安徽工业大学电设D题智能太阳能设计报告.docx

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安徽工业大学电设D题智能太阳能设计报告

智能型太阳能热水器控制装置设计与总结报告

摘要：

本智能型太阳能热水器控制装置利用51单片机为微控制器。

利用安装于水面上方的超声波模块测量检测实时的水箱中的水位，使用

DS18B20实现水温的测量。

并通过nokia5110液晶显示屏将检测到的相关信息显示出来，展现给用户。

本装置利用单片机控制电磁阀的开闭，当水位低于下限值时，自动打开电磁阀，给太阳能蓄水器上水；当水位高于上限值时自动关闭电磁阀，停止上水。

完成太阳能热水器蓄水箱的智能化控制。

关键词：

51单片机；超声波；DS18B20；5110；GY30；

一、系统构架与设计思想…………………………………………………………3

二、理论分析与计算………………………………………………………………3

1、测量方法……………………………………………………………………3

2、控制方法……………………………………………………………………4

3、数据处理原理分析、计算…………………………………………………6

三、电路与程序设计………………………………………………………………8

1、测量电路设计………………………………………………………………8

2、控制电路设计………………………………………………………………10

3、其他电路设计………………………………………………………………12

4、测量电路精度要求分析……………………………………………………13

5、测量数据处理………………………………………………………………14

6、程序设计及其流程图………………………………………………………15

四、连接实物图与测试……………………………………………………………18

1、模型实物图…………………………………………………………………18

2、测试方法及结果分析………………………………………………………22

一、系统构架与设计思想

随着社会的发展，太阳能热水器得到了越来越广泛的应用。

本智能型太阳能热水器控制装置，能够自动检测太阳能水箱中水位、水温以及室外的光照强度；并将检测到的相关信息通过液晶显示屏显示给用户。

并且能够对水箱水位进行分档控制，当水位低于下限值时，开启电磁阀上冷水；高于上限值时自动关闭上冷水。

本设计采用51单片机（具体型号为：

STC12C5A60S2）作为微控制器，水位、水温和光照强度的检测采用相关的传感器，检测得到相应的参数。

单片机收集到这些方面的信息后，控制电磁阀、蜂鸣器等执行装置运行，使太阳能热水器的水位保持在合适的水位上。

系统的工作框图如下：

二、理论分析与计算

1、测量方法

（1）水位测量部分：

超声波测量

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。

超声波传感器模块只需要提供一个10uS以上脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波。

一旦检测到有回波信号则输出回响信号。

回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。

由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。

公式：

us/58=厘米或者us/148=英寸；或是：

距离=高电平时间*声速（340M/S）/2。

超声波模块有着使用简单方便，测量结果可靠，安装方便等优点。

单片机接口占用少，能较好的满足本设计的要求。

（2）水温测量部分：

方案一：

DS18B20测量

DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢等。

DS18B20的数字温度计提供9至12位（可编程设备温度读数）。

由于DS18B20是一条口线通信，所以中央微处理器与DS18B20只有一个一条口线连接，大大的节省了单片机的io口占用，为读写以及温度转换可以从数据线本身获得能量，不需要外接电源。

因为每一个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。

它的用途很多，包括空调环境控制，感测建筑物内温设备或机器，并进行过程监测和控制。

方案二：

pt100测量

pt100是铂热电阻，它的阻值会随着温度的变化而改变。

PT后的100即表示它在0℃时阻值为100欧姆，在100℃时它的阻值约为138.5欧姆。

它的工作原理：

当PT100在0摄氏度的时候他的阻值为100欧姆，它的阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长。

