基于单片机的太阳能热水器上水控制系统（变换器部分）开发设计—大学毕业论文毕业设计学位论文范文模板参考资料.doc

毕毕 业业设设计计 说说明明书书 论论文文 中中文文摘摘要要 本系统是利用 AT89C52 为处理器 集合 DS1302 时钟芯片 DS18B20 温度 传感器 水位传感器等构成的多功能太阳能热水器控制系统 该系统能够测量并 显示实时水温 水箱内实时水位 具备自动上水和手动上水的功能 能够根水箱 内实时水位决定是否上水 水满自动关阀并报警 控制系统变换器部分的传感器制作简单 安装方便 经济实用 系统采用 4N26 光电耦合器进行光电隔离 增强系统抗干扰功能 保证系统安稳准确运行 本说明书详细地阐述了系统设计原理 以及给出整体系统的原理框图和电路图 关键词 变换器 DS18B20 电阻式传感器 毕毕业业设设计计 说说明明书书 论论文文 外外文文摘摘要要 Title The Solar Water Heater Water Feeding Control System Converter Part Abstract Composed of set AT89C52 single processor chip clock DS1302 temperature sensor DS18B20 The system is a multifunctional solar water heater control system can measure and displays real time water temperature and water tanks in real time With automatic and manual water function can root tank container real time water level determine whether water full automatic closing valves and alarm The control system use simple part converter and easy to be installed economic and practical The system uses 4N26 photoelectric coupler for photoelectric isolation enhance the system anti interference function to ensure that the system is safe accurate operation This manual and expounds the system design principle and gives overall system principle diagram and diagram Keywords converter DS18B20 resistive sensor 第 I 页 共 页 目 录 1 引言 1 1 1 太阳能热水器的国内外发展现状 1 1 2 市场上各类热水器的特点 2 1 3 课题研究的目的和意义 3 1 4 课题研究的问题和设计思路 3 2 太阳能热水器上水控制系统总体设计 3 2 1 系统方案设计原理 3 2 2 数据信息采集与转换 4 2 2 1 水位信号采集 4 2 2 2 温度信息采集 5 2 2 3 时钟 DS1302 7 2 3 单片机选择 9 2 3 1 ATC89C52 单片机 9 2 4 键盘设计与显示电路 10 2 4 1 非编码键盘的控制方式 11 2 4 2 非编码键盘接口设计 11 2 4 3 显示设计 11 2 5 光电隔离 12 2 6 太阳能热水器上水控制系统上水电磁阀的选用 12 2 7 报警电路设计 13 3 变换器部分设计 14 3 1 电容式水位传感器 14 3 1 1 调频电路 14 3 1 2 交流电桥电路 15 3 1 3 双 T 型充放电网络 16 3 1 4 运算放大器电路 18 3 1 5 差动脉冲调宽电路 18 3 2 电阻式水位传感器 21 3 2 1 电阻式水位传感器原理 21 3 2 2 测量电路 23 3 3 方案比较 24 3 4 电磁阀驱动电路 25 4 控制器电源设计 25 4 1 直流电源设计 26 第 II 页 共 页 5 变换器部分电路调试 26 6 软件设计流程图 28 结论 29 参考文献 31 附录 32 第 1 页 共 