基于at89c52的太阳能热水器控制系统 毕业设计

届本科毕业论文基于AT89C52的太阳能热水器控制系统THECONTROLSYSTEMOFTHESOLARENERGYWATERHEATERBASEDONAT89C52论文作者姓名作者学号所在学院计算机与信息工程学院所学专业自动化导师姓名职称）论文完成时间2010年5月20日2010年5月20日2010届毕业论文（设计、创作）开题报告（由学生本人认真填写）学号姓名导师姓名职称（副教授）开题时间2009年12月1日课题题目基于AT89C52的太阳能热水器控制系统课题来源导师指定自定其他来源课题的目的、意义以及和本课题有关的国内外现状分析1、目的近些年来，太阳能的开发和利用已越来越受到人们的重视和青睐，因为节能、环保、使用方便等因素，太阳能热水器发展速度更是迅猛。安装太阳能热水器已成为房产开发商售房的诱人条件之一。在农村，随着农民生活水平的提高，太阳能热水器渐渐成为必备的家用装置。所以，普通太阳能热水器每次使用前需排水；不可缺水，空晒情况下上水会爆炸；冬天水温不够，需用电等问题急需解决。本设计通过单片机AT89C52控制A/D转换芯片、发光二极管、LED驱动芯片实现热水器液位及温度检测和显示，并实现相应控制。使用户省心，使用方便，智能运行，用户不必做任何操作。2、意义解决太阳能热水器现存的一些问题，实现一定程度的智能控制，方便用户，安全高效。3、现状进入二十一世纪以来，随着生产工艺和生产技术的发展，人们对产品的要求越来越高。而随着新型电子技术和微型计算机的广泛应用与普及,单片机控制系统以其控制精度高,性能稳定、可靠,设置操作方便,造价低等特点,被应用到太阳能热水器的控制中来，增强了系统的可视性,使得温度及液位检测和显示系统更加智能化、人性化。研究目标、研究内容和准备解决的问题1目标通过设计一个基于AT89C52的太阳能热水器的温度和液位显示及简单的控制系统，从而实现一定程度的智能控制，方便用户使用。2内容利用集成温度传感器DS18B20和液位传感器LM1042分别进行温度检测和液位检测后，将检测到的信息传送给单片机，单片机经过相应的处理控制电磁阀的开启及温度和液位的显示。3准备解决的问题如何实现温度及液位的显示，如何实现智能上水、缺水上水和手动上水的功能，如何实现输水管道排空水控制，在水箱上水或洗浴完毕后自动把上水管道内的水排出。拟采取的方法、技术或设计（开发）工具软件环境单片机端的程序开发环境采用KEILUVISION3，开发语言是KEILC51。硬件环境硬件电路原理图用PROTEL99SE绘制。预期成果1毕业设计成果太阳能热水器控制系统的设计2毕业论文进度计划2009121201035查找资料、搜集相关素材2010362010326完成需求分析2010327201047完成概要设计2010482010415完成详细设计20104162010428完成编码2010429201054完成软件测试2010552010515整理资料、撰写毕业论文20105162010520根据导师要求，完善毕业设计和论文指导教师对选题报告的意见指导教师签名2009年12月1日2010届毕业论文（设计、创作）任务书题目名称基于AT89C52的太阳能热水器控制系统学生姓名学院计算机与信息工程学院学号所学专业自动化毕业论文设计、创作要求1可行性分析完成系统的技术可行性分析2系统设计对系统中用到的关键技术进行初步设计3程序开发与调试具体进行项目的开发4撰写论文完成论文撰写毕业论文设计、创作进度安排2009121201035查找资料、搜集相关素材2010362010326完成需求分析2010327201047完成概要设计2010482010415完成详细设计20104162010428完成编码2010429201054完成软件测试2010552010515整理资料、撰写毕业论文20105162010520根据导师要求，完善毕业设计和论文需收集的资料和指导性参考文献1郑郁正单片机原理及应用四川大学出版社20032求是科技单片机典型模块设计实例导航第2版人民邮电出版社20083王庆PROTEL99SEAUTOMATICEMPTYINGPIPELINEROWBETWEENTANKANDSHOWERMACHINETOSAVEWATERTHEINTELLIGENCEPROCESSINGANDMAKINGUSEOFTHEWATERAGAINTHESEIMPROVETHEPERFORMANCEOFTHESOLARENERGYWATERHEATERGREATLYTHESYSTEMSOLVESSOMEPROBLEMSWHICHACOMMONSOLARENERGYWATERHEATEREXISTSSUCHAS,OVERFLOWINGWHENTHETANKISFULLTHEPIPELINENEEDAHEATPRESERVATIONNEEDTOLETOUTINGREATQUANTITIESCOLDWATERINTHEPIPELINEBEFOREUSEKEYWORDSSOLARENERGYLIQUIDCONTROLTEMPERATUREDISPLAYPIPELINEROWEMPTY第1章绪论11开发背景及意义近些年来，太阳能的开发和利用已越来越受到人们的重视和青睐，因为节能、环保、使用方便等因素，太阳能热水器发展速度更是迅猛。安装太阳能热水器已成为房产开发商售防的诱人条件之一，随着人们的消费意识、消费层次和消费要求的提高，普通太阳能热水器上水时水满溢出；冬天太阳能水温偏低；上（下）水管道需要保温；使用前需要放出管道中大量冷水等诸多弊病需要解决。针对上述问题，本文设计了以AT89C52单片机为核心的太阳能热水器智能控制系统，实现了水箱中水位及温度的智能控制与显示；自动排空水箱至淋浴器（上下水共用）管道间的存水；为了使排空管道时的水不浪费掉，在浴室内部又设置了一个室内水箱，以备他用。同时，也可实现手动上水，使用方便。使太阳能热水器系统的操作性能、利用功能、扩展范围、产品档次等诸多方面实现质的飞跃。使用户省心、智能运行。12本文研究的内容本文经过调研及收集相关技术资料，提出如下技术方案。以AT89C52为核心，利用液位传感器LM1042、测温元件DS18B20、发光二极管及数码管实现以下性能水温数码显示，测温范围099，精度05；水位分五档显示（缺水、20、50、80、100）；智能上水控制、具有缺水上水和手动上水等功能；输水管道排空水控制，在水箱上水或洗浴完毕后自动把上水管道内的水排出。系统控制和主要结构框图如图11所示图11系统组成框图第2章系统硬件设计21系统总体功能概述该系统以AT89C52作为核心控制部件，外加液位传感器、测温元件、一片A/D转换芯片、五个发光二极管、两个数码管及驱动芯片来达到系统的性能要求。LM1042外接的热阻探针温度的变化依赖于周围材料的热阻的大小，而空气和液体的热阻大小有很大差别，从而可以根据探针在液体中的深度不同时电阻的不同检测出液位的深度信息，由LM1042内部转换电路网络转换为与液位成线性关系的电压信号，再由8位逐次逼近型A/D转换芯片ADC0804将模拟信号转换为数字信号，实现液位信息的输入。AT89C52从ADC0804读取液位信息后进行数据处理，结合DS18B20测得的温度进行液位和温度的显示及阀门的控制。图21为系统整体结构图图21系统整体结构图AT89C52LEDADDS18B20各部分功能1电源部分提供5V电压供系统使用。2按键部分用来实现手动上水。3LM1042实现液位信息到电压信号的转换。4ADC0804将液位传感器输出的电压信号经A/D转换后送到单片机。5DS18B20实现温度检测。6AT89C52为处理器，实现液位信息和温度信息的接收、数据处理和输出到发光二极管和数码管显示。22核心芯片选择核心控制系统采用ATMEL公司89系列的一款单片机AT89C52，此单片机包含一个8位CPU、256字节的片内RAM和片内FLASH存储器、4个8位的双向可寻址I/O口、1个全双工UART的串行接口、3个16位的定时/计数器、多个优先级的嵌套中断结构（8级中断，可实现多个优先级的嵌套）、一个片内振荡器和时钟电路。在AT89C52单片机结构中，显著的特点是内部含有FLASH存储器，使用户在开发过程中十分容易修改程序，缩短系统的开发周期。同时，它继承了CMOS产品低功耗的特点，有两种产生低功耗的方式空闲方式和掉电方式。在空闲方式下，CPU停止工作，RAM和其他片内的部件继续工作，此时的电流大约是正常工作方式下的15。在掉电方式下，电流可降到15UA以下。