【2017年整理】太阳能热水器智能控制器的设计

济南铁道职业技术学院济南铁道职业技术学院毕业论文毕业论文题目题目太阳能热水器太阳能热水器智能控制器的设计智能控制器的设计系别系别电气工程系电气工程系专业专业电气自动化技术电气自动化技术班级班级电气自动化技术电气自动化技术0832班班学生姓名学生姓名董晓飞董晓飞指导老师指导老师王同宏王同宏完成时间完成时间20101225摘摘要要众所周知，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、油、气的储量日益减少，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（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。太阳能单片机控制系统是对其水温与水位的不同进行检测和控制。关键词单片机、太阳能热水器、温控系统目录目录摘摘要要1目录目录2第一章第一章前言（绪论）前言（绪论）311太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析3第二章第二章设计思路及要求设计思路及要求321本设计的目的和意义本设计的目的和意义322设计要求和目的设计要求和目的423本设计实现思路及方法本设计实现思路及方法4第三章第三章硬件设计硬件设计431控制系统组成及工作原理控制系统组成及工作原理432主要原器件介绍主要原器件介绍633AT89S51单片机的最小系统单片机的最小系统1434AT89S51单片机时钟电路单片机时钟电路1535AT89S51单片机复位电路单片机复位电路1536水位检测电路的硬件设计水位检测电路的硬件设计1537水温检测电路的硬件设计水温检测电路的硬件设计1638键盘电路的硬件设计键盘电路的硬件设计1839驱动电路的硬件设计驱动电路的硬件设计21310显示电路的硬件设计显示电路的硬件设计21第四章第四章软件设计软件设计2641软件设计原理及设计所用工具软件设计原理及设计所用工具2642显示子程序显示子程序28第五章第五章系统调试系统调试3051软件调试软件调试30第六章第六章系统功能系统功能3061系统能实现的功能系统能实现的功能2962系统功能测试系统功能测试2963系统功能分析系统功能分析29第七章第七章参考文献参考文献30总总结结31结束语结束语32第一章第一章前言（绪论）前言（绪论）11太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析目前，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。这种控制器只具有温度和液位显示功能，而且为分段显示，温度显示误差为10，水位显示误差为25。这种显示器还称不上控制器不具有温度控制功能，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产生过烧，从而浪费大量的电能。本文设计的太阳能热水器控制器以80C51单片机为检测控制核心，采用DS12887实时时钟，不仅实现了时间、温度和水位三种参数实时显示和FUZZY控制功能，而且具有时间设定、温度设定与控制功能。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。他主要由平板集热器、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。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。第二章第二章设计思路及要求设计思路及要求21本设计的目的和意义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。22设计要求和目的设计要求和目的（1）掌握太阳能热水器的工作原理及实现控制方法；（2）太阳能热水器水位的检测和显示；（3）太阳能热水器温度的检测和显示；（4）太阳能热水器水温的设定和电加热器的控制；（5）太阳能热水器上水水位的设定和控制；（6）编写控制流程图及单片机控制程序23本设计实现思路及方法本设计实现思路及方法水位由潜入储水容器不同深度的水位电极和潜入容器底部的公共电极（导线）检测；并由四个绿色LED发光二极管显示若无水则绿灯不亮；若有四分之一储水箱的水亮一盏绿灯；通过观察绿灯点亮的数量可识别水位的高低，这里取5段显示，也可根据需要进行增减。