太阳能热水器温度控制系统设计最终.docx

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太阳能热水器温度控制系统设计最终

目录

1绪论2

1.1课题背景2

1.2太阳能热水器2

1.3设计要求2

1.3.1控制要求2

1.3.2受控对象的数学模型3

2对硬件电路的研究与设计4

2.1单片机核心简介4

2.1.1组成框图及内部总体结构4

2.1.2寄存器和存储器5

2.1.3单片机各口及其负载能力、接口要求6

2.1.4MCS—51单片机的引脚功能8

2.2对温度传感器的选择12

2.2.1温度传感器的作用12

2.2.2常用的温度传感器类型12

2.2.3温度传感器的选择14

2.2.4DS18B20详解15

2.3对显示模块的设计22

2.3.11602液晶的硬件22

2.3.21602指令集25

2.4时钟电路设计26

2.4.1时钟电路方案研究26

2.4.2DS1302硬件研究26

2.5系统的输入设备29

2.5.1键盘的设计29

2.5.2电源的设计30

2.5.3电源方案的确定31

2.5.4电源的设计原理31

2.5.5电源的性能要求32

2.6外部驱动电路的设计33

2.7水位监测电路的设计34

2.7.1水位监测的方案对比35

3软件设计37

3.1流程图37

3.2程序37

附录一电路原理图：

38

附录二PROTEUS效果图：

39

1绪论

1.1课题背景

太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大特点：

第一：

它是人类可以利用的最丰富的能源。

据估计，在过去漫长的11亿年中，太阳消耗了它本身能量的2%。

今后足以供给地球人类，使用几十亿年，真是取之不尽，用之不竭。

第二：

地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题，尤其对交通不发达的农村、海岛和边远地区更具有利用的价值。

第三：

太阳能是一种洁净的能源。

在开发利用时，不会产生废渣、废水、废气、也没有噪音，更不会影响生态平衡。

绝对不会造成污染和公害。

1.2太阳能热水器

基于太阳能各种优点，我们应该对其进行充分的利用，在以太阳能为主要能源的家用电器中，与我们日常生活密切相关的产品就是太阳能热水器。

随着太阳能热水器市场竞争的日益激烈，品牌集中度将越来越高，消费者购买时的品牌意识也逐步增强，因此太阳能市场的前景还是一片大好。

在本论文中，我主要阐述我对太阳能热水器的一种设计理念。

本系统会具有时间、温度和水位三种参数实时显示和控制功能，而且具有时间设定、温度设定与控制功能。

针对我对太阳能热水器的设计理念，首先我要解决的问题是寻求一款性能优良的温度传感器来实时对太阳能热水器中的水温进行检测，毕竟消费者所买来的太阳能热水器是用来洗澡的，因此对于能否放出适宜的温度时至关重要的。

其次，要做较好的安全措施，要对消费者的人身安全负责，这样，我便需要对热水器进行一定的漏电保护及防止电热丝干烧的措施。

对于以上我所提出的问题，我将进行详细的论述与严谨的思考。

1.3设计要求

1.3.1控制要求

（1）要求太阳能热水器温度控制系统具有时间、温度和水位三种参数实时显示和控制。

功能，而且具有时间设定、温度设定与控制功能。

（2）设计和实现太阳能热水器温度控制器的硬件电路，其中包括数据采集电路、控制执行电路、显示电路等。

（3）用PROTEL2004软件对本系统的硬件电路进行绘制和设计。

同时做出本控制系统的PROTEUS仿真。

1.3.2受控对象的数学模型

在太阳能热水器系统中，最重要的环节便是温度控制环节，我们首先手动设置适合人类淋浴的水温，我们对水问控制包括两个方面，即：

水温太热，我们需要多加入凉水进行温度的调节；另一方面是水温太高，而外界的太阳能亮又不能使水温迅速达到我们的要求，那么就是控制系统自动启动电热丝，对水温进行加热，因此我们的控制对象有两个，那就是加水和加热。

2对硬件电路的研究与设计

2.1单片机核心简介

2.1.1组成框图及内部总体结构

80C5l内部组成方框图如图1所示，内部总体结构框图如图2所示。

图2-180C51单片机组成方框图

图2-280C51总体结构框图

80C51主要包括算术／逻辑部件ALU、累加器A（有时也称ACC）、只读存储器ROM、随机存储器RAM、指令寄存器IR、程序计数据PC、定时器／计数据、I／O接口电路、程序状态寄存器PSW、寄存器组，此外，还有堆栈寄存器SP、数据指针寄存器DPTR等部件。

