【毕业学位论文】（Word原稿）太阳能热水器智能水位控制仪的设计-计算机应用技术

摘 要 I 摘 要 本文设计了一个太阳能热水器智能控制系统。它以 89片机为核心，配合电阻型 4 档水位传感器、负温度系数 敏电阻温度传感器、 8255A 扩展键盘和显示器件 、驱动电路（电磁阀、电加热、报警）等外围器件， 完成对太阳能热水器容器内的水位、水温测量、显示；时间显示；缺水时自动上水，水溢报警；手动上水、参数设置；定时水温过低智能电加热等功能。 其中本文第一章主要说明了太阳能热水器智能控制系统的研究现状和本课题的主要任务，第二章对系统的整体结构作了简单介绍，第三章重点介绍了水位水温测量电路，第 四章介绍了时钟电路，第五章介绍了显示和键盘电路，第六章对其他电路作了介绍，第七章是对水位测量电路的硬件调试。 本系统对于水位传感器、水温传感器的电阻数据的处理均采用独特的 放电的方法。它与使用 A/D 转换器相比，电路简单、制造成本低。特别适用于对水位、水温要求不精确的场合。 关键词 ：太阳能，热水器，控制器， 89放电 英文摘要 a It 9as of TC 255A to of of of of to of on to is of of of C to , is is it is 89RC 录 录 摘 要 . I 文摘要） . 录 . 一章 引 言 . 1 题 的背景意义 . 1 阳能热水器和其控制器的发展现状 . 1 题的研究内容 . 3 第二章 太阳能热水器智能水位控制系统整 体结构介绍 . 4 第三章 水位和水温测量电路硬件设计 . 5 位测量电路 . 5 案比较选择 . 5 位测量电路的具体设计及优化 . 8 温测量电路 . 15 案比较选择 . 15 温测量电路的设计及温度计算方法 . 16 位、水温测量电路的整体设计 . 20 第四章 时钟电路 . 21 钟芯片选择 . 21 行时钟芯片 . 21 行时钟芯片 . 22 较选择 . 23 钟电路的应用设计 . 23 部寄存器 . 23 单片机的连接及时间读取方法 . 24 第五章 键盘和显示电路 . 27 目 录 案选择 . 27 255A 芯片介绍 . 27 8255A 在太阳能热水器控制电路中的作用 . 30 示电路工作原理 . 31 255A 显示电路的硬件结构 . 31 255A 实现显示方法 . 33 盘电路原理 . 35 立式键盘工作原理 . 35 盘功能介绍 . 35 盘扫描程序 . 36 第六章 其他硬件电路设计 . 37 水电磁阀、电加热、报警等驱动电路 . 37 水控制电路 . 37 加热控制电路 . 37 警控制电路 . 37 位显示电路 . 37 源电路 . 38 第七章 水位传感器电路的硬件调试 . 39 试 和电容两端的波形 . 39 试电容电压变化引起的中断信号 . 40 示计数器寄存器中的值和实测水位 . 43 结 论 . 44 参考文献 . 45 致 谢 . 46 附 录 . 47 第一章 引 言 1 第一章 引 言 题的背景意义 随着太阳能热水器的迅速推广，广大消费者对太阳能热水器特别是太阳能热水器控制器的要求越来越高，太阳能热水器商家为使自己的产品能在市场上生存和发展，在不断提高太阳能热水器热水性能 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越来越高。 本设计追踪科技应用前沿，跟踪市场，根据论文资料及市场现有产品模型，在加上自己的理解和创意，模仿出了一套智能化的太阳能热水器控制系统。本系统完全跟随太阳能热水器本身智能化程度和成本的要求，为太阳能热水器提供了一套智能化程度高、性能良好、使用方便、经济实惠的配套控制系统。 阳能热水器和其控制器的发展现状 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。 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 。 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 1 500万平方米，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。至 2005年，全 国有 1000多家有一定规模的太阳热水器生产企业，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 1。到目前已有许多太阳能品牌为大家耳熟能详，如皇明、桑乐、四季牧歌、力诺等。