太阳能热水器水位控制电路设计

东海科学技术学院本科生毕业论文太阳能热水器水位控制电路设计张洋东海科学技术学院机电工程系，浙江舟山316000摘要随着现代科技的发展，人们对于能源的利用率越来越高，太阳能就是其中最无偿且最环保的论证和确定，和单片机的选择和主要工作原理的介绍。接下来是本设计的核心部分，着重结合理论着重研究了太阳能热水器的水位控制电路的各个组成部分。后面的软件设计也必不可少，最后是对本设计的心得和觉一种，如何合理、高效、最大范围地利用太阳能已经成为21世纪最炙手可热的研究课题之一。本设计以单片机AT89S52为核心，配合RC充放电式水位传感器与一块12864液晶显示器，设计一种数字化且智能化的太阳能热水器水位控制系统。虽然本论文课题是水位控制电路设计，但水位的检测和温度有着密不可分的联系，所以温度的检测模块也是论文必不可少的一部分。此外，文中给出了主控芯片模块、LCD显示板、水位监测控制、电键控制、报警器和电磁阀控制等模块的结构及其工作原理、系统硬件原理图、程序流程图，并结合相应的理论设计进行研究。开头部分阐述的是研究太阳能热水器的必要性和国内外的研究动态，正文开始是设计要求，接着主要是方案的得不足可以加以改进的地方。此设计相对来说比较系统解决了热水器上在水时需人工等待和过量溢水的问题，达到了省时、省水的目的。该系统与传统的太阳能热水器控制系统相比较，具有结构简单、使用方便、价格低廉、抗干扰能力强等特点。关键词AT89S52；RC充放电；智能控制；双机通信东海科学技术学院本科生毕业论文IABSTRACTWITHTHEDEVELOPMENTOFMODERNSCIENCEANDTECHNOLOGY,EFFICIENCYOFENERGYUTILIZATIONISGETTINGHIGHERANDHIGHERSOLARENERGYISBECOMINGTHEBESTONEWHATKINDOFRATIONAL,EFFICIENT,ANDTHEGREATESTEXTENTPOSSIBLEUSEOFSOLARENERGYHASBECOMETHE21STCENTURYMYDESIGNREGARDSTHEAT89S52SCMASTHECORE,COMBININGTHERCCHARGEDISCHARGETYPEWATERLEVELSENSORIDESIGNONEKINDOFDIGITALANDINTELLIGENTCONTROLSYSTEMOFSOLARENERGYWATERHEATERALTHOUGHMYISSUEISABOUTWATERMONITORINGSYSTEM,ISTILLMENTIONEDSOMETHINGABOUTTEMPERATUREMONITORINGCONTENTMYSUBJECTISSTILLMAINLYINWATERMONITORINGTHISSYSTEMCONSISTSOFMAINCHIPMODULES,LCDDISPLAYMODULE,THEWATERLEVELDETECTIONMODULETHETEMPERATURELEVELDETECTIONMODULE,KEYBOARDCONTROLMODULE,ALARMMODULEANDSOLENOIDVALVECONTROLMODULEATTHEBEGINNINGOFTHESTUDYDESCRIBESTHENEEDFORTHESOLARWATERHEATERS,DOMESTICANDINTERNATIONALRESEARCHDEVELOPMENTS,THEFINALPARTOFTHISARTICLEALSOBRINGSUSTHEDESIGNOFREQUIREMENTSTHENARTICLEBRINGSUSTHEMAINDEMONSTRATIONANDDETERMINATIONOFTHEPROGRAM,ANDTHECHOICEOFMCUANDTHEWORKINGPRINCIPLEOFTHEINTRODUCTIONNEXTISTHECOREOFTHISDESIGN,COMBININGTHEORYFOCUSESONTHESOLARWATERHEATERCONTROLCIRCUITOFTHEVARIOUSCOMPONENTSBEHINDTHESOFTWAREDESIGNISALSOESSENTIAL,FINALLY,THELACKOFDESIGNEXPERIENCEANDTHEIMPROVEMENTISPRESENTONOUREYESTHISDESIGNHASRELATIVELYSOLVEDTHEWATERHEATERINTHEWATERWAITINGTOBEARTIFICIALANDEXCESSIVEOVERFLOWPROBLEM,TOTHEPROVINCE,THEPROVINCIALWATERPURPOSESTHESOLARWATERHEATERSYSTEMCOMPAREDWITHTRADITIONALONESHASMANYADVANTAGES,WITHASIMPLESTRUCTURE,EASYTOUSE,LOWCOST,BETTERSTABILITYANDSOONKEYWORDSAT89S52SCM；RCCHARGEDISCHARGETYPE；THEINTELLIGENCECONTROL；SCMTWOMACHINECOMMUNICATION东海科学技术学院本科生毕业论文II目录第1章绪论111前言112国内外研究动态113太阳能热水器智能水位控制系统整体结构介绍1第2章方案论证和单片机的选择321方案论证和方案的选择322水位传感器的选择423单片机的选择6231AT89S52选择和其功能性能6232AT89S52引脚功能介绍6第3章硬件电路设计931水位检测模块9311水位测量原理9312水位检测电路设计1032温度检测模块1133LCD液晶显示模块1433112864液晶14332LCD液晶显示电路设计1634键盘控制模块1735报警模块1836电磁阀控制模块1837双机通信及其他电路设计1938其他电路设计20381晶体振荡电路20382复位电路21383设计总电路图21第4章系统软件设计2441设计思路2442温度测量子程序2543水位测量子程序25东海科学技术学院本科生毕业论文III44LCD液晶显示子程序26结束语27致谢28参考文献29东海科学技术学院本科生毕业论文0第1章绪论11前言地球上的不可再生能源总有一天会消耗殆尽，所以开发和有效利用太阳能这样的环保且资源丰富的能源有着重要的意义。太阳能热水器就是太阳能开发和利用的一大产业，所以完善太阳能热水器也成为最近的研究热门课题。目前太阳能热水器效率和功能上还存在着比较多的问题例如不可缺水，空晒情况下上水会爆炸；春、秋天，水温升高造成水变成水蒸气蒸发，造成热能损失；冬天水温不够，导致热水器成为了摆设。现在人们对家用电器的要求越来越趋向数字化、自动化、智能化。很多国内外太阳能热水器商家为了使自己的产品能在市场上有一席之地，在不断提高太阳能热水器性能的同时，也不断加大力度满足消费者对于太阳能使用方便的要求，于是太阳能热水器的智能化程度也一年比一年高。但是大部分太阳能热水器还是存在着使用不便和小毛病多等问题。本设计是针对上述问题设计的温度控制系统，由AT89S52单片机和一些外围设备，充分运用软件和硬件结合的方法实现了当前水位高度显示、水箱温度显示，以及当水位下降到最低刻度线时自动上水三种主要功能，很好的解决了一些太阳能热水器的通病。12国内外研究动态我国在太阳能热水器的发展迅猛，已经一跃成为太阳热水器第一生产大国，但现状是我国很多企业生产的太阳热水器仍然有着功能单一、数字化低、智能化低的不足。近几年来，市场上陆续出现了一些太阳能热水器监测系统的性能不稳定比如检测误差大、显示器乱码，还有的与电辅助加热装置不能很好配合和太阳能利用率较低等问题，严重影响了用户的日常使用也从而影响到太阳热水器的销售业绩惨淡。所以我认为太阳热水器，有着广阔的发展前景，一款好的监测系统能让整个太阳热水器提高不止一个档次，让企业乐开了花，也给百姓生活带去了方便，是一种双赢的研究。因此，在太阳能热水器水位监测水温检测方面的研究发，应引起足够重视，加大投入一定力量研究开发高质量、性能好的测控产品。在西方，尤其是美国、德国、以色列这些国家在太阳能热水器方面的研发一直比较活跃。以美国欧沃斯利诺依斯公司的发明的全玻璃真空管太阳集热器最为普及，使用了高真空技术，使集热器的热损失比普通平板式太阳能集热器的热损失降低了一大块（该集热器选择性吸收涂层的吸收阳光的效率83）。另一方面还设计专门开发了用于太阳能热水器的先进的应用软件，从而使太阳能热水器技术水平领先我国不少。13太阳能热水器智能水位控制系统整体结构介绍1水位、水温测量电路。这部分用于采集水位水温信号给单片机，是太阳能热水器控制器最关键的部位。东海科学技术学院本科生毕业论文12时间、水位、温度显示和键盘电路。这部分用于系统和人的信息交互。3驱动电路。上水电磁阀、报警电路，是整个系统的执行部分。东海科学技术学院本科生毕业论文2第2章方案论证和单片机的选择21方案论证和方案的选择方案一利用单片机进行水位检测和控制，基于数字电路的全自动控制，其工作过程是被测水位经过模拟信号采集模块进行采样，然后把采样得到的模拟信号送入ADC0804进行A/D转换读如单片机，再由单片机进行处理，得出结果是否启动/停止控制电路执行信号以达到水位的控制，具体硬件流程框图入图21所示。A/D转换输出控制单片机控制水位水位传感器图21方案一具体流程框图方案二采用AT89S52单片机为核心控制器的电路。因为单片机电路结构简单成本低廉、可靠性高，便于实现各个控制功能能很好的完成设计任务。水位检测由本设计使用的RC充放电水位传感器通过检测来实现水位的改变。然后通过A/D转换把信号输入到单片机，获得当前水位显示。水温检测由单片机根据温度传感器（DS18B20）的操作指令和时序读取温度，并送达显示电路显示当前水温。本设计再用三个按键来控制上水的水量，本方案智能化、数字化的太阳能热水器控制系统。具体流程框图如图22。键盘控制输入快显示电路控制电磁阀水温检测水位检测蜂鸣报警A/DAT89S52图22方案二流程框图方案三在方案二的整体思路基础上稍做更改，设计分为房顶和房间，利用两个单片机AT89S52分别控制。