论文数字式太阳能热水器水位检测系统的设计.docx
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论文数字式太阳能热水器水位检测系统的设计
2011届
分类号：
单位代码：
学士学位毕业设计（论文）
数字式太阳能热水器水位检测系统设计
题目：
应简洁、明确、有概括性，字数不宜超过20个字。
题目名尽量与设计内容一致，注意体现实用性、应用性和科学性。
另外注意：
1、设计是否有足够的工作量；
2、能否体现项目来源于实际或可以应用于实际。
3.此处题目不带书名号。
姓名
学号
年级
注意格式美观。
专升本的要在年级项中注明，如2006级（专升本）
专业
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系（院）
指导教师
进行文本替换时注意不要将格式改变
2011年4月
摘要
近几十年来，自动控制技术迅猛发展，在工农业生产，交通运输，国防建设和航空、航天事业等领域中获得广泛的应用。
随着生产和科学技术的发展，自动控制技术至今已渗透到各种科学领域，成为促进当今生产发展和科学技术进步的重要因素，而且渐渐由自动化向智能化转变。
随着地球上存储的石油，煤等能源逐渐消耗而日益减少，利用太阳能为人类服务的项目也就越来越多，且将最终取代石油和煤，太阳能热水器也已经被越来越多的人民接受，特别是它环保、节能的优点，使其在市场竞争中占有优势。
本文设计了一个太阳能热水器水位检测显示报警仪。
以AT89S52单片机为核心，实现了四级水位检测和显示。
在本系统中，需要用到四个干簧管传感器，在检测水位的棒子上等距离的有一个卡口，卡口上有一块磁铁，当水位上升时，带动套在棒子上的干簧管传感器上升，上升到卡口的位置时传感器在磁铁的作用下内部闭和，发出信号，同时该传感器被卡口卡住，静止不动，随着水位的上升下一个传感器有随着水位的上升而上升，依次类推，水位的检测就是这样进的。
软件部分采用C语言编程，C语言作为一种简洁高效的编译型高级语言，具备可读性好，可靠性高，运算速度快，编译效率高，可移植性好，有功能丰富的函数库等特点，并且可以直接实现对系统硬件的控制，因而逐渐成为单片机应用中的主流编程语言。
单片机采用C语言编程是大势所趋。
关键词：
太阳能；AT89S52单片机；数码管显示器；水位
Abstract
Inrecentdecades,therapiddevelopmentofautomaticcontroltechnologyinindustrialandagriculturalproduction,transportation,nationaldefenseandaviationandaerospaceindustryinareassuchasaccesstoawiderangeofapplications.Withthedevelopmentofproduction,scienceandtechnology,automaticcontroltechnologyhasbeenpenetratedintovariousfieldsofscience,promotesthedevelopmentandcurrentproductionofanimportantfactorinscientificandtechnologicalprogress,andgraduallyshiftfromtheautomationoftheintelligence.
Astheearthstorageofoil,coalandotherenergyconsumptionandgraduallydeclining,theuseofsolarenergyprojectsforthehumanserviceswillmoreandmore,andwilleventuallyreplaceoilandcoal,solarwaterheaterhasbeenmoreandmorepeopleacceptable,particularlyitsenvironmentalprotection,energysavingadvantages,makingitanadvantageinmarketcompetition.
Thisdesignofasolarwaterheaterwaterdetectionalarmdevice.AT89S52microcontrollerasthecoretoachievethefourwaterleveldetectionanddisplay.Inthissystem,theneedtousethefourreedsensors,waterlevelinthedetectionofequidistantonastickmount,mountonamagnet,whenthewaterlevelrises,thedrivesetsthestickonthereedswitchsensorincreased,risingtothepositionofthesensormountundertheactionofthemagnetandtheinternalclosure,signal,whilethesensorsarebayonetstuck,motionless,withthenextriseinwaterlevelsensorasthewaterlevelriserise,andsoon,thewaterleveldetectionisonesuchadvanced.
SoftwarecomponentsusingClanguageprogramming,Clanguageasasimpleandefficienthigh-levelcompiledlanguage,withreadability,highreliability,fastspeed,compilerefficiency,portabilityisgood,thereisafeature-richlibraries,etc.characteristics,andcanrealizethecontrolsystemhardware,andthusgraduallybecomethemainstreamintheSCMapplicationprogramminglanguage.MicrocontrollerusingClanguageprogrammingisthetrend.
