毕业设计（论文）-基于单片机的太阳能自动上水取水控制系统设计.doc

1 河河南南理理工工大大学学 毕业设计（论文）任务书毕业设计（论文）任务书 专业班级 电子信息工程 12-03 班 学生姓名 一、题目 基于单片机的太阳能自动上水取水控制系统设计 二、起止日期 2016 年 2 月 29 日至 2016 年 6 月 6 日 三、主要任务与要求 1.选取 stc89c52 单片机设计出最小控制系统以实现对太阳能上水和取水 的控制及报警功能。 2.采用蓝牙模块，通过手机蓝牙 app 实现对蓄水加热装置的远程控制。 3.完成 stc89c52 单片机控制系统电路设计；并且完成按键电路、信息采 集电路、显示电路等功能模块电路及接口电路的设计。 4.完成系统下位机的软件设计和硬件设计。 5.完成系统硬件焊接和调试，实现自动上水取水和远程操作功能。 6.撰写毕业设计说明书。 指 导 教师 张培玲 职称 副教授 学 院 领导 签字（盖章） 2 2016 年 3 月 25 日 河河南南理理工工大大学学 毕业设计（论文）评阅人评语毕业设计（论文）评阅人评语 题目 评 阅 人 职称 3 工作单位 年 月 日 河河南南理理工工大大学学 毕业设计（论文）评定书毕业设计（论文）评定书 题目 指 导 教师 职称 4 年 月 日 河河南南理理工工大大学学 毕业设计（论文）答辩许可证毕业设计（论文）答辩许可证 答辩前向毕业设计答辩委员会（小组）提交了如下资料： 1、设计（论文）说明 共 页 2、图纸 共 张 3、指导教师意见 共 页 4、评阅人意见 共 页 经审查， 专业 班 同学所提交的毕 业设计（论文） ，符合学校本科生毕业设计（论文）的相关规定，达到 毕业设计（论文）任务书的要求，根据学校教学管理的有关规定，同意 参加毕业设计（论文）答辩。 指导教师 签字（盖章） 年 月 日 根据审查，准予参加答辩。 5 答辩委员会主席（组长） 签字（盖章） 年 月 日 河河南南理理工工大大学学 毕业设计（论文）答辩委员会（小组）决议毕业设计（论文）答辩委员会（小组）决议 学院 专业 班 同学的毕业设计（论文）于 年 月 日进行了答辩。 根据学生所提供的毕业设计（论文）材料、指导教师和评阅人 意见以及在答辩过程中学生回答问题的情况，毕业设计（论文）答 辩委员会（小组）做出如下决议。 一、毕业设计（论文）的总评语 二、毕业设计（论文）的总评成绩： 三、答辩组组长签名： 答辩组成员签名： 答辩委员会主席： 签字（盖章） 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 i 年 月 日 摘摘 要要 目前社会上，太阳能热水器的使用非常广泛，在其使用过程中不可避免的 要用到控制器来控制热水器的工作，包括上水、加热、开关等。但是市面上现 有的控制器存在很多缺点。一般的控制器有加热，自动上水，水温水位等显示 功能。本文所制作的控制器是以单片机为核心，结合水位水温传感技术，完成 全天候不间断提供热水。而且具备防止空烧和高低水温水位报警功能。除此之 外还增加了远程操作功能。在单片机控制的基础上基于安卓系统的蓝牙远程控 制。将手机与控制器进行远程连接，通过调用 api 能够对附近蓝牙设备进行搜 索，并且返回设备的硬件地址、建立连接和断开连接等工作来实现通过手机虚 拟按键对控制器进行上水、加热等操作。在下位机选用 hc-06 蓝牙串口模块作 为无线传输媒介，以水位水温传感器作为信息收集模块，同时采用 ch340 进行 模拟信号和数字信号的转换。 关键词：关键词：单片机；蓝牙远程控制；传感器；测控仪 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 ii abstract with the development of the society, peoples living standards improve. the solar water heater for hot water use is a product of the request. inevitable in the process of its use for controller to control water heater work, including water, heating, switch, etc. but the existing controller on the market there are a lot of defects. general controller with heating, automatic water, temperature, water level display. made in this paper the measurement and control instrument based on single chip microcomputer as the core, combined with the water temperature sensing technology, achieve uninterrupted provide all-weather hot water; and qualified to prevent air to burn and water level of high and low temperature alarm function. in addition to strengthen the