太阳能热水器智能控制器-毕业设计.docVIP

南京工程学院 自动化学院 本科毕业设计（论文）题目： 太阳能热水器智能控制器设计 专 业： 自动化 班 级： 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起止日期： 设计地点： 2015年6月Graduation Design (Thesis) Research on the Design of Intelligent Controller of Solar Water Heater ByChen Kang Supervised by Senior Engineer Qu Bo School of Automation Nanjing Institute of TechnologyJune, 2015南京工程学院自动化学院本科毕业设计（论文）摘 要近年来，太阳能热水器的普及面已越来越广，其具有的方便、快捷、节能等特点深受广大用户的青睐。而其智能控制器的逐步改进与完善日趋重要。 本文设计的太阳能热水器智能控制器，主要是针对家用太阳能热水器，它以单片机AT89S52、温度传感器DS18B20、液位传感器为核心，同时增加液晶显示、键盘输入、上下水电磁阀的操控及加热控制等电路。不仅可以实现水温水位的实时显示与设定自动控制功能，而且可以对缺水、过热等故障发出报警提示。完成的工作主要有：(1) 实现最小系统电路、电磁阀、加热丝控制电路、水温水位检测电路、 报警提示电路、电源电路等各个功能模块电路的设计；(2) 实现各个功能模块软件控制程序的设计；(3) 实现焊接和硬件电路的调试；(4) 实现软件程序的调试运行以及软硬件同步联调 硬件设计电路使用Altium Designer 6.9软件，软件程序的设计和调试则使用Keil uVision4软件，二者结合使用，有效地解决了控制器从原理图的设计到仿真调试再到实物制作等一系列相关的问题。关键词: 太阳能热水器；AT89S52；DS18B20；水温水位控制；软件硬件同步 调试ABSTRACT In recent years, the popularity of the application of solar water heaters have been more widely, it has a convenient, fast and energy-saving features by the majority of users of all ages. Gradually improve and perfect their smart controller increasingly important.This design of a solar water heater intelligent controller DS18B20, mainly for domestic solar water heaters, which contains microcontroller AT89S52, temperature sensors, level sensors at the core, while expanding LCD, keyboard, solenoid valve and heating control circuit. Not only can achieve real-time display and set the automatic control of water temperature, and can send out alarm on dry, overheating and other failures. Complete the work as bellows:(1) Completing The control system circuit, The driving circuit, The detecting circuit of temperature and water level, The alarm circuit, The power supply Design of each functional module circuits and roads etc;(2) The completion of each module software control program design;(3) Finishing the installation and commissioning of hardware circuit;(4) The synchronous alignment of software programs and hardware Hardware