毕业设计（论文）-基于at89c51单片机的太阳能热水器自动控制系统设计.doc

ANYANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY毕业论文基于AT89C51的太阳能热水器自动控制系统设计THEDESIGNOFSOLARWATERHEATERAUTOMATICCONTROLSYSTEMBASEDONAT89C51系（院）名称电子信息与电气工程专业班级05级电子信息工程1班学生姓名指导教师姓名指导教师职称讲师2009年5月目录摘要IABSTRACTII引言1第一章概述211课题的背景意义212太阳能热水器和其控制器的发展现状213课题的研究内容3第二章系统设计421控制系统技术性能要求422太阳能控制系统工作原理4221系统原理4222方案比较4第三章硬件设计831直流电源的设计8311直流电源的图解8312方案论证9313方案实现932接口电路1033控制模块1134显示模块1135驱动电路14351蜂鸣器驱动电路14352继电器驱动电路14第四章水位温度采集部分1541水位传感器1542传感器（AD590）1643模数转换器件（ADC0804）18431ADC0804的性能特点18432ADC0804的引脚及其功能18433ADC0804转换器的时序及接口电路19第五章中央控制器2251单片机构成2252单片机内部结构分析2353单片机主要功能特性2354单片机的外部结构2355单片机最小系统24第六章中断控制2561按键中断（KBI）2562键盘中断要实现两个功能25第七章软件设计2671I/O口的说明2672系统存储器功能2673软件流程图26结论29致谢30参考文献31附录1太阳能控制系统显示程序32附录2硬件图37基于AT89C51的太阳能热水器自动控制系统设计专业班级05级电子信息工程1班学生姓名指导教师职称讲师摘要随着人们生活水平的提高，各种热水器的使用已相当普及。与之相配套的控制仪也相继问世。然而目前市场上的各种热水器控制电路还与理想要求相差甚远。消费者需要真正的“自动”控制，以实现使用的最简单化。就像家用电视机、电冰箱一样,接通电源、设定完毕这么简单就可以了。本次毕业设计运用AT89C51单片机设计了一种自动控制电路，该电路用于太阳能热水器,能实现在用水时，若水位不够可以自动供水，若日晒水温达不到设定值，则电加热自动补温。从而实现了热水器的自动及节能。太阳能热水器自动控制硬件电路，辅以相应的软件设计，来实现温度和水位参数的实时显示，而且具有温度设定、水位设定与控制功能，停电后再来电时也不用重新设定，具有故障报警和故障自处理功能，良好的稳定性和抗干扰性能。实验结果表明，本次系统设计合理，工作稳定可靠、温度测量精度高。同时给出了温度测量系统的硬件结构和软件设计。关键词单片机；自动控制；太阳能热水器；软件调试。THEDESIGNOFSOLARWATERHEATERAUTOMATICCONTROLSYSTEMFORBASEDONAT89C51ABSTRACTALONGWITHTHEENHANCEMENTOFLIFESTANDARD,APPLICATIONOFSOMEKINDSOFWATERHEATERISQUITECOMMONCONTROLLERSINMATCHWITHTHEWATERHEATERSTURNUPHOWEVER,THECONTROLCIRCUITSAPPLIEDINEACHKINDOFWATERHEATERSINMARKETAREFARAWAYFROMTHEIDEALREQUESTSATPRESENTCONSUMERSWANTREAL“AUTO“TOSIMPLIFYTHEUSEJUSTASTHETELEVISIONSANDREFRIGERATORS,WHATWENEEDDOISJUSTCONNECTINGTHEPOWERANDSETTINGTHISGRADUATIONPROJECTISONEKINDOFAUTOMATICCONTROLCIRCUITUSINGAT89C51,DESIGNEDINTHESOLARWATERHEATERWHICHCOULDREALIZETHEWATERSUPPLYTIMELYIFWATERLEVELISBEYOND,ITCANSUPPLYWATERAUTOMATICALLYIFTHESOLARWATERTEMPERATUREDOESNOTREACHTHESETTINGDATA,ITCANHEATAUTOMATICALLYBYELECTRICITYITREALIZESTHEAUTOMATIONANDENERGYSAVINGTHEAUTOMATICCONTROLHARDWARECIRCUITINTHESOLARWATERHEATER,COMBINEDWITHCORRESPONDINGSOFTWAREDESIGN,CANDISPLAYTHETEMPERATUREANDWATERLEVELPARAMETERS,SETTHETEMPERATUREANDWATERLEVELANDCONTROLTHEPROCESSTHEREBEINGNONEEDTORESETTHETEMPERATUREWHENTHEFAILEDPOWERREGAINS，ITHASFUNCTIONSSUCHASFAILUREALARM,FAILUREAUTOPROCESSING,GOODSTABILITYANDRESISTANCETOINTERFERENCETHEEXPERIMENTRESULTSSHOWTHATTHESYSTEMHASTHEREASONABLEDESIGN,THEGOODDEPENDABILITYANDHIGHMEASUREMENTPRECISIONKEYWORDSSINGLECHIPAUTOMATICCONTROLSOLARPOWEREDWATERHEATERSOFTWAREDEBUGGING引言当前能源紧缺，用电紧张，太阳能是绿色能源，得到广大用户的喜爱。