太阳能热水器控制器的软硬件设计毕业论文.doc

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1、编编 号号 本本科科生生毕毕业业设设计计（ 论论文文 ） 题目：题目： 太阳能热水器控制器 的软硬件设计 物联网工程 学院 电子信息工程 专业 学 号 0703090325 学生姓名 于昆才 指导教师 于凤芹 教授 II 二一三年六月 设计总说明 I 设计总说明设计总说明 在全世界能源都高度紧张的今天，传统的燃气和电热水器使用成本越来越高，太阳 能热水器凭借着太阳能取之不尽的优点越来越受到人们的欢迎但与太阳能热水器发展 日趋成熟的现状不同，与之配套的热水器控制器还存在着很多问题有些热水器控制器 无法自动控制水温和水位，经常出现干烧、过烧或水温不适等情况针对这个现状，设 计一种单片机控制的太阳能

2、热水器控制器该控制器可以让热水器功能更加的完善，也 使得热水器使用更加安全，因此这是一个具有实用价值的课题 本课题以单片机控制为基础，提出了一种通过传感器实时检测温度和水位，再由单 片机控制继电器驱动相应控制模块来实现温度和水位智能控制的系统方案，核心是设计 出一个太阳能热水器控制器该控制器在太阳能热水器原有的温度和水位显示功能基础 上，新增了温度控制、水位控制、防干烧和过烧警报等功能控制器的设计又分硬件部 分和软件部分硬件部分由 STC89C52 单片机主控模块、DS18B20 温度传感器测温模块、 干簧管水位传感器测水位模块、继电器驱动的温控和水位控制模块、键盘输入和液晶显 示模块等部分组

3、成软件部分由单片机主控，通过程序分析传感器检测的当前温度和水 位，再通过与预设值的比较来发出信号驱动相应的控制模块，实现对温度和水位的自动 控制此外本设计的程序也采用模块化结构，将整个程序设计分成若干功能模块先将 每个模块的功能实现，然后再组合到一起，使其逻辑关系更清晰易读，而且增强了程序 的可移植性 关键词：关键词：热水器控制器；单片机；软件设计；硬件设计 DESIGN SUMMARY II DESIGN SUMMARY Today the worlds energy are highly strained,Traditional gas and electric water heaters

4、 use increasingly higher costs.With the advantages of inexhaustible solar energy,the solar water heaters are more and more popular.However,different from the rapid development of solar water heaters, the research of water heater controller has been in infancy. Many water heater controller can not au

5、tomatically control the temperature or water level , cause the dry-burning,over-burning or making the temperature of the water uncomfortable.For this situation, design a microprocessor controlled solar water heater controller.The controller not only make the heaters function more perfect,but also ma

6、ke it more save.So,it is a valuable issue. The object is based on micro controller,proposed a system solution which make the sensor detect the temperature and water level at real-time,and MCU control the relays to make it drive the corresponding moduleThe core is to design a solar water heater contr

7、oller.It not only has the function of temperature and water level display,but also has temperature control,water level control and alarming the dry-burning or over-burning. The design of the controller is divided into hardware components and software components. The hardware part is consist of STC89

8、C52 MCU control module,DS18B20 temperature sensor temperature measurement module, water level measure module,temperature and water level control module,keyboard input and LCD display module.The software part is dispatched by MCU. Through program analyzes the current temperature and water level detec

9、ted by sensor, to achieve the automatic control of temperature and water level.In addition ,the program is also designed with modular structure,the whole program design is divided into several functional modules. Realizing the function of each module first, and then group them together.Making it wit

10、h the clear and understandable structure,but also enhancing the portability of programs. Keywords: water heater controller; MCU; software design；hardware design 目录 i i 目目 录录 第 1 章 绪论1 1.1 课题背景1 1.2 太阳能热水器控制器国内外现状1 1.3 本论文研究内容2 第 2 章 需求分析及总体设计5 2.1 需求分析5 2.2 总体设计方案 5 2.3 芯片选择方案论证6 2.3.1 单片机芯片的选择方案和论证

