基于单片机的太阳能热水器控制系统设计与仿真Word格式.docx

1、Key words: single chip microcomputer, solar, water heater, DS18B20 第一章 前言1.1设计背景和意义 跟着社会的发展，人类的生活水平的提升，热水器成为了大家的必须品，传统的锅炉热水器主要用煤来进行给水加热，对环境造成了很大的破坏，用继电器来进行控制，给使用带来不便和效率较低。所以传统的热水器已经不适合于当今社会人们的需求。现在市场上出现的大部分都是用电来给热水器加热，这让效率很大程度上提高了。可是由于电的产生对坏境的污染越来越严重，不管是水能发电还是直接用煤来发电都对环境进行了一定程度上的破坏，所以电热水器的使用间接的导致了环境

2、的破坏。所以此设计采用电和太阳能的集合形式的热水器，最小程度减少在使用热水器的过程中对环境的污染。在太阳能充足的情况下直接采用太阳能来给热水器进行加热，在太阳能不是充足的情况下才采用电热的方式给热水器的水加热。用单片机为控制中心，结合温度传感器和水位传感器实现对水温和水量的检查和控制，让热水器的效率更高更智能化。随着科技的发展单片机的造价是越来越低，用单片机来对热水器的控制，让热水器的价格更低。因此此设计具有价格低廉、使用方便、对环境有一定的保护、智能化等优点。从而满足现代人们的对热水器的需求。1.2国内外的发展趋势 从总的来说，热水器的使用受到居住的环境，面积的大小和能源的限制。主要从两个方

3、面来讲，1、是从技术的层面上来说：对环境污染小，体积小，维护成本低，使用寿命长，操作简单，智能化和加热快等；2、是从外观设计上来讲：主要还是喜欢欧美的风格，潮流前卫，时尚高雅的外形设计；当然在它的主要研究中，最重要的还是温度、液面的测量检测与控制系统技术。 1）国外最新研究动向：欧美国家关于液面和温度控制的相关技术的研究起于20世纪70年代，相对于中国来说比较早。首先是选用模拟式的组合仪表，收集现场信息并进行指示、记载和控制。80年代末出现了分布式控制系统。当前正在对计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统进行研制和开发。目前当下，在液面和温度测量和控制技术的成长得非常的快，在每一个国家中，

4、然而，很多的国家在不断努力地实现从自动控制到没有人和完全自动的目标。 2）国内最新研究动向：在中国，在1980年，才开始在液面、温度测量和控制技术的研究和开发， 我国对于温度和液面测控技术的研究较晚，在我们国家的在这方面的科技研究科学家们，在不断的学习其他的先进国家的相关科学技术的基础上，才能把在室内的温度和湿度的微机对它们的控制技巧，这项技术，它是只有在温度和湿度上面的单项环境因子的控制应用；国内在温度、湿度和水位的测量和控制措施计算机的应用，从总的来说，应用温度、湿度和水位的测量和控制设备在中国一般都是从吸收和简单应用阶段的实践与综合应用阶段的过度和发展。 从技术上来说，都是用单片机的控制

5、的单参数单回路系统比较多一点，并没有实际上的多参数的综合控制系统，在这方面，和其他的在这方面走在前面的国家来说，是有着一定的距离的；在我们国家还离对液面和温度的检测控制工厂化有非常远的距离，在工厂生产的过程中，还是有许许多的难题还等着我们去解决，但是一些是我们现在还不能解决的问题，比如：产业水平较低、环境控制的水准还达不到、相关配套的装备比较差，在很多的资源上还是不能够进行去分享和共用，可靠性的差等很多缺点。 今年来，国内和国际水平和温度传感器的测量系统向集成化、智能化的发展，随着研究人员的不断努力，类型系统取得了很大的成就，随着社会不断地发展，我们的生活水平的提升，在提升我们的生活水平的高度

6、中，扮演着重要的角色；现在市面上出现的热水器的类型愈来愈多，电加热式、太阳能加热式、煤气加热式的热水器、观其，它们只是加热的形式不一样，不管是怎么样的，它们的主要参数：温度和水位的都有对它们进行测量和控制，从而让热水器变得智能化。 第二章 系统设计总览2.1控制中心 要实现本设计，首先是要对设计要达到的目的进行概括。本设计要实现：要用单片机来进行总的控制，来协调各个模块之间的动作，以期望能对温度和水位传感器的检测与控制，本控制中心采用的是单片机AT89C52，是用来对外围设备的检测与控制，让外围设备能工作起来，从而来达到本设计的要求，AT89C52将会在下一章详细的介绍。2.2外围设备 在本设

