太阳能热水器水位控制电路设计.doc

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 I Abstract With the development of modern science and technology efficiency of energy utilization is getting higher and higher Solar energy is becoming the best one What kind of rational efficient and the greatest extent possible use of solar energy has become the 21st century My design regards the AT89S52 SCM as the core combining the RC charge discharge type water level sensor I design one kind of digital and intelligent control system of solar energy water heater Although my issue is about water monitoring system I still mentioned something about temperature monitoring content My subject is still mainly in water monitoring This system consists of main chip modules LCD display module the water level detection module the temperature level detection module keyboard control module alarm module and solenoid valve control module At the beginning of the study describes the need for the solar water heaters domestic and international research developments the final part of this article also brings us the design of requirements Then article brings us the main demonstration and determination of the program and the choice of MCU and the working principle of the introduction Next is the core of this design combining theory focuses on the solar water heater control circuit of the various components Behind the software design is also essential finally the lack of design experience and the improvement is present on our eyes This design has relatively solved the water heater in the water waiting to be artificial and excessive overflow problem to the province the provincial water purposes The solar water heater system compared with traditional ones has many advantages with a simple structure easy to use low cost better stability and so on Keywords AT89S52 SCM RC charge discharge type the Intelligence control SCM Two Machine Communication 东海科学技术学院本科生毕业论文 II 目目录录 第 1 章 绪论 1 1 1 前言 1 1 2 国内外研究动态 1 1 3 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 3 2 1 方案论证和方案的选择 3 2 2 水位传感器的选择 4 2 3 单片机的选择 6 2 3 1 AT89S52 选择和其功能性能 6 2 3 2 AT89S52 引脚功能介绍 6 第 3 章 硬件电路设计 9 3 1 水位检测模块 9 3 1 1 水位测量原理 9 3 1 2 水位检测电路设计 10 3 2 温度检测模块 11 3 3 LCD 液晶显示模块 14 3 3 1 12864 液晶 14 3 3 2 LCD 液晶显示电路设计 16 3 4 键盘控制模块 17 3 5 报警模块 18 3 6 电磁阀控制模块 18 3 7 双机通信及其他电路设计 19 3 8 其他电路设计 20 3 8 1 晶体振荡电路 20 3 8 2 复位电路 21 3 8 3 设计总电路图 21 第 4 章 系统软件设计 24 4 1 设计思路 24 4 2 温度测量子程序 25 4 3 水位测量子程序 25 东海科学技术学院本科生毕业论文 III 4 4LCD 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 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 11 1 前言前言 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 1 21 2 国内外研究动态国内外研究动态 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 1 31 3 太阳能热水器智能水位控制系统整体结构介绍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 1 2 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 第第 2 2 章章 方案论证和单片机的选择方案论证和单片机的选择 2 12 1 方案论证和方案的选择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 2 1 所示 A D 转换 输 出 控 制 单 片 机 控 制 水 位 水 位 传 感 器 图 2 1 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 2 2 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 D AT89S52 图 2 2 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 2 3 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 2 3 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 2 22 2 水位传感器的选择水位传感器的选择 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 2 4 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 P1 0 P1 3 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 A D 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 2 4 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 2 5 所示 3 公共 水位 图 2 5 RC 充放电式水位传感器示意图 从图 2 5 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 1 5 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 2 1 CD 4069 74LS2 44 P1 0 P1 1 P1 2 P1 3 AT89S52 水箱 东海科学技术学院本科生毕业论文 5 表 2 1 输出电阻值表 短接方式无短接1 21 2 31 2 3 4 1 2 3 4 5 输出电阻值 极大值 25k 12 5 k 8 3k 6 3 k 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 2 32 3 单片机的选择单片机的选择 2 3 12 3 1 AT89S52AT89S52 选择和其功能性能选择和其功能性能 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 8K Flash ROM 数据存储器 256B RAM 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 2 3 22 3 2 AT89S52AT89S52 引脚功能介绍引脚功能介绍 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 2 6 是 AT89S52 单片机引脚图 东海科学技术学院本科生毕业论文 6 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RST 9 P3 0 RxD 10 P3 1 TxD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 20 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 P2 7 A15 28 PSEN 29 ALE 30 EA VPP 31 P0 7 AD7 32 P0 6 AD6 33 P0 5 AD5 34 P0 4 AD4 35 P0 3 AD3 36 P0 2 AD2 37 P0 1 AD1 38 P0 0 AD0 39 VCC 40 U1 AT89S52 图 2 6 AT89S52 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 Vpp RST 9 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 3 15 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 0 5V 的低电平 ALE PROG 30 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 PSEN 29 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 Vpp 31 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 0000H 0FFFH 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 P3 P0 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 