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1、东海科学技术学院本科生毕业论文 I 太阳能热水器水位控制电路设计太阳能热水器水位控制电路设计 张洋 (东海科学技术学院 机电工程系，浙江 舟山 316000) 摘要摘要 随着现代科技的发展，人们对于能源的利用率越来越高，太阳能就是其中最无偿且最环 保的论证和确定，和单片机的选择和主要工作原理的介绍。接下来是本设计的核心部分，着 重结合理论着重研究了太阳能热水器的水位控制电路的各个组成部分。后面的软件设计也必 不可少，最后是对本设计的心得和觉一种，如何合理、高效、最大范围地利用太阳能已经成 为 21 世纪最炙手可热的研究课题之一。 本设计以单片机 AT89S52 为核心，配合 RC 充放电式水位
2、传感器与一块 12864 液晶显示 器，设计一种数字化且智能化的太阳能热水器水位控制系统。虽然本论文课题是水位控制电 路设计，但水位的检测和温度有着密不可分的联系，所以温度的检测模块也是论文必不可少 的一部分。 此外，文中给出了主控芯片模块、LCD 显示板、水位监测控制、电键控制、报警器和电 磁阀控制等模块的结构及其工作原理、系统硬件原理图、程序流程图，并结合相应的理论设 计进行研究。开头部分阐述的是研究太阳能热水器的必要性和国内外的研究动态，正文开始 是设计要求，接着主要是方案的得不足可以加以改进的地方。此设计相对来说比较系统解决 了热水器上在水时需人工等待和过量溢水的问题，达到了省时、省水
3、的目的。该系统与传统 的太阳能热水器控制系统相比较，具有结构简单、使用方便、价格低廉、抗干扰能力强等特 点。 关键词关键词：AT89S52； RC 充放电； 智能控制； 双机通信 东海科学技术学院本科生毕业论文 II Abstract With the development of modern science and technology, efficiency of energy utilization is getting higher and higher. Solar energy is becoming the best one. What kind of rational, ef
4、ficient, and the greatest extent possible use of solar energy has become the 21st century. My design regards the AT89S52 SCM as the core, combining the RC charge- discharge type water-level sensor. I design one kind of digital and intelligent control system of solar energy water heater. Although my
5、issue is about water monitoring system, I still mentioned something about temperature monitoring content. My subject is still mainly in water monitoring. This system consists of main chip modules, LCD display module, the water level detection module. the temperature level detection module, keyboard
6、control module, alarm module and solenoid valve control module. At the beginning of the study describes the need for the solar water heaters , domestic and international research developments, the final part of this article also brings us the design of requirements. Then article brings us the main d
7、emonstration and determination of the program, and the choice of MCU and the working principle of the introduction. Next is the core of this design, combining theory focuses on the solar water heater control circuit of the various components. Behind the software design is also essential , finally, t