水温由四个LED数码管显示，前三个数码管显示的为温度最后一个数码管我们只用到了四段码显示为温度的符号C，水温有效值最多可显示为999。第三章第三章硬件设计硬件设计31控制系统组成及工作原理控制系统组成及工作原理系统组成如图31所示，本系统主要由控制器、自动控制阀、手动控制阀、水位检测电极、水温检测传感器、电阻加热丝、储水箱等组成控制器主要通过里面的电磁阀控制YV1和YV2的通断，控制水温检测传感器检测水温、控制水位检测传感器检测水在水箱中的位置以及控制电阻加热丝加热。自动控制阀主要通过控制器控制，当水箱中的水的实际温度大于所设置的温度时，自动阀就自动打开往水箱中上水，直到上到上一个目标水位为止。手动控制阀当自动阀损坏时，可以通过手动阀进行上下水。水位检测电极主要用来检测水箱中水的位置，主要把水箱分成四等分，一共有五个电极，接地的电极放在最水箱的最底下，其余分别放在四等分点上，比如当水箱中的水在第一等分和第二等分之间，则显示水箱中有四分之一的水，当超过第二等分，则显示二分之一的水。水温检测传感器主要用来检测水箱中水的实际温度。电阻加热丝主要用来加热水箱中水，使其达到用户所需要的温度。太阳能热水器利用微机控制主要有以下几种控制功能晨水加热控制、温水循环控制、冷水集热控制、水箱加热控制。（1）早晨水温控制由于清晨太阳光较弱，所以太阳能热水器从系统发挥作用。为了提供温度不低于30摄氏度的水，热水器在清晨47点之间对水箱进行电加热，具体控制过程如下首先，关闭冷水阀门F2和循环水阀门F1，然后微机开始进行水箱的温度采集，同时进行温度的比较，当水箱的温度小于30摄氏度时，电热器D接通进行加热，同时微机继续对热水箱的温度进行采集。当温度加热到大于30摄氏度时电热器断开，如此反复循环保证了温度的稳定。（2）循环水集热过程图31系统组成示意图图图21系统组成示系统组成示意图意图早晨水温控制之后（79点），设定当日的水箱温度N（由两位BCD次齿轮开关设定），输入微机，再利用微机控制系统，通过太阳光能对热水箱加热以达到理想温度N。具体控制过程如下打开循环阀门F1，关闭冷水进水阀门F2，热水阀门F3处于空控状态。然后开始比较温度，若（T3T15摄氏度，T2T1）为止。如若T1N，那么循环水集热过程结束，进入冷水集热控制过程。（3）冷水集热控制此时热水箱温度已达到了N，冷水要进入太阳能集热器，这时温度为T3，和当日的设定温度值相比较，若T3N则将已加热的水送入热水箱，每天的控制时段大概为9点20点。具体控制过程如下关闭循环水阀门F2，打开冷水阀门F2，热水阀门F3处于可控状态。若T3N，打开热水阀门F3并将保持一段时间，若T3N阀门F3继续保持打开状态，否则关闭F3。可见，次过程充分利用太阳光能转化为热能，方便快捷。（4）水箱加热控制此时，也许你会问如果没有日照或者日照较弱时，到了晚上我们是否还能洗上热水澡吗答案是肯定的，不要忘了这款热水器还有一个从系统，这时它就要发挥作用了。热水箱温度为T1，将它和设定值N相比较，从而控制是否打开电加热，控制时段为下午，具体过程如下若T11000次）FLASHROM32个双向I/O口硬件看门狗WDT电路3个16位可编程定时/计数器时钟频率033MHZ两个串行中断5128BIT内部RAM2个外部中断源内置时钟振荡器中断激活睡眠模式3级加密位双重数据存储器软件设置睡眠和唤醒功能322数码管显示由单片机的定时器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05英寸共阳极连接的LED数码管。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AG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33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。AG、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AG对应笔画并联起来分别与单片机的P20P27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P10、P11、P12、P13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0990C，用四个八位LED数码管显示。