11、 6 2.3.2 温度传感器的选择方案和论证 6 2.3.3 水位传感器的选择方案和论证6 2.4 太阳能热水器的组成及工作原理简介7 第 3 章 硬件电路设计9 3.1 总述9 3.2 温度传感器模块设计.10 3.2.1 DS18B20 简介 .10 3.2.2 DS18B20 工作原理 .10 3.3 水位传感器模块设计.11 3.4 LCD 显示模块设计 .12 3.4.1 1602 液晶显示器工作原理 12 3.4.2 显示模块电路连接.14 3.5 温度控制模块设计.15 3.5.1 继电器驱动电路.15 3.5.2 继电器驱动温控模块.15 3.6 水位控制模块设计.16 3.6

12、.1 电磁阀简介.16 3.6.2 水位控制模块.16 3.7 电源模块设计.17 3.8 按键模块设计.17 3.9 报警模块设计.17 3.10 单片机辅助电路18 3.10.1 时钟电路18 3.10.2 复位电路18 第 4 章 系统软件设计19 目录 ii 4.1 主程序流程图 .19 4.2 温度测控部分流程图.21 4.3 水位测控部分流程图.22 4.4 液晶显示部分流程图.24 4.5 按键部分流程图.25 第 5 章 结论与展望27 5.1 设计小结.27 5.2 不足之处及未来展望.27 参考文献28 致 谢29 附录 A：作者在校期间发表的论文30 附录 B：作者在校期

13、间项目成果物31 附录 C：部分模块汇编程序33 附录 D：硬件总原理图37 太阳能热水器控制器的软硬件设计 1 第第 1 1 章章 绪论绪论 1.1 课题背景课题背景 我们所处的时代堪称“能源时代”人们从来没有像今天这样重视能源，世界上的大多 数国家都在极力的在寻求新的廉价的可再生能源，以求得可持续发展和在日后的竞争中 获取优势地位太阳能则以其巨大、长久、广泛、无害等显著优势得到的广泛的关注 在众多的太阳能产品中，太阳能热水器无疑是技术最成熟的也是与人们日常生活最 密切相关的太阳能热水器将太阳能转化为热能，利用太阳的光和热使水温升高，以满 足人们日常需求它不但有效利用了太阳能，节约了能源，而

14、且相比传统的用煤炭或者 电力对水进行加热的方式，更具有环保无污染的优点所以太阳能热水器一经产生便受 到广大人民的青睐 前几年的热水器市场上，太阳能、电、燃气三种加热方式的热水器三分天下但是 随着世界能源危机的日益加重，有着可再生优势的太阳能加热方式逐渐打破了这一平衡， 取代了传统的电能和燃气加热方式的热水器2008 年，太阳能热水器市场占有率首次超 过了电热水器和燃气热水器之和，到 2009 年，其占有率达到 56.7%如表 1-1 所示为 2001-2009 年三种热水器市场占有率1 表1-1 2001-2009年三种热水器市场占有率 年份 电热水器 （%） 燃气热水器 （%） 太阳能热水器

15、 （%） 2001 30 54.8 15.2 2003 44.23 37.57 22.2 2005 45.2 26.57 28.23 2007 42.3 19.2 38.5 2008 49.2 50.8 2009 43.3 56.7 1.2 太阳能热水器控制器国内外现状太阳能热水器控制器国内外现状 我国太阳能热水器产业发展迅速，目前已经成为世界上最大的太阳能热水器生产国， 但与热水器配套的控制器却一直处于研究和开发阶段2近几年来，市场上陆续出现了一 些太阳能热水器控制器产品，但是大多数存在着诸如性能不稳定，容易产生误操作，温 度、水位可以检测但是无法自动控制，数码管显示器经常出现乱码等问题，严

16、重影响了 用户使用更有甚者，有些控制器质量较差，会经常发生故障，如加热温度过高时无法 自动停止加热或者水箱内已经没水了但是还在加热，形成了过烧和干烧的情况，安全性 无法保证基于上述原因，太阳能热水器控制器这个有着广阔发展前景的产品，由于产 品开发投入的较少，一直没有得到广泛的推广，从而也影响了太阳能热水器使用的用户 体验因此，在太阳能热水器控制器方面，应该引起足够的重视，要加大人力和财力的 投入，开发出一款高质量高性能的控制器 国外的太阳能热水器起步很早，世界上第一台热水器是美国马里兰州的肯普于1891 年发明的到20世纪40年代，人们创造了各式各样被统称为“闷晒式”的太阳能热水器 3第二次世