Keywords:
Solarenergy;AT89S52microcontroller;digitaldisplay;level
目录
Abstract0
1前言1
2传感器2
2.1干簧管传感器3
389S52单片机应用系统4
3.189S52单片机应用系统组成5
3.289S52的信号引脚5
3.30832A/D转换芯片7
4原理图和整体电路图7
4.1系统框图7
4.2系统总电路图8
4.3报警原理图8
5软件设计9
结论16
参考文献17
致谢18
1前言
太阳能热水器产业是20世纪90年代新兴的行业，由于太阳能热水器使用方便、节能、无污染，近年来迅速普及。
由于一些技术难题有待攻克，国内热水器行业还没有出版统一的国家标准，其中水位传感器就是其中之一。
目前市场上太阳能热水器的水位传感器（以下简称传感器）有：
水电接触的电极式传感器、霍尔效应的浮子式传感器和压力式传感器，它们各有优缺点，最突出和普遍的问题是电极式和浮子式传感器的缺陷是所显示的水位很粗糙，一般显示水箱水位只有4~5点，压力式传感器虽然可以连续显示水箱水位的状态，但成本很高。
随着行业标准的出台，太阳能热水器的发展方向是传感器与水必须非电接触测量以及测量控制系统的智能化和数字化。
目前使用最广泛的电极式传感器由于水电接触，有回路电流而会影响水质要面临淘汰，浮子式传感器虽然是水和电非接触测量，但结构复杂，可靠性差。
本文设计了一个太阳能热水器水位检测显示报警仪。
以AT89S52单片机为核心，实现了四级水位检测和显示。
其功能及应用的方便性在太阳能热水器领域中具有广阔的应用前景。
2传感器
人们为了从外界获取信息，必须借助于感觉器官，而单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了，为了适应这种情况传感器就应运而生了。
因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。
传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的，便于应用的某种物理量的测量装置。
这一定义包含了以下几方面的意思：
一是传感器是测量装置，能完成检测任务；二是它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量，生物量等；三是它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输，转换，处理，显示等等，这种量可以是气，光，电量，但主要是电量；四是输出输入有对应关系，而且有一定的精确程度。
本系统设计涉及到两种传感器，一种是温度传感器，这里采用美国NS公司生产的LM35系列温度传感器；一种是水位传感器，这里采用普通的干簧管传感器。
下面依次对所采用的传感器做出说明。
2.1干簧管传感器
干簧管传感器是触点传感器的一种，因为它有一些独特的优点，虽然具有触点的结构，但仍广泛地被应用于自动检测和自动控制系统领域中。
干簧管的是干式舌簧开关管的简称，它是一个充有惰性气体（如氮，氦等）的小型玻璃管，在管内密封有用导磁导电材料制成的两支触点弹簧片。
干簧管有两种驱动方式，一为永磁铁，二为电磁线圈，前者多用于检测，后者多用于控制。
因此，干簧管传感器主要接受永磁铁送来的磁场信号，换句话说，在永磁铁材料，形状，体积，矫顽力一定的情况下，干簧管触点触和与否，决定于与永磁铁所处的相对位置和距离。
干簧管传感器有下列特点：
（1）由于触点密闭于惰性气体中，故有效地防止了周围有机蒸气和尘埃等杂质对触点的侵蚀，同时大大地减小了由于火花所引起触点的氧化和炭化，因此提高了工作可靠性。
（2）触点弹簧片小而轻，而使吸上和释放时间快而短，比普通的电磁继电器快5～10倍以上，故可做速动开关。
（3）由于触点部分有合金镀层而使接触电阻变化平稳，提高了机电寿命。
（4）体积小，重量轻，便于安装，使用灵活，和晶体管电路配套使用可作到小型化。
（5）便于组成小巧价廉的磁控传感器。
由于上述特点，干簧管传感器广泛地被应用于自动检测系统中，作为行程测量之用。
同时由电磁线圈驱动的干簧管也被普遍地应用于采样控制和巡回检测系统中。
由于干簧管传感器与触点传感器相同，都是钯模拟量转换成开关量的传感器，不适于连续检测。
本设计需要用到四个干簧管传感器，在检测水温水位的棒子上等距离的有一个卡口，卡口上有一块磁铁，当水位上升时，带动套在棒子上的干簧管传感器上升，上升到卡口的位置时传感器在磁铁的作用下内部闭和，发出信号，同时该传感器被卡口卡住，静止不动，随着水位的上升下一个传感器有随着水位的上升而上升，依次类推，水位的检测就是这样进行的，具体连线我们在后面再阐述。
389S52单片机应用系统
近年来，单片机以它的体积小，重量轻，抗干扰能力强，价格低的独特性能而获得了迅猛发展，它的应用已深入到工业，农业，国防，科研，教育以及日常生活用品（家电，玩具）等各个领域。
MCS-51系列单片机在国内介绍较多，资料比较齐全，充分，性能价格高，供货渠道也很多。
因此我们的这个太阳能热水器水位检测显示报警仪系统选用MCS-51系列的单片机也是十分自然的了。
MCS-51系列的所有产品都是40脚封装，它们的引脚功能与指令系统完全兼容，当前使用较多的是89S52、89S51、89C52这三种芯片，而尤以89S52用得最广，因此本章介绍得是以89S52为核心得单片机应用系统。
