基于單片機(jī)的太陽能熱水器輔助控制系統(tǒng)

1、BACHELORS DEGREE THESISOF HOHAI UNIVERSITYAuxiliary control system of solar waterheater based on single chipputerCollege：College of Mechanical and Electrical EngineeringSubject：Mechanical and Electrical EngineeringName：YuDirected by ：ZhangWeiwei ProfessorNANJING CHINA鄭 重本人呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取

2、得的成果，所有數(shù)據(jù)、資料真實(shí)可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明的內(nèi)容外，本設(shè)計(jì)（）的研究成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對本設(shè)計(jì)（）所涉及的研究工作做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體，均已在文中以明確的方式標(biāo)明。本設(shè)計(jì)（）的知識歸屬于培養(yǎng)。本人簽名：日期：目錄摘要3ABSTRACT4第一章1.11.2第二章2.12.22.32.42.52.62.7第三章3.13.2概述5設(shè)計(jì)背景5設(shè)計(jì)任務(wù)7能熱水器及控制系統(tǒng)簡介8熱水器及系統(tǒng)工作原理8控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則9主控方案9溫度檢測方案9水位檢測方案10顯示方案10時(shí)鐘方案11控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)12總體設(shè)計(jì)12主控模塊14單片機(jī)接口配置14復(fù)位電路14時(shí)鐘電路15溫度測

3、量模塊153.3.1DS18B20 簡介153.3.2 溫度測量電路接線圖16水位檢測模塊18顯示模塊19LCD1602 電氣接線圖19LCD1602 技術(shù)參數(shù)及接口說明19實(shí)時(shí)時(shí)鐘203.6.1DS1302 簡介203.6.2時(shí)鐘電路電氣原理圖20驅(qū)動(dòng)模塊21上水電磁閥驅(qū)動(dòng)電路21自動(dòng)加熱驅(qū)動(dòng)電路21按鍵模塊23按鍵模塊簡介23按鍵抖動(dòng)處理233.33.43.53.63.73.8第四章4.1控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)計(jì)25設(shè)計(jì)254.1.1DS1302 時(shí)鐘地址及數(shù)據(jù)格式25流程264.1.3DS13024.1.4時(shí)間子程序26時(shí)間設(shè)置子程序27日期BCD 轉(zhuǎn)字符程序27時(shí)間BCD 轉(zhuǎn)字符程序27水

4、溫檢測設(shè)計(jì)294.24.2.1傳感器操作指令29流程304.2.2DS18B204.2.3獲取溫度子程序30顯示模塊設(shè)計(jì)324.34.3.1LCD1602 指令及說明324.3.2LCD1602RAM 地址. 32初始化過程32顯示子程序33水位檢測設(shè)計(jì)34按鍵模塊設(shè)計(jì)354.44.5鍵值子程序354.5.14.5.2鍵值處理子程序35控制系統(tǒng)調(diào)試與仿真38總體仿真結(jié)果展示38自動(dòng)加熱仿真39水位檢測及上水仿真41總結(jié)與展望43第五章5.15.25.3第六章參考文獻(xiàn)44摘要隨著社會(huì)的發(fā)展和科技的不斷進(jìn)步，人們的生活水平也在逐漸提高。與之而來的問題也很多，例如能源與環(huán)境污染，綠色環(huán)保理念因而開始

5、深入人心。能作為新興的清潔能源得到了大家的普遍認(rèn)可，首先能取之不盡、用之不竭，其次干凈無污染又是一大特點(diǎn)，因此積極推廣能的應(yīng)用具有意義。本設(shè)計(jì)將研發(fā)一款高性能的能熱水器控制系統(tǒng)，產(chǎn)品具有智能化的特點(diǎn)。本篇的設(shè)計(jì)可以作為單獨(dú)的控制系統(tǒng)銷售也可以安裝在普通的能熱水器上使之作為智能型熱水器來出售。這一設(shè)計(jì)會(huì)更廣泛地推動(dòng)能的使用，在將來還可以與物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)合，吸引消費(fèi)者的眼球，同時(shí)符合國家當(dāng)前的發(fā)展理念。本在介紹單片機(jī)、傳感器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘的特點(diǎn)基礎(chǔ)之上，詳盡地說明了能熱水器控制系統(tǒng)的工作原理與方案設(shè)計(jì)。根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，采用 STC89C52 作為主控芯片。其他硬件部分包括：水溫模塊、水位監(jiān)測模塊、按鍵

6、輸入部分、LCD 顯示窗口及繼電器控制模組，繼電器控制模組有自動(dòng)上水和加熱部分。在方面，本設(shè)計(jì)采用模塊化方式對系統(tǒng)進(jìn)行分組設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)工作穩(wěn)步展開，并且經(jīng)過本系統(tǒng)的各個(gè)模塊均正常工作，符合設(shè)計(jì)要求。，：能熱水器；控制系統(tǒng)；單片機(jī)ABSTRACTWith the development of society and the progress of science and technology, peoples living standards are gradually improving. However, problems come with it, such as the energyc

7、risis and environmental pollution, thus green development ideas gained ground. Solar energyas a new clean energy has been widely recognized, due tot its inexhaustible and clean,and followed by a major feature. So, promoting the use of solar energy actively is of greatsignificance. This article will

8、set out to design anelligent, high-performanolar waterheater control system which was designed withelligent automation features. This designcan be used as a separate control system sales also it can be installed on ordinary solar waterheater to make it as a smart water heater to sell. The design wil

9、l be more benefil to promotethe use of solar energy. Combined with theernet of things will attract the attention ofconsumershe future and be in line with the countrys current development concept.This pr describes the basic features of the microcontroller, sensors, real-time clock,and a detailed illu