17、界大战之后人们的注意力又开始转向发展经济一些缺少常规能源的国家如 日本等最先开始投入到太阳能的开发和利用经过人们的努力，一些简易的平板太阳能 江南大学学士学位论文 2 集热器 太阳能热水器控制器的软硬件设计 3 在当时在市场上出现到了20世纪70年代，世界性能源危机日益严重，迫使人们对太阳 能的开发和利用越来越重视许多国家开始投入到太阳能开发的行列，其中太阳能热水 器是典型的代表性的产品到了70年代末期，太阳能热水器在美国、澳大利亚、日本、 德国等国家得到了很大的发展在随后的十几年中，平板集热器型热水器在一些国家得 到了较快发展1975年美国欧文斯-伊利诺伊公司发明了全玻璃真空管太阳能热水器并

18、推 向市场3当时，集热管的选择性吸收涂层平均阳光吸收率约为83%，后来由于采用了高 真空技术，使得集热器的了损失比普通的平板式太阳能集热器热损失降低了两个数量级， 从而太阳能热水器得到了进一步快速发展，到了上世纪90年代，这种热水器成为推广应 用的主流产品90年代末，为了进一步提高效率、提高性能，德国研制了热管式真空管 太阳能热水器，一些国家研制了一些高质量的太阳能热水器专用的零部件，另一些国家 为优化设计专门开发了太阳能热水器的应用软件还有一些国家开始着手开发全天候使 用的太阳能热水器控制器系统总之在西方的发达国家，太阳能热水器领域的开发研究 一直比较活跃 1.3 本论文研究内容本论文研究内

19、容 文章首先对太阳能热水器控制器的背景做了简单介绍并分析了当前国内外现状，发 现国内的太阳能热水器产业已日趋成熟，但是与之相配套的太阳能热水器控制系统却存 在很多问题之后又对设计进行了需求分析，列出了控制器需要实现的主要功能，然后 根据相应的功能来选择对应的芯片或器件来设计功能模块本设计的硬件部分主要由单 片机控制电路、温度传感器模块、水位传感器模块、温度控制和水位控制模块、键盘和 液晶显示模 块、警报装置等组成软件部分通过对功能的设计和分析，制作了各模块的 流程图最后对本设计所做的工作进行总结，并给出建议和展望 本论文的核心是设计一种太阳能热水器控制器，使热水器具有温度显示、水位显示、 温度

20、自动控制、水位自动控制和智能警报的功能 温度检测部分通过 DS18B20 传感器来实现，DS18B20 是一种数字式温度传感器，仅 需要一条数据线与单片机连接来进行数据传输，而且不需要 A/D 转换模块，可以很大程 度上简化电路 水位检测部分通过干簧管水位传感器来实现，本论文共设计了四个检测点，分别对 应水箱中的“下” 、 “中下” 、 “中上” 、 “上”的位置，当水没过检测点时，干簧管被磁化 形成通路，对应的水位输出级会被拉低，单片机可以通过读各个检测点水位输出极的电 平来判断水箱中水位 温度和水位的控制部分分两种情况讨论，一种是人工操作，另一种是自动控制本 论文设计了四个控制按键，分别用

21、来实现“加热” 、 “停止加热” 、 “上水” 、 “停止上水” 功能其中温度和水位的控制按键（如“加热”和“停止加热” ）用两个按键来分别实现， 是因为本论文中也设计了自动加热和上水的功能，如果每组只设计一个按键（即开关闭 合为加热，断开为停止） ，当系统故障出现干烧或者过烧时，就无法通过人为操作使其停 止了自动控制部分由程序预先设定，在特定的条件下系统会自动对温度和水位进行调 节此外，本设计的控制模块都是通过单片机触发继电器来驱动相应大功率电路来实现 江南大学学士学位论文 4 的 警报部分本设计设置了两种情况报警：干烧和过烧当水位低于“下”而且还在 加热的时候，系统发出干烧警报无论水位如何