function of remote operations.on the basis of the single-chip microcomputer control based on the android bluetooth remote control. remote connection via mobile phones and the measurement and control instrument, by calling the api to implement the search for bluetooth devices nearby, the hardware address of the device, connect, disconnect, in order to realize the virtual buttons by mobile phones for water, heating operations such as measurement and control instrument. this article mainly introduces the single-chip microcomputer measurement and control of the solar water heater instrument hardware, software design and debugging methods and content. 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 iii key words: mcu; bluetooth remote; sensor; measurement and control instrument 目目 录录 摘 要i abstract.ii 1 绪论1 1.1 选题的背景和意义.1 1.2 研究现状及发展趋势.1 1.3 本文所做工作及章节安排.2 1.3.1 本文所做工作 .2 1.3.2 章节安排 .2 2 太阳能自动上水取水控制系统总体方案设计3 2.1 系统设计的总体方案.3 2.2 系统设计的基本功能 3 2.3 系统元器件选取原则.4 3 太阳能自动上水取水控制系统硬件设计电路6 3.1 系统硬件总体框图 6 3.2 单片机最小系统电路设计 6 3.4 水温检测装置电路设计 .10 3.5 ad 转换电路设计 .10 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 iv 3.6 通信及显示模块 .13 3.6.1 显示模块 lcd1602 13 3.6.2 通信模块蓝牙 hc-05.15 3.7 电源电路 .17 3.8 继电器模块 .18 3.9 usb 转串口 .19 3.10 按键电路 21 4 太阳能自动上水取水控制系统软件设计.23 4.1 下位机程序设计思路及流程图23 4.2 下位机编程环境24 4.3 水温水位检测26 4.4 太阳能液位显示及通信 .28 4.5 上位机蓝牙控制30 5 系统调试与分析.31 5.1 系统程序调试31 5.1.1 调试中遇到的问题 32 5.1.2 问题分析与解决方案 32 5.2 硬件故障排除32 6 结论与展望.35 6.1 结论35 6.2 展望35 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 v 致 谢.37 参考文献.38 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 1 1 1 绪论绪论 1.11.1 选题的背景和意义选题的背景和意义 能源是一个社会发展的基础，但是在全国的经济发展过程中，能源的的消 耗也不断增加。很多能源都是不可再生的。能源的紧缺成为了各个国家面临的 严重问题。而且在过多的化石能源的使用下，不断地出现很多环境问题。因为 化石能源的使用造成的环境问题给人们的生活带来很大的影响。比如全球变暖， 冰山融化导致气候上升，水平面升高等问题。还有雾霾，臭氧层空洞等问题都 给人们的身体健康和生活带来了很大的影响。所以新能源的开发就显得尤为重 要。而太阳能的使用就是新能源开发中比较重要的一项能源。太阳能不仅取之 不尽，而且无污染，比较环保。同时可以实现随地取之，不需要运输。只要有 太阳的地方就会有用不完的太阳能。而且对环境无任何污染。 一开始太阳能的使用就是用于热水的加热。现在太阳能的热水加热系统已 经广泛应用了。太阳能热水系统主要元件包括收集器、储存装置及循环管路三 部分。随着人们对于生活品质的追求，对于控制水位，温度的装置就有了更高 的要求。简单的加热，调节已经不能满足人们的要求了。本文就是通过对这个 装置进行改进以达到人们的要求：精确，方便，安全。这个装置统称为太阳能 热水器控制器，对于控制器的改进可以更好的方便人们的生活，实现科技为人 的理念。 1.21.2 研究现状及发展趋势研究现状及发展趋势 一直以来，太阳能热水器的智能化只是处在一个初级阶段或者理论阶段， 同各家电产品相比太阳能热水器的发展比较缓慢。太阳能热水器一直处于基础 的吸热保热这个层面，这一点让人们很难理解。因为太阳能热水器已经得到了 广泛的应用。事实上，太阳能的智能化已经悄悄地进入人们的生活。现如今， 很多的太阳能制造商都已经意识到智能化的太阳能在人们的使用中具有举足轻 重的地位。与此同时，生产厂家也在逐步将智能化的太阳能取代传统太阳能。 