10、stration of the working principle and design of solar water heater control system. According to the design requirements, STC89C52 used here as a master chip. Other hardware includes: temperature acquisition module, water level monitoring module, key inputsection, LCD display window and relay control

11、 module, relay control module has automaticpumwatart and programming heating part. On the software side, using modulardesign makes the works steady progress. After simulation, eaodule of the system isworking properly, whieeting to the design requirements.Key words: Solar water heater ;Control system

12、;Microcontroller第一章概述1.1設(shè)計(jì)背景能源對于人類的發(fā)展與新能源的成長。近代工業(yè)。每一次人類文明的進(jìn)步，都可以看到舊能源的落幕于英國，當(dāng)時(shí)蒸汽機(jī)的發(fā)明與改進(jìn)使得煤炭資源取代了木材，成為主導(dǎo)能源。到 20 世紀(jì)初，石油得到大規(guī)模開采與使用，全世界對石油的需求激增，石油逐步取代煤炭成為主導(dǎo)能源。根據(jù) Sistical Review of World Energy 20153估算，在 2014 年的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，石油仍然是主導(dǎo)，約占全球能源消費(fèi)的 33.3%；煤炭和天然氣資源分別占全球能源消費(fèi)的 30.1%和 24.0%。作為化石，三者合計(jì)達(dá)到全球能源消費(fèi)的 87.4%，傳統(tǒng)依然

13、支撐起現(xiàn)代商業(yè)文明主導(dǎo)力量。自從傳統(tǒng)能源作為主導(dǎo)能源以來，兩大安全問題便顯現(xiàn)出來。一是傳統(tǒng)化石的供應(yīng)問題，其越來越難以滿足市場的需要。因?yàn)榛遣豢稍偕哪茉?，有限的儲量卻要應(yīng)付世界經(jīng)濟(jì)和的飛速增長。二是傳統(tǒng)能源的安全問題。一方面，由于開采技術(shù)，煤礦事故頻繁發(fā)生；再者，資源的肆意無須開采，對水、地表生態(tài)環(huán)境造成了難以恢復(fù)的破壞。另一方面，傳統(tǒng)能源的使用還會(huì)產(chǎn)生廢氣廢渣，特別是燃燒處理的煤炭會(huì)排放SO2、粉塵等污染物。應(yīng)對傳統(tǒng)化石能源日益嚴(yán)峻的安全形勢，世界各國開始調(diào)整供應(yīng)策略，積極引導(dǎo)開發(fā)新能源，以降低對傳統(tǒng)能源的依賴性。政策，采取多元化就我國的發(fā)展來說，積極推廣新能源，以節(jié)約和代替部分化石能

14、源，這是保障我國能源安全、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、促進(jìn)社會(huì)與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、保護(hù)環(huán)境、應(yīng)對氣候生態(tài)變化、調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的部署。近年來，新能源的發(fā)展受到的大力支持。自 2011 年起，可再生能源發(fā)展的脈絡(luò)日漸清晰，我國將在推廣新能源和提高傳統(tǒng)能源效率兩方面加速能源結(jié)構(gòu)調(diào)整。未來新興能源開發(fā)利用的定位是：到 2020 年，核能、風(fēng)能、能等新興能源要成為能源總需求中增量部分的主力軍，加上水能共提供約 6 億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占一次能源消費(fèi)總量的 15%；到 2030 年，新興能源要成為主流能源之一，加上水能共提供 20%以上的一次能源消費(fèi)量1。作為一個(gè)幅員遼闊的國家，中國有著豐富的累計(jì)安裝量居世界第一位，但是由于中國龐

15、大的能資源。雖然我國在數(shù)量，意味著能熱水器均占有的能熱水器還少于像、以色列、希臘和奧地利等國家。根據(jù)我國可再生能源發(fā)展規(guī)劃，能熱水器累計(jì)安裝應(yīng)在 2010 年達(dá) 3 億平方米和在 2020 年達(dá)到 1 億 7000 萬平方米，每擁有量達(dá) 128 平方米到 203 平方米。根據(jù)這一計(jì)劃，在 2020 年中國能熱水器的持有率只相當(dāng)于 2000 年奧地利的水平，仍遠(yuǎn)低于 2000 年的和以色列的能熱水器安裝量2。目前，中國正處于快速發(fā)展階段，城鄉(xiāng)居民對生活熱水的需求急劇增加5。而在農(nóng)村地區(qū)和中小城市，能熱水器已經(jīng)成為提高人民生活質(zhì)量、全面建設(shè)小康社會(huì)的一個(gè)快捷的技術(shù)方法2。隨著傳統(tǒng)能源價(jià)格的持續(xù)上漲

16、，社會(huì)上的環(huán)保意識日益提高。另外由于能熱水器產(chǎn)業(yè)的升級改進(jìn)和能熱水器與建筑技術(shù)的發(fā)展，使得太陽能熱水器將保持增長勢頭。中國熱水器市場自上世紀(jì) 90 年代以來，保持了十多年的快速增長。我國能熱水器的年鋪設(shè)量由 2000 年的 610 萬平方米，快速增長到2009 年的 4200 萬平方米，年平均增長速度 246。能熱水器運(yùn)行保有量由 2000年的 2600 萬平方米，增長至 2009 年的 14500 萬平方米，年平均增長速度為 21%6。尤其是 2006 年可再生能源法實(shí)施以來，國家可再生能源開發(fā)政策進(jìn)一步加強(qiáng)，更是由于新農(nóng)村建設(shè)的開展和地方開始實(shí)施新建建筑強(qiáng)制安裝政策，對能熱水器的應(yīng)用和推廣

