太阳能热水器水温水位检测系统.docx

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太阳能热水器水温水位检测系统

摘要

近几十年来，自动控制技术迅猛发展，在工农业生产，交通运输，国防建设和航空、航天事业等领域中获得广泛的应用。

随着生产和科学技术的发展，自动控制技术至今已渗透到各种科学领域，成为促进当今生产发展和科学技术进步的重要因素，而且渐渐由自动化向智能化转变。

随着地球上存储的油，煤等能源逐渐消耗而日益减少，利用太阳能为人类服务的项目也就越来越多，且将最终取代油和煤，太阳能热水器也已经被越来越多的人民接受，特别是它环保、节能的优点，使其在市场竞争中占有优势。

本文设计了一个太阳能热水器水温水位检测显示报警仪。

以AT89S52单片机为核心，实现了四级水位检测和显示。

在本系统中，需要用到四个干簧管传感器，在检测水温水位的棒子上等距离的有一个卡口，卡口上有一块磁铁，当水位上升时，带动套在棒子上的干簧管传感器上升，上升到卡口的位置时传感器在磁铁的作用下部闭和，发出信号，同时该传感器被卡口卡住，静止不动，随着水位的上升下一个传感器有随着水位的上升而上升，依次类推，水位的检测就是这样进的。

水温由LM35精密集成电路温度传感器，经AD620放大器放大模拟信号，再由A/D转换器ADC0832将模拟信号转换成数字信号送入单片机，最后通过数码管动态显示出来。

软件部分采用C语言编程，C语言作为一种简洁高效的编译型高级语言，具备可读性好，可靠性高，运算速度快，编译效率高，可移植性好，有功能丰富的函数库等特点，并且可以直接实现对系统硬件的控制，因而逐渐成为单片机应用中的主流编程语言。

单片机采用C语言编程是大势所趋，当前厂商在推出新的单片机产品时，纷纷配套C语言编译器就是证明。

关键词：

太阳能AT89S52单片机数码管显示器水温水位

本科专业毕业设计成绩评定表

1前言

近年来，自动化技术迅猛发展，在工农业生产，交通运输，国防建设和航空，航天事业等领域中获得广泛的应用。

随着生产和科学技术的发展，自动控制技术至今已渗透到各种科学领域，成为促进当今生产发展和科学技术进步的重要因素，而且渐渐由自动化向智能化转变。

随着地球上存储的油，煤等能源逐渐消耗而日益减少，利用太阳能为人类服务的项目也就越来越多，且将最终取代油和煤，而太阳能热水器的便使用随着近几年来的发展，越来越得到人们的认可，在一些充足地区得到了充分应用，也已经被越来越多的人喜爱，特别是它环保、节能的优点，使其在市场竞争中占有优势。

本文设计了一个太阳能热水器水温水位检测显示报警仪。

以AT89S52单片机为核心，实现了四级水位检测和显示。

在本系统中，需要用到四个干簧管传感器，在检测水温水位的棒子上等距离的有一个卡口，卡口上有一块磁铁，当水位上升时，带动套在棒子上的干簧管传感器上升，上升到卡口的位置时传感器在磁铁的作用下部闭和，发出信号，同时该传感器被卡口卡住，静止不动，随着水位的上升下一个传感器有随着水位的上升而上升，依次类推，水位的检测就是这样进的。

水温由LM35精密集成电路温度传感器，经AD620放大器放大模拟信号，再由A/D转换器ADC0832将模拟信号转换成数字信号送入单片机，最后通过数码管动态显示出来。

2传感器

人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官，而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了，为了适应这种情况传感器就应运而生了。

因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。

传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的，便于应用的某种物理量的测量装置。

这一定义包含了以下几面的意思：

一是传感器是测量装置，能完成检测任务；二是它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量，生物量等；三是它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输，转换，处理，显示等等，这种量可以是气，光，电量，但主要是电量；四是输出输入有对应关系，而且有一定的精确程度。

本系统设计涉及到两种传感器，一种是温度传感器，这里采用美国NS公司生产的LM35系列温度传感器；一种是水位传感器，这里采用普通的干簧管传感器。

下面依次对所采用的传感器做出说明。

2.1LM35系列精密摄氏温度传感器

2.1.1简述

LM35系列是精密集成电路温度传感器，其输出的电压线性地与摄氏温度成正比。

因此，LM35比按绝对温标校准的线性温度传感器优越得多。

LM35系列传感器生产制作时已经过校准，输出电压与摄氏温度一一对应，使用极为便。

灵敏度为10.0mV/℃，精度在0.4℃至0.8℃（-55℃至+150℃温度围）,重复性好，低输出阻抗，线性输出和部精密校准使其与读出或控制电路接口简单和便，可单电源和正负电源工作。

