基于單片機(jī)的太陽(yáng)能熱水器智能水位水溫控制儀的設(shè)計(jì)

摘要本文設(shè)計(jì)了一個(gè)太陽(yáng)能熱水器智能控制系統(tǒng)。它以89C52單片機(jī)為核心，配合電阻型4檔水位傳感器、負(fù)溫度系數(shù)NTC熱敏電阻溫度傳感器、8255A擴(kuò)展鍵盤和顯示器件、驅(qū)動(dòng)電路（電磁閥、電加熱、報(bào)警）等外圍器件，完成對(duì)太陽(yáng)能熱水器容器內(nèi)的水位、水溫測(cè)量、顯示；時(shí)間顯示；缺水時(shí)自動(dòng)上水，水溢報(bào)警；手動(dòng)上水、參數(shù)設(shè)置；定時(shí)水溫過(guò)低智能電加熱等功能。其中本文第一章主要說(shuō)明了太陽(yáng)能熱水器智能控制系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和本課題的主要任務(wù)，第二章對(duì)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)作了簡(jiǎn)單介紹，第三章重點(diǎn)介紹了水位水溫測(cè)量電路，第四章介紹了時(shí)鐘電路，第五章介紹了顯示和鍵盤電路，第六章對(duì)其他電路作了介紹，第七章是對(duì)水位測(cè)量電路的硬件調(diào)試。本系統(tǒng)對(duì)于水位傳感器、水溫傳感器的電阻數(shù)據(jù)的處理均采用獨(dú)特的RC充放電的方法。它與使用A/D轉(zhuǎn)換器相比，電路簡(jiǎn)單、制造成本低。特別適用于對(duì)水位、水溫要求不精確的場(chǎng)合。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能，熱水器，控制器，89C52，RC充放電AbstractThisarticlehasdesignedaintelligencecontrolsystemforsolar-poweredwaterheater.Ittakethe89C52microcontrollerintegratedcircuitasthecore,thecoordinate4gradesofwaterslevelresistancesensor,thenegativetemperaturecoefficientNTCthermistortemperaturesensor,the8255Aexpansionkeyboardandthedemonstrationcomponent,theactuatecircuit(solenoidvalve,electricheating,warning)andotherperipherycomponent,completestothewaterlevelandtemperaturemeasureanddemonstrate;thetimedemonstrate;lackofwaterautomaticallyupstream,thewateroverflowwarn;fixedtimeintelligencelyelectricheat.Thefirstchapterofthisarticlemainlyexplainedtheresearchsituationofthesolar-poweredwaterheaterintelligencecontrolsystemandtheprimarymissionofthistopic.Thesecondchapterhasmadethesimpleintroductiontotheoverallconstructionofthesystem.Thethirdchapterintroducedwithemphasisonthewaterlevelandwatertemperaturemeteringcircuit.Thefourthchapterintroducedtheclockcircuit.Thefifthchapterintroducedthedemonstrationandthekeyboardcircuit,.Thesixthchapterhasmadetheintroductiontoothercircuits.Theseventhchapteristhehardwaredebuggingofthewaterlevelmeasuringcircuit.RegardingtheprocessofthewaterlevelsensorandwatertemperaturesensorresistancedatathissystemusesthemethodoftheuniqueRCelectricsufficientanddischarging.ComparedtousingtheA/Dconverter,theelectriccircuitissimple,theproductioncostislow.Speciallyitissuitableforthewaterlevelandthewatertemperaturemeasuringrequestedunprecisesituation.Keyword:Solarenergy,waterheater,controller,89C52,RCelectricsufficientanddischarge目錄摘要 IAbstract II目錄 III第一章引言 11.1課題的背景意義 11.2太陽(yáng)能熱水器和其控制器的發(fā)展現(xiàn)狀 11.3課題的研究?jī)?nèi)容 3第二章太陽(yáng)能熱水器智能水位控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)介紹 4第三章水位和水溫測(cè)量電路硬件設(shè)計(jì) 53.1水位測(cè)量電路 53.1.1方案比較選擇 53.1.2水位測(cè)量電路的具體設(shè)計(jì)及優(yōu)化 83.2水溫測(cè)量電路 153.2.1方案比較選擇 153.2.2水溫測(cè)量電路的設(shè)計(jì)及溫度計(jì)算方法 163.3水位、水溫測(cè)量電路的整體設(shè)計(jì) 20第四章顯示電路 214.1方案選擇 214.1.18255A芯片介紹 214.1.28255A在太陽(yáng)能熱水器控制電路中的作用 244.2顯示電路工作原理 254.2.18255A顯示電路的硬件結(jié)構(gòu)。 