随着中国经济的发展和老百姓生活条件的不断改善，洗浴已经成了人们生活中 必需的步骤，热水器的诞生实现了人们在家中享受澡堂的愿望。但是，近年来， 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 2 由于能源紧缺、环境污染的加剧，太阳能热水器因为节能环保的，受到广市民 的欢迎，成为人们的家中必备品。然而，人们对热水器的要求越来越高，在智 能化方面尤为突出。有 80%的普通太阳能热水器使用者反应，上水时一般都是 用手动按键去进行操作，热水用的少的时候三四天才一次上水。这给用户带来 了很大的困扰。也给开发商提出了挑战和商机。 一开始太阳能的使用就是用于热水的加热。现在太阳能的热水加热系统已 经广泛应用了。太阳能热水系统主要元件包括收集器、储存装置及循环管路三 部分。随着人们对于生活品质的追求，对于控制水位，温度的装置就有了更高 的要求。简单的加热，调节已经不能满足人们的要求了。本文就是通过对这个 装置进行改进以达到人们的要求：精确，方便，安全。这个装置统称为太阳能 热水器控制器，对于控制器的改进可以更好的方便人们的生活，实现科技为人 的理念。 1.31.3 本文所做工作及章节安排本文所做工作及章节安排 本文在内容上是按照设计实验及制作流程进行书写，包括具体操作项目， 使用材料，实验方案流程等详细记录。章节安排则根据具体项目操作来书写的。 1.3.11.3.1 本文所做工作本文所做工作 本文所做工作是对于设计项目的详细记录和解说。包括设计思路，设计流 程，实验准备，实验过程，实验结果的记录。其中硬件方面，对其进行详细的 介绍和使用说明。软件方面，包括程序思路和流程图解，以及部分程序解释。 实验部分则包括对项目的结果检测，错误分析和更正。最后则是项目总结和前 景展望。 1.3.21.3.2 章节安排章节安排 本文书写对于章节的安排，采取分类安排。第一章，绪论部分简单介绍了 该项目的背景，现状和发展趋势。第二章，介绍了太阳能自动上水取水控制系 统的总体方案设计。其中包括系统总体方案、基本功能和系统元件的选取原则。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 3 第三章，主要介绍系统硬件电路设计。第四章，则是对系统的软件进行分析， 包括上位机、下位机以及检测、显示和通信软件设计。第五章，包括系统的调 试和分析。其中，对于故障故障排除和问题分析具有详细的介绍。第六章，就 是对于整个项目的总结和对项目的发展预期。整个章节安排都围绕项目分级展 开，便于理解。 2 2 太阳能自动上水取水控制系统总体方案设计太阳能自动上水取水控制系统总体方案设计 2.12.1 系统设计的总体方案系统设计的总体方案 整个系统的电路设计根据性能的要求可以设置为四大部分，各个部分以单 片机为核心构成外围电路。 1按键电路:按键在单片机在各种领域运用相当广泛，所以通过按键进行人 机交流，它在电路中控制太阳能手动上水和加热。 2太阳能水温水位检测电路：太阳能实现自动上水，显示水温，需要通过 太阳能水位检测电路，获得水位水温值，测得的是模量，需要通过 pcf8591 进 行 ad 转换，获得数字量，进行自动控制。 3蓝牙模块 hc-05：蓝牙模块是下位机和上位机进行通讯的桥梁，通过蓝 牙连接，将测得的数据传到上位机进行显示。 4lcd1602 显示模块：lcd1602 是下位机的显示模块，构成下位机人机交汇 的界面，显示太阳能自动上水控制系统的状态。 2.22.2 系统设计的基本功能系统设计的基本功能 太阳能自动上水取水控制系统包括上位机部分和下位机部分。上位机部分 可以给出指令向下位机发送信号，下位机再根据上位机的指令信号给其控制的 模块做出相应的指令，同时将信息反馈给上位机。总体达到一个以单片机为核 心的太阳能测控仪的控制系统。 太阳能自动上水取水控制系统主要实现对太阳能热水器的三种控制方式。 第一种是基本的手动控制，即通过手动按键对太阳能上水，加热等项目进行控 制；第二种是通过单片机对水温水位的传感器采集的信息进行判断做出的相应 指令，实现智能化控制；第三种是通过手机上的虚拟按键对太阳能测控仪进行 远程控制。 在远程控制操作方式中采用手机蓝牙控制，蓝牙是一种低功率，短距离的 一种通信方式。蓝牙可以以低成本构成移动设备和固定设备之间的无线通信环 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 4 境。蓝牙通信在近几年发展非常迅速，在各种通信技术中也都得到了广泛的应 用。在此项目中即实现手机和测控仪设备之间的无线通信。在试验过程中需要 分别对这三种功能进行测试，确保功能实现。当三种操作同时进行的时候选择 手动优先，其次是单片机自主控制，最次是远程操作控制。这种优先级的处理 是通过一定的生活经验考虑得出的。由于现在智能手机的发展迅速，智能手机 成为每个人的标配。手机按键也被触屏所取代。之前的手机可以凭借手指触觉 和按键记忆实现“盲”操作。而如今的大屏触屏则很难实现这一点。人们在生 活中总会出现不知不觉拨通某个人的号码，或者在浑然不觉的情况下对某个应 用进行操作。如果因为不小心对测控仪进行操作，在水量不足的时候进行停止 上水操作，就会出现干烧，严重的时候可能会产生爆炸。如果在水温加热到一 定温度，因为失误操作继续加热，一方面是对能源的浪费；另一方面，持续沸 腾的水也会产生有害物质，危及人们的身体健康。为了避免不小心对测控仪进 行的偶然操作，就将远程操作的优先级排到最后。