畢業(yè)設計基于單片機的太陽能水溫的智能控制

1、誠信申明本人申明：我所呈交的本科畢業(yè)設計（論文）是本人在導師指導下對四年專業(yè)知識而進行的研究工作及全面的總結。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝中所羅列的內容以外，論文中創(chuàng)新處不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京化工大學或其它教育機構的學位或證書而已經(jīng)使用過的材料。與我一同完成畢業(yè)設計（論文）的同學對本課題所做的任何貢獻均已在文中做了明確的說明并表示了謝意。若有不實之處，本人承擔一切相關責任。本人簽名： 年 月 日基于單片機的太陽能水溫只能控制xxx自動化專業(yè)自控0803班學號xxxxxxxx指導教師xxx摘 要本文章設計了一個太陽能水溫智能控制系統(tǒng)。它以單片機為核心，

2、配合傳感器，報警裝置，電動閥，顯示裝置，數(shù)字鍵盤等。 完成對太陽能熱水器容器內的水位、水溫測量、顯示功能；自動上水功能，水溢報警功能；自動上水、自主溫度設置功能。其中本文第一章主要說明了太陽能智能水溫控制研究價值及研究現(xiàn)狀，第二章對系統(tǒng)的整體結構作了簡單介紹，第三章重點介紹了水位水溫測量電路，第四章介紹了時鐘電路，顯示和鍵盤電路，其他電路作了介紹，對水位測量電路的硬件調試。第五章介紹了程序的軟件電路設計和控制器的流程圖。本系統(tǒng)電路簡單、制造成本低。特別適用于對水位、水溫要求不精確的場合關鍵詞：太陽能 熱水器 控制器intelligent solar energyabstractthis art

3、icle has designed a intelligence control system for solar-powered water heater. takes the scm as the core, with the sensor, alarm, electric valve, display device, digital keyboard.completion of the solar water heater water level within the container, temperature measurement, display function; automa

4、tic sheung shui, water overflow alarm function; the manual water supply, independent temperature setting function.the first chapter mainly explains the solar intelligent temperature control research value and the research status, the second chapter of the whole structure of the system is briefly int

5、roduced, the third chapter introduced the water level and temperature measuring circuit, the fourth chapter of the clock circuit, display and keyboard circuit, another circuit was introduced, the water level measuring circuit of hardware debugging.the fifth chapter introduces the procedure of softwa

6、re design and the flow chart of the circuit controller.this system has the advantages of simple circuit, low cost of manufacture.particularly applies to water level, water temperature requirements inaccurate occasions.key words：solar energy water heater controller目 錄前 言1第1章課題研究的價值2第1.1節(jié)課題的背景意義2第1.2節(jié)

7、太陽能熱水器目前發(fā)展狀況2第1.3節(jié)研究目的與方法4第1.4節(jié)設計實現(xiàn)的功能4第2章控制系統(tǒng)的結構5第2.1節(jié)太陽能結構5第3章電路具體設計14第3.1節(jié)水位測量14第3.2節(jié)水溫測量19第3.3節(jié)水位、水溫測量整體電路23第3.4節(jié)上水電路25第3.5節(jié)鍵盤和顯示電路28第3.6節(jié)時鐘電路35第3.7節(jié)加熱電路36第3.8節(jié)報警電路37第4章程序設計40第4.1節(jié)主程序設計40第4.2節(jié)顯示子程序42結 論43附 錄44參考文獻47致 謝48前言隨著城市化進程加快，世界能源危機告急，世界上許多國家掀起了開發(fā)利用太陽能的熱潮，太陽能作為一種綠色可再生的資源，被充分利用到家庭熱水，取暖領域，太陽

8、能熱水器無疑將會成為熱水器行業(yè)的一個新星；與電熱水器相比太陽能熱水器有很多優(yōu)點。其好處有一，是綠色可再生資源。二經(jīng)濟效益顯著。三，可與其他資源配套使用。四，綠色安全。五使用壽命長。雖然其有諸多優(yōu)點。當今社會人們的生活水平日益提高，同時也對生活質量提出了新的要求。現(xiàn)有電熱型熱水器安全性差，給人們生活安全帶來巨大隱患。這為太陽能發(fā)展提供了良好的外部生存環(huán)境。太陽能熱水器克服安全問題且使用簡單、方便。太陽能熱水器順乎時代發(fā)展的要求，滿足人們對環(huán)保綠色產(chǎn)品的需求。在人類文明程度日益提高的今天，它是現(xiàn)代文明社會的最佳選擇。在太陽能熱利用技術中，太陽能熱水器是技術上比較成熟、造價比較低廉的產(chǎn)品，同時給人民

9、提供不耗能源、保護環(huán)境、絕對安全的熱水而受到人們的歡迎。 但由于太陽能的分散性、季節(jié)性和地區(qū)性又給太陽能利用帶來重重困難，因而尚未被人們大規(guī)模的使用，太陽能熱水器水溫控制還處于初級階段,大多數(shù)熱水器用起來不方便,水溫難以控制，不具備自主調溫，自動上水等功能。這些弊端給用戶使用帶來了種種的不便利。 第1章 課題研究的價值 第1.1節(jié)課題的背景意義隨著太陽能熱水器的迅速推廣，廣大消費者對太陽能熱水器特別是太陽能熱水器控制器的要求越來越高，太陽能熱水器商家為使自己的產(chǎn)品能在市場上生存和發(fā)展，在不斷提高太陽能熱水器熱水性能的同時，也不斷加大力度滿足消費者對于太陽能使用方便的要求，于是太陽能熱水器的智能