1）LED结构和显示原理。LED（LIGHTEMITTINGDIODE）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（AG7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，图33LED数码管GFCOMAB10987612345EDCOMCDPDP（A）（B）DPGFEDCBA5V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D7D6D5D4D3D2D1D0DPGFEDCBA下图所示为共阴极LED所显示的不同字符的字段码，测量范围为0990C，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03FH106H25BH34FH466H56DH67DH707H87FH96FHF71H3）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N8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（ADP）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2MA20MA，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。323数字温度传感器数字温度传感器DS18B20主要特性及测温原理主要特性及测温原理一线式数字温度传感器DS18B20是DS1820的更新换代产品由美国DAIIAS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2482181014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55125,在1085时,其精度为015。4）DS18B20的测温结果的数字量位数从912位,可编程进行选择。数字化温度传感器DS1820测温范围为55125，增量值为059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34所示。电源检测64位ROM和单线接口存储器温度传感器高温度触发低温度触发存储器控制逻辑8位CRC触发器图34DS18B20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。324ADC0832转换器ADC0832引脚图（图35）ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。学习并使用ADC0832可是使我们了解A/D转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。ADC0832具有以下特点8位分辨率；双通道A/D转换；输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；5V电源供电时输入电压在05V之间；工作频率为250KHZ，转换时间为32S；一般功耗仅为15MW；8P、14PDIP（双列直插）、PICC多种封装；商用级芯片温宽为0CTO70C，工业级芯片温宽为40CTO85C；芯片图图35ADC0832程序程序占用资源有累加器A，工作寄存器R7,通用寄存器B和特殊寄存器CY。通道功能寄存器和转换值共用寄存器B。在使用转换子程序之前必须确定通道功能寄存器B的值，其赋值语句为“MOVB,DATA”（00H03H）。运行转换子程序后的转换数据值被放入B中。子程序退出后即可以对B中数据处理。325继电器（继电器（RELAY）的工作原理和特性）的工作原理和特性当输入量如电压、电流、温度等达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器。可分为电气量如电流、电压、频率、功率等继电器及非电量如温度、压力、速度等继电器两大类。具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。1、电磁继电器的工作原理和特性电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。