太阳能热水器控制器的设计作业

太阳能热水器限制器的设计

摘要：本系统是为太阳能热水器水温水位的检测和限制而设计的。在

整个限制系统中，以STC89c52为主控芯片，由DS18B20传感器分别检

测水温柔水位，实现对水温柔水位、上水测量、显示、报警等功能，

并以电磁阀、继电器为阀门开关实现全自动加热、上水。整个系统精

度高，耐高温性强，易于调整，测试便利，达到设计要求。

关键词：STC89C52DS18B20传感器水温水位检测及限制

引言

当前能源紧缺，用电惊慌，太阳能是绿色能源，得到广袤用户的宠

爱。运用太阳能热水器时存在的问题：不行缺水，空晒状况下上水会

爆炸：春、秋天，水温上升蒸发，造成热能损失：冬天水温不够，须

用电等等。采纳太阳能热水器智能仪(也称太阳能热水器水温水位监

控仪)，能解决上述问题。运用户省心，运用便利，智能运行，用户

不必作任何操作。

太阳能热水器是一种利用太阳辐射能通过温室效应把水加热的装

置。利用聚积的高温来加热水。太阳能热水器不仅可以为家庭供应低

温用热水(40℃〜60C),还可以为暖房、温室、干燥、蒸镭、制冷等

热动力系统和工农业生产供应较高温度的热水。太阳能热水器由于具

有绿色环保特色而在人民生活和生产中得到了很多应用，它为百姓供

应环保、平安节能、卫生的新型热水器产品，太阳能热水器就是汲

取太阳的辐射热能，加热冷水供应应人们在生活、生产中运用的节

能设备。

进步源于竞争，在我国太阳能拥有广袤的市场，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，其中太阳能热水器限制器以其敏捷、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

化程度来满意消费者的需求。很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、故障提示等很多贴近客户需求的功能。

