畢業(yè)設計（論文）基于單片機的太陽能控制系統(tǒng)設計

1、沈陽理工大學應用技術學院信息與控制學院本科畢業(yè)設計（論文）摘 要目前,太陽能熱水器控制器還一直處于研究與開發(fā)階段,市面在售的控制器絕大部分只具備溫度和水位顯示功能,不具備溫度水位的自動控制功能。雖然有的控制器配有電加熱輔助裝置,但都不是全智能型的,給用戶使用帶來許多不便。太陽能單片機控制系統(tǒng)是對其水溫與水位的不同進行檢測和控制。關鍵詞：單片機、太陽能熱水器、溫控系統(tǒng)abstractat present, the solar water heater controller also has been in research and development stage, most of the m

2、arket in the sale of the controller only has the temperature and water level display, do not have the temperature of the water level control function although some of the controller is equipped with electric heating system, but not all of the intelligent type, and caused much inconvenience to userss

3、olar scm control system is its water temperature and water level detection and control of the differentkeywords：microcontroller, solar water heaters, temperature control system第一章.前言（緒論） 1.1太陽能熱水器的發(fā)展概況及市場競爭分析目前，中國已成為世界上最大的太陽能熱水器生產(chǎn)國，年產(chǎn)量約為世界各國之和，已有一百多家太陽能熱水器生產(chǎn)廠。但是與之配套的太陽能熱水器控制器卻一直處在研究與開發(fā)階段。這種控制器只具有溫度和

4、液位顯示功能， 而且為分段顯示，溫度顯示誤差為10%，水位顯示誤差為25%。這種顯示器(還稱不上控制器)不具有溫度控制功能，當由于天氣原因而光強不足時，就會給熱水器用戶帶來不便；即使熱水器具有輔助加熱功能，由于加熱時間不能控制而產(chǎn)生過燒，從而浪費大量的電能。本文設計的太陽能熱水器控制器以80c51單片機為檢測控制核心，溫度和水位二種參數(shù)實時顯示，溫度設定與控制功能。溫度控制采用模糊控制， 控制器可以根據(jù)天氣情況利用輔助加熱裝置使蓄水箱內的水溫在設定時間達到預先設定的溫度，從而達到24小時供應熱水的目的。太陽能熱水器是太陽能利用中最常見的一種裝置，經(jīng)濟效益明顯，正在迅速的推廣應用，太陽能熱水器能

5、夠將太陽輻射能轉換熱能，供生產(chǎn)和生活使用。他主要由平板集熱器、蓄水器和連接管道等部件組成，可分循環(huán)式、直流式和悶曬式。當今社會發(fā)展日新月異，人們衣食住行也在不斷的提高?，F(xiàn)有電熱型熱水器費用昂貴及燃氣型的不安全性，且排放二氧化碳污染大氣，北方用煤氣取暖造成城市空氣環(huán)境污染，這些都是太陽能熱水器良好的外部生存環(huán)境。太陽能熱水器 克服了上述缺點，他是綠色環(huán)保產(chǎn)品。它使用簡單、方便。太陽能熱水器順呼時代發(fā)展的要求，滿足人們對環(huán)保綠色產(chǎn)品的需求。在人類文明程度日益提高的今天，它是現(xiàn)代文明社會的最佳選擇。應該注意到，集體單位對太陽能熱水器的用量很大。新建商住樓安裝熱水器，已是房屋開發(fā)公司計劃之內的事，配套

6、熱水器的商品房銷勢更好5。此款熱水器包括主、從兩大系統(tǒng)：主系統(tǒng)的特點是在晴好的天氣利用太陽光能為熱水器加熱；從系統(tǒng)相當于電熱水器，它在無光照的情況下利用電輔助加熱。它充分利用太陽能的豐富的免費的資源的優(yōu)勢，同時考慮到在陰天及夜間無法利用太陽能的缺點，充分發(fā)揮太陽能熱水器和電熱水器的各自優(yōu)勢，這是世面上大部分熱水器所不能比擬的。1.2太陽能熱水器的應用及意義眾所周知，太陽能是取之不盡，用之不竭，沒有污染的巨大能源。隨著世界上煤、油、氣的儲量日益減少，能源危機已日益增長，環(huán)境污染的危機已威脅著生態(tài)平衡，太陽能開發(fā)利用的課題已提到人類的面前。有人預測：二十一世紀太陽能將由輔助能源上升為主要能源。但由

7、于太陽能的分散性、季節(jié)性和地區(qū)性又給太陽能利用帶來重重困難，有些技術難點尚未突破，產(chǎn)品造價偏高（如光電池）。因而尚未被人們大規(guī)模的使用。在太陽能熱利用技術中，太陽能熱水器是技術上比較成熟、造價比較低廉的產(chǎn)品，同時給人民提供不耗能源、保護環(huán)境、絕對安全的熱水而受到人們的歡迎。太陽能熱水器是以太陽能光熱轉換，利用溫室效應和虹吸原理使水加熱的裝置，此裝置分為兩個不同的概念：1.太陽能熱水工程系統(tǒng)，這種系統(tǒng)由太陽能集熱器、儲水箱管線、補水箱組成不同形式的熱水系統(tǒng)，包括自然循環(huán)式、定溫放水式等等，可構成提供熱水10噸到100噸的裝置，大多提供集體單位使用。2.太陽能熱水器是指將上述各種不見組裝成一個小系