8、he lack of design experience and the improvement is present on our eyes This design has relatively solved the water heater in the water waiting to be artificial and excessive overflow problem, to the province, the provincial water purposes. The solar water heater system compared with traditional one
9、s has many advantages, with a simple structure, easy to use, low cost, better stability and so on. Keywords：AT89S52 SCM； RC charge-discharge type；the Intelligence control； SCM Two Machine Communication 东海科学技术学院本科生毕业论文 III 目目录录 第 1 章 绪论.1 1.1 前言.1 1.2 国内外研究动态.1 1.3 太阳能热水器智能水位控制系统整体结构介绍.1 第 2 章 方案论证和单
10、片机的选择.3 2.1 方案论证和方案的选择.3 2.2 水位传感器的选择.4 2.3 单片机的选择.6 2.3.1 AT89S52 选择和其功能性能.6 2.3.2 AT89S52 引脚功能介绍.6 第 3 章 硬件电路设计.9 3.1 水位检测模块.9 3.1.1 水位测量原理.9 3.1.2.水位检测电路设计.10 3.2 温度检测模块.11 3.3 LCD 液晶显示模块.14 3.3.1 12864 液晶.14 3.3.2 LCD 液晶显示电路设计.16 3.4 键盘控制模块.17 3.5 报警模块.18 3.6 电磁阀控制模块.18 3.7 双机通信及其他电路设计.19 3.8其他电
11、路设计.20 3.8.1.晶体振荡电路.20 3.8.2 复位电路.21 3.8.3 设计总电路图.21 第 4 章 系统软件设计.24 4.1 设计思路.24 4.2 温度测量子程序.25 4.3 水位测量子程序.25 东海科学技术学院本科生毕业论文 IV 4.4LCD 液晶显示子程序.26 结束语.27 致谢.28 参考文献.29 东海科学技术学院本科生毕业论文 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.11.1 前言前言 地球上的不可再生能源总有一天会消耗殆尽，所以开发和有效利用太阳能这样的环保 且资源丰富的能源有着重要的意义。太阳能热水器就是太阳能开发和利用的一大产业，所 以完善太阳能热水
12、器也成为最近的研究热门课题。目前太阳能热水器效率和功能上还存在 着比较多的问题：例如不可缺水，空晒情况下上水会爆炸；春、秋天，水温升高造成水变 成水蒸气蒸发，造成热能损失；冬天水温不够，导致热水器成为了摆设。现在人们对家用 电器的要求越来越趋向数字化、自动化、智能化。很多国内外太阳能热水器商家为了使自 己的产品能在市场上有一席之地，在不断提高太阳能热水器性能的同时，也不断加大力度 满足消费者对于太阳能使用方便的要求，于是太阳能热水器的智能化程度也一年比一年高。 但是大部分太阳能热水器还是存在着使用不便和小毛病多等问题。 本设计是针对上述问题设计的温度控制系统，由 AT89S52 单片机和一些外
13、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，很好的解决了一些太阳能热水器的通病。 1.21.2 国内外研究动态国内外研究动态 我国在太阳能热水器的发展迅猛，已经一跃成为太阳热水器第一生产大国，但现状是 我国很多企业生产的太阳热水器仍然有着功能单一、数字化低、智能化低的不足。近几年 来，市场上陆续出现了一些太阳能热水器监测系统的性能不稳定：比如检测误差大、显示 器乱码，还有的与电辅助加热装置不能很好配合和太阳能利用率较低等问题，严重影响了 用户的日常使用也从而影响到太阳热水器的销售业绩惨淡。所以我认为太阳热水器，
14、有着 广阔的发展前景，一款好的监测系统能让整个太阳热水器提高不止一个档次，让企业乐开 了花，也给百姓生活带去了方便，是一种双赢的研究。因此，在太阳能热水器水位监测水 温检测方面的研究发，应引起足够重视，加大投入一定力量研究开发高质量、性能好的测 控产品。 在西方，尤其是美国、德国、以色列这些国家在太阳能热水器方面的研发一直比较活 跃。以美国欧沃斯利诺依斯公司的发明的全玻璃真空管太阳集热器最为普及，使用了高真 空技术，使集热器的热损失比普通平板式太阳能集热器的热损失降低了一大块（该集热器 选择性吸收涂层的吸收阳光的效率 83%） 。另一方面还设计专门开发了用于太阳能热水器 的先进的应用软件，从而
15、使太阳能热水器技术水平领先我国不少。 1.31.3 太阳能热水器智能水位控制系统整体结构介绍太阳能热水器智能水位控制系统整体结构介绍 1.水位、水温测量电路。这部分用于采集水位水温信号给单片机，是太阳能热水器控 制器最关键的部位。 东海科学技术学院本科生毕业论文 2 2时间、水位、温度显示和键盘电路。这部分用于系统和人的信息交互。 3驱动电路。上水电磁阀、报警电路，是整个系统的执行部分。 东海科学技术学院本科生毕业论文 3 第第 2 2 章章 方案论证和单片机的选择方案论证和单片机的选择 2.12.1 方案论证和方案的选择方案论证和方案的选择 方案一：利用单片机进行水位检测和控制，基于数字电路
