太阳能热水器论文Word文件下载.docx

1、 Abstract：This design takes monolithic integrated circuit AT89S52 as the core, ： combining the single digital temperature sensor DS18B20 and LCD 12864, to design a kind of digital, intelligent control system of solar energy water heater.The system consists of main chip module, DS18B20 temperature de

2、tection module, LCD display module, the water level detection module, keyboard control module, alarm module and solenoid valve control module. Given to the structure of each module and its working principle, system hardware, schematics, process flow charts, and some source code, and theoretical desi

3、gn of physical production. The system needs to lift the water heater in Sheung Shui and excessive artificial overflow problem waiting to reach a time-saving, environmental protection, water conservation purposes. The system with the traditional mechanical control systems compared to simple structure

4、, strong anti-interference ability, easy to use and so on. Keywords：Microcontroller AT89S52;Transducer DS18B20;Intelligence control I 录 1 引言 引言 1 2 系统设计要求和方案论证 1 2.1 系统的设计要求 2 2.2 系统设计方案与比较 2 3 系统硬件电路设计 3 3.1 主控芯片 AT89S52 单片机 3 3.2 温度检测模块 7 3.3 LCD 液晶显示模块 11 3.4 水位检测模块 16 3.4.1 ADC0809 芯片 16 3.4.2 水

5、位接口电路 19 3.5 键盘控制模块 20 3.6 报警模块 20 3.7 电磁阀控制模块 21 3.8 整体电路图 22 4 系统软件设计 23 5 系统硬件调试 24 5.1 自动与手动上水测试 25 5.2 水温和水位显示测试 25 6 结束语 结束语 25 参考文献 27 参考文献 附 录 28 致 谢 44 II 1 引言 由于近年来常规能源的紧缺， 开发和利用太阳能这样的绿色能源有着重要的 意义， 它既是可再生能源， 也不会污染环境。 太阳能热水器也是其中的一大产业， 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，

6、须用电等等。现在人们对家用电器 的要求越来 趋向数字化、自动化、智能化。采用太阳能热水器水温水位测控系 统，能解决上述问题。使用户省心，使用方便，智能操控，用户不必作任何操作。 随着中国经济的快速发展，国内对能源的需求成几何倍数上升。从国际能源 环境来看， 形式并不乐观， 世界能源危机日趋严重， 所以中国经济要想继续高速、 健康的发展，摆脱能源这一“瓶颈”已经变得刻不容缓。太阳能这一取之不尽、 用之不完的新型环保可再生能源必然会成为承担这一重任的首选， 所以我国太阳 能热转换产业的发展前景是非常广阔的，绿色能源代替传统能源，将成为建设和 谐社会的必经之路！ 本系统是针对上述问题设计的温度控制系

7、统，由 AT89S52 单片机和一些外 围设备，充分运用软件和硬件结合的方法实现了当前水位高度显示、水箱温度显 示，以及当水位下降到最低刻度线时自动上水三种主要功能。本系统可使用在水 池，锅炉，水塔等装置上，当水位下降到一定刻度值且大于最低水位值时，可由 人工使用按键来控制水泵立即上水，直至水位到达最高刻度。当水位下降到报警 刻度时，系统可通过自动上水使水位保持在一定的水位高度。每次上水的最大水 位值也可根据环境需要由人工自由设置，上水过程的自动控制省去人工守候环 节，节省了大量的人力，带来了工作效益。 从未来的发展来看,以投资少、无污染、节约能源、多功能、智能化为设计 目标，将会带来客观的经