254.2.28255A實(shí)現(xiàn)顯示方法 27第五章其他硬件電路設(shè)計(jì) 305.1上水電磁閥、電加熱、報(bào)警等驅(qū)動(dòng)電路 305.1.1上水控制電路 305.1.2電加熱控制電路 305.1.3報(bào)警控制電路 305.1.4水位顯示電路 305.2電源電路 31參考文獻(xiàn) 33致謝 34附錄 35第一章引言1.1課題的背景意義隨著太陽(yáng)能熱水器的迅速推廣，廣大消費(fèi)者對(duì)太陽(yáng)能熱水器特別是太陽(yáng)能熱水器控制器的要求越來(lái)越高，太陽(yáng)能熱水器商家為使自己的產(chǎn)品能在市場(chǎng)上生存和發(fā)展，在不斷提高太陽(yáng)能熱水器熱水性能的同時(shí)，也不斷加大力度滿足消費(fèi)者對(duì)于太陽(yáng)能使用方便的要求，于是太陽(yáng)能熱水器的智能化程度越來(lái)越高。本設(shè)計(jì)追蹤科技應(yīng)用前沿，跟蹤市場(chǎng)，根據(jù)論文資料及市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品模型，在加上自己的理解和創(chuàng)意，模仿出了一套智能化的太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)完全跟隨太陽(yáng)能熱水器本身智能化程度和成本的要求，為太陽(yáng)能熱水器提供了一套智能化程度高、性能良好、使用方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的配套控制系統(tǒng)。1.2太陽(yáng)能熱水器和其控制器的發(fā)展現(xiàn)狀中國(guó)太陽(yáng)能熱水產(chǎn)業(yè)的發(fā)展始于上世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)的市場(chǎng)定位是農(nóng)村或中小城鎮(zhèn)的低收入家庭。90年代后期，住宅商品化的發(fā)展以及家庭對(duì)熱水需求的大幅度增長(zhǎng)為太陽(yáng)能熱水器的發(fā)展提供了市場(chǎng)空間,太陽(yáng)能熱水器的生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，形成了一些有一定知名度的產(chǎn)品和品牌。自上世紀(jì)90年代以來(lái)，我國(guó)太陽(yáng)能熱水器行業(yè)保持了10多年的快速增長(zhǎng),2005年太陽(yáng)能熱水器年生產(chǎn)量為1500萬(wàn)平方米，是2000年640萬(wàn)平方米的2倍多，到2005年底，我國(guó)太陽(yáng)能熱水器保有量超過(guò)7500萬(wàn)平方米是2000年2600萬(wàn)平方米的近3倍。目前，我國(guó)既是世界上最大的太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)國(guó)，同時(shí)也擁有世界上最大的太陽(yáng)能熱水器市場(chǎng)。至2005年，全國(guó)有1000多家有一定規(guī)模的太陽(yáng)熱水器生產(chǎn)企業(yè)，年總產(chǎn)值達(dá)150多億元，出口創(chuàng)匯2000萬(wàn)美元，全行業(yè)提供約30多萬(wàn)個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益[1]。到目前已有許多太陽(yáng)能品牌為大家耳熟能詳，如皇明、桑樂、四季牧歌、力諾等?？傊?，太陽(yáng)能熱水器已是一件和電視機(jī)、洗衣機(jī)一樣必不可少的家用電器。進(jìn)步源于競(jìng)爭(zhēng)，在我國(guó)太陽(yáng)能擁有廣闊的市場(chǎng)，當(dāng)然也有更大的競(jìng)爭(zhēng)，各大商家為了使自己的產(chǎn)品在市場(chǎng)上立足并長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，不斷提高太陽(yáng)能熱水器的性能，其中太陽(yáng)能熱水器控制器以其靈活、貼近客戶成為商家競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。目前，各大商家紛紛提高太陽(yáng)能熱水器的智能化程度來(lái)滿足消費(fèi)者的需求。許多太陽(yáng)能熱水器的功能有：開機(jī)自檢、溫控上水、強(qiáng)制上水、水位預(yù)置、水質(zhì)設(shè)置、水溫指示、低水壓上水、水位顯示、防高溫空曬、缺水報(bào)警、自動(dòng)防溢流、缺水上水、手動(dòng)上水、故障提示等許多貼近客戶需求的功能。目前太陽(yáng)能控制器的控制器基本實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，以單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)占領(lǐng)太陽(yáng)能熱水器的主要市場(chǎng)。在市場(chǎng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)能控制單片機(jī)的型號(hào)較多，其中應(yīng)用最多的是51系列和PIC系列單片機(jī)。其基本框圖如圖1-1所示。圖1-1市場(chǎng)太陽(yáng)能熱水器基本框圖[2]太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水位顯示、水位控制、溫度顯示、防凍等多種功能，其中對(duì)水位的檢測(cè)、控制，實(shí)現(xiàn)水位顯示、自動(dòng)上水、超限報(bào)警是太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)的核心。