论文数字式太阳能热水器水位检测系统的设计.doc

20112011 届届 分类号 单位代码 学士学位毕业设计 论文 数数字字式式太太阳阳能能热热水水器器水水位位检检测测系系统统设设计计 姓 名 学 号 年 级 专 业 系 院 指导教师 2011 年 4 月 题目 应简洁 明确 有概括性 字数不宜超过 20 个字 进行文本替换时注意不要将格式改变 题目名尽量与设计内容一致 注意 体现实用性 应用性和科学性 另外注意 1 设计是否有足够的工作量 2 能否体现项目来源于实际或可以 应用于实际 3 此处题目不带书名号 此处题目不带书名号 注意格式美观 专升本的要在年 级项中注明 如 2006 级 专升本 英文扉页调整 英文扉页格式英文扉页调整 英文扉页格式 如下页 为防止调用模版时整乱如下页 为防止调用模版时整乱 格式 特加表格框定 请按照要格式 特加表格框定 请按照要 求替换相关内容 要保证原来字求替换相关内容 要保证原来字 体样式不变 更不要修改表格属体样式不变 更不要修改表格属 性性 数字式太阳能热水器水位检测系统设计 摘摘 要要 近几十年来 自动控制技术迅猛发展 在工农业生产 交通运输 国防建设和航空 航天事业等领域中获得广泛的应用 随着生产和科学技术的发展 自动控制技术至今已 渗透到各种科学领域 成为促进当今生产发展和科学技术进步的重要因素 而且渐渐由 自动化向智能化转变 随着地球上存储的石油 煤等能源逐渐消耗而日益减少 利用太阳能为人类服务的 项目也就越来越多 且将最终取代石油和煤 太阳能热水器也已经被越来越多的人民接 受 特别是它环保 节能的优点 使其在市场竞争中占有优势 本文设计了一个太阳能热水器水位检测显示报警仪 以 AT89S52 单片机为核心 实 现了四级水位检测和显示 在本系统中 需要用到四个干簧管传感器 在检测水位的棒 子上等距离的有一个卡口 卡口上有一块磁铁 当水位上升时 带动套在棒子上的干簧 管传感器上升 上升到卡口的位置时传感器在磁铁的作用下内部闭和 发出信号 同时 该传感器被卡口卡住 静止不动 随着水位的上升下一个传感器有随着水位的上升而上 升 依次类推 水位的检测就是这样进的 软件部分采用 C 语言编程 C 语言作为一种简洁高效的编译型高级语言 具备可读性 好 可靠性高 运算速度快 编译效率高 可移植性好 有功能丰富的函数库等特点 并且可以直接实现对系统硬件的控制 因而逐渐成为单片机应用中的主流编程语言 单 片机采用 C 语言编程是大势所趋 关键词关键词 太阳能 AT89S52 单片机 数码管显示器 水位 数字式太阳能热水器水位检测系统设计 Abstract In recent decades the rapid development of automatic control technology in industrial and agricultural production transportation national defense and aviation and aerospace industry in areas such as access to a wide range of applications With the development of production science and technology automatic control technology has been penetrated into various fields of science promotes the development and current production of an important factor in scientific and technological progress and gradually shift from the automation of the intelligence As the earth storage of oil coal and other energy consumption and gradually declining the use of solar energy projects for the human services will more and more and will eventually replace oil and coal solar water heater has been more and more people acceptable particularly its environmental protection energy saving advantages making it an advantage in market competition This design of a solar water heater water detection alarm device AT89S52 microcontroller as the core to achieve