8、济效益。 2 系统设计要求和方案论证 设计要求是一个设计必须要求达到的目标或完成的目标， 而设计方案是一个 1 设计实现的重要途径，同样必不可少。 2.1 系统的设计要求 设计的系统可以实现当前水位高度、水箱温度的显示，以及当水位下降到报 警刻度时，系统可通过自动上水使水位保持在一定的水位高度。而且还可以人工 手动控制上水，每次上水的最大水位值也可根据环境需要由人工自由设置。 2.2 系统设计方案与比较 方案一：采用半导体逻辑器件构成的控制器，主要应用定时器构成。在此控 制方案里，定时器和加减计数器共同构成水位显示器。由于水温的变化具有未知 性，在水温检测电路里，利用热敏电阻测量的水温信号是模

9、拟量，需要经过模/ 数转换成半导体逻辑器件能够识别的数字信号。这类控制电路过于庞大复杂，操 作也不方便，成本也较高。 方案二：采用可编程逻辑器件。结果简单的 PLC 控制成为首选。由于控制 电路简单，检测电路要求也不高，所以必然造成接口资源和内部资源的浪费，显 然不够经济。 方案三： 采用单片机为核心控制器的电路。 单片机电路结构简单、 成本低廉， 可靠性高，便于实现各个控制功能。水位由设置在水箱内的四个浮子式微动开关 获得的电信号检测，通过单片机处理送达显示电路显示当前水位。由于实际操作 的原因，本设计水位检测用滑动变阻器来代替，通过组织的改变来实现水位的改 变。然后通过模/数转换把信号输入

10、到单片机，获得当前水位显示。水温检测由 单片机根据温度传感器（DS18B20）的操作指令和时序，读取温度，并送达显示 电路显示当前水温。本设计用三个按键来控制上水的水量。 从结构、经济、可操作性等方面来看，方案三都是最佳选择。方案三以单片 机 AT89S52 为核心控制器件，结合单线数字温度传感器 DS18B20 与液晶显示器 12864 和 DAC0809 等芯片，设计一种太阳能热水器智能控制系统。该系统原理 框图如图 1 所示。 2 键盘控制模块 温度检测模块 LCD 显示模块 单片机 AT89S52 水位检测模块 电磁阀控制模块 蜂鸣报警模块 图 1 系统原理框图 用户在使用热水器后，当

11、水箱中水位下降到一定刻度值时，可通过人工使用 按键方法来控制电磁阀立即上水，水位达到的最高刻度也可以由按键设定。当水 位下降到低于刻度线 5L 时，单片机接受此信号并开始执行指令，报警电路工作， 同时电磁阀打开，水位不断升高，当达到最高水位 30L 时便给单片机发出中断请 求，此时电磁阀关闭，停止工作。设置的三个按键也可以实现人工上水的功能。 在上水过程中， 显示器 LCD 既可以显示水箱的水位值又可显示水箱内水的当 前温度，不仅直观方便，而且精确度高，实用性强。此系统解决了热水器上水时 需人工守候和过量溢水的问题，达到了省时、环保、节水的目的。加设的缺水报 警系统和液晶显示部分，使整个系统更

12、实用，更趋向数字化、智能化。 3 系统硬件电路设计 该系统由主控芯片模块 AT89S52、DS18B20 温度检测模块、LCD 液晶显示 模块、水位检测模块、键盘控制模块、报警模块和电磁阀开关模块组成。下面分 别对各个模块作具体介绍。 3.1 主控芯片 AT89S52 单片机2 AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系统可编 3 程 Flash 存储器。 使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造， 与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常 规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU

13、 和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52 具有以下标准功能：8K 字节 Flash，256 字节 RAM，32 位 I/O 口 线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2 级 中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 8Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节点模式。空闲模式下，CPU 停止工作， 允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内 容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件

14、复位为 止。 AT89S52 单片机采用 40 条引脚，双列直排的封装形式。在单片机的 40 条引 脚中，有 2 条专用于主电源的引脚，2 条外接晶振的引脚，4 条控制和其它电源 复用的引脚，32 条 I/O 引脚。图 2 是 AT89S52 引脚图。 图 2 AT89S52 单片机引脚图 下面分别具体说明这些引脚的名称和功能。 （1） 主电源引脚 Vcc 和 GND Vcc：接+5V 电源。 GND：接地。 （2） 时钟电路引脚 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1：接外部晶振的一端。在单片机内部，它是反相放大器的输入端。该 放大器构成了片内振荡器。 4 XTAL2：接外部晶振的另一端。在