一、基本设计框图

本系统的组成框图如图1所示。本系统的主要设计思路是：设计太

阳能热水器限制器，要求实现测温，中学低水位点测（开关量），加

水限制，电加热限制、计算机监控等功能。在此框图中由PC上位矶实

现对限制部分的监控，由单片机实现现场部分的限制。

PC上位机部分由VB监控界面实现实时监控，其中包括太阳能热水

器当前的温度，当前水位，自动/手动限制，起先加水/停止加水，起

先加热/停止加热，设置温度并加热，保温限制等。由单片机实现硬件

电路的限制，从而实现太阳能热水器限制器的限制功能。

图1电路设计框图

二、硬件电路的设计

由单片机实现硬件电路的限制，其中硬件部分主要由DS18B20水温

采集部分，LCD显示水温水位部分，按键限制部分（实现相应的功能限

制），水温水位报警电路等组成。硬件电路设计图见附录一。

1、水温采集部分

1）DS18B20基本学问

DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的l—Wire,即单总线器件，

具有线路简洁，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有

线路简洁，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，非常便

利。

（1）DS18B20产品的特点

只要求一个端口即可实现通信；在DS18B20中的每个器件上都有独一

无二的序列号；实际应用中不须要外部任何元器件即可实现测温；测

量温度范围在一55°C到+125°C之间；数字温度计的辨别率用户可

以从9位到12位选择；内部有温度上、下限告警设置。

（2）DS18B20工作原理及应用：

DS18B20的温度检测及数字数据输出全集成于一个芯片之上，从而抗干

扰力更强。其一个工作周期可分为两个部分，即温度检测和数据处

理。在讲解其工作流程之前我们有必要了解DS18B20的内部存储器资

源。DS18B20共有三种形态的存储器资源，它们分别是：ROM只读存储

器，用于存放DS18B201D编码，其前8位是单线系列编码（DS18B20的

编码是19H）,后面48位是芯片唯一的序列号，最终8位是以上56的

位的CRC码（冗余校验）。数据在出产时设置不由用户更改。DS18B20共

64位ROM。RAM数据暂存器，用于内部计算和数据存取，数据在掉电后

丢失，DS18B20共9个字节RAM,每个字节为8位。第1,2个字节是温

度转换后的数据值信息、，第3,4个字节是用户EEPROM（常用于温度报

警值储存）的镜像。在上电复位时其值将被刷新。第5个字节序列是用

户第3个EEPROM的镜像。第6,7,8个字节为计数寄存器，是为了让

用户得到更高的温度辨别率而设计的，同样也是内部温度转换、计算

的暂存单元。第9个字节为前8个字节的CRC码。EEPROM非易失性记

忆体，用于存放长期须要保存的数据，上下限温度报警值和校验数

据，DS18B20共3位EEPROM,并在RAM都存在镜像，以便利用户操作。

第6脚:E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平常，液晶模决执

行吩咐。

第7脚一14脚:D0-D7为8位双向数据线。

第15—16脚：空脚

图3是水温水位显示部分：

图3水温水位显示

在LCD上显示水温，中学低水位，及当前的时间，通过LCD可以实现

实时监控，知道目前太阳能热水器的水温水位的改变。

3、按键限制部分

这部分主要是运用按键实现太阳能热水器的实时限制的一些观测，由

于没有实际的太阳能热水器用于试验，采纳此种方式可以视察是否实

现了预期的效果。通过按键按下推断是手动/自动限制，加水/加热限

制，停止加水/加热限制，中学低水位限制。当按下某一按键时，对应

的二极管亮，表示此功能实现。如图4所示：

图4按键限制部分

4、水温水位报警电路

当水温低于某一设定值时，报警电路发出警告，及要求进行加热，这

是可以采纳电加热的方式实现温度值的提高；当水位高于或低于某一

水位值时，报警电路报警，此时可以采纳自动或手动上水的方式上

水。如图5所示：

图5水温水位报警电路

三、软件部分的设计

软件部分的设计主要是包括两大模块，即主程序的设计和处理程序的

设计。在主程序中首先进行初始化设计：按键的初始化，LCD的初始

化，串口通信的初始化，定时器的初始化。还要进行LCD的清零，接

下来进入大循环，进行按键的处理及相关程序的调用。系统程序流程

图如图6所示：

系统上电后，系统即进行输入输出口的初始化，再等待用户按检测

键，在扫描到用户已经按过检测间后，单片机调用读数子程序，将水

温柔限制温度通过A/D转换后，处理推断水是否须要加热。假如须要

加热测低温灯亮，并等待用户按加热键。用户按加热键后，系统制动

继电器，是加热器通电。再加热过程中，系统循环检测水温，并限制

加热时间。整个系统在上电后将无限循环检测水温，实现实时加热。

如用户须要关闭，则可通过总电源操作。

在软件设计部分，按键处理程序、LCD1602程序、串口通信模块、

DS18B20模块的设计及相应的处理程序部分，这几个模块的编写过程比

较困难，写成的过程中要当心细致，同时也要敢于尝试。详细的程序

设计见附录二。

图6系统流程图

四、太阳能热水器限制器串口通信协议

1、通信模式

电脑和CPU通过串口进行全双工吩咐及数据传递，一方发送数据，另

一方接收数据即可，没有回答。

串口速率：BPS二9600

2、通信协议格式

发送方发送数据/吩咐/状态的协议为：地址，数据。

(1)地址为一字节数据，数值范围80H〜FFH,标记是最高位一定为1

(2)数据长度口」变，但每一个字节的数值肯定小于80H,即字节的最

高位二0

(3)全部吩咐中的数值均为一字节，且小于等于FFH。

吩咐没有应答，且每传一个数据时前面都要有地址。

3、通信协议的内容

下位机传给上位机：

1）、太阳能热水器的当前温度

地址：“A0”

吩咐:A000：当前温度为0摄氏度

A001：当前温度为1摄氏度

A002：当前温度为2摄氏度

A099:当前温度为99摄氏度

注：吩咐是以字符的形式传送，每传送温度时都要加上地

址。当前温度大于80摄氏度时报警。

2）、太阳能热水器水位检测：

地址：”A地

吩咐：AU0：水位达到低水位

A111：水位达到中水位

A112：水位达到高水位

注：吩咐传送是以单个字符的形式，每传送一组温度数值时

都要加上地址。水位达到高水位时报警。

上位机传给下位机：

1、太阳能热水器加热吩咐及温度设置、热水器保温

地址：“B0”