这些部件集成在一块芯片上，通过内部总线连接，构成完整的微型计算机。

下面按其部件功能分类予以介绍。

2.1.2寄存器和存储器

微处理器中的寄存器是学习指令系统和程序设计中常会接触到的、寄存器是由触发器组成的，8位寄存器由8个触发器组成，16位寄存器由16个触发器组成。

MCS—51中的寄存器较多，大体可分为通用寄存器和专用寄存器两类。

图2-3微处理器存储器结构

MCS—51存储器配置：

微型计算机必须配置一定数量的存储器，但不同的微型计算机存储器的配置不同。

一种是程序与数据共用一个存储器，如图3（a）所示。

一般的通用计算机都采用此种形式。

另一种是将程序与数据分别放在两个存储器内，一个称程序存储器，另一个称数据存储器，如图3（b）所示。

MCS—5l单片机属于此类。

这是由单片机的应用特点所决定的，因为单片机往往是为某个特定对象服务的，这是与通用计算机不同的一个显著特点。

它的程序设计调试成功后，一般是固定不变的，因而程序（包括常数表）可以而且也应该一次性地永久放到单片机内。

这样不仅省去了每次开机后台程序重新装入步骤，还可以有效地防止围掉电和其它干扰而引起的程序丢失的错误。

MCS—51片内集成有一定容量的程序存储器（8031／80c31／8032除外）和数据存储器并具有较大的外部存储器扩展能力。

物理上，MCS—51有4个存储器空间：

片内程序存储器、片外程序存储器，片内数据存储器、片外数据存储器。

图4给出了访问程序存储器时，程序取指所涉及到的信号和时序。

如果程序存储器是外部的，则程序存储器读选PSEN一般是每个

图2-4MCS-51执引外部程序存储器中指令码时的总线周期

机器周期两次有效，如图4（a）所示，如果是访问外部数据存储器，如图4（b）所示，则要跳过两个PSEN，因为地址和数据总线正在用于访问数据存储器。

应该注意的是，数据存储器总线周期为程序存储器总线周期的2倍，图5给出了端口0和端口2所发送的地址ALE和PSEN的相对时序。

ALE用于将P0的低位地址字节锁存到地址锁存器中。

2.1.3单片机各口及其负载能力、接口要求

MCS—51单片机有4个口，共32根I/O线。

所有4个端口都是双向口，每口都包含一个锁存器，即专用寄存器P0--P3，一个输出驱动器和输入缓冲器。

为了方便起见，我们把4个端口和其中的锁存器（即专用寄存器）都笼统地表示为P0—P3。

MCS-51在访问外部存储器时，地址由P0、P2口送出，数据则通过P1口传送，这时P0口是分时多路转换的双向总线。

无外部存储器的系统中，所有4个端口都可以作为准双向口使用。

P0口是8位双向三态输入／输出接口，如图5（a）所示。

P0口既可作地址／数据总线使用．又可作通用I／O口用。

连接外部存储器时，P0口一方面作为8位数据输入／输出口，另一方面用来输出外部存储器的低8位地址。

作输出口时，输出漏极开路，驱动NMOS电路时应外接上拉电阻；作输人口之前，应先向锁存器写1，使输出的两个场效应管均关断，引脚处于“浮空”状态，这样才能做到高阻输入，以保证输人数据的正确。

正是由于该端口用作I／O口，输入时应先写l，故称为准双向口。

当P0口作地址／数据总线使用时，就不能再把它当通用I/O口使用。

P1口是8位准双向口，作通用输入／输出口使用，如图5（b）所示。

在输出驱动器部分，Pl口有别于P0口，它接有内部上拉电阻。

P1口的每以一位可以独立地定义为输人或者输出，因此，P1口既可作为8位并行输入／输出口，又可作为8位输入／输出端。

CPU既可以对P1口进行字节操作，又可以进行位操作。

当作输入方式时，该位的锁存器必须顶写1。

P2口是8位准双向输入／输出接口，如图5（c）所示。

P2口可作通用I／0口使用与P1口相同。

当外接程序存储据时，P2口给出地址的高8位，此时不能用作通用，I／O口。

当外按数据存储器时，若RAM小于256KB，用R0、R1作间址寄存器，只需要P0口送出地址低8位，P2口可以用作通用I／O；若RAM大于256KB，必须用16位寄存器DPTR作间址寄存器．则P2口只能在一定限度内作一股I／O口使用。