LM35的封装图如图1所示：

图1三种封装及外形

2.1.2特性

（1）在摄氏温度下直接校准

（2）+10.0mV/℃的线性刻度系数

（3）确保0.5℃的精度（在25℃）

（4）额定温度围为-55℃至+150℃

（5）适合于远程应用

（6）工作电压围宽,4V至30V

（7）低功耗,小于60uA

（8）在静止空气中,自热效应低,小于0.08℃的自热

（9）非线性仅为±1/4℃

LM35参数指标如表1所示：

表1LM35参数指标

型号封装工作温度围存放温度

LM35DZTO-92塑封0℃至+100℃-60℃至+150℃

LM35CZTO-92塑封-40℃至+110℃-60℃至+150℃

LM35CAZTO-92塑封-40℃至+110℃-60℃至+150℃

LM35HTO-46金属封-55℃至+150℃-60℃至+℃

LM35AHTO-46金属封-55℃至+150℃-60℃至+℃

LM35CHTO-46金属封-40℃至+110℃-60℃至+℃

LM25CAHTO-46金属封-40℃至+110℃-60℃至+℃

LM35DHTO-46金属封0℃至+100℃-60℃至+℃

LM35DMSO-8表面贴0℃至+100℃-65℃至+150℃

2.1.3LM35使用要点

实际使用中，可将塑封的传感器的平面用环氧树指粘贴在待测的零件表面，若是TO-46金属封装的，则可在待测零件上钻一个与传感器管帽相当的，用胶粘牢，安装十分简单。

温度差不会超过0.01℃，这是在假定环境空气温度与表面温度总是相同的前提下，如果环境温度比表面温度高或低多时，LM35器件外表面的实际温度将为环境温度和表面温度之间的温度。

对于TO-92封装来说，情况更是如此。

在这里，铜导线是向器件传导热量的主要热渠道，因此，其温度将更接近空气温度，而不是表面温度。

为了解决这个问题，应确保到LM35的导线保持与器件外表面同样的温度，最容易的法是用环氧树脂覆盖这些导线，以确保引线和导线与器件外表面具有相同的温度，使得器件外表面的温度将不受环境温度的影响。

TO-46金属封装也可被焊在金属表面或管子上，当然在这种情况下电路的电源负端（V-）接地到金属壳上。

另一种法是，LM35被安装在密闭的金属管中，然后浸入一个槽中或拧入槽的螺纹中。

和任集成电路一样LM35和其伴随导线及电路必须绝缘和干燥，以防止漏电几腐蚀。

如果电路工作在可能发生凝结的低温下，就应该更加注意。

经常使用Humiseal和环氧树脂等印刷电路涂层和漆，以确保湿气不会腐蚀LM35或其连接。

电容负载问题：

与多微功率电路一样，LM35具有有限的驱动电容负载能力。

若无特别的预防措施LM35独自能驱动50pF的电容负载。

如果加入一个更大的负载，可以便地用一个电阻来隔绝或解耦这个负载，或者在输出与地之间用一个串联的R-C阻尼器来提高电容的容差。

2.2干簧管传感器

干簧管传感器是触点传感器的一种，因为它有一些独特的优点，虽然具有触点的结构，但仍广泛地被应用于自动检测和自动控制系统领域中。

2.2.1干簧管

干簧管的是干式舌簧开关管的简称，它是一个充有惰性气体（如氮，氦等）的小型玻璃管，在管密封有用导磁导电材料制成的两支触点弹簧片（其触点部分采用了金，铑，钯合金等镀层），如图2所示：

图2干簧管传感器结构图

当干簧管所处位置的磁场强度足够强，使触点弹簧片磁化后产生的磁性吸引力能克服其预反力时，两弹簧片互相吸住而使触点接通当磁场减弱到一定程度时，在触点弹簧片预反力作用下触点断开。

