智能家用太阳能热水器控制器

题目：题目：智能家用太阳能热水器控制器智能家用太阳能热水器控制器 院院 系系 ： 数字设计工程系数字设计工程系 专专 业业 ： 应用电子技术应用电子技术 年年 级级 ： 20092009 级级 学学 号号 ： 作者姓名作者姓名 ： 陈柳东陈柳东 完成日期完成日期 ： 2012-02-13 目录目录 1 1、前言、前言.1 1 1.1 本设计的目的和意义 .1 1.2 控制系统设计要求 .1 1.3 本设计实现思路及方法 .1 2 2、总体方案设计、总体方案设计.1 1 2.1 方案一 .3 2.1.1 系统的组成及原理 .3 2.1.2 系统框图 .3 2.2 方案二 .3 2.2.1 系统组成及工作原理 .3 2.2.2 系统框图 .4 2.3 方案选择 .5 3 3、单元模块设计、单元模块设计.5 5 3.1 单片机概述 .5 3.2 水位检测模块 .6 3.3 温度检测模块 .7 3.4 键盘模块 .8 3.5 显示模块 .8 3.6 器件介绍 .9 3.6.1 AT89C51 单片机.9 3.6.2 数码管显示 .9 4 4、软件设计、软件设计.1111 4.1 主程序流程图 .11 4.2 温控进水程序 .12 4.3 温度显示子程序 .13 4.4 键盘处理程序 .14 5 5、系统调试与原理图、系统调试与原理图.1515 6 6、总结与体会、总结与体会.1616 附录附录 A A 电路原理图电路原理图 .1818 附录附录 B B 源程序源程序 .1919 智能家用太阳能热水器控制器智能家用太阳能热水器控制器 摘摘 要：要：针对目前家用太阳能热水器功能单一、操作复杂、控制不方便等特点，本文提出 了一种新型的太阳能热水器控制系统设计方案。根据太阳能热水器对控制系统的要求以AT89C51 单片机为检测控制核心,设计了一种太阳能热水器智能控制器. 该控制器具有时间、温度、水位 设定与控制功能,及良好的抗干扰性能. 关键词：关键词：太阳能热水器、传感器、实时时钟、单片机 IntelligentIntelligent householdhousehold solarsolar waterwater heaterheater ofof thethe ControllerController Chenliudong Wenchuanjian ChaoShan Vocational And Technical College ,No.1 University Road, Puning City, Guangdong Province. Abstract: In view of at present home use solar-powered water heater function sole, the operation complex, the control not convenient and so on the characteristics, this article proposed one kind of new solar-powered water heater control system design proposal.According to the solar-powered water heater to the control system request take at89C51 monolithic integrated circuit as the examination control core, has designed one kind of solar-powered water heater intelligence controller. This controller has the time, the temperature, the water level hypothesis and the control function, and good resistance to interference. Keywords: Solar Water Heater、Sensor、Real clock、Single Chip Microcomputer(SCM) 1 1、前言、前言 1.11.1 本设计的目的和意义本设计的目的和意义 本设计具有很强的实用性,用成本低廉的电阻式传感器以及电极配以单片机技术 对生产实际中的太阳能热水器的水温的控制以及水位的显示。