楼上的AT89S52主要利用DS18B20进行水温的测量，另一方面RC充放电水位传感器获取的信号经过电压比较传送给单片机1，得出结果，由单片机给出命令来控制电磁阀的开与关，另一方面信号通过双机通信传给楼下的单片机来控制显示电路和报警。同时房间可以通过键盘控制手动控制电磁阀开关、蜂鸣停止和液晶屏幕的开关。具体流程框图如图23。东海科学技术学院本科生毕业论文3房顶AT89S52房间AT89S52水温检测水位检测电压比较键盘输入控制电磁阀显示电路蜂鸣电路双机通信图23方案三流程框图综合以上三种方案，方案一由于缺少温度检测模块，而水温也是影响太阳能热水器很重要的一方面比如说水箱中水温度过高导致水沸腾这时候虽然水所在刻度不是满的，实际上已经溢出，这样说来方案一的设计算不上智能。方案二在思路上没有任何问题，可在实际生活中比较不切实际，因为显示器在楼顶，倘若用户在一楼跑到五楼甚至更高，那肯定不方便，液晶成了摆设，再如液晶这样的电子产品放在房顶风吹雨淋长此以往如果没妥善保护很容易坏掉。方案三是在方案二的基础上完善和加强的，采用单片机键的双边通信，用户只要在楼下的房间里或者卫生间门口就可以看到水位和水温的情况，比起方案二更加方便，也更加合理。其基本工作原理是当用户在使用热水器时，水箱中水位下降到一定刻度值时，单片机会发指令给报警电路，同时打开电磁阀水箱内会水自动上水，水位达到的最高刻度时单片机会控制电磁阀进行放水。当水位下降到低于设定的最低刻度线时，单片机接受此信号并开始执行指令，报警电路工作，同时电磁阀打开，水位不断升高，当达到最高水位时便给单片机发出中断请求，此时电磁阀关闭，停止加水。在上水过程中，在楼下的LCD既可以显示水箱的水位值又可显示水箱内水的当前温度，不仅直观方便，而且精确度高，实用性强。此系统解决了热水器上水时需人工守候和过量溢水的问题，达到了省时、环保、节水的目的。加设的缺水报警系统和液晶显示部分，使整个系统更实用，更趋向数字化、智能化。22水位传感器的选择方案一排阻分档键盘式水位传感器2一种类似键盘电路的分档水位传感器，其原理图如图24所示。排阻式水位传感器的工作原理大致是分别用5根铜针分别置于水箱内的四种不同高度的位置。铜若针不接触水面，其输出为高电平；若铜针与其对应水面接触时则输出为低电平，输出接至电子开关，经过CD4069反向并经74LS244驱动后分别接到AT89S52的P10P13引脚。单片机对这些引脚进行判断后，显示相应的水位值。显示共分4档，每档为满水位的20。用了这种方法可以省去了传统的AD转换器步骤，成本也降低。不过也有个缺点就是精度不高。东海科学技术学院本科生毕业论文4图24排阻式水位检测系统示意图方案二RC充放电式水位传感器测量电路其基本形状如图25所示。3公共水位图25RC充放电式水位传感器示意图从图25中我们可以看到传感器外很形很普通，该传感器一共只有两个端口，第一个端口是公共水位，第二个端口是实际水位端口。观察传感器可知水位传感器有5个与水接触点，我们从上到下依次命名它们为15触点。我们分别测量了触点不同接法时公共和水位两端口之间的电阻，输出电阻值表如下表21。CD406974LS244P10P11P12P13AT89S52水箱东海科学技术学院本科生毕业论文5表21输出电阻值表短接方式无短接1、21、2、31、2、3、41、2、3、4、5输出电阻值极大值25K125K83K63K方案选择以RC充放电式水位传感器来测量水位有较大优势，RC充放电式水位传感器只要两根线就可以，这里相对于排阻法就省下不少的导线，另一方面占用较少的I/O口，仅需两个I/O口就能完成水位检测任务，极大地节约了单片机的I/O口资源。综上比较可见选用第二种方案较为优越。23单片机的选择231AT89S52选择和其功能性能AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS的8位微控制器4，具有8K在系统可编程FLASH存储器。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与工业80C51产品指令和引脚完全兼容得益于它使用高密度非易失性存储器制造技术。单片机AT89S52标准功能8KFLASHROM（数据存储器），256BRAM（程序存储器），32个外部双向输入/输出（I/O）口，三个可编程16位定时器/计数器，一个“看门狗”（WDT）定时器，一个6向量2级中断结构，两个数据指针，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。此外，AT89S52如果降至8HZ静态逻辑操作，可支持两种软件可选择节点模式在掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。在空闲的模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作。