干簧管体积小，簧片质量轻，惯性小，动作快是它突出的优点。

2.2.2干簧管传感器原理

干簧管有两种驱动式，一为永磁铁，二为电磁线圈，前者多用于检测，后者多用于控制。

因此，干簧管传感器主要接受永磁铁送来的磁场信号，换句话说，在永磁铁材料，形状，体积，矫顽力一定的情况下，干簧管触点触和与否，决定于与永磁铁所处的相对位置和距离。

下图给出了往复运动磁控干簧管原理示意图。

干簧管不动的情况，其原理如图3所示：

图3往复运动磁控干簧管示意图

干簧管传感器有下列特点：

（1）由于触点密闭于惰性气体中，故有效地防止了围有机蒸气和尘埃等杂质对触点的侵蚀，同时大减小了由于火花所引起触点的氧化和炭化，因此提高了工作可靠性。

（2）触点弹簧片小而轻，而使吸上和释放时间快而短，比普通的电磁继电器快5～10倍以上，故可做速动开关。

（3）由于触点部分有合金镀层而使接触电阻变化平稳，提高了机电寿命。

（4）体积小，重量轻，便于安装，使用灵活，和晶体管电路配套使用可作到小型化。

（5）便于组成小巧价廉的磁控传感器。

由于上述特点，干簧管传感器广泛地被应用于自动检测系统中，作为行程测量之用。

同时由电磁线圈驱动的干簧管也被普遍地应用于采样控制和巡回检测系统中。

由于干簧管传感器与触点传感器相同，都是钯模拟量转换成开关量的传感器，不适于连续检测。

本设计需要用到四个干簧管传感器，在检测水温水位的棒子上等距离的有一个卡口，卡口上有一块磁铁，当水位上升时，带动套在棒子上的干簧管传感器上升，上升到卡口的位置时传感器在磁铁的作用下部闭和，发出信号，同时该传感器被卡口卡住，静止不动，随着水位的上升下一个传感器有随着水位的上升而上升，依次类推，水位的检测就是这样进行的，具体连线我们在后面再阐述。

3放大器

温度传感器输出的信号经初使状态平衡调节后，每升高1摄氏度其信号是0～10mv，不能直接送给单片机进行A/D变换及显示，需将其放大为0：

5V。

另外由于环境背景，外界温度等诸多因素会对温度传感器的输出信号造成十分重的影响。

传感器的微弱信号往往淹没再各种干扰之中，这就要求放大器除满足一定的放大量要求之外，还应有足够的共模抑制比，具有高精度，低漂移，低燥声和长期稳定性。

因此，一般放大器不能满足温度检测的要求，而由高运放组成的差动放大器，对外接电阻的精度要求比较高，也难以用于实际测量，由于集成仪器放大器具有以下优点而在传感器放大电路中得到了广泛的应用。

（1）价格低，体积小；

（2）外接元件少，电路简单；

（3）能处理微弱信号，由于仪器放大器具有很高的共模抑制比和良好的温度特性，因此甚至能处理μV级的信号。

（4）在处理交直流差分信号时，抗源阻抗不平衡能力很强。

因为仪器放大器的输入阻抗高（大于109Ω），所以当源电阻变化1KΩ左右时，也不会产生明显的失调现象。

鉴于集成仪器放大器以上优点和力传感器对放大电路的要求，选用美国模拟器材公司生产的AD620做为放大器是比较合适的。

AD620是一种低价格，低功耗仪器放大器，它只需要外接一只电阻来设置1：

1000的放大倍数。

AD620为8脚封装，其尺寸小，功耗低（最大电流仅有1.3mA）。

AD620具有很高的精度（最大非线性为4×10-5，最大失调电压为50μV，最大失调漂移为0.6μV/℃）。

因此钯它用于太阳能热水器水温水位检测系统中是比较理想的。

AD620在输入端采用了超β处理，使其有较低输入偏置电流，最大值也只有1.0nA.AD620的输入电压噪声低，在0.1Hz:

10Hz的带宽为9nV/HZ,0.28μVp-p,输入电流噪声为0.1PA/HZ，使其成为一个很好的前置放大器。

其主要特点为：

可单电阻设置增益；电源工作围宽；功耗低；输入失调电压低；输入失调漂移低；输入偏置电流低；噪声低；交流特性优良；共模抑制比高；加之它体积小，价格低，使其还广泛应用于其他场合，如医疗仪器的心电图和其他多路转换应用系统。