8、統(tǒng)，提供家庭或需要產(chǎn)熱水1噸以下的單位使用，此種裝置算為太陽能熱水器。太陽能熱水器（或系統(tǒng)）均以其采光面積作為計量單位，一般1平方米光面積可產(chǎn)熱水100升，采光面積每種型號不同，一般在1.52.0平方米。我國從“六五”計劃期間開始推廣太陽能熱水器，到目前全國已有250萬平方米采光面積的太陽能熱水器，廠家又幾家發(fā)展到全國約有180家左右，是目前世界上推廣最大的國家之一，而且形成了規(guī)模，形成了中國特色的太陽能企業(yè)，有中國太陽能協(xié)會為中心的學術中心，以中國農村能源企業(yè)協(xié)會太陽能熱利用專業(yè)委員會為中心，制定了產(chǎn)品標準、測試條件、產(chǎn)品合格證頒發(fā)等一系列措施。世界各國的太陽能熱水器生產(chǎn)發(fā)展也很快。例如：澳

9、大利亞政府規(guī)定，在北部地區(qū)新建房屋一定要設置太陽能熱水器，西澳大利亞已有25%的新住宅安裝了太陽能熱水器。日本現(xiàn)在每年安裝太陽能熱水器近50萬臺，現(xiàn)在有20%的家庭安裝了太陽能熱水器，計劃今后普及率達到25%，按照日本的“陽光計劃”還將為公寓，辦公樓安裝6500套太陽能熱水系統(tǒng)，為工廠安裝1900套工業(yè)用太陽能熱水系統(tǒng)。以色列的法令規(guī)定所有新建筑物必須配備太陽能熱水器，目前普及率已超過60%。英、法、德、意、希臘五國到2000年底推廣熱水器600萬平方米，比1990年增長2倍多。國內外太陽能熱水器使用量增長如此之快，其根本原因是：能源問題、環(huán)保問題是當今世界各國面臨的主要問題之一。太陽能熱水器

10、是節(jié)能、環(huán)保產(chǎn)品，故受到廣泛重視，發(fā)展極快，預計今后每年將以15%20%的速度發(fā)展。根據(jù)理論計算及實際應用證明，太陽能熱水器每平方米光面積一年可節(jié)約標準煤200-300公斤節(jié)電1500度，或節(jié)約液化氣180公斤。采用本熱水器與電熱水器、燃氣熱水器相比，還具有絕對安全，最為衛(wèi)生的特點，在電費，液化氣、煤氣價格較高的地區(qū)，用戶1-3年即收回投資，在這以后提供的熱水是免費的。設計可以參考以下的幾個意見：1.在設計民用建筑時，若此地區(qū)沒有集中熱水供應，可給用戶安裝太陽能熱水器，以提供熱水，提高住房的檔次，在設計時將冷、熱水管線預埋，以平均每套住宅建筑面積65平方計算，工程造價大約每平方米增加18-20

11、元，2.設計工廠浴室時，可考慮采用太陽能熱水系統(tǒng)，每平方采光面積產(chǎn)熱水100升計算，100平方米太陽能熱水系統(tǒng)可產(chǎn)熱水10噸，每人每次標準用水40升，可解決250人的洗浴用水。作為工廠中低溫工業(yè)熱水，可根據(jù)當?shù)馗鞣N各樣的不同條件予以特殊設計。3.作為工廠中低溫工業(yè)熱水，可根據(jù)當?shù)馗鞣N各樣的不同條件予以特殊設計，太陽能熱水器的推廣應用及經(jīng)濟效益據(jù)不完全統(tǒng)計，迄今全國太陽能熱水器累計安裝使用總量已達300萬平方米以上。所以該控制器具有使用方便、性價比高、工作可靠、精度高等特為太陽能熱水器的進一步推廣具有積極的推動作用。第二章.設計思路及要求2.1本設計的目的和意義本設計具有很強的實用性,用成本低廉

12、的電阻式傳感器以及電極配以單片機技術對生產(chǎn)實際中的太陽能熱水器的水溫的控制以及水位的顯示。本裝置電路簡單、實用性強、性價比高、水溫控制靈活，水位顯示直觀醒目。可廣泛應用于家庭生活對太陽能熱水器的水位顯示與水溫控制。具有良好的市場前景。2.2控制系統(tǒng)設計要求1、能夠根據(jù)水位和水溫兩個條件控制是否需要進水，每次只進整個水箱的四分之一水量，也可以在手動狀態(tài)下自由進水（上滿時自由停止）或停止進水。2、控制系統(tǒng)具有手動和自動切換功能；3、具有水溫和水位顯示功能；4、具有進水超水位和超水溫報警指示；5、用水時若水溫達不到設置值時，可手動起動加熱裝置，這樣可在很大程度上節(jié)約電能；6、用水時可自由調節(jié)水溫；7

13、、控制系統(tǒng)具體管道排空功能，這樣防止冬天時因水管內有積水而在夜間凍裂水管。2.3本設計實現(xiàn)思路及方法水位由潛入儲水容器不同深度的水位電極和潛入容器底部的公共電極（導線）檢測；并由四個綠色led發(fā)光二極管顯示：若無水則綠燈不亮；若有四分之一儲水箱的水亮一盞綠燈；通過觀察綠燈點亮的數(shù)量可識別水位的高低，這里取5段顯示，也可根據(jù)需要進行增減。水溫由四個led數(shù)碼管顯示，前三個數(shù)碼管顯示的為溫度最后一個數(shù)碼管我們只用到了四段碼顯示為溫度的符號c，水溫有效值最多可顯示為99.9。第三章.硬件設計3.1控制系統(tǒng)組成及工作原理系統(tǒng)組成 ： 如圖3-1所示，本系統(tǒng)主要由控制器、自動控制閥、手動控制閥、水位檢測