2、热敏干簧继电器的工作原理和特性热敏干簧继电器是一种利用热敏磁性材料检测和控制温度的新型热敏开关。它由感温磁环、恒磁环、干簧管、导热安装片、塑料衬底及其他一些附件组成。热敏干簧继电器不用线圈励磁，而由恒磁环产生的磁力驱动开关动作。恒磁环能否向干簧管提供磁力是由感温磁环的温控特性决定的。3、固态继电器（SSR）的工作原理和特性固态继电器是一种两个接线端为输入端，另两个接线端为输出端的四端器件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离。固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型。按开关型式可分为常开型和常闭型。按隔离型式可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型，以光电隔离型为最多。继电器主要产品技术参数1、额定工作电压是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。2、直流电阻是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。3、吸合电流是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的15倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。4、释放电流是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流5、触点切换电压和电流是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。继电器的电符号和触点形式326电磁阀与晶闸管电磁阀是控制元件，主要用来控制气缸。也有分析仪器或者别的喷枪用来直接控制气体。电磁阀分为气动、液压两种，工作方式都是一样的，只是介质不一样。工作原理就是在一个阀体上开几个孔，然后用电磁感应控制阀杆的运动来控制堵哪个孔，或者让哪个孔出气。以此达到控制的目的晶闸管可控的导电开关，与二极管相比，不同之处是正向导通首控制极电流控制OP07低噪声单运放低噪声单运放OP07功能简介功能简介OP07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的单运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2NA）和开环增益高（对于OP07A为300V/MV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。OP07特点特点超低偏移150V最大。低输入偏置电流18NA。低失调电压漂移05V/。超稳定，时间2V/MONTH最大高电源电压范围3V至22V晶振为给单片机提供工作所需要的时钟信号，本设计中采用了6MHZ的晶振。故系统中CPU执行的每一个机器周期为2US33AT89S51单片机的最小系统单片机的最小系统所谓最小系统，即指使单片机能正常工作的所需的最少的电路，即应包含CPU及辅助电路、ROM、RAM及I/O端口等电路。由于AT89S51内部已经包含4KB的FLASHMEMORY程序存储器，所以无需再扩展片外程序存储器。在AT89S51的基础上，加复位电路、时钟电路、EA引脚信号及电源即可。结合资料及所学过的内容，得到如图24所示的单片机最小系统。图36中，晶体振荡器的频率选6MHZ，复位电路采用上电复位，电路参数如图中所示，以满足系统复位时两个机器周期的高电平的要求。由于CPU的内部已含有程序存储器，所以EA引脚接高电平。34AT89S51单片机时钟电路单片机时钟电路该水位自动显示控制器采用AT89C51单片机，机内有一高增益反相放大器，构成自激振荡电路，振荡频率取6MHZ,外接6MHZ晶振，两个电容C1、C2取20PF，以便于起振荡的作用。图37时钟电路447F10K6M20PF5VVCCEAGNDAT89S51RSTXTAL1XTAL220PF5V图36AT89S51单片机最小系统右图中XTAL1为内部时钟工作电路的输入，XTAL2为来自反向振荡器的输出。35AT89S51单片机复位电路单片机复位电路该水位自动显示控制器采用上电复位电路，由R14、C3构成复位电路，在上电瞬间，产生一个脉冲，AT89S51将复位。为保证可靠复位，脉冲宽度应大于两个机器周期，这取决于R、C时间长数。