总之，太阳能热水器已是一件和电视机、洗衣机一样必不可少的家用电器。 进步源于竞争，在我国太阳能拥有广阔的市场，当然也有更大的竞争，各大商家为了使自己的产品在市场上立足并长远发展，不断提高太阳能热水器的第一章 引 言 2 性能，其中太阳能热水器控制器以其灵活、贴近客户成为商家竞争的热点。目前， 各大商家纷纷提高太阳能热水器的智能化程度来满足消费者的需求。许多太阳能热水器的功能有： 开机自检 、 温控上水 、 强制上水 、 水位预置 、 水质设置 、 水温指示 、 低水压上水 、 水位显示 、 防高温空晒 、 缺水报警 、 自动防溢流 、 缺水上水 、 手动上水 、 故障提示 等许多贴近客户需求的功能。 目前太阳能控制器的控制器基本实现数字化，以单片机为控制核心的控制系统占领太阳能热水器的主要市场。在市场调查中发现，太阳能控制单片机的型号较多，其中应用最多的是 51系列和 基本框图如图 1 9 C 51示接口温度与水量数据采集控制加热电平转换键盘输入继电器电磁阀蜂鸣器控制上水控制线位选控制线+ 12 V+ 5 口 P 0 口T 0R X 图 1场太阳能热水器基本框图 2 太阳能热水器控制系统可以实现水位显示、水位控制、温度显示、防冻等多种功能，其中对水位的检测、控制，实现水位显示、自动上水、超限报警是太阳能热水器控制系统的核心。 目前大多数太阳能热水器的水位传感器都采用分段式水位传感器，因为太阳能热水器对水位精确度的要求不高，并且分段式传感器的成本很低。图 1引 言 3 用的一种分段式热水器传感器的基本原理。 对于温度的检测便于用户的使用和控制电加热。目前 ， 温度传感器的应用种类较为繁杂，有直接使用热电阻、热电偶的，也 有使用数字温度变送器（如。在显示方面多采用 1 2 3 4 5 6i t l eN um be r R e vi s i i z a t e : 9- J 007 S he e t F i l e : C : D oc um e nt s a e t t i us e r 桌面 毕业论文 M y D e s i r a w n B y :43012 V C E E E E 0W 1 1W 1 2W 1 3图 1种分段式水温传感器 3 题的研究内容 本课题主要是对市场现有产品的仿制，要能够实现太阳能热水器的完整功能。本课题以 89片机为核心配合传感器、显示器件、电磁阀、电加热器、报警器等外围器件，采集热水器储水箱中的水位、水温信号，通过控制电动机的运转、电加热器加热来控制储水器的水位、温度，并完成水位、水温显示，时间显示，水溢报警等功能。另外配有键盘，可以实现手动上水、手动电加热、设置水位、设 置温度等功能。第二章 太阳能热水器智能水位控制系统整体结构介绍 4 第二章 太阳能热水器智能水位控制系统整体结构介绍 太阳能热水器整体结构大致可以分为四大部分： 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。 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，有对太阳能热水器状态的直观显示，也有用于人对系统控制的键盘电路。 3 时钟电路。给系统提供时间显示和参考时间。 4 驱动电路。包括电加热、上水电磁阀、报警电路，是整个系统的执行部分。 系统的整体结构图如图 2 8 9 C 5 2水 位 测 量水 温 测 量时 钟 芯 片报 警上 水 电 磁 阀水 位 显 示8 2 5 5 和 温 度 显 示P 1 . 2P 1 . 0P 1 . 3P 1 . 1电 加 热D 0 D 7P 0P 2 . 0 P 2 . 4P P P 2 . 5 P 2 . 7A 0A 1C T 0I N T 1P 1 . 5 P 1 . 7图 2阳能热水器控制系统整体结构图第三章 水位和温度测量电路硬件设计 5 第三章 水位和水温测量电路硬件设计 水位测量和水温测量是太阳能热水器控制系统的最重要部分，是实现其他功能的基础，此部分性能好坏将关系到整个系统的优良程度，所以设计一个性能良好的水位、水温测量系统是本设计的重点。 位测量电路 水位测量可以有多种方法，需从性能和成本两方面进行考虑，选择合适的方案。 案比较选择 1 排阻分档键盘式水位传感器 在许多资料中都介绍了一种类似键盘电路的分档水位传感器，其原理图如图 3示。 R 5 10 k+ 5 06974 4489 c 52P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 3P 1 . 