circuit design using Altium Designer 6.9 software, software design and debug programs using Keil uVision4 software, use a combination of both, to effectively solve the controller from schematic design to simulation debugging a series of related issues and then to the physical production, etc. Key words：Solar Water Heaters; AT89S52; DS18B20; The Control System Of Water Temperature And Water Level; The Alignment Of Software And Hardware .目 录第一章 绪 论11.1 课题诠释和选题依据11.1.1 课题诠释11.1.2 选题依据1 1.2 课题探究背景及国内外发展近况21.3 课题设计的初步分析与构思3第二章 系统总体设计分析52.1 设计目的及要求52.1.1 设计目的52.1.2 设计要求52.2 系统整体设计框图及分析52.3 设计方案论证及选择7第三章 硬件电路设计103.1 AT89S52最小控制系统103.2 键盘输入电路和显示电路113.2.1.键盘输入电路123.2.2.显示电路123.3 水温水位检测电路143.4 电磁阀、加热丝控制电路173.5 报警电路和电源电路183.5.1 报警电路183.5.2 电源电路18第四章 软件程序设计204.1 程序设计原理分析204.2 主程序模块204.3 子程序模块224.3.1 按键处理子程序224.3.2 中断服务子程序244.3.3 水温采集子程序254.3.4 加热控制子程序254.3.5 内水箱补水子程序264.3.6 水位检测子程序274.3.7 外水箱补水子程序284.3.8 报警子程序294.4 程序调试分析29第五章 系统调试分析305.1 系统调试305.2 问题分析与解决31第六章 总结与展望326.1论文总结326.2 未来展望33致 谢34参 考 文 献35附录A：硬件设计原理图与PCB图38附录B：实物展示图41附件：软件程序清单 第1章 绪 论1.1 课题诠释和选题依据1.1.1 课题诠释本次毕业设计选择研究的课题是：太阳能热水器智能控制器设计（Design of Intelligent Controller of Solar Water Heater）。太阳能热水器大都属于贮水式热水器，主要由保温水箱、集热管、加热棒、水温、水位传感器及自动控制和保护系统组成。集热管主要利用冷热水密度不同即热水向上流动而冷水向下沉降的原理，从而使水流产生上下微循环进而达到整体温度的提升，实现光能向热能的转换。其实现的主要功能便是把光能转换成热能，即给水加热至适宜的温度，以满足人们在生活中的种种需求。1.1.2 选题依据目前，太阳能热水器的应用市场已经十分广阔，然而其控制器的深层次研发却一直停留在初级阶段，迟迟没有大的发展。比如市场上流行的太阳能热水器控制器仅拥有水温和水位的显示功能， 而存在这种弊端难免会使得温度和水位的显示误差均偏大。一方面，这种控制器不具有温度调节功能，当接收到的光强不足时，太阳能热水器便无法实现加热功用，从而给用户带来许多的不便之处，另一方面，即便这类热水器具有辅助加热功能，但是也不能很好的控制水温，无法达到用户的要求，同时由于不能良好的控制水位或者需要用户手动的调节水位等问题，因此受到诸多诟病。本文设计太阳能热水器控制器的思路主要通过单片机进行控制，来实现水温水位的自动调节与控制功能。单片机是一台计算机系统浓缩后的集成部件，拥有计算机系统的完整功能，因此它能够被广泛的用于电器的智能控制中，并且取得了良好的效果。在电子技术领域的伊始，我们需要将复杂的大规模电路集成压缩进控制器中，进而保证电器设备的正常运行，但是也因此带来诸多问题，比如携带不便，成本高，生产工艺难以掌握，而且在使用过程中随着某些原有器件的老化，电器中主控系统开始逐渐失去原有的功能。而单片机的出现很好的解决了这些问题，在现代的电子产品设计与开发中，将单片机嵌入电器的控制部件中就能够实现对电器一定的智能控制，不仅使成本大大降低，而且实现的技术要求不高，使用寿命也有所增加。在生活步调日益加快的当今社会，应用单片机特有的性能实现智能控制已经成为人们解决生活问题的不二选择1。 