目前大多數(shù)太陽(yáng)能熱水器的水位傳感器都采用分段式水位傳感器，因?yàn)樘?yáng)能熱水器對(duì)水位精確度的要求不高，并且分段式傳感器的成本很低。圖1-2是常用的一種分段式熱水器傳感器的基本原理。對(duì)于溫度的檢測(cè)便于用戶的使用和控制電加熱。目前，溫度傳感器的應(yīng)用種類較為繁雜，有直接使用熱電阻、熱電偶的，也有使用數(shù)字溫度變送器（如MAX6674）的。在顯示方面多采用LED顯示或LCD液晶顯示。圖1-2一種分段式水溫傳感器[3]1.3課題的研究?jī)?nèi)容本課題主要是對(duì)市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品的仿制，要能夠?qū)崿F(xiàn)太陽(yáng)能熱水器的完整功能。本課題以89C52單片機(jī)為核心配合傳感器、顯示器件、電磁閥、電加熱器、報(bào)警器等外圍器件，采集熱水器儲(chǔ)水箱中的水位、水溫信號(hào)，通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)、電加熱器加熱來(lái)控制儲(chǔ)水器的水位、溫度，并完成水位、水溫顯示，時(shí)間顯示，水溢報(bào)警等功能。另外配有鍵盤，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)上水、手動(dòng)電加熱、設(shè)置水位、設(shè)置溫度等功能。第二章太陽(yáng)能熱水器智能水位控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)介紹太陽(yáng)能熱水器整體結(jié)構(gòu)大致可以分為四大部分：1．水位、水溫測(cè)量電路。這部分用于采集水位水溫信號(hào)給單片機(jī)，是太陽(yáng)能熱水器控制器最關(guān)鍵的部位。2．時(shí)間、水位、溫度顯示和鍵盤電路。這部分用于系統(tǒng)和人的信息交互，有對(duì)太陽(yáng)能熱水器狀態(tài)的直觀顯示，也有用于人對(duì)系統(tǒng)控制的鍵盤電路。3．時(shí)鐘電路。給系統(tǒng)提供時(shí)間顯示和參考時(shí)間。4．驅(qū)動(dòng)電路。包括電加熱、上水電磁閥、報(bào)警電路，是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行部分。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示。圖2-1太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖第三章水位和水溫測(cè)量電路硬件設(shè)計(jì)水位測(cè)量和水溫測(cè)量是太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)的最重要部分，是實(shí)現(xiàn)其他功能的基礎(chǔ)，此部分性能好壞將關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)良程度，所以設(shè)計(jì)一個(gè)性能良好的水位、水溫測(cè)量系統(tǒng)是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。3.1水位測(cè)量電路水位測(cè)量可以有多種方法，需從性能和成本兩方面進(jìn)行考慮，選擇合適的方案。3.1.1方案比較選擇1．排阻分檔鍵盤式水位傳感器在許多資料中都介紹了一種類似鍵盤電路的分檔水位傳感器，其原理圖如圖3-1所示。圖3-1排阻式水位測(cè)試電路示意圖[4]它的工作原理類似于鍵盤的工作原理，用5根不銹鋼針分別置于水箱內(nèi)的四種不同高度的位置，當(dāng)某個(gè)鋼針不接觸水面時(shí)，其輸出為高電平；當(dāng)其與水面接觸時(shí)則輸出低電平。它們的輸出接至電子開關(guān)CD4069，經(jīng)過(guò)CD4069反向并經(jīng)74LS244驅(qū)動(dòng)后分別接入89C52的P1．0~P1．3引腳。CPU對(duì)這些引腳進(jìn)行判斷后，送去顯示相應(yīng)的水位值。顯示共分4檔，每檔為滿水位的25%。這種方法簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，省去了傳統(tǒng)的A／D轉(zhuǎn)換器，成本低，雖然不精確但可以滿足使用要求[4]。2．RC充放電式水位傳感器測(cè)量電路這種電路資料較少，但我們?cè)谑袌?chǎng)上購(gòu)買的桑樂太陽(yáng)能的水位和水溫傳感器就是基于這種原理，其基本形狀如圖3-2所示。圖3-2桑樂太陽(yáng)能水位水溫傳感器外形圖從圖3-2中我們可以清楚的地看到傳感器外形非常簡(jiǎn)單，一共只有4個(gè)端口，其中一個(gè)是防凍接口，沒有使用，使用的只有3個(gè)端口，在可用的三個(gè)端口上分別標(biāo)有公共、水位、水溫標(biāo)志，由此可知測(cè)量水位、水溫都只用了一個(gè)端口。觀察傳感器可知水位傳感器有5個(gè)與水接觸點(diǎn)，我們從上到下依次命名它們?yōu)?—5觸點(diǎn)。我們分別測(cè)量了觸點(diǎn)不同接法時(shí)公共和水位兩端口之間的電阻，數(shù)據(jù)如表3-1所示。由上述測(cè)試結(jié)果的電阻值得出這樣的規(guī)律，那就是電阻的并聯(lián)短接，其原理如圖3-3所示。表3-1輸出電阻值表短接方式無(wú)短接1、21、2、31、2、3、41、2、3、4、5輸出電阻值（kΩ）極大2512.58.66.3圖3-3桑樂太陽(yáng)能水位傳感器原理它的工作原理是，水面每接觸一個(gè)鋼針就會(huì)多并聯(lián)一個(gè)電阻，電阻隨水位變化而規(guī)律的變化。利用單片機(jī)的一個(gè)口周期性的給電容電路充放電，然后用圖3-4RC充放電式水位傳感器測(cè)量電路原理圖單片機(jī)監(jiān)測(cè)電容兩端電壓的變化，因?yàn)殡娙蓦妷旱纳仙蛳陆禃r(shí)間t=RC，所以用單片機(jī)記錄這個(gè)時(shí)間就能判別電阻的變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為水位的變化進(jìn)行顯示及其他動(dòng)作。