32 页 1 1 引言引言 1 1 太阳能热水器的国内外发展太阳能热水器的国内外发展现状现状 目前 太阳能供暖技术和供热水已经相对比较成熟 太阳能制冷技术尚处于研 发阶段 太阳能热水器是太阳能利用技术的主要应用产品 可供应热水和为建筑供 暖 从全球的产品类型来看 太阳能热水器包括平板型太阳能热水器 真空管太阳 能热水器 无盖板太阳能热水器 各种产品的地域性分布非常明显 真空管太阳能 热水器主要分布在我国 占全球总量的 97 主要用于提供生活洗浴用热水 无盖 板太阳能热水器主要分布在美国和澳大利亚 占全球总量的 90 主要用于游泳池 用水的加热 平板型太阳能热水器广泛地分布在欧洲 亚洲 美洲和大洋洲 据国际能源机构发布的数据 2004 年 全球新增太阳能热水器安装量为 1918 万平方米 包括 513 万平方米平板型太阳能热水器 90 万平方米无盖板集热器 1213 万平方米真空管太阳能集热器 2004 年全球太阳能热水器提供的热量相当于 581 亿千瓦时电力 209 220TJ 年减排 CO22540 万吨 从 1999 年至 2004 年 平板型太阳能热水器和真空管太阳能热水器市场在中国 新西兰 澳大利亚以及欧洲都增长迅速 中国年均增长率为 25 澳大利亚和新西 兰为 19 欧洲为 13 用于游泳池加热的无盖板太阳能热水器年安装量在 1999 至 2002 年保持了增长的态势 2003 年稍有回落 2004 年又恢复增长的态势 中国太阳能热水产业的发展始于上世纪 80 年代 当时的市场定位是农村或中小 城镇的低收入家庭 其主导产品以技术简单 造价便宜的闷晒式太阳能热水器为主 进入 90 年代 随着技术进步和企业规模的扩大 技术和企业都逐步成熟 太阳能热 水器逐步形成了真空管 平板和闷晒三种技术系列 实现了产品的系列化和规模化 生产 这一时期的真空管太阳能热水器和平板太阳能热水器主要定位于中小城市的 中高收入居民 90 年代后期 住宅商品化的发展以及家庭对热水需求的大幅度增长 为太阳能热水器的发展提供了市场空间 太阳能热水器的生产规模进一步扩大 形 成了一些有一定知名度的产品和品牌 2002 年以来 为了满足高端用户的需求和城 市景观的要求 太阳能热水器产品的升级换代和与建筑结合成为新的热点和发展方 向 一些大型企业与房地产开发商一起建设完成了一批太阳能热水器与建筑结合项 目 太阳能热水器与房地产项目同步设计 同步施工 同步验收的理念逐步被建筑 第 2 页 共 32 页 行业所接受 一批太阳能热水器与建筑结合的试点项目 取得了良好的推广效果 2005 年以来 建设社会主义新农村活动的开展 为太阳能热水器在农村地区的 推广应用提供一个良好的契机 越来越多的农村新村改造项目使用太阳能热水器为 农户提供热水供应 北京等一些地区还开始使用太阳能热水器为农户供暖 太阳能 热水器已成为各地农村新村改造 改善农民生活水平的有力工具 自上世纪 90 年代以来 我国太阳能热水器行业保持了 10 多年的快速增长 2005 年 太阳能热水器年生产量为 1500 万平方米 是 2000 年 640 万平方米的 2 倍 多 到 2005 年底 我国太阳能热水器保有量超过 7500 万平方米 是 2000 年 2600 万平方米的近 3 倍 目前 我国既是世界上最大的太阳能热水器生产国 同时也拥 有世界上最大的太阳能热水器市场 我国太阳能热水器已实现了产业化 形成原材料加工 产品开发制造 工程设 计和营销服务的产业体系 有力地带动了玻璃 金属 保温材料和真空设备等相关 行业的发展 成为一个产业规模迅速扩大的新兴产业 至 2005 年 全国有 1000 多 家有一定规模的太阳能热水器生产企业 年总产值达 150 多亿元 出口创汇 2000 万 美元 全行业提供约 30 多万个就业机会 产生了显著的经济 环境和社会效益 目前 太阳能热水器为全国 3500 多万家庭提供着热水供应 已形成与电热水器 和燃气热水器三足鼎立的局面 我国已经形成了完整的太阳能热水器产业体系 在 过去 10 年高速发展的基础上 预计未来 10 多年仍保持快速增长的势头 根据我国 的可再生能源规划 我国太阳能热水器市场在今后若干年内将继续保持快速的增长 2010 年太阳能热水器的安装总量将达到 1 5 亿平方米 2020 年预计将达到 3 亿平方 米 1 2 市场上各类热水器的特点市场上各类热水器的特点 燃气热水器 快速加热 出水量大 不易结垢 体积小 价格比较实惠 对使 用时间和人数没太多要求 