22、，当温度高于 80 摄氏度且还在加热时， 系统发出过烧警报 太阳能热水器控制器的软硬件设计 5 江南大学学士学位论文 6 第第 2 2 章章 需求分析及总体设计需求分析及总体设计 2.1 需求分析需求分析 本课题设计的热水器控制器需要实现如下功能： 1 温度显示水温范围0100摄氏度，精确到1摄氏度 2 水位显示在水箱内设置4个检测点，分别代表水位“上” 、 “中上” 、 “中下” 、 “下” 四个级别 3 温度自动控制当系统检测到水温低于20摄氏度并且水位在“中下”以上时，系 统启动加热装置，升高水温当水温高于80摄氏度时，系统关闭加热装置，停止加 热这样可以使水箱里边的水温控制在一个合适的

23、温度 4 水位自动控制当系统检测到水位低于“下”时，启动自动上水装置，开始上 水当水位到“上”时，停止上水 5 智能警报当系统检测到水位低于“下” ，且此时还在加热时，启动警报装置，警 报干烧无论水位如何，当温度高于80摄氏度且还在加热时，系统启动警报装置，警报 过烧 2.2 总体设计方案总体设计方案 系统的硬件通过单片机控制，其他部分由键盘模块、温度传感器模块、水位传感器 模块、液晶显示模块、警报装置、继电器驱动的温度和水位控制电路等组成 如图2-1 所示，该控制器选用STC89C52单片机主控，供电部分通过电源模块将220V 的交流电转化成5V直流电压本设计设置了6个按键，分别实现电源、复

24、位、加热、上水、 停止加热、停止上水功能，人们可以通过外部按键的控制它们来实现相应的功能温度 传感器选用了防水的DS18B20，将其放入水箱中来实时检测水温水位检测部分选用干簧 管水位传感器，在水箱中设置4个检测点，用来帮助判断水箱中水位显示部分用1602液 晶显示器，主要显示当前水温和水位状况温度和水位控制部分通过控制继电器驱动相 应的加热装置或电磁阀来实现对温度和水位的调控本系统还设计了警报装置，用来警 报干烧和过烧情况，增强了系统的安全性 图 2-1 系统的总体设计框图 太阳能热水器控制器的软硬件设计 7 2.3 芯片选择方案论证芯片选择方案论证 2.3.12.3.1 单片机芯片的选择方

25、案和论证单片机芯片的选择方案和论证 方案一: 采用 89C51 芯片作为硬件核心，采用 Flash ROM，内部具有 4KB ROM 存储空间,能 于 3V 的超低压工作,而且与 MCS-51 系列单片机完全兼容,但是运用于电路设计中时由于 不具备 ISP 在线编程技术, 当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增 功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏 方案二: 采用 STC89C524该芯片内部存储器为 8KB ROM 存储空间，同样具有 89C51 的 功能，且具有在线编程可擦除技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对 程序的新增功能需要烧入程序

26、时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损 坏另外，STC 系列单片机的 P0 口不需要上拉电阻，可使电路更加简洁 综上所述，本设计选择采用 STC89C52 作为主控制系统 2.3.22.3.2 温度传感器的选择方案和论证温度传感器的选择方案和论证 方案一： 使用热敏电阻作为传感器，用热敏电阻与一个相应阻值电阻串联分压，利用热敏电 阻阻值随着温度的变化而变化的特性，采集这两个电阻变化的分压值，并进行A/D转 换此设计方案需要用到A/D转换电路，增加硬件成本而且热敏电阻的感温特性曲线不是 严格线性的，这样会产生较大的测量误差 方案二： 采用数字式温度传感器DS18B20，此类传哪去为数字式