但他们之间的关系并不是简单的正比的关系，而更应该趋近于一条抛物线。

方案对比：

热敏电阻价格高，不线性，需要复杂的恒流源伺服电路，数据处理复杂。

该方案还都须要A/D转换器。

DS18B20只需三根导线和一个电阻。

不需要其他任何外围电路即可测得温度数据，电路非常简单。

该温度传感器仅占用单片机1个io口，温度的测量精度相对较高。

综上所述，水温测量采用DS18B20。

（3）光照强度部分：

GY30

GY30模块输出量为数字量，单位为勒克斯。

该模块采用I2C总线接口（f/s模式支持），其光谱的范围是人眼相近；具有宽范围和高分解的优点（1-65535勒克斯）。

同时，具备低电流关机功能。

1.8V逻辑输入接口，此外无需任何外部零件。

GY30对光源的依赖性不大。

（例如白炽灯、荧光灯、卤素灯、白LED、阳光等）红外线对其影响很小，整体上运行可靠、稳定。

2、控制方法

（1）液晶显示控制

方案一：

nokia5110显示

nokia5110液晶显示屏为84*48的点阵LCD，可以显示4行汉字。

采用串行接口与主处理器通信，接口的信号线数量大幅度减少，包括电源和地在内仅有9条。

支持多种串行通信协议，如：

AVR单片机的SPI、51的串口模式0等。

传输速率高达4Mbps，可全速写入显示数据，无等待时间。

安装和更换方便，模块体积小。

此外，5110采用低电压供电，正常显示时工作电流在200uA以下，且具有掉电模式。

方案二：

LCD1602显示

1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。

它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。

1602采用标准的16脚接口。

方案三：

12864显示

12864液晶是一种统称，只说明类屏的一个特征，就是128*64个点构成。

对于液晶屏的特性则没有说明。

带中文字库的128X64每屏可显示4行8列共32个16×16点阵的汉字，每个显示RAM可显示1个中文字符或2个16×8点阵全高ASCII码字符，即每屏最多可实现32个中文字符或64个ASCII码字符的显示。

带中文字库的128X64内部提供128×2字节的字符显示RAM缓冲区。

字符显示是通过将字符显示编码写入该字符显示RAM实现的。

根据写入内容的不同，可分别在液晶屏上显示CGROM（中文字库）、HCGROM（ASCII码字库）及CGRAM（自定义字形）的内容。

三种不同字符/字型的选择编码范围为：

0000～0006H（其代码分别是0000、0002、0004、0006共4个）显示自定义字型，02H～7FH显示半宽ASCII码字符，A1A0H～F7FFH显示8192种GB2312中文字库字形。

字符显示RAM在液晶模块中的地址80H～9FH。

字符显示的RAM的地址与32个字符显示区域有着一一对应的关系。

该点阵的屏显成本相对较低，适用于各类仪器，小型设备的显示领域。

Nokia5110模块性价比高，LCD1602可以显示32个字符，而nokia5110可以显示15个汉字30个字符。

5110价格在10元左右，和LCD1602价格大概相当；LCD12864价格在20~40元，价格相对较高。

5110接口简单，仅需4跟io口即可。

而1602需11根，12864需要12根。

综上所述，显示部分采用nokia5110更加合适。

（2）电磁阀开闭控制

电磁阀控制需要提供12V电压，而单片机只可输出5V电压，显然不能直接由单片机直接控制。

可采用继电器控制电磁阀。

3、数据处理原理分析、计算

（1）超声波水位测量：

超声波模块采用IO口TRIG触发测距，给最少10us的高电平信号；之后模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。

测试距离=（输出回响信号高电平时间*声速（340M/S））/2;

（2）DS18B20水温测量

以上是内部9个字节的暂存单元（包括EEPROM）。

字节0~1是转换好的温度。

字节2~3是用户用来设置最高报警和最低报警值。

这个可以用软件来实现。

字节4是用来配置转换精度，9~12位。

DS18B20的温度操作是使用16位，也就是说分辨率是0.0625。

BIT15~BIT11是符号位，为表示转换的值是正数还是负数。

（3）GY30光照强度测量

与DS18B20相类似，GY30也为数字式传感器。

传感器内部含有相关的AD转换电路，将原件检测到的光强信息转换数字量，通过I2c总线，将光强信息传输至单片机。

检测得到的光强单位为照度。

照度是被照物表面在在单位面积上受到的光通量。

照度的单位是每平方米的流明（Lm）数，也叫做勒克斯（Lux）。

三、电路与程序设计

1、测量电路设计

本设计所用水温、水位、光照强度传感器分别为：

DS18B20、超声波模块、gy30。

测量电路部分端口连接如下：

本设计所用传感器均含有一对VCC、GND端，VCC端电压均为5V，故可由单片机直接驱动工作。

1、超声波模块由P1.2连接模块TRIG触发测距，给最少10us的高电平信号；有信号返回，通过P1.1口链接模块ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。