本文设计的控制器可以根据天气的具体实际情况，同时利用辅助加热电路使储水箱内的水可以在较为短暂的时间内达到用户设定的温度，在光照强度较大时，利用太阳光能给水加热，在光照强度较弱水温达不到预定的要求时，则利用电辅助加热。从而实现24小时供应热水。在太阳能热水器智能控制器的不断改进当中，太阳能热水器未来必定拥有更为宽泛的市场。1.2 课题探究背景及国内外发展近况当下，能源短缺问题逐渐成为制约世界各个国家经济发展的瓶颈，因而也促使愈来愈多的国家开始实行“采光计划”，以充分挖掘太阳能资源，寻求经济发展的新动力已成为一种发展趋势。而太阳能本身作为一种可再生的新能源，其具有的储量丰富、清洁安全、经济、长久、普遍等优势，使其越来越受到人们的青睐，并且已成为应对能源短缺、气候变化与节能减排的重要选择之一，其发展前景被世界各国看好。与其他常见的能源相比，太阳能资源主要拥有以下特别之处2: （1）储量雄厚。据有关人士估算，平均每年到达地球表面的太阳辐射能为一 百多亿吨的标准煤所产生的能量，足以支撑现今人类各方面的能源需求。 （2）洁净安全。太阳能在使用的过程中几乎不会产生任何污染环境的废物， 十分环保。 （3）经济性。利用太阳能发电的成本很低，可以很好地向全民普及推广使用。 （4）长久性。据科学家推测太阳能可使用几百亿年，而地球的寿命不过区区 几十亿年，因此可以认为，这种资源是取之不尽用之不竭的。 （5）普及性。相对其他新近开发的能源来讲，太阳辐射能遍布全球各地，在 任何地区都有被充分开发使用的可能。就国内而言，蕴藏的太阳能资源也十分丰富，理论上存储量可达17000亿吨标准煤每年。另外从国土资源分布来看，能接受太阳能的区域，也十分广阔。全国各个地区可供收集的辐射太阳能总量大概为5852兆焦耳每平米。近年来，在新能源开发领域中，太阳能热水器的开发与利用是发展最快的产业。太阳能被使用的方式主要是满足城市乡村住民生活中的热水提供需求。目前我们国家太阳能热水器的相关生产已经完全实现商业化，不论是生产量或是使用量都排名世界第一位，因此太阳能热水器功用的不断开发显得很重要，未来一定会带来更大的效益。究其根本，太阳能热水器是把太阳能转换为热能资源并对水进行加热的一种电器设备，与燃气热水器、电热水器合称为三大热水器。太阳能热水器的使用在中国也十分普遍。但对比国外差距仍然很明显，市场仍需进一步深层开发3。 目前国内研发的太阳能热水器与国外的产品存在诸多不足之处，主要表现在外观设计、结构设计、功能设计以及外壳材料的选择。在外观设计上，欧洲对太阳能热水系统的研发和应用早于中国，主要以分离式太阳能热水系统为主，控制器是必不可少的部件之一。其较注重产品的实用性，外观设计方面则相对较简单，通常采用曲面设计，设计巧妙、结构紧密以及单色调无背景光小屏幕，凸显出其精益求精的设计风格，另一方面也可以体现出它的节能设计理念。相比之下，国内太阳能热水系统控制器的发展不到10年，外观造型通常以平面为主，多采用大显示屏、彩色显示、带背景光，色彩艳丽。这种设计只考虑了外形美观、艳丽，视觉感觉较好，但并不节能。在结构设计上，国外产品采用接线简单的绝缘壳体，因而重新方便拆卸组装，兼有防水功能。特别需要指出的是，在线路板上元器件多采用表面贴装技术、模块化分布设计、各个端子排的分布按照强弱电严格用绝缘壳体分离开来，从而有效避免信号采集时受电源干扰影响。相比之下，国内的同类产品，不易拆卸，且在接线端子引线布局上没有严格的区分，因此信号采集时受电源干扰影响较大，同时强弱电没有严格按要求划分具体的区域，接线时易出现弱电端子被强电击穿的隐患。在功能设计上，国外多采用分体承压式系统，主要用于温度的采集控制、循环泵的控制、电磁阀的控制和热量计算等。同时在系统安装模式和控制器设置两个方面的模式均有不同。相比之下，现今国内市场正在流通的太阳能热水器控制器则主要采用敞口式，用于上水电磁阀、电加热棒、上水增压泵等电路的控制。在外壳材料上，欧洲多选用阻燃级别制造材料，同时在元器件的选择上，也有考虑到环保原料可降解性。其控制器相关使用的所有配件均严格按标准选用，包括接线连接部分也是如此，所以给安装带来很大方便。相比之下，国内控制器的外壳材料多采用ABS，即原材料中只添加了较少的阻燃成分，假如内部元器件发热达到外壳的着火点，很有可能会引起外壳自燃，具有相当大的安全和环境污染等问题4。面对这些方面存在差距，在未来太阳能热水器的不断改进中起到了不可或缺的作用。1.3 课题设计的初步分析与构思此次课题设计是针对家用太阳能热水器智能控制器设计来说的。控制器的硬件电路设计拟采用AT89S52单片机、DS18B20线式温度传感器、液位传感器为中心，同时增添液晶显示、键盘输入、上水、进水电磁阀的操控及加热控制等有关辅助电路。控制器的软件程序设计拟采用Keil uVision4软件，用以完成程序的开发与初步仿真调试，在充分考虑整个系统所要实现的各项功能以后，设计各个子程序的流程图，然后根据后续的调试结果，修改程序，直至最终调试出结果。