2图 3阻式水位测试电路示意图 4 它的工作原理类似于键盘的工作原理，用 5 根不锈钢针分别置于水箱内的 四种不同高度的位置，当某个钢针不接触水面时，其输出为高电平；当其与水面接触时则输出低电平。它们的输出接至电子开关 过 向第三章 水位和温度测量电路硬件设计 6 并经 74动后分别接入 89 03 引脚。 这些引脚进行判断后 ，送去显示相应的水位值。显示共分 4 档 ，每档为满水位的 25% 。这种方法简单，易实现，省 去了传统的 A D 转换器，成本低，虽然不精确但可以满足使用要求 4。 2 放电式水位传感器测量电路 这种电路资料较少，但我们在市场上购买的桑乐太阳能的水位和水温传感器就是基于这种原理，其基本形状如图 3示。 公 共 水 位 防 冻温 度乐太阳能水位水温传感器外形图 从图 3共只有 4个端口，其中一个是防冻接口，没有使用，使用的只有 3 个端口，在可用的三个端口上分别标有公共、水位、水温标志，由此可知测量水位、水温 都只用了一个端口。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，数据如 表 3示。 由上述测试结果的电阻值得出这样的规律，那就是电阻的并联短接，其原理如图 3示。 第三章 水位和温度测量电路硬件设计 7 表 3出电阻值表 短接方式 无短接 1、 2 1、 2、 3 1、 2、 3、 4 1、 2、 3、 4、 5 输出电阻值（ 极大 25 水箱公共 水位4 25 乐太阳能水位传感 器原理 它的工作原理是，水面每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。利用单片机的一个口周期性的给电容电路 充放电， 然后用 公共 水位4 25 测口图 3第三章 水位和温度测量电路硬件设计 8 单片机监测电容两端电压的变化，因为电容电压的上升或下降时间 t=以用单片机记录这个时间就能判别电阻的变化，进而转化为水位的变化进行显示及其他动作。 3 传感器选择 放电式水位传感器测量电路，明显优于 排阻分档键盘式水位传感器的地方有： （ 1）接线简单， 排阻分档键盘式水位传感器需要四根导线传输水位信号，而放电式水位传感器仅需要两根就能完成，这对于线路较长的太阳能热水器传输信号电路来说能节省相当多的导线资源。 （ 2）给水温测量电路设计带来方便， 放电式水位传感器的原理可以同样运用到热电阻温度测量电路中。 （ 3）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。 位测量电路的具体设计及优化 1 直接接单片机 I/O 口检测 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。一种简单的方案是：用 给 路周期性的充放电，然后用 监测电容的电平变化，完成计时，这种方案看上去简单易实现，但实际则行不通。按刚才提到的方法接图如图 3 这样做得到的结果是 电压一直保持高电平，即电容电压一直保持高点平。这与单片机内部电路有关，单片机的内部电路如图 3示。 第三章 水位和温度测量电路硬件设计 9 P 1 . 0P 1 . 1储水箱公共 水位4 25 接用 I/O 检测电容电压测量水位电路原理图 v c 存 器写 入读 引 脚地 址 / 控 制M U 总 线锁 存 器D Q |图 31口的位结构 5 从图中可见， 只有高电平和低电平两种状态，当 为高电平时，将电容端与 接， 通过内部上拉电阻 持续给电容充电，所以监测电容电压一直为高电平。而当将其置低电平时 ， 相当于接地，将会出现相反的情况，其通过地一直给电容放电，电容电压一直低电平。 2 采取与 I/O 隔离并用中断监测电容电压的电路 这样需要将电容电压与单片机监测端口隔离，采取如图 3示电路。 第三章 水位和温度测量电路硬件设计 10 + 5 R 23 K 2 5258P 1 . 0I N T 093+ 12 V+ 5 位测量电路 1 应用 正向输入端接电容电 压 正端，反向输入端与输出端相连，构成电压跟随器。电 压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低 ，也就是说电压跟随器有较好的隔离作用，使输出对输入影像较小，正好满足我们的要求 6。 输出电压幅度为 0 至 要跟随的电压范围为 0 5V，所以应选用大于 +电源供电，这里选用 +12V 单电源供电 2 作用 给比 较器设置 +3V 的参考电压，将电容电压的指数曲线变成矩形波， 波形图 如图 3示。将参考电压接同相输入端，比较电压接反相输入端，从而实现电容电压在上升到参考电压时比较器产生下降沿信号，作为单片机的外部中断信号。