毕业设计（论文）太阳能热水器智能控制器的设计.doc

毕业设计（论文）太阳能热水器智能控制器的设计 济南铁道职业技术学院毕业论文题目 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0832班学生姓名董晓飞指导老师王同宏完成时间2010-12-25摘 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摘 要1目录2第一章 前言绪论311太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析3第二章设计思路及要求321本设计的目的和意义322设计要求和目的423本设计实现思路及方法4第三章硬件设计431控制系统组成及工作原理432主要原器件介绍633 at89s51单片机的最小系统 1434 at89s51单片机时钟电路1535 at89s51单片机复位电路1536水位检测电路的硬件设计1537水温检测电路的硬件设计1638 键盘电路的硬件设计1839驱动电路的硬件设计21310显示电路的硬件设计21第四章软件设计2641软件设计原理及设计所用工具2642显示子程序28第五章系统调试3051软件调试30第六章系统功能3061系统能实现的功能2962系统功能测试2963系统功能分析29第七章参考文献30总 结31结束语32第一章 前言绪论11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设计思路及要求21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设计要求和目的掌握太阳能热水器的工作原理及实现控制方法太阳能热水器水位的检测和显示太阳能热水器温度的检测和显示太阳能热水器水温的设定和电加热器的控制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第三章硬件设计31控制系统组成及工作原理系统组成 如图3-1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 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4-7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t3-t1 5摄氏度t2 t1为止如若t1 n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t3 n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t3 n打开热水阀门f3并将保持一段时间若t3 n关闭f3继续给太阳能集热器加热知道温度答应n当打开f3时此时比较水管水温t2与n的值若t2 n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t1 n电加热接通否则电加热断开而且15点20点中的每个小时有下表的关系表一 温度比较 时间时 温度比较 加热值度 15 t1 35 n 35 16 t1 40 n 40 17 t1 45 n 45 18 t1 50 n 50 19 t1 55 n 55 20 t1 60 n 60 最终热水箱的温度加热到设定值n由此可见即使没有日照我们照样可以洗上热水澡了综上所述太阳能供热控制系统不仅节约而且高度只能化方便省事不论日常家居还是对宾馆学校等都是最佳选择控制装置的工作原理本控制系统分为手动和自动两种控制方式在系统处于自动状态下当检测温度高于设置温度且水位未达到最高时控制器打开电磁水阀yv1和yv2进行上水同时点亮上水指示灯当水位上至上一目标水位时自动停止上水即关闭电磁水阀yv1和yv2若水箱内无水则自动上水至最低水位处在系统处于手自动状态下可自由上水或停止上水上水时水箱水位必须未满若水位达到最高则自动停止上水若需要启动加热器则必须先设定加热温度然后按下加热键进行加热若需洗浴时则需打开手动阀yv4系统自动打开电磁水阀yv2可通过yv5自由调节水温当电磁水阀yv1和yv2损坏或停电时可通过打开yv5和yv6进行上下水解决燃眉之急此系统设置yv3是为了防止冬天气温过低引起水管因内有积水而冻裂即手动打开此阀放完水管中的积水32主要原器件介绍321at89s51高性能8位单片机at89s51是一个低功耗高性能cmos 8位单片机k bytes flash只读程序存储器 rom 512 bytes 内部数据存储器 ram 该微处理器采用atmel公司的高密度非易失性存储技术生产兼容标准mcs-51指令系统引脚兼容80c51和80c52芯片片内的flash存储器可以常规程序存储器一样进行烧写at89s51片内总共有字节的用户数据区而字节的内部扩展数据区需通过清sfr 8eh 的位1并用movx指令访问片内置通用8位中央处理器和flash存储单元另一个256bytesram区与atmel之at89系列8052兼容的单片机是一致的at89c51结合通用的8位微处理器和flash存储技术构成功能强大单片微处理器可提供许多高性能低价位的系统控制应用场合40个引脚32kbytes的程序存储器32个外部双向输入输出io端口同时内含2个外中断口3个16位可编程定时计数器2个全双工串行通信口内置时钟振荡器其flash存储器可反复擦写1000次的flash存储器可有效地降低开发成本软件设置电 源省电模式睡眠其间定时计数器串行口和中断口均停止工作ram中的数据被冻结直到下次被中断激活或硬件复位方可恢复工作兼容mcs51指令系统32k可反复擦写 1000次flash rom32个双向io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0-33mhz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3-3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agdp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io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p10p11p12p13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099 0c用四个八位led数码管显示1led结构和显示原理ledlight 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 d0dpgfedcba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099 0c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03fh106h25bh34fh466h56dh67dh707h87fh96fhf71h3n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io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io接口线来控制这样用两个8位io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ds18b20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 