27、传感器，仅需要一条数据线进 行数据传输，易于与单片机连接，也不需要A/D转换模块，降低硬件成本和系统的复杂 度此外，数字式温度传感器具有精度高，测量范围广等优点 从电路简化和系统稳定性角度考虑，本设计采用DS18B20传感器由于是测热水器水 箱内的水温，所以选择防水型DS18B20 2.3.32.3.3 水位传感器的选择方案和论证水位传感器的选择方案和论证 方案一： 投入式液位传感器把传感器探头投入液体中间，利用探头检测到的液体压力来测 量出液体的深度这种方案的缺点是长时间使用时探头会被腐蚀，不适合长期在水箱中 使用 方案二： 干簧管水位传感器如图2-2所示在一段密封塑料管内分上、中上、中下、

28、下四处放 置四个干簧管作为四个检测点在塑料管外套一个内部有环形磁铁的浮子，当水位变化 时浮子也上下滑动，当浮子经过干簧管检测点时会触发其闭合，形成通路，使对应的水 位输出级输出低电平，这样便可知道水箱内水位了本方案干簧管的接触点与大气隔绝， 江南大学学士学位论文 8 管内有稀有气体，可有效防止水蒸气和尘埃等对其的腐蚀 图2-2 干簧管水位传感器示意图 由于方案一的探头易被腐蚀，所以本设计采用方案二 2.4 太阳能热水器的组成及工作原理简介太阳能热水器的组成及工作原理简介 在进行太阳能热水器控制器硬件设计之前，先来补充一下太阳能热水器的组成和工 作原理，熟悉其基本结构和工作过程 图 2-3 太阳

29、能热水器工作原理 如图2-3所示太阳能热水器主要由集热管，循环水箱和补给水箱三大部分组成其中 集热管主要用来吸收太阳能热量，加热过的水通过上升水管进入循环水箱循环水箱中 的冷水通过下降水管进入集热管中进行加热自来水管用来往补给水箱中注水，补给水 箱是用来给循环水箱提供冷水的最终的热水通过热水输出管输出 本科生毕业论文（设计）题目 9 太阳能热水器的最主要器件是集热管5，在热水器的集热管表面有一特殊涂层，它 在太阳发出的可见光波长范围对光有极大的吸收率，吸收的光能转化为热能而在集热 器散热辐射的波长范围下，该涂层对长波的发射率很低，这样又可以保留吸收的太阳能 热量，从而逐渐将冷水加热成热水此外，

30、集热管的结构也十分讲究它像一根被拉长 的热水壶内胆，是由两只玻璃管套合而成，外层是透明的，内层才是涂有光谱选择性的 吸收涂层，内外管之间是真空的，可以防止散热套管下边还有一块反射光板，这样使 得玻璃管背光部分也会被照射到通过这么多精心的设计，使得集热管可以能够最大限 度的吸收光能而且最小限度的散失热量，所以即使在高寒地区，太阳能热水器也可以一 年四季都正常使用 集热管内的水通过吸收太阳能的热量温度上升，由于热水的密度要小于冷水，所以 循环水箱中的冷水会通过下降水管进入集热管，而热水会通过上升水管进入循环水 箱循环水箱中的热水通过热水出水管输出时，循环水箱的水位会下降，这时补给水箱 中的来自自来

31、水管中的冷水会进入循环水箱，这样保证了冷水也是一直可以提供的太 阳能热水器就是通过这样的水循环原理实现不断将冷水加热成热水的这种热水器利用 循环加热的原理，因此又称循环热水器 江南大学学士学位论文 10 第第 3 3 章章 硬件电路设计硬件电路设计 3.1 总述总述 该控制器以单片机核心，结合其他模块来实现温度、水位的控制和显示等功能系 统上电后，会首先初始化和扫描按键，当检测到来自键盘的信号时，单片机会通过控制 相应的引脚电平来驱动相应的控制电路温度传感器 DS18B20 和干簧管水位传感器用来 检测实时的温度和当前的水位当温度过高或水位高出或低于设定值时，单片机也会做 出的反馈如：停止加热