单片机的自主控制是保证太 阳能安全工作的基础。在安全的基础之上可以进行人工按键控制。任何智能化 家电都是服务于人，所以对于人工主观意识的按键控制给予最高的优先级别。 其次，单片机会在人工控制的基础上保证太阳能使用安全。 项目中对水温水位的传感要求比较高。要求水位显示呈现百分比形式，分 五个段位：20%，40%，60%，100%。因为上水会引起水位浮动，导致水位不稳， 同时因为温度不同，水的体积也会发生变化。所以在水位显示中选择比较合理 的四分百分制。避免这些因素影响水位显示出现波动。在水温控制中，水温传 感通过热敏电阻实现。选择灵敏度比较高的热敏电阻，增加水温显示的准确性。 水温显示采用摄氏度，最高显示为 100。 2.32.3 系统元器件选取原则系统元器件选取原则 太阳能自动上水取水控制系统要使用的元器件主要有主控芯片 stc89c52、 太阳能水位测量模块、蓝牙模块 hc-05、继电器模块、显示模块 lcd1602。对于 太阳能自动上水取水控制系统的选取原则，主要是确保太阳能自动上水取水控 制系统的稳定性，以及监控系统开发的经济性原则，使系统安全高效的进行。 对于主控芯片，采用 stc89c52，因为这款芯片处理速度快，一般情况下其 时钟频率是 11.0592mhz，并且其内部资源众多，拥有串口、定时器、外部中断 等资源，并且其使用的是 5v 电压，内部功耗低。相对于其他控制装置，比如 plc，其适合开关逻辑控制，具有众多的 i/o 接口，也支持模拟量的输入，但其 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 5 体积庞大，运算速度低，即使抵挡的 s7-200 组装成一个系统也要千元以上，并 且其主要应用场所是进行开关量逻辑控制，对于冶金、印刷等流水线控制具有 良好的性能，但对于检测装置却不理想。dsp 处理速度快，其性能比 stc89c52 卓越，但其外部电路构造复杂，产品开发周期长，不适合作为太阳能自动上水 取水控制系统的主控芯片。 由于阳能自动上水取水控制系统使用蓝牙发送信息，在单片机系统中，实 现数据收发需要使用蓝牙模块，对于蓝牙模块的选择，本系统选择了 hc-05， 因为 hc-05 采用 at 指令，利用串口进行通讯，使得程序的开发难易程度降低， 开发周期减小，并且蓝牙模块传输速率快，传输距离远，支持三种模式，对于 开发近距离传输的系统，是首选。并且蓝牙模块其电源采用的是 5v 供电，其 at 指令也是 5v 的规格定义高低电平，所以结合蓝牙模块，我们综合的选择了 stc89c52 作为我们太阳能自动上水取水控制系统的主控芯片。 对于水位检测模块，我们选择的是太阳能水位检测计作为液位的检测模块， 太阳能水位检测计能够检测水位、水温等，其检测精度高，且模块工作稳定， 能够以模拟量形式输出。其检测范围为根据检测液体的高度而定,液位检测是太 阳能自动上水取水控制系统的主要环节，因此要选择稳定性好的模块。 对于下位机的显示模块,我们选择 lcd1602 作为显示屏，我们使用的是 16*2 的液晶显示屏，其可以使用 2 行，显示的类型多样，更重要的是，我们使用的 stc89c52 内部含有众多 i/o 引脚，所以，通过 i/o 引脚，我们可以直接利用并 行的方式控制 lcd1602 的显示。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 6 3 3 太阳能自动上水取水控制系统硬件设计电路太阳能自动上水取水控制系统硬件设计电路 3.13.1 系统硬件总体框图系统硬件总体框图 图 3-1 系统总框图 由图 3-1 可知，太阳能自动上水取水控制系统有九部分组成：蓝牙通信模 块，app 上位机，stc89c52 中央处理器，水位水温检测单元，键盘模块，报警 模块，继电器模块，显示模块组成。中央处理器是下位机的核心，其对采集的 水位水温信号进行处理，将模拟值转化为数字值，存储在内部寄存器。信号采 集处理完毕之后，经由蓝牙模块传输到上位机，上位机对采集到的信息进行显 示。当水位达到一定程度，下位机的报警装置及蜂鸣器就会发出报警信号，通 知操作人员有水位满足条件，进行及时的处理。 3.23.2 单片机单片机最小系统电路设计最小系统电路设计 stc89c52 是 stc 公司生产的一种低功耗、高性能 cmos8 位微控制器，具有 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 7 8k 在系统可编程 flash 存储器。组成部件有微处理器（cpu） 、数据存储器(ram)、 程序存储器(rom/eprom)、i/o 口、串行口、定时器、计数器、中断系统及特殊 功能寄存器(sfr)。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 cpu,使得 stc89c52 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。 其芯片引脚图如图 3-2 所示。 图 3-2 stc89c52 芯片引脚图 p0 端口（p0.0p0.7，3932 引脚）：p0 口是一个漏极开路的 8 位双向 i/o 口。作为输出端口，每个引脚能驱动 8 个 ttl 负载，对端口 p0 写入“1” 时，可以作为高阻抗输入。在访问外部程序和数据存储器时，p0 口也可以提供 低 8 位地址和 8 位数据的复用总线。此时，p0 口内部上拉电阻有效。在 flash rom 编程时，p0 端口接收指令字节。