3．傳感器選擇RC充放電式水位傳感器測(cè)量電路，明顯優(yōu)于排阻分檔鍵盤式水位傳感器的地方有：（1）接線簡(jiǎn)單，排阻分檔鍵盤式水位傳感器需要四根導(dǎo)線傳輸水位信號(hào)，而RC充放電式水位傳感器僅需要兩根就能完成，這對(duì)于線路較長(zhǎng)的太陽(yáng)能熱水器傳輸信號(hào)電路來(lái)說(shuō)能節(jié)省相當(dāng)多的導(dǎo)線資源。（2）給水溫測(cè)量電路設(shè)計(jì)帶來(lái)方便，RC充放電式水位傳感器的原理可以同樣運(yùn)用到熱電阻溫度測(cè)量電路中。（3）占用較少的I/O口，僅需兩個(gè)I/O口就能完成水位檢測(cè)任務(wù)，極大地節(jié)約了單片機(jī)的I/O口資源。綜上比較可見選用第二種方案較為優(yōu)越。3.1.2水位測(cè)量電路的具體設(shè)計(jì)及優(yōu)化1．直接接單片機(jī)I/O口檢測(cè)單片機(jī)中的定時(shí)器可以提供電壓變化時(shí)間的紀(jì)錄，接下來(lái)就是如何將電壓的變化傳遞給單片機(jī)。一種簡(jiǎn)單的方案是：用P1.0口給RC電路周期性的充放電，然后用P1.1口監(jiān)測(cè)電容的電平變化，完成計(jì)時(shí)，這種方案看上去簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但實(shí)際則行不通。按剛才提到的方法接圖如圖3-5。這樣做得到的結(jié)果是P1.1的電壓一直保持高電平，即電容電壓一直保持高點(diǎn)平。這與單片機(jī)內(nèi)部電路有關(guān)，單片機(jī)的內(nèi)部電路如圖3-6所示。圖3-5直接用I/O檢測(cè)電容電壓測(cè)量水位電路原理圖圖3-6P1口的位結(jié)構(gòu)[5]從圖中可見，P1口只有高電平和低電平兩種狀態(tài)，當(dāng)P1.1口為高電平時(shí)，將電容端與P1.1連接，VCC會(huì)通過(guò)內(nèi)部上拉電阻持續(xù)給電容充電，所以監(jiān)測(cè)電容電壓一直為高電平。而當(dāng)將其置低電平時(shí)，P1口相當(dāng)于接地，將會(huì)出現(xiàn)相反的情況，其通過(guò)地一直給電容放電，電容電壓一直低電平。2．采取與I/O隔離并用中斷監(jiān)測(cè)電容電壓的電路這樣需要將電容電壓與單片機(jī)監(jiān)測(cè)端口隔離，采取如圖3-7所示電路。圖3-7水位測(cè)量電路LM358的應(yīng)用LM358的正向輸入端接電容電壓正端，反向輸入端與輸出端相連，構(gòu)成電壓跟隨器。電壓跟隨器的顯著特點(diǎn)就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來(lái)說(shuō)，輸入阻抗要達(dá)到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通常可以到幾歐姆，甚至更低，也就是說(shuō)電壓跟隨器有較好的隔離作用，使輸出對(duì)輸入影像較小，正好滿足我們的要求[6]。LM358的輸出電壓幅度為0至Vcc-1.5V,而要跟隨的電壓范圍為0—5V，所以應(yīng)選用大于+6.5V的電源供電，這里選用+12V單電源供電2．LM393的作用給比較器設(shè)置+3V的參考電壓，將電容電壓的指數(shù)曲線變成矩形波，波形圖如圖3-8所示。將參考電壓接同相輸入端，比較電壓接反相輸入端，從而實(shí)現(xiàn)電容電壓在上升到參考電壓時(shí)比較器產(chǎn)生下降沿信號(hào)，作為單片機(jī)的外部中斷信號(hào)。如圖3-8所示。根據(jù)LM393的特性本設(shè)計(jì)電源電路提供的電壓，選用+5v給其供電。由LM393的內(nèi)部原理圖可知LM393的輸出為集電極開路，它的輸出高電平與LM393的電源無(wú)關(guān)，但須接外部電源和上拉電阻。在圖3-7所示的水位測(cè)量電路中并未有這樣的上拉電壓電路，是因?yàn)閱纹瑱C(jī)內(nèi)部INT0、INT1口已經(jīng)具備了這樣的電路。INT0、INT1的內(nèi)部電路類似于P1口如圖3-6所示。另外LM393的同相輸入端輸入和反相輸入端輸入之間有相互嵌位作用，+5V電源和分壓電阻提供的+3v參考帶電平對(duì)反相輸入端輸入有嵌位作用，如果不接LM358電源跟隨器而與電容直接相連，顯然會(huì)影響電容電壓的變化，這就是要加電壓跟隨器進(jìn)行隔離的原因。圖3-8電容電壓與比較器輸出信號(hào)(仿真和實(shí)測(cè))3．充電時(shí)間的設(shè)定和電容的選擇電容充電時(shí)間的計(jì)算公式為：(3-1)T即位電容電壓上升時(shí)間。編程使P1.0口輸出周期性的方波，給電容充放電，方波半周期（充電或放電時(shí)間）為，應(yīng)使方波半周期大于電容電壓上升時(shí)間，即：(3-2)如果使用單片機(jī)主程序一直循環(huán)給P1.4口輸出方波，方波的周期可以很大，超過(guò)幾秒甚至幾十秒，但是這樣主程序就只能干這一項(xiàng)工作，影響單片機(jī)的其他工作。所以要用定時(shí)器來(lái)實(shí)現(xiàn)方波輸出。這樣用定時(shí)器就可以用定時(shí)中斷使P1.4口輸出方波，又不影響單片機(jī)的其他工作。這樣方波的周期就受定時(shí)器定時(shí)時(shí)間的限制。89C52單片機(jī)定時(shí)器共有4種定時(shí)方式，其中定時(shí)時(shí)間最長(zhǎng)的為定時(shí)方式1。當(dāng)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器在方式1下做定時(shí)器用時(shí)，其定時(shí)時(shí)間計(jì)算公式為：（3-3）采用12M的晶振，晶振周期為S，因?yàn)椴扇《〞r(shí)器終端方式，所以N=0XFFFF=65536。所以：（3-4）那么當(dāng)T=30ms,計(jì)數(shù)初值為0X8AD0=35536。