测试距离=（高电平时间*声速（340M/S））/2;

3、DS18B20采用单线通信，信号传输的DQ端接到单片机P1.3口。

18B20初始化时序图如下：

DS18B20的复位时序如下：

1.单片机拉低总线480us~950us,然后释放总线（拉高电平）。

2.这时DS18B20会拉低信号，大约60~240us表示应答。

3.DS18B20拉低电平的60~240us之间，单片机读取总线的电平，如果是低电平，那么表示复位成功。

4.DS18B20拉低电平60~240us之后，会释放总线。

18B20读0、1的时序图如下所示：

DS18B20读逻辑0的步骤如下：

（1）在读取的时候单片机拉低电平大约1us

（2）单片机释放总线，然后读取总线电平。

（3）这时候DS18B20会拉低电平。

（4）读取电平过后，延迟大约40~45微妙

DS18B20读逻辑1的步骤如下：

（1）在读取的时候单片机拉低电平大约1us

（2）单片机释放总线，然后读取总线电平。

（3）这时候DS18B20会拉高电平。

（4）读取电平过后，延迟大约40~45微妙

3.GY30采用I2C通信，包括两条总线线路一条串行数据线SDA和一条串行时钟线SCL。

其开始和结束的时序图如下：

在利用I2c总线进行数据传输时，首先由主机发送启动信号，启动I2C总线。

在SCL为高电平期间SDA出现下降沿则为启动信号。

此时，具有I2C总线接口的GY30会检测到该信号。

其逻辑1的传输时序图如下：

在利用I2C总线进行数据传输时，时钟信号为高电平期间，数据线上的信号必须保持稳定，只有在时钟信号为低电平期间数据线上的高电平或低电平才允许变化。

本设计中，SCL和SDA接口分别接到单片机的P1.0和P1.4,实现单片机与传感器之间的通信。

2、控制电路设计

（1）电磁阀驱动电路设计：

控制电路设计如下：

电磁阀（Electromagneticvalve）是用电磁控制的工业设备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，并不限于液压、气动。

用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。

电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。

由于单片机的io口驱动能力不足，需要设计另外的驱动电路驱动继电器，进而通过继电器控制电磁阀的开闭。

常用继电器控制电磁阀的开闭：

①电磁继电器一般用低电压、小电流控制高电压、大电流电路，将电磁阀串入被继电器控制的电路中。

②主要考虑电磁阀的开启，关闭电压（制动电压或电流），响应频率，等效直流电阻（功耗），电磁阀的反向冲击电压很大，有时能达到负电源电压之上；为了防止电磁阀烧坏，最好在电磁阀上并一个压敏电阻等原件。

③假如为了电磁阀响应时间加快，用过励磁方式时，切忌过励磁时间不能太长，容易烧坏阀，可以通过硬件和软件双重控制定时。

④假如同时串联的阀数多时，最好加上电流检测电路。

假如过流则切断电源。

（2）蜂鸣器电路设计：

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。

主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。

压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器又各有两种结构：

有源型和无源型。

即有源蜂鸣器内部带有震荡源所以摘要一通电就可以发声，而无源蜂鸣器内部不带振荡源，所以必须用2KHz~5KHz的方波信号驱动。

本设计采用的是无源蜂鸣器，需用单片机产生方波信号。

3、其他电路设计

（1）液晶显示屏电路设计：

与光线强度传感器GY30一样，nokia5110与单片机之间的通信采用的是I2C通信。

包括两条总线线路一条串行数据线SDA和一条串行时钟线SCL。

SDA和SCL分别接单片机P2.3和P2.4。

1号和2号引脚为液晶显示屏的显示电源，8号引脚接5V电源，为显示屏的LED背光灯供电，使其工作。

各个引脚定义如下：

5110采用I2c通信与单片机实现数据传输。

指令格式分为两种模式：

1、如果D/C（模式选择）置为低（为0），即位变量D/C=0，为发送指令模式，那么接下来发送的8位字节解释为命令字节。

2、如果D/C置为高，即D/C=1;为写入数据RAM模式，接下来的字节将存储到显示数据RAM。

3、每一个数据字节存入之后，地址计数自动递增。

在数据字节最后一位期间会读取D/C信号的电平。

（2）单片机振荡电路设计

一般51单片机晶振是1.2M-12M，而且以12M或者11.0592M最为常见。

一般由于一个机器周期是12个时钟周期，所以先12M时，一个机器周期是1US，好计算，而且速度相对是最高的（当然现在也有更高频率的单片机）。

11.0592M是因为在进行通信时，12M频率进行串行通信不容易实现标准的波特率，比如9600，4800，而11.0592M计算时正好可以得到，因此在有通信接口的单片机中，一般选11.0592M。