吩咐：B014：加热到20度

B015：加热到21度

B016：加热到22度

B017：加热到23度

B04F：加热到79度

B050：加热到80度

地址：B1H：停止加热

吩咐传送是以单个字符的形式，每传送一组温度数值时都要

加上地址。

注：上位机传温度时，把十进制温度数据以十六进制的形式传给

下位机。设置的温度是从20—80度，超此范围，设置温度窗口会报

错。

2）、太阳能热水器加水设置

吩咐："C0”：起先加水

“C1”：停止加水

3)、太阳能热水器自动/手动设置

吩咐："DO”：自动

“D1”：手动

VB监控界面见附录三：

五、小结

本系统硬件部分简洁，主要数据都有软件处理，且具有平安性、

牢靠性以及好用性。在此次的设计中，我学到了很多学问，之前单片

机的学问几乎遗忘，经过这次小课题设计，我做到了温故而知新，同

时也熬炼了自己的编程的实力。虽然在这次课题设计中我遇到了很多

难题，通过及同学的探讨，基本上得到了解决，之后会再接再厉，争

取做得更好！在此也要感谢此次设计过程中帮助过我的同学及老师

们。

附录一：整体电路图

附录二：软件设计程序

#includc〃rcg52.h”

#include〃key.h〃

#include，，lcdl602.h，z

#include〃usart.h"

#include〃dsl8b20.h〃

#include"time,h"

#include"dispose.h〃

voidInit(void)

Keylnit();

Lcdlnit();

UsartTnit();

Timelnit();

voidmain(void)

unsignedkey;

Init0;

LcdClr();

while(1){

key=KeyScan();

DisposeKey(key);

#include"dispose.h〃

sbitdi=P2P;

sbitzhong=P21;

sbitgao=P2*2;

charRunMode;

charSetTemp;

charSetTempbuf;

charBaojingEn;

unsignedcharshui1iang(void);

voidDisposcAuto(void)

if(temp[i]<SetTempbuf){

jiare=0;

}else{

jiare=1;

if(shuiliangO==0){

jiashui=0;

}elseif((shuiliangO==1)&&(SetTempbuf-tcmpCi]<

30)){

jiashui=0;

}elseif((shuiliangO==2)&&(SetTempbuf-tempEi]<

20))(

jiashui=0;

}elseif((shuiliangO==3)&&(SetTempbuf-tempEi]<

10)){

jiashui=0;

}else{

jiashui=1;

voidDisposcKey(unsignedcharkey)

switch(key)

case8:〃手动/自动

RunMode=!RunMode;

break;

case9:〃加热

if(!RunMode){

jiare=0;

break;

case10:〃+

if(SetTemp){

if(SetTempbuf<100){

SetTempbuf++;

LcdPos(14);

LcdWdat(SetTempbuf/10+48);

LcdWdat(SetTempbuf%10+48);

break;

case11://-

if(SetTemp){

if(SetTempbuf>0){

SetTempbuf一一；

LcdPos(14);

LcdWdat(SetTempbuf/10+48);

LcdWdat(SetTempbuf%10+48);

break;

case12:〃设置温度

SetTemp=!SetTemp;

if(SetTemp){

LcdClr();

LcdPos(0);

LcdWdat('S');

LcdWdat('e');

LcdWdat('t');

LcdWdatCT);

LcdWdat('e');

LcdWdat('m，);

LcdWdat('p');

LcdWdat(':;

LcdPos(14);

LcdWdat(SetTempbuf/10+48);

LcdWdat(SetTempbuf%10+48);

}else{

LcdClr();

LcdPos(0);

LcdWdat('T);

LcdWdat('e');

LcdWdat('m');

LcdWdat('p')；

LcdWdat(':;

LcdPos(14);

LcdWdat(temp[i]/10+48);