10、化程度越來越高。本設計根據(jù)市場的需要，以及我國研究的成果。根據(jù)論文資料及市場現(xiàn)有產(chǎn)品模型，在加上自己的理解和創(chuàng)意，模仿出了一套太陽能水溫智能控制系統(tǒng)。這樣可以大大滿足不同人群的需要，降低操作的難易程度。此系統(tǒng)根據(jù)太陽能熱水器的程度。為太陽能熱水器提供了一套程度高、性能良好、使用方便、經(jīng)濟實惠的配套控制系統(tǒng)。第1.2節(jié) 太陽能熱水器目前發(fā)展的狀況太陽能熱利用是可再生能源技術領域商業(yè)化程度最高、推廣應用最普遍的技術之一。1998年世界太陽能熱 水器的總保有量約5400萬平方米。按照人均使用太陽能熱水器面積，塞浦路斯和以色列居世界一、二位，分別為1平方米人和o7 平方米人。日本有2o的家庭使用太陽能

11、熱水器，以色列有80的家庭使用太陽能熱水器。20多年來，太陽能熱水器在我國得到了快速發(fā)展和推廣應用。7o年代后期開始開發(fā)家用熱水器。目前全國有5oo多個熱水器生產(chǎn)廠家，1998年的產(chǎn)量約400萬平方米，總安裝量約1400萬平方米，產(chǎn)量占世界第一位。我國太陽能熱水器平均每平方米每年可節(jié)約1oo15o公斤標準煤。8o年代后期，我國開始研制高性能的真空管集熱器。清華大學開發(fā)的全玻璃真空管集熱器結構簡單，類似拉長的暖水瓶，內管外表面上選擇性吸收涂層是其關鍵技術。全玻璃真空管集熱器已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，目前全國有6o多個全玻璃真空管集熱器生產(chǎn)廠，年產(chǎn)300多萬只真空管。8o年代后期至9o年代初，北京市太 陽

12、能研究所相繼在我國政府、undp支持下，并與德國合作研制成功熱管式真空管集熱器，1996年與德國 dasa公司合資建立了熱管式真空管集熱器生產(chǎn)廠，實現(xiàn)了規(guī)?；a(chǎn)，1998年生產(chǎn)了 11萬只真空管，產(chǎn)品銷往國內外。目前在市場上占主導地位的太陽能熱水器主要有平板型和真空管型兩種。平板型太陽能熱水器國內市場份額約65；真空管熱水器分全玻璃和熱管式兩種，國內市場份額約35。目前太陽能熱水器主要用于家庭，其次是廠礦、機關、公共場所等。我國的太陽能熱水器工業(yè)逐步走向成熟，除了技術不斷改進、 產(chǎn)品質量不斷提高外，幾種熱水器的國家標準已經(jīng)頒布并開始實施。如平板熱水器熱性能評價實驗方法）（gb4271-84）

13、、平板熱水器產(chǎn)品技術指標）（gb6424-86）、家用熱水器熱性能實驗方法）（gb12915一91）、全玻璃真空管集熱器）（gbt17o49-1997）等。但同時應當看到，我國太陽能熱水器市場還遠沒有開發(fā)出來，熱水器的戶用比例只有3，與日本的2o和以色列的80相比相差甚遠，因此中國的市場容量還非常巨大。目前太陽能控制器的控制器基本實現(xiàn)數(shù)字化，以單片機為控制核心的控制系統(tǒng)占領太陽能熱水器的主要市場。在市場調查中發(fā)現(xiàn)，太陽能控制單片機的型號較多，其中應用最多的是51系列和pic系列單片機。其基本框圖如圖1.1所示。 圖1.1 市場太陽能熱水器基本框圖太陽能熱水器控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)水位顯示、水位控制、

14、溫度顯示、防凍等多種功能，其中對水位的檢測、控制，實現(xiàn)水位顯示、自動上水、超限報警是太陽能熱水器控制系統(tǒng)的核心。目前大多數(shù)太陽能熱水器的水位傳感器都采用分段式水位傳感器，因為太陽能熱水器對水位精確度的要求不高，并且分段式傳感器的成本很低。圖1.2是常用的一種分段式熱水器傳感器的基本原理。對于溫度的檢測便于用戶的使用和控制電加熱。目前，溫度傳感器的應用種類較為繁雜，有直接使用熱電阻、熱電偶的，也有使用數(shù)字溫度變送器（如max6674）的。在顯示方面多采用led顯示或lcd液晶顯示。圖1.2 一種分段式水溫傳感器第1.3節(jié) 課題的研究內容本課題主要是對市場現(xiàn)有產(chǎn)品的仿制，要能夠實現(xiàn)太陽能熱水器的完