由于AT89S52单片机内部含有看门狗电路，所以在系统功能模块电路设计中不需要考虑额外添加看门狗电路。总之，单片机在太阳能热水器中的使用，可以显著的提高系统可观性，使得水温及水位的监测和液晶显示更加智能、更加人性，给用户带来极大的方便，安全值得信赖。相信会有良好的市场前景。第二章 系统总体设计分析2.1 设计目的及要求2.1.1 设计目的此次课题设计在实际生产生活中，具有很强的实用性,最主要的特色在于，以单片机为主控芯片，同时扩展相关外围电路，采用模块化结构设计，配之十分常用的元器件，从而使得整体架构简洁明了，方便实用。并且由于控制器本身易操作使用，节约成本，因而便于大面积推广使用。换言之，它可以广泛的应用于家用太阳能热水器的智能控制器中，相信在未来会具有良好的市场前景5。2.1.2 设计要求 （1）该控制器可根据自动或手动操作方式设定用水温度、上水水位等相关参数 同时控制上水、进水电磁阀、节流阀、加热丝的工作； （2）设计最小系统控制电路、水温水位检测电路、报警提示电路、键盘输入电 路和电源电路以及上水、进水电磁阀操控、节流阀、加热棒的自动控制电 路67； （3）设计上水水位控制程序、加热控制算法程序和异常情况报警程序等； （4）实现水温水位的显示功能，给水超水位或超水温等异常情况的报警功能；2.2 系统整体设计框图及分析正如我们所知，太阳能热水器系统主要可分为外围设备和控制器模块，由用 户向控制器模块输入相关的数据指令，进一步控制外围设备功能的实现。而控制器性能主要由硬件和软件两大部份同时工作完成，硬件部分主要将所使用的各类元器件按模块化结构焊接在电路板上，然后由各个功能模块，来完成对信号的采集、转换以及其他相关信息交流显示等，软件程序主要完成数值计算和按键等功能的分配，从而实现系统的功能。按照课题要求，初步拟定规划的太阳能热水器系统实物构成示意图，如下图图2.1所示，系统的组成部分主要有：外、内部储水箱、加热棒、控制器、自动控制阀、手动控制阀、水位检测电极、水温检测传感器以及部分相关器件。示意图分析主要涉及到系统外围设备功能的实现途径以及工作原理,具体内容如下分析：图2.1 太阳能热水器系统实物构成示意图示意图分析： 首先由外界提供的自来水，通过上水电磁阀K1和手动辅助阀K4、进水电磁阀K2和手动辅助阀K5注入外、内储水箱，外部储水箱的作用主要是利用太阳能给水箱中的水加热实现光能向热能的转换，同时为内储水箱提供热水来源；同时实时检测外储水箱中的水位，水位过低时则产生报警提示，同时由控制器操作打开上水电磁阀进行注水；然后，如果供给内储水箱中的水温过低或达不到用户的设定值时，比如某些时候的光照强度不满足要求或者天气状况较差时，内部储水箱中的电阻加热丝开始工作，以确保水温可以达到用户要求的设定值，如果供给内储水箱中的水温过高时时，控制器操作打开进水电磁阀K2进行注水，用以降低水温。多出的水流入外部储水箱，形成一个简易的水循环系统。手动辅助阀K4和K5起到补充作用，即当上水、进水电磁阀出现故障时发挥补充作用，从而保证全天24小时不间断的热水供应。其次，内部储水箱中的电阻加热丝是依靠外部提供的220V交流电供电开始工作的，从而起到一个加热源的作用。内储水箱中放置的水温检测传感器用来实时检测水箱中水的温度。外部储水箱中放置的水位检测电极则主要用来实时检测水箱中水的高度，外部储水箱的高度被5个电极作四等分，其中接地的电极放在水箱的底部，其余四个电极分别放置在四个等分点上，当水位高度没有达到第一个等分点时，说明水箱中的水不足四分之一，当水位高度处在第一个和第二个等分点时，说明水箱中有四分之一的水，当水位高度处在第二个和第三个等分点时，说明水箱中有二分之一的水，当水位高度处在第三个和第四个等分点时，说明水箱中有三分之二的水，当水位高度超过第四个等分点时，则说明水箱中的水已满。再者，还有一种比较特殊的情况需要特别指出，当外部储水箱中水超过最高水位时，可以从溢流管的出口流出；而针对内部储水箱而言，其水箱中的水总是注满状态，当水流从溢流管中溢出时，直接循环流进外部储水箱，超过水位设定值时，报警处理，同时控制器控制进水电磁阀K2关闭。这样的设计既可以避免空水箱加热的危险状况，同时也能最大效率的利用加热丝的加热作用，实现效益的最大化。另一方面，通过手动阀K6可以将水管中残余的水有效排出，防止冬天因水管中的水发生冰冻，损坏水管。 综上所述，此次设计的智能控制器主要是通过下载端口接收软件程序进而操控上水、进水电磁阀K1、K2的通断、控制内储水箱水温检测传感器实时检测水温、控制外储水箱水位检测传感器实时检测外部储水箱中的水位和通过可控硅工作电路调节电阻加热丝的工作。即在系统不需要人工操作调节的作用下，实现水温和水位的自我调节作用，达到一定程度上的智能效果。