太陽能熱水器控制器的設計作業(yè)

1、太陽能熱水器控制器的設計摘要: 本系統(tǒng)是為太陽能熱水器水溫水位的檢測和控制而設計的。在整個控制系統(tǒng)中，以STC89C52為主控芯片，由DS18B20傳感器分別檢測水溫和水位，實現(xiàn)對水溫和水位、上水測量、顯示、報警等功能，并以電磁閥、繼電器為閥門開關實現(xiàn)全自動加熱、上水。整個系統(tǒng)精度高，耐高溫性強，易于調(diào)整，測試方便，達到設計要求。關鍵詞: STC89C52 DS18B20傳感器 水溫水位檢測與控制引言當前能源緊缺，用電緊張，太陽能是綠色能源，得到廣大用戶的喜愛。使用太陽能熱水器時存在的問題：不可缺水，空曬情況下上水會爆炸；春、秋天，水溫升高蒸發(fā)，造成熱能損失；冬天水溫不夠，須用電等等。采用太陽

2、能熱水器智能儀（也稱太陽能熱水器水溫水位監(jiān)控儀），能解決上述問題。使用戶省心，使用方便，智能運行，用戶不必作任何操作。太陽能熱水器是一種利用太陽輻射能通過溫室效應把水加熱的裝置。利用聚積的高溫來加熱水。太陽能熱水器不僅可以為家庭提供低溫用熱水(4060)，還可以為暖房、溫室、干燥、蒸餾、制冷等熱動力系統(tǒng)和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供較高溫度的熱水。太陽能熱水器由于具有綠色環(huán)保特色而在人民生活和生產(chǎn)中得到了很多應用，它為百姓提供環(huán)保、安全節(jié)能、衛(wèi)生的新型熱水器產(chǎn)品，太陽能熱水器就是吸收太陽的輻射熱能，加熱冷水提供給人們在生活、生產(chǎn)中使用的節(jié)能設備。進步源于競爭，在我國太陽能擁有廣闊的市場，當然也有更大的競爭，

3、各大商家為了使自己的產(chǎn)品在市場上立足并長遠發(fā)展，不斷提高太陽能熱水器的性能，其中太陽能熱水器控制器以其靈活、貼近客戶成為商家競爭的熱點。目前，各大商家紛紛提高太陽能熱水器的智能化程度來滿足消費者的需求。許多太陽能熱水器的功能有：開機自檢、溫控上水、強制上水、水位預置、水質設置、水溫指示、低水壓上水、水位顯示、防高溫空曬、缺水報警、自動防溢流、缺水上水、手動上水、故障提示等許多貼近客戶需求的功能。 一、基本設計框圖本系統(tǒng)的組成框圖如圖1所示。本系統(tǒng)的主要設計思路是：設計太陽能熱水器控制器，要求實現(xiàn)測溫，高中低水位點測（開關量），加水控制，電加熱控制、計算機監(jiān)控等功能。在此框圖中由PC上位機實現(xiàn)對

4、控制部分的監(jiān)控，由單片機實現(xiàn)現(xiàn)場部分的控制。PC上位機部分由VB監(jiān)控界面實現(xiàn)實時監(jiān)控，其中包括太陽能熱水器當前的溫度，當前水位，自動/手動控制，開始加水/停止加水，開始加熱/停止加熱，設置溫度并加熱，保溫控制等。由單片機實現(xiàn)硬件電路的控制，從而實現(xiàn)太陽能熱水器控制器的控制功能。圖1 電路設計框圖二、硬件電路的設計 由單片機實現(xiàn)硬件電路的控制，其中硬件部分主要由DS18B20水溫采集部分，LCD顯示水溫水位部分，按鍵控制部分（實現(xiàn)相應的功能控制），水溫水位報警電路等組成。硬件電路設計圖見附錄一。1、水溫采集部分1）DS18B20基本知識 DS18B20數(shù)字溫度計是DALLAS公司生產(chǎn)的1Wire