P3口也是一个8位的准双向输入／输出接口，如图5（d）所示。

它具有多种功能。

一方面与P1口一样作为一般准双向输入／输出接口，具有字节操作和位操作二种工作方式；另一方面8条闲人／输出线可以独立地作为串行输入／输出口和其它控制信号线。

图2-5I/O一位锁存器和缓冲器结构

P0—P3端口的负载能力及接口要求

P0口的输出级与P1-P3口的输出级在结构上是不同的，因此它们的负载能力和接口要求也各不相同。

P0口的每一位输出可驱动8个LSTTL输入，但把它当通用口使用时，输出级是开漏电路，故用它驱动NM0S输入时需外接上拉电阻；把它当地址／数据总线时，则需接外部上拉电阻。

P1—P3口的输出级接有内部上拉电阻，它们的每一位输出可驱动4个LSTTL输入。

CHMOS端口只能提供几毫安的输出电流，故当作为输出口去驱动一个普通晶体管的基极时，应在端口与晶体管基极间串联一个电阻，以限制高电平输出时的电流。

I/O口的读一修改一写特性由图5可见，每个I／O端口均有两种读人方法，读锁存器和读引脚，并有相应的指令，那么如何区分读端口的指令是读锁存器还是读引脚呢?

读锁存器指令是从锁存器中读取数据，进行处理，并把处理以后的数据重新写入锁存器中这类指令称为“读一修改一写”指令。

当目的操作数是一个I／O端口或I／O端口的某一位时，这些指令是读锁存器而不是读引脚，即为“读一修改一写”指令，下面是一些“读一修改一写”指令。

ANL（逻辑与,例如ANLP1,A）

ORL（逻辑或,例如ORLP2,A）

XRL（逻辑异或,例如XRLP3,A）

JBC（若位=1,则转移并清零,例如JBCP1.1,LABEL）

CPL（取反位,例如CPL,P3.0）

INC（递增,例如INCP2）

DEC（递减,例如DECP2）

DJNZ（递减,若不等于0则转移,例如DJNZP3,LABEL）

MOVP1.7C（进位位送到端口P1的位7）

CLRP1.4（清零端口P1的位4）

SETBP1.2（置位端口P1的位2）

读引脚指令一般都是以I／O端口为原操作数的指令，执行读引脚指令时，打开三态门，输人口状态。

例如，读P1口的输入状态时，读引用指令为；MOVA，P1。

"读一修改一写"指令指向锁存器而不是引脚，其理由是为了避免可能误解引脚上的电平。

例如，端口位可能用于驱动晶体管的基极，在写1至该位时，晶体管导通，若CPU随后在引脚处而不是在锁存器处读端口位，则它将读回晶体管的基极电压，将其解释为逻辑0。

读该锁存器而不是引脚将返回正确值逻辑1。

2.1.4MCS—51单片机的引脚功能

MSC-51单片机采用40引脚的双列直插封装（DIP）方式。

图6为其引脚及逻辑符号图。

在40条引脚中，有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制引脚，3I/O引脚。

下面分别叙述各引脚的功能。

1、主电源引脚Vss和Vcc

Vss（20）：

接地；Vcc（40）：

正常操作时接十5V电源

2、外接晶体引脚XTAL1和XTAL2

当外接晶体振荡器时，XTAL1和XTAL2分别接在外接晶体两端，当采用外部时钟方式时，XTAL1接地，XTAL2接外来振荡信号。

图2-6MCS—51单片机引脚图及逻辑符号图

3、控制引脚

RST/Vpp（9）：

当振荡器正常运行时，在此引脚上出现二个机器周期以上的高电平使单片机复位。

Vcc掉电期间，此引脚可接备用电源，以保持内部RAM的数据。

当Vcc下降掉到低于规定的水平，而VPD在其规定的电压范围内，VPD就向内部RAM提供备用电源。

ALE（30）：

当访问外部存储器时，由单片机的P2口送出地址的高8位，P0口送出地址的低8位，数据也是通过P0口传送。

作为P0口某时选出的信息到底是低8位地址还是传送的数据，需要有一信号同步地进行分别。

当ALE信号（允许地址锁存）为高电平（有效）．P0口送出低8位地址，通过ALE信号锁存低8位地址。

即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1／6，因此可用作对外输出的时钟。

但需注意：

当访问外部数据存储器（执行MOVX指令）时，将跳过一个ALE脉冲。

ALE端可驱动8个LSTTL输入。

PSEN（29）：

程序存储器读选通信号，低电平有效。

MCS—51单片机可以外接程序存储器及数据存储器，它们的地址可以是重合的。

MCS—5l单片机是通过相应的控制信号来区别到底P2口和P0口送出的是程序存储器还是数据存储器地址。