而在校验程序时，则输出指令字节。 验证时，要求外接上拉电阻。 p1 端口（p1.0p1.7，18 引脚）：是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口。p1 的输出缓冲器可以吸收或者输出电流方式驱动 4 个 ttl 输入。对端 口写入 1 时，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电位，这是可用作输入口。p1 口作输入口使用时，因为有内部上拉电阻，那些被外部拉低的引脚会输出一个 电流。 p2 端口（p2.0p2.7，2128 引脚）：p2 端口是带内部上拉电阻的 8 位 i/o 端口。p2 的输出缓冲器可以驱动 4 个 ttl 输入，即为吸收或输出电流的方 式，当对 p2 端口写 1 时，会通过内部的上拉电阻将端口拉到高电平。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 8 rst（9 引脚）：复位输入。 ale/（30 引脚）：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。 （29 引脚）：外部程序存储器选通信号是外部程序存储器选通信号。当 at89c51rc 从外部程序存储器执行外部代码时，在每个机器周期被激活两次， 而访问外部数据存储器时，将不被激活。 ea/vpp（31 引脚）：访问外部程序存储器控制信号。 xtal1（19 引脚）：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。 xtal2（18 引脚）：振荡器反相放大器的输入端。单片机的组成部件：微处 理器（cpu） 、数据存储器(ram)、程序存储器(rom/eprom)、i/o 口、串行口、 定时器、计数器、中断系统及特殊功能寄存器(sfr)。 stc82c52 单片机最小系统如图 3-3 所示。 图 3-3 stc89c52 最小系统 stc89c52 单片机的最小系统组建非常简单，需要单片机芯片、晶振，已经 按钮和电容，单片机需要外部提供一个 5v 的电压源给单片机系统供电，当系统 获得电源之后，在晶振电路提供的时钟信号作用下，系统开始运行，在系统刚 上电时，rst 引脚需要接高电平，这里面的高电平就是给系统供电的 5v 电压， 在电容和电阻的作用下，系统在上电时，其 rst 的引脚电压是 5v，随着电容供 电的饱和，电容开路，rst 引脚的电压变为 0v，此时最小系统由复位状态转变 t2/p1.0 1 t2ex/p1.1 2 p1.2 3 p1.3 4 p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 rst 9 rxd/p3.0 10 txd/p3.1 11 int0/p3.2 12 int1/p3.3 13 t0/p3.4 14 t1/p3.5 15 wr/p3.6 16 rd/p3.7 17 xtal2 18 xtal1 19 gnd 20 p2.0 21 p2.1 22 p2.2 23 p2.3 24 p2.4 25 p2.5 26 p2.6 27 p2.7 28 psen 29 ale/prog 30 ea 31 p0.7 32 p0.6 33 p0.5 34 p0.4 35 p0.3 36 p0.2 37 p0.1 38 p0.0 39 vcc 40 stc89c52 stc89c52rc +5v x2 x1 gnd 12 x1 x2 c1 22pf c3 22pf +5v gnd c4 10uf r11 10k s5 sw-rst 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 9 为正常工作，对于晶振电路，我们采用 11.0592mhz 的时钟频率，在晶振旁边需 要提供两个电容，一般在 33pf 左右即可，我们选择了 22pf 电容作为晶振电路 组成。当电路在运行时，如果需要电路复位，按下按键 sw 即可，此时 rst 引脚 重新回到高电平，经过短暂时间电路变为低电平，达到复位的目的。 3.33.3 水位检测装置水位检测装置电路设计电路设计 传感器就是把人们看到，感受到的信息通过电路设计，转变成可以测量到 的具体数值。一般的传感器通常是由两部分组成：敏感原件和转换原件。传感 器需要完成信息的测量，存储和传输等功能。比较微小和智能，是实现自动化 的首要部分。水位传感器就是将水位信息转换成电流信息，传送水位信号；水 温传感器也是如此。水位检测实物如图 3-4 所示。 图 3-4 太阳能液位检测计 水位传感器就是将水位这一直观的视觉信息通过转换电路，转换成可以测 量的电流或者电压信息的仪器。根据水的导电性来设计电路。具体的做法是在 容器边缘垂直放入测量电路。电阻等距离分布在容器边缘，由于水的导电性。 在水位变化的时候，水会对电路造成短路影响，使总体阻值减小，根据欧姆定 律：u=ir。在电压不变的情况下而增大电流。此时就将水位信号以电流的形式 输送给单片机了。其电路连接图如图 3-5 所示。 