2.3 设计方案论证及选择加热控制显示器水位监测继电器水温检测AT89S52水位控制电磁阀报警电路键盘输入图2.2 控制器及功能模块设计示意图分析：此次关于“太阳能热水器智能控制器设计”探究课题的初步拟定设计方案，如上图图2.2所示，不难看出，其硬件电路设计主要以单片机最小主控系统、水位监测电路、水温检测电路为控制中心，同时增添键盘输入电路、液晶显示、上水、进水电磁阀操控、加热控制、电源电路及报警提示辅助电路。(1) 、在AT89S52最小系统电路的设计中，含有复位电路、晶振电路和下载程序的接口电路，由于AT系列的单片机不能使用串口通信模块进行下载程序，所以拟采用ISP下载接口进行程序的下载，另外，因为AT89S52单片机的P0口内部没有上拉电阻，所以P0口外部还需要接一个排阻，考虑到P1口内部上拉电阻阻值较小，因此同样接一个排阻；(2)、在驱动模块电路的设计中，主要是关于加热棒和电磁阀的控制电路。前者接收到加热信号时，使加热棒开始工作，对水箱中的水进行加热，直至达到用户设定的温度，后者在接收到进补水信号时，驱动上水电磁阀进行补水，直至达到用户所设定要求的水位。同时在水箱中的水温超过设定值时，电磁阀也可以开始工作，进行补水，从而使得水温水位始终保持在一个恒定值范围；(3)、在显示电路模块中，显示器可以分行显示水温和水位的参数，并且在用户操作按键时在对应的位置显示出光标；(4)、在水温水位检测电路中，要求实现水温水位的实时检测与自动调节控制功能，即用按键预先设置所要求的水温水位后，系统会自动检测水箱中的水温水位，同时比较水温和水位的设定下限，如果达不到要求时，系统驱动加热控制电路和电磁阀进行及时的水温水位补偿；(5)、在报警电路的设计中，拟采用一个蜂鸣器实现报警提示功能，同时为了保险起见，在蜂鸣器电路中可以考虑添加一个发光二极管，这样在系统感应到缺水或过热等安全隐患时，发光二极管在蜂鸣器发出响声的同时发光，从而有效的提醒用户解决问题。或者可以直接使用一个电阻或电容接到蜂鸣器两端即可。(6)、在键盘输入电路中，由于不需要众多的按键操作，也是为了系统实现功能的简单方便，因此拟采用三个独立按键，即系统工作模式的切换键S1，水温水位的增减键S2、S3，进而可以完成对设定值的操作；(7)、在电源模块电路中，需要利用外界所能提供的电压值进行常用电压值的转换，比如将220V的交流电经过变压器整流转变成9V、18V的直流电，如果需要其他电压值，比如5V、12V直流电时，可在原来得到的9V、18V的基础上使用LM7812、LM7805等芯片进行转换。当然，也可以使用电源适配器直接提供24V、12V、5V等等，考虑到电路中使用光电耦合器，因此需要使用两个不同来源的5V电压源，同时也需要接不同的共地端。不同的5V电压可以通过设置两个排针接入到板子上。综上所述，由于该研究课题已经指定要求使用的器件是AT89S52单片机、DS18B20线式温度测量传感器，所以真正可供选择的功能电路模块只有：水位监测电路、液晶显示电路、键盘输入电路。 水位监测电路中采用不同种类“液位传感器”的设计方案有很多种，比如第一，利用液位浮力检测原理的浮球式液位传感器，浮球借着浮力伴随水面升降位移来间接反映水位高度的变化，但是由于其检测精度不高且安装操作不便，所以并不适用；第二，采用光电传感器，即使用红外对管来测量水位，将红外传感器分别安装于水箱的四个位置，通过接收信号来传输液位高度的信息，由于红外传感器在测量水位时没有与被测物体进行直接接触，因此也就没有摩擦作用的影响，并且灵敏度高，反应迅速，但成本较高且在测量时容易遭到干扰；第三，采用压力传感器，这类方法比较常用，可选用投入式静压液位变送器，然而它需要参考标准大气压才能进行准确测量，同时连接电缆中的通气会受到环境的影响，进而造成造成气管内壁冷凝，结露。进而容易致使器件的使用寿命受到严重影响。即此类此传感器很容易受到环境影响而造成测量数据不准确，带有诸多不便；第四，也可选用干簧管来进行开关信号的传送，在一端封闭的PVC管内，使用三个干簧管将保温桶的高度三等分，干簧管的公共端接+5V，另外三个端口分别为水位高、中、低的信号输出端。由泡沫环与干簧管的吸合来间接的反映液位的高度。综上所述，我们知道水位监测电路的设计方案各有不同，当然也各有优缺点，如何选用一种成本较低而测量效果更好的液位传感器才是研究重点8。显示电路，平时更多的采用数码管来作数据的显示工作，但是实际作用效果往往不如液晶显示屏显示来得更好，而且液晶显示屏所具备的优良特点也更加适合此次课题要求。键盘输入电路，可以考虑设置多个按键，但是根据此次控制器的设计需求，只需要保留三个按键即可，即功能模式切换确认键，水温水位增减键。