2181014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1ds18b20的特性1独特的单线接口方式ds18b20 在io处理器连接时仅需要一个io 口即可实现微处理器同ds18b20的双向通讯2ds18b20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3ds18b20 的测温范围为 - 55125在-10 85时 其精度为 0154ds18b20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 05 9位温度读数 它主要由4个数据部件部分组成64rom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28h6个字节是每个器件的编码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1个字节为符号位和温度值的补码高3位2ds18b20 测温原理ds18b20内部结构框图如图3-4所示图 ds18b20内部结构框图ds18b20 ds18b20 测量温度采用了特有的温度测量技术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3ds18b20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io线相连且单片机的1位io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adc0832 是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨率双通道ad转换芯片由于它体积小兼容性强性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ad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ad转换 输入输出电平与ttlcmos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 8p14pdip双列直插picc 多种封装 商用级芯片温宽为0c to 70c工业级芯片温宽为40c to 85c芯片图adc0832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mov bdata00h03h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 中数据处理继电器relay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 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 op07op07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300vmv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 2vmonth最大 高电源电压范围 3v至22v6mhz的晶振故系统中cpu执行的每一个机器周期为2us33 at89s51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romram及io端口等电路由于at89s51内部已经包含4kb的flash memory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2-4所示的单片机最小系统图3-6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34 at89s51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c1c2取20pf以便于起振荡的作用 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该水位自动显示控制器采用上电复位电路由r14c3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rc时间长数取电容c 10uf电阻r 10k36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mg2ca2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光二极管亮则表示水箱水是满的当水位未达到a时即h a时这时传感器的总阻值为4r对应系统处于缺水状态当ah b时传感器电阻阻值为3r对应系统处于20水位当bh c时传感器电阻阻值为2r对应系统处于50水位当ch d时传感器电阻阻值为r对应系统处于80水位当h d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t0t1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3-10 水温检测电路本设计温度传感器选用ad590ad590属于半导体集成电路温度传感器测温范围-55- 150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1uak误差有几种等级10503本设计中选取05品种op07为高精度运算放大器ad590电流流经r1rp1转换为电压信号r2rp2为运算负反馈电阻成反相比例放大器将温度信号转换成0-5v的电压信号adc0832再将其转换为数字信号输入cpu图2-8为温度检测和ad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01020304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s2s3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3456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206038 键盘电路的硬件设计 p10- p17口作为按键的信号输入键按下就执行该键的功能其电路图所示 当按钮按下后电路与地接通时iu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iu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 movc aadptr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mov p1 0fh 键盘初始化p10p13置输入方式p14p17为0状态mov ie 84h 开cpu中断开int1中断sjmp 中断等待中断服务程序org 0013 int1中断入口地址ljmp io51k16 从中断入口转移键盘处理程序io51k16io51k16 call