LcdWdat(temp[i]%10+48):

break;

case13:〃报警音开/关

BaojingEn=!BaojingEn;

break;

case14:〃加水

if(IRunMode){

jiashui=0;

break;

case15:〃停止

if(!RunModc){

jiare=1;

jiashui=1;

break;

default:

break;

unsignedcharshuiliang(void)

staticunsignedcharshuiliang;

di=0;

zhong=0;

gao=0;

//staticunsignedcharj;

P3|=0x38;

//j++；

//if(j>=2){

//j=0;

if(di==1){

shuiliang=0;

}elseif(zhong==1){

shuiliang=1;

}elseif(gao==1){

shuiliang=2;

//if(shuiliang[。]!=shuiliang[l]){

switch(shuiliang){

case0:

LcdPos(0x40);

LcdWdat('甲);

LcdWdat('a');

LcdWdat('t');

LcdWdat('e');

LcdWdat('r');

LcdWdatC');

LcdWdat('L');

LcdWdat('c');

LcdWdat('v');

LcdWdat('e');

LcdWdatD;

LcdWdat(':;

LcdWdat('O');

UsartSendShuiwei(0);

break;

case1:

LcdPos(0x40);

LcdWdat('『);

LcdWdat('a');

LcdWdat('t');

LcdWdat('e');

LcdWdat('r');

LcdWdat');

LcdWdat('L');

LcdWdat('e');

LcdWdat('v');

LcdWdat('e');

LcdWdat(，f);

LcdWdat(':;

LcdWdatCr);;

UsartSendShuiwei(1);

break;

case2:

LcdPos(0x40);

LcdWdat(，W，);

LcdWdat('a');

LcdWdat('t');

LcdWdat('e');

LcdWdat('r');

LcdWdat('');

LcdWdat('L');

LcdWdat('e');

LcdWdat('v');

LcdWdat('e');

LcdWdat(*f);

LcdWdatC:;

LcdWdat(，2，);;

UsartSendShuiwei(2);

break;

case3:

LcdPos(0x40);

LcdWdat('甲);

LcdWdat('a');

LcdWdat('t');

LcdWdat('e');

LcdWdat('r');

LcdWdatC');

LcdWdat('L');

LcdWdat('e');

LcdWdat('v');

LcdWdat('e');

LcdWdatCP)；

LcdWdat(':;

LcdWdat('3');;

UsartSendShuiwei(3);

break;

default:

break;

returnshuiliang;

按键处理部分

#include"key.h〃

voidKeyDelay(unsignedintz)

unsignedinti;

while(z--)

for(i=0;i<120;i++)

voidKeylnit(void)

P2=0xfe;

P0-0xff;

ad0=0;

adl=0;

ad2=0;

ad3=l;

unsignedcharKeyScan(void)

unsignedchartemp,num;

num=16;

adO-O;

adl=0;

ad2=l;

ad3=l;

P2=0xfe;〃扫描第一行

P0=0xff;

temp=P0;

if(temp!=0xff)

KeyDelay(5);

temp=PO;

if(temp!=0xff)

switch(temp)

caseOxfe:num=0;break;

caseOxfd:num=l;break;

caseOxfb:num=2;break;

case0xf7:num=3;break;

caseOxef:num=4;break;

caseOxdf:num=5;break;

caseOxbf:num=6;break;

caseOx7f:nurn=7;break;

while(tcmp!=Oxff)

PO=Oxff;

temp=P0;

P2=0xfd;〃扫描其次行

PO=Oxff;

tcmp=P0;

if(temp!=0xff)

KcyDolay(5);

temp=P0;

if(temp!=0xff)

switch(temp)

caseOxfe:num=8;break;

caseOxfd:num=9;break;

caseOxfb:num=10;break;

case0xf7:num=ll;break;

caseOxef:num-12;break;

caseOxdf:num=13;break;

caseOxbf:num=14;break;

case0x7f:num=15;break;

while(temp!=0xff)

P0=0xff;

temp=P0;

ad3=0;

returnnum;

LCD1602程序

#include〃lcdl602.h〃

unsignedcharcodedisl[]={"WelcomeB6〃};〃第一行显示内

容

unsignedchardispbuf[5];〃其次行显示内容

floatcount1=34.56;