32、、控制上水等，并会在一定条件下做出相应的警报LCD 液晶显 示模块用来显示当前的温度和水位状况 硬件系统原理图如图 3-1 所示，单片机的 P1.0 口与温度传感器 DS18B20 的数据线 DQ 相连P1.1 和 P1.2 均连接继电器驱动电路，P1.1 连的继电器用来驱动一个电磁阀， 以实现水位控制功能P1.2 的继电器驱动一个加热装置用来实现温度控制P1.3 引脚连 接警报装置，当水位低于中下且还在加热或者当水温高于 70 摄氏度还在加热的时候，警 报装置启动，以防止出现干烧和过烧的情况P1.4P1.7 四个引脚分别连接水位传感器的 下、中下、中上、上四个水位探针的输出极P0.0P0.7

33、 与 1602 显示器的数据线相连， 1602 显示器的使能端接在单片机的 P2.0 口，读写控制端分别接 P2.7 和 P2.6单片机的 P2.1P2.4 分别接停止上水开关、上水开关、停止加热开关和加热开关，当按下相应的按 键时，单片机对应 I/O 口接收到信号再通过程序控制来做出相应的反馈 图 3-1 硬件系统原理框图 太阳能热水器控制器的软硬件设计 11 3.2 温度传感器模块设计温度传感器模块设计 3.2.13.2.1 DS18B20 简介简介 温度传感器是最常用的传感器之一早期的温度传感器都是模拟传感器，如热敏电 阻，随着环境温度的变化，它的阻值也发生线性变化，用处理器采集电阻两端

34、的电压， 然后根据特定的公式就可计算当前环境温度随着科技的进步，现代的温度传感器已经 走向数字化，并广泛的应用到生产实践的各个领域，为我们生活提供了很大的便利条 件随着现代仪器的发展，微型化、集成化、数字化正在成为传感器的一个重要方 向美国DALLAS半导体公司推出的数字化温度传感器DS18B204采用单总线协议，即与 单片机接口仅需占用一个I/O端口，无须任何外部元件，直接将环境温度转化为数字信号， 以数字码方式串行输出，从而大大的简化了传感器与单片机的接口联系 DS18B20 只有电源、数据和地线三个引脚，使用起来非常方便电路连接如 3-2 所 示GND 接地线，VCC 接电源信号输入输出

35、端 DQ 与单片机 P1.0 引脚相连，并且连有 10K 欧的上拉电阻，确保总线空闲时一直处于高电平 图 3-2 DS18B20 电路连接 3.2.23.2.2 DS18B20 工作原理工作原理 硬件电路连接好以后，接下来的问题就是单片机如何将 DS18B20 中的温度数据读取 出来本设计只需要一个温度传感器，就不需要读取 ROM 编码以及匹配 ROM 编码了， 只要用跳过 ROM（CCH）命令，就可以开始进行温度转换和读取的操作6 DS18B20 在出厂时默认配置为 12 位，其中最高位为符号位，即温度值共 11 位，单 片机在读取数据时，一次会读 2 字节共 16 位，读完后将低 11 位

36、的二进制数转化为十进 制数后再乘以 0.0625 边为所测的实际温度值另外，还需要判断温度的正负由于温度 值只占用了 11 位，所以前五位均为符号位，这五位同时变化前五位位 1 时，读取的温 度为负值，此时测量的数值需要取反加 1 再乘以 0.0625 才可得得到实际温度值前五位 为 0 时，读取的温度为正值，此时仅需要将测量的数值直接乘以 0.0625 即为实际温度 江南大学学士学位论文 12 值表 3-2 所示为常用的 DS18B20 指令 表 3-2 常用 DS18B20 指令 读ROM33H读DS18B20中的编码(即64位地址) 符合ROM55H 发出此命令后，接着发出64位ROM编

37、码，访问单总线 上与该编码相对应的DS18B20,使之作出响应，为下一步 对该DS18B20的读写作准备 搜索ROM0F0H用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数和识别64 位ROM地址，为操作各器件作好准备 跳过ROM0CCH忽略64位ROM地址，直接向DS18B20V 温度转换命 令，适用于单个DS18B20工作 告警搜索命令0ECH执行后，只有温度超过预设值上限或下限的片子才做出响 应 温度转换44H 启动DS18B20进行温度转换，转换时间最长为 500ms(典型为200ms),结果丰入内部 9 字节 RAM 中 读暂存器BEH 读内部RAM中9字节的内容 写暂存器4EH 发出向