但是用时会产生一氧化碳 通风效果不好 一氧化碳不 及时排除 易致人中毒 死亡 需根据燃气种类选产品 不同燃气的燃烧器形状 喷嘴大小 通道截面不同 易受气压 水压影响 调节水温麻烦 电热水器 受周围环境和气候影响较小 可以根据需要调节水温 但是需要使 用的时候要提前加热差不多半个小时 冬季使用预热时间会更长 而且管道易结水 垢 对电能消耗也很大 因功率大容易造成短路事故 使用电热水器时电路电线发 烫大大缩短线路寿命并有引发火灾的隐患 第 3 页 共 32 页 太阳能热水器 不用电 燃气等能源 节能环保 安全系数比其他产品高 加 热后可以全年 全天候使用 但是受天气的影响比较大 同时安装复杂 容易影响 住房的外观质量及城市的市容市貌 因太阳能热水器安装在室外 所以比较难维护 1 3 课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义 在实际生活当中仍然有许多的燃气热水器 电热水器在使用 众所周知 能源 的消耗随着科技的进步也在不断的超负荷消耗着 燃气 电都需要用到不可再生的 石油和煤炭资源 而太阳能则是取之不尽用之不竭的 因此 使用太阳能热水器不 仅仅节省了生活开支也保护了生态环境 在广泛的使用太阳能热水器的同时 我们又不得不考虑一些比较客观的问题 太阳能热水器有很多优点但是也存着在很多缺点 目前太阳能热水器在设计上面仍然存在着很多的不足 比如 很多老式的太阳 能热水器在上水之后不能自动控制阀门关闭 要人为的控制上水阀门使自来水管停 止上水 因而造成让水资源白白的流失 造成了不必要的浪费 特别是夏天的时候 热水器的集热管受到太阳光的曝晒 假如这时候上水 集热管就会发生爆裂 损坏 热水器 我们需要做的就是将现有的太阳能热水器上水控制部分进行改进 达到定时上 水 水满自动关阀的目的 1 4 课题研究的问题和设计思路课题研究的问题和设计思路 本课题要研究采用什么途径获得太阳能热水器水箱内的水位信息 并判断水箱 内水是否已经上满 选用什么样的传感器和测量电路将水位信息转化为电信号 并 通过控制电路和执行电路来解决水满自动关阀 本设计考虑在溢出管上安装电阻式水位传感器来解决水位信号的采集问题 测 量电路以 RS 双稳态触发器为核心 通过继电器的触点控制电源开关和电磁阀的开 关 达到上水自动开阀 自动关阀并切断主电源的设计目的 并且能通过控制器界 面显示水位信息 2 2 太阳能热水器上水控制系统总体设计太阳能热水器上水控制系统总体设计 2 1 系统方案设计原理系统方案设计原理 第 4 页 共 32 页 水位传感器 单片机 AT89C52 显 示 光电隔离驱动装置执行机构 DS1302 驱动电路 键 盘 报警电路 DS18B20 图 2 1 太阳能热水器单片机控制系统原理图 该太阳能热水器上水控制器系统采用 AT89C52 为 CPU 由水位传感器和温度传 感器将采集到的水位信息和温度信息 输出到单片机 AT89C52 进行处理 然后由单 片机的 I O 端口输出显示以及键盘控制 单片机通过对所接收到的信号处理判断是 否驱动电磁阀来上水和关闭上水 DS1302 的使用是为了防止系统掉电 方便系统时间恢复 节省单片机资源而添 加的 在单片机与驱动装置之间加入光电隔离是为了将电信号进行隔离 能有效地 抑制系统噪声 消除接地回路的干扰 2 2 数据信息采集与转换数据信息采集与转换 2 2 1 水位信号采集 在该系统中 太阳能热水器上水控制是由单片机对水位信号的检测和处理 然 后经由驱动装置 分别在显示电路中显示温度和水位信息 并且控制上水电磁阀动 作 对于水位信号的采集 使用的传感器有很多种可以选择 比如电容式传感器 湿敏电阻传感器 电阻式传感器等 在本次设计中 前期方案的设计中使用了电容 传感器 采用差动脉冲调宽电路作为电容转换电路 但是在实际电路的调试的时候 电路本身的干扰信号比较明显 而且由于电容的制作 和选取材料的问题 所制作 出来的电容容量很小 所采用的 LM324N 比较器频率较小难以达到电路的要求 考 虑到换其他的高速比较器 但是由于成本提高的幅度较大 制作工艺比较高 并不 能很好的完成设计 故更改为电阻式水位传感器 第 5 页 共 32 页 本设计采用的自制电阻式水位传感器 利用太阳能热水器上水水满 会有水从 溢出管中溢出这样的现象 可以将自制的电阻式传感器安装于溢出管上 在无水状 态下的电阻为无穷 有水溢出时接触到传感器 电阻可以降到 300 千欧左右 经过 控制电路处理 即可实现水位判断 2 2 2 