232AT89S52引脚功能介绍AT89S52单片机采用双列直排的40条引脚的封装形式。AT89S52的40条引脚中，有2条只用于主电源的引脚，还有2条外接晶振的引脚，另外4条控制和其它电源复用的引脚，32条I/O引脚。如图26是AT89S52单片机引脚图。东海科学技术学院本科生毕业论文6P10/T2EX34578RS9XDINWALVCU图26AT89S52单片机引脚图AT89S52引脚的名称和功能VCC接5V的电源。GND为接地。XTAL1接在外部晶振的一端。在单片机内部是反相放大器的输入端，该放大器构成了片内振荡器。XTAL2接在外部晶振的另一端。在单片机内部接至上述的振荡器的反相放大器的输出端，振荡器的频率是晶体振荡频率。控制信号引脚RST、ALE/PROG、PSEN和EA/VPPRST9脚也就是RESET，复位输入，单片机上电后如果要使单片机复位，只要在该引脚输入24个振荡周期宽度以上的高电平就可达到。图315为该单片机的复位电路图。在通电瞬间，电容C通过电阻R进行充电，RST端出现正脉冲，用以复位。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得单片机复位。单片机正常工作时，此引脚应为不大与05V的低电平。ALE/PROG30脚，地址锁存使能输出/编程脉冲输入端。，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位。当不访问外部存储器程序时，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。PSEN29脚，外部程序存储器读选通信号，低点平有效。当AT89S52由外部程东海科学技术学院本科生毕业论文7序存储器执行外部代码时，每个机器周期中，PSEN信号两次有效，也就是输出两个脉冲。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号不出现。EA/VPP31脚，外部访问允许/编程电源输入端。当EA输入高电平时（接VCC端），CPU执行程序，在低4KB（0000H0FFFH）地址范围内，访问片内程序存储器；当程序计数器PC的值超过4KB地址时，将自动转向执行片外程序存储器的程序。当EA输入低电平（接GND）时，CPU仅访问片外程序存储器。在FLASH编程期间，EA也接收12伏VPP电压。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。输入/输出（I/O）引脚P0、P1、P2和P3P0口P0口是一个双向I/O口并且拥有8位漏极开路的，同时可以驱动8个LS型的TTL负载。对P0写1这个时候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。P1口P1口是一个具有上拉电阻的8位双向I/O口，P1可驱动4个LS型的TTL电平。P1口是专为用户使用的准双向I/O口，作为通用的I/O口输入时应先向端口锁存器写1。P2口P2口是一个双口功能、字节地址为0H、位地址为A0HA7H。P2口作为地址输出线时可以输出高8位到外部存储器，与P0输出的低8位的地址一齐够成16位地址，可以寻址的地址空间为64KB。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时，P2口送出高8位地址。在这种应用中，P2口使用较强的内部上拉发送1。P3口P3口是一个8位双向I/O口具有内部上拉电阻的，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。对P3写1时，内部上拉电阻会把端口拉高，此时可以作为输入口用。作为输入口使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。由于AT89S52的引脚有限，因此在P3电路多了种特殊功能即第二功能。P3口的每一条引脚都可分别定义为第二功能的输入功能或第二输出功能。实际在使用中，一般都是是先按需求优先选择它的第二功能，剩下不用的才作为第一功能口线使用。各引脚的定义如下P30/RXD串行数据输入口P31/TXD串行输数据出口P32/INTO外中断0输入P33/INT1外中断1输入P34/TO定时/计数器0外部计数输入P35/T1定时/计数器1外部计P36/WR外部数据存储器写选P37/RD外部数据存储器读选东海科学技术学院本科生毕业论文8第3章硬件电路设计该系统由主控芯片模块AT89S52、DS18B20温度检测模块、LCD液晶显示模块、水位检测模块、键盘控制模块、报警模块和电磁阀开关模块组成。下面分别对各个模块作具体介绍。31水位检测模块311水位测量原理1检测原理图如图31。水箱水位检测口425K公共充放电口图31RC充放水位传感器原理图它的是利用4个并联的电阻5，电阻随水位变化而变化，每当水面接触一个钢针就会多并联一个电阻，电阻随水位变化而规律的变化。因为单片机会给电容周期性地充电和放电，然后检测接在电容两边的电压的变化。