7、计中，外围设备起着十分的巨大作用，如果说控制中心是人的大脑，那么外围设备就是人的四支，它在本设计中是起到，收集数据、执行结果，外围设备包括显示模块、按键模块、温度模块、水位模块、温度补偿模块、水位补偿模块。这些模块都将在下一章进行详细的介绍。本设计温度模块采用DS18B20位温度传感器来进行对水温的检测与控制，用自制的导线来成为水位检测器件。用4个按键来作为键盘模块，1按键作为菜单选择、2和3按键作为加减设定、4按键为确定按键，LED为显示器，循环来显示温度和水位状况。用两个光电隔离器来实现对上水、温度加热的控制。第三章 系统硬件设计3.1 总硬件的设计原理与框图 对设计的预期目标要求分析可以

8、得到如下框图31 图3.1 系统设计总框图 在框图中系统的工作原理为：以单片机AT89C52为整体的处理器，温度传感器选择为DS18B20，由于DS18B20输出是数字量，所以就直接传给AT89C52进行处理，AT89C52得到DS18B20的温度数据就送到LED显示器进行当前温度的显示。水位的检测是自制的三根导线对当前水位的检测，通过电平转换，把高电平转为低电平，输入到单片机的P1口，然后再由单片机送到显示器进行对当前水位的显示。当然，检测出了温度和水位，当太阳能不能及时满足对水温的加热时，就进行用电加热方式对水加热，为了减少加热负载对单片机的影响，采用一个光电隔离器，让后通过电池阀来控制是

9、加热还是不加热。当水位检测到当前的水位不能满足当前的需求时，通一个抽水泵来就行进对其上水，让水能满足当前的要求，当然，为了减小负载对电路的影响同样用一个光电隔离器来实现，再通过一个电池阀来选择到底是上水还是不上。在满足这些的同时，需要一个报警器来对错处和危险的提醒，报警器是采用一个发光二极管和一个蜂鸣器来实现听觉和视觉的提醒。然后用四个按键来实现对系统的设置，1按键为菜单选择，2和3按键为上下选择和加减，4按键为确认按键1。3.2 温度传感器DS18B20模块 DS18B20温度传感器是有达拉斯生产的数字温度传感器，他有9个数字的温度，0.5最小的分辨率，能够最大程度地对满足对温度检测的需求。

10、它有三个引脚，一个引脚为接地用的，一个引脚是用来接电源的，当然它也是可以通过数据引脚进行对它来电源供应，所以的电源引脚可以不用，最后一个引脚用与单片机进行通信；DS18B20的各有其独特的序列号，所以在一条线上可以挂很多的DS18B20，实现对不同位置的温度检测，它的序列号包括唯一的一个64位的号，在它的内部有一个ROM和两个RAM，它的序列号就是存放在它的ROM中的前8位都一样的产品类型编码都是10H，接下来的48是唯一的号码DS18B20，最后8是CRC码的前面。接下来的48位是DS18B20的唯一的号，最后的8位是前面的CRC码。它测得的温度是放在它的两个RAM中的，一号RAM是存放符号

11、的，也就是说如果它的值是负的及一号RAM存的都是1，相反都是0。0号RAM是用来存储补充温度值，最低位的1表示为0.5度，的二进制数转十进制的RAM被分为两种，并计算出测量的温度值，而DS18B20的测量范围为-55到125度，完全能满足本设计的需求。如果要他的测量速度快得话就得外接一根电源线，它的速度能达到1s左右，是非常的快的。 图3.2封装和引脚图DS18B20的测量原理是：在它的内部采用了一种很是独特的温度采集技术，用一个时钟来进行对它的温度值计数的，能实现加减，当温度太低时，振荡器发出的脉冲无法通过大门，以满足在温度变化时的温度值，可以修改内部计数是由于温度的影响，所以计数器设置成为