15、整功能。本課題以89c52單片機為核心配合傳感器、顯示器件、電磁閥、電加熱器、報警器等外圍器件，采集熱水器儲水箱中的水位、水溫信號，通過控制電動機的運轉、電加熱器加熱來控制儲水器的水位、溫度，并完成水位、水溫顯示，時間顯示，水溢報警等功能。另外配有鍵盤，可以實現(xiàn)手動上水、手動電加熱、設置水位、設置溫度等功能。第1.4節(jié) 設計要求和目的1.掌握太陽能熱水器的工作原理及實現(xiàn)控制方法；2.太陽能熱水器水位的檢測和顯示；3.太陽能熱水器溫度的檢測和顯示；4.太陽能熱水器水溫的設定和電加熱器的控制；5.太陽能熱水器上水水位的設定和控制；第2章 控制系統(tǒng)整體結構介紹第2.1節(jié) 太陽能熱水器的整體結構2.1

16、.1 太陽能的簡易結構太陽能的簡易結構主要由集熱器，下降水管，循環(huán)水管，補給水箱，上升水管，自來水管，熱水出水管幾部分構成如圖2.1 圖2.1 熱水器裝置簡圖1-集熱器 2-下降水管 3-循環(huán)水管 4-補給水箱 5-上升水管 6-自來水管 7-熱水出水管熱水器主要由集熱器、循環(huán)管道和水箱等組成，圖中為典型的熱水器裝置圖。圖中集熱器1按最佳傾角放置，下降水管2的一端與循環(huán)水箱3的下部相連，另一端與集熱器1的下集管接通。上升水管5與循環(huán)水箱3上部相連，另一端與集熱器1的上集管相接。補給水箱4供給循環(huán)水箱3所需的冷水。 當集熱器吸收太陽輻射后，集熱器內溫度上升，水溫也隨之升高。水溫升高后，水的比重減

17、輕，便經(jīng)上升水管進入循環(huán)水箱上部。而循環(huán)水箱下部的冷水比重較大，就由水箱下流到集熱器下方，在集熱器內受熱后又上升。這樣不斷對流循環(huán)，水溫逐漸提高，直到集熱器吸收的熱量與散失的熱量相平衡時，水溫不再升高。這種熱水利用循環(huán)加熱的原理，因此又稱循環(huán)熱水器。集熱器是一種利用溫室效應，將太陽能輻射轉換為熱能的裝置，該裝置與一般熱水交換器不一樣，熱交換器通常只是液體到液體，或是液體到氣體的熱交換過程，而平板行集熱器時直接將太陽輻射傳給液體或氣體，是一個復雜的傳熱過程。平板型集熱器結構形式很多，世界上已實用的集熱器就有直管式、瓦楞式、扁管式、鋁翼式等二十多種。2.1.2系統(tǒng)結構圖 圖2.2 統(tǒng)結構圖圖2.2

18、為系統(tǒng)設計的結構圖，該圖的系統(tǒng)控制原理圖如下圖2.3圖2.3 系統(tǒng)控制原理圖注釋：t1：熱水箱的溫度傳感器 t2：循環(huán)水管中的溫度傳感器t3：集熱器中的溫度傳感器 f1：循環(huán)水閥門f2：冷水閥門 f3：熱水閥門（1）早晨水溫控制由于清晨太陽光較弱，所以太陽能熱水器從系統(tǒng)發(fā)揮作用。為了提供溫度不低于30攝氏度的水，熱水器在清晨4-7點之間對水箱進行電加熱，具體控制過程如下：首先，關閉冷水閥門f2和循環(huán)水閥門f1，然后微機開始進行水箱的溫度采集，同時進行溫度的比較，當水箱的溫度小于30攝氏度時，電熱器d接通進行加熱，同時微機繼續(xù)對熱水箱的溫度進行采集。當溫度加熱到大于30攝氏度時電熱器斷開，如此反

19、復循環(huán)保證了溫度的穩(wěn)定。（2）循環(huán)水集熱過程早晨水溫控制之后（79點），設定當日的水箱溫度n（由兩位bcd次齒輪開關設定），輸入微機，再利用微機控制系統(tǒng)，通過太陽光能對熱水箱加熱以達到理想溫度n。具體控制過程如下：打開循環(huán)閥門f1，關閉冷水進水閥門f2，熱水閥門f3處于空控狀態(tài)。然后開始比較溫度，若（t3-t15攝氏度，t2t1）為止。如若t1=n，那么循環(huán)水集熱過程結束，進入冷水集熱控制過程。（3）冷水集熱控制此時熱水箱溫度已達到了n，冷水要進入太陽能集熱器，這時溫度為t3，和當日的設定溫度值相比較，若t3n則將已加熱的水送入熱水箱，每天的控制時段大概為9點20點。具體控制過程如下：關閉循環(huán)

20、水閥門f2，打開冷水閥門f2，熱水閥門f3處于可控狀態(tài)。若t3n，打開熱水閥門f3并將保持一段時間，若t3n閥門f3繼續(xù)保持打開狀態(tài)，否則關閉f3?？梢姡@次過程充分利用太陽光能轉化為熱能，方便快捷。（4）水箱加熱控制此時，也許你會問如果沒有日照或者日照較弱時，到了晚上我們是否還能洗上熱水澡嗎？答案是肯定的，不要忘了這款熱水器還有一個從系統(tǒng)，這時它就要發(fā)揮作用了。熱水箱溫度為t1，將它和設定值n相比較，從而控制是否打開電加熱，控制時段為下午，具體過程如下： 若t1n，電加熱接通；否則，電加熱斷開，而且，15點20點中的每個小時有下表2.1的關系：表 2.1 溫度比較時間（時）溫度比較加熱值（度