17、起到了極大的推動(dòng)作用。2006 年至 2009 年能熱水器銷售量年均增長率為 33%，總保有量年均增長率為 17%，2。能熱水器應(yīng)用又進(jìn)入了一個(gè)新的面對巨大的市場，對能熱水器也提出了新的技術(shù)要求。目前能熱水器普遍都沒有自動(dòng)控制系統(tǒng)，這讓能的推廣工作達(dá)到了技術(shù)瓶頸。因此設(shè)計(jì)一個(gè)智能化的能熱水器控制系統(tǒng)迫在眉睫。1.2設(shè)計(jì)任務(wù)本課題旨在設(shè)計(jì)一個(gè)小成本、低功耗、多用途的能熱水器控制系統(tǒng)。熱水系統(tǒng)采用單片機(jī)作為微型控制器，該系統(tǒng)是設(shè)計(jì)目標(biāo)有：通過傳感器，將水位水溫采樣信號傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理，并進(jìn)行水位及溫度的顯示；當(dāng)水位到達(dá)低限，系統(tǒng)自動(dòng)上水，高限停止上水；3） 可調(diào)預(yù)置水溫設(shè)計(jì)，用戶可以節(jié)；設(shè)置溫

18、度保持范圍，以應(yīng)對不同地區(qū)不同季4） 可以設(shè)定時(shí)段溫度，如果在時(shí)段內(nèi)，溫度過低系統(tǒng)將循環(huán)加熱；5） 允許自動(dòng)/手動(dòng)進(jìn)行上水、加熱設(shè)置。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的過程中，同時(shí)學(xué)習(xí)了單片機(jī)的開發(fā)與程序編制以及電路的設(shè)計(jì)與仿真等操作。本科階段的知識得到了進(jìn)一步提高，另外有了 Proteus 和 Keil 等的使用。在下文，提供了不同滿足設(shè)計(jì)要求的方案，最終選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)。第二章能熱水器及控制系統(tǒng)簡介2.1熱水器及系統(tǒng)工作原理目前市場上能熱水器的主要分類有：玻璃真空管熱水器、平板型熱水器、陶瓷中空平板型熱水器以及熱管式熱水器等。而在國內(nèi)，能熱水器市場份額的 90%是全能2，因此本設(shè)計(jì)采用真空管玻璃真空管器基本構(gòu)造能熱

19、水器作為控制對象。能熱水，包括有：、集熱管、進(jìn)出水接口、排氣孔、安裝架等組件。陽光照射在真空式的集熱管上，集熱管吸收熱量，管內(nèi)冷水被加熱成熱水。由于熱水比重低于冷水，熱水上浮冷水下沉進(jìn)行冷熱交替加熱，最終熱水被收集到儲內(nèi)，以上是能熱水器的基本原理。圖 2.1能原理圖在光照良好的情況下，上述過程比較順利。如果遇到連續(xù)陰雨天氣，則不能收集熱水，因此需要加熱電輔加熱功能。當(dāng)單片機(jī)到溫度低于設(shè)定值，并且在預(yù)設(shè)時(shí)間段內(nèi)，將開啟加熱，保持水溫在程序設(shè)置的范圍內(nèi)。水位監(jiān)測模塊安裝在中，監(jiān)測水位的變化并發(fā)出水位信息。當(dāng)水位低于設(shè)定位置，單片機(jī)發(fā)出指令停止加熱同時(shí)開始上水；水位被監(jiān)測到達(dá)高水位時(shí)，停止上水。實(shí)時(shí)

20、時(shí)鐘為系統(tǒng)提供時(shí)間信息，既可以顯示日期時(shí)間等信息，又能讓用戶設(shè)置水溫保持時(shí)間段。在該時(shí)間段內(nèi)開啟輔助加熱功能，其他時(shí)間只顯示溫度而不加熱以節(jié)約能源。系統(tǒng)還提供有手動(dòng)按鈕，允許用戶控制上水電磁閥、加熱器等器件。在手動(dòng)模式下系統(tǒng)依然發(fā)生上水溢出、干燒等事故。水位水溫信息，防止安裝架排氣孔儲出水口集熱管進(jìn)水口2.2控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則本控制系統(tǒng)將單片機(jī)及電路與能熱水器結(jié)合起來。運(yùn)用溫度、水位監(jiān)測技術(shù)，將水溫、水位信息進(jìn)行處理、控制。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循的原則如下：1）可靠性。本能熱水器控制系統(tǒng)是基于單片機(jī)的系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)單片機(jī)的硬件與方案時(shí)，要考慮到各種了來保證系統(tǒng)的高可靠性。例如在測量溫度時(shí)，如何保持溫度數(shù)據(jù)

21、地準(zhǔn)確傳輸；如何保證單片機(jī)工作不被電磁干擾等等。因此系統(tǒng)需要綜合考慮，保證境與使用、傳輸以及處理過程中的可靠性，才能使得系統(tǒng)能夠應(yīng)對各種復(fù)雜的環(huán)。2）準(zhǔn)確性。本系統(tǒng)使用的測量電路較為先進(jìn)，能夠精確地反映被測量的變化。3）經(jīng)濟(jì)性。本設(shè)計(jì)針對的是廣大民用客戶，所以在選用電路器件時(shí)要比如何，盡可能控制成本以提高競爭力。其性價(jià)4）人性化。由于本系統(tǒng)要面向廣大客戶，所以在進(jìn)行軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮諸多。2.3主控方案選擇單片機(jī)有以下兩種方案：方案一: 選用STC89C52作為主控制器。STC89C52RC 單片機(jī)是STC 宏晶電子公司生產(chǎn)的兼容MCS-51 的高性能/低功耗單能力強(qiáng)，工作電壓：5.5V

