太陽能熱水器智能控制器-畢業(yè)設(shè)計

1、太陽能熱水器智能控制器-畢業(yè)設(shè)計太陽能熱水器智能控制器-畢業(yè)設(shè)計南京工程學(xué)院 自動化學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：太陽能熱水器智能控制器設(shè)計專 業(yè)：自動化班級： 學(xué)號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 起止日期： 設(shè)計地點：2015 年 6 月 Graduation Design （Thesis） Research on the Design of Intelligent Controller of Solar Water Heater By Chen Kang Supervised by Senior Engineer Qu Bo School of Automation Nanjing Inst

2、itute of Technology June, 2015 南京工 程學(xué)院自動化學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）摘 要 近年來，太陽能熱水器的普及面已越來越廣，其具有的方便、快捷、 節(jié)能等特點深受廣大用戶的青睞。而其智能控制器的逐步改進與完善日趨重要。本文設(shè)計的太陽能熱水器智能控制器，主要是針對家用 太陽能熱水器，它以單片機AT89S52、溫度傳感器DS18B20、 液位傳感器為核心，同時增加液晶顯示、鍵盤輸入、上下水 電磁閥的操控及加熱控制等電路。不僅可以實現(xiàn)水溫水位的實時顯示與設(shè)定自動控制功能, 而且可以對缺水、過熱等故障發(fā)生報警提示。完成的工作主要有：（1）實現(xiàn)最小系統(tǒng)電路、電磁閥、加熱絲控制

3、電路、水溫水 位檢測電路、報警提示電路、電源電路等各個功能模塊電路的設(shè)計；（2）實現(xiàn)各個功能模塊軟件控制程序的設(shè)計；（3）實現(xiàn)焊接和硬件電路的調(diào)試；（4）實現(xiàn)軟件程序的調(diào)試運行以及軟硬件同步聯(lián)調(diào)硬件設(shè)計電路使用 Altium Designer 6.9軟件，軟件程序的設(shè)計和調(diào)試則使用Keil uVision4軟件，二者結(jié)合使用，有效地解決了控制器從原理圖的設(shè)計到仿真調(diào) 試再到實物制作等一系列相關(guān)的問題。關(guān)鍵詞：太陽能熱水器；AT89S52; DS18B20;水溫水位 控制；軟件硬件同步調(diào)試 ABSTRACT In recent years, thepopularity of the applic

4、ation of solar water heaters have been more widely, it has a convenient, fast and energy-saving features by the majority of users of all ages. Gradually improve and perfect their smart controller increasingly important. This design of a solar water heater intelligent controller DS18B20, mainly for d

5、omestic solar water heaters, which contains microcontroller AT89S52, temperature sensors, level sensors at the core, while expanding LCD, keyboard, solenoid valve and heating control circuit. Not only can achieve real-time display and set the automatic control of water temperature, and can send out

6、alarm on dry, overheating and other failures. Complete the work as bellows: (1) Completing The control system circuit, The driving circuit, The detecting circuit of temperature and water level, The alarm circuit, The power supply Design of each functional module circuits and roads etc; (2) The compl

7、etion of each module software control program design; (3) Finishing the installation and commissioning of hardware circuit; (4) The synchronous alignment of software programs and hardware Hardware circuit design using Altium Designer 6.9 software, software design and debug programs using Keil uVisio

8、n4 software, use a combination of both, to effectively solve the controller from schematic design to simulation debugging a series of related issues and then to the physical production, etc. Key words :Solar Water Heaters; AT89S52; DS18B20; The Control System Of Water Temperature And Water Level; Th

9、e Alignment Of Software And Hardware .目錄第一章緒論1 1.1課題詮 釋和選題依據(jù)1 1.1.1課題詮釋1 1.1.2選題依據(jù)1 1.2課題 探究背景及國內(nèi)外發(fā)展近況2 1.3課題設(shè)計的初步分析與構(gòu)思3第二章系統(tǒng)總體設(shè)計分析5 2.1設(shè)計目的及要求52.1.1設(shè)計目的5 2.1.2設(shè)計要求5 2.2系統(tǒng)整體設(shè)計框圖及分析5 2.3設(shè)計方案論證及選擇 7第三章 硬件電路設(shè)計10 3.1 AT89S52最小控制系統(tǒng)10 3.2鍵盤輸入電路和顯示電路 11 3.2.1.鍵盤輸入電路 12 3.2.2.顯示電路12 3.3水溫水位檢 測電路14 3.4電磁閥、加熱