14、電極、水溫檢測傳感器、電阻加熱絲、儲水箱等組成 控制器：主要通過里面的電磁閥控制yv1和yv2的通斷，控制水溫檢測傳感器檢測水溫、控制水位檢測傳感器檢測水在水箱中的位置以及控制電阻加熱絲加熱。自動控制閥：主要通過控制器控制，當水箱中的水的實際溫度大于所設置的溫度時，自動閥就自動打開往水箱中上水，直到上到上一個目標水位為止。圖3-1 系統(tǒng)組成示意圖 圖 2-1 系統(tǒng)組成示意圖 手動控制閥：當自動閥損壞時，可以通過手動閥進行上下水。水位檢測電極：主要用來檢測水箱中水的位置，主要把水箱分成四等分，一共有五個電極，接地的電極放在最水箱的最底下，其余分別放在四等分點上，比如當水箱中的水在第一等分和第二等

15、分之間，則顯示水箱中有四分之一的水，當超過第二等分，則顯示二分之一的水。水溫檢測傳感器：主要用來檢測水箱中水的實際溫度。電阻加熱絲：主要用來加熱水箱中水，使其達到用戶所需要的溫度。 太陽能熱水器利用微機控制主要有以下幾種控制功能：晨水加熱控制、溫水循環(huán)控制、冷水集熱控制、水箱加熱控制。（1）早晨水溫控制由于清晨太陽光較弱，所以太陽能熱水器從系統(tǒng)發(fā)揮作用。為了提供溫度不低于30攝氏度的水，熱水器在清晨4-7點之間對水箱進行電加熱，具體控制過程如下：首先，關閉冷水閥門f2和循環(huán)水閥門f1，然后微機開始進行水箱的溫度采集，同時進行溫度的比較，當水箱的溫度小于30攝氏度時，電熱器d接通進行加熱，同時微

16、機繼續(xù)對熱水箱的溫度進行采集。當溫度加熱到大于30攝氏度時電熱器斷開，如此反復循環(huán)保證了溫度的穩(wěn)定。（2）循環(huán)水集熱過程早晨水溫控制之后（79點），設定當日的水箱溫度n（由兩位bcd次齒輪開關設定），輸入微機，再利用微機控制系統(tǒng)，通過太陽光能對熱水箱加熱以達到理想溫度n。具體控制過程如下：打開循環(huán)閥門f1，關閉冷水進水閥門f2，熱水閥門f3處于空控狀態(tài)。然后開始比較溫度，若（t3-t1>5攝氏度，t2>t1）為止。如若t1=n，那么循環(huán)水集熱過程結束，進入冷水集熱控制過程。（3）冷水集熱控制此時熱水箱溫度已達到了n，冷水要進入太陽能集熱器，這時溫度為t3，和當日的設定溫度值相比較，

17、若t3>n則將已加熱的水送入熱水箱，每天的控制時段大概為9點20點。具體控制過程如下：關閉循環(huán)水閥門f2，打開冷水閥門f2，熱水閥門f3處于可控狀態(tài)。若t3>n，打開熱水閥門f3并將保持一段時間，若t3<n，關閉f3繼續(xù)給太陽能集熱器加熱，知道溫度答應n，當打開f3時此時比較水管水溫t2與n的值，若t2>n閥門f3繼續(xù)保持打開狀態(tài)，否則關閉f3?？梢?，次過程充分利用太陽光能轉化為熱能，方便快捷。（4）水箱加熱控制此時，也許你會問如果沒有日照或者日照較弱時，到了晚上我們是否還能洗上熱水澡嗎？答案是肯定的，不要忘了這款熱水器還有一個從系統(tǒng)，這時它就要發(fā)揮作用了。熱水箱溫度為

18、t1，將它和設定值n相比較，從而控制是否打開電加熱，控制時段為下午，具體過程如下： 若t1<n，電加熱接通；否則，電加熱斷開，而且，15點20點中的每個小時有下表的關系：表一 溫度比較 時間（時） 溫度比較 加熱值（度） 15 t1<35<n 35 16 t1<40<n 40 17 t1<45<n 45 18 t1<50<n 50 19 t1<55<n 55 20 t1<60<n 60 最終熱水箱的溫度加熱到設定值n。由此可見，即使沒有日照我們照樣可以洗上熱水澡了。綜上所述，太陽能供熱控制系統(tǒng)不僅節(jié)約而且高度只能化，

19、方便省事，不論日常家居，還是對賓館、學校等都是最佳選擇?？刂蒲b置的工作原理：本控制系統(tǒng)分為手動和自動兩種控制方式，在系統(tǒng)處于自動狀態(tài)下，當檢測溫度高于設置溫度，且水位未達到最高時，控制器打開電磁水閥yv1和yv2進行上水，同時點亮上水指示燈，當水位上至上一目標水位時，自動停止上水（即關閉電磁水閥yv1和yv2），若水箱內無水，則自動上水至最低水位處。在系統(tǒng)處于手自動狀態(tài)下，可自由上水或停止上水（上水時水箱水位必須未滿），若水位達到最高則自動停止上水；若需要啟動加熱器則必須先設定加熱溫度，然后按下加熱鍵進行加熱；若需洗浴時，則需打開手動閥yv4，系統(tǒng)自動打開電磁水閥yv2，可通過yv5自由調節(jié)水