温度信息采集 本系统所采用的温度传感器为 DS18B20 该产品采用美国 DALLAS 公司生产 DS18B20 温度传感器是数字式温度传感器 相对于传统温度传感器精度高 稳定性 好 电路简单 控制方便并且具有耐磨耐碰 体积小 使用方便 封装形式多样 适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域 DS18B20 的引脚以及封装 图 2 2 DS18B20 封装及引脚 如图 2 2 所示 DS18B20 的 1 脚接地 2 脚接输入 输出引脚 3 脚为可选择的 VDD 引脚 DS18B20 的特点与性能 1 应用中不需要外部任何元器件即可实现测温电路 2 测温电路范围 55 125 最大精度为 0 0625 3 只通过一条数据线即可实现通信 4 每个 DS18B20 器件上都有独一无二的序列号 所以一条数据线上可以挂接 很多该类型的传感器 5 内部有温度上下限告警功能 6 工作电压 3 5V DC 7 通过编程可实现 9 12 位的数字读数方式 第 6 页 共 32 页 8 警告搜索命令能识别和寻址温度在编定的极限之外的器件 温度警告情况 9 应用范围包括恒温控制 工业系统 消费类产品 温度计或任何热敏系统 如图 2 4 a 和 b 为 DS18B20 的写与读操作 DS18B20 写周期最少为 60 微秒 最长不超过 120 微秒 写周期一开始作为主机 先把总线拉低 1 微秒表示写周期开始 随后若主机想写 0 则继续拉低电平最少 60 微秒直至写周期结束 然后释放总线为高电平 若主机想写 1 在一开始拉低总线 电平 1 微秒后就释放总线为高电平 一直到写周期结束 而做为从机的 DS18B20 则在检测到总线被拉底后等待 15 微秒然后从 15us 到 45us 开始对总线采样 在采样 期内总线为高电平则为 1 若采样期内总线为低电平则为 0 对于读数据操作时序也分为读 0 时序和读 1 时序两个过程 读时隙是从主机把 单总线拉低之后 在 1 微秒之后就得释放单总线为高电平 以让 DS18B20 把数据传 输到单总线上 DS18B20 在检测到总线被拉低 1 微秒后 便开始送出数据 若是要 送出 0 就把总线拉为低电平直到读周期结束 若要送出 1 则释放总线为高电平 主 机在一开始拉低总线 1 微秒后释放总线 然后在包括前面的拉低总线电平 1 微秒在 内的 15 微秒时间内完成对总线进行采样检测 采样期内总线为低电平则确认为 0 采样期内总线为高电平则确认为 1 完成一个读时序过程 至少需要 60us 才能完成 图 2 3 a DS18B20 写数据 第 7 页 共 32 页 图 2 3 b DS18B20 读数据 DS18B20 与单片机的连接如图 2 4 所示 图 2 4 DS18B20 与单片机连接 2 2 3 时钟 DS1302 由于系统在失电或者重启系统之后 时钟将会初始化 丢失时间 因此在系统 中加入时钟芯片 DS1302 DS1302 是美国 DALLAS 公司推出的一种高性能 低功耗实时时钟芯片 附加 31 字节静态 RAM 采用 SPI 三线接口和单片机进行通信 并可采用突发方式一次 传送多个字节的时钟信号和 RAM 数据 DS1302 所带的实时时钟可提供秒 分 时 日 星期 月和年 一个月小与 31 天时可以自动调整 且具有闰年补偿功能 工作 电压宽达 2 5 5 5V 采用双电源供电 主电源和备用电源 并且可以设置备用电 源充电方式 提供对后备电源进行充电的能力 DS1302 多用于记录数据 特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上 能实 现数据与出现该数据的时间同时记录 因此广泛使用于单片机构成的测控系统中 如图 2 4 所示为 DS1302 的引脚封装和内部结构 第 8 页 共 32 页 图 2 4 DS1302 封装和内部结构 DS1302 的各引脚功能介绍 Vcc2 接 5V 电源 当 Vcc2 Vcc1 0 2V 时 由 Vcc2 向 DS1302 供电 当 Vcc2 Vcc1 时 由 Vcc1 向 DS1302 供电 X1 X2 外接晶振脚一般接频率为 32 768KHZ 的晶振 GND 地 CE RST 复位脚 I O 数据输入输出口 SCLK 串行时钟输入 Vcc1 备用电池接入端 DS1302 与单片机的接口如下图 2 5 所示 图 2 5 DS1302 与单片机的连接图 