因为我们通过已学的知识可知电容电压的上升或下降时间可表示为TRC，所以可以通过记录下的这个时间来知道电阻的变化，进而进一步可知水位的变化并对其进行显示。东海科学技术学院本科生毕业论文9单片机中的定时器可以提供电压变化时间的纪录，接下来就是如何将电压的变化传递给单片机。本设计与I/O隔离并用中断监测电容电压的电路，这样就需要把电容电压和单片机端口如图32这样隔离开来。DQ锁存器CPQMUX地址/控制VCCVCC读引脚内部总线写入读存储器图32P1口的位结构2电压跟随器6电压跟随器的构成将LM358的正向输入端接入电容电压正端，反向输入端则与输出相连。电压跟随器的特点输入阻抗高，输出阻抗低，使得输入几乎不受输出影响，所以能启到很好的隔离作用。3比较器采用LM393为比较器加以5V给其供电，由于LM393的输出为集电极开路，它的输出高电平与LM393的电源无关，但须接外部电源和上拉电阻。需要电压跟随器进行隔离的原因和必要性因为AT89S52单片机的INTO、INT1本身就具备上拉电阻，INTO、INT1的内部结构类似于上图32，并且LM393的反相输入端输入和同相输入端输入间有着相互钳位作用，而5V电源分压电阻给予3V参考带电平对反相输入端输入有钳位作用，因此接了LM358电源跟随器并且不与电容直接相连，就不会影响电容电压的变化，这便是必须接电压跟随器的必要性。电压跟随器和比较器的接法如图33所示。312水位检测电路设计水位传感器采用电压跟随器与电压比较电路相结合实现。由于水的高低也有一定的电阻，如图33，当水位较低时，传感器将信号传给单片机P24端口，输出低电平信号输入到U7A电压相应变的小（低于6V），1脚输出低电平，经过U7A电压跟谁器，输入到U7B反相输入端，与U7B同相端电压进行比较，在同相端设置的基准电压为6V，输出高电平，作用于P23端口制成高电平，AT89S52接受到高电平信号后，将指令给P27端口，制成高电平，使三极管导通，继电器吸合，电磁阀门开始工作。当水位过高时，传感器将信号传个单片机，由P24输出一个高电平信号，U7A电压跟随器输出一个12V电压，输入给U7B电压比较器反相端，与同相端进行电压比较输出一个低电平信号即（P23端口置成低东海科学技术学院本科生毕业论文10电平），通过AT89S52将指令传给P27端口，将其置成低电平，此时继电器断开，电磁阀门停止工作。10/T2EX345678RS9XDINWALVCUMBGKES传PFA图33水位检测电路32温度检测模块温度传感器的主要特点是功能单一、测温精良、价格低廉（10快钱左右）、响应反应快、传输距离远、功耗小、易配处理器等优点，非常适合远距离测温和控制，外围电路简单且不需要进行非线性校准。太阳能热水器温度传感器有很多，本设计本来可选用热敏电阻来使用，他具有负温度系数的热敏电阻来测水温，热敏电阻与普通电阻不同，它具有负的温度特性，当温度升高时，电阻值减小等优点，它的应用是为了测量温度。但由于取材方面的原因，也考虑到经济成本我选用了型号为DS18B20的温度传感器，这是市场上很多见并且应用范围很广的一种温度传感器，因为它独特的单线接口，且具有精准度高、稳定性强、廉价等好处，因此我设计中用DS18B20作为温度传感器。DS18B20的简介及特性7DS18B20数字化温度传感器是美国DALLAS半导体公司生产的世界上第一种单总线接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ONBOARD）专利技术。全部传感元件及转换电路集成在形如一只三级管的集成电路内。DS18B20相对于传统的温度传感器具有性能好、微型化、微功耗、稳定性强等优势，尤其适用于多点温度的测量。DS18B20拥有912位测温分辨率，精度为05。DS18B20可直接将温度转化成串行数字信号，因此特别适合和单片机配合使用，直接读取温度数据。DS18B20温度与数字对应表如表2所示。目前DS18B20数字温度传感器广泛应用于粮库、恒温室、计算机机房温度监控及其他各种温度测控系统中。如下表32为DS18B20温度于数字对应表。东海科学技术学院本科生毕业论文11DS18B20可编程温度传感器采用3脚PR35封装，其中GND为接地线，DQ为数据输入输出接口，通过一个较小阻值的上拉电阻与单片机相连。VCC为电源接口，既可由数据线提供电源，又可由外部提供电源，范围可为3055V，本设计使用的是外部电源供电。表32DS18B20温度与数字对应表DS18B20的引脚图和封装如图34所示。温度二进制数据输出十六进制数据输出125000001111101000007D0H8500000101010100000550H25062500000001100100010191H10125000000001010001000A2H0500000000000010000008H000000000000000000000H051111111111111000FFF8H101251111111101011110FF5EH2506251111111001101111FE6EH551111110010010000FC90H东海科学技术学院本科生毕业论文12DALLAS18B20123GNDDGVCC123TO92DS18B20图34DS18B20的引脚图和封装DS18B20的引脚介绍DQ为数字信号输入/输出端。