the four water level detection and display In this system the need to use the four reed sensors water level in the detection of equidistant on a stick mount mount on a magnet when the water level rises the drive sets the stick on the reed switch sensor increased rising to the position of the sensor mount under the action of the magnet and the internal closure signal while the sensors are bayonet stuck motionless with the next rise in water level sensor as the water level rise rise and so on the water level detection is one such advanced Software components using C language programming C language as a simple and efficient high level compiled language with readability high reliability fast speed compiler efficiency portability is good there is a feature rich libraries etc characteristics and can realize the control system hardware and thus gradually become the mainstream in the SCM application programming language Microcontroller using C language programming is the trend Key words Solar energy AT89S52 microcontroller digital display level 数字式太阳能热水器水位检测系统设计 1 目 录 ABSTRACT 0 1 前言 1 2 传感器 2 2 1 干簧管传感器 3 3 89S52 单片机应用系统 4 3 1 89S52 单片机应用系统组成 5 3 2 89S52 的信号引脚 5 3 3 0832 A D 转换芯片 7 4 原理图和整体电路图 7 4 1 系统框图 7 4 2 系统总电路图 8 4 3 报警原理图 8 5 软件设计 9 结论 16 参考文献 17 致谢 18 数字式太阳能热水器水位检测系统设计 2 1 1 前言前言 太阳能热水器产业是 20 世纪 90 年代新兴的行业 由于太阳能热水器使用方便 节 能 无污染 近年来迅速普及 由于一些技术难题有待攻克 国内热水器行业还没有出 版统一的国家标准 其中水位传感器就是其中之一 目前市场上太阳能热水器的水位传 感器 以下简称传感器 有 水电接触的电极式传感器 霍尔效应的浮子式传感器和压 力式传感器 它们各有优缺点 最突出和普遍的问题是电极式和浮子式传感器的缺陷是 所显示的水位很粗糙 一般显示水箱水位只有 4 5 点 压力式传感器虽然可以连续显示 水箱水位的状态 但成本很高 随着行业标准的出台 太阳能热水器的发展方向是传感 器与水必须非电接触测量以及测量控制系统的智能化和数字化 目前使用最广泛的电极 式传感器由于水电接触 有回路电流而会影响水质要面临淘汰 浮子式传感器虽然是水 和电非接触测量 但结构复杂 可靠性差 本文设计了一个太阳能热水器水位检测显示报警仪 以 AT89S52 单片机为核心 实 现了四级水位检测和显示 其功能及应用的方便性在太阳能热水器领域中具有广阔的应 用前景 数字式太阳能热水器水位检测系统设计 3 2 2 传感器传感器 人们为了从外界获取信息 必须借助于感觉器官 而单靠人们自身的感觉器官 在 研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了 为了适应这种情况传感 器就应运而生了 因此可以说 传感器是人类五官的延长 又称之为电五官 传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的 便于应用的 某种物理量的测量装置 这一定义包含了以下几方面的意思 一是传感器是测量装置 能完成检测任务 二是它的输入量是某一被测量 可能是物理量 也可能是化学量 生 物量等 三是它的输出量是某种物理量 这种量要便于传输 转换 处理 显示等等 这种量可以是气 光 电量 但主要是电量 四是输出输入有对应关系 而且有一定的 