AT89C52单片机有多种封装方式PDIP封装、方形的PLCC和PQFP/TQFP封装，使用方便。其引脚结构图如图22图22AT89C52引脚图23液位检测231液位传感器本次设计液位传感器选用集成芯片LM1042，实现液位信号到电压信号的转换。LM1042是用于液位检测的专用集成电路，它内部集成了所有控制热阻探针、检测热阻探针的短路和开路所需的监控电路，具有很强的功能。LM1042使用热阻探针技术来测量非可燃性液体的液面高度，它能提供一正比于液位高度的输出，可进行单次或重复测量，所有控制热阻探针、检测热阻探针的短路和开路所需的监控电路都集成在LM1042芯片内部。此外该芯片还可采用其它传感器信号或线性输入作为输入信号。该器件采用16脚DIP封装。芯片的主要特点如下可以选择热阻或线性信号作为输入；集成有热阻探针的控制电路；可单次测量或重复测量；在复位时切换，延时功能可避免瞬态信号的影响；具有探针短路、开路检测功能；电源或控制输入端具有50V的瞬态电压保护电路；电源范围7518V；内部有电源调节器；可在4080的工作温度范围内工作。热阻探针工作的基本原理是基于功率在探针上耗散，探针温度的变化依赖于周围材料的热阻的大小，由于空气和其它气体相对于水和油来说是热的不良导体，利用这一点有可能测量探针等浸入液体媒介的深度。其原理如图23所示图23测温原理图在测量周期中，一固定的驱动电流I施加到探针上，在测量的起始时刻和结束时刻探针两端的电压被采样，得到电压差V0由于空气的热阻RTHA大于油的热阻RTHO，由它们引起的温度变化分别为T1和T2，相应的探针电阻也会随着改变为R1和R2差值，在每单位长度上产生相应的电压变化V1和V2。电压差V由下式给出VLAV1/LLLAV1/L由于V1V2，RTHARTHO，V会随着探针在空气中长度的增加而增大。在实际应用中，为获得最佳效果，探针需要具有高的温度系数和低的热阻时间常数，为避免误触发探针短路开路检测器，探针电压必须介于07V和53V之间，对于200MA的电流容许的探针阻值范围是35到24。在图24中，7脚和10脚是用于探针2的调整，由于本系统只用到探针1，故只需将7脚和10脚接地即可；1脚是热阻探针输入端；5脚是探针故障检测端；6脚是电源端；3、4脚分别接PNP管的发射极和集电极用于给探针提供200MA的固定电流；16脚为模拟电压输出端，输出与液位成正比的模拟电压；12、13脚用来调整探针的测量周期；9、14脚外接两个电容作为探针的记忆电容，记忆探针的电压值。图24LM1042电路图232AD转换电路由于LM1042输出的是模拟信号，须经AD转换器转换成单片机可处理的数字信号，且考虑到该装置是应用于太阳能热水器中，无需高精度，故选用8位AD转换器ADC0804进行AD转换即可。ADC0804型8位全MOSA/D转换器是中速廉价型产品之一。片内有三态数据输出锁存器，与微处理器兼容，输入方式为单通道，转换时间约为100S。它的非线性误差为1LSB。电源电压为5V。其引脚图如图25所示图25ADC0804引脚图被转换的电压信号从VIN和VIN输入。允许此信号是差动的或不共地的电压信号，模拟地和数字地分别设置引入端，使数字电路的地电流不影响模拟信号回路，以防止寄生耦合造成的干扰。VREF/2端不必外接电源，悬空即可。/CS是片选端，/WR是控制芯片启动的输入端；/INTR是转换结束信号输入端，输出电平由高跳低则表示本次转换已经完成，可作为中断或查询信号。ADC0804片内有时钟电路，只要在外部“CLKR”和“CLK”两端外接一对电阻和电容即可产生A/D转换所需要的时钟，其振荡频率为FCLK1/11RC。本次设计选用R10K，C150PF，此时FCLK640KHZ。其与单片机的接口电路如图26所示24温度检测对水箱水温的测定，采用了较为先进的DS18B20集成模块温度传感器，该传感器将温度信号以数字量传给单片机，无需其他的外围电路，一条口线，电路简单，使用稳定，可以方便的实现单片机对温度参量的读取。DS18B20采用3脚PR_35封装或8脚SOSI封装，管脚排列如图27所示。图27DS18B20封装图DS18B20内部结构如图28所示，主要由4部分组成64位ROM；温度传感器；温度报警触发器TH和TL；配置寄存器。考虑到系统功能的限制，传感器的报警功能没有使用。