15、单片机内部，接至上述振荡器的反相放大 器的输出端，振荡器的频率是晶体振荡频率。 在本设计中，XTAL1 和 XTAL2 端外接石英晶体作为定时元件，内部反相放 大器自激振荡，产生时钟。石英晶体的振荡频率为 12MHz，其原理图如图 3 所 示： 图 3 晶体振荡电路 （3） 控制信号引脚 RST、 ALE / PROG 、 PSEN 和 EA /Vpp RST：单片机上电后，只要在该引脚输入 24 个振荡周期宽度以上的高电平 就会使单片机复位。图 4 是复位电路图。在通电瞬间，电容 C 通过电阻 R 充电， RST 端出现正脉冲，用以复位。关于参数的选定，应保证复位高电平持续时间大 于 2 个

16、机器周期。当采用晶振为 12MHz 时，可取C=10uF,R=10K 。 VCC C R 10u 10k 图 4 复位电路图 ALE / PROG ：地址锁存使能输出/编程脉冲输入端。当 CPU 在访问外部程 序存储器时，ALE 的输出作为外部锁存地址的低位字节的控制信号；当不访问 外部存储器程序期间，ALE 端仍以 1/6 的时钟振荡频率固定地输出脉冲。因此， 它可用作对外输出地时钟或用于定时。 PSEN ：外部程序存储器读选通信号。CPU 在访问外部程序存储器期间，每 5 个机器周期中，PSEN 信号两次有效。 但在此期间， 每当访问外部数据存储器时， 这两次有效的 PSEN 信号不出现。

17、 PSEN 端可以驱动 8 个负载 LSTTL。 EA /Vpp：外部访问允许/编程电源输入端。当 EA 输入高电平时，CPU 执行 程序，在低 4KB（0000H0FFFH）地址范围内，访问片内程序存储器；在程序 将自动转向执行片外程序存储器的程序。 EA 当 计数器 PC 的值超过 4KB 地址时， 输入低电平时，CPU 仅访问片外程序存储器。 （4） 输入/输出（I/O）引脚 P0、P1、P2 和 P3 P0.0P0.7：P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能 驱动 8 个 TTL 逻辑电平。对 P0 端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外 部程序和数

18、据存储器时，P0 口也被作为低 8 位地址/数据复用。在这种模式下， P0 具有内部上拉电阻。在 flash 编程时，P0 口也用来接收指令字节；在程序校验 时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。 P1.0P1.7：P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p1 输出缓 冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。 P1 端口写“1”时， 对 内部上拉电阻把端口拉高， 此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的 原因，将输出电流（IIL） 。此外，P1.0 和 P1.2 分别作定时器/计数器 2 的外部计 数输入（P1.0/T2）和时器/计数器

19、2 的触发输入。在 flash 编程和校验时，P1 口 接收低 8 位地址字节。 P2.0P2.7：P2 口是一个 8 位准双向 I/O 口。在 CPU 访问外部存储器时， 它输出高 8 位地址。在对 EPROM 编程和程序验证时，它输入高 8 位地址。P2 口能驱动 4 个 LSTTL 负载。 P3.0P3.7：P3 口是一个 8 位准双向 I/O 口。它是一个复用功能口。作为第 一功能使用时，为普通 I/O 口，其功能和操作方法与 P1 口相同。作为第二功能 使用时，各引脚的定义如表 1 所示。P3 口的每一条引脚均可独立定义为第一功 能的输入输出或第二功能。 实际在使用中， 总是先按需要