从外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期两次

有效，此时地址总线上送出地址为程序存储器地址；如果访问外部数据存储器，这两次有效的P5EN信号将不出现。

外部数据存储器是靠

（读）及（写）信号控制的。

同样可以驱动8个LSTTL输入。

EA／Vpp（31）：

当EA保持高电平时，访问内部程序存储器（4K8），但当PC（程序计数器）值超过OFFFH时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器（从0000H地址开始），不管单片机内部是否有程序存储器。

对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚用于施加21V的编程电源（Vpp）。

输入输出引脚P0.0—P0.7（39—32）：

P0口是一个漏极开路型准双向I／O口。

在访问外部存储器时，它是分时多路转换的地址（低8位）和数据总线，在访问期间激活了内部的上拉电阻。

在E—PROM编程时，它接收指令字节，而在验证程序时，则输出指令字节。

验证时，要求外接上拉电阻。

P1.0—P1.7（1—8）：

P1口是带内部上拉电阻的8位双向I／O口。

在EPROM编程和程序验证时，它接收低8位地址。

P2.0—P2.7（21—28）：

P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I／O口。

在访问外部存储器时，它送出高8位地址。

在对EPROM编程和程序验证期间，它接收高8位地址。

P3.0—P3.7（10—17）：

P3口是一个带内部上拉电阻的8位

双向I／O口。

在MCS—5l中，这8个引脚还兼有专用功能，这些功能见表1。

这些专用功能的口线，在与外部设备接口、外接数据存储器等方面具有非常重要的作用。

表1P3各口线与专用功能

下图是设计的单片机最小系统图：

下图是在仿真中的单片机系统图：

2.2对温度传感器的选择

2.2.1温度传感器的作用

在太阳能热水器系统中，我们要对水温进行检测，因此我们需要把水温这个非电量，通过适宜的温度传感器转换成一个电量，从而我们对温度值所对应的电信号进行处理，最终达到我们的控制要求。

因此，温度传感器在本系统中起到了非常重要的作用。

2.2.2常用的温度传感器类型

（1）热电偶温度传感器

对于热电偶温度传感器，其工作原理是将两种不同材料的导体或半导体A和B焊接起来，构成一个闭合回路，如图2-1-1所示。

当导体A和B的两个执着点1和2之间存在温差时，两者之间便产生电动势,因而在回路中形成一个大小的电流,这种现象称为热电效应。

温度传感器热电偶就是利用这一效应来工作的。

同时，热电偶温度传感器还具有一些优点，即：

测量精度高。

因温度传感器热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。

测量范围广。

常用的温度传感器热电偶从-50~+1600℃均可边续测量，某些特殊温度传感器热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。

构造简单，使用方便。

温度传感器热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

但是，由于热电偶温度传感器客观的结构形式，为了保证温度传感器热电偶可靠、稳定地工作，我们要求组成温度传感器热电偶的两个热电极的焊接必须牢固；两个热电极彼此之间应很好地绝缘，以防短路；补偿导线与温度传感器热电偶自由端的连接要方便可靠；保护套管应能保证热电极与有害介质充分隔离。

（2）热敏电阻温度传感器

热电阻温度传感器测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。

温度传感器热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用甸、镍、锰和铑等材料制造温度传感器热电阻。

其主要有精通型温度传感器热电阻、铠装温度传感器热电阻、端面温度传感器热电阻、隔爆型温度传感器热电阻等集中类型。

对于温度传感器热电阻测温系统，一般由温度传感器热电阻、连接导线和显示仪表等组成。

必须注意：

温度传感器热电阻和显示仪表的分度号必须一致；为了消除连接导线电阻变化的影响，必须采用三线制接法。

（3）红外线测温技术.

