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1、太阳能热水器水温水位 控制装置的设计,指导老师: 王彦 第六组: 徐文卿 唐正宇 蓝仁富,一、概述 二、系统方案的设计 三、系统的工作原理 四、硬件的实现 五、软件的设计 六、结束语,一、系统的概述,太阳能是目前最为“干净”的能源之一。随着消费者环保和绿色意识的提高，太阳能热水器已经开始走进千家万户。这里介绍一种低成本、高性能、全自动的太阳能热水器控制器。它用数字方式显示水温、水位；全自动水位控制，水位低于设定值或水温高于设定值时自动上水，上水到规定水位时自动停止上水（水位水温的上限可由用户自行设定)；可以通过触摸键手动上水、停水；水温低于设定值时自动加热；系统还有故障显示和故障报警功能.,二
2、、系统方案的设计,本系统以AT89S51单片机为核心,使用数字式温度传感器，DS18B20和耐高温电容式液位传感器分别检测水温水位, 两个四位一体数码管分别显示水温和水位,采用继电器作为阀门开关控制热水器加热、加水。外加蜂鸣器和三个按键组成了系统的硬件电路,其系统的整体框图如图2.1所示.,图2.1 系统总体框图,单 片 机,显示器,执 行 器,加热器,进水阀,蜂呜器,温度传感器,键盘,液位 传感器,C/F 转换器,三、系统的基本原理,本系统以单片机为核心,配合一定的基本电路和程序设计实现对水温水位的控制。单片机接收并处理传感信号,通过中断响应来实现对水温和水位的控制。 当实际水温低于设定温度
3、时，系统响应中断，继电器1常开触点闭合，启动加热器，直至水温升到设定温度； 当热水器未加满水，水温又比预置的温度高时,单片机控制继电器2常开触点吸合，进水阀开通,加水至水温达到预置温度,单片机响应中断，停止加水；,系统的基本原理,当水位低于预置水位时，延迟15分钟自动上水至预置水位； 当缺水时（位于缺水档）系统响应中断，蜂鸣器报警，延迟15分钟自动进入自动上水。 在必要时可以手动上水,当水位达到设定水位时，系统自动报警，提示用户关闭手动上水。 水温水位在正常时由8位LED数码管同时显示。如果系统接触不良，在LED上显示-。.,四、硬件的实现,水温检测部分 水位检测部分 智能控制器部分 执行器部
4、分 显示部分 电源部分,4.1、水温检测部分,DS18B20简介 DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚、小体积封装形式如(图4.1.1)；温度测量范围为55125,可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生； CPU只需一根端口线就能与DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温检测系统。,DS18B20引脚图及内部结构图,DS18B20内部结构原理,DS18B20内部结构
5、如图4.3所示，主要由4部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。 ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码，每个DS18B20的64位序列号均不相同。64位ROM的排的循环冗余校验码 （CRC=X8X5X4+1）。ROM的作用是使每一个DS18B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个DS18B20的目的。 高速暂存器是一个9字节的存储器。开始两个字节包含被测温度的数字量信息；第3、4、5字节分别是TH、TL、配置寄存器的临时拷贝，每一次上电复位时被刷新；第6、7、8字节未用，表现为全逻辑1；第9字节读
6、出的是前面所有8个字节的CRC码，可用来保证通信正确。,初始化时序,其工作时序包括初始化时序、写时序和读时序，如图图4.1.3(a),(b),(c)所示。,写时序,读时序,DS18B20中的温度传感器,DS18B20中的温度传感器完成对温度的测量，用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。 例如: 125的数字输出为07D0H, 25.0625的数字输出为0191H, 25.0625的数字输出为FF6FH， 55的数字输出为FC90H。,4.2、水位检测部分,4.2.1电容式液位传感器简介 基于液位的变化使电容值的改变的原理进行测量。 两个相邻而
7、又互相绝缘的导体便构成一个电容器，示意图如图2.4.1。当两导体的面积和相互距离确定后其静电容量大小仅与两导体周围的介质有关。将两块极扳焊上引出导线后，连同焊点一起用绝缘胶包裹起来，形成不透水的绝缘层，不同的液位的静电容量不同，对某一个介电常数固定为的液体，传感器的电容变化量与液位高度成正比，其关系如图4.2.2所示。,图4.2.1电容式传感器 图4.2.2 静电容量与液位的关系 测量液位示意图,电容式传感器的输出信号静电容量是单片机所不能识别的,可以采用C/F转换电路,将电容量转变成的频率, 计算出水位电容频率之间的关系, 单片机根据不同的频率得出该频率所对应的水位位数值，并显示出来。 图2
8、.4为电传感器的方框图。,图4.2.3 电容式传感器方框图,电容 式液位 传感器,C/F 转换 电路,单 片 机,液位 显示,4.2.2 C/F转换电路,图4.2.4 由74HC00组成的波形发生电路,图4.2.3是由四个与非门组成的矩形波发生电路，本设计使用74HC00构成振荡器，其频率决定于R1与 C的值 C为电容式传感器的容值,4.3、智能控制部分,智能控制部分是系统的核心,由AT89S51单片机及必要的外围电路组成,如报警电路,时钟电路等。单片机是系统的司令部，它接收从传感器检测电路输入的信号,并将输入信号进行处理运算,以控制电流或电压的形式输出给执行单元电器、显示单元电路和报警单元电