16、的全自动控制，其工作过程 是被测水位经过模拟信号采集模块进行采样，然后把采样得到的模拟信号送入 ADC0804 进行 A/D 转换读如单片机，再由单片机进行处理，得出结果是否启动/停止控制电路执行信 号以达到水位的控制，具体硬件流程框图入图 2.1 所示。 A/D 转换 输 出 控 制 单 片 机 控 制 水 位 水 位 传 感 器 图 2.1 方案一具体流程框图 方案二：采用 AT89S52 单片机为核心控制器的电路。因为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能很好的完成设计任务。水位检测由本设计使用 的 RC 充放电水位传感器通过检测来实现水位的改变。然后通过 A/D
17、 转换把信号输入到单 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。本设计再用三个按键来控制上水的水量， 本方案智能化、数字化的太阳能热水器控制系统。具体流程框图如图 2.2。 键盘控制输入 快 显示电路 控制电磁阀 水温检测 水位检测 蜂鸣报警 A/D AT89S52 图 2.2 方案二流程框图 方案三：在方案二的整体思路基础上稍做更改，设计分为房顶和房间，利用两个单 片机 AT89S52 分别控制。楼上的 AT89S52 主要利用 DS18B20 进行水温的测量，另一方面 RC 充放电水位传感器获取的信号经过
18、电压比较传送给单片机1，得出结果，由单片机给出 命令来控制电磁阀的开与关，另一方面信号通过双机通信传给楼下的单片机来控制显示电 路和报警。同时房间可以通过键盘控制手动控制电磁阀开关、蜂鸣停止和液晶屏幕的开关。 具体流程框图如图 2. 3。 东海科学技术学院本科生毕业论文 4 房顶 AT89S52 房间 AT89S52 水 温 检 测 水 位 检 测 电 压 比 较 键 盘 输 入 控制 电磁阀 显 示 电 路 蜂 鸣 电 路 双机通信 图 2.3 方案三流程框图 综合以上三种方案，方案一由于缺少温度检测模块，而水温也是影响太阳能热水器 很重要的一方面：比如说水箱中水温度过高导致水沸腾这时候虽然
19、水所在刻度不是满的， 实际上已经溢出，这样说来方案一的设计算不上智能。方案二在思路上没有任何问题，可 在实际生活中比较不切实际，因为显示器在楼顶，倘若用户在一楼跑到五楼甚至更高，那 肯定不方便，液晶成了摆设，再如液晶这样的电子产品放在房顶风吹雨淋长此以往如果没 妥善保护很容易坏掉。方案三是在方案二的基础上完善和加强的，采用单片机键的双边通 信，用户只要在楼下的房间里或者卫生间门口就可以看到水位和水温的情况，比起方案二 更加方便，也更加合理。 其基本工作原理是当用户在使用热水器时，水箱中水位下降到一定刻度值时，单片 机会发指令给报警电路，同时打开电磁阀水箱内会水自动上水，水位达到的最高刻度时单
20、片机会控制电磁阀进行放水。当水位下降到低于设定的最低刻度线时，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，当达到最高水位时便 给单片机发出中断请求，此时电磁阀关闭，停止加水。在上水过程中，在楼下的 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，使整个系统更实用，更趋向数字化、智 能化。 2.22.2 水位传感器的选择水位传感器的选择 方案一排阻分档键盘式水位传感器2：一种类似键盘电路的分档水
21、位传感器，其原理 图如图 2.4 所示。 排阻式水位传感器的工作原理大致是分别用 5 根铜针分别置于水箱内的四种不同高度的位 置。铜若针不接触水面，其输出为高电平；若铜针与其对应水面接触时则输出为低电平， 东海科学技术学院本科生毕业论文 5 东海科学技术学院本科生毕业论文 6 it 博客it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it
22、 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客i
23、t 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 it 博客 东海科学技术学院本科生毕业论文 7 输出接至电子开关，经过 CD4069 反向并经 74LS244 驱动后分别接到 AT89S52 的 P10P13 引脚。单片机对这些引脚进行判断后 ，显示相应的水位值。显示共分 4 档
24、，每档为满水位的 20% 。用了这种方法可以省去了传统的 AD 转换器步骤，成本也降 低。不过也有个缺点就是精度不高。 图 2. 4 排阻式水位检测系统示意图 方案二：RC 充放电式水位传感器测量电路其基本形状如图 2.5 所示。3 公共 水位 图 2.5 RC 充放电式水位传感器示意图 从图 2.5 中我们可以看到传感器外很形很普通，该传感器一共只有两个端口，第一个 端口是公共水位，第二个端口是实际水位端口。观察传感器可知水位传感器有 5 个与水接 触点，我们从上到下依次命名它们为 15 触点。我们分别测量了触点不同接法时公共和水 CD 4069 74LS2 44 P1.0 P1.1 P1.