20、溫；當電磁水閥yv1和yv2損壞或停電時，可通過打開yv5和yv6進行上下水解決燃眉之急；此系統(tǒng)設置yv3是為了防止冬天氣溫過低引起水管因內有積水而凍裂（即手動打開此閥放完水管中的積水）3.2主要原器件介紹at89s51高性能8位單片機：at89s51是一個低功耗高性能cmos 8位單片機，4k bytes flash只讀程序存儲器(rom),512 bytes 內部數(shù)據(jù)存儲器(ram),該微處理器采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準mcs-51指令系統(tǒng)，引腳兼容80c51和80c52芯片，片內的flash存儲器可以像常規(guī)程序存儲器一樣進行燒寫，at89s51片內總共有2

21、56字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)區(qū)，而128字節(jié)的內部擴展數(shù)據(jù)區(qū)需通過清sfr(8eh)的位1并用movx指令訪問，片內置通用8位中央處理器和flash存儲單元，另一個256bytesram區(qū)與atmel之a(chǎn)t89系列8052兼容的單片機是一致的，at89c51結合通用的8位微處理器和flash存儲技術構成功能強大單片微處理器，可提供許多高性能低價位的系統(tǒng)控制應用場合。圖3-2 at89s51引腳圖 (1)、at89s51主要特點： 40個引腳，32kbytes的程序存儲器，32個外部雙向輸入/輸出（i/o）端口，同時內含2個外中斷口，3個16位可編程定時計數(shù)器,2個全雙工串行通信口，內置時鐘振蕩器,其fl

22、ash存儲器，可反復擦寫1000次的flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。軟件設置電 源省電模式，睡眠其間，定時/計數(shù)器，串行口和中斷口均停止工作，ram中的數(shù)據(jù)被“凍結”，直到下次被中斷激活或硬件復位方可恢復工作。 (2)、at89s51主要功能特性兼容mcs51指令系統(tǒng)32k可反復擦寫(>1000次）flash rom32個雙向i/o口硬件看門狗wdt電路3個16位可編程定時/計數(shù)器時鐘頻率0-33mhz兩個串行中斷512×8bit內部ram2個外部中斷源內置時鐘振蕩器中斷激活睡眠模式3級加密位雙重數(shù)據(jù)存儲器軟件設置睡眠和喚醒功能數(shù)碼管顯示：由單片機的定時器to做16位計數(shù)

23、器（為便于數(shù)據(jù)處理，這里只用低8位計數(shù)值，即寄存器tl0中的值）。一邊記錄脈沖數(shù)量，一邊以厘米為單位由四位數(shù)碼飛管顯示出來。四位數(shù)碼管采用動態(tài)掃描方式顯示。長度計量儀采用0.5英寸共陽極連接的led數(shù)碼管。led數(shù)碼管由發(fā)光二極管作為顯示字段的數(shù)碼型顯示器件。右圖為led數(shù)碼管外形和引腳圖，其中7只發(fā)光二極管分別對應a-g筆段，構成“日”字形，另一只發(fā)光二極管dp作為小數(shù)點，因此這種led顯示器稱為八段數(shù)碼管。（如圖3-3所示）圖3-3 led數(shù)碼管共陽極型led數(shù)碼管，是將各段發(fā)光二極管的陽極連在一起，作為公共端com,應接高電平。ag、dp各筆段中，某筆段接低電平時發(fā)光，高電平時不發(fā)光。為

24、了節(jié)省單片機i/o口的數(shù)量，將各位數(shù)碼管的ag對應筆畫并聯(lián)起來分別與74hc595輸出引腳連接。顯示時，由另外一個74hc595依次輸出各位數(shù)字的筆段碼，通過單片機p2.0 , p2.1 , p2.2口對74hc595串行芯片進行選位與送字段控制.輪流進行，循環(huán)不止，由于循環(huán)的頻率較高（約50hz），加上人眼的視覺暫留，既保障了各位數(shù)字的對應顯示，又不會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，實現(xiàn)動態(tài)掃描顯示。本系統(tǒng)需顯示水溫，測量范圍為099 0c，用四個八位led數(shù)碼管顯示。1）led結構和顯示原理。led（light emitting diode）顯示器是由發(fā)光二極管作為顯示字段的顯示器件，最常見的是由7段型發(fā)光

25、二極管（ag7段）和1個圓點型發(fā)光二極管（常以dp表示，主要用來顯示小數(shù)點）組成的led顯示器，其排列形狀如下圖所示。這種led顯示器也可稱為7段數(shù)碼顯示器（或8段數(shù)碼顯示器）。led顯示中的發(fā)光二極管根據(jù)其連接的方法有共陰極和共陽極兩種結構。共陰極結構：把各段發(fā)光二極管的陰極連接在一起構成公共陰極，如圖a所示。使用時，公共陰極接地，根據(jù)要求需點亮發(fā)光二極管的陽極輸入高電平，不需點亮的發(fā)光二極管的陽極輸入低電平。共陽極結構：把各段發(fā)光二極管的陽極連接在一起構成公共陽極，如圖b 所示。使用時，公共陽極接+5v，根據(jù)要求需要點亮發(fā)光二極管的陰極輸入低電平，不需點亮的發(fā)光二極管的陰極輸入高電平。通過