9、路等。 图2.6.1为AT89S51的引脚图, YEWEI接液位传感器经C/F电路转换后的输出信号,WENDU接DS18B20的I/O口,DCF接加水控制电路,JRE接加热控制电路。,图4.3.1 AT89S51引脚图,图4.3.2报警和按键电路原理图,图4.3.3 系统时钟电路,图4.3.4上电自动复位电路,图4.3.5 液晶显示接口电路,4.4、显示部分,动态显示原理 系统采用八位LED数码显示管同时显示水温和水位，左四位为水温，右四位为水位。： 当向LED的段码数据口发送第一个8位数据，这时只有一个数码管显示该数码，延时一段时间后可以发送第二8位数据，显示器分时轮流工作，虽然每次只有一个
10、显示器显示，但由于人的视觉暂留现象，我们仍能感觉到所有显示器都在同时显示。 图2。4。1为显示电路的原理图，两个四位一体的LED数码管的数据输入端通过限流电阻直接与单片机P2口连接,八个位码直由P0口提供,但由于P0口驱动能力有限,在此采用八个三极管(9012)分别驱动。,图4.4.1显示电路原理图,图2。3。1显示电路原理图,4.5、执行器部分,4.5.1 电磁继电器及其参数简介 电磁继电器是自动控制电路中常用的一种元件。实际上它是用较小电流控制较大电流的一种自动开关。电磁继电器一般由一个线圈、铁心、一组或几组带触点的簧片组成。触点有动触点和静触点之分，在工作过程中能够动作的称为动触点，不能
11、动作的称为静触点。当线圈通电以后，铁心被磁化产生足够大的电磁力，吸动衔铁并带动弹簧片，使动触点和静触点闭合或分开；当线圈断电后，电磁吸力消失，衔铁返回原来的位置，动触点和静触点又恢复到原来闭合或分开的状态。应用时只要把需要控制的电路接到触点上，就可利用继电器达到控制的目的。,图4.5.1 电磁式继电器外形图,电磁继电器的特性参数,1.额定工作电压或额定工作电流：指继电器工作时线圈需要的电压或电流。 2.直流电阻：指线圈的直流电阻。 3.吸合电流：指继电器能够产生吸合动作的最小电流。要使继电器可靠吸合，给定电压可以等于或略高于额定工作电压。一般不要大于额定工作电压的1.5倍。否则会烧毁线圈。,继
12、电器印制板电路的设计,4.释放电流：指继电器产生释放动作的最大电流。如果减小处于吸合状态的继电器的电流，当电流减小到一定程度时，继电器恢复到未通电时的状态，这个过程称为继电器的释放动作。释放电流比吸合电流小得多。 5.触点负荷：它是指继电器触点允许的电压或电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小。应用时不能用触点负荷小的继电器去控制大电流或高电压。,5.2继电器印制板电路的设计,由于系统在使用加热器和进水阀时，是通过弱电控制强电实现的，两个继电器的输出端均接220交流电压，在制板过程中考虑安全问题是十分必要的。 本系统将继电器驱动电路与单片机控制板隔离，整个硬件系统由三块印制板组成。另外，在
13、印制板的制作过程中考虑到流过继电器门交流电比较大，而板底铜层很薄，因此采用大面积敷铜的方法，以减小导线的负载，过到安全的目的。印制板电路图如图,图4.5.2 继电器控制电路PCB图,5.3加水控制电路,通过继电器（T5）的常开触点的通断来控制进水阀的通断，以达到加水和断水的目的。并且在继电器的线圈的加一双向的开关以达到手动和自动控制加水的目的。原理图如下图所示,电路中三极管作为驱动，DS2的为电源指示灯。,5.4加热控制电路,加热控制电路和加水控制电路原理基本上一致,只是所采用继电器的所采用的型号不同，因为进水阀的工作的功率很小，只有几十瓦，而加热器的功率就不同了要达到上千瓦甚至是几千瓦。,图
14、4.5.4 继电器驱动电路,4.6、电源部分,电源部分由由整流电路、滤波电路、稳压电路等组成，其原理图如下图所示。,热水器水温水位控制装置原理图,五、软件设计,系统主程序流程图 正常工作状态子程序流程图 设定预置水位子程序流程图 设定预置温度子程序流程图,图5.1.1系统主程序流程图,本设计为用户提供了三个工作状态, 按K1切换工作状态，其三个状态分别为正常工作、设定预置温度、设定预置水位。其程序流程图如图5.1.1所示。,5. 2 正常状态子程序流程图,当K2处于第一状态时，单片机执行正常工作子程序，正常工作时K3，K4无效。系统正常工作子程序主要功能是交替显示实际的热水器水位，判断是否超过
15、设定和水温水位，如果超过，则执行相应的控制，其子程序流程图如图5.2.1所示。,图5.2.1 正常状态子程序流程图,5.3设定预置温度子程序,当K1处于第二个状态时，单片机执行设定水温子程序。其程序流程图图5.3.1所示。 设定预设温度由K3和K4完成，K3加1摄氏度K4减1摄氏度，此时控制端口均为低 。,图5.3.1 设定预置温度子程序流程图,5.4设定预置水位子程序,当K2处于第三个状态时，单片机执行设定预置水位子程序其程序流程图如图5.4.1所示。设定预置水位,此时按下K3,系统检测到K3为低电平,水位预置值KEY2加20%，加到100%时KEY2赋20%,KEY3无效。此时控制端口均为低。,图5.4.1设定预置水位子程序流程图,六、结束语,本设计基本实现设计的要求、但由于实际的制作的过程中，制作电容用的板子没有很好的绝缘材料的密封，使得其容值不断的变化，因而其震荡的频率也不断的改变，并且改变的数值的范围与理论值相差很大。 感谢王彦老师及自动检测教研室老师的指点与帮助，感谢各位同学提出的很多宝贵意见和建议。,设计心得,小组成员之间的合作有待于加强，默契的配合至关重要； 小组之间应多多交流，共同进步； 充分利用网络资源，学会筛选有价值的资料；,END THANK YOU！,