12、-55度，当计算器复位在现在的温度时，对振荡器的温度系数进行补偿，从而让计数器能开始计数计数到0为止，如果这样门电路还没有关闭时，就重复上面讲得过程直到门电路关闭。DS18B20的内部主要有非易失性温度报警触触发器TH和TL、64位的激光ROM和温度传感器，前面说过DS18B20是可以不需要再接电源都可以的，它是用当通讯线上是高电平的时候，就把电存在电容中，当从高电平变位低电平后，电容就开始放电，用来提供电源。它的内部电路图为如下： 图3.3 内部图由于它的数据和地址都一条线，所以它有着严格的时序来对相应的操作，以便于能让它能好的工作，不会出乱。它的工作流程是：初始化时它发出一个复位脉冲、发一

13、个ROM功能命令、处理数据、发一个存储器命令进行数据处理。它使用时一般都是与单片机来进行数据的采集，把它连到单片机的一个输出与输入线相连即可，而且可以连多个，能对要进行温度采集的物体进行多点采集能得到更多的数据，能进行更好的分析，而且它的有效距离为50米，能满足本设计的需求2。3.3水位传感器模块在现在的水位传感器中，有很多种类，比如谐振式压力传感器、电感式压力传感器、及电容式加速度传感器、电阻应变片式压力传感器、电容式压力传感器、半导体应变片式压力传感器、半导体应变片式压力传感器、压阻式压力传感器、等，但是本设计使用了价格更加低廉的自制的水位传感器，是采用三根导线放在三个不同的位置，利用水有

14、良好的导电性，从而实现对水位信息的采集。在底部放一个+5v的电源导线，在底部的另一边放一根导线，然后再水位的百分之19处放一根导线，最后在水位的百分之92处放一根导线，然后把三导线接上电平转换模块，把高电平转为低电平，如下图所示， 图3.4 水箱水位传感器 图3.5 电平转换电路 电平转换电路中电容是为了减小干扰信号，当w1口有信号进来时，经过电阻分压，再通过三极管Q4输入到P2口，下面是水位与数据信号对应表： 表3.1水位与数据信号对应表07H9206H19043.4电磁阀原理及电路 自动控制的实现，就是要让开关能够自己的闭合与打开，本设计是用的是一般常规用到的电磁开关就是所谓的继电器，当继

15、电器的线圈上有电流流过是就会产生电磁场，有电磁力去作用弹片，让外部的电路能够导通，从而实现自动开关的控制，但是有一个问题是，先要在继电器的线圈上有稳定的电流进过，那么在前面就得有相关的控制，能让电流稳定下来，光电隔离器是个很好得选择，它是用光来实现对电流的控制，能够隔离一些不稳定的因素，但是让光电隔离器有稳定的电流来让其发光稳定，那么就再光电隔离器的前面就得加一个驱动，让它能提供稳定的电流信号。控制电路的工作原理：单片机根据要求处理得到的结果，从一个控制端口发出低电平的控制信号，通过积极推动稳定电路可以得到，让光电隔离器能够发出稳定的光，后面的光感应器就可以感知到光稳定，电路经过电阻分压器，三

16、极管链接，继电器，弹片是吸引，该开关可以打开，开始工作。图3.6 电磁阀工作电路图3.4.1光电隔离器原理光电隔离器通常称为光电耦合器或电光耦合器，它是作为传输介质的光来实现光与电的转换，是由于光电转换，因此它具有良好的隔振效果。能最大程度地减少负载电路对电路的影响。光电耦合器在不同的电路中都有着十分广泛的应用，在目前，它已经是种类最繁多，用得最多的光电器件之一。它一般都有着3部分：光的感应器（光的接收）、电信号的放大、发光二极管（光的发射），当光电耦合器有信号进入时，二极管被输入的电流驱动发光，二极管就发出特定的波长的光，从而能让光感应器能接收到二极管发的光，光感应器感应到后就会产生光电流，

17、然后光电信号经过放大，最后才是输出，从而完整的完成了从光信号转换为电信号的过程，实现了把输入与输出隔离开来的功能3。光电耦合器有着下面几个优点：（1）信号传输的单向性。由于是把光转换为电流的，所以它是不可逆的，不能反向的进行信号的传输。（2）输出电流与输入信号有很好线性。由于是再发光二极管上是接了一个电压然后是经过一个电阻耦合得到的电流来让二极管来发光的，光感应器收到的光是随偏置的电流而变化的，所以输出与输入信号是有很好的线性变化的。（3）有很强的共模抑制能力，是因为光电耦合器的输入端是电流型工作的低电阻元件。（4）的输出信号对输入信号的干扰完全消除，并具有较强的抗干扰能力，而且使用寿命长3.