/*延时子程序

voidLcdDelay(intms)

inti;

while(ms-一)

for(i=0;i<250;i++)

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

/*越查LCD忙状态

*/

ALcdBusy为1时，忙，等待。LcdBusy为0时，闲，可写指令及数

据。*/

bitLcdBusy(void)

bitresult;

lek=0;

LCD_RW=1;

lcd_rs=0;

LCD_EN=l;//0x91;//LCDRS=0;LCDRW=1;LCDEN=1;

lek=1;〃锁存数据到HC574

_nop_();

_nop_();

_nop_();

_nop_();

result=(bit)(P0&0x80);

lek=0;

LCD_EN=0;//LCD_EN=0;

lek=1;

returnresult;

/*写指令数据到LCD

*/

/*RS=L,RW=L,E=上升沿D0-D7=指令码。

*/

voidLcdWcmd(unsignedcharcmd)

while(LcdBusy());

lek=0;

LCDRW=(）；

lcd_rs=0;

LCD_EN=0：//LCD_RS=0;LCDRW=0;LCD_EN=0;

lek=1;

_nop_。

_nop_()

P0=cmd;

_nop_()

_nop_()

_nop_()

_nop_()

lek=0;

LCD_EN=1;//LCD_EN=1;

lek=1;

_nop_()

_nop_()

_nop_()

_nop_()

lek=0;

LCD_EN=0;//LCD_EN=0;

lek=1;

/*写显示数据到LCD

*/

/*RS=HRW二L，E二上升沿，D0-D7二数据。

*/

voidLcdWdat(unsignedchardat)

while(LcdBusy());

lek=0;

lcd_rs=1;

LCDRW=0;

LCDEN=0;//LCDRS=1;LCDRW=0;LCDEN=0;

lek=1;

P0=dat;

_nop_()

_nop_()

_nop_()

_nop_()

lek=0;

LCD_EN二二1;//LCD_EN=1;

lek二1

_nop_()

_nop_()

_nop_()

_nop_()

lek二0

LCD_EN==0;//LCD_EN=0;

lek=1

/*设定显示位置

*/

voidLedPos(unsignedcharpos)

LedWemd(pos10x80);〃数据指针二0x80+地址变量

/*LCD初始化设定

*/

voidLcdlnit(void)

LcdDelay(15);〃等待LCD电源稳定

LedWemd(0x38);〃16*2显示，5*7点阵，8位数据

LedDelay(5);

LedWemd(0x38);

LedDelay(5);

LedWemd(0x38);

LedDelay(5);

LedWemd(0x0c);〃显示开，关光标

LedDelay(5);

LedWemd(0x06);〃移动光标

LedDelay(5);

LcdWcmd(OxOl);〃清除LCD的显示内容

LcdDelay(5);

/*清屏子程序

*/

voidLcdClr(void)

LcdWcmd(0x01);〃清除LCD的显示内容

LcdDelay(5);

/'KC\],.]/

/zTsZTSzfsZ?^ZT^zTsZT*xjs*Ts*Ts结束

*£z*Jz^1*HL^*1Z*£*

^7*^T>XTN"、«、*1XxjxX7XX7X<J^X«>^7*「、«、<1%*1X<7^^T>XT>

串口通信程序

#include〃usart.h"

〃函数名称:Usartlnit

〃函数功能：初始化

voidUsartlnit(void)

TMOD|=0x20;〃定时器1工作方式2

THl=Oxfd;〃频率9600

TLl=Oxfd;

TR1=1;〃定时器1工作

SCON=0x50;〃01010000串口表现为8位UART,串口允许接收位

REN置1

PCONOxOO;〃波特率不加倍

IE=0x90;//10010000开总中断EA,串口中断ES

〃函数名称：UsartSendTemp

〃函数功能：串口发送温度

voidUsartSendTemp(unsignedchartemp)

SBUF='A';

while(TI==0);

TI=0;

SBUF='O';

while(TI==0);

TI=0;

SBUF=temp/10+48;

while(TI==0);

TI=0;