图28DS18B20的内部结构示意图单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制都由这根线完成。其基本的通信过程如下主机通过拉低单总线至少480US产生复位脉冲。然后由主机释放总线，并进入接收模式。主机释放总线时，会产生一由低电平跳变为高电平的上升沿。单总线器件检测到该上升沿后，延时1560US。单总线器件通过拉低总线60240US来产生应答脉冲。主机接收到从机的应答脉冲后，说明有单总线器件在线，然后主机就可以开始对从机进行ROM命令和功能命令操作。所有的读、写时序至少需要60US，且每两个独立的时序之间至少需要1US的恢复时间。在写时序中，主机将在拉低总线15US之内释放总线，并向单总线器件写1；若主机拉低总线后能保持至少60US的低电平，则向单总线器件写0。单总线器件仅在主机发出读时序时才向主机传输数据，所以，当主机向单总线发出读数据命令后，必须马上产生读时序，以便于单总线器件能传输数据。DS18B20可以使用外部电源VDD，也可以使用内部的寄生电源，无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5K左右的上拉电阻。本系统选用外部电源，即在VDD端口接5V的电压。故单片机与DS18B20的连接图如图29所示图29AT89C52与DS18B20的连接图25显示电路251温度显示电路常用的LED显示器有7段或8段，有共阴极和共阳极种。本次设计选用的是7段共阴极。由于单片机I/O的电气特性决定了单片机的端口的驱动能力有限，一般的，单片机的端口只是驱动TTL电平，不提供或者提供很小的驱动电流，所以在带负载时，单片机应当在I/O口加上驱动芯片。本次设计选用ICM7218数码管驱动芯片。ICM7218是INTERSIL公司生产的一种性能价格比较高的通用8位LED数码管驱动电路，28脚双列封装，可与多种单片机接口使用。ICM7218的输出可直接驱动LED显示器，不需外接驱动电路，其构成的显示电路结构简单，使用方便。ICM7218A显示电路如图210所示图210温度显示电路本系统显示用的2位七段数码管由数码管专用驱动芯片ICM7218A驱动，27、3、1、25、2、24、26脚分别接数码管的AG，15、16脚为位选，分别控制2位数码管的亮灭，ID07为数据线，接单片机P0口，/WRITE、MODE是写控制位和模式控制位，分别接单片机P25、P26。252液位显示电路考虑到热水器的液位显示只需给人以直觉上水量的多少（即当前水量占总容积百分比），而不必给出当前液位的具体数值。故选用5个发光二极管，用它们的亮灭来显示水位的五种状态。发光二极管、按键与单片机连线如图211所示图211发光二极管、按键与单片机连线图1发光二极管发光二极管在两端的电压差超出其导通压降时开始工作，发光二极管的导通压降一般约为1719V。此外，工作电流要满足该二极管的工作电流，满足电流和电压的要求，二极管就可以发光了。单片机系统中往往是数字信号，其电源不是5V就是0V，所以只要将二极管的正负极和电源对应上就可以了。在发光二极管前面要接一个电阻，这个电阻的作用在于限制二级管的电流，从而达到减少功耗或者满足端口对最大电流的限制。一般二极管的点亮电流为5MA10MA，在5V电源驱动时，厂家多采用470。限流电阻，在该设计中选用510，这样既不会超出单片机的I/O口最大限流，二极管也比较明亮。使用五个发光二极管来表示液位的五种状态全亮时对应水满，全灭时对应缺水，仅D1亮时对应20，仅D1和D2亮时对应40，D1、D2、D3亮时对应60，仅D5灭时对应80。2按键当有按键被按下时说明用户要手动上水。按键使用上拉电阻方式接入单片机。未按下时对单片机输入一个高电平，按下后输入一个低电平。键的闭合与否，反映在行线输出电压上就是呈现出高电平或低电平，如果高电平表示断开的话，那么低电平则表示闭合，所以通过对行线电平的高低状态的检测，便可以确认按键按下与否。为了确保CPU对一次按键动作只确认一次按键，必须消除抖动的影响。3电磁阀电磁阀在本次设计中是输出设备，用来控制上下水，24V三极管电磁阀驱动电路图如图212所示。系统中用到三个电磁阀控制水箱和水管的连接。