本装置电路简单、实 用性强、性价比高、水温控制灵活，水位显示直观醒目，可广泛应用于家庭生活对 太阳能热水器的水位显示与水温控制，具有良好的市场前景。 1.21.2 控制系统设计要求控制系统设计要求 1、能够根据水位和水温两个条件控制是否需要进水，每次只进整个水箱的四分 之一水量，也可以在手动状态下自由进水（上满时自动停止）或停止进水。 2、控制系统具有手动和自动切换功能； 3、具有水温和水位显示功能； 4、具有进水超水位和超水温报警指示； 1 5、用水时若水温达不到设置值时，可手动起动加热装置，这样可在很大程度上 节约电能； 6、用水时可自由调节水温； 7、控制系统具有管道排空功能，这样防止冬天时因水管内有积水而在夜间冻裂 水管。 1.31.3 本设计实现思路及方法本设计实现思路及方法 水位由潜入储水容器不同深度的水位电极和潜入容器底部的公共电极（导线） 检测；并由四个绿色 LED 发光二极管显示：若无水则绿灯不亮；若有四分之一储水 箱的水亮一盏绿灯；通过观察绿灯点亮的数量可识别水位的高低，这里取 4 段显示， 也可根据需要进行增减。水温由四个 LED 数码管显示，前三个数码管显示的为温度 最后一个数码管我们只用到了四段码显示为温度的符号 C，水温有效值最多可显示 为 99.9。 2 2、总体方案设计、总体方案设计 如图 2-1 所示，本系统主要由控制器、自动控制阀、手动控制阀、水位检测电 极、水温检测传感器、电阻加热丝、储水箱等组成。 控制器：主要通过里面的电磁阀控制 YV1 和 YV2 的通断，控制水温检测传感器 检测水温、控制水位检测传感器检测水在水箱中的位置以及控制电阻加热丝加热。 自动控制阀：主要通过控制器控制，当水箱中的水的实际温度大于所设置的温 度时，自动阀就自动打开往水箱中上水，直到上到上一个目标水位为止。 2 手动控制阀：当 自动阀损坏时，可以 通过手动阀进行上下 水。 水位检测电极： 主要用来检测水箱中 水的位置，主要把水 箱分成四等分，一共 有五个电极，接地的 电极放在最水箱的最 底下，其余分别放在 四等分点上，比如当 水箱中的水在第一等 分和第二等分之间， 则显示水箱中有四分 之一的水，当超过第 二等分，则显示二分 之一的水。水温检测传感器：主要用来检测水箱中水的实际温度。 电阻加热丝：主要用来加热水箱中水，使其达到用户所需要的温度。本控制系 统分为手动和自动两种控制方式，在系统处于自动状态下，当检测温度高于设置温 度，且水位未达到最高时，控制器打开电磁水阀 YV1 和 YV2 进行上水，同时点亮上 水指示灯，当水位上至上一目标水位时，自动停止上水（即关闭电磁水阀 YV1 和 YV2） ，若水箱内无水，则自动上水至最低水位处。 在系统处于手自动状态下，可自由上水或停止上水（上水时水箱水位必须未满） ， 若水位达到最高则自动停止上水；若需要启动加热器则必须先设定加热温度，然后 按下加热键进行加热；若需洗浴时，则需打开手动阀 YV4，系统自动打开电磁水阀 YV2，可通过 YV5 自由调节水温；当电磁水阀 YV1 和 YV2 损坏或停电时，可通过打开 YV5 和 YV6 进行上下水解决燃眉之急；此系统设置 YV3 是为了防止冬天气温过低引 起水管因内有积水而冻裂（即手动打开此阀放完水管中的积水） 。 图图 1 1 系统组成示意图 3 2.12.1 方案一方案一 2.1.12.1.1 系统的组成系统的组成及原理及原理 （1）智能控制系统采用 MCS-5l 单片机为中心控制单元。由于系统运算量不是 大，没有太多的中间数据需要处理、保存，使用 AT89C51 已完全能够满足要求。系 统的硬件电路包括：控制器实时时钟接口电路、蓄水箱温度和水位检测接口电路、 设定键和串行显示接口电路、看门狗和复位电路等 （2）特点：利用单片机实时监测水温及水位。