c h0 1 c h1 2 c h2 3 c h3 4 a0 5 a1 6 a2 7 gnd 8 sda 9 sc l 10 osc 11 ext 12 agnd 13 vr ef 14 aout 15 vc c 16 ad *ad子子 +5vcc gnd sc l sda gnd 1 2 kf-2 w ater *子子子子 +5vcc r 2 1k gnd 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 10 图 3-5 水位传感示意图 3.43.4 水温检测装置水温检测装置电路设计电路设计 温度传感器是利用物质本身随温度变化所引起的物理性质的变化，从而通 过测量物理性质的变化就可以将温度变化表现出来。主要是通过热敏电阻来进 行温度传输。热敏电阻是有两种不同的导体或半导体组合成的电阻。将两个不 同的电阻组合成一个回路。在节点处温度不同就可以产生电动势，改变组合电 阻的导电性，通过测量电路的电压或者电流变化可以表现水温的变化。下图为 水温传感电路图。 图 3-6 水温传感电路图 3.53.5 adad 转换转换电路设计电路设计 a/d 转换器是将连续变化的的模拟信号转为数字信号，是连接模拟信号和数 字信号的桥梁。a/d 转换器的主要类型有：逐位比较型、积分型、计数型、并 行比较型、电压-频率型等。根据本项目的要求选择模拟信号转换成数字信号， 即 a/d 转换器。选用 pcf8591 的 8 位模数转换器。该芯片是单片、单电源低功 ch0 1 ch1 2 ch2 3 ch3 4 a0 5 a1 6 a2 7 gnd 8 sda 9 scl 10 osc 11 ext 12 agnd 13 vref 14 aout 15 vcc 16 ad *ad子子 +5vcc gnd scl sda gnd 1 2 kf-2 temp *子子子子 +5vcc r2 1k gnd 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 11 耗 8 位 cmos 数据采集器件，一共具有 4 个模拟输入端口、一个输出端口以及一 个串行 i2c 总线接口。有三个硬件的编程地址 a0、a1 和 a2，可以将 8 个器件 连接到 i2c 总线，而且不需要其他的硬件。所连接上的器件通过 i2c 总线交流 地址、控制和数据信息。器件功能包括多路复用模拟输入、片上跟踪和保持功 能、8 位模数转换和 8 位数模拟转换。最大转换速率取决于 i2c 总线的最高速 率。其实物如图 3-7 所示。 图 3-7 pcf8591 一个输出和一个串行 i2c 总线接口。3 个地址引脚 a0、a1 和 a2 用于编程硬 件地址，允许将最多 8 个器件连接至 i2c 总线而不需要额外硬件。器件的地址、 控制和数据通过两线双向 i2c 总线传输。引脚图如下图 3-8 所示。 ain0ain3:4 路模拟输入，项目只通过地址线选通两路。a0 a2：硬件地址 输入端。直接接地。vss 是接地端，vcc 接电源。vree 是参考电源接口。与 vcc 一同接入 5v 电源。sda 和 scl 分别是数据信号输入输出和时钟信号输入。osc 是振荡器的输入输出端，agnd 为接地端。aout 是模拟信号输出端。ext 是外部 /内部转换振荡器输入端。 c h0 1 c h1 2 c h2 3 c h3 4 a0 5 a1 6 a2 7 gnd 8 sda 9 sc l 10 osc 11 ext 12 agnd 13 vr ef 14 aout 15 vc c 16 ad *ad子子 +5vcc gnd sc l sda gnd 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 12 图 3-8 pcf8591 典型应用 pcf8591 使用的是 i2c 通信，i2c 通信需要有固定的地址，这样主机才能通 过发送地址来跟 ic 芯片进行通信，对于 pcf8591，其地址的设定有 a0、a1、a2 三个引脚进行选择，a0、a1、a2 是地址的低三位，这部分是可编程部分，会有 固定部分，通过这三位的设置，我们只知道，一个单片机里面可以挂 8 个 pcf8591。 发送到 pcf8591 的第二个字节将被存储在控制寄存器，用于控制器件功能。 控制寄存器的高半字节用于允许模拟输出，和将模拟输入编程为单端或差分输 入。低半字节选择一个由高半字节定义的模拟输入通道。如果自动增量标志置 1，每次 a/d 转换后通道号将自动增加。 如果自动增量模式是使用内部振荡器的应用中所需要的，那么控制字中模 拟输出允许标志应置 1。这要求内部振荡器持续运行，因此要防止振荡器启动 延时的转换错误结果。模拟输出允许标志可以在其他时候复位以减少静态功耗。 选择一个不存在的输入通道将导致分配最高可用的通道号。所以，如果自 动增被置 1，下一个被选择的通道将总是通道 0。两个半字节的最高有效位（即 bit 7 和 bit 3）是留给未来的功能，必须设置为逻辑 0。控制寄存器的所有位 在上电复位后被复位为逻辑 0。d/a 转换器和振荡器在节能时被禁止。模拟输出 被切换到高阻态。ad 转换是将数字量转化为模拟量，pcf8591 具有四路 ad 转换 和一路 da 转换。 pcf8591 利用 i2c 总线进行数据收发节约了大量的端口，使得芯片的尺寸比 较小，内部集成度却比较高，对于 da 装换，输入数字量，经过内部的比较电路， 就可将数字量转化为模拟量。 