3.189S52单片机应用系统组成
89S52单片机应用系统的组成框图由89S52CPU，EEPROM，RAM，A/D转换器0809，D/A转换器0832，并行接口芯片8255，键盘显示电路，串行口MAX232复位电路和看门狗电路等组成。
由于本设计只是进行水位的检测，因此上面所说的D/A转换器0832、键盘显示电路、串行口MAX232复位电路不需要用到，因此在下面就不再详细进行说明了。
框图如图1所示：
图189S52单片机应用系统组成框图
3.289S52的信号引脚
89S52是标准的的40引脚双列直插试集成电路芯片。
信号引脚介绍：
（1）P0.0~P0.7：
P0口是一个8位双向I/O时进行工作。
在指令的前半周期，P0口作口。
在访问外部寄存器和扩展I/O时，分为地址总线的低8位，在指令的后半周期为8位的数据总线。
作输入口使用时要先写1。
（2）P1.0-P1.7：
P1口是一个内带有上拉电阻的8位双向I/O口。
（3）P2.0-P2.7：
P2口是一个内带有上拉电阻的8位双向I/O口。
在访问外部存储器和扩展I/O口时，送出地址总线高8位。
（4）P3.0-P3.7：
P3口是一个内带有上拉电阻的8位双向I/O口，其第一功能是作为通用I/O口，第二功能是作为特殊信号线使用。
（5）ALE地址锁存允许信号端：
在系统扩展时，ALE用于控制P0口输出的低8位地址送锁存器锁存起来，以实现低位地址和数据的隔离。
此外由于ALE是以晶振1/6的固定频率输出的正脉冲，因此可作为外部时钟或外部定时脉冲使用。
（6）
外部程序存储器读选通信号：
在读外部程序空间时PSEN有效（低电平），以实现外部程序空间单元的读操作。
（7）
访问内外程序存储器控制信号：
当EA信号为低电平时，CPU只访问片外ROM并执行片外程序存储器中的指令，而不管是否有片内程序存储器；而当EA信号为高电平时，CPU只访问片内FlashROM并执行内部程序存储器中的指令。
（8）RST复位信号：
当输入的复位信号延续2个机器周期以上高电平时即为有效，用以完成单片机的初始化复位操作。
（9）XTAL1和XTAL2外接晶体引线端：
当使用芯片内部时钟时，此2引线端用于外接石英晶体和微调电容，当使用外部时钟时，用于接外部时钟脉冲信号。
（10）P3端口引脚与复用功能：
P3引脚端口功能如表3所示：
表3P3端口引脚与复用功能
端口引脚
复用功能
P3.0
RXD（串行口输入）
P3.1
TXD（串行口输出）
P3.2
INT0（外部中断0输入）
P3.3
INT1（外部中断1输入）
P3.4
T0（定时器0的外部输入）
P3.5
T1（定时器1的外部输入）
P3.6
WR（外部数据存储器写选通）
P3.7
RD（外部数据存储器读选通）
3.30832A/D转换芯片
ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。
由于它体积小，兼容性，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。
ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。
其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。
芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。
独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。
通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。
4原理图和整体电路图
前面我们已经详细介绍了在本次设计中所涉及的大部分元器件，尚未介绍的还有报警仪及整个电路图。
关于这一部分我将在接下来的环节里加以详细的阐述。
4.1系统框图
系统总体框图，如图2所示：
图2太阳能热水器水位检测系统方框图
4.2系统总电路图
系统总电路图，如图3所示：
图3系统总电路图
4.3报警原理图
为了使热水器在水空水满的时候都能发出报警信息，以提醒用户注意，在检测水位的同时在89S52的P1.7处引出一个报警电路，当水位不满1格时和水位满4格时蜂鸣器均发出报警声音。
由P1.7输出报警信号；驱动一只蜂鸣器发出报警声音。
压电式蜂鸣器约需用10mA的驱动电流，因此可以使用TTL系列集成电路7407低电平驱动，如图4所示。
图中，驱动器的输入端接89S52的P1.7。
当P1.7输出高电平1时；7407的输出为低电平0，使压电蜂鸣器引线获得将近5V的直流电压,而产生蜂鸣音。
当P1.7端输出低电平0时；7407的输出端升高到约+5V，压电蜂鸣器两引线间的直流电压降至接近于0V，发声停止。
图4报警电路图
5软件设计
太阳能热水器的信号由传感器转换成微弱的电压信号，输入89S52单片机系统的0832A/D转换器，将放大后的电压信号转换成为能被单片机识别和处理的数字信号；水位的信号由于只需判断水位到达相应的位置与否，因此水位传感器送出的电压信号送入单片机应用系统，至此，水位的信号均已进入单片机内了。