22、3.3V（5V 單片機(jī)）片機(jī)。該型號單片機(jī)性價(jià)比高、/3.8V2.0V（3V 單片機(jī)）。工作頻率范圍：040MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 080MHz，實(shí)際工作頻率可達(dá) 48MHz。用戶應(yīng)用程序空間為 8K 字節(jié)，片上集成 512 字節(jié) RAM。方案二:采用 AT89S52。AT89S52 是 Atmel 公司制造，也和MCS-51 系列單片機(jī)兼容，片內(nèi)具有 8K 字節(jié)程序空間，256 字節(jié)的數(shù)據(jù)空間，具有編程可擦除技術(shù)。兩種單片機(jī)都完全能夠滿足設(shè)計(jì)需要，STC89C52 相對 ATS89C52 價(jià)格便宜，且抗干擾能力強(qiáng)。考慮到成本，因此選用STC89C52。2.4溫度檢測方案溫度是整個(gè)能

23、熱水器工作狀態(tài)的指標(biāo)，系統(tǒng)根據(jù)到的儲溫度判斷接下來的動(dòng)作，溫度測量的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到控制系統(tǒng)能否正常工作。設(shè)計(jì)溫度測量方案時(shí)，有以下備選方案：熱敏電阻+模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)字式溫度測量器件。其中第一個(gè)方案從設(shè)計(jì)角度考慮較為復(fù)雜，測量過程如圖 3.4 所示4。而后一方案有眾多的溫度傳感器可供選擇，常見的有LM355Z、DS18B20 等等，使用方便。圖 3.4 溫度測量流程圖其中 DS18B20 是一款高性能的數(shù)字式溫度測量，可以將溫度量直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，因此單片機(jī)可以方便的通過總線數(shù)據(jù)。綜上，本設(shè)計(jì)采用 DS18B20 傳感器。2.5水位檢測方案在考慮水位檢測模塊時(shí)，有以下幾種傳感器可以實(shí)現(xiàn)：超聲波

24、傳感器、感器、電容液位傳感器、以及電子液位檢測器。具體如表所示：傳表 水位檢測傳感器電極式水位檢測電路結(jié)構(gòu)簡單，其精度也足夠控制系統(tǒng)的使用。利用導(dǎo)電液體開關(guān)電路的原理，適用于單片機(jī)等邏輯控制器。當(dāng)水漫過電極，電路接通，電平發(fā)生改變，主控依靠電平的狀態(tài)判斷液位。采用電極式液位檢測電路控制了成本，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，也方便選擇安裝位置。這里注意電極在中容易生銹或被電化學(xué)腐蝕，影響檢測的準(zhǔn)確性。為了防止這種現(xiàn)象發(fā)生，本設(shè)計(jì)擬采用石墨涂層不影響檢測，也不會(huì)發(fā)生腐蝕等不良結(jié)果。電極，這樣既壓敏式傳感器精度高，與此同時(shí)帶來成本；電容式傳感器具有精度高的特點(diǎn)但是熱內(nèi)極易產(chǎn)生水垢，會(huì)影響測量精度；電極式電路成本

25、低、應(yīng)用方便、適用性強(qiáng)，是本次設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)所采用的。分類超聲波式電容式電子式器件超聲波探測器壓力傳感器電容液位器電極式液位器描述價(jià)格貴使用不便，價(jià)格貴性差使用方便精度不高2.6顯示方案顯示輸出模塊要求能夠顯示水溫、水位，日期、時(shí)間以及以上信息的設(shè)置選項(xiàng)。有如下三種方案可供選擇：一、LED 指示燈顯示水位，占用 4 個(gè)I/O 口，數(shù)碼管顯示水溫以及時(shí)間等信息，占用 12 個(gè)I/O 口；二、LCD1602 顯示以上全部信息，但是不能同時(shí)顯示，占用 11 個(gè)I/O 口；三、采用 LCD12864 液晶，可以同時(shí)輸出全部設(shè)計(jì)要求的信息，但是成本較高。本設(shè)計(jì)顯示的信息量較多但是實(shí)時(shí)更新速度要求較低，并因

26、此選取 LCD1602 液晶屏作為顯示輸出器件。2.7時(shí)鐘方案本控制系統(tǒng)需要時(shí)間信息進(jìn)行控制驅(qū)動(dòng)電路，目前市場上有多種時(shí)鐘可供選擇，而且單片機(jī)本身也有定時(shí)功能，因此考慮以下兩種方案：一是直接使用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器提供信號：用程序計(jì)算年、月、日、時(shí)、分、秒等計(jì)數(shù)信息。此種方案雖然減少的使用，成本低，但是，實(shí)現(xiàn)的時(shí)間誤差較大。二是采用 DS1302 時(shí)鐘：DS1302 是一款高性能的時(shí)鐘，其特點(diǎn)有：計(jì)時(shí)提供時(shí)鐘信息具有較準(zhǔn)確、接口簡單、使用方便以及功耗較低。所以采用 DS1302多的優(yōu)點(diǎn)。第三章控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1總體設(shè)計(jì)能熱水器控制系統(tǒng)主要功能的實(shí)現(xiàn)有STC89C52RC 單片機(jī)控制水溫、水位

27、等與輸出、控制繼電器開通與關(guān)斷，進(jìn)而使用戶在消耗少量能源的情況下獲取信息的熱水。如圖 3.1 所示,控制系統(tǒng)主要包括溫度檢測模塊、水位檢測模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、按鍵輸入模塊、LCD 顯示模塊以及繼電器驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路包括有輔助加熱模塊和自動(dòng)上水模塊。水溫水位檢測模塊負(fù)責(zé)溫度與水位的檢測工作，溫度檢測傳感器采用達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 DS18B20，通過與單片機(jī)的 I/O 口相連；水位檢測電路采用電極式的測量方法；實(shí)時(shí)時(shí)鐘為整個(gè)系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)時(shí)間，用戶可以設(shè)置自動(dòng)加熱的時(shí)間段，其他時(shí)間可以手動(dòng)加入以節(jié)約能源；鍵盤輸入模塊實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)控制信息的輸入；LCD 顯示模塊采用LCD1602 器件輸出控制系統(tǒng)