c h0 1 c h1 2 c h2 3 c h3 4 a0 5 a1 6 a2 7 gnd 8 s da 9 s c l 10 os c 11 ext 12 agnd 13 vr ef 14 aout 15 vc c 16 ad *ad子子 gnd +5v s da s c l s da 1 2 kf-2 water *子子子子 1 2 kf-2 temp *子子子子 r 14 20k r 13 10k gnd gnd +5v +5v 1 2 p1 header 2 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 13 图 3-9 ad 转换器的电路连接 模拟输出电压由自动清零单位增益放大器缓冲。这个缓冲放大器可通过设 置控制寄存器的模拟输出允许标志来开户或关闭。在激活状态，输出电压将保 持到新的数据字节被发送。片上 d/a 转换器也可用于逐次逼近 a/d 转换。为释 放用于 a/d 转换周期的 dac，单位增益放大器还配备了一个跟踪和保持电路。 在执行 a/d 转换时该电路保持输出电压,对应的该部分在系统中的电路连接如图 3-9 所示。 3.63.6 通信及显示模块通信及显示模块 3.6.13.6.1 显示模块显示模块 lcd1602lcd1602 信息采集处理完后，就需要信息显示。这就要用到电子显示屏。显示屏有 两种：lcd 和 led。lcd 液晶显示器主要是用玻璃和背光模组组成。这片玻璃是 由液晶填充在两个很薄的玻璃片之间，下面是一块 lcd 的玻璃。液晶模组就是 由玻璃和背光模组组合起来的。发光二极管也就是 led 在液晶显示器中提供光 源。它位于背光模组中。 另外一种光源就是灯管,原理都一样。光源通过背光 模组上的各层材料来扩散。简单来说:led 是一种用发光二极管做光源的液晶显 示器； lcd 用灯管做光源的液晶显示器。本质上的原理没有什么区别。本项目 则选择 lcd 液晶显示器，与 led 相比,lcd 颜色比较好；使用功耗相对较低；尺 寸比较小可以节约成本。在 lcd1602 显示中，我们需要使用 lcd1602 显示检测 到的液位深度和水温温度，其实物如图 3-10 所示。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 14 图 3-10 lcd1602 lcd1602 包括 16 个引脚，vdd 是电源正极，vss 是电源负极，vl 是 lcd1602 的电源偏压设置，rs 是数据读写命令，当对该位写 0 是，是写数据，当对该位 写 1 时，读取 lcd1602，ea 是使能信号，当该位被置 1 时，lcd1602 有效，此 时 lcd1602 被选中，可以进行读写操作。d0 到 d7 是数据为，通过并行线可以 向 lcd1602 写入数据，同时也可以向 lcd1602 写入命令。bla 是背光正极，blk 是背光负极，通过滑动变阻器可以改变背光的敏感程度。对 lcd1602 的操作就 是对 lcd1602 寄存器的操作，通过配置相关的寄存器，即可实现 lcd1602 的显 示。 lcd1602 常用的命令有清除显示，此命令一般用来在 lcd1602 初始化时，对 lcd1602 进行清屏，通过该命令，存储在 lcd1602 里面的字符被清除，lcd 只显 示空格。在 lcd1602 进行显示之前，需要输入命令打开 lcd1602 的显示界面， 否则其无法显示屏幕，通过命令行 rs 我们可以配置 lcd1602 是写入命令还是写 入数据，当该位为低时，我们写入的是命令，通过 d0 到 d7 八位数据线向 lcd1602 中写入命令，同理当 rs 置高时，我们此时执行的是想 lcd1602 写入数 据，八位数据线提高了 lcd1602 的读写速度，相对于串行传输方式，虽然占用 i/o 引脚，但数据的传输速率大大提高，并且本系统所使用的单片机引脚资源 充足，故采用并行数据传输。lcd1602 的配置，需要根据 lcd1602 的数据手册， 数据手册详细介绍了 lcd1602 的配置，通过插座，我们可以将 lcd1602 和 stc89c52 单片机相连。对于实物的连接，我们使用了 altium designed6.9 进 行 pcb 制作，使得系统的运行更加稳定。其原理图连接如图 3-11 所示。通过网 络标号，我们将 lcd1602 连接到了单片机引脚上，滑动变阻器可以调节 lcd1602 的显示背光，通过调节滑动变阻器的阻值即可改变其明亮程度。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 lc d1602 gnd +5v gnd r s gnd lc den d0 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 gnd +5v r 9 1k 12 3 r es-3 r es-3 +5v 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 15 图 3-11 lcd1602 原理连接 3.6.23.6.2 通信模块蓝牙通信模块蓝牙 hc-05hc-05 无线蓝牙串口模块选择是蓝牙模块。用来实现手机和单片机的通讯。hc-05 主从一体蓝牙模块采用 csr 主流蓝牙芯片，蓝牙v2.0 协议标准；串口模块工作 电压 3.3v 3。波特率默认出厂 9600，用户可设置。工作电流：配对中为 30ma，配对完毕通信中为 8ma。不休眠，还可用于 gps 导航系统，水电煤气抄 表系统，工业现场采控系统。也可以与蓝牙笔记本电脑、电脑加蓝牙适配器、 pda 等设备进行无缝连接。 