AD620有三种工作温度：

AD620S（军用级）-55℃～125℃

AD620A（工业级）-45℃～85℃

AD620I（商业级）0℃～70℃

AD620其使用极限值：

电源电压±18V

部功耗650Mw

共模抑制比±Vs

差发输入电压±25V

输出短路持续时间连续

AD620的增益选择使用电阻RG来设定的，既用AD620引脚1和8之间的阻抗来设定。

使用0.1%～1%的电阻，AD620就能提供精确的增益G，当G=1时，RG引脚不要连接（即相当于RG→∞），其它任增益均可通过下式计算。

RG=49400/（G-1）

（1）

为了减小误差，要避免与RG串联的较高的寄生电阻，为了减小漂移，RG的温度系数要比较小，一般低于10-5/℃就能得到很好的性能。

表2为几种RG的增益对应表。

具体如表2所示。

表2AD620外接电阻RG的增益对照表

RG（Ω）

1%标准电阻

计算增益

RG（Ω）

1%标准电阻

计算增益

49.9K

1.990

49.3K

2.002

12.4K

4.984

5.49K

9.998

2.61K

19.93

1.00K

50.40

499K

100.0

249K

.4

AD620AN为工业级塑封8脚DIP双列直插式封装，其引脚排列如图4所示：

图4AD620AN引脚排列

1脚和8脚RG按外接增益设定电阻；2脚和3脚IN-,IN+接测量电桥输出信号；4脚和7脚分别接电源的负极和正极；5脚REF端是基准端，若在5脚接一恒定参考电压，则会使6脚的输出电压产生一个相应的偏置电平。

489S52单片机应用系统[1]

近年来，单片机以它的体积小，重量轻，抗干扰能力强，价格低的独特性能而获得了迅猛发展，它的应用已深入到工业，农业，国防，科研，教育以及日常生活用品（家电，玩具）等各个领域。

MCS-51系列单片机在国介绍较多，资料比较齐全，充分，性能价格高，供货渠道也很多。

因此我们的这个太阳能热水器水温水位检测显示报警仪系统选用MCS-51系列的单片机也是十分自然的了。

4.189S52单片机应用系统的组成[2]

MCS-51系列的所有产品都是40脚封装，它们的引脚功能与指令系统完全兼容，当前使用较多的是89S52、89S51、89C52这三种芯片，而尤以89S52用得最广，因此本章介绍得是以89S52为核心得单片机应用系统。

4.1.189S52的基本特性

（1）一个8位微处理器（CPU）。

（2）片4KB程序存储器FlashROM，用以存放程序、一些原始数据和表格。

（3）片256字节数据存储器RAM/SFR。

（4）4个8位并行I/O端口P0—P3，每个端口既可以用作输入，也可以用作输出。

（5）2个16位的定时器/计数器。

（6）具有5个中断源、两个中断优先级的中断控制系统。

（7）一个全双工UART串行I/O口。

（8）片振荡器和时钟产生电路。

4.1.289S52单片机应用系统组成[3]

89S52单片机应用系统的组成框图由89S52CPU，EEPROM，RAM，A/D转换器0809，D/A转换器0832，并行接口芯片8255，键盘显示电路，串行口MAX232复位电路和看门狗电路等组成。

由于本设计只是进行水温水位的检测，因此上面所说的D/A转换器0832、键盘显示电路、串行口MAX232复位电路不需要用到，因此在下面就不再详细进行说明了。

框图如图5所示：

图589S52单片机应用系统组成框图

4.1.3主要技术特征

（1）中央处理单元

中央处理单元选用89S52。

（2）系统时钟

系统时钟选用12MHz,对89S52典型指令的执行时间为1μs。

（3）存储器

89S52将程序存储器和数据存储器统一编址。

程序存储器使用FlashROM,容量为4KB，存放89S52本机监控程序和CRT监控程序。

数据存储器选用两片静态RAM。

两片都具有掉电保护装置，配有自动充电电池。

也可将这两片RAM，改用E2PROM进行数据保护。

（4）配有A/D转换电路（ADC0809）

89S52可经过ADC0809外接8路模拟输入信号。

（5）配有D/A转换电路（DAC0832）

该应用系统配有D/A转换器芯片DAC0832一片，可输出两路模拟信号供控制用。

（6）带有可编程并行接口芯片8255

8255有三个输入输出口PA，PB，PC，经插座JP6，JP7与外部设备连接。

89S52可供使用的并行口只有P1口，接上8255后，扩充了三个8位并行口，这些并行口可以连接打印机或EPROM编程器。

（7）带有全双工I/O串行口

串行口采用了MAX232芯片，省略了±12V电源，只用单±5V供电即可，提高了系统的可靠性；串行口可实现与高位机进行通讯。

（8）总线接口

89S52单片机应用系统将40根系统总线经JP3插座引出，为用户扩展外围电路提供了便。

（9）具有WATCHDOG抗干扰电路

89S52单片机应用系统提供了一个WATCHDOG电路，能有效防止程序飞跑。

（10）采用8279驱动键盘和显示器

89S52单片机应用系统有8位LED显示管和25个键码键盘作为输入输出设备。

它们采用8079芯片驱动，优点是减少89S52管理键盘和数码显示器的开销，可避免显示管的闪动和提高其亮度。

（11）有高速E2PROM编程器选件高速EPROM编程器选件可对2716～27512EPROM芯片进行高速编程。

4.289S52的信号引脚[4]