10、絲控制電路17 3.5報警電路和電源電路18 3.5.1報警電路18 3.5.2電源電路18第四章 軟 件程序設(shè)計20 4.1程序設(shè)計原理分析 20 4.2主程序模塊20 4.3子程序模塊22 4.3.1按鍵處理子程序 22 4.3.2中斷服務(wù) 子程序24 4.3.3水溫采集子程序25 4.3.4加熱控制子程序25 4.3.5內(nèi)水箱補水子程序26 4.3.6水位檢測子程序27 4.3.7外水箱補水子程序28 4.3.8報警子程序29 4.4程序調(diào)試分析29第五章 系統(tǒng)調(diào)試分析30 5.1系統(tǒng)調(diào)試30 5.2問題分 析與解決31第六章總結(jié)與展望32 6.1論文總結(jié)32 6.2未 來展望33致明f

11、 34參考文獻35附錄A :硬件設(shè)計原理圖與PCB圖38附錄B:實物展示圖41附件：軟件程序清單第1章緒論1.1課題詮釋和選題依據(jù)1.1.1 課題詮釋 本次畢業(yè)設(shè)計選擇研究的課題是：太陽能熱水器智能控制器設(shè)計(Design of Intelligent Controller of Solar Water Heater)。太陽能熱水器大都屬于貯水式熱水器，主要由保溫水箱、 集熱管、加熱棒、水溫、水位傳感器及自動控制和保護系統(tǒng) 組成。集熱管主要利用冷熱水密度不同即熱水向上流動而冷水 向下沉降的原理，從而使水流產(chǎn)生上下微循環(huán)進而達到整體 溫度的提升，實現(xiàn)光能向熱能的轉(zhuǎn)換。其實現(xiàn)的主要功能便是把光能轉(zhuǎn)

12、換成熱能，即給水加熱至 適宜的溫度，以滿足人們在生活中的種種需求。1.1.2 選題依據(jù) 目前，太陽能熱水器的應(yīng)用市場已經(jīng)十 分廣闊，然而其控制器的深層次研發(fā)卻一直停留在初級階 段，遲遲沒有大的發(fā)展。比如市場上流行的太陽能熱水器控制器僅擁有水溫和水 位的顯示功能，而存在這種弊端難免會使得溫度和水位的顯示誤差均偏大。一方面，這種控制器不具有溫度調(diào)節(jié)功能，當(dāng)接收到的光 強不足時，太陽能熱水器便無法實現(xiàn)加熱功用，從而給用戶 帶來許多的不便之處，另一方面，即便這類熱水器具有輔助 加熱功能，但是也不能很好的控制水溫，無法達到用戶的要 求，同時由于不能良好的控制水位或者需要用戶手動的調(diào)節(jié) 水位等問題，因此受

13、到諸多詬病。本文設(shè)計太陽能熱水器控制器的思路主要通過單片機進 行控制，來實現(xiàn)水溫水位的自動調(diào)節(jié)與控制功能。單片機是一臺計算機系統(tǒng)濃縮后的集成部件，擁有計算機 系統(tǒng)的完整功能，因此它能夠被廣泛的用于電器的智能控制 中，并且取得了良好的效果。在電子技術(shù)領(lǐng)域的伊始，我們需要將復(fù)雜的大規(guī)模電路集 成壓縮進控制器中，進而保證電器設(shè)備的正常運行，但是也 因此帶來諸多問題，比如攜帶不便，成本高，生產(chǎn)工藝難以 掌握，而且在使用過程中隨著莫些原有器件的老化，電器中 主控系統(tǒng)開始逐漸失去原有的功能。而單片機的由現(xiàn)很好的解決了這些問題，在現(xiàn)代的電子產(chǎn) 品設(shè)計與開發(fā)中，將單片機嵌入電器的控制部件中就能夠?qū)?現(xiàn)對電器一

14、定的智能控制，不僅使成本大大降低，而且實現(xiàn) 的技術(shù)要求不高，使用壽命也有所增加。在生活步調(diào)日益加快的當(dāng)今社會，應(yīng)用單片機特有的性能 實現(xiàn)智能控制已經(jīng)成為人們解決生活問題的不二選擇1 O本文設(shè)計的控制器可以根據(jù)天氣的具體實際情況，同時利用輔助加熱電路使儲水箱內(nèi)的水可以在較為短暫的時間 內(nèi)達到用戶設(shè)定的溫度，在光照強度較大時，利用太陽光能 給水加熱，在光照強度較弱水溫達不到預(yù)定的要求時，則利 用電輔助加熱。從而實現(xiàn)24小時供應(yīng)熱水。在太陽能熱水器智能控制器的不斷改進當(dāng)中，太陽能熱水 器未來必定擁有更為寬泛的市場。1.2課題探究背景及國內(nèi)外發(fā)展近況當(dāng)下，能源短缺問題逐漸成為制約世界各個國家經(jīng)濟發(fā)展的