用水时，若日晒水温达不到设定 值，单片机控制电加热器自动补温至设定温度间；缺水时能自动上水到设定值。采 用外扩 EEPROM 对设置的参数具有断电保留功能，断电后，参数无须重新设置。该系 统具有使用方便、稳定性高。节能等特点，实用性高。 2.1.22.1.2 系统框图系统框图 AT89C51 显示器 A/D 转换 看门狗 继电器 电磁阀 加热控制 控制上水 时钟控制 水量设定 温度设定 报警装置 温度水量 检测 图图 2 2 热水器微控系统框图 2.22.2 方案二方案二 2.2.12.2.1 系统组成及工作原理系统组成及工作原理 本系统由温度传感器及调理电路、水位传感器及调理电路、AD 转换电路、液 晶显示电路（显示水温和水位） 、FPGA 控制模块、按键输入和继电器执行部件组成， 其中 FPGA 控制模块是本系统的核心。系统结构如图 2.2.2 所示。 (1)液位传感器采用 ATSl73 型霍尔元件 121，若干霍尔元件固定在一个垂直导 槽上，浮子带动磁钢沿导槽运动，霍尔元件的输出经电阻网络转换成不同电压，经 ADC 送入智能控制模块中。温度传感器采用负温度(NTC)型通用热敏电阻，信号经一 4 路 ADC 送入智能控制部分。 (2)FPGA 控制部分根据检测到的水位信号、温度信号以及用户的设定或操作， 通过必要的逻辑运算，以确定当前应该进行的操作，并通过输出口送至执行部件， 进而控制进水阀、加热泵的状态，以实现所要求的控制功能。 在顶层设计中加入了 定时器模块和液位、水温信号共同完成控制功能，实现分时段控制，进而实现在自 动补水的同时不影响使用热水，在自动开启电加热器补温的同时不造成能源浪费， 从而解决了定时补水、加热的问题。 2.2.22.2.2 系统框图系统框图 FPGA LCD报警电路 储水箱 温度传感器及其调 理电路 液位传感器及其调 理电路 A/D 继电器执行部件 键盘 图图 3 3 系统结构示意图 2.32.3 方案选择方案选择 通过比较以上两个方案可知，都能实现太阳能热水器所要求的各种功能 ：水 温测量电路、水位测量电路、显示电路、自动加热上水控制电路等部分，实现对水 温和水位的实时监测和显示，实现自动加热和上水的控制，但由于采用单片来实现 更加灵活，简便。应用更加广泛，从性价比方面来说，方案一更具实用性，故此次 5 设计选择方案一。 3 3、单元模块设计、单元模块设计 3.13.1 单片机概述单片机概述 图图 4 4 时钟电路与复位电路 图 3.1 中，晶体振荡器的频率选 6MHZ，复位电路采用上电复位，电路参数如图 中所示，以满足系统复位时两个机器周期的高电平的要求。由于 CPU 的内部已含有 程序存储器，所以 EA 引脚接高电平。 该水位自动显示控制器采用 AT89C51 单片机，机内有一高增益反相放大器，构 成自激振荡电路，振荡频率取 6MHz,外接 6MHz 晶振，两个电容 C1、C2 取 20pF，以 便于起振荡的作用。右图中 XTAL1 为内部时钟工作电路的输入，XTAL2 为来自反向 振荡器的输出。 该水位自动显示控制器采用上电复位电路，由 R14、C3 构成复位电路，在上电 瞬间，产生一个脉冲，AT89C51 将复位。为保证可靠复位，脉冲宽度应大于两个机 器周期，这取决于 R、C 时间长数。取电容 C=10uF，电阻 R=10K。 6 3.23.2 水位检测水位检测模块模块 实验证明，纯净水几乎是不导电的，但自然界存在的以及人们日常使用的水都 会含有一定的 Mg2+、Ca2+等离子，它们的存在使水导电。本控制装置就是利用水的导 电性来完成的。 我们把储水箱大致分为四个等份，水位由潜入太阳能热水器的储水箱不同深度 的水位电极和潜入储水箱底部的公共电极（导线）进行检测；由单片机依次使各水 位电极呈现高电平，由公共电极所接的三极管进行电 位转换，水位到达的电极，转 换电位为低（0） ；水位没有到达的电极，转换电位为高（1） ；每检测一位便得到一 位数据，5 个电极检测一遍以后便得到了 5 个串行数据，然后把这 5 个数据转化为 字节一路送发光二极管；在这里我们可以用发光二极管亮的盏数来显示水位的高低。 （若没有发光二极管亮则表示箱内没有水或者只有少量的水，若有一个发光二极管 灯亮则表示箱内有四分之一箱的水，以此类推，若有四个发光二极管亮，则表示水 箱水是满的。 ） 图图 5 5 水位检测电路 7 3.33.3 温度检测温度检测模块模块 本设计温度传感器选用 AD590。AD590 属于半导体集成电路温度传感器，测温范 围-55- +150，在其二端加上一定的工作电压，其输出电流与温度变化成线性关 系，1uA/K，误差有几种等级:1、0.5、0.3，本设计中选取0.5品种。 OP07 为高精度运算放大器，AD590 电流流经 R1、RP1 转换为电压信号，R2、RP2 为 运算负反馈电阻，成反相比例放大器，将温度信号转换成 0-5V 的电压信号， ADC0832 再将其转换为数字信号，输入 CPU。图 3.5 为温度检测和 A/D 转换电路图。 图图 6 6 温度检测电路 8 3.43.4 键盘键盘模块模块 P1.0- P1.7 口作为按键的信号输入端，键按下，就执行该键的功能。其电路如 图 3.4 所示。 （为了编程简单、方便，采用独立式键盘电路） 图图 7 7 键盘电路 3.53.5 显示显示模块模块 本设计采用共阳型数码管，8 个 LED 灯如图 3.9 中接法，灯的负极依次接到数 码管的 a-f 段，采用动态扫描电路，并把显示程序作为主程序。数码管的段用 P0 口 控制，P2.0 口、P2.3 口作为数码管的位控制，P2.4 作为指示灯的控制。 图图 8 8 显示电路 9 3.63.6 器件介绍器件介绍 3.6.13.6.1 AT89C51AT89C51 单片机单片机 AT89C51 是一个低功耗高性能 CMOS 8 位单片机，4k Bytes Flash 只读程序存储 器(ROM),512 Bytes 内部数据存储器(RAM),该 微处理器采用 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，引脚兼容 80C51 和 80C52 芯片，片 内的 Flash 存储器可以像常规程序存储器 一样进行烧写，AT89S51 片内总共有 256 字 节的用户数据区，而 128 字节的内部扩展 数据区需通过清 SFR(8EH)的位 1 并用 MOVX 指令访问，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，另一个 256BytesRAM 区与 ATMEL 之 AT89 系列 8052 兼容的单片机是一致的， AT89C51 结合通用的 8 位微处理器和 Flash 存储技术构成功能强大单片微处理器， 可提供许多高性能低价位的系统控制应用场合。 AT89C51 主要特点：40 个引脚，32kBytes 的程序存储器，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，内置时钟振荡器,其 Flash 存储器，可反复擦写 1000 次的 Flash 存 储器可有效地降低开发成本。软件设置电 源省电模式，睡眠其间，定时/计数器， 串行口和中断口均停止工作，RAM 中的数据被“冻结” ，直到下次被中断激活或硬件 复位方可恢复工作。 3.6.23.6.2 数码管显示数码管显示 由单片机的定时器 To 做 16 位计数器（为便于数据处理，这里只用低 8 位计数 值，即寄存器 TL0 中的值） 。一边记录脉冲数量，一边以厘米为单位由四位数码管显 示出来。四位数码管采用动态扫描方式显示。 长度计量仪采用 0.5 英寸共阳极连接的 LED 数码管。LED 数码管由发光二极管 作为显示字段的数码型显示器件。下图为 LED 图数码管外形和引脚图，其中 7 只发 图图 9 9 AT89C51 单片机芯片 10 光二极管分别对应 a-g 笔段，构成“日”字形，另一只发光二极管 DP 作为小数点， 因此这种 LED 显示器称为八段数码管。共阳极型 LED 数码管，是将各段发光二极管 的阳极连在一起，作为公共端 com,应接高电平。ag、Dp 各笔段中，某笔段接低 电平时发光，高电平时不发光。