28、的信息；驅(qū)動(dòng)電路有繼電器負(fù)責(zé)通斷電磁閥上水，向晶閘管接通加熱器件電路可以避免繼電器啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生電弧帶來的3.2 所示。電氣原理圖如圖圖 3.1 系統(tǒng)硬件框圖時(shí)鐘模塊鍵盤輸入模塊自動(dòng)上水模塊驅(qū)動(dòng)電路輔助加熱模塊水溫水位顯示模塊水溫水位檢測模塊STC89C5圖 3. 2 控制系統(tǒng)電氣原理圖3.2 主控模塊3.2.1單片機(jī)接口配置水溫檢測模塊：P1.7；水位檢測電路：P3.4P3.7；鍵盤輸入模塊：P1.0P1.6；實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊： P2.5P2.7；自動(dòng)上水模塊：P2.3 輔助加熱模塊：P2.4；水溫水位顯示模塊：數(shù)據(jù)口P0、使能等等P2.0P2.2(LCD1602)。圖 3.3 單片機(jī)接口配置圖3.

29、2.2復(fù)位電路單片機(jī)在運(yùn)行時(shí)難免會(huì)遇到各種問題，快速的解決方案是進(jìn)行系統(tǒng)復(fù)位，使 CPU和其他器件處于初始狀態(tài)。圖 3.4 復(fù)位電路3.2.3時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路是單片機(jī)CPU 的心臟，它控制著 CPU 的工作節(jié)拍，可以通過提高時(shí)鐘頻率來提高CPU 的計(jì)算速度5。圖 3.5 89C52 時(shí)鐘震蕩電路3.3 溫度測量模塊3.3.1DS18B20 簡介本設(shè)計(jì)采用 DALLAS ()公司出產(chǎn)的 DS18B20，該產(chǎn)品特點(diǎn)有：獨(dú)特的1-Wire 接口僅僅占用一個(gè)通信端口；內(nèi)置溫度傳感器和 EEPROM 減少外部元件的數(shù)量；測量溫度范圍：-55C 至+125C (-67F 至+257F),-10C 至+85

30、C 范圍內(nèi)測量精度為0.5C；9 位至 12 位可編程分辨率；無需另接外部元件；寄生供電模式下只需要2 個(gè)操作引腳(DQ 和GND)；多點(diǎn)通信以簡化分布式溫度測量工作；每個(gè)器件具有唯一64 位序列號，在器件的ROM 內(nèi)；用戶可以靈活地定義溫度門限，通過搜索指令來找到溫度超出門限的器件；提供 8 引腳SO，8 引腳SOP，3 引腳 TO-92 多種封裝形式，如圖 3-7 展示了 DS18B20.各種封裝及引腳圖。圖 3.7 DS18B20 封裝形式本設(shè)計(jì)中采用的是 TO-92 形式的封裝，其尺寸形狀便于安裝在熱水器中。通雙絞線與單片機(jī)相連，可以實(shí)現(xiàn)長距離測量工作。各種封裝的引腳定義見過下表。表

31、3.1DS18B20 管腳說明3.3.2 溫度測量電路接線圖DS18B20 采用的獨(dú)特的一線式結(jié)構(gòu)，其僅需一根線就能夠?qū)崿F(xiàn)通信。溫度傳感器一共有三條線:電源線、電源及數(shù)據(jù)線，其電源即可通過電源供電如圖 3-5所示，但使用外部電源可以提高測量速度。以上所述特點(diǎn)表明 DS18B20 非常適合用于長距離多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng)。圖 3.6 DS18B20 外部供電電路圖溫度測量模塊的組成器件有：DS18B20 和 4.7k 上拉電阻。注意在長距離傳輸時(shí)使用類雙絞線，應(yīng)該適當(dāng)減少上拉電阻阻值，以補(bǔ)償線阻。SO*SOP*TO-92符號描述備注： NC 引腳為懸空標(biāo)識標(biāo)號541GND接地引腳412DQ數(shù)據(jù)輸入輸出

32、引腳 單總線開漏引腳 當(dāng)使用寄生電路供電模式時(shí)也可以為器件提供電力383VDD可選電力引腳圖 3.8DS18B20 接線圖DS18B20 檢測的溫度經(jīng)單片機(jī)處理、判斷，可以進(jìn)行 LCD 輸出顯示和控制加熱器件工作。對于加熱溫度，我國目前沒有相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。出于安全考慮，最高加熱溫度控制在 55C ，最低加熱溫度為 40C 。3.4水位檢測模塊水位監(jiān)測模塊采用的電極式測量電路原理。電極A 對應(yīng) 10%水位下限，電極 B 對應(yīng) 40%水位，電極 C 對應(yīng) 70%水位，電極 D 對應(yīng) 95%水位上限。水箱底部放置公共地線，每當(dāng)水位到達(dá)某一個(gè)電極位置，比如在 70%水位，電極A、B、C 與公共地線短接。

33、根據(jù)原理圖所示，電極A、B、C 接地，電信號經(jīng)74LS04 反相，P3.7 ,P3.6,P3.5 將需查詢數(shù)據(jù)便可判斷出水位的信息。到，P3.4 保持低電平。此時(shí)單片機(jī)僅對于水位監(jiān)測模塊的設(shè)計(jì)要注意電極在中容易生銹或被電化學(xué)腐蝕，影響檢測的準(zhǔn)確性。為了防止這種現(xiàn)象發(fā)生，本設(shè)計(jì)擬采用石墨涂層樣既不影響檢測，也不會(huì)發(fā)生腐蝕等不良結(jié)果。電極，這圖 3.9 水位檢測模塊電氣原理圖3.5 顯示模塊3.5.1LCD1602 電氣接線圖顯示電路有排阻、電位器以及LCD1602，電位器調(diào)節(jié)顯示對比度。STC89C52 的P0 口和排阻、LCD1602 的數(shù)據(jù)I/O 口相連，P20 接 RS 引腳，P21接R/