20、优先选用它的第二功能， 剩下不用的才作为第一功能口线使用。P3 口能驱动 4 个 LSTTL 负载。 6 表 1 P3 各口线的第二功能表 口线 P3.0 P3.1 P3.2 P3.3 P3.4 P3.5 P3.6 P3.7 第二功能 RXD（串行输入） TXD（串行输出） INT0（外部中断 0） INT1（外部中断 1） T0（定时器 0 的外部输入） T1（定时器 1 的外部输入） WR（外部数据存储器写选通道） RD（外部数据存储器读选通道） 3.2 温度检测模块 传感器属于信息技术的前沿尖端产品， 尤其是温度传感器被广泛用于工农业 生产、科学研究和生活等领域，数量高居各种传感器之首。

21、近百年来，温度传感 器的发展大致经历了以下三个阶段： 1） （ 传统的分立式温度传感器 （含敏感元件） ； （2）模拟集成温度传感器/控制器； （3）智能温度传感器。目前，国际上新 型温度传感器正从模拟式向数字式、由集成式向智能化、网络化的方向发展。 温度传感器的主要特点是功能单一、测温误差小、价格低廉、响应速度快、 传输距离远、体积小、微功耗等，适合远距离测温、控制，不需要进行非线性校 准，外围电路简单。太阳能热水器温度传感器有很多种，本设计可选用具有负温 度系数的热敏电阻来测水温，热敏电阻与普通电阻不同，它具有负的温度特性， 当温度升高时，电阻值减小，它的应用是为了感知温度。由于取材原因，

22、本设计 选用了型号为 DS18B20 的温度传感器，因为它独特的单线接口，且具有精准度 高、抗干扰能力强等优点，实验中用它来代替温度传感器。 DS18B20 的简介1415 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器 DS18B20 是世界上第一片支持“一线 总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板（ON-BOARD）专利技术。全部 7 传感元件及转换电路集成在形如一只三级管的集成电路内。DS18B20 具有微型 化、低功耗、高性能、抗干扰能力强、可组网等优点，测温分辨率高，为 912 位，精度为 0.5。DS18B20 可直接将温度转化成串行数字信号，因此特别适合 和单片机配合使用，直接读

23、取温度数据。DS18B20 温度与数字对应表如表 2 所 示。目前 DS18B20 数字温度传感器已经广泛应用于恒温室、粮库、计算机机房 温度监控及其他各种温度测控系统中。 表 2 DS18B20 温度与数字对应表 温度 +125 +85 +25.0625 +10.125 +0.5 0 -0.5 -10.125 -25.0625 -55 数据输出（二进制） 0000 0111 1101 0000 0000 0101 0101 0000 0000 0001 1001 0001 0000 0000 1010 0010 0000 0000 0000 1000 0000 0000 0000 0000

24、1111 1111 1111 1000 1111 1111 0101 1110 1111 1110 0110 1111 1111 1100 1001 0000 数据输出（十六进制） 07D0h 0550h 0191h 00A2h 0008h 0000h FFF8h FF5Eh FE6Eh FC90h （1） DS18B20 的引脚图和封装如图 5 所示 图 5 DS18B20 的引脚图和封装 8 （2） DS18B20 的引脚介绍 DQ 为数字信号输入/输入端 GND 为电源地 VDD 为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地） （3） DS18B20 的主要特性 独特的单线接口仅需一个

25、端口引脚 进行通讯 每个器件有唯一的 64 位的序列号存 储在内部存储器中 简单的多点分布式测温应用 可通过数据线供电。供电范围为 3.0V5.5V 测温范围为-55125（67257） ，在1085范围内精 确度为5 温度计分辨率可以被使用者选择为 912 位 最多在 750ms 内将温度转换为 12 位数字 用户可定义的非易失性温度报警设置 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件 应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统 （4） DS18B20 内部结构主要由四部分组成： 位光刻 ROM、 64 温度传感器、 非挥发的温度报警触发器 TH 和 TL、