取电容C10UF，电阻R10K。36水位检测电路的硬件设计水位检测电路的硬件设计实验证明，纯净水几乎是不导电的，但自然界存在的以及人们日常使用的水都会含有一定的MG2、CA2等离子，它们的存在使水导电。本控制装置就是利用水的导电性来完成的。我们把储水箱大致分为四个等份，水位由潜入太阳能热水器的储水箱不同深度的水位电极和潜入储水箱底部的公共电极（导线）进行检测；由单片机依次使各水位电极呈现高电平，由公共电极所接的三极管进行电位转换，水位到达的电极，转换电位为低（0）；水位没有到达的电极，转换电位为高（1）；每检测一位便得到一位数据，5个电极检测一遍以后便得到了5个串行数据，然后把这5个数据转化为字节一路送发光二极管；在这里我们可以用发光二极管亮的盏数来显示水位的高低。（若没有发光二极管亮则表示箱内没有水或者只有少量的水，若有一个发光二极管灯亮则表示箱内有四分之一箱的水，以此类推，若有四个发图39水位检测电路光二极管亮，则表示水箱水是满的。）当水位未达到A时，即HA时、这时传感器的总阻值为4R，对应，系统处于缺水状态。当AHB时，传感器电阻阻值为3R，对应，系统处于20水位。当BHC时，传感器电阻阻值为2R，对应，系统处于50水位。当CHD时，传感器电阻阻值为R，对应，系统处于80水位。当HD时，传感器电阻阻值为0，对应，系统处于100水位。其中，环形振荡器产生的方波周期T（或F）可通过单片机P87LPC744BN的两个定时/计数器（T0、T1）来确定，T1用来计数，T0用来定时。37水温检测电路的硬件设计图310水温检测电路本设计温度传感器选用AD590。AD590属于半导体集成电路温度传感器，测温范围55150，在其二端加上一定的工作电压，其输出电流与温度变化成线性关系，1UA/K，误差有几种等级1、05、03，本设计中选取05品种。OP07为高精度运算放大器，AD590电流流经R1、RP1转换为电压信号，R2、RP2为运算负反馈电阻，成反相比例放大器，将温度信号转换成05V的电压信号，ADC0832再将其转换为数字信号，输入CPU。图28为温度检测和A/D转换电路图控制器的操作使用方式自然合理。S1用来切换操作状态。控制器有“直接控制”和“参数修改”两种工作状态。按S1键显示“00”，控制器进入“直接控制”状态，显示“01”、“02”、“03”、“04”分别表示“设定水位上限”、“设定定时上水时间”、“设定定时加热时间”、“设定加热温度”。进入“参数修改”状态后，S2、S3用来修改规定的参数，S1接受本次修改，并切换到下一个参数，S4取消本次修改。进入“直接控制”后，S2用来手动上水，S3用来手动加热，S4用来停止加热或上水若水位已经超过设定水位上限，或水温已经超过设定温度，“直接控制”将不起作用。设定水位上限控制器可以监测6个水位，上限水位可以由用户设置，水位上限设置范围为位置3、4、5、6。设定定时上水时间每天在规定时间检查水位，并上满。若设定时间为00或大于等于24，则取消自动定时上水。设定定时加热时间每天在规定时间检查水温，若水温低于设定温度，则接通电加热器，将水温加热到设定温度。若设定时间为00或大于等于24，则取消自动定时加热。设定加热温度定时加热温度也可以由用户设定，可设定范围为2060。38键盘电路的硬件设计P10P17口作为按键的信号输入端，键按下，就执行该键的功能。其电路如图311所示。（为了编程简单、方便，采用独立式键盘电路）当按钮按下后，电路与地接通时，I/U口与地面相连为低电平。按钮没有按下时，电路不与地面相接，I/U口与电压高端相连为高电平。本设计中采用了共阴极接法，对于显示水温水位的程序作如下说明在动态扫描过程中，调用延时子程序DEL1，其延迟时间为1MS，这是为了使扫描到哪位显示器稳定的点亮一段时间，犹如扫描过程中在每一位显示器上都一段驻留时间，以保证其显示亮度。本设计接口电路是软件为主的接口电路，对显示数据以查表方法得到其字形代码，为此在程序中有字形代码TABLE,从0开始依次写入十六进制数的字形代码。为了进行查表操作，使用查表指令MOVCA，ADPTR，由DPTR提供16位基址，由A提供变址，因此显示数据送A后，再由A送P01P06输出给显示器。