蓝牙模块是这次设计中的一个关键所在，它是实现上位机和下位机通信的 模块，利用蓝牙，可以将下位机检测到的数据传输到上位机上，对于蓝牙模块 的使用，首先需要设置蓝牙的模式，蓝牙有主从模式，对于主从模式的选择， 需要蓝牙模块的开发板进行设置，在蓝牙模块上，有一个小按键，当按键按下 时，即可进入到 at 指令，at 指令可以对蓝牙的模式进行选择，在太阳能监控 系统中，我们需要将蓝牙模式设置成从模式，在蓝牙模块上电前，需要按住蓝 牙模块的小按键，一直按着不松开，将蓝牙模块通过 ch340 模块，及 usb 转串 口模块，和电脑通讯，在连接时，按键一直按下，蓝牙模块通电后，便进入到 at 指令，进入 at 指令之后，便可通过蓝牙调试助手设置蓝牙的模式，蓝牙的 模式包括主从，因为 hc_05 是主从一体机，可以通过蓝牙调试助手设置蓝牙， 选择蓝牙的从机模式按钮，在设置时，蓝牙配对需要密码，一般情况下，蓝牙 的密码设置为 0000 或者 1234，方便应用成语配对，也便于记忆，避免长时间 不使用蓝牙，造成蓝牙配对忘记密码。在所有设置成功之后，点击跟新蓝牙即 可，所有设置通过蓝牙调试助手写入蓝牙模块。蓝牙实物如图 3-12 所示。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 16 图 3-12 蓝牙模块 hc-05 蓝牙在进行使用时，要先进行测试，测试时，ch340 和蓝牙模块需要将数据 收发和接受端对接，及采用交叉连接，这是测试成功的电路连接条件。当电路 连接成功之后，打开手机蓝牙助手，搜索附近的蓝牙，发现一个蓝牙名称为 qq 的，这个就是本次使用的蓝牙，如果没有发现，需要对蓝牙进行重新配置，在 配置时，一定的要将蓝牙设置成从模式，不然蓝牙即使检测到，也无法收发收 据。检测到蓝牙进行配对连接之后，蓝牙可以通过 ch340 的调试助手和手机 app 的蓝牙调试助手通信，正常情况下，蓝牙通讯应该不会发生错误。蓝牙测 试距离一般在 15 米左右，不用超距离进行测试，否则通信无法完成。电平逻辑 有 ttl 电平和 rs232 电平，在数字信号里面，一般用二进制进行数据表示，因 此，对于实际的电平，需要转化为逻辑值，ttl 电平规定，+5v 为逻辑 1,0v 为 逻辑 0，在相应的电压附近允许有一定的误差。可以看出，ttl 电平是正逻辑电 平。 rs232 电平是电脑常用的逻辑电平，内部采用正负 12v 电压，-12v 到-3v 等价于逻辑“1“，+3v 到+12v 的逻辑电平，等价于逻辑“0“，是典型的负逻辑电 平。了解电平逻辑之后，这就是为什么在调试蓝牙模块时要使用 ch340 进行电 平转换。对于蓝牙模块 hc-05，它有 6 个引脚，包括正负电压引脚 vcc、gnd， 蓝牙收发引脚 txd、rxd，以及一个蓝牙连接状态引脚，当有蓝牙连接时，其电 平会发生改变。其连接电路如图 3-13 所示。 1 2 3 4 5 6 b luetooth +5v gnd rxd txd gnd led1 led 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 17 图 3-13 蓝牙连接图 我们可以利用一个 led 指示灯指示蓝牙连接。最后一个引脚是空引脚，目 前对于该引脚还没有利用，方便以后蓝牙扩张。太阳能控制系统使用的是主从 一体蓝牙，其可以设置蓝牙的模式，在蓝牙上有一个按键，一个 led 灯，当进 行设置时及进入到 at 指令时，需要长按按键在进行供电，进入 at 指令时，led 的闪烁变慢，此时说明进入到 at 指令，即可进行各种模式的设置。其设置模式 如图 3-14 所示。 正常使用时，led 的闪烁频率较快， ，对于蓝牙的供电，一般要求 3.3v 到 5v，供电电压不应过大，应保持内部电流不大于 30ma，否则会烧坏蓝牙模块， 电压太小也会达不到蓝牙工作时所需的功率。蓝牙在田野等没有遮蔽物的地方， 其通讯距离可达 10m，有时更远。蓝牙在使用时，不用了解内部的蓝牙协议， 使得蓝牙开发周期短，在进行通讯时，只要使用的单片机具有串口，就可和蓝 牙进行数据的收发。对于常用的串口，我们一般采用 9600，一位停止位，没有 奇偶效验，采用这种常用的串口收发模式，当然蓝牙的收发速度可以更高，其 范围为 4800bps1382400bps，但传输速率高对于单片机的性能要求更严格，因 此在满足太阳能控制系统性能的条件下，我们选择了常用格式。 河南理工大学毕业设计（论文）说明书 18 图 3-14 蓝牙主从模式设置 3.73.7 电源电路电源电路 在太阳能自动上水取水电路中，我们需要提供 5v 的稳定电源，一个完整的 太阳能自动上水取水系统需要一个完整的供电系统，由于工业用电使用的是 220v 的交流电，所以，在太阳能自动上水取水控制系统中，我们使用了 220v 转 5v的电压转化电路,其实物如图 3-15 所示。 图 3-15 220v 电源模块 中需要一个独立电源来提供板子的正常运行。因为项目所做的是产品模 型，使用电压为 5v，就采用一个独立电压模块。对于 220v 的交流电，通过 变压器模块，将其降到 5v 左右，外部采用稳压芯片，以及桥电路，将交流电 转化为直流电，由于稳压芯片的存在，使得电压比较稳定，通过两个大电容 对得到的直流电压进行滤波，在稳压芯片和大电解电容的作用下，即可得到 稳定在 5v 左右的电压，此电压可以供给单片机使用。 3.83.8 继电器模块继电器模块 继电器室一种自动开关，通过用小电流去控制大电流。主要用于自动控制 方面的电路。这种电子控制器件在整个控制电路中可以对电路进行调节，也可 以保护电路或者进行电路转换。当输入的某个量值达到规定的预设值时，可以 控