21、）15t135n 3516t140n 4017t145n 4518t150n 5019t155n 5520t160n 60最終熱水箱的溫度加熱到設定值n。由此可見，即使沒有日照我們照樣可以洗上熱水澡了。綜上所述，太陽能供熱控制系統(tǒng)不僅節(jié)約而且高度智能化，方便省事，不論日常家居，還是對賓館、學校等都是最佳選擇。2.1.3關于輔助電加熱的部分1.系統(tǒng)組成 ： 如圖2.4所示，本系統(tǒng)主要由控制器、自動控制閥、手動控制閥、水位檢測電極、水溫檢測傳感器、電阻加熱絲、儲水箱等組成控制器：主要通過里面的電磁閥控制yv1和yv2的通斷，控制水溫檢測傳感器檢測水溫、控制水位檢測傳感器檢測水在水箱中的位置以及控制

22、電阻加熱絲加熱。自動控制閥：主要通過控制器控制，當水箱中的水的實際溫度大于所設置的溫度時，自動閥就自動打開往水箱中上水，直到上到上一個目標水位為止。手動控制閥：當自動閥損壞時，可以通過手動閥進行上下水。水位檢測電極：主要用來檢測水箱中水的位置，主要把水箱分成四等分，一共有五個電極，接地的電極放在最水箱的最底下，其余分別放在四等分點上，比如當水箱中的水在第一等分和第二等分之間，則顯示水箱中有四分之一的水，當超過第二等分，則顯示二分之一的水。水溫檢測傳感器：主要用來檢測水箱中水的實際溫度。電阻加熱絲：主要用來加熱水箱中水，使其達到用戶所需要的溫度。 太陽能熱水器利用微機控制主要有以下幾種控制功能：

23、晨水加熱控制、溫水循環(huán)控制、冷水集熱控制、水箱加熱控制。圖2.4 系統(tǒng)組成示意圖裝置的工作原理：本控制系統(tǒng)分為手動和自動兩種控制方式，在系統(tǒng)處于自動狀態(tài)下，當檢測溫度高于設置溫度，且水位未達到最高時，控制器打開電磁水閥yv1和yv2進行上水，同時點亮上水指示燈，當水位上至上一目標水位時，自動停止上水（即關閉電磁水閥yv1和yv2），若水箱內無水，則自動上水至最低水位處。在系統(tǒng)處于手自動狀態(tài)下，可自由上水或停止上水（上水時水箱水位必須未滿），若水位達到最高則自動停止上水；若需要啟動加熱器則必須先設定加熱溫度，然后按下加熱鍵進行加熱；若需洗浴時，則需打開手動閥yv4，系統(tǒng)自動打開電磁水閥yv2，可

24、通過yv5自由調節(jié)水溫；當電磁水閥yv1和yv2損壞或停電時，可通過打開yv5和yv6進行上下水解決燃眉之急；此系統(tǒng)設置yv3是為了防止冬天氣溫過低引起水管因內有積水而凍裂。 2.光電隔離與輔助加熱電路設計如下圖2.5圖2.5 輔助加熱電路圖上圖為太陽能熱水器光電隔離與輔助加熱電路設計。當室外光強不足（陰天、下雨）時，對水箱的水提前加熱是很必要的，這一電路恰好能完成這一功能。工作原理：當單片機89c52p2.1口輸出高電平時，三極管t1導通，致使發(fā)光二極管發(fā)光，同時光敏三極管t2導通，繼電器閉合，電阻絲r1r4發(fā)熱，這樣就完成了加熱任務，此電路雖然簡單，但在太陽能熱水器中是必不可少的。2.1.

25、4太陽能熱水器總體水位、水溫測量電路。這部分用于采集水位水溫信號給單片機，是太陽能熱水器控制器最關鍵的部位。時間、水位、溫度顯示和鍵盤電路。這部分用于系統(tǒng)和人的信息交互，有對太陽能熱水器狀態(tài)的直觀顯示，也有用于人對系統(tǒng)控制的鍵盤電路。時鐘電路。給系統(tǒng)提供時間顯示和參考時間。驅動電路。包括電加熱、上水電磁閥、報警電路，是整個系統(tǒng)的執(zhí)行部分。系統(tǒng)的整體結構圖如圖2.6所示。圖2.6 控制系統(tǒng)整體結構圖89c52引腳圖如下圖2.7：圖2.7 89c52的引腳圖vcc：供電電壓。gnd：接地。p0口：p0口為一個8位漏級開路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門電流。當p0口的管腳第一次寫1時，被定義為高

26、阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在fiash編程時，p0 口作為原碼輸入口，當fiash進行校驗時，p0輸出原碼，此時p0外部必須被拉高。p1口：p1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能接收輸出4ttl門電流。p1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在flash編程和校驗時，p1口作為第八位地址接收。 p2口：p2口為一個內部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可接收，輸出4個ttl門電流，當p2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此