定時(shí)輸出30ms其程序如下：voidmain(){initial(); while(1) display();}voidtimer_t1()interrupt3{TH1=0X8A;//重新給定時(shí)器1賦值TL1=0XD0;P1_4=!P1_4;//充放電變換 if(P1_4)//充電開始時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器0 { TL0=TH0=0X00;//定時(shí)器0賦初值0TR0=1;//啟動(dòng)定時(shí)器0 }}如圖3-6，這里用INT0中斷來(lái)監(jiān)視記錄電容變化，內(nèi)部編程實(shí)現(xiàn)計(jì)時(shí)器對(duì)電容電壓上升時(shí)間的記錄，所以可以通過(guò)將計(jì)時(shí)器寄存器里的值顯示出來(lái)的方式直觀顯示電容電壓結(jié)果，來(lái)確定合適的電容。以下是編程實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程的結(jié)果。表3-2不同電容大小時(shí)計(jì)數(shù)器寄存器中的值一水位二水位三水位四水位TH0TL0TH0TL0TH0TL0TH0TL02uFA0~B4——85~98——70~83——60~65——1uF64~70——49~50——38~40——32~34——0.22uF2——180~A3172~80164~72由表格數(shù)據(jù)可見當(dāng)選用2uF電容時(shí)，應(yīng)需較大的充放電時(shí)間，充放電不夠充分，所以計(jì)數(shù)器寄存器中的值大而不準(zhǔn)；而當(dāng)取0.22uF電容式計(jì)數(shù)寄存器TH0的值僅為1或2，非常不利用區(qū)分；當(dāng)取1uF電容時(shí)，數(shù)據(jù)大小合適，分段明顯，所以應(yīng)選用1uF電容。另外，電容兩端的最高電壓為+5V，最低電壓為0V，所以所選電容的耐壓留有一定裕量為最大電壓的3倍，所以應(yīng)選取耐壓為15V以上的電容。由表3-2知R最大值為25KΩ，所以：(3-5)又由式3-8得：(3-6)這樣由公式3-5、3-6得到。因此取充電和放電時(shí)間為30ms。4、編程實(shí)現(xiàn)水位處理由于水電阻的波動(dòng)性和電容的不穩(wěn)定性等原因，計(jì)數(shù)器中的數(shù)值會(huì)有一定的波動(dòng)，所以需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理顯示水位。其中buf[1]為計(jì)數(shù)器0寄存器中的值。voidLvRead(){if(buf[1]>60){ WTLV=1;//顯示1水位 L3=0;L2=1;L1=1;L0=1; } elseif(buf[1]>45) { WTLV=2;//顯示2水位L3=1;L2=;L1=1;L0=1; } elseif(buf[1]>36) { WTLV=3;//顯示3水位L3=1;L2=1;L1=0;L0=1; } else { WTLV=4;//顯示4水位L3=1;L2=1;L1=1;L0=0; }}3.2水溫測(cè)量電路水溫測(cè)量電路的設(shè)計(jì)包括傳感器的選擇和測(cè)量電路的選擇?？紤]到性價(jià)比等原因，市場(chǎng)上大部分太陽(yáng)能熱水器的溫度傳感器都選用NTC負(fù)溫度系數(shù)熱電阻，本系統(tǒng)也選用這種。下面主要論述測(cè)量電路。3.2.1方案比較選擇溫度測(cè)量方案很多，下面通過(guò)比較選擇合適的測(cè)量方法。熱電阻A/D轉(zhuǎn)換式水溫傳感器圖3-9熱電阻A/D轉(zhuǎn)換電路原理圖A/D轉(zhuǎn)換式水溫傳感器的原理是，利用熱敏電阻的阻值隨溫度變化的特性，將隨溫度變化的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)化為變化的電壓信號(hào)，然后將這個(gè)電壓信號(hào)經(jīng)運(yùn)放放大處理成0—5V的電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)。這種電路測(cè)量比較精確，但需用A/D轉(zhuǎn)換器，而A/D轉(zhuǎn)換的價(jià)格較貴，會(huì)加大成本，另外A/D轉(zhuǎn)換需占用8個(gè)數(shù)據(jù)口和兩個(gè)片選口及兩個(gè)控制口共12個(gè)I/O口。2．RC充放電式熱電阻水溫傳感器測(cè)量電路RC充放電式熱電阻水溫傳感器測(cè)量電路的原理與前面提到的RC充放電式水位傳感器測(cè)量電路原理完全相同，只要把水位電阻換成熱電阻就可以了。其缺點(diǎn)是不夠精確，但成本很低，對(duì)于對(duì)溫度要求不算精確的太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)，完全可以滿足我們的需要。另外與A/D轉(zhuǎn)換式溫度傳感器相比，其優(yōu)勢(shì)還是十分突出的：（1）僅需2個(gè)I/O口就能完成對(duì)溫度的檢測(cè)，節(jié)約了單片機(jī)的I/O，有利于降低成本。（2）實(shí)現(xiàn)起來(lái)也十分簡(jiǎn)單。3.2.2水溫測(cè)量電路的設(shè)計(jì)及溫度計(jì)算方法1．水溫測(cè)量電路