26、控制7個段的發(fā)光二極管的亮暗的不同組合，可以顯示多種數(shù)字、字母以及其他符號。2）字段碼。為了顯示各個數(shù)字或字符，就需要為led提供相應的代碼，因為這些代碼是控制各段的亮或滅，供顯示器顯示字形的，所以稱為字段碼（也可以稱為段選碼或字形碼）。七段發(fā)光二極管再加上1個小數(shù)點位，共計8段，因此提供給led顯示器的字段碼正好1個字節(jié)。各代碼位的對應關系如下：d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 d0dpgfedcba下圖所示為共陰極led所顯示的不同字符的字段碼，測量范圍為099 0c，當溫度超出范圍時，顯示器均顯示f。顯示字符共陰極字段碼03fh106h25bh34fh466h56dh67dh70

27、7h87fh96fhf71h3）n位led顯示器。在單片機應用系統(tǒng)中，實際使用的led顯示器有多個，n位led顯示器的顯示要從兩個方面來控制：其一是控制n位的字段顯示（即顯示什么字符）；其二是控制字位（即哪一位到哪一位亮）。由led的顯示原理可知，要使某n位led顯示器的某一位顯示某個字符，就必須將此字符轉換為對應的字段碼來控制該位的8個段，同時，該位的字位線也要控制有效，這要通過一定接口來實現(xiàn)。led顯示器有兩種顯示方式，即靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式。n位led顯示器有n根字位選線（簡稱：“位選線”）和n*8根字段選線（簡稱：“段選線”）。根據(jù)顯示方式不同，位選線和段選線的連接方式也不同。各

28、種字符的字段碼的獲取方法有兩種：即軟件譯碼和硬件譯碼法。目前通常所用的各種型號的單片機開發(fā)系統(tǒng)或實驗裝置普遍采用軟件譯碼。當單片機應用系統(tǒng)中的led顯示器位數(shù)較多時，為了簡化電路降低成本，本設計采用動態(tài)顯示的方式。動態(tài)顯示方式的接口電路的連接方法是：將所有l(wèi)ed位的段選線（a dp）同名并聯(lián)，即所有a段并聯(lián)，所有b段并聯(lián)。依次類推，然后由一個8位i/o接口來控制各個段，而所有位的位選線則由另外一個相應的i/o接口線來控制。這樣用兩個8位i/o接口就能控制8位led顯示器。led顯示器是由電流型控制器件，其工作電流為2ma20ma，使用時須加限流電阻。本設計中限流電阻選用1k。動態(tài)掃描顯示控制方

29、式就是逐個地循環(huán)點亮各位顯示器，即在某一瞬間，只讓某一位的位選線處于選通狀態(tài)（共陽極的為高電平，共陰極的為低電平）其它各位的位選線處于段開狀態(tài)，同時段選線上輸出相應位要顯示字符的字段碼。這樣在每一個瞬間，8位led中只有選通的那一位led顯示出字符，而其它7位則是熄滅的。同樣，在下一瞬間，只顯示下1位led。如此繼續(xù)下去，等8位led都顯示完畢后，在循環(huán)進行。雖然這些字符是在不同的瞬時輪流點亮的，但由于人眼的視覺殘留效應，看到的是8位穩(wěn)定顯示的字符，與靜態(tài)顯示的效果完全一樣。所以為了簡化電路、降低成本，此系統(tǒng)中采用動態(tài)顯示方式。數(shù)字溫度傳感器ds18b20主要特性及測溫原理：一線式數(shù)字溫度傳感

30、器ds18b20是ds1820的更新?lián)Q代產(chǎn)品(由美國da iias公司生產(chǎn))。它具有體積小,分辨率高,轉換快等優(yōu)點。由于每片ds18b20 含有唯一的硅串行數(shù), 所以在一條總線上可以掛接多達248 218×1014只ds18b20,再加上ds18b20 獨特的單線總線結構,決定了ds18b20 特別適合于大型的多路溫度實時測控系統(tǒng)的溫度檢測。溫度實時測控集裝箱的設計, 在實現(xiàn)測控系統(tǒng)的溫度檢測方面就較好地利用了ds18b20 的獨到特點,使系統(tǒng)得到了極大的簡化。（1）ds18b20的特性1）獨特的單線接口方式。ds18b20 在i/o處理器連接時,僅需要一個i/o 口即可實現(xiàn)微處理器

31、同ds18b20的雙向通訊。2）ds18b20支持組網(wǎng)功能,多個ds18b20可以并聯(lián)在唯一的單線上,實現(xiàn)多點測溫。3）ds18b20 的測溫范圍為: - 55+125,在-10+ 85時, 其精度為+ 015。4）ds18b20的測溫結果的數(shù)字量位數(shù)從912位,可編程進行選擇。數(shù)字化溫度傳感器ds1820測溫范圍為- 55+125 ，增量值為0.5 (9位溫度讀數(shù))，它主要由4個數(shù)據(jù)部件部分組成：64位rom;溫度傳感器;非易失性的溫度告警觸發(fā)器th 和tl；高速便箋存儲器64 位rom用于存儲序列號，其首字節(jié)固定為28h，表示產(chǎn)品類型碼，后6個字節(jié)是每個器件的編碼，最后1個字節(jié)是crc 校