5、，即單總線器件，具有線路簡單，體積小的特點。因此用它來組成一個測溫系統(tǒng)，具有線路簡單，在一根通信線，可以掛很多這樣的數(shù)字溫度計，十分方便。（1） DS18B20產(chǎn)品的特點 只要求一個端口即可實現(xiàn)通信；在DS18B20中的每個器件上都有獨一無二的序列號；實際應用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)測溫；測量溫度范圍在55°C到125°C之間；數(shù)字溫度計的分辨率用戶可以從9位到12位選擇；內(nèi)部有溫度上、下限告警設置。（2）DS18B20工作原理及應用:DS18B20的溫度檢測與數(shù)字數(shù)據(jù)輸出全集成于一個芯片之上，從而抗干擾力更強。其一個工作周期可分為兩個部分，即溫度檢測和數(shù)據(jù)處理。在講

6、解其工作流程之前我們有必要了解DS18B20的內(nèi)部存儲器資源。DS18B20共有三種形態(tài)的存儲器資源，它們分別是: ROM只讀存儲器，用于存放DS18B201D編碼，其前8位是單線系列編碼(DS18B20的編碼是19H)，后面48位是芯片唯一的序列號，最后8位是以上56的位的CRC碼(冗余校驗)。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時設置不由用戶更改。DS18B20共64位ROM。RAM數(shù)據(jù)暫存器，用于內(nèi)部計算和數(shù)據(jù)存取，數(shù)據(jù)在掉電后丟失，DS18B20共9個字節(jié)RAM,每個字節(jié)為8位。第1, 2個字節(jié)是溫度轉換后的數(shù)據(jù)值信息，第3, 4個字節(jié)是用戶EEPROM(常用于溫度報警值儲存)的鏡像。在上電復位時其值將被刷新。

7、第5個字節(jié)序列是用戶第3個EEPROM的鏡像。第6, 7, 8個字節(jié)為計數(shù)寄存器，是為了讓用戶得到更高的溫度分辨率而設計的，同樣也是內(nèi)部溫度轉換、計算的暫存單元。第9個字節(jié)為前8個字節(jié)的CRC碼。EEPROM非易失性記憶體，用于存放長期需要保存的數(shù)據(jù)，上下限溫度報警值和校驗數(shù)據(jù)，DS18B20共3位EEPROM,并在RAM都存在鏡像，以方便用戶操作。基于DS18B20的水溫采集電路如圖2所示： 圖2 水溫采集電路由單片機P1.4引腳控制溫度信息采集，DS18B20采集的溫度數(shù)據(jù)送到單片機內(nèi)部，由單片機內(nèi)部判斷對現(xiàn)有的溫度是否進行加熱，保溫處理。2、 LCD顯示水溫水位部分液晶顯示器以其微功耗、

8、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點在袖珍式儀表和低功耗應用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用。但是通用型液晶正常工作溫度為0°C-+55°C，存儲溫度范圍為-20°C-+60°C，溫度過高時，不能正常顯示。LCD1602液晶為5V電壓驅動，帶背光，可顯示兩行，每行16個字符，不能顯示漢字，內(nèi)置含128個字符的ASCII字符集字庫，只有并行接口，無串行接口。LCD1602引腳功能介紹：第1腳:VSS為地電源第2腳:VDD接5V止電源第3腳:VO為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接止電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個

9、l0K的電位器調(diào)整對比度.第4腳:RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳:RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳:E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第7 腳-14腳:D0-D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15一16腳:空腳圖3是水溫水位顯示部分：圖3 水溫水位顯示在LCD上顯示水溫，高中低水位，及當前的時間，通過LCD可以實現(xiàn)實時監(jiān)控，知道目前太陽能熱水器的水溫水位的變化。3、 按