10第三章 硬件电路设计3.1 AT89S52最小控制系统 这次课题设计要求使用的是AT公司生产的AT89S529单片机，即作为该智能控制器的主控芯片,AT89S52是功耗小、性能强的COMS8位微型控制器。 设计的AT89S52单片机最小主控系统如下图3.1所示：图3.1 AT89S52单片机最小主控系统分析：由上图可以看出，AT89S52单片机最小主控系统主要由AT89S52单片机芯片、以及复位、晶振两个小型电路构成。AT89S52单片机芯片是由CPU、RAM和ROM存储器、四组I/O接口、定时/计数器、中断控制等有关功能的集成，片内各个端口拥有的功能通过内部总线相互连接起来。含有256字节的内存，VCC端口即工作电压接入直流4.05.5V，此电路中选用接入的是5V，GND端口即电源负极接地，各个管脚输出的高电平为5V，低电平为0V。考虑到I/O接口P0口内部没有上拉电阻，P1口内部上拉电阻12较小，因此均接入一个排阻。复位操作是芯片在工作以前或者运行出错时需要采取的“初始化操作”，换句话说，就是在当装载的程序运行出现错误或者系统发生自锁现象时，就要必须使用复位键进行再次启动。它的设计思路有两种形式，即上电自动复位和按键手动复位，采用其中一种形式就可以了。前者是将复位端口和电阻、Vcc电源相互连接来完成的。后者是直接利用按键开关触发复位电平，从而操控单片机的复位。如果晶振电路中使用12MHZ的晶振频率，那么复位信号持续时间就应该超过4微秒才能完成复位的动作。这次设计中采用“按键手动复位方法”，电路由按键S1和电阻电容R2、C2构成。如下图3.2所示：图3.2 复位电路设计示意图 晶振电路又被称为是时钟电路,主要用于产生芯片工作所需要的信号，它是在唯一的时钟信号操控下严格地按照时序来保证同步工作方式实现的电路。该工作电路由两个电容C3、C4和一个晶振Y1构成，形成反馈电路，从而形成一个稳定的自激振荡器。C3和C4为微调电容，通常取3010pF，同时采用12MHZ的石英晶体，以保证振荡器电路的稳定性和快速性。并且要求在设计电路板时尽量把晶振和电容放置在芯片的一边位置，从而减小分布电容所引起的对振荡电路的干扰。如下图3.3所示：图3.3 晶振电路设计示意图3.2 键盘输入电路和显示电路3.2.1.键盘输入电路键盘电路采用了相互独立的按键方式，分别把三个按键接到主控芯片的I/O端口上，另一端全部接地。其中S2为“功能模式切换确认键”键、S3为“加一”键、S4为“减一”键。设计图如下图3.4所示：图3.4 键盘输入电路设计示意图分析： 通过读取I/O端口电平的高低状态来分别判断三个按键是否被按下。在单片机接入+5V电压开始工作时，没有按键被按下，I/O口被置于高电平状态，有按键被按下时，I/O端口则被置于低电平状态，此时I/O端口接地端被短路。按键被释放后，所连接到的I/O端口又分别被重新置于高电平。因此，只需要在软件程序中查询三个I/O口的电平状态即可知道是否存在按键的操作了。另外在按键操作处理时，需要添加一个“去除抖动的模式”的处理，“抖动”通常指的是机械抖动，就是说按键在没有被按到需要处于的临界区位置时而产生的电平不稳定情况，往往不大容易避免。因此为了增强系统工作的稳定性，需要对它进行一定的处理。按键的去抖动处理方式通常有两种，一种是硬件处理，即通过添加去抖动处理的硬件电路设计；另一种是依靠软件程序处理，即添加一个短暂延时的程序，具体是在查询到有按键被按下时，立即启动10-100ms的延时程序用以去除抖动，等待延时结束后再次重新读取I/O端口的数据。3.2.2.显示电路 液晶显示设计电路主要使用了一片工业字符型液晶HJ1602A，32个字符可以同时在液晶显示屏上被展示出，设计电路如下图3.5所示：图3.5 显示电路设计示意图分析：RS管脚和P0.5端口，R/W管脚和P0.6端口, E 管脚和P0.7端口相互连接，当RS端口为零时，对液晶写入指令；当RS端口数值为1时，对液晶读入数据。R/W端口置高电平，芯片则处于读数据状态，反之处于写数据状态，E管脚是使能信号端口。当R/W端口为高电平,E端口也为高电平，RS端口也为低电平状态时，液晶显示屏即可以显示数值。（1）如下表3.1所示，LCD1602的各个管脚解释说明10：表3.1 管脚解释说明 LCD1602A内有2个寄存器：一个是命令寄存器，另一个是数据寄存器。使用操作方法是先写命令字，然后写入数据。指令系统规则如下表3.2 所示：表3.2 指令系统规则3.3 水温水位检测电路（1）对于水温检测电路，考虑到如果采用热电阻的话，那么电路需要接A/D转换电路，并由单片机换算出实际温度，这样难免使得电路结构变得十分复杂，而且也精度不高。同样如果选用半导体集成温度传感器AD590，那么就需要与高精度集成稳压器AD581配合使用，同时使用ADC0832芯片，从而也增加电路的复杂性。