27、作為輸入時，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。p2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，p2口輸出其特殊功能寄存器的內容。p2口在flash編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。p3口：p3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個ttl門電流。當p3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。p3口作為at89c52的一些特殊功能口， 管腳

28、備選功能：p3.0 rxd（串行輸入口）p3.1 txd（串行輸出口）p3.2 /int0（外部中斷0）p3.3 /int1（外部中斷1）p3.4 t0（記時器0外部輸入）p3.5 t1（記時器1外部輸入）p3.6 /wr（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）p3.7 /rd（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）rst：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持rst腳兩個機器周期的高電平時間。ale/prog：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在flash編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ale端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或

29、用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ale脈沖。如想禁止ale的輸出可在sfr8eh地址上置0。此時， ale只有在執(zhí)行movx，movc指令是ale才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ale禁止，置位無效。/psen：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/psen有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/psen信號將不出現(xiàn)。/ea / vpp：當/ea保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000h-ffffh），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，/ea將內部鎖定為reset；當/ea端

30、保持高電平時，此間內部程序存儲器。在flash編程期間，此引腳也用于施加12v編程電源（vpp）。xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。xtal2：來自反向振蕩器的輸出。第3章 水位和水溫測量電路第3.1節(jié) 水位測量電路3.1.1水位測量電路的選擇水位測量可以有多種方法，需從性能和成本兩方面進行考慮，選擇合適的方案。1排阻分檔鍵盤式水位傳感器在許多資料中都介紹了一種類似鍵盤電路的分檔水位傳感器，其原理圖如圖3.1所示。圖3.1 排阻式水位測試電路示意圖它的工作原理類似于鍵盤的工作原理，用 4根不銹鋼針分別置于水箱內的 四種不同高度的位置，當某個鋼針不接觸水面時，其輸出為高電

31、平；當其與水面接觸時則輸出低電平。它們的輸出接至電子開關cd4069，經(jīng)過cd4069反向并經(jīng)74ls244驅動后分別接入89c52的 p10p13引腳。cpu對這些引腳進行判斷后 ，送去顯示相應的水位值。顯示共分 4檔 ，每檔為滿水位的25% 。這種方法簡單，易實現(xiàn)，省去了傳統(tǒng)的 ad轉換器，成本低，雖然不精確但可以滿足使用要求。2rc充放電式水位傳感器測量電路這種電路資料較少，但我們在市場上購買的太陽能的水位和水溫傳感器就是基于這種原理。我們可以清楚的地知道傳感器外形非常簡單，一共只有4個端口，其中一個是防凍接口，沒有使用，使用的只有3個端口，在可用的三個端口上分別標有公共、水位、水溫標志

32、，由此可知測量水位、水溫都只用了一個端口。觀察傳感器可知水位傳感器有5個與水接觸點，我們從上到下依次命名它們?yōu)?5觸點。我們分別測量了觸點不同接法時公共和水位兩端口之間的電阻，數(shù)據(jù)如表3.1所示。表 3 .1 輸出電阻值表短接方式無短接1、21、2、31、2、3、41、2、3、4、5輸出電阻值（k）極大25由上述測試結果的電阻值得出這樣的規(guī)律，那就是電阻的并聯(lián)短接，其原理如圖3.3所示。它的工作原理是，水面每接觸一個鋼針就會多并聯(lián)一個電阻，電阻隨水位變化而規(guī)律的變化。利用單片機的一個口周期性的給電容電路充放電，然后用單片機監(jiān)測電容兩端電壓的變化，因為電容電壓的上升或下降時間

33、t=rc，所以用單片機記錄這個時間就能判別電阻的變化，進而轉化為水位的變化進行顯示及其他動作。圖3.3 rc充放電式水位傳感器測量電路原理圖3傳感器選擇rc充放電式水位傳感器測量電路，明顯優(yōu)于排阻分檔鍵盤式水位傳感器的地方有：（1）接線簡單，排阻分檔鍵盤式水位傳感器需要四根導線傳輸水位信號，而rc充放電式水位傳感器僅需要兩根就能完成，這對于線路較長的太陽能熱水器傳輸信號電路來說能節(jié)省相當多的導線資源。（2）給水溫測量電路設計帶來方便，rc充放電式水位傳感器的原理可以同樣運用到熱電阻溫度測量電路中。（3）占用較少的i/o口，僅需兩個i/o口就能完成水位檢測任務，極大地節(jié)約了單片機的i/o 口資源

34、。綜上比較可見選用第二種方案較為優(yōu)越。3.1.2 水位測量電路的具體設計及優(yōu)化1直接連接單片機i/o口檢測單片機中的定時器可以提供電壓變化時間的紀錄，接下來就是如何將電壓的變化傳遞給單片機。一種簡單的方案是：用p1.0口給rc電路周期性的充放電，然后用p1.1口監(jiān)測電容的電平變化，完成計時，這種方案看上去簡單易實現(xiàn)，但實際則行不通。按剛才提到的方法接圖如圖3.4。這樣做得到的結果是p1.1的電壓一直保持高電平，即電容電壓一直保持高電平。這與單片機內部電路有關。圖3.4 直接用i/o檢測電容電壓測量水位電路原理圖p1口只有高電平和低電平兩種狀態(tài)，當p1.1口為高電平時，將電容端與p1.1連接，v