圖3-10水溫測(cè)量電路原理圖對(duì)太陽(yáng)能熱水器中水的溫度進(jìn)行控制及顯示，需對(duì)熱水器水溫與出水溫度進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于熱水器來(lái)說(shuō)溫度控制與顯示的精度要求并不高，因此本設(shè)計(jì)采用負(fù)溫度系數(shù)NTC熱敏電阻作為測(cè)溫元件，利用NTC熱敏電阻阻值隨溫度變化而改變的特性實(shí)現(xiàn)測(cè)溫。2．水溫計(jì)算方法NTC熱敏電阻的阻值與溫度的準(zhǔn)確關(guān)系為:(3-7)式中R0為溫度為T0時(shí)的電阻值，T0為基準(zhǔn)溫度298.15K，即25℃。為材料系數(shù)。R0與由熱敏電阻生產(chǎn)廠家給出[7]。由式3-7可得:(3-8)由式3-3和式3-4可得；(3-9)經(jīng)測(cè)試T0=25℃的計(jì)數(shù)器寄存器中的值=16384。將T0、、值代入上式并用攝氏溫度表示時(shí)水膽溫度為；(3-10)因?yàn)?9C52單片機(jī)無(wú)法進(jìn)行直接的對(duì)數(shù)運(yùn)算，按上述公式計(jì)算溫度值將是十分困難的。在這里查表法是一種經(jīng)常采用的解決辦法，即事先計(jì)算出所有可能的計(jì)時(shí)結(jié)果所對(duì)應(yīng)的溫度值以表格形式寫入控制程序，每次轉(zhuǎn)換完畢后查表得出所對(duì)應(yīng)的溫度值。但此種方法需占用較多的程序儲(chǔ)存空間本設(shè)計(jì)采用一次線性插值法對(duì)溫度與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果之間的關(guān)系進(jìn)行分段線性化，以少量單片機(jī)能直接進(jìn)行的運(yùn)算的組合去逼近目標(biāo)函數(shù)。圖3-11為溫度T與計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)結(jié)果N之間的關(guān)系曲線。圖3-11計(jì)時(shí)寄存器值N與溫度T的關(guān)系曲線其中圓滑曲線為實(shí)際的T-N關(guān)系曲線設(shè)計(jì)中根據(jù)使用要求將曲線在0-90范圍內(nèi)分3段采用圖中的3段直線斷代替實(shí)際曲線。曲線按式3-10計(jì)算出圖中各線段端點(diǎn)坐標(biāo)值為：N1=1000，T1=90(℃)；N2=7549，T2=43(℃)；N3=20000，T3=20(℃)；N4=56450，T4=0(℃)；分段線性化后溫度T的近似計(jì)算公式：，(℃)(3-11)，(℃)(3-12)，(℃)(3-13)為了能在單片機(jī)上進(jìn)行計(jì)算，將以上三式進(jìn)一步變換成如下形式（其中int為取整函數(shù)）：T=97-int(N*8/1000),(3-14)T=50-int(N/1000),(3-15)T=30-int(N*5/10000),(3-16)式3-14、3-15和3-16的計(jì)算過(guò)程僅需通過(guò)簡(jiǎn)單的幾步移位與加減法操作即可實(shí)現(xiàn)，與通過(guò)式3-10計(jì)算并進(jìn)行四舍五入圓整的結(jié)果相比較單片機(jī)通過(guò)式3-14、3-15和3-16計(jì)算出的溫度值在0~20范圍內(nèi)誤差不超過(guò)2℃,在20~90范圍內(nèi)誤差不超過(guò)1℃,并且計(jì)算出的溫度值與3．程序?qū)崿F(xiàn)測(cè)量水溫程序與水位程序類似，由單片機(jī)口給電容發(fā)矩形波充放電，然后檢測(cè)中斷計(jì)時(shí)，根據(jù)計(jì)數(shù)器中的值來(lái)判斷當(dāng)前溫度。也就是水溫測(cè)量程序包含中斷計(jì)時(shí)和數(shù)據(jù)處理兩部分。定時(shí)器0和1已經(jīng)被水位測(cè)量電路，和充電定時(shí)占用，所以這里需可以編程序?qū)崿F(xiàn)水位和水溫中斷輪流開關(guān)，來(lái)輪流使用定時(shí)器0,計(jì)算溫度傳感器的上升時(shí)間。數(shù)據(jù)處理公式已在上面列出。下面列出數(shù)據(jù)處理程序，其中buf[3]、buf[2]為中斷1得到的定時(shí)器1中的值，中斷程序見附件。voidTmRead(){uintval;val=buf[3]*256+buf[2];if(val<7549)TMP=97-int(val*8/1000);elseif(val<20000)TMP=50-int(val/1000);elseTMP=30-int(val*5/10000);}3.3水位、水溫測(cè)量電路的整體設(shè)計(jì)由上面的分析知道，兩者的電路原理一樣，都是用P1口給電容充電，用中斷檢測(cè)電容電壓變化。作為充電口P1口的作用相當(dāng)于電源（充電時(shí)）或地（方電時(shí)），所以可以用同一個(gè)口為兩個(gè)沖放電回路充電，兩個(gè)回路是獨(dú)立的。LM393和LM358都是雙運(yùn)放、8腳DIP封裝，恰好用于水位和水溫檢測(cè)兩路。下面圖3-12是實(shí)際的水位和水溫測(cè)量電路圖。圖3-12水位和水溫測(cè)量電路實(shí)際電路圖以P1.0口作為水位和水溫電路的公共充0放電口，以INTO作為水位測(cè)量電路的中斷檢測(cè)口，以INT1作為水溫測(cè)量電路的中斷檢測(cè)第四章顯示電路鍵盤和顯示電路是太陽(yáng)能熱水器水位控制系統(tǒng)與用戶的接口，用戶通過(guò)顯示來(lái)觀察水溫、水位、時(shí)間等狀態(tài)值，再根據(jù)觀察到的值，通過(guò)鍵盤對(duì)太陽(yáng)能熱水器進(jìn)行控制。本章設(shè)計(jì)了較為合理的鍵盤和顯示電路完成這些功能。4.1方案選擇太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)需要用數(shù)碼管顯示時(shí)間和溫度，時(shí)間精確到分，24或12小時(shí)制，這就需要4位顯示；而溫度顯示范圍為0—99度，這又需要2位顯示。對(duì)于六位顯示，采用占用I/O較少的動(dòng)態(tài)掃描方式，也需要六位位選碼數(shù)據(jù)線，八位段選碼數(shù)據(jù)線，共需14個(gè)I/O口。鍵盤采用復(fù)用方式，仍需要至少4個(gè)I/O口。鍵盤和顯示電路共需18個(gè)I/O口，89C52單片機(jī)共有4×8個(gè)I/O口，而又有8個(gè)口有特殊功能，也就是常用的共有3×8個(gè)I/O口，該系統(tǒng)的其他設(shè)置也還要占用大量I/O口，顯然這樣太浪費(fèi)資源。4.1.18255A芯片介紹圖4-18255A輸入輸出口和編程模型表4-18255A引腳定義引腳名功能連接去向D0~D7數(shù)據(jù)總線（雙向）CPURESET復(fù)位輸入CPU片選信號(hào)譯碼電路EQ讀信號(hào)CPU寫信號(hào)CPUA0,A1端口地址CPUPA0~PA7端口A外設(shè)PB0~PB7端口B外設(shè)PC0~PC7端口C外設(shè)VCC電源（+5V）/GND地/2．8255的工作方式圖4-2方式控制字