图212电磁阀与单片机的连接目前市场上的太阳能热水器大都装有管道保温装置，以防在冬天管道中的水结冰，即使不结冰，在使用前也要放掉管道中的全部冷水,不但给使用者带来了很多的不便,也对水资源形成了较大的浪费。为此设计了水管排空功能,在水箱下安装一个电磁阀,当关闭上水阀和水箱的阀门，停止向水箱加水后,开启通往小水箱的电磁阀门,则单向阀进气使水管内存水排至室内小水箱,完全把水管内的存留水排出水管,从而达到在使用时直接使用热水和节水的目的。电磁阀的开关全由单片机控制,在上水和洗浴完毕后单片机发出电磁阀1和电磁阀2关闭,电磁阀3开启的放水指令,10S后关闭电磁阀3,系统处在待命状态。同时打开电磁阀2和电磁阀3即可给室内水箱供水,供水完毕后再执行管道排空水指令使整个系统处在待命状态。26电源电路为了使单片机有一个稳定的工作环境,且各组件都正常的工作,特别制作了5V的直流稳压电源。电源电压器将220V的交流电压变为所需电压值，然后通过桥式整流电路将交流电压变成脉动的直流电压。由于其含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，以得到平滑的直流电压最后通过稳压电路维持输出直流电压稳定。本电路的特点是电源输出稳定,具有较好的抗干扰能力。输出标准的5V直流电压。给整个控制系统供电,电源电路如图213所示图213电源电路图第3章系统软件设计31软件功能概述在系统的硬件确定以后，功能完善的软件能够很好的指导和协调硬件的工作，可使系统发挥其最大的作用，并且便利以后的更新换代升级。一个完整的系统都离不开对系统状态的监控，为了更好的协调软件、硬件各个部分正常工作，就必须对整个系统进行严密监控。在本系统中定时器T0中断服务程序担任液位数据读取、处理和输出显示任务，每隔一定的时间对A/D转换进行一次采样，并进行相应的处理，再经过发光二极管来实现液位的显示。而定时器T1中断服务程序担任温度数据读取、处理和输出显示任务，并经LED显示。而主程序完成的任务相对简单，它只是完成系统初始化及检测是否有键按下等工作。若有键按下，则进入手动上水模式。32主程序设计图31主程序流程图SOV1SBITD2P21SBITD3P22SBITD4P23SBITD5P24/发光二极管SBITICMWRP25SBITICMMODEP26SBITDQP27/DS18B20数据输出口SBITADCSP30SBITADENDP31SBITADWRP36SBITADRDP37/ADSBITS1P32/按键SBITSOV1P33SBITSOV2P34SBITSOV3P35/电磁阀UCHARFLAG1/温度正负标志位UCHARTEMP2/当前温度值UCHARADV0,ADV/AD值UNCHARWLUINTT0C,T1CUCHARTW/温度液位选择位UCHARSFLAG/手动上水模式标志位UCHARTFLAG/高温标志/UCHAREPFLAG/排空水标志位/延时程序VOIDDELAYUSUCHARUSWHILEUS/12M，一次6USVOIDDELAYMSUINTMS/毫秒级延时UINTTIWHILEMSFORTI0TI0ICOUNT/空操作VOID_NOP_VOID/DS18B20程序段BITDS18B20_RESETVOID/DS18B20复位和初始化UCHARDATAIDQ0/发一个复位脉冲DELAYUS80DQ1DELAYUS12IFDQRETURN0DELAYUS80RETURN1VOIDDS18B20_WRITEUCHARA/DS18B20写操作UCHARDATAIBITCFORI0IIDQ0DQ0DELAYUS0DQCDELAYUS10DQ1UCHARDS18B20_READVOID/DS18B20读一字节操作UCHARDATAI,AFORI0I1IFDQAA|0X80DELAYUS10DQ1RETURNAUCHARREAD_TEMPVOIDUCHARI,B,C,TH,TM,TLDS18B20_RESETDS18B20_WRITE0XCCDS18B20_WRITE0X44DELAYMS50DS18B20_RESETDELAY1DS18B20_WRITE0XCCDS18B20_WRITE0XBEBDS18B20_READCDS18B20_READFLAG1CIFFLAG1