25、2 P1.3 AT89S52 水箱 东海科学技术学院本科生毕业论文 8 位 两端口之间的电阻，输出电阻值表如下表 2.1。 表 2.1 输出电阻值表 短接方式无短接1、21、2、31、2、3、 4 1、2、3、4、5 输出电阻值 极大值 25k12.5 k8.3k6.3 k 方案选择 以 RC 充放电式水位传感器来测量水位有较大优势，RC 充放电式水位传感器只要两 根线就可以，这里相对于排阻法就省下不少的导线，另一方面占用较少的 I/O 口，仅需两 个 I/O 口就能完成水位检测任务，极大地节约了单片机的 I/O 口资源。 综上比较可见选用第二种方案较为优越。 2.32.3 单片机的选择单片机
26、的选择 2.3.12.3.1 AT89S52AT89S52 选择和其功能性能选择和其功能性能 AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS 的 8 位微控制器4，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 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 与工业 80C51 产品 指令和引脚完全兼容得益于它使用高密度非易失性存储器制造技术。 单片机 AT89S52 标准功能：8K Flash ROM（数据存储器） ，256B RAM（程序存储 器） ，32 个外部双向输入/输出（I
27、/O）口，三个可编程 16 位定时器/计数器，一个“看门狗” （WDT）定时器，一个 6 向量 2 级中断结构，两个数据指针，全双工串行口，片内晶振及 时钟电路。此外，AT89S52 如果降至 8Hz 静态逻辑操作，可支持两种软件可选择节点模式： 在掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，停止芯片其它功能直至外中断激活 或硬件复位。在空闲的模式下，CPU 暂停工作，而 RAM 定时计数器，串行口，外中断系 统可继续工作。 2.3.22.3.2 AT89S52AT89S52 引脚功能介绍引脚功能介绍 AT89S52 单片机采用双列直排的 40 条引脚的封装形式。AT89S52 的 40
28、 条引脚中，有 2 条只用于主电源的引脚，还有 2 条外接晶振的引脚，另外 4 条控制和其它电源复用的引 脚，32 条 I/O 引脚。 如图 2.6 是 AT89S52 单片机引脚图。 东海科学技术学院本科生毕业论文 9 P1.0/T2 1 P1.1/T2EX 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 RST 9 P3.0/RxD 10 P3.1/TxD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.5/T1 15 P3.6/WR 16 P3.7/RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 20
29、P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 P2.7/A15 28 PSEN 29 ALE 30 EA/VPP 31 P0.7/AD7 32 P0.6/AD6 33 P0.5/AD5 34 P0.4/AD4 35 P0.3/AD3 36 P0.2/AD2 37 P0.1/AD1 38 P0.0/AD0 39 VCC 40 U1 AT89S52 图 2.6 AT89S52 单片机引脚图 AT89S52 引脚的名称和功能： Vcc：接+5V 的电源。 GND：为接地。 XTAL1
30、：接在外部晶振的一端。在单片机内部是反相放大器的输入端，该放大器 构成了片内振荡器。 XTAL2：接在外部晶振的另一端。在单片机内部接至上述的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。 控制信号引脚 RST、ALE/PROG、PSEN 和 EA/Vpp RST：9 脚也就是 RESET，复位输入，单片机上电后如果要使单片机复位，只要 在该引脚输入 24 个振荡周期宽度以上的高电平就可达到。图 3.15 为该单片机的 复位电路图。在通电瞬间，电容 C 通过电阻 R 进行充电，RST 端出现正脉冲，用 以复位。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将使得单片机 复位