34、W 引腳，P22 接E 引腳。圖 3.10LCD1602 電氣原理圖3.5.2LCD1602 技術(shù)參數(shù)及接口說明LCD1602 主要性能指標(biāo)有：16X2 個(gè)字符顯示容量；4.55.5V 的工作電壓；2.0mA 工作電流；字符尺寸為 2.95X4.35mm。引腳說明見下表表 3.2LCD 引腳說明符號引腳說明符號引腳說明1VS S電源地9D2數(shù)據(jù)I/O2VDD電源正10D3數(shù)據(jù)I/O3VL液晶偏壓信號11D4數(shù)據(jù)I/O4RS數(shù)據(jù)/命令選擇（H/L）12D5數(shù)據(jù)I/O5R/W讀/寫選擇（H/L）13D6數(shù)據(jù)I/O6E使能14D7數(shù)據(jù)I/O7D0數(shù)據(jù)I/O15BLA背光燈正極8D1數(shù)據(jù)I/O16BL

35、K背光燈負(fù)極3.6 實(shí)時(shí)時(shí)鐘3.6.1DS1302 簡介DS1302 是 DALLAS (時(shí)鐘/日歷和 31 字節(jié)靜態(tài) RAM鐘/日歷提供秒、分、時(shí)、日、自動(dòng)調(diào)整，時(shí)鐘操作可通過)公司推出的涓流充電時(shí)鐘。片內(nèi)包含有實(shí)時(shí)，通過簡單的串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信。實(shí)時(shí)時(shí)、月、年的信息，每月天數(shù)和閏年天數(shù)可實(shí)現(xiàn)M 指示決定采用 24 或 12 小時(shí)格式。DS1302 與單片機(jī)之間采用同步串行的方式進(jìn)行通訊，僅需用到三根線：RST 復(fù)位、 I/O 數(shù)據(jù)線、 SCLK 串行時(shí)鐘。時(shí)鐘/RAM 的讀/寫數(shù)據(jù)可以一個(gè)字節(jié)或多達(dá) 31 個(gè)字節(jié)的字符組方式通信。DS1302 工作時(shí)功耗很低，保持?jǐn)?shù)據(jù)和時(shí)鐘信息時(shí)功率

36、小于1mW。3.6.2時(shí)鐘電路電氣原理圖實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊由電池、晶振、電容以及 DS1302 時(shí)鐘片機(jī)的P2.5 相連，SCLK 與P2.6 相連，I/O 與 P2.7 相連。組成。RST 引腳與單圖 3.11 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路圖3.7驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)模塊包括上水電磁閥驅(qū)動(dòng)電路和加熱元件驅(qū)動(dòng)電路。3.6.1上水電磁閥驅(qū)動(dòng)電路上水電磁閥驅(qū)動(dòng)電路主要元件有：兩個(gè) 1k 電阻、一個(gè)二極管 1N4007、一個(gè)三極管 2N3905，一個(gè) 5V 的 LED 以及繼電器。該驅(qū)動(dòng)電路控制信號低電平有效，這時(shí)三極管導(dǎo)通，繼電器工作，電磁閥開啟實(shí)現(xiàn)低水位自動(dòng)上水。當(dāng)水位檢測模塊監(jiān)測水位到達(dá)高水位時(shí)，P2.3 置 1，三極管關(guān)

37、斷，繼電器停止工作，電磁閥閉合。圖 3.11 自動(dòng)上水驅(qū)動(dòng)電路3.6.2自動(dòng)加熱驅(qū)動(dòng)電路自動(dòng)加熱驅(qū)動(dòng)電路由雙向晶閘管 Q4015N5、光電耦合器件 MOC3022、以及一個(gè) 47 歐姆的電阻。該電路設(shè)計(jì)構(gòu)想是：電熱元件功率比較高，普通繼電器在開通、關(guān)斷瞬間會(huì)產(chǎn)生電弧。由于電弧會(huì)損壞器件，因而普通繼電器難以勝任開關(guān)工作，即使可以，成本也比較高。這里采用固態(tài)繼電器的原理，向晶閘管當(dāng)作交流開關(guān)。雙向晶閘管的門極控制電路的開通與關(guān)斷：當(dāng)單片機(jī)程序判斷需要開啟加熱功能時(shí)，I/O口信號經(jīng)光耦產(chǎn)生門極電流使晶閘管導(dǎo)通；當(dāng)加熱到指定溫度，光耦關(guān)斷門極電路，流過雙向晶閘管的工作電流最多在一個(gè)周期內(nèi)，就會(huì)低于晶閘

38、管的最小導(dǎo)通電流，晶閘管關(guān)斷。圖 3.12 自動(dòng)加熱驅(qū)動(dòng)電路3.8 按鍵模塊3.8.1 按鍵模塊簡介本熱水器控制系統(tǒng)涉及到一些功能設(shè)置鍵和一個(gè)系統(tǒng)復(fù)位鍵，功能鍵分別是： “加”鍵、“減”鍵、“設(shè)置”鍵、“選項(xiàng)”鍵、“返回”鍵、“加熱”鍵以及“上水”鍵。圖 3.13按鍵模塊原理圖在顯示模式中，按下設(shè)置鍵，進(jìn)入設(shè)置模式；設(shè)置模式中按下返回鍵，退出到顯示模式。在設(shè)置模式中，按下選項(xiàng)鍵選擇設(shè)置選項(xiàng)。在特定選項(xiàng)中，由加、減鍵上下設(shè)置數(shù)值。加熱鍵和上水鍵可以手動(dòng)運(yùn)行加熱及上水功能，方便客戶多樣性地使用本控制系統(tǒng)。3.8.2 按鍵抖動(dòng)處理按鍵模塊是操作輸入系統(tǒng)信息的，所以精確識別每個(gè)按鍵的動(dòng)作是決定系統(tǒng)能否