4.1.28255A在太陽(yáng)能熱水器控制電路中的作用單片機(jī)與8255A的連接如圖5-3所示，如圖所示分別將8255A的讀、寫、復(fù)位端口與單片機(jī)的讀、寫、復(fù)位端口相連。A0、A1、為8255A的地址口，D0-D9為數(shù)據(jù)口。P2.5與A1相連，P2.6與A2相連，P2.7與相連，提供8255的端口地址信號(hào)。單片機(jī)的P0口為8255A提供數(shù)據(jù)輸出輸入。8255A共占用單片機(jī)11個(gè)常用I/O口，比直接顯示鍵盤電路節(jié)省了7個(gè)I/O口。圖5-3單片機(jī)與8255A連接圖4.2顯示電路工作原理4.2.18255A顯示電路的硬件結(jié)構(gòu)。8255A擴(kuò)展顯示及鍵盤電路如圖5-4所示。圖4-4用8255A擴(kuò)展的鍵盤和顯示電路在顯示電路中用8255A的PA口輸出位選信號(hào)，通過(guò)74F07接LED顯示器的片選引腳。7407是TTL門集成的六路輸出緩沖器/驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)采用的是共陰極LED顯示器，位選應(yīng)接低電平，可能有幾十毫安的電流輸出，而單片機(jī)的I/O口最大能承受幾毫安的灌電流，所以需用7407來(lái)接受較大的輸出電流。PB口輸出的段選信號(hào)，通過(guò)74LS245芯片接LED段碼引腳，因?yàn)?255A的輸出電流一般是微安級(jí)的，而LED一般則要求5到幾十毫安的電流，不能直接驅(qū)動(dòng)LED，而74LS245的高電平輸出電流在15毫安左右，可以驅(qū)動(dòng)LED顯示。另外74LS245的輸出接上拉電阻，幫助驅(qū)動(dòng)顯示器。LED顯示器是由發(fā)光二極管顯示子段組成的顯示器件。在單片機(jī)系統(tǒng)中通常使用的是七段LED顯示器，這種顯示器有共陰極共陽(yáng)極兩種，在這次設(shè)計(jì)中選用共陰極LED顯示器。共陰極七段LED顯示器的管腳如圖5-5所示圖4-5共陰極LED顯示器的原理和管腳圖表4-1共陰極LED顯示器七段碼顯示字符共陰極七段碼顯示字符共陰極七段碼03FH96F106A7725BB7C34FC39466D5E56DE7967DF71707P7387FU3E4.2.28255A實(shí)現(xiàn)顯示方法8255A的PA、PB口作為輸出口驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示；PC口用作輸入口監(jiān)測(cè)鍵盤輸入，所以這里須用工作方式0——基本輸入輸出口工作方式，其方式控制字為10001001。8255A的RESET引腳與單片機(jī)的RESET引腳直接相連，當(dāng)單片機(jī)復(fù)位時(shí)，8255A同時(shí)復(fù)位。單片機(jī)的P2.7口與8255A的片選信號(hào)相連，顯示期間一直輸出低電平，選中8255。在P2.5、P2.6都輸出高電平時(shí),即A1=1，A2=1時(shí)，=0，單片機(jī)輸出寫信號(hào)，訪問控制寄存器，將方式控制字10001001通過(guò)單片機(jī)的P0口與8255A的D0-D7數(shù)據(jù)口送給8255的控制字寄存器。由圖5-3的連接方式知控制字寄存器地址為：0111111111111111，即0x7FFF，向該地址寫入控制字即可。當(dāng)P2.5、P2.6都輸出低電平時(shí)，A1=0，A2=0時(shí)，=0，單片機(jī)輸出寫信號(hào)，訪問端口A，將位選碼送出，選中要顯示的位，即端口A地址為：0001111111111111=0x1FFF，向該地址寫入位選碼即可。然后將P2.5=0，P2.6=1，即A1=0，A2=1，=0，單片機(jī)輸出寫信號(hào)，訪問端口B，將段選碼送出，保持幾毫秒的延時(shí)，使LED顯示。即端口C地址為：0101111111111111=0x5FFF，向該地址寫入段選碼即可。顯示程序如下：/*定義8255A字符型字位口*/#defineDIGPORTXBYTE[0x1FFF]//PA口地址，位選碼地址#defineWORDPORTXBYTE[0X3FFF]//PB口地址，段選碼地址#defineCCOMXBYTE[0X7FFFF]//控制字寄存器地址#defineKPORTXBYTE[0X5FFF]//PC口，鍵盤掃描地址voiddisplay(void){uchari;//顯示緩沖區(qū)首址uchardelay;//顯示延時(shí)uchardisp;//顯示內(nèi)容uchardigit;//定義數(shù)碼管顯示位digit=0x08;for(i=0;i<2;i++){if(BUFFER[i]>100)disp=BUFFER[i]%10+10;elsedisp=BUFFER[i]%10;DIGPORT=digit;WORDPORT=TABLE[disp];for(delay=0;delay<=200;delay++);digit=digit>>1;disp=BUFFER[i]/10;DIGPORT=digit;WORDPORT=TABLE[disp];for(delay=0;delay<=200;delay++);digit=digit>>1;}}第五章其他硬件電路設(shè)計(jì)上水、電加熱、報(bào)警電路屬于大功率驅(qū)動(dòng)電路，需用開關(guān)控制外部電源的關(guān)斷。水位顯示是簡(jiǎn)單的三極管驅(qū)動(dòng)電路。電源電路微單片機(jī)的主電路及部分驅(qū)動(dòng)開關(guān)提供電源。本章對(duì)這些綜合介紹。5.1上水電磁閥、電加熱、報(bào)警等驅(qū)動(dòng)電路上水電磁閥、電加熱開關(guān)、水位顯示、報(bào)警開關(guān)等驅(qū)動(dòng)電路均采用9013三極管進(jìn)行放大驅(qū)動(dòng)，如圖6-1所示。