89S52是标准的的40引脚双列直插试集

成电路芯片，引脚系列参如图6所示：

信号引脚介绍：

（1）P0.0~P0.7：

P0口是一个8位双向I/O

时进行工作。

在指令的前半期，P0口作口。

在访问外部寄存器和扩展I/O时，分为地址

总线的低8位，在指令的后半期为8位的

数据总线。

作输入口使用时要先写1。

（2）P1.0-P1.7：

P1口是一个带有上拉电阻

的8位双向I/O口。

（3）P2.0-P2.7：

P2口是一个带有上拉电阻

的8位双向I/O口。

在访问外部存储器和扩展

I/O口时，送出地址总线高8位。

图689S52引脚图

（4）P3.0-P3.7：

P3口是一个带有上拉电阻的8位双向I/O口，其第一功能是作为通用I/O口，第二功能是作为特殊信号线使用。

（5）ALE地址锁存允信号端：

在系统扩展时，ALE用于控制P0口输出的低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。

此外由于ALE是以晶振1/6的固定频率输出的正脉冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。

（6）

外部程序存储器读选通信号：

在读外部程序空间时PSEN有效（低电平），以实现外部程序空间单元的读操作。

（7）

访问外程序存储器控制信号：

当EA信号为低电平时，CPU只访问片外ROM并执行片外程序存储器中的指令，而不管是否有片程序存储器；而当EA信号为高电平时，CPU只访问片FlashROM并执行部程序存储器中的指令。

（8）RST复位信号：

当输入的复位信号延续2个机器期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的初始化复位操作。

（9）XTAL1和XTAL2外接晶体引线端：

当使用芯片部时钟时，此2引线端用于外接英晶体和微调电容，当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。

（10）P3端口引脚与复用功能：

P3引脚端口功能如表3所示：

表3P3端口引脚与复用功能

端口引脚

复用功能

P3.0

RXD（串行口输入）

P3.1

TXD（串行口输出）

P3.2

INT0（外部中断0输入）

P3.3

INT1（外部中断1输入）

P3.4

T0（定时器0的外部输入）

P3.5

T1（定时器1的外部输入）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器读选通）

4.30832A/D转换芯片[5]

ADC0832是美国半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。

由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。

ADC0832引脚图如图7所示：

4.3.1芯片接口说明

（1）CS_片选使能，低电平芯片使能；

（2）模拟输入通道0，或作为IN+/-使用；

（3）模拟输入通道1，或作为IN+/-使用；

（4）GND芯片参考0电位（地）；

（5）DI数据信号输入，选择通道控制；

（6）DO数据信号输出，转换数据输出；

（7）CLK芯片时钟输入；

（8）Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）。

图7ADC0832的引脚图

ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。

其部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。

芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。

独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加便。

通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。

4.3.2单片机对ADC0832的控制原理[6]

正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。

但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。

当ADC0832未工作时其CS输入端应为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。

当要进行A/D转换时，须先将CS使能端置于低电平并且保持低电平直到转换完全结束。

此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。

在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必须是高电平，表示启始信号。

在第2、3个脉冲下沉之前DI端应输入2位数据用于选择通道功能。

当此2位数据为“1”、“0”时，只对CH0进行单通道转换。

当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。

当2位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。

当2位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1作为正输入端IN+进行输入。

到第3个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。

从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。

直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。

也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出DATA0。

随后输出8位数据，到第19个脉冲时数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。

最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。

作为单通道模拟信号输入时ADC0832的输入电压是0~5V且8位分辨率时的电压精度为19.53mV。

如果作为由IN+与IN-输入的输入时，可是将电压值设定在某一个较大围之，从而提高转换的宽度。

但值得注意的是，在进行IN+与IN-的输入时，如果IN-的电压大于IN+的电压则转换后的数据结果始终为00H。

ADC0832与单片机的连接电路如图8所示：