太阳能热水器水位温度测试系统设计.doc

摘要摘要：近年来，随着常规能源紧缺的问题越来越严重，环保及可持续发展的呼声日趋高涨，太阳能的利用越来越引起人们的重视，太阳能产业的发展势头迅猛。据中国家电市场联合调研课题组公布的年中国太阳能热水器市场竞争调查报告显示，经过近年的快速发展，我国太阳能热水器行业将迎来高速发展的黄金时期。本文给出了一种基于单片机的太阳能热水器智能控制方法，可以实现对水温和水位的自动和手动控制，配备显示屏和设置键盘，超出设置上限报警。 关键字：单片机；水温；水位；显示屏；智能控制；第 24 页 共 24 页引 言自动控制学科有自动控制技术和自动控制理论两部分组成。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。比如在生活方面的温度调节、湿度调节、自动洗衣机、自动售货机、自动电梯、空气调节器、电冰箱、自动路灯、自动门、保安系统等。在工业方面主要分为两大类：一类是气体、液体、粉体、石油化工制药、轻工食品、建材等行业。需要对温度、压力、物位、流量、成分等参数进行控制。另一类是对已成型材料的进一步加工或者对多种已成型材料的装配，主要控制位移、速度、角度等参数这些都需要应用自动控制学科的知识。控制理论一般分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。经典控制理论最初称为自动调节原理，适用于较简单系统特定变量的调节。随着后期现代控制理论的出现，故改称为经典控制理论。经典控制理论以传递函数为数学工具研究单输入、单输出的自动控制系统的分析和设计方法。主要研究方法有时域分析法、根轨迹法和频率特性法。现代控制理论的产生：随着科学技术的突飞猛进，特别是空间技术和各类高速飞行器的发展，使各受控对象要求高速度、高精度，而系统的结构更加复杂，要求控制理论解决动态耦合的多输入多输出、非线形以及时变系统的设计问题。此外，对控制性能的要求也在逐步提高，很多情况下要求系统的某种性能是最优的，而且对环境的变化要有一定适应能力等。这些新的要求用经典理论是无法解决的，这同时也为现代控制理论的形成创造了条件。现代控制理论本质上是时域法，是建立在状态空间基础上的，它不用传递函数，而是用状态向量方程作基本工具，从而大大简化了数学表达方式，因此原则上可以分析多输入多输出、非线形以及时变系统。自动控制技术的应用，推动了控制理论的发展，而自动控制理论的发展，又指导了控制技术的应用，使其进一步完善，随着科学技术的发展，自动控制技术和理论已经广泛的应用于科技、冶金、石油、化工、电子、电力、航空、航海、航天、核反应堆等各个学科领域。近年来，控制科学的范围还扩展到生物、医学、环境、经济管理和其它许多社会领域，并为个学科之间的相互渗透起了促进作用，可以毫不夸张的讲，自动控制技术和理论已经成为现代化社会的不可缺少的组成部分。自动控制技术的应用不仅使生产过程自动化，从而提高了劳动生产率和产品质量，降低成本，提高经济效益，改善劳动条件，而且在人类探索新能源，发展空间技术和创造人类社会文明等方面都具有十分重要的意义。在能源日益紧张的今天，电热水器，饮水机，电饭煲之类的家用电器在保温时，由于其简单的温控系统，利用温敏电阻来实现温控，因而会造成很大的能源浪费浪费。 但是利用AT89C51单片机为核心，配合温度传感器，信号处理电路，显示电路，输出控制电路，故障报警电路等组成，软件选用汇编语言编程。单片机可将温度传感器检测到的水温模拟量转换成数字量，显示于LED显示器上。该系统灵活性强，易于操作，可靠性高，将会有更广阔的开发前景。能源问题已经是当前最为热门的话题，离开能源的日子，世界将失去一切颜色，人们将寸步难行，虽然本设计是节省电能角度出发，而电能又是可再生能源，但是在今天还是有很多的电能是依靠火力，核电等一系列不可再生的自然资源所产生，一旦这些自然资源耗尽，我们将面临电能资源的巨大的缺口，因而本设计从开源节流的截流角度出发，节省电能，保护环境。一 方案论证与选择1.水位控制系统在工农业生产以及日常生活应用中，常常会需要对容器中的液位（水位）进行自动控制。