38、内部RAM的第3、4字节写上、下温度数据命令， 紧该温度命令之后，传达两字节的数据 复制暂存器48H 将RAM中第3、4字内容复制到E2PROM中 重调E2PROM0B8H将E2PROM中内容恢复到RAM中的第3、4字节 读供电方式0B4H 读DS18B20的供电模式，寄生供电时DS18B20发送 “0” ，外部供电时DS18B20发送“1” 3.3 水位传感器模块设计水位传感器模块设计 本设计采用干簧管水位传感器 图3-3所示为干簧管7，也称舌簧管，是一种特殊的开关它内部触点通常由两个软 磁性金属簧片构成，两个金属簧片平行放置，并且中间有一部分重叠，如图3-4所示在 正常的情况下，它们的是断

39、开的，当外部有磁场作用时，两个簧片会被磁化，然后吸合， 形成通路，当磁场撤去时，簧片断开，形成断路干簧管内部充有惰性气体以保障其簧 片的性能干簧管比一般机械开关结构简单、体积小、速度高、工作寿命长、可靠性高， 基于上述优点，干簧管也被广泛的应用到人们的生产生活中 图 3-3 图 3-4 太阳能热水器控制器的软硬件设计 13 水位传感器是在一端封闭的一段 PVC 管内，在上、中上、中下、下四个位置分别垂 直安装四个干簧管，干簧管的公共端接+5V 电源，另外四个端分别为水位高、中上、中 下、低的信号输出端PVC 管外套一个环形磁铁浮漂，当热水器内水位变化时，浮漂会 随着液面变化而上下浮动，当带有环

40、形磁铁的浮漂经过管内的干簧管时会吸合相应的干 簧管，随即输出相应的水位信号水位输出极的外部连接四个公共端接+5V 电源的上拉 电阻并分别与单片机的 P3.0 、P3.1、P3.2、P3.3 四个引脚相连当没有水的状态下，单 片机四个引脚在上拉电阻的作用下为高电平水位经过时，干簧管被磁化吸和形成通路， 此时单片机对应的引脚为低电平，单片机通过读取对应引脚的逻辑电平来判断水位的高 低此外，水位的高低会最终显示在 1602 液晶显示器上水位检测部分的原理图如 3-5 所示： 图 3-5 水位传感器电路连接与示意图 3.4 LCD 显示模块设计显示模块设计 3.4.13.4.1 16021602 液晶

41、显示器工作原理液晶显示器工作原理 液晶是一种高分子材料，因为其特殊的物理、化学、光学特性，20 世纪中叶开始广 泛应用在了显示器上液晶显示器的主要原理是用电流车技液晶分子产生点、线、面并 配合背部灯光构成画面各种型号的液晶通常是按照显示字符的行数或液晶点阵的行、 列数来命名本设计中使用的 1602 就是每行显示 16 个字符，一共可以显示两行 常用的 1602 显示器有 16 个引脚，各引脚的功能如表 3-39所示： 江南大学学士学位论文 14 表 3-3 1602 液晶显示器引脚介绍 编号符号引脚说明编号符号引脚说明 1VSS电源地9D2数据 2VDD电源正极10D3数据 3VL液晶显示偏压

42、11D4数据 4RS数据/命令选择12D5数据 5R/W读/写选择13D6数据 6E使能信号14D7数据 7D0数据15BLA背光源正极 8D1数据16BLK背光源负极 对应各个引脚，有一些常用的指令如表 3-44所示： 表 3-4 1602 常用指令 序号 指令RS R/W D7D6D5D4D3D2D1D0 1清显示0000000001 2光标返回000000001* 3置输入模式00000001I/DS 4显示开/关控制0000001DCB 5光标或字符移位000001S/C R/L* 6置功能00001DLNF* 7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址 8置数据存贮器地址001