键盘输入主程序键盘输入主程序MOVP1,0FH；键盘初始化，；键盘初始化，P10P13置输入方式，置输入方式，P14P17为为0状态状态MOVIE,84H；开；开CPU中断，开中断，开INT1中断中断SJMP；中断等待；中断等待中断服务程序中断服务程序ORG0013；INT1中断入口地址中断入口地址LJMPIO51K16；从中断入口转移键盘处理程序；从中断入口转移键盘处理程序IO51K16IO51K16CALLD10MS；延时；延时10秒秒LCALLKEYIN；调键输入检查子程序；调键输入检查子程序JNZLKOUT；有键输入，转查键号；有键输入，转查键号RETI；无键输入，中断返回；无键输入，中断返回LKOUTMOVR2,0EFH；首列扫描字写如；首列扫描字写如R2MOVR4,00H；首列偏移值如；首列偏移值如R4CONUMOVP1,R2；列扫描字写入列线中；列扫描字写入列线中MOVA,P1；读入；读入P1口状态到口状态到A中中JBACC0,LONE；检查第；检查第0行是否为行是否为0状态，不状态，不为为0表示按下键不在此行，转表示按下键不在此行，转下行下行MOVA,00H；第；第0行为行为0状态，表明按下键状态，表明按下键在此行，首列号如在此行，首列号如AAJMPLKP；转求键号；转求键号LONEJBACC11,LTWO；检查第；检查第1行有无键按下行有无键按下MOVA,04H；有键按下，该行首列号入；有键按下，该行首列号入AAJMPLKP；转求键号；转求键号LTWOJBACC2,LTHRMOVA,08HAJMPLKPLTHRJBACC3,NEXT；该列所有行都无键按下，转；该列所有行都无键按下，转NEXTMOVA,0CH；有键按下，该行首列号入；有键按下，该行首列号入A中中LKPADDA,R4；求键号，键号位首列号加列偏移值；求键号，键号位首列号加列偏移值PUSHA；键号入栈保护；键号入栈保护WKFELACLLKEYIN；等待键释放；等待键释放JNZWKFE；键未释放转；键未释放转WKFE等待等待POPA；键释放，键号如；键释放，键号如ALJMPKJMP；转键操作转处理；转键操作转处理NEXTINCR4；转查下一列，列偏移值加；转查下一列，列偏移值加1MOVA,R2JNBACC7,KND；最后一列查完查完中断返回；最后一列查完查完中断返回RLA；未查完，列扫描字左移；未查完，列扫描字左移1位位MOVR2,A；扫描字如；扫描字如R2继续查找继续查找LJMPCONUKNDRETIKEYINMOVP1,0FH；查完有无键按下，；查完有无键按下，A不为不为0，有键按下，有键按下MOVA,P1CPLAANLA,0FHRETKJMPSUBA,OFHJCWRITETEMPADDA,0FHCLRCSUBA,0EHJCSTORETEMPORTIMEADDA,0EHCLRCSUBA,ODHJCWATERPOISTIONADDA,ODHCLRCSUBA,0CHJCVTEMPADDA,0CHCLRCSUBA,OBHJCSTORETIMERETIORG0003HJMPHEATRET39驱动电路的硬件设计驱动电路的硬件设计在单片机控制系统中，需要用开关量去控制和驱动一些执行元件，如发光二极管、继电器、电磁阀、晶闸管等。但AT89S51单片机驱动能力有限，且高电平比低电平驱动低那六小。一般情况下，需要加驱动接口电路，且用低电平驱动。如图210所示图图312驱动电路驱动电路310显示电路的硬件设计显示电路的硬件设计本设计采用共阳型数码管，8个LED灯如图313中接法，灯的负极依次接到数码管的AF段，采用动态扫描电路，并把显示程序作为主程序。数码管的段用P0口控制，P20口、P23口作为数码管的位控制，P24作为指示灯的控制。图313时钟显示系统输入信号有6个液位信号、1个温度信号、4个触摸键输出信号有4位LED数码管分时显示当前温度和液位，3个位输出控制继电器分别控制上水电磁阀、加热泵、增压泵，1个位输出控制蜂鸣器作为低水位报警信号和其他异常情况报警，2个位输出指示上水、加热状态。用户设定项目有水位上限、热水温度、上水定时、加热定时。设定参数用EEPROM保存，停电后参数无需重新设定。系统具有故障自检功能，电磁阀、加压泵在停水时会自动切断，水位传感器有故障时禁止上水，以免上水时溢出。液位传感器采用ATS173型霍尔元件，若干霍尔元件固定在一个垂直导槽上，浮子带动磁钢沿导槽移动，霍尔元件的输出经过一个电阻网络转换成不同的电压，经ADC通道送入MCU。这样，仅用一个ADC通道可以实现多路数字信号的输入。温度传感器采用负温度NTC型通用热敏电阻，信号经另一路ADC输入MCU。保存设定参数的EEPROM采用HT93LC46，采用串行方式与MCU接口，整个控制器的硬件及对MCU的资源要求降到最低。