第 9 页 共 32 页 2 3 单片机选择单片机选择 2 3 1 ATC89C52 单片机 AT89C52 是一个低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 8k bytes 的可反复 擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器 RAM 器件采 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 片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元 AT89C52 单片机在电子行业中有着 广泛应用 现在市场上的单片机 AT89C52 有 PDIP PQFP TQFP 及 PLCC 等三种封 装形式 以适应不同的产品需要 如图 2 6 所示为 AT89C52 单片机的引脚分部情况 单片机 AT89C52 有 40 个引 脚 32 个外部双向输入 输出 I O 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 2 个读写口线 AT89C52 可以按照常规方法 进行编程 但不可以在线编程 其将通用的微处理器和 Flash 存储器结合在一起 特 别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开发成本 主要性能与特性 1 兼容 MCS51 指令系统 2 8k 可反复擦写 大于 1000 次 Flash ROM 3 32 个双向 I O 口 4 256 8bit 内部 RAM 5 3 个 16 位可编程定时 计数器中断 6 时钟频率 0 24MHz 7 2 个串行中断 可编程 UART 串行通道 8 2 个外部中断源 共 8 个中断源 9 2 个读写中断口线 3 级加密位 10 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 11 有 PDIP PQFP TQFP 及 PLCC 等几种封装形式 以适应不同产品的需求 第 10 页 共 32 页 图 2 6 AT89C52 引脚分布 单片机 AT89C52 采用工业标准的 C51 内核 在内部功能及管脚排布上与通用的 8XC52 相同 其主要用于会聚调整时的功能控制 功能包括对会聚主 IC 内部寄存 器 数据 RAM 及外部接口等功能部件的初始化 会聚调整控制 会聚测试图控制 红外遥控信号 IR 的接收解码及与主板 CPU 通信等 主要管脚有 XTAL1 19 脚 和 XTAL2 18 脚 为振荡器输入输出口 外接 12MHz 晶振 RST 9 脚 为复位输入端口 外接电阻电容组成的复位电路 Vcc 40 脚 和 Vss 20 脚 为供电端口 Vcc 接 5V 电源的正端 P0 P3 为可 编程通用 I O 脚 其功能用途由软件定义 2 4 键盘设计与显示电路键盘设计与显示电路 键盘是最常见的单片机系统输入设备 是由若干个按键组成的开关矩阵 通过 键盘输入数据或命令 实现简单的人机对话 键盘上闭合键的识别是有专用硬件实 现的 称为编码键盘 靠软件实现的称为非编码键盘 一般的讲 键盘的接口必须解决下列问题 1 决定是否有按键按下 2 如果有键按下 决定是哪个被按下 3 确定被按键的读数 4 反弹跳 按键抖动的消除 按键从最初按下到接触稳定要经过数毫秒的弹 跳时间 键松开时也有同样的问题 如图 2 7 所示 弹跳会引起一次按键多次读数 第 11 页 共 32 页 消除弹跳的影响即可用硬件方法也可以用软件方法 通常在键的个数较少时采用硬 件措施 即用 RS 触发器或单稳态电路来消除按键抖动 键数较多时 常用软件反 弹跳 即采用软件延时法 当检测到有键按下时 执行一个数毫秒的延时子程序 然后再判断与该键对应的电平信号是否仍然保持在闭合状态 如果是 则可确认为 有键按下 当发现键松开后 也要经毫秒延时 待后沿弹跳消失后再检测下一次的 按键操作 图 2 7 按键时的弹跳波形 5 不管一次按键持续的时间多长 仅采样一个数据 6 处理同时按键 即同时有一个以上的按键情况 2 4 1 非编码键盘的控制方式 在单片机应用系统中为了节省硬件 通常采用非编码式键盘 在这种键盘结构 中 单片机对它的控制有三种方式 程序控制扫描方式 定时扫描方式 中断扫描 方式 2 4 2 非编码键盘接口设计 非编码键盘的接口方法有很多种 