为了节省单片机 I/O 口的数量， 将各位数码管的 ag 对应笔画并联起来分别与单片机的 P2.0P2.7 引脚连接。 显示时，由 P2 口依次输出各位数字的笔段码，并依次由 P1.0、P1.1、P1.2、P1.3 输出低电平位选信号接通数码管的公共端，轮流进行，循环不止，由于循环的频率 较高（约 50Hz） ，加上人眼的视觉暂留，既保障了各位数字的对应显示，又不会出 现闪烁现象，实现动态扫描显示。 11 图图 1010 LED 数码管 4 4、软件设计、软件设计 4.14.1 主程序流程图主程序流程图 12 开中断 调水位控制子程序 开始 初始化 调温度控制子程序 调键盘控制子程序 判定水位? 显示温度 温度设定 启动辅助加热 延时 关闭加热 Y 图图 1111 主程序流程图 14 4.24.2 温控进水程序温控进水程序 水位控制子程序 测量值设置值 是否在上水？ 是否最高？ 赋目标水位值 打开上水阀 水位是否为目标 值？ 关闭上水阀 返回 N N N 赋实际水位值 图图 1212 水温控制图 15 4.34.3 温度显示子程序温度显示子程序 图图 1313 温度显示流程图 水温显示 取十位值 DPTR#TAB 查表的字段码 判断是否闪烁？ 字段码P0 使十位 LED 有效 延时 1ms 使十位 LED 无效 取个位值 使温度字母 C 的 LED 无效 返回 DPTR#TAB 16 4.44.4 键盘处理程序键盘处理程序 NY NY 有键闭合？ KEY 延时去抖动 有键闭合？ 是何键？ 转相应键处理程序 返回KEY Y Y 图图 1414 键处理流程图 17 5 5、系统调试与原理图、系统调试与原理图 本次设计主要在系统软件调试方面。困难主要出现在软件的编写。虽然没有错 误，但是进行仿真时，不能达到预期的效果。经过多次调试，程序也修改过好几次， 仍然走不通。而问题也主要集中在扫描显示这一模块。 最后通过在网上查找资料及在单片机论坛上与其它高手的交流，结合设计思想， 进行了修改、调试，也终于达到了方案的总体要求。对软件方面逐步进行分析之后， 重新进行系统的软件上的仿真。 图图 1515 控制系统原理图 18 6 6、总结、总结与体会与体会 本控制装置充分应用 AT89C51 单片机的软硬件资源，该系统具有智能化、结构 紧凑、性能稳定等优点，通过对这次基于单片机的太阳能温控进水及水温水位显示 控制装置的设计，我将在大学里所学的专业知识在这次毕业设计中的到了广泛的运 用，加深了理论与实际的联系。提高了思维与动手能力，增长了才干；培养了自己 的创新意识，使自己在单片机应用方面得到了全面提高，为今后的工程实际应用， 新产品开发奠定了基础。 通过这次毕业设计，自己进一步熟悉和掌握了 PROTEL 仿真软件和 Keil 编程软 件,体会到 PROTEL、Keil 等功能强大的设计软件，在现代电子系统设计中发挥的强 大的作用。总之，此次毕业设计经过自己独立思考、查找资料，自己受益匪浅。而 且，通过这次设计，更深切地感觉到团队合作的重要性。是和组员的共同努力，才 完成了此次智能家用太阳能热水器控制器毕业设计任务！ 总之，以往的课程设计都是停留在理论层面上，而这次毕业设计的实际意义非 常明显。经过这次毕业设计，自己从心理上就成长了不少，这将是自己以后人生路 上一笔宝贵的财富。 19 参考文献参考文献 1 张迎新.单片机原理及应用M/北京：电子工业出版社，2009. 2 郝波.电子技术基础模拟电子技术M/西安：电子科技大学出版社，2008. 3 郝波.电子技术基础数字电子技术M/西安：电子科技大学出版社，2009. 4 白乃平.电工基础M/西安：电子科技大学出版社,2008. 5 田华.电子测量技术M/西安：电子科技大学出版社，2009. 6 吴小花. 电子技能训练与 EDA 技术应用M/广州：华南理工大学出版社，2009. 