35、cc會通過內部上拉電阻持續(xù)給電容充電，所以監(jiān)測電容電壓一直為高電平。而當將其置低電平時，p1口相當于接地，將會出現(xiàn)相反的情況，其通過地一直給電容放電，電容電壓一直低電平。2采取與i/o隔離并用中斷監(jiān)測電容電壓的電路這樣需要將電容電壓與單片機監(jiān)測端口隔離，采取如圖3.5所示電路。 圖3.5 水位測量電路1.lm358的應用lm358的正向輸入端接電容電壓正端，反向輸入端與輸出端相連，構成電壓跟隨器。電壓跟隨器的顯著特點就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要達到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通?？梢缘綆讱W姆，甚至更低，也就是說電壓跟隨器有較好的隔離作用，使輸出對輸入影響較小，正

36、好滿足我們的要求。lm358的輸出電壓幅度為0 至vcc-1.5v,而要跟隨的電壓范圍為05v，所以應選用大于+6.5v的電源供電，這里選用+12v單電源供電2lm393的作用給比較器設置+3v的參考電壓，將電容電壓的指數(shù)曲線變成矩形波。將參考電壓接同相輸入端，比較電壓接反相輸入端，從而實現(xiàn)電容電壓在上升到參考電壓時比較器產(chǎn)生下降沿信號，作為單片機的外部中斷信號。根據(jù)lm393的特性本設計電源電路提供的電壓，選用+5v給其供電。由lm393的內部原理圖可知lm393的輸出為集電極開路，它的輸出高電平與lm393的電源無關，但須接外部電源和上拉電阻。在圖3.5所示的水位測量電路中并未有這樣的上拉

37、電壓電路，是因為單片機內部int0、int1口已經(jīng)具備了這樣的電路。int0、int1的內部電路類似于p1口。另外lm393的同相輸入端輸入和反相輸入端輸入之間有相互嵌位作用，+5v電源和分壓電阻提供的+3v參考帶電平對反相輸入端輸入有嵌位作用，如果不接lm358 電源跟隨器而與電容直接相連，顯然會影響電容電壓的變化，這就是要加電壓跟隨器進行隔離的原因。3充電時間的設定和電容的選擇電容充電時間的計算公式為： （31）t即位電容電壓上升時間。編程使p1.0口輸出周期性的方波，給電容充放電，方波半周期（充電或放電時間）為，應使方波半周期大于電容電壓上升時間，即： （32）如果使用單片機主程序一直循

38、環(huán)給p1.4口輸出方波，方波的周期可以很大，超過幾秒甚至幾十秒，但是這樣主程序就只能干這一項工作，影響單片機的其他工作。所以要用定時器來實現(xiàn)方波輸出。這樣用定時器就可以用定時中斷使p1.4口輸出方波，又不影響單片機的其他工作。這樣方波的周期就受定時器定時時間的限制。89c52單片機定時器共有4種定時方式，其中定時時間最長的為定時方式1。當定時器/計數(shù)器在方式1下做定時器用時，其定時時間計算公式為： （33）采用12m的晶振，晶振周期為s，因為采取定時器終端方式，所以n=0xffff=65536。所以： （34）那么當t=30ms,計數(shù)初值為0x8ad0=35536。如圖3.6，這里用int0

39、中斷來監(jiān)視記錄電容變化，內部編程實現(xiàn)計時器對電容電壓上升時間的記錄，所以可以通過將計時器寄存器里的值顯示出來的方式直觀顯示電容電壓結果，來確定合適的電容。由表格數(shù)據(jù)可見當選用2uf電容時，應需較大的充放電時間，充放電不夠充分，所以計數(shù)器寄存器中的值大而不準；而當取0.22uf電容式計數(shù)寄存器th0的值僅為1或2，非常不利用區(qū)分；當取1uf電容時，數(shù)據(jù)大小合適，分段明顯，所以應選用1uf電容。另外，電容兩端的最高電壓為+5v，最低電壓為0v，所以所選電容的耐壓留有一定裕量為最大電壓的3倍，所以應選取耐壓為15v以上的電容。表 3. 2 不同電容大小時計數(shù)器寄存器中的值一水位二水位三水位四水位th

40、0tl0th0tl0th0tl0th0tl02ufa0b48598708360651uf64704950384032340.22uf2180a31728016472 （35）又由式3.8得： （36）這樣由公式3.5、3.6得到。因此取充電和放電時間為30ms。4、編程即可實現(xiàn)水位處理由于水電阻的波動性和電容的不穩(wěn)定性等原因，計數(shù)器中的數(shù)值會有一定的波動，所以需要對數(shù)據(jù)進行相應的處理顯示水位。第3.2節(jié) 水溫測量電路水溫測量電路的設計包括傳感器的選擇和測量電路的選擇?？紤]到性價比等原因，市場上大部分太陽能熱水器的溫度傳感器都選用ntc負溫度系數(shù)熱電阻，本系統(tǒng)也選用這種。下面主要論述測量電路。3