31、。单片机正常工作时，此引脚应为不大与 0.5V 的低电平。 ALE/PROG：30 脚，地址锁存使能输出/编程脉冲输入端。 ，ALE（地址锁存允许） 输出脉冲用于锁存地址的低 8 位。当不访问外部存储器程序时，ALE 仍以时钟振 东海科学技术学院本科生毕业论文 10 荡频率的 1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要 注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。 。 PSEN：29 脚，外部程序存储器读选通信号，低点平有效。当 AT89S52 由外部程 序存储器执行外部代码时，每个机器周期中，PSEN 信号两次有效，也就是输出 两个脉冲。但在此期间，每
32、当访问外部数据存储器时，这两次有效的 PSEN 信号 不出现。 EA/Vpp：31 脚，外部访问允许/编程电源输入端。当 EA 输入高电平时（接 Vcc 端） ，CPU 执行程序，在低 4KB（0000H0FFFH）地址范围内，访问片内程序存 储器；当程序计数器 PC 的值超过 4KB 地址时，将自动转向执行片外程序存储器 的程序。当 EA 输入低电平（接 GND）时，CPU 仅访问片外程序存储器。在 flash 编程期间，EA 也接收 12 伏 VPP 电压。需注意的是：如果加密位 LB1 被编 程，复位时内部会锁存 EA 端状态。 输入/输出（I/O）引脚 P0、P1、P2 和 P3 P0
33、 口：P0 口是一个双向 I/O 口并且拥有 8 位漏极开路的，同时可以驱动 8 个 LS 型的 TTL 负载。对 P0 写 1 这个时候引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数 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。 P1 口：P1 口是一个具有上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 可驱动 4 个 LS 型的 TTL 电平。P1 口是专为用户使用的准双向 I/O 口，作为通用的 I/O 口输入时应先向端 口锁存器写 1。 P2 口：P2 口是一个双口功能、字节地址为 0H、位地址为 A0HA7H。P2 口作为 地址输出线时可以输出高
34、 8 位 到外部存储器，与 P0 输出的低 8 位的地址一齐够 成 16 位地址，可以寻址的地址空间为 64KB。在访问外部程序存储器或用 16 位 地址读取外部数据存储器时，P2 口送出高 8 位地址。在这种应用中，P2 口使用 较强的内部上拉发送 1。 P3 口：P3 口是一个 8 位双向 I/O 口具有内部上拉电阻的，P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P3 写 1 时，内部上拉电阻会把端口拉高，此时可以作为 输入口用。作为输入口使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出 电流（IIL） 。 由于 AT89S52 的引脚有限，因此在 P3 电路多了种特殊功能即第
35、二功能。P3 口的每一 条引脚都可分别定义为第二功能的输入功能或第二输出功能。实际在使用中，一般都是是 先按需求优先选择它的第二功能，剩下不用的才作为第一功能口线使用。 各引脚的定义如下： P3.0/RXD：串行数据输入口 P3.1/TXD 串行输数据出口 P3.2/INTO 外中断 0 输入 P3.3/INT1 外中断 1 输入 P3.4/TO 定时/计数器 0 外部计数输入 P3.5/T1 定时/计数器 1 外部计 东海科学技术学院本科生毕业论文 11 P3.6/WR 外部数据存储器写选 P3.7/RD 外部数据存储器读选 第第 3 3 章章 硬件电路设计硬件电路设计 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。 3.13.1 水位检测模块水位检测模块 3.1.13.1.1 水位测量原理水位测量原理 1检测原理图如图 3.1。 东海科学技术学院本科生毕业论文 12 水箱 水位 检测口 4*25K 公共 充放电口 图 3.1 RC 充放水位传感器原理图 它的是利用 4 个并联的电阻5，电阻随水位变化而变化，每当水面接触一个钢针就会 多并联一个电阻，电阻随水位变化而规律的变化。因