本次设计中涉及都单片机与传感器、显示屏等多个原件之间的通信，为保证系统的正常运行，必须降低单片机在通信时波特率上的误差。

故本次设计采用11.0592MHz的晶振。

4、测量电路精度要求分析

（1）水温温度

在生活中，洗浴用水温度在40~50℃左右最为常用，适合于各类病人及正常人。

一般来说体质好，可温度高些，体质弱则温度低些。

一般情况下，40℃的热水就足以满足要去。

故，太阳能热水器的水温至少应该达到40℃才能保证热水能够正常使用。

在本设计所做模型中，考虑到各个部分所用材料的耐热性，水温不宜过高，最高水温为60℃左右。

综上所述，对于水温的测量，测量值至少应精确到个位。

（2）水位高度

一般情况下，太阳能热水器水位显示包含有20%、50%、80%、100%4个档位。

太阳能热水器高度一般为1M~1.5M，则日常生活中的太阳能热水器每个档位对应的高度为20cm左右，可见对于热水器的水位测量的精确度要求较低。

而在本设计所做的模型中，代表太阳能热水器水箱的容器整体高约20cm，为保证系统整体运行的可靠性，传感器所测得的水位信息应精确到个位。

（3）光照强度

照度是被照物表面在在单位面积上受到的光通量。

照度的单位是每平方米的流明（Lm）数，也叫做勒克斯（Lux）。

一般情况：

夏日阳光下为100000LUX；阴天室外为10000LUX；室内日光灯为100LUX；黄昏室内为10LUX；夜间路灯为0.1LUX；烛光（20CM远处）10～15LUX。

从以上数据可见：

当光照强度较大时，测量值较大，对于测量值的精确度要求相对较小。

本设计中，需用gy30测量室外的光照强度值，之后再将测量值反馈给单片机。

从而单片机可以以此为依据，控制电磁阀等装置。

由此可见，测量值精确到个位即可。

5、测量数据处理

（1）超声波水位测量

由超声波模块的测量原理可知，通过模块ECHO端输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。

此时间通过单片机的计时器计得。

即time=（TH0*256+TL0）;由于计时器单位为us，则换算为s即为time*10*（-6）

则距离（单位：

mm）

S=（time*10^-6*340*1000）/2=（（time*17）/100+4）*10

则水位高度sw=210-S（mm）。

（2）DS18B20水温测量

DS18B20的内部有64位的ROM单元，和9字节的暂存器单元。

其中，字节0~1是转换好的温度

DS18B20的温度操作是使用16位，也就是说分辨率是0.0625。

BIT15~BIT11是符号位，为了就是表示转换的值是正数还是负数。

温度和数据关系对应如下：

分别读取两次寄存器值，得到的即为前两个字节的温度值：

dis_data=BUF[0];

dis_data=（dis_data<<8）+BUF[1]

dis_data即为最终转换前的二进制温度值。

则最终十进制温度值为：

te=（float）dis_data/1.2。

（3）GY30光照强度测量

相应的数据发送函数如下：

dat<<=1;//移出数据的最高位

SDA=CY;//送数据口

SCL=1;//拉高时钟线

Delay5us（）;//延时

SCL=0;//拉低时钟线

Delay5us（）;//延时

相应的数据接收函数如下：

dat<<=1;

SCL=1;//拉高时钟线

Delay5us（）;//延时

dat|=SDA;//读数据

SCL=0;//拉低时钟线

Delay5us（）;//延时

通过I2C总线，传感器可直接将转换后的光照强的数据传输给单片机。

6、程序设计及其流程图

本设计流程图如下：

否

是