32、驗碼. 溫度告警觸發(fā)器th和tl 存儲用戶通過軟件寫入的報警上下限值，高速便箋存儲器由9個字節(jié)組成，其中有2個字節(jié)ram單元用來存放溫度值前1個字節(jié)為溫度值的補碼低8位，后1個字節(jié)為符號位和溫度值的補碼高3位。（2）ds18b20 測溫原理ds18b20內部結構框圖,如圖3-4所示。圖3-4 ds18b20內部結構框圖ds18b20 的測溫原理：ds18b20 測量溫度采用了特有的溫度測量技術，它是通過計數(shù)時鐘周期來實現(xiàn)的，內部計數(shù)器對一個受溫度影響的振蕩器的脈沖計數(shù),低溫時,振蕩器的脈沖可以通過門電路。而當?shù)竭_某一設置高溫時, 振蕩器的脈沖無法通過門電路。計數(shù)器設置為- 55。同時, 計數(shù)器

33、復位在當前的溫度值時, 電路對振蕩器的溫度系數(shù)進行補償, 計數(shù)器重新開始計數(shù)直到回零。如果門電路仍未關閉, 則系統(tǒng)重復上述過程。（3）ds18b20的操作協(xié)議ds18b20單純通信功能是分時完成的。單線信號包括復位脈沖,響應脈沖,寫“0”,寫“1”,讀“1”。它們有嚴格的時隙概念。系統(tǒng)對ds18b20的操作以rom命令(5個)和存儲器命令(6個)形式出現(xiàn)。對它的操作協(xié)議是： 初始化ds18b20發(fā)復位脈沖)發(fā)rom功能命令處理數(shù)據(jù)發(fā)存儲器命令處理數(shù)據(jù)。各種操作都有相應的時序圖。ds18b20在使用時，一般都采用單片機來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。只需將ds18b20 信號線與單片機1位i/o線相連，且單片機

34、的1位i/o線可掛接多個ds18b20，就可實現(xiàn)單點或多點溫度檢測。ds18b20傳感器精度高、互換性好;它直接將溫度數(shù)據(jù)進行編碼，可以只使用一根電纜傳輸溫度數(shù)據(jù)，通信方便，傳輸距離遠且抗干擾性好：與用傳統(tǒng)溫度傳感器組成的多點測溫系統(tǒng)相比可節(jié)省大量電纜，而且系統(tǒng)得以簡化，系統(tǒng)擴充維護十分方便。ds18b20 可以廣泛用于工廠工業(yè)過程、大型糧倉、釀酒廠，食品加工廠的溫度檢測以及賓館、儀器儀表室等處的溫度檢測和控制。3.3 at89s51單片機的最小系統(tǒng) ：4. 4.7f 10k6m20pf+5v vcc ea gndat89s51 rst xtal1 xtal220pf+5v圖3-6 at89s

35、51單片機最小系統(tǒng)所謂最小系統(tǒng)，即指使單片機能正常工作的所需的最少的電路，即應包含cpu及輔助電路、rom、ram及i/o端口等電路。由于at89s51內部已經(jīng)包含4kb的flash memory程序存儲器，所以無需再擴展片外程序存儲器。在at89s51的基礎上，加復位電路、時鐘電路、ea引腳信號及電源即可。結合資料及所學過的內容，得到如圖2-4所示的單片機最小系統(tǒng)。圖3-6中，晶體振蕩器的頻率選6mhz，復位電路采用上電復位，電路參數(shù)如圖中所示，以滿足系統(tǒng)復位時兩個機器周期的高電平的要求。由于cpu的內部已含有程序存儲器，所以ea引腳接高電平。圖3-7時鐘電路3.4 at89s51單片機時鐘

36、電路該水位自動顯示控制器采用at89c51單片機，機內有一高增益反相放大器，構成自激振蕩電路，振蕩頻率取6mhz,外接6mhz晶振，兩個電容c1、c2取20pf，以便于起振蕩的作用。 右圖中xtal1為內部時鐘工作電路的輸入，xtal2為來自反向振蕩器的輸出。3.5 at89s51單片機復位電路該水位自動顯示控制器采用上電復位電路，由r14、c3構成復位電路，在上電瞬間，產(chǎn)生一個脈沖，at89s51將復位。為保證可靠復位，脈沖寬度應大于兩個機器周期，這取決于r、c時間長數(shù)。取電容c=10uf，電阻r=10k。圖3-9水位檢測電路3.6水位檢測電路的硬件設計實驗證明，純凈水幾乎是不導電的，但自然

37、界存在的以及人們日常使用的水都會含有一定的mg2+、ca2+等離子，它們的存在使水導電。本控制裝置就是利用水的導電性來完成的。我們把儲水箱大致分為二個等份，水位由潛入太陽能熱水器的儲水箱不同深度的水位電極和潛入儲水箱底部的公共電極（導線）進行檢測；由單片機依次使各水位電極呈現(xiàn)高電平，由公共電極所接的三極管進行電位轉換，水位到達的電極，轉換電位為低（0）；水位沒有到達的電極，轉換電位為高（1）；每檢測一位便得到一位數(shù)據(jù)，5個電極檢測一遍以后便得到了5個串行數(shù)據(jù)，然后把這5個數(shù)據(jù)轉化為字節(jié)一路送發(fā)光二極管；在這里我們可以用發(fā)光二極管亮的盞數(shù)來顯示水位的高低。（若沒有發(fā)光二極管亮則表示箱內沒有水或者