d10ms 延时10秒lcall keyin 调键输入检查子程序jnz lkout 有键输入转查键号reti 无键输入中断返回lkout mov r2 0efh 首列扫描字写如r2mov r4 00h 首列偏移值如r4conu mov p1 r2 列扫描字写入列线中mov a p1 读入p1口状态到a中jb acc0lone 检查第0行是否为0状态不为0表示按下键不在此行转下行mov a 00h 第0行为0状态表明按下键在此行首列号如aajmp lkp 转求键号lone jb acc11 ltwo 检查第1行有无键按下mov a 04h 有键按下该行首列号入aajmp lkp 转求键号ltwo jb acc2 lthr mov a 08h ajmp lkplthr jb acc3 next 该列所有行都无键按下转next mov a 0ch 有键按下该行首列号入a中lkp add a r4 求键号键号位首列号加列偏移值 push a 键号入栈保护wkfe lacll keyin 等待键释放 jnz wkfe 键未释放转wkfe等待 pop a 键释放键号如a ljmp kjmp 转键操作转处理 next inc r4 转查下一列列偏移值加1 mov a r2 jnb acc7 knd 最后一列查完查完中断返回 rl a 未查完列扫描字左移1位 mov r2 a 扫描字如r2继续查找 ljmp conuknd retikeyin mov p1 0fh 查完有无键按下a不为0有键按下 mov a p1 cpl a anl a 0fhretkjmp sub aofh jc writetemp add a 0fh clr c sub a 0eh jc storetemportime add a 0eh clr c sub a odh jc waterpoistion add a odh clr c sub a 0ch jc vtemp add a 0ch clr c sub a obh jc storetime reti org 0003h jmp heat ret39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2-10所示图3-12 驱动电路310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3-13中接法灯的负极依次接到数码管的a-f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3-13 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io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io口直接驱动附录2led显示子程序disisetb p17 灭显示mov r0 sbcdmov a r0 取出要显示的数add a 2dh 加上偏移量movc a apc 查表取出段选码mov sbuf a 送出显示dl1jnb ti dl1 输出完否clr ti 完清中断标志inc r0mov a r0add a 21hmovc a a pcanl a oefh 个位加小数点mov sbuf adl2 jnb ti dl2clr tiinc r0mov a r0add a 13hmovc a apcmov sbuf adl3 jnb ti dl3clr timov a 0ffhmov sbuf adl4 jnb ti dl4clr ticlr p17 亮显示retsegtabdb 11h0d7h32hdb 92h0d4h98hdb 18h0d3h10h0d0h第四章软件设计41软件设计原理及设计所用工具本次设计主要利用c语言编写程序根据功能的需要进行编程其中软件设计所用的软件主要是keil uvision3软件proteus isis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ds12887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系统主程序流程图如图4所示图4-1 系统程序流程图对于温度和时间设定 每次设定结束后 就将设定值存入ds12887 的非易失性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 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了如下一些控制语句if 水位高and 温度差大then 加热时间长if 水位适中and 温度差适中then 加热时间适中if 水位低and 温度差低then 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 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控制就越准确本控制器采用温差每等于5为一格 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5 的方法图4-2 水位监测处理示意图实验中用水位达到b1时的结果代替水位达到a1时的结果b2代替a2b3 代替a3b4代替a4这样cpu 读入的a1水位查表后得到的预加热时间是实验中水位在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差减小一半由原来的h变成了h2 h为分段水位检测间隙 如果水箱水深为40cm分8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42显示子程序分析表明74ls164仅有串入并出作用没有译码功能因此led段选码 p30口送入74ls164的串行输入端led 的段选端需要指出的是上面显示电路采用tos28106bhk型号的共阳极led显示器pcb印制线路板的连线方便led的8个段选端与74ls164的并行输出口即8根段选线的连接没有遵照通常的规律3-5所示的段排列为7642191050的段选码为11h电路中设计了4位led显示器4-3所示的显示子程序框图图4-3 显示子程序框图第五章系统调试51软件调试 软件的调试主要通过keil uvision3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行修改然后再进行编译直至编译成功生成hex文件才能下载到单片机里继而实现相应功能第六章系统功能61系统能实现的功能本系统通过单片机控制各个电路模块以实现对温度水位的检测以及对整个热水器的智能化控制62系统功能测试 设计前期通过keil软件和proteus仿真软件的联调对设计功能进行仿真均达到了预期的设计效果设计后期硬件制作完毕后将仿真成功后的程序通过单片机下载程序写入单片机再根据显示模块的各个端口连接方式正确地将单片机跟显示模块连接最后都实现了设计的功能63系统功能分析该控制器和以往显示仪相比具有性能价格比高温度控制与显示精度高使用方便和性能稳定等优点单片机控制系统具有低价智能的优势能够根据需求的不同而作相应的调整更加个性化同时使用单片机控制系统能够节约能源保护设备延长设备的使用时间该热水器具备以下特点结构简单运行可靠操作维护简便热源取之不尽用之不竭不需要运输节省燃料无污染不会对周围环境造成任何影响热水产量受季节地区纬度采热面积采热器类型环境温度供水温度风速日