各个数字或字符，就需要为LED提供相应的代码，因为这些代码是控制各段的亮或灭，供显示器显示字形的，所以称为字段码（也可以称为段选码或字形码）。
七段发光二极管再加上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED显示器的字段码正好1个字节。各代码位的对应关系如下：
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
Dp
g
f
e
d
c
b
a
表2—1单片机端口对应数码管端口表

下图所示为共阳极LED所显示的不同字符的字段码，测量范围为0~99℃，当温度超出范围时，显示器均显示F。
显示字符
共阴极字段码
0
C0H
1
F9H
2
A4H
3
3DH
4
99H
5
92H
6
82H
7
F8H
8
FFH
9
98H
F
8EH
表2—2共阳极数码管显示对应二进制表

3）N位LED显示器。在单片机应用系统中，实际使用的LED显示器有多个，N位LED显示器的显示要从两个方面来控制：其一是控制N位的字段显示（即显示什么字符）；其二是控制字位（即哪一位到哪一位亮）。由LED的显示原理可知，要使某N位LED显示器的某一位显示某个字符，就必须将此字符转换为对应的字段码来控制该位的8个段，同时，该位的字位线也要控制有效，这要通过一定接口来实现。
LED显示器有两种显示方式，即静态显示方式和动态显示方式。N位LED显示器有N根字位选线（简称：“位选线”）和N*8根字段选线（简称：“段选线”）。根据显示方式不同，位选线和段选线的连接方式也不同。
各种字符的字段码的获取方法有两种：即软件译码和硬件译码法。目前通常所用的各种型号的单片机开发系统或实验装置普遍采用软件译码。
当单片机应用系统中的LED显示器位数较多时，为了简化电路降低成本，本设计采用动态显示的方式。动态显示方式的接口电路的连接方法是：将所有LED位的段选线（a ~ dp）同名并联，即所有a段并联，所有b段并联。依次类推，然后由一个8位I/O接口来控制各个段，而所有位的位选线则由另外一个相应的I/O接口线来控制。这样用两个8位I/O接口就能控制8位LED显示器。
LED显示器是由电流型控制器件，其工作电流为2mA~20mA，使用时须加限流电阻。本设计中限流电阻选用1K。
动态扫描显示控制方式就是逐个地循环点亮各位显示器，即在某一瞬间，只让某一位的位选线处于选通状态（共阳极的为高电平，共阴极的为低电平）其它各位的位选线处于段开状态，同时段选线上输出相应位要显示字符的字段码。这样在每一个瞬间，8位LED中只有选通的那一位LED显示出字符，而其它7位则是熄灭的。同样，在下一瞬间，只显示下1位LED。如此继续下去，等8位LED都显示完毕后，在循环进行。虽然这些字符是在不同的瞬时轮流点亮的，但由于人眼的视觉残留效应，看到的是8位稳定显示的字符，与静态显示的效果完全一样。所以为了简化电路、降低成本，此系统中采用动态显示方式。
2.4.6时钟芯片的选择以及相关的参数
用单片机延时不但不准确而且还会浪费单片机的处理其他信息的时间。当引入时钟芯片后将为整个系统提供准确的实时时钟，使整个系统有更准确，更智能的处理信息。下面将介绍DS1302的相关信息：
① DS1302 简介：
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗的实时
时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI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和RAM
数据。实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小与
31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。工作电压宽达2.5～
5.5V。采用双电源供电（主电源和备用电源），可设置备用电源充电
方式，提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。DS1302的外部
引脚分配如图2—5所示及内部结构如图2所示。DS1302用于数据记录，
特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该
数据的时间同时记录，因此广泛应用于测量系统中。
② DS1302 引脚排布图及内部结构