如图 3示。 根据 特性本设计电源电路提供的电压，选用 +5v 给其供电。由内部原理图可知 输出为集电极开路，它的输出高电平与电源无关，但须接外部电源和上拉电阻。在图 3示的水位测量电第三章 水位和温度测量电路硬件设计 11 路中并未有这样的上拉电压电路，是因为单片机内部 已经具 备了这样的电路。 内部电路类似于 如图 3示。另外 +5V 电源和分压电阻提供的 +3v 参考带电平对反相输入端输入有嵌位作用，如果不接 源跟随器而与电容直接相连，显然会影响电容电压的变化，这就是要加电压跟随器进行隔离的原因。 图 3容电压与比较器输出信号 (仿真和实测 ) 3 充电时间的设定和电容的选择 电容充电时间的计算公式为： T (3T 即位电容电压上升时间。编程使 输出周期性的方波，给电容充放电，方波半周期（充电或放电时间）为 T ，应使方波半周期大于电容电压上升时间，即： (3如果使用单片机主程序一直循环给 输出方波，方波的周期可以很大，超过几秒甚至几十秒，但是这样主程序就只能干这一项工作，影响单片机的其他工作。所以要用定时器 来实现方波输出。这样用定时器就可以用定时中断使第三章 水位和温度测量电路硬件设计 12 输出方波，又不影响单片机的其他工作。这样方波的周期就受定时器定时时间的限制。 89片机定时器共有 4 种定时方式，其中定时时间最长的为定时方式 1。当定时器 /计数器在方式 1 下做定时器用时，其定时时间计算公式为： ( 1 2 计 数 初 值 ) 晶 振 周 期 （ 3 采用 12M 的晶振，晶振周期为 61/12 10 S，因为采取定时器终端方式，所以 N=05536。所以： ( 6 5 5 3 6 ) u 计 数 初 值 （ 3 那么当 T=30数初值为 05536。 定时输出 30程序如下： ; ) ; ; ( ; /启动定时器 0 第三章 水位和温度测量电路硬件设计 13 如图 3里用 断来监视记录电容变化，内部编程实现计时器对电容电压上升时间的记录，所以可以通过将计时器寄存器里的值显示出来的方式直观显示电容电压结果，来确定合适的电容。以下是编程实现这一过程的结果。 表 3同电容大小时计数器寄存器中的值 一水位 二水位 三水位 四水位 0 8598 7083 6065 1470 4950 3840 3234 1 80 7280 1 6472 由表格数据可见当选用 2容时，应需较大的充放电时间，充放电不够充分，所以计数器寄存器中的值大而不准；而当取 容式计数寄存器 或 2，非常不利用区分；当取 1容时，数据大小合适，分段明显，所以应选用 1容。另外，电 容两端的最高电压为 +5V，最低电压为 0V，所以所选电容的耐压留有一定裕量为最大电压的 3 倍，所以应选取耐压为 15V 以上的电容。 由表 3 R 最大值为 25以： 25T T R C m s (3又由式 3： 160 u s T 2 ( 6 5 5 3 6 ) u s (3这样由公式 33到 T 60) ; /显示 1 水位 ; if(45) ; /显示 2 水位 ; if(36) ;/ 显示 3 水位 ; 第三章 水位和温度测量电路硬件设计 15 ;/ 显示 4 水位 ; 温测量电路 水温测量电路的设计包括传感器的选择和测量电路的选择。考虑到性价比等原因，市场上大部分太阳能热水器的温度传感器都选用 温度系数热电阻，本系统也选用 这种。下面主要论述测量电路。 案比较选择 温度测量方案很多，下面通过比较选择合适的测量方法。 1 热电阻 A/D 转换式水温传感器 图 3电阻 A/D 转换电路原理图 A/D 转换式水温传感器的原理是，利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性，将随温度变化的电阻信号转化为变化的电压信号，然后将这个电压信号经运放放大处理成 0 5V 的电压信号，电压信号经 A/D 转换变成数字信号送给单片机。这种电路测量比较精确，但需用 A/D 转换器，而 A/D 转换的价格较贵，会加大成本，另外 A/D 转换需占用 8 个数据口和两个片选口及两 个控制口共 12 个 I/2424R 2 1 0 2 0 1 0 C 0809D 2D 6D 3D 5D 1D 7D 0D 4+ 5 V+三章 水位和温度测量电路硬件设计 16 口。 2 放电式热电阻水温传感器测量电路 放电式热电阻水温传感器测量电路的原理与前面提到的 放电式水位传感器测量电路原理完全相同，只要把水位电阻换成热电阻就可以了。其缺点是不够精确，但成本很低，对于对温度要求不算精确的太阳能热水器系统，完全可以满足我们的需要。