红外检测器将吸收的辐射转化为热能，因此提高检测器的温度。

并把温度变化数据转化成电子信号，放大显示出来。

红外线是占据在可见光之间电磁波谱的一部分。

电磁波谱是一组不同类型的辐射。

它包括伽马射线、X射线、紫外线、可见红外辐射、微波、和无线电波。

红外线的波长大于可见光的波长。

因此红外线是一种不可见光。

“红外”的意思就是“在红线以下”，表明这种光只有在电磁波谱的红光以下才能被看到。

红外非接触温度感测器可以测量所有目标物体释放的红外能量，具有响应快的特点。

通常被用于测量移动和间歇性目标，真空状态下的目标，由于恶劣环境空间限制以及安全威胁无法由人接触的目标。

尽管在有些情况下使用其它设备也可以完成，但成本相对较高。

（4）DS18B20数字式温度传感器

DS18B20数字式温度传感器采用独特的单线接口方式，该温度传感器在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

其测温范围在－55℃～＋125℃之间，采用独特的一线接口，只需要一根数据线即可完成通信任务。

电压范围为3.0V至5.5V，无需备用电源。

该传感器由于体积小巧，测量温度转却，因此应用范围很广，该产品适用于冷冻库，粮仓，储罐，电讯机房，电力机房，电缆线槽等测温和控制领域等等。

该温度传感器可编程的分辨率为9~12位温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒用户可定义的非易失性温度报警设置应用范围包括恒温控制，工业系统，消费电子产品温度计，或任何热敏感系统。

由于每一个DS18B20的包含一个独特的序号，多个ds18b20s可以同时存在于一条总线。

这使得温度传感器放置在许多不同的地方。

2.2.3温度传感器的选择

通过我对市场上现存的各种各样的温度传感器进行比对调查，我发现DS18B20数字型温度传感器最适合应用到我所设计的太阳能热水器系统中。

对于热电偶温度传感器来说，虽然其测温范围非常广，甚至最高能测数千摄氏度的高温，但是在我们的太阳能热水器中，其水温最高也超不过100摄氏度，因此要那么高的量程是没有任何实际意义的，同时，在使用热电偶温度传感器时有很多的不便之处，例如需要温度校正、温度补偿等等细节问题，都太繁琐，这样不利于简化产品生产工艺和降低生产成本，同时，热电偶温度传感器虽然能够将温度信号转换成电信号，但是这样的电信号只是一个模拟信号，我们无法将这样的模拟信号直接传送给单片机进行处理，因为我们的51单片机只能够处理数字量，因此假如要对热电偶温度传感器输出地模拟信号进行处理，我们只能通过一定的放大电路，将微弱的电信号进行放大，再通过模数转换电路，将模拟信号转换成数字信号，只有这样，我们才能用51单片机进行数字运算，在这过程中，我们还必须用到一个模数转换器件，这样无疑又增加了成本，这是不理智的。

因此，把热电偶温度传感器运用到我们的太阳能热水器系统中来，这是不合适的。

对于热敏电阻传感器来说，其具有如同热电偶温度传感器相同的弊端，那就是转换出来的温度信号也是个非常微弱模拟量，也需要对这个微弱的模拟信号进行放大，最终经过模数转换电路才能传送给单片机进行处理运算，因此，采用热电阻温度传感器作为本太阳能热水器的测温器件也是不合理的。

综合以上分析，我发现只有DS18B20温度传感器才是能够运用到太阳能热水器中的最佳选择。

因为DS1B820具有合适的量程，即：

-55-+125。

这个量程能够完全满足对太阳能热水器中的水温进行测量，同时具有较高的灵敏度，除此之外，该温度传感器还具有其他形式的温度传感器最大的优势，那就是该温度传感器是一个数字式的温度传感器，它能够在非常短的时间内，将外界的非电量的温度信号转换成一串二进制数，我们对这一串二进制数进行运算就可以得到准确的温度值，这样，我们不仅可以测量出精确地温度值，我们还省却了复杂的信号放大电路及模数转换电路，这样便极大地降低了生产成本和简化了生产工艺，因此我最终选择了DS18B20温度传感器作为该太阳能热水器的测温元件。

2.2.4DS18B20详解

2.2.4.1DS18B20的主要特性

（1）适应电压范围更宽，电压范围：

3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电

（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯

　　（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温

　　（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内

　　（5）温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃

　　（6）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温

　　（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快

　　（8）测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力

　　（9）负压特性：

电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

2.2.4.2DS18B20的外形和内部结构

DS18B20内部结构主要由四部分组成：

64位光刻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。

DS18B20的外形及管脚排列如图:

图DS18B20的外形及管脚

2.2.4.3DS18B20工作原理

    DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同而不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。

DS18B20测温原理如图3所示。

图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。

高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。

计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。

计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

图3中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。

DS18