10、鍵控制部分這部分主要是運用按鍵實現(xiàn)太陽能熱水器的實時控制的一些觀測，由于沒有實際的太陽能熱水器用于實驗，采用此種方式可以觀察是否實現(xiàn)了預期的效果。通過按鍵按下判斷是手動/自動控制，加水/加熱控制，停止加水/加熱控制，高中低水位控制。當按下某一按鍵時，對應的二極管亮，表示此功能實現(xiàn)。如圖4所示：圖4 按鍵控制部分4、 水溫水位報警電路當水溫低于某一設定值時，報警電路發(fā)出警告，及要求進行加熱，這是可以采用電加熱的方式實現(xiàn)溫度值的提高。當水位高于或低于某一水位值時，報警電路報警，此時可以采用自動或手動上水的方式上水。如圖5所示：圖5 水溫水位報警電路3、 軟件部分的設計軟件部分的設計主要是包括兩大模

11、塊，即主程序的設計和處理程序的設計。在主程序中首先進行初始化設計：按鍵的初始化，LCD的初始化，串口通信的初始化，定時器的初始化。還要進行LCD的清零，接下來進入大循環(huán)，進行按鍵的處理及相關程序的調(diào)用。系統(tǒng)程序流程圖如圖6所示：系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)即進行輸入輸出口的初始化，再等待用戶按檢測鍵，在掃描到用戶已經(jīng)按過檢測間后，單片機調(diào)用讀數(shù)子程序，將水溫和控制溫度通過A/D轉換后，處理判斷水是否需要加熱。如果需要加熱測低溫燈亮，并等待用戶按加熱鍵。用戶按加熱鍵后，系統(tǒng)制動繼電器，是加熱器通電。再加熱過程中，系統(tǒng)循環(huán)檢測水溫，并控制加熱時間。整個系統(tǒng)在上電后將無限循環(huán)檢測水溫，實現(xiàn)實時加熱。如用戶需要關

12、閉，則可通過總電源操作。在軟件設計部分，按鍵處理程序、LCD 1602程序、串口通信模塊、DS18B20模塊的設計及相應的處理程序部分，這幾個模塊的編寫過程比較復雜，寫成的過程中要小心細致，同時也要敢于嘗試。具體的程序設計見附錄二。圖6 系統(tǒng)流程圖四、太陽能熱水器控制器串口通信協(xié)議1、通信模式電腦和CPU通過串口進行全雙工命令與數(shù)據(jù)傳遞，一方發(fā)送數(shù)據(jù)，另一方接收數(shù)據(jù)即可，沒有回答。串口速率：BPS= 96002、通信協(xié)議格式發(fā)送方發(fā)送數(shù)據(jù)/命令/狀態(tài)的協(xié)議為：地址，數(shù)據(jù)。（1）地址為一字節(jié)數(shù)據(jù)，數(shù)值范圍80HFFH，標志是最高位定為1（2）數(shù)據(jù)長度可變，但每一個字節(jié)的數(shù)值一定小于80H，即字節(jié)

13、的最高位=0（3）所有命令中的數(shù)值均為一字節(jié)，且小于等于FFH。 命令沒有應答，且每傳一個數(shù)據(jù)時前面都要有地址。3、通信協(xié)議的內(nèi)容下位機傳給上位機：1）、太陽能熱水器的當前溫度 地址：“A0” 命令:A000：當前溫度為0攝氏度 A001：當前溫度為1攝氏度 A002：當前溫度為2攝氏度 A099:當前溫度為99攝氏度 注： 命令是以字符的形式傳送，每傳送溫度時都要加上地址。當前溫度大于80攝氏度時報警。 2）、太陽能熱水器水位檢測： 地址：”A1” 命令：A110：水位達到低水位 A111：水位達到中水位 A112：水位達到高水位 注：命令傳送是以單個字符的形式，每傳送一組溫度數(shù)值時都要加上

14、地址。水位達到高水位時報警。上位機傳給下位機：1、太陽能熱水器加熱命令及溫度設置、熱水器保溫地址：”B0”命令：B014：加熱到20度 B015：加熱到21度 B016：加熱到22度 B017：加熱到23度 B04F：加熱到79度 B050：加熱到80度地址： B1H：停止加熱 命令傳送是以單個字符的形式，每傳送一組溫度數(shù)值時都要加上地址。 注：上位機傳溫度時，把十進制溫度數(shù)據(jù)以十六進制的形式傳給下位機。設置的溫度是從2080度，超此范圍，設置溫度窗口會報錯。 2）、太陽能熱水器加水設置 命令：”C0”：開始加水 “C1”：停止加水3）、太陽能熱水器自動/手動設置 命令：”D0”：自動 “D1