15、瓶頸，因而也促使 愈來愈多的國家開始實行采光計劃”，以充分挖掘太陽能資 源，尋求經(jīng)濟發(fā)展的新動力已成為一種發(fā)展趨勢。而太陽能本身作為一種可再生的新能源，其具有的儲量豐 富、清潔安全、經(jīng)濟、長久、普遍等優(yōu)勢，使其越來越受到 人們的青睞，并且已成為應(yīng)對能源短缺、氣候變化與節(jié)能減 排的重要選擇之一，其發(fā)展前景被世界各國看好。與其他常見的能源相比，太陽能資源主要擁有以下特別之處2:(1)儲量雄厚。據(jù)有關(guān)人士估算，平均每年到達地球表面的太陽輻射能為 一百多億噸的標(biāo)準(zhǔn)煤所產(chǎn)生的能量，足以支撐現(xiàn)今人類各 方面的能源需求。(2)潔凈安全。太陽能在使用的過程中幾乎不會產(chǎn)生任何污染環(huán)境的廢 物，十分環(huán)保。(3)經(jīng)

16、濟性。利用太陽能發(fā)電的成本很低，可以很好地向全民普及推廣 使用。(4)長久性。據(jù)科學(xué)家推測太陽能可使用幾百億年，而地球的壽命不過 區(qū)區(qū) 幾十億年，因此可以認(rèn)為，這種資源是取之不盡用之 不竭的。(5)普及性。相對其他新近開發(fā)的能源來講，太陽輻射能遍布全球各地，在 任何地區(qū)都有被充分開發(fā)使用的可能就國內(nèi)而言，蘊藏的太陽能資源也十分豐富，理論上存儲量可達17000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤每年。另外從國土資源分布來看，能接受太陽能的區(qū)域，也十分 廣闊。全國各個地區(qū)可供收集的輻射太陽能總量大概為5852兆焦耳每平米。近年來，在新能源開發(fā)領(lǐng)域中，太陽能熱水器的開發(fā)與利 用是發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)。太陽能被使用的方式主要是滿足城

17、市鄉(xiāng)村住民生活中的 熱水提供需求。目前我們國家太陽能熱水器的相關(guān)生產(chǎn)已經(jīng)完全實現(xiàn)商 業(yè)化，不論是生產(chǎn)量或是使用量都排名世界第一位，因此太 陽能熱水器功用的不斷開發(fā)顯得很重要，未來一定會帶來更 大的效益。究其根本，太陽能熱水器是把太陽能轉(zhuǎn)換為熱能資源并對 水進行加熱的一種電器設(shè)備，與燃?xì)鉄崴鳌㈦姛崴骱戏Q 為三大熱水器。太陽能熱水器的使用在中國也十分普遍。但對比國外差距仍然很明顯，市場仍需進一步深層開發(fā)3。目前國內(nèi)研發(fā)的太陽能熱水器與國外的產(chǎn)品存在諸多不足之處，主要表現(xiàn)在外觀設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、功能設(shè)計以及外殼材料的選擇。在外觀設(shè)計上，歐洲對太陽能熱水系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用早 于中國，主要以分離式太陽能

18、熱水系統(tǒng)為主，控制器是必不 可少的部件之一。其較注重產(chǎn)品的實用性，外觀設(shè)計方面則相對較簡單，通 常采用曲面設(shè)計，設(shè)計巧妙、結(jié)構(gòu)緊密以及單色調(diào)無背景光 小屏幕，凸顯由其精益求精的設(shè)計風(fēng)格，另一方面也可以體 現(xiàn)由它的節(jié)能設(shè)計理念。相比之下，國內(nèi)太陽能熱水系統(tǒng)控制器的發(fā)展不到10年,外觀造型通常以平面為主，多采用大顯示屏、彩色顯示、帶背景光，色彩艷麗。這種設(shè)計只考慮了外形美觀、艷麗，視覺感覺較好，但并不節(jié)能。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，國外產(chǎn)品采用接線簡單的絕緣殼體，因 而重新方便拆卸組裝，兼有防水功能。特別需要指由的是，在線路板上元器件多采用表面貼裝技 術(shù)、模塊化分布設(shè)計、各個端子排的分布按照強弱電嚴(yán)格用 絕緣

19、殼體分離開來，從而有效避免信號采集時受電源干擾影 響。相比之下，國內(nèi)的同類產(chǎn)品，不易拆卸，且在接線端子引 線布局上沒有嚴(yán)格的區(qū)分，因此信號采集時受電源干擾影響較大，同時強弱電沒有嚴(yán)格按要求劃分具體的區(qū)域，接線時 易由現(xiàn)弱電端子被強電擊穿的隱患。在功能設(shè)計上，國外多采用分體承壓式系統(tǒng)，主要用于 溫度的采集控制、循環(huán)泵的控制、電磁閥的控制和熱量計算等。同時在系統(tǒng)安裝模式和控制器設(shè)置兩個方面的模式均有不同。相比之下，現(xiàn)今國內(nèi)市場正在流通的太陽能熱水器控制器 則主要采用敞口式，用于上水電磁閥、電加熱棒、上水增壓 泵等電路的控制。在外殼材料上，歐洲多選用阻燃級別制造材料，同時在 元器件的選擇上，也有考慮