精确程度 本系统设计涉及到两种传感器 一种是温度传感器 这里采用美国 NS 公司生产的 LM35 系列温度传感器 一种是水位传感器 这里采用普通的干簧管传感器 下面依次对 所采用的传感器做出说明 2 12 1 干簧管传感器干簧管传感器 干簧管传感器是触点传感器的一种 因为它有一些独特的优点 虽然具有触点的结 构 但仍广泛地被应用于自动检测和自动控制系统领域中 干簧管的是干式舌簧开关管的简称 它是一个充有惰性气体 如氮 氦等 的小型 玻璃管 在管内密封有用导磁导电材料制成的两支触点弹簧片 干簧管有两种驱动方式 一为永磁铁 二为电磁线圈 前者多用于检测 后者多用 于控制 因此 干簧管传感器主要接受永磁铁送来的磁场信号 换句话说 在永磁铁材 料 形状 体积 矫顽力一定的情况下 干簧管触点触和与否 决定于与永磁铁所处的 相对位置和距离 干簧管传感器有下列特点 1 由于触点密闭于惰性气体中 故有效地防止了周围有机蒸气和尘埃等杂质对触 点的侵蚀 同时大大地减小了由于火花所引起触点的氧化和炭化 因此提高了工作可靠 性 2 触点弹簧片小而轻 而使吸上和释放时间快而短 比普通的电磁继电器快 5 10 倍以上 故可做速动开关 3 由于触点部分有合金镀层而使接触电阻变化平稳 提高了机电寿命 4 体积小 重量轻 便于安装 使用灵活 和晶体管电路配套使用可作到小型化 5 便于组成小巧价廉的磁控传感器 数字式太阳能热水器水位检测系统设计 4 由于上述特点 干簧管传感器广泛地被应用于自动检测系统中 作为行程测量之用 同时由电磁线圈驱动的干簧管也被普遍地应用于采样控制和巡回检测系统中 由于干簧 管传感器与触点传感器相同 都是钯模拟量转换成开关量的传感器 不适于连续检测 本设计需要用到四个干簧管传感器 在检测水温水位的棒子上等距离的有一个卡口 卡口上有一块磁铁 当水位上升时 带动套在棒子上的干簧管传感器上升 上升到卡口 的位置时传感器在磁铁的作用下内部闭和 发出信号 同时该传感器被卡口卡住 静止 不动 随着水位的上升下一个传感器有随着水位的上升而上升 依次类推 水位的检测 就是这样进行的 具体连线我们在后面再阐述 数字式太阳能热水器水位检测系统设计 5 3 3 89S5289S52 单片机应用系统单片机应用系统 近年来 单片机以它的体积小 重量轻 抗干扰能力强 价格低的独特性能而获得 了迅猛发展 它的应用已深入到工业 农业 国防 科研 教育以及日常生活用品 家 电 玩具 等各个领域 MCS 51 系列单片机在国内介绍较多 资料比较齐全 充分 性能价格高 供货渠道 也很多 因此我们的这个太阳能热水器水位检测显示报警仪系统选用 MCS 51 系列的单片 机也是十分自然的了 MCS 51 系列的所有产品都是 40 脚封装 它们的引脚功能与指令系统完全兼容 当前 使用较多的是 89S52 89S51 89C52 这三种芯片 而尤以 89S52 用得最广 因此本章介 绍得是以 89S52 为核心得单片机应用系统 3 13 1 89S5289S52 单片机应用系统组成单片机应用系统组成 89S52 单片机应用系统的组成框图由 89S52CPU EEPROM RAM A D 转换器 0809 D A 转换器 0832 并行接口芯片 8255 键盘显示电路 串行口 MAX232 复位电路和 看门狗电路等组成 由于本设计只是进行水位的检测 因此上面所说的 D A 转换器 0832 键盘显示电路 串行口 MAX232 复位电路不需要用到 因此在下面就不再详细进行说明了 框图如图 1 所 示 89S52 WATCH DOG 晶振电路 串行 复位 总 线 插 座 EPR OM 2712 8 RA M 626 4 RAM 6261 A D 0809 I O 8255 D A 0832 LED 2879 数字式太阳能热水器水位检测系统设计 6 图 1 89S52 单片机应用系统组成框图 3 23 2 89S5289S52 的信号引脚的信号引脚 89S52 是标准的的 40 引脚双列直插试集成电路芯片 信号引脚介绍 1 P0 0 P0 7 P0 口是一个 8 位双向 I O 时进行工作 在指令的前半周期 P0 口作 口 在访问外部寄存器和扩展 I O 时 分为地址总线的低 8 位 在指令的后半周期为 8 位的数据总线 作输入口使用时要先写 1 2 P1 0 P1 7 P1 口是一个内带有上拉电阻的 8 位双向 I O 口 3 P2 0 P2 7 P2 口是一个内带有上拉电阻的 8 位双向 I O 口 在访问外部存储器 和扩展 I O 口时 送出地址总线高 8 位 4 P3 0 P3 7 P3 口是一个内带有上拉电阻的 8 位双向 I O 口 其第一功能是作为 通用 I O 口 第二功能是作为特殊信号线使用 5 ALE 地址锁存允许信号端 在系统扩展时 ALE 用于控制 P0 口输出的低 8 位地 址送锁存器锁存起来 以实现低位地址和数据的隔离 此外由于 ALE 是以晶振 1 6 的固 定频率输出的正脉冲 因此可作为外部时钟或外部定时脉冲使用 6 外部程序存储器读选通信号 在读外部程序空间时 