39、正常工作的關(guān)鍵?，F(xiàn)在市場上的按鍵多采用機(jī)械彈性開關(guān)，電信號在機(jī)械觸點(diǎn)的閉合和斷開過程中，完成高低電平的轉(zhuǎn)換。但是按鍵在閉合及斷開瞬時(shí)間由于彈性作用，必然產(chǎn)生一連串的抖動(dòng)。圖 3.14按鍵抖動(dòng)示意圖要防止抖動(dòng)的發(fā)生，為了消除抖動(dòng)的影響，可以從硬件為了穩(wěn)定操作，和兩方面解決：1）硬件延時(shí)消抖：計(jì)算好電容放電時(shí)間，利用放電延時(shí)不失為一個(gè)方案。但本設(shè)計(jì)選用的單片機(jī)程序空間足夠放下消抖的函數(shù)，且考慮到批量生產(chǎn)增加電容的成本，故采用下一方案。2）延時(shí)消抖：如果按鍵較多，常用延時(shí)的方法去抖動(dòng)。流程如下：檢測到按鍵閉合延時(shí) 5-10ms再次檢測按鍵狀態(tài)，如果再次檢測仍是閉合狀態(tài)，則認(rèn)為確實(shí)有按鍵按下。第四章控

40、制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 實(shí)時(shí)時(shí)鐘設(shè)計(jì)4.1.1DS1302 時(shí)鐘地址及數(shù)據(jù)格式對 DS1302 的時(shí)鐘操作需要的數(shù)據(jù)地址及格式如下表所示12。表 4.1 時(shí)鐘地址及數(shù)據(jù)格式下面介紹使用到的寄存器含義：CH(時(shí)鐘停止位)：CH=0 振蕩器工作允許；CH=1 振蕩器停止。寄存器 2 第 5 位（M 定義）：AP=0上午模式；AP=1下午模式。WP（寫保護(hù)位）：WP=0 數(shù)據(jù)能夠?qū)懭?；WP=1 數(shù)據(jù)不能寫入。寄存器 2 第 7 位 (12/24 小時(shí)標(biāo)志)：bit7=0:24 小時(shí)模式；bit7=1:12 小時(shí)模式。4.1.3DS1302流程圖 4.1 DS1302控制流程圖4.1.4時(shí)間子程序void

41、ds_get_time(systemtime *time)unsigned char readvalue;/second readvalue=dsread(dssecond);time-second=(readvalue&0 x70)4)*10+(readvalue&0 x0F);/minute readvalue=dsread(dsminute);time-minute=(readvalue&0 x70)4)*10+(readvalue&0 x0F);/hour readvalue=dsread(dshour);time-hour=(readvalue&0 x70)4)*10+(readva

42、lue&0 x0F);/day readvalue=dsread(dsday);time-day=(readvalue&0 x70)4)*10+(readvalue&0 x0F);/kreadvalue=dsread(dsk);time-/monthk=(readvalue&0 x70)4)*10+(readvalue&0 x0F);readvalue=dsread(dsmonth);time-month=(readvalue&0 x70)4)*10+(readvalue&0 x0F);/year readvalue=dsread(dsyear);time-year=(readvalue&0

43、x70)4)*10+(readvalue&0 x0F);時(shí)間設(shè)置子程序voiddssettime(unsigned char addr,unsigned char byte)dsprotect(0); dswrite(addr,(byte/10)year/10+0;*(datestr+1)=time-year%10+0;*(datestr+2)=-;*(datestr+3)=time-month/10+0;*(datestr+4)=time-month%10+0;*(datestr+5)=-;*(datestr+6)=time-day/10+0;*(datestr+7)=time-day%10

44、+0;*(datestr+8)=0;4.1.7時(shí)間 BCD 轉(zhuǎn)字符程序voidtimezstr(systemtime *time,char *timestr)*timestr=time-hour/10+0;*(timestr+1)=time-hour%10+0;*(timestr+2)=-;*(timestr+3)=time-minute/10+0;*(timestr+4)=time-minute%10+0;*(timestr+5)=-;*(timestr+6)=time-second/10+0;*(timestr+7)=time-second%10+0;*(timestr+8)=0;4.2

45、水溫檢測設(shè)計(jì)4.2.1傳感器操作指令本小節(jié)介紹 DS18B20 的數(shù)據(jù)操作指令，為程序設(shè)計(jì)提供原理性指導(dǎo)。首先要了解 DS18B20 的空間，器由一個(gè)高速暫存器和一個(gè)非易失性E2PROM，其原理如表 3.2 所示。表 4.2 DS18B20 溫度傳感器內(nèi)存空間Byte 0Byte 1Byte 2Byte 3Byte 4Byte 5Byte 6Byte 7Byte 8E2PROM由于 DS18B20 的單總線設(shè)計(jì)，在數(shù)據(jù)傳輸是要滿足一定格式要求的方能進(jìn)行操作。根據(jù)的通信協(xié)議，主機(jī)與 DS18B20 的通信要具有初始化、ROM 操作指令、功能操作指令三個(gè)步驟。下表列出本設(shè)計(jì)需要使用的一些指令及其說