A0H A7H 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 P3 0 RXD 串行数据输入口 P3 1 TXD 串行输数据出口 P3 2 INTO 外中断 0 输入 P3 3 INT1 外中断 1 输入 P3 4 TO 定时 计数器 0 外部计数输入 P3 5 T1 定时 计数器 1 外部计 P3 6 WR 外部数据存储器写选 P3 7 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 第第 3 3 章章 硬件电路设计硬件电路设计 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 3 13 1 水位检测模块水位检测模块 3 1 13 1 1 水位测量原理水位测量原理 1 检测原理图如图 3 1 水箱 水位 检测口 4 25K 公共 充放电口 图 3 1 RC 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 t RC 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 3 2 这样隔离开来 D Q 锁存器 CP Q MUX 地址 控制 Vcc VCC 读引脚 内部 总 线 写入 读存储器 图 3 2 P1 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 3 2 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 3 3 所示 3 1 2 3 1 2 水位检测电路设计水位检测电路设计 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 3 3 当水位较低时 传感器将信号传给单片机 P2 4 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 P2 3 端口制成高电平 AT89S52 接受到高电平信号后 将指令给 P2 7 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 P2 4 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 P2 3 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 P2 7 端口 将其置成低电平 此时继电器断开 电磁阀 门停止工作 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RST 9 P3 0 RxD 10 P3 1 TxD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 20 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 P2 7 A15 28 PSEN 29 ALE 30 EA VPP 31 P0 7 AD7 32 P0 6 AD6 33 P0 5 AD5 34 P0 4 AD4 35 P0 3 AD3 36 P0 2 AD2 37 P0 1 AD1 38 P0 0 AD0 39 VCC 40 U4 AT89C52VCC 2 3 4 1 8 U7ALM393AD 48 6 5 7 U7B LM393AD GND VCC 1K R9 1K R12 Res2 GNDVCC 1K 传传传传传 100pF C2 Cap GND 1K R11 Res2 图 3 3 水位检测电路 3 23 2 温度检测模块温度检测模块 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 7 DS18B20 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 ON BOARD 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 9 12 位测 温分辨率 精度为 0 5 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 3 2 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 11 DS18B20 可编程温度传感器采用 3 脚 PR 35 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 3 0 5 5V 本设计使用的是外部电源供电 表 3 2 DS18B20 温度与数字对应表 DS18B20 的引脚图和封装如图 3 4 所示 温度 二进制数据输出 十六进制数据输出 125 0000 0111 1101 0000 07D0h 85 0000 0101 0101 0000 0550h 25 0625 0000 0001 1001 0001 0191h 10 125 0000 0000 1010 0010 00A2h 0 5 0000 0000 0000 1000 0008h 0 0000 0000 0000 0000 0000h 0 5 1111 1111 1111 1000 FFF8h 10 125 1111 1111 0101 1110 FF5Eh 25 0625 1111 1110 0110 1111 FE6Eh 55 1111 1100 1001 0000 FC90h 东海科学技术学院本科生毕业论文 12 DALLAS 18B20 1 2 3 G ND DG Vcc 1 2 3 TO 92 DS18B20 图 3 4 DS18B20 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 3 0V 5 5V 测温的范围为 55 125 67 257 当 10 85 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 3 5 所示 东海科学技术学院本科生毕业论文 13 64 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 Vpu G G N D D Q V DD 图 3 5 DS18B20 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 3 7 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 3 6 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 2 0 高温系数晶振 图 3 6 DS18B20 的工作原理 3 33 3 LCDLCD 液晶显示模块液晶显示模块 3 3 13 3 1 1286412864 液晶液晶 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 TS12864 3 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 16 16 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 8 8 点阵或者 5 7 点阵即可 这样的 TS12864 3 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 3 3 所示 东海科学技术学院本科生毕业论文 15 表 3 3 液晶 12864 管脚说明 管脚符号功能 1 2 3 16 18 4 5 6 7 8 9 10 11 GND VDD NC RS W R E DB0 DB7 PSB RST LED LED 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 0V 12864 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 R W 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 R W 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 R W 引脚信号为 0 且 Enable 引脚信号由 1 变为 0 时 D0 D7 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 HC GROM 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 02 7FH 显示中文字形 将两字节编码写入 DDRAM 编码范围为 A1A0H F7FEH传GB 或编 码为 A140H D75FH BIG5 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 16 2 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 3 3 23 3 2 LCDLCD 液晶显示电路设计液晶显示电路设计 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 3 13 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 P2 5 端口 单片机将指令给信号发送到端口 P3 1 TXD 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 P3 0 RXD 接受到高电平信号 P0 0 P0 7 P1 0 P1 5 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 3 7 所示 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RST 9 P3 0 RxD 10 P3 1 TxD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 20 P2 0 A8 21 P2 1 A9 22 P2 2 A10 23 P2 3 A11 24 P2 4 A12 25 P2 5 A13 26 P2 6 A14 27 P2 7 A15 28 PSEN 29 ALE 30 EA VPP 31 P0 7 AD7 32 P0 6 AD6 33 P0 5 AD5 34 P0 4 AD4 35 P0 3 AD3 36 P0 2 AD2 37 P0 1 AD1 38 P0 0 AD0 39 VCC 40 U1 AT89S52 1 2 3 4 5 6 7 8 9 PR 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 P1 LCD GND VCC VCC 东海科学技术学院本科生毕业论文 17 图 3 7 12864 液晶显示电路 3 43 4 键盘控制模块键盘控制模块 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 P2 4 P2 5 P2 6 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 P2 4 置成高电平 电磁阀门开始工作 2 LCD 显示 当 S3 按下时 P0 0 P0 7 P1 0 P1 5 输出高电平 LCD 关断 3 报警电路 S4 按下时 将 P1 6 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 3 8 P1 0 T2 1 P1 1 T2EX 2 P1 2 3 P1 3 4 P1