如通过扩展 I O 接口 可编程 I O 接口或专用 接口芯片 如果使用的单片机接口不够 可以采用可编程芯片 8155 拓展控制键盘 接口电路中 8155 的 PC 口接键盘的行 PA 口接键盘的列 在 8155 初始化时 把 PC 口设为输入口 PA 口设为输出口 然后利用前面介绍的非编码键盘的行扫描法 进行按键的识别 即得到键值 在本设计中用一个 2 2 的键盘就可以满足系统需要 由于单片机 AT89C52 的 I O 接口比较多 所以对于键盘接入不需要添加拓展芯片 直接接到单片机的 I O 端 口即可 节省了硬件资源 2 4 3 显示设计 单片机系统应用中 常用的显示器件就是 LED 这种器件具有陈本低廉 配置 灵活 与单片机接口方便的特点 随着电子技术的飞速发展 近年来 也开始出现 配置简易形式的 CRT 接口 以方便图形显示 第 12 页 共 32 页 LED 显示块是由发光二极管显示字段的显示器件 也称数码管 在单片机应用 系统中通常用的是 7 段 LED 这种显示块有共阴极和共阳极两种 共阴极 LED 显示 块的发光二极管阴极共地 当某个发光二极管的阳极为高电平时 发光二极管点亮 共阳极 LED 发光管的阴极低电平时 发光二极管点亮 LED 显示块与单片机接口非常容易 只要将一个 8 位并行输出口与显示块的发 光二极管引脚相连即可 8 位并行输出口输出不同的字节数据可显示不同的数字或 字符 通常将控制发光二极管的 8 为字节数据称为段选码或字形选码 公共极称为 位选线 共阳极和共阴极的段选码互为补数 LED 显示有静态显示和动态显示两种显示方式 在显示电路中使用 MC14543 构成静态 LED 的驱动接口电路 只要单片机输出端口给出相应 BCD 码地址值 就 会在相信的数码管上显示对应的数据 所获得的水位信息显示则可以在测量电路中串联 4 个发光二极管进行水位信息 的显示 2 5 光电隔离光电隔离 光电隔离的作用是将电信号进行隔离和传输 以 电 光 电 的形式工作 所使 用的光电耦合器件发光部分和受光部分不接触 避免了输出端和输入端可能产生的 反馈和干扰 具有耐用 可靠性高 响应时间短的优点 广泛应用于信号传输电路 中 本设计中使用的是摩托罗拉公司生产的 4N26 光电耦合器 4N26 光电耦合器内部是由发光二极管和一个光敏三极管构成的 当发光二极管 有电流时 二极管发光照射到光敏三极管的基极 使光敏三极管导通 从而接通电 路 当发光二极管无电流时 光敏三极管处于截止状态 电路断开 4N26 的内部结 构示意图如图 2 8 所示 图 2 8 光电耦合器 4N26 2 6 太阳能热水器上水控制系统上水电磁阀太阳能热水器上水控制系统上水电磁阀的选用的选用 电磁阀按原理可以简单的分为 3 类 第 13 页 共 32 页 1 分步直动式电磁阀 这是一种直动和先导式相结合的原理 当出口与入口没 有压力差时 线圈得电之后产生磁力 将先导小阀和主阀关闭件依次向上提起 阀 门打开 当出入口达到启动压差时 通电后 主阀下腔压力上升 上腔压力下降 从而利用压差把主阀向上推开 断电时 先导阀利用弹簧的弹力或介质本身的压力 推动关闭件 向下移动 使阀门关闭 分步直动式电磁阀可以在零压差或真空 高 压时动作 但是功率较大 必须要水平安装 2 直动式电磁阀 通电时 线圈产生电磁力将关闭件从阀座上提起 阀门打开 断电时 线圈失电 电磁力消失 弹簧把关闭件压在阀座上 电磁阀关闭 直动式 电磁阀可以在真空 负压 零压的时候正常工作 但是通径一般不超过 25mm 3 先导式电磁阀 当线圈通电之后 电磁力将先导孔打开 上腔室的压力迅速 下降 在关闭件周围形成上低下高的压力差 流体流体压力推动关闭件向上移动 打开阀门 断电时 弹簧产生的压力使得先导孔关闭 入口压力通过旁通孔迅速使 得腔室在关阀件周围形成下低上高的压力差 流体压力推动关闭件向下移动 关闭 阀门 其特点是流体压力范围上限较高 可以任意安装但是必须满足流体压力差条 件 在选择电磁的时候 还得考虑到电磁阀的适用性 可靠性 安全性 经济性 以及所使用的现场状况 管道参数 流体参数 压力参数 电气参数 动作方式 特殊要求 我们所用的电磁阀是安装在太阳能热水器进 出水管 由于太阳能热水 器的进出水管是一根管子 所以我们需要考虑电磁阀在水管中的水温达到 90 度时 能否正常工作 其次考虑价格问题 所以我选择了价格适中 耐温条件符合的先导 式电磁阀 2 7 报警电路设计报警电路设计 