15、”：手動VB監(jiān)控界面見附錄三:五、小結本系統(tǒng)硬件部分簡單，主要數(shù)據(jù)都有軟件處理，且具有安全性、可靠性以及實用性。在此次的設計中，我學到了很多知識，之前單片機的知識幾乎忘記，經(jīng)過這次小課題設計，我做到了溫故而知新，同時也鍛煉了自己的編程的能力。雖然在這次課題設計中我遇到了許多難題，通過與同學的討論，基本上得到了解決，之后會再接再厲，爭取做得更好！在此也要感謝此次設計過程中幫助過我的同學及老師們。附錄一：整體電路圖附錄二：軟件設計程序#include "reg52.h"#include "key.h"#include "lcd1602.h"

16、;#include "usart.h"#include "ds18b20.h"#include "time.h"#include "dispose.h"void Init (void)KeyInit();LcdInit();UsartInit();TimeInit();void main (void)unsigned key;Init();LcdClr();while (1)key = KeyScan();DisposeKey(key);#include "dispose.h"sbit di=P

17、20;sbit zhong=P21; sbit gao=P22;char RunMode;char SetTemp;char SetTempbuf;char BaojingEn;unsigned char shuiliang(void);void DisposeAuto(void)if (tempi < SetTempbuf)jiare = 0;elsejiare = 1;if (shuiliang() = 0)jiashui = 0;else if (shuiliang() = 1) && (SetTempbuf - tempi < 30)jiashui = 0;

18、else if (shuiliang() = 2) && (SetTempbuf - tempi < 20)jiashui = 0;else if (shuiliang() = 3) && (SetTempbuf - tempi < 10)jiashui = 0;elsejiashui = 1;void DisposeKey(unsigned char key)switch (key)case 8:/手動/自動RunMode = !RunMode;break;case 9:/加熱if (!RunMode)jiare = 0;break;case 10

19、:/+if (SetTemp)if (SetTempbuf < 100)SetTempbuf+;LcdPos(14);LcdWdat(SetTempbuf/10+48);LcdWdat(SetTempbuf%10+48);break;case 11:/-if (SetTemp)if (SetTempbuf > 0)SetTempbuf-;LcdPos(14);LcdWdat(SetTempbuf/10+48);LcdWdat(SetTempbuf%10+48);break;case 12:/設置溫度SetTemp = !SetTemp;if (SetTemp)LcdClr();Lc

20、dPos(0);LcdWdat('S');LcdWdat('e');LcdWdat('t');LcdWdat('T');LcdWdat('e');LcdWdat('m');LcdWdat('p');LcdWdat(':');LcdPos(14);LcdWdat(SetTempbuf/10+48);LcdWdat(SetTempbuf%10+48);elseLcdClr();LcdPos(0);LcdWdat('T');LcdWdat('e

21、9;);LcdWdat('m');LcdWdat('p');LcdWdat(':');LcdPos(14);LcdWdat(tempi/10+48);LcdWdat(tempi%10+48);break;case 13:/報警音開/關BaojingEn = !BaojingEn;break;case 14:/加水if (!RunMode)jiashui = 0;break;case 15:/停止if (!RunMode)jiare = 1;jiashui = 1;break;default :break;unsigned char shuilia

22、ng(void)static unsigned char shuiliang;di=0;zhong=0;gao=0;/static unsigned char j;P3 |= 0x38;/j+;/if (j >= 2)/j = 0;/if (di = 1)shuiliang = 0;else if (zhong = 1)shuiliang = 1;else if (gao = 1)shuiliang = 2;/if (shuiliang0 != shuiliang1)switch (shuiliang)case 0 :LcdPos(0x40);LcdWdat('W');L

23、cdWdat('a');LcdWdat('t');LcdWdat('e');LcdWdat('r');LcdWdat(' ');LcdWdat('L');LcdWdat('e');LcdWdat('v');LcdWdat('e');LcdWdat('l');LcdWdat(':');LcdWdat('0');UsartSendShuiwei(0);break;case 1 :LcdPos(0x40);Lc