开漏单总线接口引脚。在寄生电源中，也可以向器件提供电源。GND为接地。VDD外接供电电源输入端，在寄生电源接线方式时此引脚必须接地。DS18B20的主要特性一个端口引脚便可实现通讯。每个DS18B20器件有对应且唯一的64位的序列号。不需任何其他外部原器件就可以单独实现多点测温。可以通过数据线供电，供电范围为30V55V，测温的范围为55125（67257），当1085范围内精确度为5。可编程为9位12位A/D转换精度。用户可定义的非易失性温度告警设置，告警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件。可应用在温度控制、工业系统、温度计或着其他温度感知测量系统。DS18B20内部结构主要由四部分组成分别为64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL两种寄存器、配置寄存器。DS18B20的内部结构如图35所示。东海科学技术学院本科生毕业论文1364位ROM单总线接口存储器和控制逻辑缓存温度传感器高温触发器低温触发器配置寄存器8位CRC发生器电源检测内部VPP寄生电源电路VPUGGNDDQVDD图35DS18B20的内部结构框图DS18B20仅仅使用一根单线端口进行通讯。在单线端口的条件下，首先要建立ROM协议，才能进行存储和控制操作。光刻ROM中的64位序列号是出厂前就被光刻好的，是DS18B20的地址序列号，使每个DS18B20都有各不相同，这样就可以在一根总线上挂多个DS18B20了。其中的温度传感器完成对温度的测量。内部的存储器，包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM，后者存放高温度和低温度触发器TH，TL和结构寄存器。配置存储器则主要用来设置它的工作模式和分辨率。测温原理如图37所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图36中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。东海科学技术学院本科生毕业论文14累加器预置比较计数器1低温系数晶振预置0温度寄存器计数器20高温系数晶振图36DS18B20的工作原理33LCD液晶显示模块33112864液晶8液晶显示的原理是在电压的作用下使液晶内的有机化合物的排列发生偏转，从而使光的折射角发生偏转，造成透射的程度不同，从而使液晶模块从表面看起来有不同的亮度，所以，液晶必须要在光的照射下才能够显示，这一点与发光二极管从原理上来说是完全不同的。液晶屏显示模块与数码管相比，它显得更为专业、漂亮。随着科技的发展，液晶显示的应用前景将更加广阔，显示效果也是越来越好。液晶显示屏能让这些电子设备的显示更加逼真，目前已广泛应用于电子手表、复印机、IC卡电话机、电脑显示屏、液晶电视等许多方面，尤其是电脑屏幕和液晶电视是最贴近每个人的生活的液晶产品。TS128643液晶显示是基于ST7920来控制显示的，该显示器能够使用串口和并口两种接线方式，可以选择4线和8线两种方式，有64行，每行有128个点。要显示一个完整是汉字最起码要在1616的点阵下才方可完成，换句话说如果你要显示一个完整的汉字需要16行，每行有16个点，而显示一个字符只需要88点阵或者57点阵即可。这样的TS128643液晶如果显示字符的话，每行能显示16个字符，可以显示4行汉字，每行最多能显示8个汉字这，对于我的设计来说已经足够多了，本设计中只需要2行汉字即可。本设计采用的液晶因为是自带字库的，所采用的驱动电路是ST7290，对于其驱动大致可以分为初始化、设置起始显示、数据输送几大块。初始化主要的就是按照芯片手册来，因为那些命令语句的内存单元都是固定的，需要按照手册上的命令语句来完成，不能因为我们自己的喜好来自己修改。其管脚说明如下表33所示。东海科学技术学院本科生毕业论文15表33液晶12864管脚说明管脚符号功能123，16，184567891011GNDVDDNCRSW/REDB0DB7PSBRSTLEDLED接地接入5V电源电压空高数据（低指令）高读（低写）使能端数据线控制模式系统复位背光电源，5V背光电源，0V12864液晶的具体指令介绍DR为数据寄存器简称DR，它们负责存储微机要写到CGRAM或DDRAM的数据，或者存储MCU要从CGRAM或DDRAM读出的数据。因此，可将DR视为一个数据缓冲区，当RS及RW引脚信号为1且ENABLE引脚信号由1变为0时，读取数据；当RS引脚信号为1，RW引脚信号为0且ENABLE引脚信号由1变为0时，存入数据。AC为地址计数器简称AC，负责计数写读CGRAM或DDRAM的数据地址，AC依照MCU对LCD的设置值而自动修改它本身的内容。