MCU根据检测到的水位信号、水箱温度信号，以及用户的设定或操作，通过软件进行数值计算和逻辑运算，以确定当前应该进行的操作，并通过输出口控制进水阀、加压泵、加热泵的状态，以实现要求的控制功能。由于SN8P1706的I/O口驱动能力可高达15MA，采用高亮度的LED显示无须再使用驱动器件，可以由SN8P1706的I/O口直接驱动。附录2LED显示子程序显示子程序DISISETBP17灭显示灭显示MOVR0,SBCDMOVA,R0取出要显示的数取出要显示的数ADDA,2DH加上偏移量加上偏移量MOVCA,APC查表取出段选码查表取出段选码MOVSBUF,A送出显示送出显示DL1JNBTI,DL1输出完否输出完否CLRTI完完,清中断标志清中断标志INCR0MOVA,R0ADDA,21HMOVCA,APCANLA,OEFH个位加小数点个位加小数点MOVSBUF,ADL2JNBTI,DL2CLRTIINCR0MOVA,R0ADDA,13HMOVCA,APCMOVSBUF,ADL3JNBTI,DL3CLRTIMOVA,0FFHMOVSBUF,ADL4JNBTI,DL4CLRTICLRP17；亮显示；亮显示RETSEGTABDB11H,0D7H,32HDB92H,0D4H,98HDB18H,0D3H,10H,0D0HXTAL218XTAL119ALE301PSN29RST9P0/AD391/8P02/A373/D6P04/A355/4P06/AD37/2P102P12334P14556P16778P30/RXD101/TP32/IN012/IT3P34/014P37/RD176/W65/T5P27/A528P20/A8211/9P2/A0233/14P24/A255/1366/47UAT89S51D2LEDD3LED4LED5LED6LED7LED8D9CS1H0213GND4VC8LK7I5O6UAC08325VGNDRP15V5VRP2R110KC14N7GND5VR1567185VW1234X1CRYSTALC20PC320PGND5V3267481U3OP0712V12VR230KGNDQ12N3905Q2N3905Q32N905Q42N3905Q52N3905VYVT35VR3360KR4360KR5360KD1IACU4L2065R610KR710KR830KD10LED1LED12LEQ62N17Q72N1C41N20VYV1YV2YV35VR91KR10KR12KGNDQ9013D130AD140A3GNDFU1FU2RL1W72DIPRL2W17DIP20V20R168KR1320KR14K7R1915K5VVCABCDEFGDP第四章第四章软件设计软件设计41软件设计原理及设计所用工具软件设计原理及设计所用工具本次设计主要利用本次设计主要利用C语言编写程序，根据功能的需要进行编程，其中软件设语言编写程序，根据功能的需要进行编程，其中软件设计所用的软件主要是计所用的软件主要是KEILUVISION3软件，软件，PROTEUSISIS软件。软件。热水器不论在什么样的天气里，都能够在设定的时间向用户提供设定温度的热热水器不论在什么样的天气里，都能够在设定的时间向用户提供设定温度的热水，从而给用户带来便利。当控制器在设定的时间使水温达到设定温度时，将水，从而给用户带来便利。当控制器在设定的时间使水温达到设定温度时，将通过声光报警提醒用户。通过声光报警提醒用户。根据这一要求，控制器软件设计采用模块化结构，包括主程序、键盘中断子程根据这一要求，控制器软件设计采用模块化结构，包括主程序、键盘中断子程序、序、DS12887更新周期结束中断子程序、更新周期结束中断子程序、LED显示子程序和提前加热时间计算子显示子程序和提前加热时间计算子程序等。系统主程序主要完成温度和水位的检测以及进行辅助加热时间预算和程序等。系统主程序主要完成温度和水位的检测以及进行辅助加热时间预算和一些初始化功能。在主程序中采用了查表方法进行辅助加热提前量预算。一些初始化功能。在主程序中采用了查表方法进行辅助加热提前量预算。系统主程序流程图如图系统主程序流程图如图4所示。所示。图图41系统程序流程图系统程序流程图对于温度和时间设定，对于温度和时间设定，每次设定结束后，每次设定结束后，就将设定值存入就将设定值存入DS12887的非的非易失性易失性RAM中，下次开机时进行读取。这样作至少有两个优点一是系统在不中，下次开机时进行读取。