但水位是否达到相应的位置及蜂鸣器何时该响何时不该响，这就不是单靠硬件就能解决的问题了，而必须要由硬件、软件一起发挥作用才能解决。
关于本设计的程序就在下面加以说明。
流程图如下图5所示：
通用显示程序图显示子程序图主程序图
图5程序流程图
本设计采用C语言编写的程序如下：
0832A/D把摸拟信号转为数字信号的程序：
#include"reg52.h"
#include"ADC0832.h"
sbitCLK=P1^0;
sbitDI=P1^1;
sbitDO=P1^3;
sbitCS=P1^2;
unsignedintadval;
unsignedintad（）
{unsignedchari;
CS=0;
CLK=0;
CLK=1;
DI=1;
CLK=0;
CLK=1;
DI=1;
CLK=0;
CLK=1;
DI=0;
CLK=1;
CLK=0;
for（i=0;i<16;i++）
{CLK=1;
CLK=0;
if（DO）
adval=（adval>>1）|0x80;
else
adval=（adval>>1）|0x00;}
CS=1;
return（adval）;
}
（2）数码管动态显示温度程序：
#include
CharcodeTAB[10]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,
0x6f};//数码管数字0-9
unsignedinttemp,j,n=0;
unsignedcharkey=255,xianshi[4]={0x79,0x79,0x79,0x79,};
sbitkey0=P1^0;
sbitkey1=P1^1;
sbitkey2=P1^2;
sbitkey3=P1^3;
sbitkey4=P1^4;
sbitkey5=P1^5;
sbitkey6=P1^6;
sbitkey7=P1^7;
sbitkey8=P3^0;
sbitkey9=P3^1;
sbitsure=P3^2;
sbitcancle=P3^3;
sbitbcd8=P3^4;
sbitbcd4=P3^5;
sbitbcd2=P3^6;
sbitbcd1=P3^7;
sbitP23=P2^4;
sbitP22=P2^5;
sbitP21=P2^6;
sbitP20=P2^7;
//*********************************************************************************************************
voiddelay（）
{
intd;
for（d=0;d<15000;d++）;
}//防抖函数（20ms）
//*********************************************************************************************************
voiddelay1（）
{
intk;
for（k=0;k<1800;k++）;
}//延时函数
voiddisplay（）//显示函数
{
P0=xianshi[0];P20=1;P21=1;P22=1;P23=0;delay1（）;P0=0x00;
P0=xianshi[1];P20=1;P21=1;P22=0;P23=1;delay1（）;P0=0x00;
P0=xianshi[2];P20=1;P21=0;P22=1;P23=1;delay1（）;P0=0x00;
P0=xianshi[3];P20=0;P21=1;P22=1;P23=1;delay1（）;P0=0x00;
}
//*****************************************************************************************************************
main（）
{
while
（1）
{
key=key_scan（）;
if（key>=0&&key<=9）//显示数字
{
j=key;
key=255;
}
switch（n）
{
case0:
break;
case1:
xianshi[0]=TAB[j];break;
case2:
xianshi[1]=TAB[j];break;
case3:
xianshi[2]=TAB[j];break;
case4:
xianshi[3]=TAB[j];break;
case5:
n=1;break;
}
display（）;
if（key==10）
{
if（（xianshi[0]==0x3f）&&（xianshi[1]==0x06）&&（xianshi[2]==0x3f）&&（xianshi[3]==0x3f））{bcd8=0;bcd4=0;bcd2=0;bcd1=1;}
elseif（（xianshi[0]==0x3f）&&（xianshi[1]==0x5b）&&（xianshi[2]==0x3f）&&（xianshi[3]==0x3f））{bcd8=0;bcd4=0;bcd2=1;bcd1=0;}
elseif（（xianshi[0]==0x3f）&&（xianshi[1]==0x4f）&&（xianshi[2]=
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