因此最后决定选用DS18B20线式数字温度传感器，在温控电路中11已经被多次使用，它拥有体积小,分辨率高,转换速度快等相关特点。同时因为独特的单线总线结构,所以特别适合于大型多路温度实时检测系统的温度检测12。设计的电路如下图3.6所示：图3.6 水温检测电路分析：正如上图3.6所示，DS18B20只有三个引脚，管脚1（VDD）接工作电压，管脚2（DQ）为数据引脚，可以直接与单片机的一个I/O端口相连，管脚3（GND）接地。更加便利的是，单片机的1个I/O端口线可悬挂多个DS18B20器件，这样就可以完成对单点或多点的温度实时测量。它的测量精度很高、互换特性显著，并且可以对温度数据进行编码操作，单数据线传输数据，方便快捷，抗干扰性能较强，与使用其他传统温度传感器构成的多点测温电路比较，可以大大的降低成本，同时使得系统工作电路也可以变得十分简洁。综合各个方面的考虑，DS18B20以其拥有的众多优良特点而进行水温的实时采样，即应用于此水温控制系统中最为合适。DS18B20 的测温原理13：主要是通过对受温控作用影响的振荡器发出的计数脉冲信号的统计来实现的，当测量端口处的温度很低时，脉冲信号在此时就可以通过门电路。而当端口所处的温度比较高时，信号就无法通过。另外将计数器设置为零下55摄氏度。当工作电路对此时振荡器的温度系数进行补偿时，这时计数器复位会处在当前的温度, 而这种补偿形式最终使得计数器重新开始计数直至回零。如果门电路还处于开状态时, 那么系统还将重复上述过程。（2）对于水位检测电路，在上述的设计方案论证及选择内容中，已经大体的讨论过五种设计方案，但是都不大适合应用于此次课题设计。因此在此次课题设计中，决定采用电阻式传感器进行水位的测量14。设计的电路图、结构图如下图3.7和图3.8所示：图3.7 水位检测电路设计示意图图3.8水位检测实物结构示意图分析：该水位检测电路的设计原理15是利用水的导电性，由安装在内储水箱不同深度的水位电极（电阻）和内储水箱底部的公共电极（导线）进行水位检测。具体是在内储水箱内部放置5个电极，即将公共电极放置在水箱最底部，其他四个电极分别放置于箱中不同的高度，从而将水箱高度作四等分，这样由高到低可把将水位分为满水、75%、50%、25%和无水五种情况，对处于内储水箱中不同深度位置的水位电极和公共电极进行不间断的检测，水位到达的电极，根据电路原理知识可知，其为低电平，水位没有到达的电极，为高电平。 如此每次检测一个水位即可以得到一个数据，在检测完5 个电极之后便得到了5 个串行数据，继而将这5个串行数据同时传递给主控芯片，进而可以完成水位高低的判断，并进行水位数据的显示。当水位高度未达到第一个等分点时，显示水箱中的水不足25%，当水位高度处在第一个和第二个等分点时，显示水箱中有25%的水，当水位高度处在第二个和第三个等分点时，显示水箱中有50%的水，当水位高度处在第三个和第四个等分点时，显示水箱中有75%的水，当水位高度超过第四个等分点时，则显示水箱中的水已满。上下限水位信号分别由P0.1、P0.2、P0.3和P0.4四个I/O端口 输入，控制器根据这四种输入状态进行水位深度的判定。如下表表2所示：表3.2 输入状态表3.4 电磁阀、加热丝控制电路 图3.9 驱动电路设计示意图分析： 在单片机最小主控系统中，需要结合下载得到的软件程序操控开关量，进而使得一些执行器件得以工作，比如光电双向晶闸管1617、光电耦合器、发光二极管、继电器、电磁阀等等。但是由于该单片机的驱动能力较小，所以一般情况下，需要外加接口驱动电路，低电平有效。如上图3.9所示：此部分电路的主要功能是，VT端接口通过光电双向晶闸管和可控硅驱动加热丝（交流220作为提供电源）工作，YV1和YV2端接口通过光电耦合器、三极管和继电器驱动电磁阀工作，同时通过光耦电路，也可使得外部电路与内部电路隔离，实现最大程度上的保护。其中，插座接入交流220V驱动工作的加热丝，电磁阀插座接口接入电磁阀、熔断丝和交流220V，用以驱动电磁阀工作。继电器是选用很小的电流去控制很大电流的一种电子器件近似自动开关等，在电路中起到自我调节、电路转化、安全保护等功能作用。电磁阀是控制量器件，主要用来操控气缸。另一方面，继电器旁边接上整流二极管，这里选用1N4007，因为它的反向耐压和正向导通电流都较大。从而在使得断电的极短时间内，线圈产生的自感电动势可以在正向放置二极管被导通的情况下形成续流回路，从而释放掉感生电流有效保护整个系统工作电路上的三极管等其他器件18。3.5 报警电路和电源电路3.5.1 报警电路当出现缺水或过热等情况时，系统发出报警提示19。主要由若干电阻、电容、NPN型三极管9014以及蜂鸣器所组成，工作电压接+5V，接地。