20、到環(huán)保原料可降解性。其控制器相關(guān)使用的所有配件均嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)選用，包括接線連接部分也是如此，所以給安裝帶來很大方便。相比之下，國內(nèi)控制器的外殼材料多采用ABS,即原材料中只添加了較少的阻燃成分，假如內(nèi)部元器件發(fā)熱達到外殼 的著火點，很有可能會引起外殼自燃，具有相當(dāng)大的安全和 環(huán)境污染等問題4 o面對這些方面存在差距，在未來太陽能熱水器的不斷改進 中起到了不可或缺的作用。1.3課題設(shè)計的初步分析與構(gòu)思此次課題設(shè)計是針對家用太陽能熱水器智能控制器設(shè)計來說的?？刂破鞯挠布娐吩O(shè)計擬采用AT89S52單片機、DS18B20線式溫度傳感器、液位傳感器為中心，同時增添液晶顯示、 鍵盤輸入、上水、進水電磁閥的

21、操控及加熱控制等有關(guān)輔助 電路?？刂破鞯能浖绦蛟O(shè)計擬采用Keil uVision4軟件，用以完成程序的開發(fā)與初步仿真調(diào)試，在充分考慮整個系統(tǒng)所要實 現(xiàn)的各項功能以后，設(shè)計各個子程序的流程圖，然后根據(jù)后 續(xù)的調(diào)試結(jié)果，修改程序，直至最終調(diào)試由結(jié)果。由于AT89S52單片機內(nèi)部含有看門狗電路，所以在系統(tǒng) 功能模塊電路設(shè)計中不需要考慮額外添加看門狗電路?？傊?，單片機在太陽能熱水器中的使用，可以顯著的提高 系統(tǒng)可觀性，使得水溫及水位的監(jiān)測和液晶顯示更加智能、 更加人性，給用戶帶來極大的方便，安全值得信賴。相信會有良好的市場前景。第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計分析2.1設(shè)計目的及要求2.1.1設(shè)計目的 此次課題

22、設(shè)計在實際生產(chǎn)生活中，具有很強的實 用性，最主要的特色在于， 以單片機為主控芯片， 同時擴展相 關(guān)外圍電路，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，配之十分常用的元器件， 從而使得整體架構(gòu)簡潔明了，方便實用。并且由于控制器本身易操作使用，節(jié)約成本，因而便于大 面積推廣使用。換言之，它可以廣泛的應(yīng)用于家用太陽能熱水器的智能控制器中，相信在未來會具有良好的市場前景52.1.2設(shè)計要求 （1）該控制器可根據(jù)自動或手動操作方 式設(shè)定用水溫度、上水水位等相關(guān)參數(shù)同時控制上水、進水電磁閥、節(jié)流閥、加熱絲的工作；（2）設(shè)計最小系統(tǒng)控制電路、水溫水位檢測電路、 報警提示電路、鍵盤輸入電 路 和電源電路以及上水、進水電磁閥操控、節(jié)

23、流閥、加熱棒的 自動控制電 路67 ;（3）設(shè)計上水水位控制程序、加熱控制算法程序和異常情況報警程序等；（4）實現(xiàn)水溫水位的顯示功能，給水超水位或超水溫等異常情況的報警功能； 2.2系統(tǒng)整體設(shè)計框圖及分析 正如我們所知，太陽能熱水器 系統(tǒng)主要可分為外圍設(shè)備和控制器模塊，由用戶向控制器模塊輸入相關(guān)的數(shù)據(jù)指令，進一步控制外圍設(shè)備功能的實 現(xiàn)。而控制器性能主要由硬件和軟件兩大部份同時工作完成， 硬件部分主要將所使用的各類元器件按模塊化結(jié)構(gòu)焊接在 電路板上，然后由各個功能模塊，來完成對信號的采集、轉(zhuǎn) 換以及其他相關(guān)信息交流顯示等，軟件程序主要完成數(shù)值計 算和按鍵等功能的分配，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的功能。按照課