18、4.2继电器的原理 继电器是一种使用电流控制的元件，它的主要组成分为两部分：控制系统和被控制系统，就是输入回路和输出回路，由于是用电流去控制的，因此它被广泛应用于自动控制电路。在开始还没有继电器的时候是用手动去代替控制的，在工业控制和其他的地方都带来不便，所以继电器的出现让自动开关控制带来很大的便利。继电器其实就是一个被电流控制的开关，它能自动的开和关，所以它能通过小电流去控制大电流，所以它在电路中起着电路转换、安全保护、自动开关、的作用；继电器它的部件由铁芯，线圈，弹簧片和衔铁组成，继电器的工作原理：当电流通过线圈的时候，在线圈中就会产生电磁场，从而在弹簧片上产生一个磁矩力让弹簧片与衔铁并合

19、在一起产生通或者断。继电器分为3种，一种是常开的，也就是说弹簧片一直都是和衔铁断开的；一种是常闭的，就是弹簧片一直都是和衔铁是闭合的，电路是通的；最后一种是出于闭合与开的循环状态。最后种由分为两种情况，就是先闭合后断开和先断开后闭合的两种形式4。3.5显示模块显示模块是用的是用的4个LED数码管显示的，数码管有两种一种是共阳的和共阴的。所谓的共阳就是把数码管的所有的段的（就是a、b、c、d、e、f、g、dp段）都接在一起接在电源上；而共阴的就是把所有的段的一段也是都接在一起，然后再一起接地。 图3.7 7段数码管图 静态显示和动态显示是LED显示工作的两种不同的方式，静态显示就是把每一个数码管

20、的脚都接在cpu上，或者是用138译码器来进行驱动，如果用138译码器来进行驱动则就是每一个数码管都是要一个138译码器来进行驱动，而这样做的缺点就是占用的资源较大，用的cpu的脚就比较多，但是有个好处是编程相对来说要简单一点，而且数码管会比较亮。动态显示就是把多个数码管的脚直接或者间接的接在cpu的I/O脚上，而这样做的优点比较与静态显示来时是很明显的，那就是占用的资源比较少，所用到的cpu的口就比较少，但是相对的来说，在数码管的亮度上和对其进行编程上来说就没有静态显示的那么好，亮度没有那么亮，编程难度要大一点。3.6键盘模块 键盘模块用的是只有四个按键来进行组合的，第一个按键是用来进行菜单

21、选择的，选择的是水位菜单还是温度菜单，第二个和第三个是用来进行加减的，就是当在设置水的温度的时候用来进行对当前温度的设定的，第四个按键是用进行确认的，当第一个按键选好菜单和第二个和第三个把温度设置好后，但是这时候只是我们看见我们设定的，但是cpu还是没确定我们是不是要选定的，用第四个按键来确定，就是让cpu能确定我们所设定的值和选定的菜单。当然实际的按键的时候，会出现一些误操作的时候，比如，当你的其中一个按键被无意的碰到的时候，会让cpu出现误识别，识别出是按过该按键的，所以为了消除这种误操作，就采用了一种消除抖动的方法，而消除的方法有两方面，一种是以硬件来进行消除抖动，另一种就是用软件来消除

22、抖动。硬件消除抖动的原理：图3.6-1是用硬件来消除抖动的按键电路图，当是S1没有被按下时，电路由于没有被接通，所以电容C1两端的电压为零（因为电容有一端是接地的）与非门输出为1；当S1被按下时，被接上了电源，电容C1的两端电压将会慢慢的发生变化，而在这时候只要选对 了R1、R2和C1的值就会让电容充电的时间合适，从而起到了一定的延时作用，就会给按键按下争取到一定的时间，从而来识别是人为的把按键按下还是误操作造成的。实现了硬件消除抖动的功能，下面是硬件消除按键抖动的按键电路图： 图3.8 按键的电路图 另一种就是软件进行消除抖动，用软件来进行延时，当cpu识别到第一次有按键按下时，程序就开始延