使用太阳能热水器时存在的问题不可缺水，空晒情况下上水会爆炸；春、秋天，水温升高蒸发，造成热能损失；冬天水温不够，须用电等等。采用太阳能热水器智能仪（仪称太阳能热水器水温水位测控仪），能解决上述问题。使用户省心，使用方便，智能运行，用户不必作任何操作。太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，与常规能源有很大的区别，这就对太阳能的收集和利用提出了较高的要求。在太阳能热利用中，为了得到中高温热能，必须使集热器从日出到日落跟踪太阳，而在太阳能光电中，相同条件下，自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35，成本下降25。因此在太阳能利用中，进行跟踪装置的控制方式进行研究是一项很有意义的工作。第一章概述11课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。12太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。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。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。13课题的研究内容本设计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。本设计以AT89C51单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。第二章系统设计21控制系统技术性能要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、故障提示等许多功能。本系统需要完成的控制系统技术性能如下1）使用电源220VAC，功耗1000次）FLASHROM32个双向I/O口可编程UARL通道两个16位可编程定时/计数器全静态操作024MHZ1个串行中断128X8BIT内部RAM两个外部中断源，共6个中断源可直接驱动LED3级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能54单片机的外部结构1、电源这当然是必不可少的了。单片机使用的是5V电源，其中正极接40引脚，负极（地）接20引脚。2、振蒎电路单片机是一种时序电路，必须提供脉冲信号才能正常工作，在单片机内部已集成了振荡器，使用晶体振荡器，接18、19脚。只要买来晶振，电容，连上就可以了，按图51接上即可。3、复位引脚至于复位是何含义及为何需要复要复位，在单片机功能中介绍。4、EA引脚EA引脚接到正电源端。55单片机最小系统图51单片机最小系统第六章中断控制61按键中断（KBI）键盘中断功能主要是使得连至AT89C51特殊脚的键盘上任一键被按下时能产生一个中断。该中断可用于将MCU从空闲模式或掉电模式中唤醒。此特性尤其适合便携式且使用电池供电的系统。AT89C51允许端口0的部分或全部引脚被使能触发中断，这是通过对KBI寄存器对应位置位完成的当打开KBI中断功能后，任一被使能引脚被拉低都会将AUXR1寄存器内键盘中断标志（KBF）置位。如若中断允许则将产生一中断。注意KBF位必须由软件清除。系统中一共设计了4个按键,采用查询方式的独立式按键接口,通过检测输入线的电平状态来判断哪个按键被按下了。由于机械性键盘在按键的时候都有抖动的现象,因此必须消除这些抖动,保证键盘输入正确。方法为在单片机第一次检测到有键按下时,执行一段延时1020MS的子程序后再确认该键电平是否仍保持闭合状态电平,如果保持闭合状态电平则确认为真正有键按下,如果未保持闭合状态,则认为没有键按下,从而消除了抖动的影响。本设计中采用了中断方式，其中与P32口的键盘是用于手动上水功能，与P32口连接的按键用于水位设置的功能。62键盘中断要实现两个功能1、水位设置功能其中S3为手动上水键，S4为设置水位参数键，S5为电加热键，S6为设置温度键。S3、S5单独功能键。而S4、S6为复用键。当第一次按S4键时，进入水位设置状态，然后每按一次S3为设置水位加一，循环工作。当第一次按S6键时，进入水温设置状态，然后每按一次S6为设置水温加一，循环工作2、手动上水功能手动上水键与P32口连接，运用中断方式0，下降沿触发。查看手动上水键有没被按下。它的具体功能如下按“上水”键，若水位低于预置水位，可上水至预置水位；若水位已达到预置水位，若水位已加满，则停止手动加水。第七章软件设计71I/O口的说明P0007为ADC0804的数据输入端口。负责采集温度模拟量转化的的数字。P2027作为水位采集的输入口和输出口，在软件中可查看该口的电平高低，以确认水位。P1017作为显示端口，通过74LS47译码到达LED显示温度。同时P16口用于控制低水位上水指示灯，当系统正处于低水位上水时，低水位上水指示灯亮。P14口用于控制蜂鸣器，当系统处于缺水状态时，蜂鸣器都会鸣叫，即让P16处于高电平以实现蜂鸣。