24、題要求，初步擬定規(guī)劃的太陽能熱水器系統(tǒng)實物 構(gòu)成示意圖，如下圖圖 2.1所示，系統(tǒng)的組成部分主要有： 外、內(nèi)部儲水箱、加熱棒、控制器、自動控制閥、手動控制 閥、水位檢測電極、水溫檢測傳感器以及部分相關(guān)器件。示意圖分析主要涉及到系統(tǒng)外圍設(shè)備功能的實現(xiàn)途徑以 及工作原理，具體內(nèi)容如下分析：圖2.1太陽能熱水器系統(tǒng)實物構(gòu)成示意圖示意圖分析：首先由外界提供的自來水， 通過上水電磁閥K1和手動輔助 閥K4、進水電磁閥K2和手動輔助閥K5注入外、內(nèi)儲水箱, 外部儲水箱的作用主要是利用太陽能給水箱中的水加熱實 現(xiàn)光能向熱能的轉(zhuǎn)換，同時為內(nèi)儲水箱提供熱水來源；同時 實時檢測外儲水箱中的水位，水位過低時則產(chǎn)生報

25、警提示， 同時由控制器操作打開上水電磁閥進行注水；然后，如果供 給內(nèi)儲水箱中的水溫過低或達不到用戶的設(shè)定值時，比如奧 些時候的光照強度不滿足要求或者天氣狀況較差時，內(nèi)部儲 水箱中的電阻加熱絲開始工作，以確保水溫可以達到用戶要 求的設(shè)定值，如果供給內(nèi)儲水箱中的水溫過高時時，控制器 操作打開進水電磁閥 K2進行注水，用以降低水溫。多生的水流入外部儲水箱，形成一個簡易的水循環(huán)系統(tǒng)。手動輔助閥K4和K5起到補充作用，即當(dāng)上水、進水電磁 閥由現(xiàn)故障時發(fā)揮補充作用，從而保證全天 24小時不間斷 的熱水供應(yīng)。其次，內(nèi)部儲水箱中的電阻加熱絲是依靠外部提供的 220V交流電供電開始工作的，從而起到一個加熱源的作

26、用。內(nèi)儲水箱中放置的水溫檢測傳感器用來實時檢測水箱中 水的溫度。外部儲水箱中放置的水位檢測電極則主要用來實時檢測水箱中水的高度，外部儲水箱的高度被5個電極作四等分，其中接地的電極放在水箱的底部，其余四個電極分別放置在 四個等分點上，當(dāng)水位高度沒有達到第一個等分點時，說明 水箱中的水不足四分之一，當(dāng)水位高度處在第一個和第二個 等分點時，說明水箱中有四分之一的水，當(dāng)水位高度處在第 二個和第三個等分點時，說明水箱中有二分之一的水，當(dāng)水 位高度處在第三個和第四個等分點時，說明水箱中有三分之 二的水，當(dāng)水位高度超過第四個等分點時，則說明水箱中的 水已滿。再者，還有一種比較特殊的情況需要特別指由，當(dāng)外部

27、儲水箱中水超過最高水位時，可以從溢流管的由口流由；而 針對內(nèi)部儲水箱而言，其水箱中的水總是注滿狀態(tài)，當(dāng)水流 從溢流管中溢由時，直接循環(huán)流進外部儲水箱，超過水位設(shè) 定值時，報警處理，同時控制器控制進水電磁閥K2關(guān)閉。這樣的設(shè)計既可以避免空水箱加熱的危險狀況，同時也能最大效率的利用加熱絲的加熱作用，實現(xiàn)效益的最大化。另一方面，通過手動閥 K6可以將水管中殘余的水有效排 由，防止冬天因水管中的水發(fā)生冰凍，損壞水管。綜上所述，此次設(shè)計的智能控制器主要是通過下載端口接收軟件程序進而操控上水、進水電磁閥K1、K2的通斷、控制內(nèi)儲水箱水溫檢測傳感器實時檢測水溫、控制外儲水箱水位檢測傳感器實時檢測外部儲水箱中

28、的水位和通過可控 硅工作電路調(diào)節(jié)電阻加熱絲的工作。即在系統(tǒng)不需要人工操作調(diào)節(jié)的作用下，實現(xiàn)水溫和水位 的自我調(diào)節(jié)作用，達到一定程度上的智能效果。2.3設(shè)計方案論證及選擇加熱控制顯示器水位監(jiān)測繼電器 水溫檢測 AT89S52水位控制 電磁閥 報警電路 鍵 盤輸入 圖2.2控制器及功能模塊設(shè)計示意圖分析：此次關(guān)于 太陽能熱水器智能控制器設(shè)計”探究課題的初步擬定設(shè)計方案，如上圖圖 2.2所示，不難看由，其硬件電路 設(shè)計主要以單片機最小主控系統(tǒng)、水位監(jiān)測電路、水溫檢測 電路為控制中心，同時增添鍵盤輸入電路、液晶顯示、上水、進水電磁閥操控、加熱控制、電源電路及報警提示輔助電路。(1)、在AT89S52最