图2—5 DS1302 引脚排布图

图2—5 DS1302的内部结构
③ 各引脚的功能
Vcc1：主电源；Vcc2：备份电源。当Vcc2>Vcc1+0.2V时，
由Vcc2向DS1302供电，当Vcc2< Vcc1时，由Vcc1向DS1302供电。
SCLK：串行时钟，输入，控制数据的输入与输出；
I/O：三线接口时的双向数据线；
CE：输入信号，在读、写数据期间，必须为高。该引脚有两
个功能：第一，CE开始控制字访问移位寄存器的控制逻辑；其次，
CE提供结束单字节或多字节数据传输的方法。
④ DS1302有下列几组寄存器：
DS1302有关日历、时间的寄存器共有12个，其中有7个寄存器
（读时81h～8Dh，写时80h～8Ch），存放的数据格式为BCD码形式，
如表2—3所示。

表2—3单片机读取寄存器表
小时寄存器（85h、84h）的位7用于定义DS1302是运行于12小时
模式还是24小时模式。当为高时，选择12小时模式。在12小时模式时，
位5是，当为1时，表示PM。在24小时模式时，位5是第二个10小时
位。
秒寄存器（81h、80h）的位7定义为时钟暂停标志（CH）。当该
位置为1时，时钟振荡器停止，DS1302处于低功耗状态；当该位置为
0时，时钟开始运行。
控制寄存器（8Fh、8Eh）的位7是写保护位（WP），其它7位均置
为0。在任何的对时钟和RAM的写操作之前，WP位必须为0。当
WP位为1时，写保护位防止对任一寄存器的写操作
⑤ DS1302的工作模式寄存器
DS1302中附加31字节静态RAM的地址如表2—4所示

表2—4单片机读取RAM表
⑥ DS1302的工作模式寄存器
所谓突发模式是指一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。
突发模式寄存器如表2—4所示。

表2—5单片机读取RAM表
⑦ 读写时序说明
DS1302是SPI总线驱动方式。它不仅要向寄存器写入控制字，还需要读取相应寄存器的数据。要想与DS1302通信，首先要先了解DS1302的控制字。DS1302的控制字如表2—6。

表2—6 DS1302的控制字
控制字的最高有效位（位7）必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入到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（A4～A0）：指示操作单元的地址；
位0（最低有效位）：如为0，表示要进行写操作，为1表示进行读操作。
控制字总是从最低位开始输出。在控制字指令输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从最低位（0位）开始。同样，在紧跟8位的控制字指令后的下一个SCLK脉冲的下降沿，读出DS1302数据，读出的数据也是从最低位到最高位。数据读写时序如图2—6。

图2—6 数据读写时序
⑧

2.4.7其他相关元件的选择以及相关的参数
本系统除了用到了以上原件，还主要用到了像电阻、电容、晶振、按键、蜂鸣器、二极管、三极管、固态继电器、5V直流电源等原件，在此章不再一一介绍。详细应用将在下一章表述。
2.4.8系统整体软件设计思路
在软件设计方面主要注意下列问题：
1． 软件控制系统进行温度显示、液位显示时同时能进行辅助电加热温度控制，辅助电加热时间控制、预约控制等功能。但在辅助电加热温度控制，辅助电加热时间控制、预约控制功能冲突（同时被设定）时，优先完成辅助电加热温度控制。
2． 辅助电加热控制方面，当温度达到上限设定值时停止加热，并通过一声长响提示。
3． 辅助电加热时间控制方面，从零时间开始加热直至加热时间到并通过一声长响提示。
4． 预约控制方面，可设定一天内的加热时机以及何时停止，停止加热时间必须在看是加热时间之后。
5． 当系统开始工作，咱运行加热功能时，如果温度在3分钟内没有变化，则判断加热器损坏。用声光报警器报警提示。
这样软件设计的流程如下：
系统初始化

读取温度信息
读取按键信息
读取时间信息

显示温度水位

是否有功能键按下

否

执行相应按键功能
并显示温度水位
是
声光提示信息并显示温度水位

是否达到要求

是

否

图2—7 程序总体流程图
在第四章将重点介绍软件的详细过程
3.太阳能热水器智能控制器系统硬件方案设计
3.1 系统温度采集电路硬件设计方案
温度采集选用D