比如自动控制水箱、水池、水槽、锅炉等容器中的蓄水量，生活中抽水马桶的自动补水控制、自动电热水器、电开水机的自动进水控制等。虽然各种水位控制的技术要求不同，精度不同，但基本的控制原理都可以归纳为一般的反馈控制方式，如下图1-1.1所示，它们的主要区别在于检测液位的方式、反馈形式，以及控制器上的区别。图1-1.1水位控制系统（1）机电控制式水位控制下图1-1.2是这种控制方式的结构示意。图1-1.2 水箱水位结构控制图漂浮在水面上的浮球与控制器中的“检测机构”通过连杆机构相连，当水位发生变化时，浮球上下运动带动“检测机构”产生位移，这个位移可以直接用来驱动阀门动作，关闭或者开启进水口，调节水位。如果需要控制的水筏较大，浮球的浮力不足以驱动控制水阀动作时，可以在“检测机构”与“阀门控制”之间增加一套机电控制驱动装置，具体控制过程为：“检测机构”的位移先去带动一个位移开关动作；位移开关控制电机的转动；电机驱动水阀门。这种控制方式结构比较复杂，但可以对大型蓄水装置进行控制，因此常常应用于工农业生产中。（2）全机械结构的水位控制方式家用抽水马桶是典型的全机械结构水位控制，下图1-1.3是原理示意图：图1-1.3 全机械结构的水位控制方式当用户进行冲水操作之后，蓄水箱的水被排空，浮球下降，这个信号通过连杆机构传递给进水阀门，使进水阀门开启，对蓄水箱补水；随着水量的增加，浮球逐步上移，直至达到设定的某个水位时，正好能够关闭进水阀，停止进水。由此可见，在这种水位控制系统中，浮球=水位检测器（传感器），连杆机构=控制器，水位的“给定量”通过进水阀门与连杆机构的相对位置来设定。（3）最简单的自动水位控制装置在工厂化的家禽饲养中，由于饲养的的空间很小，家禽密度很高，饮水槽不可以做的很大，否则将被家禽践踏而使引水受到污染。但又要保持有充足的水量，不断的自动补充新鲜的饮水。解决这个矛盾的办法就是需要一套自动水位控制系统，使得很小、很浅的饮水槽中始终有水而且水位维持不变。这个水位控制系统其实非常的简单，基本结构如下图1-1.4所示图1-1.4 水位控制系统基本结构由于蓄水桶上方密闭的空间气压比外界大气压强低，所以能够保持蓄水桶中的水位高于水槽中的水位，当水槽中的水被饮用之后，外部的空气将通过蓄水桶的下方桶口进入到桶上方的密闭区域中，降低了密闭区的压强，蓄水桶中的水位降低，补充了水槽中的水，直至水槽中的水平面高过蓄水桶下方的桶口。2.温度传感器的选取目前市场上温度传感器较多，有以下几种：方案一：选用铂电阻温度传感器，此类温度传感器线性度、稳定性等方面性能都很好，但其成本较高。方案二：采用热敏电阻，选用此类元器件有价格便宜的优点，但由于热敏电阻的非线性特性会影响系统的精度。方案三：选用美国Analog Devices 公司生产的二端集成电流传感器AD590。其测量范围在-50-+150，满刻度范围误差为0.3，当电源电压在510V之间，稳定度为1时，误差只有0.01。此器件具有体积小、质量轻、线形度好、性能稳定等优点其各方面特性都满足此系统的设计要求。比较以上三种方案，方案三具有明显的优点，因此选用方案三。二 器件简介1.主控芯片MSC-51（1） MSC-51芯片资源简介 89S51是MCS-51系列单片机的典型产品，下图2-1.1为单片机内部结构示意图，我们就这一代表性的机型进行系统的讲解。89S51单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：图2-1.1 单片机内部结构示意图A.中央处理器中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。B.数据存储器(RAM)89S51内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。C.程序存储器(ROM)89S51共有4KB掩膜ROM，最大可扩展64K字节，用于存放用户程序，原始数据或表格。D.定时/计数器：89S51有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。E.