这样作至少有两个优点一是系统在不进行设定时，就认定该设定值和先前一次一样，解决了每次开机总要从头设定进行设定时，就认定该设定值和先前一次一样，解决了每次开机总要从头设定的问题，另一个是若系统在运行中间停电而再次来电时，可以不用重新设定，的问题，另一个是若系统在运行中间停电而再次来电时，可以不用重新设定，就能按原设定值对温度进行控制，增强了控制器适应外界变化的能力。对提前就能按原设定值对温度进行控制，增强了控制器适应外界变化的能力。对提前加热时间的计算，则是系统能否实现预定功能的重要一环。因为系统采用分段加热时间的计算，则是系统能否实现预定功能的重要一环。因为系统采用分段式水位检测，若采用能量守恒的方法对提前加热时间进行预算，也同样得不到式水位检测，若采用能量守恒的方法对提前加热时间进行预算，也同样得不到精确的结果。为了避开繁琐的计算过程，本系统中采用了模糊控制思想，使用精确的结果。为了避开繁琐的计算过程，本系统中采用了模糊控制思想，使用了如下一些控制语句了如下一些控制语句IF水位高水位高AND温度差大温度差大THEN加热时间长加热时间长IF水位适中水位适中AND温度差适中温度差适中THEN加热时间适中加热时间适中IF水位低水位低AND温度差低温度差低THEN加热时间少加热时间少采用这种思想后，可以用实验方法获得各种情况下需要加热的时间，采用这种思想后，可以用实验方法获得各种情况下需要加热的时间，编制编制成表格。使用时，只要查表获得提前加热时间就行了。显然，表格分得越细，成表格。使用时，只要查表获得提前加热时间就行了。显然，表格分得越细，控制就越准确。本控制器采用温差每等于控制就越准确。本控制器采用温差每等于5为一格，为一格，就能满就能满足控制要求了。为了减小误差，试验表明，可以采用如图足控制要求了。为了减小误差，试验表明，可以采用如图5的方法。的方法。图图42水位监测处理示意图水位监测处理示意图实验中，用水位达到实验中，用水位达到B1时的结果代替水位达到时的结果代替水位达到A1时的结果，时的结果，B2代替代替A2，B3代替代替A3，B4代替代替A4。这样，。这样，CPU读入的读入的A1水位查表后得到的预加热时间是实水位查表后得到的预加热时间是实验中水位在验中水位在B1处的时间。经过这种处理，会把由于分段检测而产生的计算误处的时间。经过这种处理，会把由于分段检测而产生的计算误差减小一半，由原来的差减小一半，由原来的H变成了变成了H/2H为分段水位检测间隙为分段水位检测间隙。如果水箱水深为。如果水箱水深为40CM，分，分8段检测，此种处理方法的计算将使水位误差由原来的段检测，此种处理方法的计算将使水位误差由原来的5CM变成了变成了25CM。这种误差对于民用的热水器来说，已完全能够满足要求了。这种误差对于民用的热水器来说，已完全能够满足要求了。42显示子程序显示子程序分析表明，移位寄存器分析表明，移位寄存器74LS164仅有串入并出作用没有译码功能。因此，在编写仅有串入并出作用没有译码功能。因此，在编写显示驱动程序之前，首先需要计算列写出与本电路对应的显示驱动程序之前，首先需要计算列写出与本电路对应的LED段选码段选码，然后由，然后由89C52的的P30口送入口送入74LS164的串行输入端，再并行输出到的串行输入端，再并行输出到LED的段选端。需要的段选端。需要指出的是，上面显示电路采用指出的是，上面显示电路采用TOS28106BHK型号的共阳极型号的共阳极LED显示器，根据显示器，根据PCB印印制线路板的连线方便，其制线路板的连线方便，其LED的的8个段选端与个段选端与74LS164的并行输出口即的并行输出口即8根段选线根段选线的连接没有遵照通常的规律，而是如图的连接没有遵照通常的规律，而是如图35所示的段排列为所示的段排列为7、6、4、2、1、9、10、5，相应的段选码也要重新计算，如显示字符，相应的段选码也要重新计算，如显示字符0的段选的段选码为码为11H。电路中设计了。电路中设计了4位位LED显示器，其功能为左首位为百位数或标志位，显示器，其功能为左首位为百位数或标志位，左二位为十位数，左三位为个位数，左四位为小数点后的十分位数。据此，给左二位为十位数，左三位为个位数，左四位为小数点后的十分位数。据此，给出如图出如图43所示的显示子程序框图。所示的显示子程序框图。图图43显示子程序框图显示子程序框图第五章第五章系统调试系统调试51软件调试软件调试软件的调试主要通过软件的调试主要通过KEILUVISION3软件进行操作，对程序编写过程中的错软件进行操作，对程序编写过程中的错误进行查找，找出错误，进