给系统添加一个报警电路是为了在水上满之后提示用户水已经上满 由于直流 电压可以直接驱动蜂鸣器 不需要交流电压 因此我们利用三极管放大单片机输出 的方波信号驱动蜂鸣器 加上保护电阻 这样即可做成一个简单的报警电路 我们可以利用单片机的一个输出端口 根据所选蜂鸣器的频率 通过软件定义 端口输出方波的占空比和周期来满足蜂鸣器的驱动 第 14 页 共 32 页 图 2 9 报警电路 图 2 9 所示电路就是简易的一个单片机控制的报警电路 8550 是一个 PNP 三极 管 由于单片机 I O 口输出电流很小 所以要加上上拉电阻 以免单片机被烧坏 蜂鸣器使用 5V 无源蜂鸣器 3 3 变换器部分设计变换器部分设计 所谓的变换器就是通过传感器将所测的物理量转换成电信号 经由测量和调制 电路处理之后 输出能够使单片机识别的信号 利用单片机的处理能力 驱动执行 机构 因此变换器的设计需要考虑传感器的类型 根据传感器的类型确定最有效的 测量电路 所以对于传感器的选择一定要多方案比较才能得到最佳方案 3 1 电容式水位传感器电容式水位传感器 我们使用的电容式水位传感器是依据电容原理自行制作的 采用两块耐腐蚀金 属电极固定于太阳能热水器溢出管的外侧作为电容的两个极板 在两块极板上分别 焊上导线 便于接入电路 这样就可以做成一个简易的电容式传感器 根据电容的 计算我们知道 当有水从溢出管流出的时候 电容传感器的电容值约是没有水从溢 出管流出时电容值的 80 多倍 因此可以利用这个特性来完成对信号的检测 控制系统通过检测电容量的大小变化来判断溢水管是否有水流出 具有结构合 理 动态范围大 分辨率高 无密封防水要求 不受水质水垢影响 无使用寿命周 期等优点 3 1 1 调频电路 将电容式传感器接入高频振荡器的 LC 谐振回路中 作为回路的一部分 当被 测量使电容发生变化时 就使振荡频率产生相应变化 由于振荡器的频率受电容传 第 15 页 共 32 页 感器的电容调制 故称调频电路 调频电路的灵敏度较高 频率输出易于得到数字输出而不需用 A D 转换器 能 获得高电平直流信号 抗干扰能力强 可以发送 接受实现遥测遥控 但调频电路 的频率受温度和电缆电容影响较大 需采取稳频措施 电路较为复杂 频率稳定度 也不可能很高 因此实现比较困难 图 3 1 调频电路的构成 传感器电容是振荡器谐振回路的一部分 当传感器的电容 Cx发生变化时 振荡 器的频率 f 也相应地发生变化 即我们所说的频率调制 由此实现了 Cx f 的转 换 但该频率信号是比较小的信号需要进行放大 放大后的频率信号进一步通过鉴 频器转化为电压信号 但是 信号的频率被调制的过程中 振荡器的幅值也会发生 一定的变化 为了使振荡器的振荡幅值不超出一定的范围 在一般的电路中均有限 幅环节 3 1 2 交流电桥电路 将电容式传感器接入交流电桥的一个臂 另一个臂为固定电容 或两个相邻臂 另 两个臂可以是电阻或电容或电感 也可是变压器的两个二次线圈 其中另两个臂是 紧耦合电感臂的电桥具有较高的灵敏度和稳定性 且寄生电容影响极小 大大简化 了电桥的屏蔽和接地 适合于高频电源下工作 而变压器式电桥使用元件最少 桥 路内阻最小 因此目前较多采用 第 16 页 共 32 页 图 3 2 电容传感器构成交流电桥的一些形式 在图 3 2 中 是电容传感器构成交流电桥的一些形式 在以上多种电桥中 最 后一种 h 在工程实际中应用较为广泛 交流电桥电路的特点 1 高频交流正弦波供电 2 电桥输出调幅波 要求其电源电压波动极小 需采用稳幅 稳频等措施 3 通常处于不平衡工作状态 所以传感器必须工作在平衡位置附近 否则电桥 非线性增大 且在要求精度高的场合应采用自动平衡电桥 4 输出阻抗很高 几 M 至几十 M 输出电压低 必须后接高输入阻抗 高放大倍数的处理电路 3 1 3 双 T 型充放电网络 电路原理如图 3 3 a 供电电压是幅值为 UE 周期为 T 占空比为 50 的方波 若将二极管理想化 则当电源为正半周时 电路等效成典型的一阶电路 如图 3 3 b 其中二极管 VD1导通 VD2截止 电容 C1被以极其短的时间充电 其影响可不予考 虑 电容 C2的电压初始值为 UE 第 17 页 共 32 页 U0 R R RL C2C1 VD1 VD2 iC1iC2 UE 图 3 3 双 T 充放电网络电路原理图 a C2 UE C1 C1 C2 UE RL RL RRR iC1 iC2 i C1 i C2 R 图 3 3 双 T 充放电网络电路等效电路图 b 