IR为指令寄存器简称IR，负责存储MCU要写给LCD的指令码，当RS及RW引脚信号为0且ENABLE引脚信号由1变为0时，D0D7引脚上的数据便会存入到IR寄存器中。BF为忙碌信号简称BF，当BF为1时，不接收微机送来的数据或指令；当BR为0时，接收外部数据或指令，所以，在写数据或指令到LCD之前，必须查看BF是否为0。只要把数据写到文本显示RAM中，就能显示文本内容，具体流程如下先设定工作模式，接着信号的检测，再数据的传送。ST7920的显示RAM中提供了8个乘以4行的汉字空间，当RAM进行写入显示在文本时，CGROM、HCGROM与CGRAM的字型就会显示出。ST7920A可以显示三种字型，分别是显示半宽的HCGROM字型、中文CGRAM字型和CGRAM字型，在DDRAM中写入编码来进行设定选择哪种字型，各个字型的详细编码如下半宽字型显示只将一位字节写入DDRAM中，编码范围为027FH。显示中文字形将两字节编码写入DDRAM，编码范围为A1A0HF7FEH传GB或编码为A140HD75FHBIG5的码。显示CGRAM字型需两个字节的编码写入DDRAM中来实现这种字型，总共有四种编码方式它们分别是0000H、0002H、0004H、0006H。LCD液晶显示器与单片机连接基本要注意以下三点1若以CMOS芯片为单片机时不需要电平转换电路来转换；若其单片机为TTL芯片则必须配备电平转换电路。东海科学技术学院本科生毕业论文162模块读或者写控制线为单选，必须加读或者写信号转换电路（对读、写控制线分开的单片机）。3对于模块确定的编码地址，应选择相对应的译码电路。本设计用的液晶4行汉字第一行为温度，第二行为水位，第三行、第四行空缺，在GB2312编码中查询“温度”和“水位”的四个字得到的16位编码分别为CEC2、B6C8、CBAE、CEBB，每个字的编码分为高8位和低8位，写入时先写入高8位，再写入低8位即可。332LCD液晶显示电路设计温度传感器上的信号随显示温度的值的变化将其显示在液晶屏上，如图313，LCD液晶显示电路采用温度传感器将传感器上的信号通过双机通信传送给液晶显示电路，温度传感器接受到温度变化，将信号传到单片机P25端口，单片机将指令给信号发送到端口P31TXD，将其置高电平，DS75452接受到信号，在3脚输出低电平，使光耦导通，输出的低电平，经过非门后，在房间的单片机P30（RXD）接受到高电平信号，P00P07，P10P15输出显示信号，将温度传感器上测得的温度显示在LCD液晶显示屏上。本系统的显示电路如图37所示。10/T2EX567RS9XDINWALVCUG东海科学技术学院本科生毕业论文17图3712864液晶显示电路34键盘控制模块本设计中的键盘控制模块由3个电键组成，分别在单片机应用系统中，通常应具有人机对话功能，能随时发出各种控制命令和数据输入以及报告应用系统的运行状态与运行结果。键盘是操作人员可以通过按键输入数据和命令进行功能设置，它是本系统中不可缺少的输入设备。键盘由一组按键开关所组成。按键开关所组成的键盘可以分为两种形式独立式按键和矩阵式按键。本设计由于按键较少，使用的是独立式按键。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单。当功能键不是很多时，采用该种方式比较合适。独立式按键是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占有一根I/O口线。每根I/O口线的工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。按键电路的设计1按键电路主要控制电电磁阀门的开与关，当S2,按下时，AT89S52的P24，P25，P26置成低电平，通过单片机将TXD制成高电平，输出信号，经过DS75452在3脚由于内部是与非门，近而输出低电平，通过光耦导通，另提个AT89S52的RXD口接收到低电平信号，将P24置成高电平，电磁阀门开始工作。2LCD显示，当S3,按下时，P00P07，P10P15输出高电平，LCD关断。3报警电路，S4按下时，将P16置成低电平，三极管Q5处于截止状态，报警电路不工作。电键连接如图38。P10/T2EX45678RS9XDNWALVCUBGK东海科学技术学院本科生毕业论文18图38键盘控制电路35报警模块蜂鸣器是采用直流电压供电的一种一体化结构的电子讯响器，目前广泛应用于我们的生活中，比如说在电脑、各种报警器、汽车电子设备、电话机、定时器等常见的电子产品中作为发声器。本设计采用的蜂鸣器为电磁式蜂鸣器。电磁式蜂鸣器由振荡器、磁铁、电磁线圈、振动膜片以及外壳组成，电磁式蜂鸣器基本原理是在电源接通后，在电磁线圈和磁铁的相互作用下，振荡膜片周期性地振动发声。因为蜂鸣器通常工作电流比较大，但是单片机I/O口输出的电流很小驱动不了蜂鸣器，所以还得选用的NPN型三极管9013来驱动蜂鸣器。