并行输入输出(I/O)口：89S51共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。F.中断系统89S51具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。(2)单片机的引脚89S51单片机内部总线是单总线结构,即数据总线和地址总线是公用的. 89S51有40条引脚, 与其他51系列单片机引脚是兼容的. 这40条引脚可分为I/O接口线、电源线、控制线、外接晶体线4部分. 89S51单片机为双列直插式封装结构, 如图2-1.2所示. 图2-1.2 89S51引脚分配图 (3)89S51单片机的外接晶体引脚 （1）XTAL1：片内振荡器反相放大器的输入端和内部时钟工作的输入端。采用内部振荡器时，它接外部石英晶体和微调电容的一个引脚。（2） XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端，接外部石英晶体和微调电容的另一端。采用外部振荡器时，该引脚悬空。外接晶体引脚。(4)89S51单片机的控制线（1） RST：复位输入端，高电平有效。（2） ALE/PROG：地址锁存允许/编程线。（3） PSEN：外部程序存储器的读选通线。（4） EA/Vpp：片外ROM允许访问端/编程电源端。 (5)89S51单片机复位方式89S51单片机的复位靠外部电路实现,信号由RESET(RST)引脚输入,高电平有效,在振荡器工作时,只要保持RST引脚高电平两个机器周期,单片机即复位. 复位后,PC程序计数器的内容为0000H,片内RAM中内容不变. 复位电路一般有上电复位、手动开关复位和自动复位电路3种。2.温度检测AD590(1)AD590的功能及特性AD590是电流型温度传感器，通过对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分挡,AD590的后缀以A，B，C，D，E 表示。AD590一般用于精密温度测量电路，其电路外形如图2-2.1 所示，它采用金属壳 脚封装，其中6 脚为电源正端V+ ；2脚为电流输出端；3脚为管壳，一般不用。集成温度传感器的电路符号如图2-2.1所示。图2-2.1 外形和符号(2)AD590的主特性参数工作电压：4-30V工作温度：-55-150保存温度：-65温度每增加1,它会增加1A输出电流。 可量测范围-55至150。 供应电压范围+4V至30V。 电源正向电压 (V+ to V-) +44V电源反向电压(V+ to V-) -20击穿电压(外壳 to V+ to V-) 最大结温 175(3)注意事项1.JA测量元件装在自由空气环境下2.不包括自热效应。 3.最大偏差25温度55和150之间循环。 4.条件+5伏，常数125 。 5.泄漏电流每10 。 6.机械应变对封装可能扰乱校准设备。 7.但不能保证测试。 8.-55保证测试在25和150。AD590的输出电流值说明如下：其输出电流是以绝对温度零度(-273)为基准,每增加1,它会增加1A输出电流,因此在室温25时,其输出电流Io=(273+25)=298A。三 检测系统设计1.温度采集电路设计温度采集电路的设计是用温度传感器AD590以及接口电路把温度转换成模拟电压，经由ADC0809转换成数字信号，然后再送8051处理。这样需要一个放大电路把传感器输出信号转换成A/D转换器可执行的模拟电压量。下面会依次介绍。（1）AD590传感器的测温原理AD590是一恒流源器件，输出的电流值与它所测的绝对温度有精确的线性关系。由于厂家生产时采用激光微调来校正集成电路内的薄膜电阻，使其在摄氏零度（对应绝对温度为273.2K）输出电流为273.2A，灵敏度为1A/K ，当其感受温度升高或降低时，输出电流为1A/K的增大或减少，从而将被测温度线性转换为电流形式输出，在测量电路中，将其电流转换为电压，则可用电压形式来表示温度的大小。由于AD590输出电流设计为开氏温标对应，而且工作电压范围大，因此，在实际应用中应注意以下几个问题。AD590在摄氏零度时，输出电流值为273.2A ，它与热力学温度273.2 K相对应。