PSEN 有效 低电平 PSEN 以实现外部程序空间单元的读操作 7 访问内外程序存储器控制信号 当 EA 信号为低电平时 CPU 只访问片外 ROM EA 并执行片外程序存储器中的指令 而不管是否有片内程序存储器 而当 EA 信号为高电平 时 CPU 只访问片内 FlashROM 并执行内部程序存储器中的指令 8 RST 复位信号 当输入的复位信号延续 2 个机器周期以上高电平时即为有效 用 以完成单片机的初始化复位操作 9 XTAL1 和 XTAL2 外接晶体引线端 当使用芯片内部时钟时 此 2 引线端用于外接 石英晶体和微调电容 当使用外部时钟时 用于接外部时钟脉冲信号 数字式太阳能热水器水位检测系统设计 7 10 P3 端口引脚与复用功能 P3 引脚端口功能如表 3 所示 表 3 P3 端口引脚与复用功能 端口引脚复用功能 P3 0 RXD 串行口输入 P3 1 TXD 串行口输出 P3 2 INT0 外部中断 0 输入 P3 3 INT1 外部中断 1 输入 P3 4 T0 定时器 0 的外部输入 P3 5 T1 定时器 1 的外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 3 33 3 08320832 A DA D 转换芯片转换芯片 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 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 ADC0832 为 8 位分辨率 A D 转换芯片 其最高分辨可达 256 级 可以适应一般的模拟 量转换要求 其内部电源输入与参考电压的复用 使得芯片的模拟电压输入在 0 5V 之间 芯片转换时间仅为 32 S 据有双数据输出可作为数据校验 以减少数据误差 转换速度 快且稳定性能强 独立的芯片使能输入 使多器件挂接和处理器控制变的更加方便 通 过 DI 数据输入端 可以轻易的实现通道功能的选择 数字式太阳能热水器水位检测系统设计 8 4 4 原理图和整体电路图原理图和整体电路图 前面我们已经详细介绍了在本次设计中所涉及的大部分元器件 尚未介绍的还有报 警仪及整个电路图 关于这一部分我将在接下来的环节里加以详细的阐述 4 14 1系统框图系统框图 系统总体框图 如图 2 所示 太阳能热水器水箱 干簧管传感器 89S52 单片机应用系统 显示 图 2 太阳能热水器水位检测系统方框图 4 24 2系统总电路图系统总电路图 系统总电路图 如图 3 所示 数字式太阳能热水器水位检测系统设计 9 图 3 系统总电路图 4 34 3报警原理图报警原理图 为了使热水器在水空水满的时候都能发出报警信息 以提醒用户注意 在检测水位 的同时在 89S52 的 P1 7 处引出一个报警电路 当水位不满 1 格时和水位满 4 格时蜂鸣器 均发出报警声音 由 P1 7 输出报警信号 驱动一只蜂鸣器发出报警声音 压电式蜂鸣器 约需用 10mA 的驱动电流 因此可以使用 TTL 系列集成电路 7407 低电平驱动 如图 4 所 示 图中 驱动器的输入端接 89S52 的 P1 7 当 P1 7 输出高电平 1 时 7407 的输出为 低电平 0 使压电蜂鸣器引线获得将近 5V 的直流电压 而产生蜂鸣音 当 P1 7 端输出低 电平 0 时 7407 的输出端升高到约 5V 压电蜂鸣器两引线间的直流电压降至接近于 0V 发声停止 图 4 报警电路图 数字式太阳能热水器水位检测系统设计 10 5 5 软件设计软件设计 太阳能热水器的信号由传感器转换成微弱的电压信号 输入 89S52 单片机系统的 0832A D 转换器 将放大后的电压信号转换成为能被单片机识别和处理的数字信号 水位 的信号由于只需判断水位到达相应的位置与否 因此水位传感器送出的电压信号送入单 片机应用系统 至此 水位的信号均已进入单片机内了 但水位是否达到相应的位置及 蜂鸣器何时该响何时不该响 这就不是单靠硬件就能解决的问题了 而必须要由硬件 软件一起发挥作用才能解决 关于本设计的程序就在下面加以说明 流程图如下图 5 所 示 送显示码在显示 码表中的顺序号 给内存有关单元 调显示子程序 序员 廷时 八位全灭 送 8279 方式控制字 送扫描频率及扫描参数 清除显示 写显示数据 送段控码 廷时 8 位完了吗 返回 Y N 上电显示 00 启动 ADC0832 检测 0832 状态位 判断水位 显示水位 返回 通用显示程序图 显示子程序图 主程序图 图 5 程序流程图 数字式太阳能热水器水位检测系统设计 11 本设计采用 C 语言编写的程序如下 0832A D 把摸拟信号转为数字信号的程序 include reg52 h include ADC0832 h sbit CLK P1 0 sbit DI P1 1 sbit DO P1 3 sbit CS P1 2 unsigned int adval unsigned int ad unsigned char i CS 