7 大学生电子实验室EB/OL 8 PROTEUS 仿真论坛EB/OL 20 附录：附录： 附录 A 电路原理图 21 附录 B 源程序 主程序主程序: ORG 0000H LJMP MAIN ORG 000BH LJMP CT0;转定时器 0 中断服务程序 ORG 0030H;主程序 MAIN: MOV 30H,#00H;0.1 秒单元 MOV 20H,#B;置相应标志位 MOV P2,#0FFH;P2 口不显示，电磁阀不通电，不加热 MOV SP,#5FH;设置堆栈深度 SETB EA;开中断 SETB ET0;允许 T0 中断 MOV TMOD,#B;T0 方式 1 定时，T1 工作于方式 1 计数 MOV TH0,#3CH;定时常数 MOV TL0,#0B7H MOV TH1,#00H;清计数单元 MOV TL1,#00H SETB TR0;启动定时定时器 0 SETB TR1;启动 T1 MOV 28H,#60;设置初始温度为 60 度 MOV 40H,#0FFH;转显示状态为全灭 MOV 36H,#0;清温度存放单元 MOV 37H,#0 MOV 2FH,#1;目标水位为 1 LOOP: LCALL WATER;水位检测 LCALL DISP;显示程序 LCALL KEY;键盘处理程序 SJMP LOOP 22 中断子程序：中断子程序： CT0: MOV TH0,#3CH;重置时间初值 MOV TL0,#0B0H PUSH ACC;保护现场 PUSH PSW SETB RS0;选工作寄存器 1 组 MOV R1,#30H;指向 0.1 秒单元 INC R1 CJNE R1,#10,RET_TIME MOV R1,#00H CPL 00H LCALL TEST_TEMP;调温度处理程序 RET_TIME:POP PSW;恢复现场 POP ACC RETI;中断返回 温度检测程序：温度检测程序： TEST_TEMP:;温度处理程序，将温度存放在 27H 单元，设置的温度存放于 28H 单元 JB 01H,RE_AD;若为设置状态,则不进处理 MOV SCON,#00H ;置串口方式 0，禁止接收 CLR ES ;串口禁中 CLR P3.6 ;片选 0832 MOV A,#06H ;置 CH0 通道配置 ADC0: MOV SBUF,A ;启动 A/D ADC1: JNB TI,ADC1 ;串行发送启动及通道配置信号 CLR TI ;清发送中断标志 SETB REN ;允许（启动）串行接收 ADC2: JNB RI,ADC2 ;接收第一字节 CLR RI ;清接收中断标志，同时启动接收第二字节 MOV A,SBUF ;读第一字节数据 MOV B,A ;暂存 ADC3: JNB RI,ADC3 ;接收第二字节 CLR RI ;清接收中断标志 MOV A,SBUF ;读第二字节数据 ANL A,#0FH ;第二字节屏蔽高 4 位 23 ANL B,#0F0H ;第一字节屏蔽低 4 位 ORL A,B ;组合 SWAP A ;高低 4 位互换，组成正确的 A/D 数据 MOV 36H,A ;存 A/D 数据 CLR REN ;两通道 A/D 完毕，禁止接收 SETB P3.6 ;清 0832 片选 RET 水温控制上水程序：水温控制上水程序： MOV 27H,36H MOV 42H,#00H JNC N05 MOV 42H,#05H;显示小数 0.5 N05: JNB ACC.7,OK MOV A,#0 OK: CJNE A,#64H,EAD EAD: JNC ERRAD;温度超过 100 则显示 99 EAD1: MOV B,#10;转换成十进制数，送显示单元 DIV AB MOV 44H,A MOV 43H,B MOV 41H,#0CH;最后一位显示 C CLR 05H JNB 02H,RE_AD MOV A,27H CJNE A,28H,EADD EADD: JC BSH;未到设定温度，不上水 MOV A,2EH CJNE A,#04H,SW SW: JNC RE_AD JB 03H,RE_AD MOV 2FH,2EH;未到设定温度，上至高一档水位 INC 2FH;目标水位 CLR P2.6 CLR P2.7 SETB 03H 24 RE_AD: RET ERRAD: MOV A,#63H;温度超过 100 则显示 99 SJMP EAD1 BSH: S