46、明。TH 寄存器或用戶數(shù)據(jù)1*TL 寄存器或用戶數(shù)據(jù) 2*控制字寄存器*高速暫存器SCRATCHPAD溫度值低八位LSB（85C）溫度值高八位MSBTH 寄存器或用戶數(shù)據(jù) 1*TL 寄存器或用戶數(shù)據(jù) 2*控制字寄存器*保留保留保留CRC*表 4.3 ROM 操作指令表和功能指令表4.2.2DS18B20流程描述指令字備注ROM 操作指令忽略 ROM忽略ROM 命令允許主機(jī)不提供 64 位 ROM 編碼以提高訪問器的速度。CCh總線上只有一個(gè) DS18B20 時(shí)方可使用，否則會(huì)發(fā)生。功能指令溫度轉(zhuǎn)換啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換44hDS18B20 發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換狀態(tài)給主機(jī)讀暫存器整個(gè)暫存器包括 CRC 字節(jié)BEh

47、DS18B20 發(fā)送最多 9 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)給主機(jī)，主機(jī)可以隨時(shí)停止 數(shù)據(jù)。寫暫存器寫數(shù)據(jù)到暫存器中的第二、第三、第四字節(jié)空間（TH， TL和控制字寄存器）4Eh主機(jī)發(fā)送三個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)到 DS18B20.暫存器暫存器中TH， TL 和控制字寄存器的數(shù)據(jù)到E2PROM。48h調(diào)取E2PROME2PROM 中的數(shù)據(jù)到暫存器的TH， TL 和控制字寄存器。B8hDS18B20 發(fā)送調(diào)取狀態(tài)給主機(jī)圖 4.2DS18B20流程4.2.3獲取溫度子程序void dsgettemp(unsigned char *eger,unsigned char *decimasigned char *symbol)uns

48、igned char high,low,temp,tempth,temptl,tempconfig; sendChangeCmd();/發(fā)送溫度轉(zhuǎn)換指令 delay_ms(800);sendReadCmd();/發(fā)送暫存器指令low=readByte(); high=readByte(); tempth=readByte(); temptl=readByte(); tempconfig=readByte();sendChangeCmd(); /為下一次溫度做準(zhǔn)備temp=high4; if(0=temp)/溫度計(jì)算(*symbol)=0;(*eger)=(high4);(*decimal)=(

49、low&0 x0f)*0.625;else(*symbol)=1;(*eger)=(high4);(*decimal)=10-(low&0 x0f)*0.625; if(10=*decimal)(*eger) += 1;(*decimal) = 0;4.3顯示模塊設(shè)計(jì)4.3.1LCD1602 指令及說明4.3.2LCD1602RAM 地址LCD1602 液晶控制器0 x80h。RAM 有 80 x8 的緩沖空間，注意數(shù)據(jù)地址還應(yīng)與上4.3.3初始化過程延時(shí) 15mS；寫指令 38H（延時(shí) 5mS；寫指令 38H（延時(shí) 5mS；寫指令 38H（測忙信號）；測忙信號）；測忙信號）；以后每次寫指令、

50、讀/寫數(shù)據(jù)操作均需要檢測忙信號；寫指令 38H：顯示模式設(shè)置；寫指令 08H：顯示關(guān)閉；寫指令 01H：顯示清屏；寫指令 06H：顯示光標(biāo)移動(dòng)設(shè)置；寫指令 0CH：顯示開及光標(biāo)設(shè)置；4.3.4顯示子程序voidlcdoutput(unsigned char x,unsigned char y,unsigned char *str)if(y)/此由有坐標(biāo)x,y 值計(jì)算地址y=1 則顯示在第二行x|=0 x40;x|=0 x80;/LCD1602地址第七位為 1，所以地址要與上 0 x80lcdwrite(d,x);/寫入地址while(*str!=0)/寫入數(shù)據(jù)lcdwrite(data,*st

51、r); str+;4.4水位檢測設(shè)計(jì)水位檢測程序比較簡單，有圖 3.9 水位檢測模塊電氣原理圖所示，僅需P3 口，在低四位就可判斷水位信息。水位檢測模塊的原理是：水位檢測接口，然后進(jìn)行查表，再根據(jù)預(yù)設(shè)的關(guān)鍵水位信息操作繼電器驅(qū)動(dòng)電路。部分程序如下：unsigned char depthpros()unsigned char depth; unsigned char depthvalue; P3=0 xff;depth=P3; depth&=0 xf0; P3=0 xff; switch(depth)case 0 xf0:water=1; depthvalue=100; break;case 0

52、 x70:depthvalue=70; break;case 0 x30:depthvalue=40; break;case 0 x00:water=0; depthvalue=10; break;default:break;return depthvalue;4.5 按鍵模塊設(shè)計(jì)4.5.1鍵值子程序unsigned char readkeys()unsigned char keystemp,keysvalue; doP1=0 xff; keystemp=P1; delay_ms(8); P1=0 xff; keysvalue=P1;while(keystemp!=keysvalue); re

53、turnkeysvalue;4.5.2鍵值處理子程序由于鍵值處理子程序較長，這里摘錄一段修改日期的程序：voidkeyspros()unsigned char x;/零時(shí)變量 chardatestring9,timestring9; charyearnum1; charmonthnum1; chardaynum1; charhournum1; charminnum1;charthnum1; chartlnum1; systemtimedatetime; unsigned char keys;unsigned char pagcount=1;/計(jì)次移動(dòng)charaddnum7;unsigned c

54、har set,add,sub,hea,wat,mov,sav;/設(shè)置，加鍵，減鍵，加熱，上水，移動(dòng)，保存 keys=readkeys();set=keys&0 x01; add=keys&0 x02; sub=keys&0 x04; hea=keys&0 x08; wat=keys&0 x10; mov=keys&0 x20; sav=keys&0 x40;if(set=0)dsgettime1(&datetime); datezstr1(&datetime,datestring);/獲取時(shí)間 timezstr1(&datetime,timestring); if(mov=0)pagcount+;if(pagc