报警电路设计原理当水箱的水位降到一定值时，输出的低电平信号，将AT89S52的P31端口置成低电平，通过双机通信，光耦截止，将信号传送给，将其置成高电平，输出到AT89S52单片机P30端口接受到低电平，单片机通过指令将P16置成高电平，三极管Q5导通，扬声器工作，发出吱吱的声音。同理当水箱的水过高时，P16为高电平，报警电路开始工作。蜂鸣器报警电路如图39所示。Q52N041/TEX678RSXDIWALVCUPEAKRKG图39电磁式蜂鸣器报警电路图36电磁阀控制模块电磁阀在本设计中属于执行器是用来控制流体的自动化基础元件，是执行进水放水的执行部分。电磁阀的组成包括磁铁、线圈和拉杆。基本工作原理是打开电源线圈通电时，东海科学技术学院本科生毕业论文19线圈便产生磁性，近而和跟磁铁相互吸引，磁铁就会拉动拉杆进行电磁阀开和关。当电源关闭时，磁铁和拉杆就得到了复位。电磁阀控制电路基本原理如图310所示当RC充放电水位传感器检测到水位过低时，传感器通过电压比较电路通过AT89S52单片机将P27端口置成高电平输出，使三极管Q1导通，继电器K1吸合，电磁阀门开始工作。此时发光二极管D2亮了，提示，电磁阀门正在工作当中。当数位检测到水位过高时，P23置成低电平，AT89S52控制P27也置成低电平，此时二极管Q1处于截止状态，继电器断开，电磁阀门停止工作，指示灯D2灭掉。图310电磁阀控制电路37双机通信及其他电路设计由于单片机的串行口的电平比较低大概只有5V左右，因此两个单片机之间要实现通信不能直接将TXD和RXD进行直接连接。这样我们选择了DS75452驱动器，原理是提高信号的驱动能力再由电缆传输，就可以实现两个AT89S52单片机进行通信9。DS75452是一个“与非“信号驱动集成电路，在设计中的其主要功能是用来提高TXD输出的串行能力10。2个单片机间的具体双机通信电路如图311，串行数据从DS75452的YI口输出后，通过电缆传送到楼下房间内，通过FOD617光电耦合器隔离后，由光电耦合器的4脚发出一个反相信号，之后这个信号经过SN7414也就是斯密特触发型反相后得到一个适合房间里的AT89S52的RXD适合的信号，这样便完成了从房顶到房间的通信过程。反之从房间的单片机TXD发送信号到房顶单片机也是经过这么一个过程。不过需要注意的是2个单片机中2个给DS75452供电的5V电源不能是同一个电源，而是要分开的，这样才能实现真正意义上的双机通信。N390GLE传MHXKELAYSCIODSP2728脚P2526脚东海科学技术学院本科生毕业论文20P10/T2EX345678RS9XDINWALVCUGBY传KOPTOISLAREK图311双机通信电路图38其他电路设计381晶体振荡电路晶振产生电路11本设计设置的时钟频率设置1US使用采用12M晶振，晶体振荡电路作用是给单片机提供时钟信号，由XTAL1和XTAL2端外接振荡频率为12MHZ的石英晶体作为本设计的定时元件，内部反相放大器进行自激振荡，产生时钟。其电路图如图312所示。东海科学技术学院本科生毕业论文212PC1XTALGND图312晶体振荡电路382复位电路复为电路的作用是使单片机的程序计数器清零12。图313为复位电路。0KR3VSWB图313复位电路383设计总电路图下图314和图315为设计的太阳能热水器水位控制系统的总电路图。由于版面不够大的原因，总电路图由两部分组成，由楼顶单片机（图314）的TXD和RXD分别通过双机通信连接到房间的单片机（图315）的RXD和TXD端口。东海科学技术学院本科生毕业论文22Q12N3904PFCAYXTALP/E5678RSXDIWVUGKB传MHELYIODSOTR图314太阳能热水器水位控制系统总电路图（上）东海科学技术学院本科生毕业论文23Q52N39041PFCAYXTALP/E678RSXDIWVUGKEKRB图315太阳能热水器水位控制系统总电路（下）东海科学技术学院本科生毕业论文24第4章系统软件设计41设计思路软件的作用就是完成对硬件的控制，主程序设计思路软件设计采用各个模块功能分开独立设施的设计方式，将各个功能分成独立模块，有系统和监控程序一起管理执行。本设计的软件包括主程序，键盘扫描子程序，显示子程序，水位测量子程序以及有关的DS18B20的程序。我主要说明了两个最主要的子程序温度测量、水位测量的流程和液晶显示流程。主程序完成功能系统对传感器DS18B20、显示器12864进行初始化，并且读取用户通过键盘设置的最高水位信息，随之系统自动读取当前水位并将当前水位与最高水位进行比较，最后系统执行相应功能，完成后等待下一次的启动命令。当检测到水位低于报警刻度水位时，系统会启动报警电路工作，并且会自动上水至最大水位刻度。本设计的系统整体流程图如图41所示15。初始化键盘扫描测量当前水位显示当前水位水位是否低于预定设置值开电磁阀关电磁阀是否显示当前温度延迟一会开始图41系统总体程序流程图东海科学技术学院本科生毕业论文2542温度测量子程序温度测量由DS18B20温度传感器来完成，温度测量子程序流程如图42所示。DS18B20复位读取温度数据转换显示数据开始结束