0 CLK 0 CLK 1 DI 1 CLK 0 CLK 1 DI 1 CLK 0 CLK 1 DI 0 CLK 1 CLK 0 for i 0 i 1 0 x80 else adval adval 1 0 x00 CS 1 return adval 2 数码管动态显示温度程序 数字式太阳能热水器水位检测系统设计 12 include Char code TAB 10 0 x3f 0 x06 0 x5b 0 x4f 0 x66 0 x6d 0 x7d 0 x07 0 x7f 0 x6f 数码管数字 0 9 unsigned int temp j n 0 unsigned char key 255 xianshi 4 0 x79 0 x79 0 x79 0 x79 sbit key0 P1 0 sbit key1 P1 1 sbit key2 P1 2 sbit key3 P1 3 sbit key4 P1 4 sbit key5 P1 5 sbit key6 P1 6 sbit key7 P1 7 sbit key8 P3 0 sbit key9 P3 1 sbit sure P3 2 sbit cancle P3 3 sbit bcd8 P3 4 sbit bcd4 P3 5 sbit bcd2 P3 6 sbit bcd1 P3 7 sbit P23 P2 4 sbit P22 P2 5 sbit P21 P2 6 sbit P20 P2 7 void delay int d for d 0 d 15000 d 防抖函数 20ms 数字式太阳能热水器水位检测系统设计 13 void delay1 int k for k 0 k 0 key 255 switch n case 0 break case 1 xianshi 0 TAB j break case 2 xianshi 1 TAB j break case 3 xianshi 2 TAB j break 数字式太阳能热水器水位检测系统设计 14 case 4 xianshi 3 TAB j break case 5 n 1 break display if key 10 if xianshi 0 0 x3f bcd4 0 bcd 2 0 bcd1 1 else if xianshi 0 0 x3f bcd4 0 bcd 2 1 bcd1 0 else if xianshi 0 0 x3f bcd4 0 bcd 2 1 bcd1 1 else if xianshi 0 0 x3f bcd4 1 bcd 2 0 bcd1 0 else if xianshi 0 0 x3f bcd4 1 bcd 2 0 bcd1 1 else bcd8 0 bcd4 0 bcd2 0 bcd1 0 3 水位显示程序 include sbit shuiwei1 P0 3 sbit shuiwei2 P0 2 sbit shuiwei3 P0 1 sbit shuiwei4 P0 0 sbit shuib P1 4 sbit led1 P1 0 sbit led2 P1 1 数字式太阳能热水器水位检测系统设计 15 sbit led3 P1 2 sbit led4 P1 3 main P0 0 x0f 作为输入端 shuib 0 led1 0 led2 0 led3 0 led4 0 while 1 if shuiwei1 1 else if shuiwei1 0 led4 1 else if shuiwei1 0 led4 1 led3 1 else if shuiwei1 0 led4 1 led3 1 led2 1 else if shuiwei1 0 led4 1 led3 1 led2 1 led1 1 else shuib 1 led1 led2 led3 led4 0 3 主程序 include reg52 h include ADC0832 h void main delay LCM 500 延时 500ms 启动 数字式太阳能热水器水位检测系统设计 16 initLCM LCD 初始化 时钟定时器 0 初始化 DisplayListChar 0 0 Temperature DisplayListChar 0 1 value while 1 displayfun1 数字式太阳能热水器水位检测系统设计 17 结论结论 经过那么长时间的努力学习 太阳能热水器水位检测显示报警仪 终于得以按时顺 利的完成了 这次设计与以前做过的一些课题设计感觉很不一样 由于这次是毕业设计 涉及的内容广 知识面大 做完之后自己在很多方面都有了进一步的了解与掌握 受益 匪浅 通过本次毕业设计 使我初步掌握了工程设计的程序和方法 既丰富了自己的专 业知识 又取得了一定的工作经验 为以后的走向工作岗位打下坚实的基础 使我完成 了由学生向工程技术人员的过渡 本次设计虽然实现了设计的基本要求 但是还有些地方需要改进 在数字显示上 若能同步显示设定值和实测值 并且显示的是水位容量而不仅仅是档位 效果会更加