43、显示数据存贮器地址 9读忙标志或地址01BF 计数器地址 10 写数到 CGRAM 或 DDRAM） 10 要写的数据内容 11 从 CGRAM 或 DDRAM 读 数 11 读出的数据内容 1602 液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的（说明： 1 为高电平、0 为低电平） 指令 1：清显示，指令码 01H,光标复位到地址 00H 位置 指令 2：光标复位，光标返回到地址 00H 指令 3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏 幕上所有文字是否左移或者右移高电平表示有效，低电平则无效 指令 4：显示开关控制 D：控制整体显示的开与关

44、，高电平表示开显示，低电平表 示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标 是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁 指令 5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标 太阳能热水器控制器的软硬件设计 15 指令 6：功能设置命令 DL：高电平时为 4 位总线，低电平时为 8 位总线 N：低电平 时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示 5x7 的点阵字符，高电平时显示 5x10 的点阵字符 指令 7：字符发生器 RAM 地址设置 指令 8：DDRAM 地址设置 指令 9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模

45、块不能接收 命令或者数据，如果为低电平表示不忙 指令 10：写数据 指令 11：读数据 液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令前一定要确认模块的忙标志为 低电平，表示不忙，否则此指令失效要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告 诉模块在哪里显示字符，图 3-6 是 1602 的内部显示地址 图 3-6 例如第二行第一个字符的地址是 40H，那么是否直接写入 40H 就可以将光标定位在 第二行第一个字符的位置呢？这样不行，因为写入显示地址时要求最高位 D7 恒定为高电 平 1 所以实际写入的数据应该是 01000000B（40H）+10000000B(80H) =11000000B(

46、C0H) 在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动 右移的，无需人工干预每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态1602 液 晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了 160 个不同的点阵字符图形，这些 字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都 有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是 01000001B（41H），显示时模 块把地址 41H 中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A” 3.4.23.4.2 显示模块电路连接显示模块电路连接 如图 3-7 所示，1602 的使能端与单片机 P2.

47、0 相连，当 P2.0 从高电平变成低电平时液 晶模块开始执行指令RS 和 RW 分别与单片机 P2.7 和 P2.6 引脚相连，用于控制数据的 读写数据引脚 D0D7 与单片机的 P0.0P0.7 相连，用来进行数据交换 江南大学学士学位论文 16 图 3-7 1602 电路原理图 3.5 温度控制模块设计温度控制模块设计 3.5.13.5.1 继电器驱动电路继电器驱动电路 继电器10的定义是：当输入量的变化达到规定要求时，在电气输出电流中使被控量 发生预定的阶跃变化的一种电器通俗一点说，继电器实际上是 用小电流来控制大电流 运作的一种“自动开关” ，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路

48、等作用 图 3-8 继电器驱动电路原理 常见的继电器驱动电路如图 3-8 所示我们知道，单片机是一个弱电器件，通常的工 作环境电压在 5V 作用，电流也是毫安级别的而要把它用到一些像电动机那样大功率场 合，显然是不行的所以就需要有一个环境来衔接，这就是所谓的“功率驱动” 继电器 驱动就是一种典型的、简单的功率驱动环节这里的驱动主要是指用继电器驱动其他负 载，继电器驱动相当于是单片机与其他大功率负载的接口 单片机对继电器的控制利用了三极管的开关作用当单片机在三极管基极给出高电 平时，继电器两端无电势差，继电器也就不工作当想让继电器驱动其他大功率负载的 时候，单片机在三极管基极给出低电平，继电器两端电压不等，则继电器有输入电压， 继而输出更大的电压来驱动其他负载图中二极管为继电器线圈在由吸合变为断开时提 供续流，以免瞬间产生高压将三极管击穿 太阳能热水器控制器的软硬件设计 17 3.5.23.5.2 继电器驱动温控模块继电器驱动温控模块 本设计规定，当水箱内水温低于二十摄氏度并且水位高于百分之七十五时，加热模 块开始自动加热当加热至温度已经达到八十度或者水箱内水位低于百分之二十五时， 单片机控制停止加热，以防水温过高或者形成干烧的情况此外，本设计也可以通过外 部按键控制来进行加热和停止加热温控模块电路连接如图 3-9 所示： 图 3-