23、时10ms到70ms，然后再去检查按键还是不是高电平，当是高电平时，就说明了有按键按下，如果不是，那就说明没有按键按下，是误操作，从而来实现消除抖动影响。3.7报警器报警器是采用从听觉和视觉来提醒的，听觉是采用一个蜂鸣器，来进行发出声音的，从而当人的视线没有在太阳能热水器上的时候，会用声音来提示你，你的热水器出现了故障了，就不用什么时候都要人去守着太阳能热水器了。视觉是采用一个二极管来发光来刺激的，就是当你人在它的旁边的时候，会用光的形式来提醒你，出现了问题，而只是蜂鸣器响的时候，有时候会误判成是其他的东西发出的声音，而不管热水器的事，所以，发光二极管的设计能更加进一步的确认了是热水器出现了问

24、题。图3.7-1是报警器的电路图。 图3.9 报警器的电路图当p0.5口有信号过来时，三极管Q1导通，蜂鸣器响，而C21电容的作用是让蜂鸣器响的时间加长，而不是就只是响一下就不响了，从而就让这个报警器的设计失去了意义。 当p0.6有个低电平过来时，LED灯导通，就会发光，电阻R4的作用是限流，就是对发光二极管的保护，不让电流过大而损坏了发光二极管，从而实现报警功能。3.8 CPU模块 本设计采用的CPU是PIC18F4620，它是一种低功耗的八位的微型处理器，它跟其他的单片机一样，有一个512k的内部存储器RAM，一个4k的片内程序存储器，有4个八位的输出输入口（p0口到p3口）中断控制系统有

25、5个，一个外接的脉冲信号，一般都是接一个11.095MHz的晶振，还有一个全双工的uart的串行输出输入口，它们相互的连在一起就构成了一个完整的微处理器。当然还有些其他的口。单片机的复位方式有两种，一种是手动的复位，一种是自动的复位，图3.8-1是手动复位电路，3.8-2是自动复位电路： 图 3.10手动复位电路 图3.11自动复位电路 下面是外接为11.095M的晶振电路： 图3,12 外接的晶振电路 AT89C52里面置有8KB能在线编程的闪存，那是因为高密度非易失性的存储技术被Atmel公司所应用在这方面上，所以它是可以在线编程的，它的指令是与8051的相兼容的，它的应运是十分的广泛的，

26、可以用在很复杂的控制上，并且它的成本和其他同类型的来比是比较低的。下面是它的PDIP封装图： 图3.13 CPU的封装图和引脚 它有32个p0到p3的输出输入口，用来进行与其他元件进行数据和地址通讯的，一个接电源和一个接地口，用来给单片机进行供电源的，一个复位口，只要同时有两个高电平输入到复位口单片机就进行复位，两个晶振输入口，使用与外接时钟脉冲的，是一个访问外部程序存储器的控制信号；而他是低电平有效，也就是说，当它接的是低电平时，它才是让处理器的与外部程序存储器接的口读外部程序存储器的程序，当它接的是高电平时，它选择的是内部自己带的程序存储器，因为AT89C52内部是带有4K的程序存储器的。

27、它是外部存储器选通信号，就是用来进行选择到底是不是要和外部存储器进行通信不，如果外部程序存储器在运行外部的程序是，就会在每一个机械周期都被激活2次，然而，时间当访问外部数据存储器未被激活，P3口本来它们也是一个双向输入输出的地址与数据口，但是它不止有这个功能，他还是有着第二功能的，它的第二功能不光是有串行输入与输出，他还是有着能接2个外部中断和两个定时器的输入，最后他还有着两个分别为对外部数据存储器写脉冲和外部数据存储器读脉冲。它的第二功为：P3.0是RXD（串行输入口）引脚口为10；P3.1是TXD（串行输出口）引脚口为11；P3.2是INT0（外部中断0）引脚12；P3.3是INT1（外部中断1）引脚口为13；P3.4是T0（定时器0外部输入）引脚14；P3.5是T1（定时器1外部输入）引脚15；P3.6是WR（外部数据存储器写脉冲）引脚16；P3.7是RD（外部数据存储器读脉冲）引脚175。 第四章 软件设计如果说硬件设计像人的身体，而软件设计就像是人的思想一样，人的身体是由人的思维支配的，而硬件到底要完成什么样的功能，完全是由软件去支配的。软件便就是硬件的驱动程序，每一个硬件都有它的时序图，只有完全配合它的时序图才能把一个硬件驱动起来，才能让它产生作用。而写程序得有它相应的流程图，下面4-1图就是系统总的控制流程图。它的