38、只有少量的水，若有一個發(fā)光二極管燈亮則表示箱內有四分之一箱的水，以此類推，若有四個發(fā)光二極管亮，則表示水箱水是滿的。）當水位未達到a時，即h<a時、這時傳感器的總阻值為4r，對應，系統(tǒng)處于缺水狀態(tài)。當ah<b時，傳感器電阻阻值為3r，對應，系統(tǒng)處于20%水位。當bh<c時，傳感器電阻阻值為2r，對應，系統(tǒng)處于50%水位。當ch<d時，傳感器電阻阻值為r，對應，系統(tǒng)處于80%水位。當h=d時，傳感器電阻阻值為0，對應，系統(tǒng)處于100%水位。其中，環(huán)形振蕩器產(chǎn)生的方波周期t（或f）可通過單片機p87lpc744bn的兩個定時/計數(shù)器（t0、t1）來確定，t1用來計數(shù)，t0用

39、來定時。3.7水溫檢測電路的硬件設計圖3-10 水溫檢測電路本設計溫度傳感器選用18b20。18b20屬于半導體集成電路溫度傳感器，測溫范圍- 55+125，輸入cpu 控制器的操作使用方式自然合理。s1用來切換操作狀態(tài)?？刂破饔小爸苯涌刂啤焙汀皡?shù)修改”兩種工作狀態(tài)。按s1鍵顯示“00”，控制器進入“直接控制”狀態(tài)。進入“參數(shù)修改”狀態(tài)后，s2、s3用來修改規(guī)定的參數(shù)，s1接受本次修改，并切換到下一個參數(shù)，s4取消本次修改。進入“直接控制”后，s2用來手動上水，s3用來手動加熱，s4用來停止加熱或上水;若水位已經(jīng)超過設定水位上限，或水溫已經(jīng)超過設定溫度，“直接控制”將不起作用。設定水位上限：

40、控制器可以監(jiān)測二個水位，上限水位可以由用戶設置，水位上限設置范圍為位置1.2。設定定時上水時間：每天在規(guī)定時間檢查水位，并上滿。若設定時間為00或大于等于24，則取消自動定時上水。設定定時加熱時間：每天在規(guī)定時間檢查水溫，若水溫低于設定溫度，則接通電加熱器，將水溫加熱到設定溫度。若設定時間為00或大于等于24，則取消自動定時加熱。設定加熱溫度：定時加熱溫度也可以由用戶設定，可設定范圍為099。3.8 鍵盤電路的硬件設計 p1.0- p1.3口作為按鍵的信號輸入端，鍵按下，就執(zhí)行該鍵的功能。其電路如圖3-11所示。（為了編程簡單、方便，采用獨立式鍵盤電路） 當按鈕按下后，電路與地接通時，i/u口

41、與地面相連為低電平。按鈕沒有按下時，電路不與地面相接，i/u口與電壓高端相連為高電平。本設計中采用了共陰極接法，對于顯示水溫水位的程序作如下說明： 在動態(tài)掃描過程中，調用延時子程序del1，其延遲時間為1ms，這是為了使掃描到哪位顯示器穩(wěn)定的點亮一段時間，猶如掃描過程中在每一位顯示器上都一段駐留時間，以保證其顯示亮度。 本設計接口電路是軟件為主的接口電路，對顯示數(shù)據(jù)以查表方法得到其字形代碼，為此在程序中有字形代碼table,從0開始依次寫入十六進制數(shù)的字形代碼。為了進行查表操作，使用查表指令.鍵盤輸入主程序：void scan_key()uchar key_valae;char shi,ge;

42、 /設定值變量uchar yiwei;bit key_press;/溫度值修改標志位if(!k4)/ 修改，確認鍵delay(90);/去抖if(!k4)key_valae+;while(!k4);if(key_valae>1)key_valae=0;switch(key_valae)case 0 :readtemperature();/溫度數(shù)據(jù)display_out(temp);/數(shù)碼管顯示if(key_press=1&&manshui_flag=1)/設定值遇監(jiān)測值比較if(temp>=shi*100+ge*10)/達到設置溫度值停止l3=0;/溫度燈亮（紅）e

43、lse /沒達到設置溫度值工作l3=1;break;case 1:display_out1(shi*100+ge*10);if(!k3)/ 移位改值delay(90);/去抖if(!k3)yiwei+;key_press=1;while(!k3);if(yiwei>2)yiwei=0;switch(yiwei)case 0 :break;case 1:/調節(jié)"十位"if(!k1)/加法delay(90);/去抖if(!k1)shi+;while(!k1);if(shi>9)shi=0;if(!k2)/ 減法delay(90);/去抖if(!k2)shi-;whi

44、le(!k2);if(shi<0)shi=9;break;case 2:if(!k1)/加法delay(90);/去抖if(!k1)ge+;while(!k1);if(ge>9)ge=0;if(!k2)/ 減法delay(90);/去抖if(!k2)ge-;while(!k2);if(ge<0)ge=9;break;break;3.9驅動電路的硬件設計在單片機控制系統(tǒng)中，需要用開關量去控制和驅動一些執(zhí)行元件，如發(fā)光二極管。但at89s51單片機驅動能力有限，且高電平比低電平驅動低那六小。一般情況下，需要加驅動接口電路，且用低電平驅動。如圖2-10所示圖3-12 驅動電路3.1