而人们习惯用摄氏温标表示温度，摄氏温标与开氏温标的转换关系即T(K)=273.2+t() （3.1）在信号处理时，应将开氏温度转换为摄氏温度。AD590的工作电压可以在4V30V范围内选用，但某一工作电压一经确定后，应尽可能使其稳定，因为工作电压波动将引起AD590输出电流在一定程度上的相对漂移，造成测量误差。 AD590输出电流在远距离传输时，虽然它对导线产生的压降不敏感，但应避免传输导线回路受电磁干扰影响产生感应电势而导致回路电流变化，造成测量误差。由于AD590的温度变化范围在55150之间，经过10K之后采样到的电压变化在2.182V4.232V之间，不超过5V电压所表示的范围，因此参考电压取电源电压VCC，（实测VCC4.70V）。由此可计算出经过A/D转换之后的摄氏温度显示的数据。 由于AD590的增益有偏差，电阻也有偏差，因此应对电阻进行调整。调整的方法为：把AD590放于冰水混合物中调整电位器，值如下表3-1.1表示：表3-1.1 AD590温度与电流关系摄氏温度AD590电流经10K电压0273.2A2.732V10283.2A2.832V20293.2A2.932V30303.2A3.032V40313.2A3.132V50323.2A3.232V60333.2A3.332V100373.2A3.732V（2）测量电路设计 AD590对温度变化体现为电流变化，温度和电流呈线性关系，而A/D转换器采集的为电压信号，因此需要有电流电压转换电路，将电流信号转换成电压信号，转换电路如图3-1.2示：图3-1.2 电流电压转换电路图中电容C4起滤波作用。该电路中，考虑到测温范围是0度50度，而ADC0809输出电压范围为0V5V，故电阻R2取3.3K，R3取15K，其中R2是滑动变阻器，精度高于R3，电阻R4取100K,R5取50K，R4是滑动变阻器，精度高于R5，电阻R6取33K。运放是温度电压变换电路，为测试方便，设计时将0度时的输出电压定为OV，每升高一度输出电压上升100mV，与电压之间的关系为:U =K(TT0)V （3.2）式中，K比例系数,K=O.98V/度,T环境温度，单位为度,T0测温下限0度。由图3-1.2设流过R2，R3电流为I1，流过传感器的电流为I2，通过R4，R5电流为I3。由分流得：I3=I2I1 （3.3）由于AD590测得温度为开氏温度必须转换为摄氏温度式见（3.1）当T=+50度和T=0度时，变换电路输出电压上限Umax=5V，电压下限为Umin=0V，实现的办法是:首先调整R2，使得I1=273.2uA。当温度为0度时，通过AD590的电流I2=273.2u A，此时I3=0A,R4,R5上无压降，即输出电压为0V。当环境温度为50度时，流过AD590的电流为323.2u A，此时，I3=I2I1= 50A，调整R4，使R4+R5=98千欧，有(R4R5)I3=4.9V.同样，可以计算出其余各温度所对应的输出电压具体对应数值见表3-1.3：表3-1.3温度与输出电压值温度01020304050输出电压值0 V0.98V1.96V2.94V3.92V4.9V定标方法： 断开上图中M1点，串入微安表，调整电位器R2，使微安表读数为273.2A，取下微安表，接通M1点。 将AD590至于50度水中（可用塑料袋包裹），调整R4,使M2点电压为4.9V。 将AD590置于0度冰水混合物中，测试M2点电压为0V。 再将AD590置于50度温度场中，测试M2点电压应为4.9V，如有偏离，可微调电位器R4，使M2点电压为4.9V。 重复、二到三次，就可以使M2点电压保持0度时的0V、+50度时的4.9V。系统对放大电流要求低调、低漂移、高精度，可选用高精度集成运放。OP07为低失调电压、低失调电流和低漂移的超低失调运算放大器，其增益和共模抑制比高，噪声小，它的电源电压3V18V，其广泛用于稳定积分、精密加法比较，阀值电压，检测，微弱信号精确放大场合是一种通用性极强的运算放大器。本系统采用它作为运放。2.水位检测电路水槽是常见的水位控制系统的被控对象。下图是俩个串联单容水槽构成的双容水槽。