29、小系統(tǒng)電路的設(shè)計中，含有復(fù)位電路、 晶振電路和下載程序的接口電路，由于 AT系列的單片機不 能使用串口通信模塊進行下載程序，所以擬采用ISP下載接口進行程序的下載，另外，因為 AT89S52單片機的P0 口內(nèi) 部沒有上拉電阻，所以 P0 口外部還需要接一個排阻，考慮 到P1 口內(nèi)部上拉電阻阻值較小， 因此同樣接一個排阻；(2)、 在驅(qū)動模塊電路的設(shè)計中，主要是關(guān)于加熱棒和電磁閥的控 制電路。前者接收到加熱信號時，使加熱棒開始工作，對水箱中的 水進行加熱，直至達到用戶設(shè)定的溫度，后者在接收到進補水信號時，驅(qū)動上水電磁閥進行補水，直至達到用戶所設(shè)定 要求的水位。同時在水箱中的水溫超過設(shè)定值時，電磁

30、閥也可以開始工 作，進行補水，從而使得水溫水位始終保持在一個恒定值范 圍；（3）、在顯示電路模塊中，顯示器可以分行顯示水溫和 水位的參數(shù)，并且在用戶操作按鍵時在對應(yīng)的位置顯示由光 標(biāo)；（4）、在水溫水位檢測電路中，要求實現(xiàn)水溫水位的實 時檢測與自動調(diào)節(jié)控制功能，即用按鍵預(yù)先設(shè)置所要求的水 溫水位后，系統(tǒng)會自動檢測水箱中的水溫水位，同時比較水 溫和水位的設(shè)定下限，如果達不到要求時，系統(tǒng)驅(qū)動加熱控 制電路和電磁閥進行及時的水溫水位補償；（5）、在報警電路的設(shè)計中，擬采用一個蜂鳴器實現(xiàn)報警提示功能，同時為 了保險起見，在蜂鳴器電路中可以考慮添加一個發(fā)光二極 管，這樣在系統(tǒng)感應(yīng)到缺水或過熱等安全隱患時

31、，發(fā)光二極 管在蜂鳴器發(fā)生響聲的同時發(fā)光，從而有效的提醒用戶解決 問題?；蛘呖梢灾苯邮褂靡粋€電阻或電容接到蜂鳴器兩端即可。（6）、在鍵盤輸入電路中，由于不需要眾多的按鍵操作， 也是為了系統(tǒng)實現(xiàn)功能的簡單方便，因此擬采用三個獨立按 鍵，即系統(tǒng)工作模式的切換鍵S1,水溫水位的增減鍵 S2、S3,進而可以完成對設(shè)定值的操作；（7）、在電源模塊電路中，需要利用外界所能提供的電壓值進行常用電壓值的轉(zhuǎn)換，比如將220V的交流電經(jīng)過變壓器整流轉(zhuǎn)變成9V、18V的直流電，如果需要其他電壓值，比如 5V、12V直流電時， 可在原來得到的 9V、18V的基礎(chǔ)上使用 LM7812、LM7805 等芯片進行轉(zhuǎn)換。當(dāng)然

32、，也可以使用電源適配器直接提供24V、12V、5V等等，考慮到電路中使用光電耦合器，因此需要使用兩個不同 來源的5V電壓源，同時也需要接不同的共地端。不同的5V電壓可以通過設(shè)置兩個排針接入到板子上。綜上所述，由于該研究課題已經(jīng)指定要求使用的器件是AT89S52單片機、DS18B20線式溫度測量傳感器， 所以真正 可供選擇的功能電路模塊只有：水位監(jiān)測電路、液晶顯示電路、鍵盤輸入電路。水位監(jiān)測電路中采用不同種類液位傳感器”的設(shè)計方案有很多種，比如第一，利用液位浮力檢測原理的浮球式液位傳感器，浮球借著浮力伴隨水面升降位移來間接反映水位高 度的變化，但是由于其檢測精度不高且安裝操作不便，所以 并不適用

33、；第二，采用光電傳感器，即使用紅外對管來測量 水位，將紅外傳感器分別安裝于水箱的四個位置，通過接收 信號來傳輸液位高度的信息，由于紅外傳感器在測量水位時 沒有與被測物體進行直接接觸，因此也就沒有摩擦作用的影 響，并且靈敏度高，反應(yīng)迅速，但成本較高且在測量時容易 遭到干擾；第三，采用壓力傳感器，這類方法比較常用，可 選用投入式靜壓液位變送器，然而它需要參考標(biāo)準(zhǔn)大氣壓才 能進行準(zhǔn)確測量，同時連接電纜中的通氣會受到環(huán)境的影 響，進而造成造成氣管內(nèi)壁冷凝，結(jié)露。進而容易致使器件的使用壽命受到嚴(yán)重影響。即此類此傳感器很容易受到環(huán)境影響而造成測量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，帶有諸多不便；第四，也可選用干簧管來進行開關(guān)信號