根据一阶电路时域分析的三要素法 可直接得到电容 C2的电流 iC2如下 2 2 exp L EE L C L L L L R UU RRt i RR RR R RC RR RR 在 R RRL R RL C2 R1 所以 U1 和 UAB 比较 输出高电平 当有水流过管子 A B 被水淹没 其电阻在几百千欧 相当于和 R1 串联分压 由于 R1 RAB 则 U1 UAB 输出低电平 因此可以通过判断电平间接 地得出管内是否有水 从而判断是否水满 3 2 2 测量电路 图 3 10 水位传感器测量电路 如图 3 10 所示为自制式电阻式水位传感器测量电路 R2 和 LED 构成电源上水 指示 在通电电磁阀打开上水的时候指示灯亮 表示电源接通 电磁阀打开正在上 水 指示灯灭 表示水满 电磁阀关闭 电路失电 上水结束 该电路中利用 CD4011 构成了 RS 双稳态触发器 RS 触发器如图 3 11 所示 当 接通电源由 RS 触发器给三极管 8050 的基极输入高电平 三极管导通 驱动电磁阀 打开 R3 与 C1 构成一个延迟 1ms 电平从 0 1 变化的信号输入 与传感器电平 输入构成 RS 双稳态触发器的两个输入 如图 3 12 所示为双稳态 RS 触发器的真值表 第 24 页 共 32 页 图 3 11 双稳态 RS 触发器 RSQQ状态 1001置位 1101保持 0110复位 图 3 12 RS 触发器真值表 设计中使用了 CMOS 与非门 CD4011 芯片 图 3 13 为 CD4011 的引脚和封装 CD4011 是 CMOS 与非门 内置 4 个与非门 7 脚接地 14 脚接电源 CD4011 的电 压范围为 5V 18V 双列普通封装的功耗为 700mW 小型封装为 500mW 工作温 度范围在 55 125 之间 由于电路所用电压为 12V 左右 所以选择了电压范围 较宽的 CMOS 系列 CD4011 而不选用 74LS00 图 3 13 CD4011 内部结构和外部引脚 如图 3 12 真值表所示 当电源接通时 R 端输入高电平 RS 触发器给驱动电路 的三极管基极输出一个高电平 使得 8050 三极管导通 驱动电磁阀打开上水 当电 极有水淹没时 R 端输入低电平 驱动电路中的三极管由导通变为截止 继电器线 圈失电 电磁阀和电源自锁开关所接的两组触点断开 上水结束 3 3 方案比较方案比较 第 25 页 共 32 页 电容传感器中调频电路的频率受温度和电缆电容影响较大 需采取稳频措施 电路较为复杂 频率稳定度也不可能很高 因此实现比较困难 双 T 型充放电网络 中电源周期 幅值直接影响灵敏度 要求它们高度稳定 因此相对实际电路制作会 比较麻烦 交流电桥电路比较复杂 能力有限 所以选择了差动脉冲调宽电路 但 是在电路调试的时候 电路不能起振 究其原因 所制作的电容传感器电容值太小 加上 LM324N 的最高比较频率小于 1MHz 如果换用高速比较器 成本就比较大了 所以考虑使用电阻传感器电路 经过对排阻式水位传感器的研究 制作出了更为简单的水位传感器 制作起来 相对比较简单 满足设计要求 最后 我和指导老师研究决定使用自己制作电阻式 传感器做成上水控制电路的方案 3 4 电磁阀驱动电路电磁阀驱动电路 图 3 14 电磁阀驱动电路 图 3 14 为电磁阀驱动电路 J1 为电磁的线圈 将电磁阀接继电器的一组常开触 点 J1 1 手动接通电源 8050 三极管获得高电平的时候 导通 J1 得电 J1 1 吸合 电磁阀打开上水 水满后 8050 三极管基极失电截止 J1 失电 J1 1 断开 电磁阀 关闭 4 4 控制器电源设计控制器电源设计 4 1 直流电源设计直流电源设计 第 26 页 共 32 页 本设计中所使用的电源是 12V 和 5V 直流电源 因此使用 220VAC 变 12VAC 的 变压器和 7812 7805 稳压管设计供电电源电路 如图 4 1 所示 图 4 1 12V 和 5V 直流输出转换电路 转换电路中变压器经过由 4 个 IN4007 组成的整流电桥输出给 7812 进行稳压 AB 两端输出 12V 直流电压 C1 和 C2 是两个 1000uF 25V 的电解电容 不仅仅可以 作为滤波使用 还可以在电路断电之后给电路持续一小段时间供电 K1 接测量电路 中 12V 继电器的另外一组常开触点 J1 2 上安装一个不带自锁的电气按钮开关 此 时与继电器形成自锁开关 当按钮按下之后电路供电 继电器线圈得电吸合 电磁 阀打开