45、0顯示電路的硬件設計本設計采用共陽型數(shù)碼管，8個led燈如圖3-13中接法，燈的負極依次接到數(shù)碼管的a-f段，采用動態(tài)掃描電路，并把顯示程序作為主程序。數(shù)碼管的段用p0口控制，p2.0口、p2.3口作為數(shù)碼管的位控制，p2.4作為指示燈的控制。系統(tǒng)輸入信號有2個液位信號、1個溫度信號、4個觸摸鍵;輸出信號有：4位led數(shù)碼管分時顯示當前溫度和液位，3個位輸出控制led發(fā)光二級管(電磁閥、加壓泵)，2個位輸出指示上水、加熱狀態(tài)。用戶設定項目有水位上限、熱水溫度、上水定時、加熱定時。系統(tǒng)具有故障自檢功能，電磁閥、加壓泵在停水時會自動切斷，水位傳感器有故障時禁止上水，以免上水時溢出。附錄：2led顯

46、示子程序：/*-*/*功能描述：數(shù)碼管顯示 芯片74hc595 */*輸入?yún)?shù)：無 */*輸出參數(shù)：無 */*備注：無 */*-*/void display_smg(uchar dat0,dat1)uchar i=0;for(i=0;i<8;i+)data=dat0&0x80;dat0<<=1;sh=0;_nop_();_nop_();sh=1;_nop_();_nop_();sh=0;_nop_();_nop_();for(i=0;i<8;i+)data=dat1&0x80;dat1<<=1;sh=0;_nop_();_nop_();sh=

47、1;_nop_();_nop_();sh=0;_nop_();_nop_();st=0;_nop_();_nop_();st=1;_nop_();_nop_();st=0;_nop_();_nop_();void display_out(uint dat) /監(jiān)測顯示uchar i;dis00 = table0dat/100;/溫度十位dis01 = table0dat%100/10&0x7f;/溫度個位dis02 = table0dat%10;/溫度小數(shù)點后一位dis03 = 0xc6;/字符"c"for(i=0;i<5;i+)/display_smg(0x

48、ff,0x00);/數(shù)碼管顯示/delay(10);display_smg(table1i,dis0i);/數(shù)碼管顯示delay(50);void display_out1(uint dat)/設定顯示uchar i;dis00 = table0dat/100;/溫度十位dis01 = table0dat%100/10&0x7f;/溫度個位dis02 = table0dat%10;/溫度小數(shù)點后一位dis03 = 0xc6;/字符"c"for(i=0;i<5;i+)/display_smg(0xff,0x00);/數(shù)碼管顯示/delay(10);display

49、_smg(table1i,dis0i);/數(shù)碼管顯示delay(50);第四章.軟件設計4.1軟件設計原理及設計所用工具本次設計主要利用c語言編寫程序，根據(jù)功能的需要進行編程，其中軟件設計所用的軟件主要是keil uvision3軟件，proteus isis軟件。熱水器不論在什么樣的天氣里，都能夠在設定的時間向用戶提供設定溫度的熱水，從而給用戶帶來便利。當控制器在設定的時間使水溫達到設定溫度時，將通過聲光報警提醒用戶。根據(jù)這一要求，控制器軟件設計采用模塊化結構，包括主程序、鍵盤中斷子程序、18b20更新周期結束中斷子程序、led顯示子程序和提前加熱時間計算子程序等。系統(tǒng)主程序主要完成溫度和水

50、位的檢測以及進行輔助加熱時間預算和一些初始化功能。在主程序中采用了查表方法進行輔助加熱提前量預算。系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。圖4-1 系統(tǒng)程序流程圖對于溫度設定，因為系統(tǒng)采用分段式水位檢測，若采用能量守恒的方法對提前加熱時間進行預算，也同樣得不到精確的結果。為了避開繁瑣的計算過程，本系統(tǒng)中采用了模糊控制思想，使用了如下一些控制語句：if 水位高and 溫度差大then 加熱時間長if 水位適中and 溫度差適中then 加熱時間適中if 水位低and 溫度差低then 加熱時間少采用這種思想后，可以用實驗方法獲得各種情況下需要加熱的時間， 編制成表格。使用時，只要查表獲得提前加熱時間就行了。

51、顯然，表格分得越細，控制就越準確。本控制器采用溫差每等于5為一格， 就能滿足控制要求了。為了減小誤差，試驗表明，可以采用如圖5 的方法。 圖4-2 水位監(jiān)測處理示意圖實驗中，用水位達到b1時的結果代替水位達到a1時的結果，b2代替a2，b3 代替a3，b4代替a4。這樣，cpu 讀入的a1水位查表后得到的預加熱時間是實驗中水位在b1 處的時間。經(jīng)過這種處理，會把由于分段檢測而產(chǎn)生的計算誤差減小一半，由原來的h變成了h/2(h為分段水位檢測間隙)。如果水箱水深為40cm，分8段檢測，此種處理方法的計算將使水位誤差由原來的5cm變成了2.5cm。這種誤差對于民用的熱水器來說，已完全能夠滿足要求了。4.2顯示子程序分析表明，74595的數(shù)據(jù)端：1）、qa-qh: 八位并行輸出端，可以直接控制數(shù)碼管的8個段。2）、qh': 級聯(lián)輸出端。我將它接下一個595的ser端。3）、ser: 串行數(shù)據(jù)輸入端。74595的控制端說明：1) 、/sclr(10腳): 低點平時將移位寄存器的數(shù)據(jù)清零。通常我將它接vcc。2）、sc