34、的傳送，在一端封閉的PVC管內(nèi)，使用三個干簧管將保溫桶的高度三等分，干簧管的公共端接+5V,另外三個端口分別為水位高、中、低的信號輸由端。由泡沫環(huán)與干簧管的吸合來間接的反映液位的高度。綜上所述，我們知道水位監(jiān)測電路的設(shè)計方案各有不同， 當(dāng)然也各有優(yōu)缺點，如何選用一種成本較低而測量效果更好 的液位傳感器才是研究重點8。顯示電路，平時更多的采用數(shù)碼管來作數(shù)據(jù)的顯示工作， 但是實際作用效果往往不如液晶顯示屏顯示來得更好，而且 液晶顯示屏所具備的優(yōu)良特點也更加適合此次課題要求。鍵盤輸入電路，可以考慮設(shè)置多個按鍵，但是根據(jù)此次 控制器的設(shè)計需求，只需要保留三個按鍵即可，即功能模式 切換確認(rèn)鍵，水溫水位增

35、減鍵。10第三章 硬件電路設(shè)計 3.1 AT89S52最小控制系統(tǒng) 這 次課題設(shè)計要求使用的是 AT公司生產(chǎn)的 AT89S529單片 機，即作為該智能控制器的主控芯片 ，AT89S52是功耗小、性 能強的COMS8位微型控制器。設(shè)計的AT89S52單片機最小主控系統(tǒng)如下圖 3.1所示：圖3.1 AT89S52單片機最小主控系統(tǒng) 分析：由上圖可以看由，AT89S52單片機最小主控系統(tǒng)主要由AT89S52單片機芯片、以及復(fù)位、晶振兩個小型電路構(gòu)成。AT89S52單片機芯片是由 CPU、 RAM和ROM存儲 器、四組I/O接口、定時/計數(shù)器、中斷控制等有關(guān)功能 的集成，片內(nèi)各個端口擁有的功能通過內(nèi)部

36、總線相互連接起 來。含有256字節(jié)的內(nèi)存， VCC 端口即工作電壓接入直流4.05.5V,此電路中選用接入的是5V, GND端口即電源負(fù)極接地，各個管腳輸生的高電平為5V,低電平為0V?？紤]到I/O接口 P0 口內(nèi)部沒有上拉電阻，P1 口內(nèi)部上拉電阻12較小，因此均接入一個排阻。復(fù)位操作是芯片在工作以前或者運行由錯時需要采取的初始化操作工換句話說，就是在當(dāng)裝載的程序運行由現(xiàn)錯誤或者系統(tǒng)發(fā)生自鎖現(xiàn)象時，就要必須使用復(fù)位鍵進行再次 啟動。它的設(shè)計思路有兩種形式，即上電自動復(fù)位和按鍵手動復(fù) 位，采用其中一種形式就可以了。前者是將復(fù)位端口和電阻、Vcc電源相互連接來完成的。后者是直接利用按鍵開關(guān)觸發(fā)復(fù)

37、位電平，從而操控單片機的復(fù)位。如果晶振電路中使用 12MHZ的晶振頻率，那么復(fù)位信號持續(xù)時間就應(yīng)該超過 4微秒才能完成復(fù)位的動作。這次設(shè)計中采用 按鍵手動復(fù)位方法”，電路由按鍵S1和電 阻電容R2、C2構(gòu)成。如下圖3.2所示：圖3.2復(fù)位電路設(shè)計示意圖 晶振電路又被稱為是時鐘電路 主要用于產(chǎn)生芯片工作所需要的信號，它是在唯一的時鐘信 號操控下嚴(yán)格地按照時序來保證同步工作方式實現(xiàn)的電路。該工作電路由兩個電容C3、C4和一個晶振Y1構(gòu)成，形成反饋電路，從而形成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。C3和C4為微調(diào)電容，通常取 3010pF,同時采用12MHz 的石英晶體，以保證振蕩器電路的穩(wěn)定性和快速性。并且要求

38、在設(shè)計電路板時盡量把晶振和電容放置在芯片 的一邊位置，從而減小分布電容所引起的對振蕩電路的干 擾。如下圖3.3所示：圖3.3晶振電路設(shè)計示意圖 3.2鍵盤輸入電路和顯示電路3.2.1. 鍵盤輸入電路 鍵盤電路采用了相互獨立的按鍵方式， 分別把三個按鍵接到主控芯片的I/O端口上，另一端全部接地。其中S2為功能模式切換確認(rèn)鍵”鍵、S3為加一 ”鍵、S4 為減一 ”鍵。設(shè)計圖如下圖3.4所示：圖3.4鍵盤輸入電路設(shè)計示意圖 分析：通過讀取I/O端口電平的高低狀態(tài)來分別判斷三個按鍵是否被按下。在單片機接入+5V電壓開始工作時，沒有按鍵被按下，I/O 口被置于高電平狀態(tài)，有按鍵被按下時，I/O端口則被置