5.1.1上水控制電路由單片機(jī)P1.1口的輸出來(lái)控制上水電磁閥。單片機(jī)P1.1口通過(guò)一個(gè)2.2K的電阻接9013三極管的基極，9013的集電極通過(guò)一個(gè)單刀繼電器接正12V電源，9013射極接地。當(dāng)P1.1輸出低電平時(shí)，三極管截至，幾乎沒有電流通過(guò)三極管的基極到射極、集電極到射極，即,所以此時(shí)流過(guò)繼電器的電流幾乎為0，繼電器打開。當(dāng)P1.1口輸出高電平時(shí)，三極管9013導(dǎo)通，有較大的飽和電流流過(guò)繼電器，使其吸合、關(guān)閉，從而開啟電磁閥。5.1.2電加熱控制電路電加熱的繼電器采用雙開關(guān)繼電器，一個(gè)開關(guān)控制電加熱器的火線，另一個(gè)控制零線。當(dāng)P1.0輸出低電平時(shí)，三極管不導(dǎo)通，繼電器無(wú)電流通過(guò)，開關(guān)開啟，電加熱器不工作。當(dāng)P1.0輸出高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，繼電器有較大電流通過(guò)，開關(guān)閉合，電加熱器開始工作。。5.1.3報(bào)警控制電路報(bào)警輸出三極管的集電極接蜂鳴器，蜂鳴器的另一端接正5伏電源。有P1.2口控制報(bào)警電路，當(dāng)水位超標(biāo)時(shí)P1.口輸出高電平報(bào)警，不報(bào)警時(shí)將P1.2口置低電平。5.1.4水位顯示電路水位顯示電路由P2.0-P2.4口來(lái)控制，其中P2.4口輸出高低電平控制水位的顯示與否，P2.0-P2.3口輸出高低電平控制二極管的亮滅來(lái)顯示水位。圖5-1主要驅(qū)動(dòng)電路電路圖5.2電源電路對(duì)于太陽(yáng)能用戶來(lái)講，最常用、最方便的電源當(dāng)然是220V的工頻交流電源，但太陽(yáng)能容熱水器控制系統(tǒng)需要的是穩(wěn)定的+5V和+12V電源，所以要為控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)直流電源電路。由于本設(shè)計(jì)由+5V和+12V兩個(gè)不同的電壓供電，并且+5V是主電源。變壓器分別采用220/8和220/15的變壓器，穩(wěn)壓電路分別采用集成穩(wěn)壓器件7805和7812進(jìn)行穩(wěn)壓。圖6-2為系統(tǒng)+5V直流電源的整體圖，+12V電源與它基本相同。圖6-2系統(tǒng)直流電源總圖結(jié)論本課題設(shè)計(jì)了一個(gè)以89C52單片機(jī)為核心配合其他外圍電路的太陽(yáng)能熱水器智能控制系統(tǒng)，完成了對(duì)太陽(yáng)能熱水器容器內(nèi)的水位、水溫測(cè)量、顯示；時(shí)間顯示；缺水時(shí)自動(dòng)上水，水溢報(bào)警；手動(dòng)上水、參數(shù)設(shè)定；定時(shí)水溫過(guò)低智能電加熱等功能模塊的設(shè)計(jì)。完成了太陽(yáng)能熱水器水位、水溫的測(cè)量和顯示電路的設(shè)計(jì)，并作了硬件調(diào)試，調(diào)試結(jié)果較為理想，得到了準(zhǔn)確的分檔水位測(cè)量，和誤差較小的溫度測(cè)量，驗(yàn)證了RC充放電測(cè)量電阻的可行性。通過(guò)對(duì)水位、水溫的測(cè)量監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)上水、水溢報(bào)警、智能加熱等功能。完成了用8255A擴(kuò)展鍵盤和顯示電路的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了溫度時(shí)間共六位動(dòng)態(tài)顯示，和4個(gè)獨(dú)立鍵盤輸入。完成了時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)，為系統(tǒng)提供了準(zhǔn)確的時(shí)間顯示，顯示時(shí)、分。并為定時(shí)加熱提供了時(shí)間參考，從而完成自動(dòng)電加熱。用鍵盤實(shí)現(xiàn)了手動(dòng)上水、電加熱、參數(shù)設(shè)置等功能。參考文獻(xiàn)[1]胡潤(rùn)青.蓬勃發(fā)展的太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)業(yè).可再生能源.[2]袁小平，陳躍.一種智能型太陽(yáng)能熱水器控制器的研制.江蘇煤炭.[3]范延濱，王正彥.太陽(yáng)能熱水器控制器中測(cè)量模型.電子測(cè)量技術(shù)，2004，3.[4]唐德禮，鮑連升.太陽(yáng)能熱水器水溫水位控制器.十堰職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，15（4）.[5]姜志海，黃玉青等.單片機(jī)原理及應(yīng)用.電子工業(yè)出版社，2005.113-120.[6]劉潤(rùn)華，劉立山.模擬電子技術(shù).石油大學(xué)出版社，2003.250-254.[7]孫東勝.新型電熱水器控制器的研制：[碩士學(xué)位論文].上海：上海交通大學(xué)，20041001.[8]歐陽(yáng)喬.時(shí)鐘芯片DS1302的原理及其Proteus仿真設(shè)計(jì).計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)，2006，6.[9]周荷琴，吳秀清.微型計(jì)算機(jī)原理.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2004.325-354.[10]SandrineCLAQUIN,AlainCARRIERE,FranqoisROCARIES.ModellingandAp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