SBUF=temp%10+48;

while(TI==0);

TI=O;

〃函数名称：UsartSendShuiwei

〃函数功能：串口发送水位

voidUsartSendShuiwei(unsignedcharshuiwei)

SBUF='A';

while(TI==0);

TT=O;

SBUF二'1';

while(TI==0);

TI=0;

switch(shuiwei){

case0:

SBUF='O';

while(TI==0);

TI-0;

break;

case1:

SBUF=?r;

while(TI=0);

TI=0;

break;

case2:

SBUF='2';

while(TI=0);

TT=O;

break;

default:

break;

〃函数名称：serial

〃函数功能：串口中断

voidserial()interrupt4

unsignedcharaddr;

staticunsignedchari;

staticunsignedchardat[3];

if(RI)

RI=O;//RI清0

addr=SBUF;〃取数据

switch(addr){

case'B':

i=0;

dat[i]=addr;

i++;

break;

case'C':

i=0;

dat[i]=addr;

i++；

break;

case'D，:

i=0;

dat[i]=addr;

i++；

break;

default:

dat[i]=addr;

i++；

if((dat[0]=='B')&&(dat[1]=='0')){

if(i>=3){

SetTempbuf=(dat[2]-48)*10+dat[3]-

48;

if(!RunMode){

jiare=0;

}elseif((dat[0]=='B')&&(dat[1]=='l')){

if(!RunMode){

jiare=1;

}elseif((dat[0]=='C')&&(dat[1]=='0')){

if(!RunMode){

jiashui=0;

}elseif((dat[0]=='C')&&(dat[1]=='1)){

if(!RunMode){

jiashui=1;

}elseif((dat[0]=='D')&&(dat[1]=='0')){

RunMode=1;

}elseif((dat[0]=='D')&&(dat[1]==T')){

RunMode=0;

break;

else

TI=0;〃TI清0

DS18B20程序

#include〃dsl8b20.h〃

unsignedchartemper[2];〃存放温度的数组

、!，

zTsZTSZTSZTSZTSZTSZTSZTS延时函数

sixdj*sixsXxvjxK1XKIXsixsixsixsixvizvjx

xi%I

voidDsDelay(unsignedintus)

while(us-一);

；K|>KV>KC

^7*复位函数

、>KIXKI^VAXxZxSJ^sXxsizsjzKIZI

*1X*r>/

voidDsReset(void)〃复位

unsignedcharx=0;

DQ=1;

DsDelay(8);〃稍做延时

DQ=0;

DsDelay(80);〃精确延时大于480us

DQ=1;〃拉高总线

DsDelay(14);

x=DQ;

DsDelay(20);

/**********************从DS18B20读一字节***************/

unsignedcharDsReadbyte(void)〃读1字节

unsignedchari=0;

unsignedchardat=0;

for(i=8;i>0;i-)

DQ=0;

dat>>=1;

DQ=1;

if(DQ)

dat|=0x80;

DsDelay(4);

return(dat);

/***********************向DS18B20写字节

*1^*X**X**£**X**1^/

*1**T**T**v»*T**T**T**T»*r»*T*/

voidDsWritebyte(unsignedchardat)//写1字节

unsignedchari=0;

for(i=8;i>0;i-)

DQ=0;

DQ=dat&OxOl;

DsDelay(5);

DQ=1;

dat>>=l;

DsDelay(4);

/***********************CPU读取温度值

\[，xZxsZxvjxKIXKIXxlx%£xxZxKIZvjxKIX

/

unsignedcharDsReadtemp(void)〃读取温度

unsignedchara=0,b=0;

DsReset0;

DsWritebyte(OxCC);//跳过序列号

DsWritebyte(0x44);//启动温度转换

DsReset();

DsWritebyte(OxCC);

DsWritebyte(OxBE);〃读9个寄存器，前两个为温度

a=DsRcadbyte();//低位

b=DsReadbyte();〃高位

temper[0]=a&OxOf;

a=a»4;〃低位右移4位,舍弃小数部分

temper[l]=b«4;〃高位左移4位，舍弃符号位

temper[l]=temper[l]|a;