其输入量为调节阀1产生的阀门开度变化u，而输出量为第二个水槽的液位增量h2。在水流量增量、水槽液位增量及液阻之间。经平衡点线性化后，可以导出如下关系式： （3-2.1） （3-2.2） （3-2.3） （3-2.4）式中，C1和C2为两液槽的容量系数；R1和R2为两液槽的液阻。将式（3-2.2）代入式（3-2.1）得故有 （3-2.5） （3-2.6）将式（3-2.4）及（3-2.2）代入（3-2.3），得分别将式（3-2.5）和（3-2.6）代入上式，整理后可得双容水槽的微分方程 （3-2.7）式中，T1=R1C1为第一个水槽的时间常数；T2=R2C2为第二个水槽的时间常数；K为双容水槽的传递系数。再零初始条件下，对式（3-2.7）进行拉氏变换，得双容水槽的传递函数3.温度控制电路此部分电路主要由光电耦合器MOC3041和双向可控硅BTA12组成。MOC3041光电耦合器的耐压值为400v，它的输出级由过零触发的双向可控硅构成，它控制着主电路双向可控硅的导通和关闭。100电阻与0.01uF电容组成双向可控硅保护电路。控制部分电路图 如图3-3.1部分控制电路。 如图3-3.1 部分控制电路4.主机控制部分此部分是电路的核心部分，系统的控制采用了单片机89C52。单片机89C52内部有8KB单元的程序存储器及256字节的数据存储器。因此系统不必扩展外部程序存储器和数据存储器这样大大的减少了系统硬件部分。如图3-4.1 主机控制部分 如图3-4.1主机控制部分5.键盘及数字显示部分在设计键盘/显示电路时，我们使用单片机2051做为电路控制的核心，单片机2051具有一个全双工的串行口采用串口，利用此串行口能够方便的实现系统的控制和显示功能。键盘/显示接口电路如图3-5.1。图3-5.1中单片机2051的P1口接数码管的8只引脚，这样易于对数码管的译码，使数码管能显示设计者所需的各数值、小数点、符号等等。单片机2051的P3.3、P3.4、P3.5接3-8译码器74L138，译码器的输出端直接接八个数码管的控制端和键盘，键盘扫描和显示器扫描同用端口这样能大大的减少单片机的I/O，减少硬件的花费。 图3-5.1 键盘/显示部分电路键盘的接法的差别直接影响到硬件和软件的设计，考虑到单片机2051的端口资源有限，所以我们在设计中将传统的4*4的键盘接成8*2的形式（如图3-5.2），键盘的扫描除了和显示共用的8个端外，另外的两个端直接和2051的P3.2和P3.7相连。图3-5.2键盘接线如图3-5.2的接法已经完全用完了单片机的15个I/O口，有效的利用了单片机的资源。四 系统的软件设计开机 机系统初始化显示清零，各记数指针清零，设定定时器及中断否是调用相应的中断程序判断是否有中断？PID算法PWM波产生接收及发射串显示数据PC机通信子程序 图4-1.1主程序流程图各类数值转换子程序1.系统主程序设计 心得与体会通过这次的设计使我对自动控制原理课程中所学习到的知识得到的更加深刻的认识以及巩固，也使我在学习书本知识的同时学会了将学习到的知识应用到实际生活中，在实际生活中拓展自己的能力和自己的学习热情。通过这次的设计也使我对经典控制系统产生了深刻的认识，在我脑海里产生了深刻影响。通过这几天的忙碌，我学会了许多我们在课堂上面所学不到的知识和能力。在我们做课程设计的时候我们将面对许许多多的系统传递函数，微分方程，校正仿真等问题。这也就要求我们利用课上学习到的知识和自己的查阅资料的能力，综合运用以前上课时老师教我们的分析方法去分析新的问题。还有通过这两天的设计，我也认识到了和同学配合的重要性，在我们学习生活中，自己不可能是十全十美的，我们也不能是万能的什么都知道，在学习生活中团队配合才是重要的。在这次的课程设计中也是得到了很多同学的帮助才能够使我快速准确的完成了这次的设计。最后更要感谢在设计过程中帮助我的老师和同学。结 束 语首先，通过这次应用系统设计，在很大程度上提高了自己的独立思考能力和单片机的专业知识，也深刻了解写一篇应用系统的步骤和格式，有过这样的一次训练，相信在接下来的日子我们都会了，而且会做得更好。 我所写的系统主要根据目前节省能