41、.2.1方案比較選擇溫度測量方案很多，下面通過比較選擇合適的測量方法。1 熱電阻a/d轉換式水溫傳感器圖3.6 熱電阻a/d轉換電路原理圖a/d轉換式水溫傳感器的原理是，利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性，將隨溫度變化的電阻信號轉化為變化的電壓信號，然后將這個電壓信號經(jīng)運放放大處理成05v的電壓信號，電壓信號經(jīng)a/d轉換變成數(shù)字信號送給單片機。這種電路測量比較精確，但需用a/d轉換器，而a/d轉換的價格較貴，會加大成本，另外a/d轉換需占用8個數(shù)據(jù)口和兩個片選口及兩個控制口共12個i/o口。2rc充放電式熱電阻水溫傳感器測量電路rc充放電式熱電阻水溫傳感器測量電路的原理與前面提到的rc充放電式

42、水位傳感器測量電路原理完全相同，只要把水位電阻換成熱電阻就可以了。其缺點是不夠精確，但成本很低，對于對溫度要求不算精確的太陽能熱水器系統(tǒng)，完全可以滿足我們的需要。另外與a/d轉換式溫度傳感器相比，其優(yōu)勢還是十分突出的：（1）僅需2個i/o口就能完成對溫度的檢測，節(jié)約了單片機的i/o，有利于降低成本。 （2）實現(xiàn)起來也十分簡單。3.2.2水溫測量電路的設計及溫度計算方法1水溫測量電路圖3.7 水溫測量電路原理圖對太陽能熱水器中水的溫度進行控制及顯示，需對熱水器水溫與出水溫度進行檢測。對于熱水器來說溫度控制與顯示的精度要求并不高，因此本設計采用負溫度系數(shù)ntc 熱敏電阻作為測溫元件，利用ntc 熱

43、敏電阻阻值隨溫度變化而改變的特性實現(xiàn)測溫。2水溫計算方法ntc 熱敏電阻的阻值與溫度的準確關系為: （37） 式中r0 為溫度為t0 時的電阻值，t0 為基準溫度298.15k， 即25 。為材料系數(shù)。r0 與由熱敏電阻生產(chǎn)廠家給出。由式3.7可得: （38）由式3.3和式3.4可得； （39）經(jīng)測試t0=25的計數(shù)器寄存器中的值=16384。將t0 、值代入上式并用攝氏溫度表示時水膽溫度為； （310）因為89c52單片機無法進行直接的對數(shù)運算，按上述公式計算溫度值將是十分困難的。在這里查表法是一種經(jīng)常采用的解決辦法，即事先計算出所有可能的計時結果所對應的溫度值以表格形式寫入控制程序，每次轉

44、換完畢后查表得出所對應的溫度值。但此種方法需占用較多的程序儲存空間本設計采用一次線性插值法對溫度與a/d 轉換結果之間的關系進行分段線性化，以少量單片機能直接進行的運算的組合去逼近目標函數(shù)。圖3.8為溫度t 與計時器計時結果n之間的關系曲線。圖3.8 計時寄存器值n與溫度t的關系曲線其中圓滑曲線為實際的t-n關系曲線設計中根據(jù)使用要求將曲線在0 -90 范圍內分3 段采用圖中的3 段直線斷代替實際曲線。曲線按式3.10 計算出圖中各線段端點坐標值為：n1=1000，t1=90()； n2=7549，t2=43()； n3=20000，t3=20()； n4=56450，t4=0()；分段線性化

45、后溫度t 的近似計算公式：，() （311），() （312），() （313）為了能在單片機上進行計算，將以上三式進一步變換成如下形式（其中int為取整函數(shù)） t=97-int(n*8/1000), （314）t=50-int(n/1000), （315） t=30-int(n*5/10000), （316）式3.12、 3.13 和3.14 的計算過程僅需通過簡單的幾步移位與加減法操作即可實現(xiàn)，與通過式3-10 計算并進行四舍五入圓整的結果相比較單片機通過式3.12、 3.13 和3.14計算出的溫度值在020 范圍內誤差不超過2,在20 90 范圍內誤差不超過1,并且計算出的溫度值與a/

46、d 轉結果之間保持良好的單調遞增關系。3程序實現(xiàn)測量水溫程序與水位程序類似，由單片機口給電容發(fā)矩形波充放電，然后檢測中斷計時，根據(jù)計數(shù)器中的值來判斷當前溫度。也就是水溫測量程序包含中斷計時和數(shù)據(jù)處理兩部分。定時器0和1已經(jīng)被水位測量電路，和充電定時占用，所以這里需可以編程序實現(xiàn)水位和水溫中斷輪流開關，來輪流使用定時器0,計算溫度傳感器的上升時間。數(shù)據(jù)處理公式已在上面列出。第3.3節(jié) 水位、水溫測量電路的整體設計由上面的分析知道，兩者的電路原理一樣，都是用p1口給電容充電，用中斷檢測電容電壓變化。作為充電口p1口的作用相當于電源（充電時）或地（放電時），所以可以用同一個口為兩個沖放電回路充電，兩