另外与 A/D 转换式温度传感器相比，其优势还是十分突出的： （ 1） 仅需 2 个 I/O 口就能完成对温度的检测，节约了单片机的 I/O，有利于降低成本。 （ 2） 实现起来也十分简单。 温测量电路的设计及温度计算方 法 1 水温测量电路 图 3温测量电路原理图 对太阳能热水器中水的温度进行控制及显示，需对热水器水温与出水温度进行检测。对于热水器来说温度控制与显示的精度要求并不高，因此本设计采用负温度系数 敏电阻作为测温元件，利用 敏电阻阻值随温度变化而改变的特性实现测温。 + 5 R 23 K 2 5258P 1 . 0I N T 093+ 12 V+ 5 较器第三章 水位和温度测量电路硬件设计 17 2 水温计算方法 敏电阻的阻值与温度的准确关系为 : 0011e x T(3式中 温度为 的电阻值， 基准温度 即 25 。 为材料系数。 由热敏电阻生产厂家给出 7。 由式 3得 : 00111T (3由 式 3 式 3得； 003经测试 5的计数器寄存器中的值0N=16384。 将 0N、 值代入上式并用摄氏温度表示时水胆温度为； 12 7 3 . 1 511 5 0 1 6 3 8 4 2 9 8 . 1 5T N(3因为 89片机无法进行直接的对数运算， 按上述公式计算温度值将是十分困难的。在这里查表法是一种经常采用的解决办法，即事先计算出所有可能的 计时 结果所对应的温度值以表格形式写入控制程序，每次转换完毕后查表得出所对应的温度值。但此种方法需占用较多的程序储存空间本设计采用一次线性插值法对温度与 A/D 转换结果之间的关系进行分段线性化，以少量单片机能直接进行的运算的组合去逼近目标函数。图 3温度 T 与 计时器计时 结果N 之间的关系曲线。 第三章 水位和温度测量电路硬件设计 18 0 1 2 3 4 5 6x 1 04- 1 00102030405060708090X : 5 . 6 4 5 e + 0 0 4Y : 0 . 1 1 5 9图 3时寄存器值 的关系曲线 其中圆滑曲线为实际的 系曲线设计中根据使用要求将曲线在 0 围内分 3 段采用图中的 3 段直线断代替实际曲线。 曲线按式 3算出图中各线段端点坐标值为： 000， 0( )； 549， 3( )； 0000， 0( )； 6450， ( )； 分段线性化后温度 T 的近似计算公式： 1 0 0 0 N 0;（ 时或分），共 8 位 if(;/否则发低电平 _;延时两个时钟周期 _; 发同步脉冲 _; _; _; _; 第四章 时钟电路 26 =1;/发送内容右移一位 i=8;i0;，共 8 位 =1;接受 据寄存器值右移一位 0;/发同步脉冲 _; _; _; _; _; _; 将读取得时间送给指定的寄存器，然后调显示程序显示即可。显示程序将于下章介绍。 第五章 键盘和显示电路 27 第五章 键盘和显示电路 键盘和显示电路是太阳能热水器水位控制系统与用户的接口，用户通过显示来观察水温、水位、时间等状态值，再根据观察到的值，通过键盘对太阳能热水器进行控制。本章设计了较为合理的键盘和显示电路完成这些功能。 案选择 太阳能热水器系统需要用数码管显示时间和温度，时间精确到分， 24 或 12小时制，这就需要 4 位显示；而温度显示范围为 0 99 度，这又需要 2 位显示。对于六位显示，采用占用 I/O 较少的动态扫描方式，也需要六位位选码数据线，八位段选码数据线，共需 14 个 I/O 口。键盘采用复用方式，仍需要至少 4 个 I/盘和显示电路共需 18 个 I/O 口， 89片机共有 4 8 个 I/O 口，而又有 8 个口有特殊功能，也就是常用的共有 3 8 个 I/O 口，该系统的其他设置也还要占用大量 I/O 口，显然这样太浪费资源。 255A 芯片介绍 司生产的可编程并行接口芯片 8255A 已广泛应用于实际工程中，例如 8255A 与 A/D、 D/A 配合构成数据采集系统，通过 8255A 连接的两个或多个系统 构成相互之间的通信，系统与外设之间通过 8255A 交换信息，等等，所有这些系统都将 8255A 用作为并行接口。 1 8255A 的引脚功能定义 8255A 的原理结构如图 5示。它采用 40 脚的 装，其引脚定义如表 5示。 8255A 为一可编程的通用接口芯片。它有三个数据端口 A、 B、 C，每个端口为 8 位，并均可设成输入和输出方式，但各个端口仍有差异： 端口 A（ 8 位数据输出锁存 /缓冲器， 8 位数据输入锁存器； 端口 B（ 8 位数据 I/O 锁存 /缓冲器， 8 位数据输入缓冲器； 端 口