设计的电路图如下图3.10所示：图3.10 报警电路设计示意图分析： 由于AT89S52单片机的I/O口电流不够大，因此在外接蜂鸣器时需要外接一个三极管，这里选用了NPN型三极管9014，三极管是一种电流放大器件，起到驱动放大电流的作用，而在接入蜂鸣器前添加一个电阻，是通过电阻转变成电压放大作用以驱动蜂鸣器正常工作20。电容拥有抗干扰作用，所以在接地端上方添加一个电容，就可以把干扰脉冲通过电容接地。3.5.2 电源电路 关于此次电源电路的设计21，采用了同时提供两种不同电源电压的工作模式，也就是说分别提供两种不同来源的直流5V电压和直流12V电压。如下图3.11所示：图3.11 电源模块电路设计示意图分析： 工作电路中的光电耦合器两接入端，需要从外部接入“外5V”和”内5V”以及“内12V”直流电。其中“外5V”亦即提供给其他电路功能模块的工作电压，可通过一个5V的电源适配器由一个插孔接入，而“内5V”和“内12V”可通过一个12的电源适配器以及三端稳压集成端（LM7805）来获得，同时在“内5V”电压输出口接上电阻和一个发光二极管，这样在两种内部电压接入电路工作后，使得二极管发亮，从而起到一种提示的作用。第四章 软件程序设计4.1 程序设计原理分析软件程序是系统的控制核心，植入程序22，除了给部分硬件电路分配管脚控制端口等辅助功能外，更多的是控制电路板上器件的工作，以实现课题要求得到的功能。此次课题要求实现的性能指标很清晰，主要是驱动AT89S52最小系统，通过控制电磁阀来控制水位、通过控制加热丝来控制水温以及键盘输入、液晶显示等相关外围电路的工作。同时为了增强系统的实时性，对一些偶然性的误操作采用中断处理，以便更好地实现系统的功能。具体展开形式可以采用模块化结构，将其化分为主程序和各个功能模块的子程序来进行，主程序主要负责系统的总体控制流程和宏观管理。需要完成的工作有系统的初始化，设置初始化规格参数，开中断，检测系统是否出现漏电，如果出现，那么即进行报警处理，否则，读取键盘状态、水温水位状态以及调用水温水位子程序。子程序主要包含水位控制、水温控制、键盘输入、液晶显示，从而在分别完成各自指定任务的同时，配合主程序实现整体系统的功能。4.2 主程序模块主要对整个系统功能的实现起到一个宏观调控的作用。根据实际情况实时检测水温和水位，调用各个功能模块的子程序用以实现各项功能。具体调用情况如下：开始系统初始化读取水温、水位并显示是否有按键被按下Y调用按键处理子程序N水温检测Y当前水温低于设定值-1调用加热子程序NY当前水温高于设定值+1进水电磁阀打开N水位检测Y上水电磁阀打开当前水位低于设定值NY水位高于最大设定值电磁阀全部关闭、报警N图4.1 主程序流程图分析： 由上图4.1主程序流程图所示，系统通电以后首先进行初始化操作，将内外储水箱、上水电磁阀K1、进水电磁阀K2的标志位全部清零。接着开始读取水温和水位各自的当前值并显示，同时进行按键扫描，即检查是否有按键被按下，如存在按键被按下，则此时调用按键处理子程序，进行数值的下一步更改。如果检测到没有按键被按下或者调用按键处理子程序完毕后，开始水温的进一步检测并与用户设定值相比较，如果当前水温低于用户设定值，那么此时调用加热子程序，处理完毕后或者当前水温高于用户设定值，那么此时调用内水箱子程序，即打开进水电磁阀K2注水，处理完毕后或者当前水温处于用户设定值的数值范围，则进入下一步操作。开始检测当前的水位，如果低于用户设定值，那么此时调用外水箱子程序即打开上水电磁阀K1注水，处理完毕后，然后重新返回对当前水温水位的读取状态。如果高于水箱水位最大值，那么此时关闭所有电磁阀，并且同时报警。由设定的中断程序可知，定时50ms，即每经过50ms，对各个标志位重新检测一次，同时作相应的处理。4.3 子程序模块随着主程序进入水温水位数值显示阶段后，首先进行对当前水位的初步判断，主要分为两种情况，当外部储水箱中的水位低于设定值时，控制器操控上水电磁阀K1进行注水，在注水过程中进行实时检测，在水位达到设定值以后，在短暂的延时时间里关闭上水电磁阀，进入下一流程；当水位高于或等于设定值时，考虑到生活实际情况，即用户偏向于水箱里的水总是剩余多的，以避免二次注水的麻烦。在水位判断之后转入水温判断，同样分为两种情况，当内储水箱中的水温低于设定值时，控制器通过操控可控硅来驱动加热丝工作，在给水加热的过程中进行实时检测，在水温达到设定值以后，在短暂的延时时间里使加热丝工作电路断电，进入下一流程；当水温高于设定值，控制器打开下水电磁阀K2注水，然后再一次转入水温的判断；在水温也满足要求后，即以达到要求，进入程序返回阶段。4.3.1 按键处理子程序正如我们所知，机械触点都具有一定程度上的弹性，即在按下或者松开按键时不可避免的会出现抖动，从按下到接触稳定的过程中要经过几毫秒的弹跳时间。因此为了准确判