47、個回路是獨立的。lm393和lm358 都是雙運放、8腳dip封裝，恰好用于水位和水溫檢測兩路。下面圖3.9是實際的水位和水溫測量電路圖。圖3.9 水位和水溫測量電路實際電路圖以p1.3口作為水位和水溫電路的公共充放電口，以into作為水位測量電路的中斷檢測口，以int1作為水溫測量電路的中斷檢測第3.4節(jié) 時鐘電路3.4.1芯片選擇太陽能熱水器雖然節(jié)能環(huán)保，但它也有自身的許多缺點，例如受天氣狀況的影響太大，如果某天因陰雨天氣等原因日照不足，水溫偏低，使用者就無法正常使用熱水。為了解決這個問題需要為控制系統(tǒng)提供電加熱裝置。為了實現(xiàn)自動加熱的功能，需要使用一個適用本系統(tǒng)得時鐘芯片，下面通過對兩種

48、芯片的性能比較來選擇芯片。1ds12b887性能特點：在沒有外部電源的情況下可工作10年，自帶晶體振蕩器及電池，可計算到2100年前的秒、分、小時、星期、日期、月、年七種日歷信息并帶閏年補償，用二進制碼或bcd碼代表日歷和鬧鐘信息，有12和24小時兩種制式，12小時制時有am和pm提示，可選用夏令時模式，可以應用于motorola和intel兩種總線，數(shù)據(jù)/地址總線復用，內建128字節(jié)ram 14 字節(jié)時鐘控制寄存器 114 字節(jié)通用 ram，可編程方波輸出，三種可編程中斷 時間性中斷 可產(chǎn)生每秒一次直到每天一次中斷 周期性中斷122 ms 到 500 ms時鐘更新結束中斷。管腳功能描述:圖4

49、.1是ds12b887時鐘芯片管腳圖。管腳名稱和功能：ad0ad7 地址/數(shù)據(jù)復用總線；nc 空腳；mot 總線類型選擇(motorola/intel)；cs 片選；as ale；r/ w 在intel總線下作為 /wr；ds 在intel總線下作為 /rd；reset 復位信號；irq 中斷請求輸出；sqw 方波輸出；vcc +5 電源；gnd 電源地；圖4.1 ds12b887時鐘芯片管腳圖2 .ds1302串行時鐘芯片ds1302芯片的性能特點：實時時鐘具有能計算2100 年之前的秒分時日日期星期月年的能力還有閏年調整的能力，318 位暫存數(shù)據(jù)存儲ram，串行i/o 口方式使得管腳數(shù)量最

50、少， 寬范圍工作電壓2.0 5.5v， 工作電流2.0v 時,小于300na，讀/寫時鐘或ram 數(shù)據(jù)時有兩種傳送方式單字節(jié)傳送和多字節(jié)傳送字符組方式， 8 腳dip 封裝或可選的8 腳soic 封裝根據(jù)表面裝配， 簡單3 線接口，與ttl 兼容vcc=5v。管腳功能描述:圖4.2為ds13028腳封裝管腳圖。圖4.2 ds13028腳封裝管腳圖管腳描述：x1 、x2 32.768khz 晶振管腳；gnd 地；rst 復位腳；i/o 數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳；sclk 串行時鐘；vcc1,vcc2 電源供電管腳；3 .比較選擇ds12b887的計時功能基本相同，它們的最大區(qū)別是ds1302是串行i/

51、o方式，而ds12b887是并行i/o口方式，ds12b887編程實現(xiàn)要容易些，而ds1302要占用較少的i/o資源?？梢娛褂胐s1302串行時鐘芯片能夠節(jié)省單片機的硬件資源，并能充分發(fā)揮單片機的軟件優(yōu)勢，所以應使用串行芯片ds1302來完成時鐘信號的提供。3.4.2時鐘電路的應用設計1. ds1302 內部寄存器ch: 時鐘停止位 寄存器2的第7 位12/24 小時標志ch=0 振蕩器工作允許； bit7=1,12 小時模式；ch=1 振蕩器停止； bit7=0,24 小時模式；wp: 寫保護位 寄存器2 的第5 位:am/pm 定義wp=0 寄存器數(shù)據(jù)能夠寫入； ap=1 下午模式；wp=

52、1 寄存器數(shù)據(jù)不能寫入； ap=0 上午模式tcs: 涓流充電選擇 ds: 二極管選擇位tcs=1010 使能涓流充電； ds=01 選擇一個二極管;tcs=其它 禁止涓流充電； ds=10 選擇兩個二極管;ds=00 或11, 即使tcs=1010, 充電功能也被禁止表 4.1 rs位功能表rs位電阻典型位00沒有沒有01r12 k10r24 k11r328k2. ds1302與單片機的連接及時間讀取方法ds1302的管腳按前面的說明進行連接，sclk同步時鐘口接p1.5口，i/o數(shù)據(jù)輸入輸出口接p1.6口，ret復位引腳接p1.7口，vcc2接+5v電源，vcc1接+5v備用電池，x1、x2接32.768mhz晶振。單片機與ds1302的連接方式如圖4.3所示。讀取ds1302的時鐘時間是主程序的一部分，首先要定義日期時間等全局變量，然后在主程序中調用時間讀取程序，時間程序編程如下。ds1302為串行時鐘芯片，每次傳送一位數(shù)據(jù)，通過p1.5給ds1302發(fā)同步脈沖實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?。p1.6