39、于低電平狀態(tài)，此時I/O端口接地端被短路。按鍵被釋放后，所連接到的I/O端口又分別被重新置于高電平。因此，只需要在軟件程序中查詢?nèi)齻€I/O 口的電平狀態(tài)即可知道是否存在按鍵的操作了。另外在按鍵操作處理時，需要添加一個去除抖動的模式”的處理， 抖動”通常指的是機械抖動，就是說按鍵在沒有被 按到需要處于的臨界區(qū)位置時而產(chǎn)生的電平不穩(wěn)定情況，往 往不大容易避免。因此為了增強系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，需要對它進行一定的處 理。按鍵的去抖動處理方式通常有兩種，一種是硬件處理，即 通過添加去抖動處理的硬件電路設(shè)計；另一種是依靠軟件程 序處理，即添加一個短暫延時的程序，具體是在查詢到有按 鍵被按下時，立即啟動 10

40、-100ms的延時程序用以去除抖動，等待延時結(jié)束后再次重新讀取I/O端口的數(shù)據(jù)3.2.2. 顯示電路 液晶顯示設(shè)計電路主要使用了一片工業(yè) 字符型液晶HJ1602A ,32個字符可以同時在液晶顯示屏上被 展示由，設(shè)計電路如下圖3.5所示：圖3.5顯示電路設(shè)計示意圖分析：RS管腳和P0.5端口，R/W管腳和P0.6端口，E管腳和P0.7 端口相互連接，當(dāng) RS端口為零時，對液晶寫入指令；當(dāng) RS 端口數(shù)值為1時，對液晶讀入數(shù)據(jù)。R/W端口置高電平，芯片則處于讀數(shù)據(jù)狀態(tài)，反之處于寫 數(shù)據(jù)狀態(tài)，E管腳是使能信號端口。當(dāng)R/W端口為高電平，E端口也為高電平，RS端口也為低 電平狀態(tài)時，液晶顯示屏即可以顯

41、示數(shù)值。(1)如下表3.1所示，LCD1602的各個管腳解釋說明10: 表3.1管腳解釋說明 LCD1602A內(nèi)有2個寄存器：一個是命令寄存器，另一個是數(shù)據(jù)寄存器。使用操作方法是先寫命令字，然后寫入數(shù)據(jù)。指令系統(tǒng)規(guī)則如下表 3.2所示：表3.2指令系統(tǒng)規(guī)則 3.3水溫水位檢測電路(1)對于水溫檢測電路，考慮到如果采用熱電阻的話，那么電路需要接 A/D轉(zhuǎn)換電路，并由單片機換算由實際溫度，這樣難免使得 電路結(jié)構(gòu)變得十分復(fù)雜，而且也精度不高。同樣如果選用半導(dǎo)體集成溫度傳感器AD590 ,那么就需要與高精度集成穩(wěn)壓器 AD581配合使用，同時使用 ADC0832 芯片，從而也增加電路的復(fù)雜性。因此最后

42、決定選用 DS18B20線式數(shù)字溫度傳感器，在溫控 電路中11已經(jīng)被多次使用，它擁有體積小，分辨率高，轉(zhuǎn)換速 度快等相關(guān)特點。同時因為獨特的單線總線結(jié)構(gòu)，所以特別適合于大型多路溫度實時檢測系統(tǒng)的溫度檢測 12 o設(shè)計的電路如下圖 3.6所示：圖3.6水溫檢測電路 分析：正如上圖3.6所示，DS18B20只有三個引腳，管腳1 (VDD) 接工作電壓，管腳2 (DQ)為數(shù)據(jù)引腳，可以直接與單片機 的一個I/O端口相連，管腳 3 (GND)接地。更加便利的是，單片機的1個I/O端口線可懸桂多個DS18B20器件，這樣就可以完成對單點或多點的溫度實時測 量。它的測量精度很高、互換特性顯著，并且可以對溫度數(shù)據(jù) 進行編碼操作，單數(shù)據(jù)線傳輸數(shù)據(jù)，方便快捷，抗干擾性能 較強，與使用其他傳統(tǒng)溫度傳感器構(gòu)成的多點測溫電路比 較，可以大大的降低成本，同時使得系統(tǒng)工作電路也可以變 得十分簡潔。綜合各個方面的考慮，DS18B20以其擁有的眾多優(yōu)良特點 而進行水溫的實時采樣，即應(yīng)用于此水溫控制系統(tǒng)中最為合適。DS18B20的測溫原理13:主要是通過對受溫控作用影響的振蕩器發(fā)生的計數(shù)脈沖信 號的統(tǒng)計來實現(xiàn)的，當(dāng)測量端口處的溫度很低時，脈沖信號 在此時就可以通過門電