P15口控制电磁阀，当系统需要上水或不上水时，即需通过软件使P15处于高低电平，将P15置0时，打开电磁阀上水，将P14清1时，关电磁阀。72系统存储器功能本设计中将温度传感器所测出的温度值的个位放入内部RAM20H中，将十位放入内部RAM21H中，将计数器T0读取的计数值放入50H中，在测水位时，将T1计数器读取的计数值存入51H中，所得的水温值放入23H中。73软件流程图水位控制显示1、手动上水设计采用P32口中断0下降沿触发方式，可用于水位的预置低，中，高，满四种档位，当水位到达预置水位时将关闭电磁阀，停止上水功能，若水位到达满水位也停止上水，且手动上水失效。2、自动上水控制通过对水箱水位的信息采集，在加以ADC转换得到数字信息，采用的是从高到低的控制系统。P16置1，控制低位上水指示。P2低四位置0,P15置1可以关闭电磁阀停止上水，满水位的显示。P20P22置0，P23置1，高水位的显示。P20P21置0，P22P23置1，中水位的现实。P20置0，P21P23置1，低水位显示蜂鸣器报警，并打开电磁阀上水。水位显示子程序见附录1太阳能控制系统显示程序，水位显示子程序流程图如图71所示NNNNNYYYYY缺水指示开始IT01P271P261P251P241继电器工作低水位指示中水位指示蜂鸣满水位指示高水位指示图71水位显示子程序流程图水温控制显示通过温度传感器AD590测得水箱中的水温，当水温不够时启动电加热控制，将最后加热的信息经过ADC0804转换器传入P0口，数据处理后通过74LS47译码器传输给LED显示。水温控制显示程序见附录1太阳能控制系统显示程序，其流程如图72水温显示子程序流程图所示YNNY开始送串行口显示显示缓冲为0FFH设置串行口20H为00H21H为00H结束两位十六进变十进制个位送20H十位送21H显示完毕72水温显示子程序流程图结论系统以单片机AT89C51为核心部件，单片机系统完成对水位，水温信号的采集、处理、显示等功能；完成了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、参数设定；定时水温过低智能电加热等功能模块的设计。学会了用PROTEL软件绘制电路图。本次毕业设计让我进一步巩固了四年来学习的理论知识，还要做到理论与实践相结合。如机型和元器件的选择，要以性价比高为原则，以组成最小最优化的系统，硬件和软件在一定程度上具有互换性，多用软件，可节省成本，这些都是在设计中应该考虑的，就传感器来说由于此系统依赖温度传感器，因而对温度传感器的稳定性，线性等诸多方面有着严格的要求，但是传感器的性能越好，相对而言其价格也就越高。学到了许多课本上学不到的知识软件，通过这次毕业设计使动手能力和理论知识有了很大的提高，完成了太阳能热水器水位、水温的测量和显示电路的设计，并作了硬件调试，调试结果较为理想，得到了准确的分档水位测量，和误差较小的温度测量，完成了时钟电路设计，为系统提供了准确的时间显示，显示时、分。并为定时加热提供了时间参考，从而完成自动电加热。致谢在论文完成之际，谨向所有曾给予我指导和帮助的师长、同学和朋友致以忠心的感谢感谢指导老师段德功在这一段的学习期间给予我极大的帮助和关怀，对论文的最终完成给予了大量的指导和帮助。指导老师严谨的治学态度、深厚的专业知识、敏锐的学术洞察力活跃并富有哲理的思维方式、豁达开朗的性格以及平易近人的风格深深感染着我、激励着我。感谢我班所有同学在日常学习生活中给予我的帮助和支持，难忘我们共度的求学岁月。参考文献1苏平李晓荃单片机原理与接口技术北京电子工业出版社，20032李广弟单片机基础北京北京航空航天大学出版社，19963鲍小南单片机基础杭州浙江大学出版社，20024治占友单片机外围电路设计电子工业出版社，20015刘力群单片机原理及应用机械工业出版社，19966唐俊杰高秦生微型计算机原理及应用高等教育出版社，19987何立民单片机高级教程（第一版）北京北京航天航空大学出版社，20018胡润青蓬勃发展的太阳能热水器产业可再生能源9范延滨王正彦太阳能热水器控制器中测量模型电子测量技术，2004，310唐德礼鲍连升太阳能热水器水温水位控制器十堰职业技术学院学报，2002，15（4）11孙东胜新型电热水器控制器的研制硕士学位论文上海上海交通大学，2004100112SANDRINECLAQUIN,ALAINCARRIERE,FRANQOISROCARIESMODELLINGANDAPPLICATIONOFADAPTIVECONTROLTOAGASHEATERTHE3RDIEEECONFERENCEONCONTROLAPPLICATIONSCCA94,GLASGOWUK2426AUGUST199413POPOVICD,VPBHATKARDISTRIBUTEDCOMPUTERCONTROLFORINDUSTRIALAUTOMATIONMARCELDEKKERINC,199214LATTICEDATEBOOKLATTICESEMICONDATEBOOKCORPORATION1994附录1太阳能控制系统显示程序水位显示子程序ORG00HJMPSTART0ORG03HRETIORG0BHRETIORG13HRETIORG1BHRETIORG23HRETIORG50HSTARTSETBIT0MOVSP,60HMOVIP,01HMOVIE,81HACALLSHSHK1JBP27,L4JBP26,L3JBP25,L2JBP24,L1MOVA,0FFHMOVP2,ACLRP16CLRP15C