26、配置寄存器。DS18B20 的内部结构如图 6 所示 图 6 DS18B20 的内部结构框图 9 DS18B20 使用一根单线端口进行通讯。 在单线端口的条件下， 要先建立 ROM 操作协议，才能进行存储和控制操作。光刻 ROM 中的 64 位序列号是出厂前就 被光刻好的，是 DS18B20 的地址序列号，使每个 DS18B20 都有各不相同，这样 就可以在一根总线上挂多个 DS18B20 了。 其中的温度传感器完成对温度的测量。 内 部 的 存 储 器 ， 包 括 一 个 高 速 暂 存 RAM 和 一 个 非 易 失 性 的 可 电 擦 除 的 EEPRAM，后者存放高温度和低温度触发器

27、TH，TL 和结构寄存器。配置存储器 则主要用来设置它的工作模式和分辨率。 DS18B20 测温原理如图 7 所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影 响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器 1。高温度系数晶振随温度变 化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器 2 的脉冲输入。计数器 1 和温度 寄存器被预置在55所对应的一个基数值。 计数器 1 对低温度系数晶振产生的 温度寄存器的值将加 1， 脉冲信号进行减法计数， 当计数器 1 的预置值减到 0 时， 计数器 1 的预置将重新被装入， 计数器 1 重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲 信号进行计数，如此循环直到计数器 2 计数到

28、0 时，停止温度寄存器值的累加， 此时温度寄存器中的数值即为所测温度。 7 中的斜率累加器用于补偿和修正测 图 温过程中的非线性，其输出用于修正计数器 1 的预置值。 斜率累加器 预置 比较 低温度系数晶振 计数器 1 预置 =0 温度寄存器 高温度系数晶振 计数器 2 图 7 DS18B20 的工作原理 DS18B20 工作主程序流程图如图 8 所示。 10 开始 DS18B20 复位 读取温度 数据转换 显示 结束 图 8 DS18B20 主程序流程图 DS18B20 单线通信功能是分时完成的，它有严格的时隙概念。因此系统对 DS18B20 的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化 D

29、S18B20（发复位 脉冲）发 ROM 功能命令发存储器作命令处理数据。 DS18B20 可编程温度传感器采用 3 脚 PR-35 封装，其中 GND 为接地线， DQ 为数据输入输出接口，通过一个较小阻值的上拉电阻与单片机相连。VCC 为 电源接口，既可由数据线提供电源，又可由外部提供电源，范围可为 3.05.5V， 本系统使用外部电源供电。 3.3 LCD 液晶显示模块9 液晶屏显示模块与数码管相比，它显得更为专业、漂亮。液晶显示屏以其微 功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧、使用方便等诸多优点，在通讯、仪器 仪表、电子设备、家用电器等低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用，使这些 电子设备

30、的人机界面变得越来越直观形象，目前已广泛应用于电子表、计数器、 IC 卡电话机、液晶电视机、便携式电脑、掌上型电子玩具、复印机、传真机等 许多方面。 12864 液晶是指这种液晶有 64 行，每行有 128 个点。要显示一个完整的汉 字，需要 16*16 的点阵，即要显示一个汉字需要 16 行，每行有 16 个点.而显示 一个字符只需要 8*8 点阵（或者 5*7 点阵）等。这样 12864 液晶可以显示 4 行汉 11 字，每行能显示 8 个汉字。如果显示字符的话，每行能显示 16 个字符。 本实验采用 TS12864-3 型液晶，这种液晶自带汉字库，可直接显示汉字，采 用的驱动电路是 ST7290。其管脚说明如表 3 所示。 管脚说明 表 3 TS-12864-3管脚说明 管脚 管脚号 1 2 3 16 18 4 5 6 7 8 9 10 11 具体指令介绍： 1、清除显示 CODE: RW L RS DB7 L L DB6 L DB5 L DB4 L DB3 L DB2 L DB1 L DB0 L 管脚符号 GND VDD NC RS WR E DB0