24、dWdat('W');LcdWdat('a');LcdWdat('t');LcdWdat('e');LcdWdat('r');LcdWdat(' ');LcdWdat('L');LcdWdat('e');LcdWdat('v');LcdWdat('e');LcdWdat('l');LcdWdat(':');LcdWdat('1');UsartSendShuiwei(1);break;cas

25、e 2 :LcdPos(0x40);LcdWdat('W');LcdWdat('a');LcdWdat('t');LcdWdat('e');LcdWdat('r');LcdWdat(' ');LcdWdat('L');LcdWdat('e');LcdWdat('v');LcdWdat('e');LcdWdat('l');LcdWdat(':');LcdWdat('2');UsartSend

26、Shuiwei(2);break;case 3 :LcdPos(0x40);LcdWdat('W');LcdWdat('a');LcdWdat('t');LcdWdat('e');LcdWdat('r');LcdWdat(' ');LcdWdat('L');LcdWdat('e');LcdWdat('v');LcdWdat('e');LcdWdat('l');LcdWdat(':');LcdWdat(&#

27、39;3');UsartSendShuiwei(3);break;default :break;/return shuiliang; 按鍵處理部分#include "key.h"void KeyDelay (unsigned int z)unsigned int i;while(z-)for(i=0;i<120;i+);void KeyInit (void)P2=0xfe;P0=0xff;ad0=0;ad1=0;ad2=0;ad3=1;unsigned char KeyScan (void)unsigned char temp,num;num=16;ad0=0

28、;ad1=0;ad2=1;ad3=1;P2=0xfe; /掃描第一行P0=0xff;temp=P0;if(temp!=0xff)KeyDelay(5);temp=P0;if(temp!=0xff)switch(temp)case 0xfe: num=0; break;case 0xfd: num=1; break;case 0xfb: num=2; break;case 0xf7: num=3; break;case 0xef: num=4; break;case 0xdf: num=5; break;case 0xbf: num=6; break;case 0x7f: num=7; brea

29、k;while(temp!=0xff)P0=0xff;temp=P0;P2=0xfd; /掃描第二行P0=0xff;temp=P0;if(temp!=0xff)KeyDelay(5);temp=P0;if(temp!=0xff)switch(temp)case 0xfe: num=8; break;case 0xfd: num=9; break;case 0xfb: num=10; break;case 0xf7: num=11; break;case 0xef: num=12; break;case 0xdf: num=13; break;case 0xbf: num=14; break;c

30、ase 0x7f: num=15; break;while(temp!=0xff)P0=0xff;temp=P0;ad3=0;return num;LCD1602程序#include "lcd1602.h"unsigned char code dis1 = " Welcome B6 "/第一行顯示內(nèi)容unsigned char dispbuf5;/第二行顯示內(nèi)容float count1=34.56;/*/* /* 延時子程序 /* /*/void LcdDelay (int ms) int i; while(ms-) for(i = 0; i< 2

31、50; i+) _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); /*/* */ /*檢查LCD忙狀態(tài) */ /*LcdBusy為1時，忙，等待。LcdBusy為0時,閑，可寫指令與數(shù)據(jù)。 */ /* */ /*/bit LcdBusy (void) bit result; lck = 0; LCD_RW =1; lcd_rs=0; LCD_EN=1;/0x91;/LCD_RS = 0; LCD_RW = 1; LCD_EN = 1; lck = 1; /鎖存數(shù)據(jù)到HC574 _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); result = (bi

32、t)(P0&0x80); lck = 0; LCD_EN = 0;/ LCD_EN = 0; lck = 1; return result; /*/* */ /*寫指令數(shù)據(jù)到LCD */ /*RS=L，RW=L，E=上升沿，D0-D7=指令碼。 */ /* */ /*/void LcdWcmd (unsigned char cmd) while (LcdBusy(); lck = 0; LCD_RW =0; lcd_rs=0; LCD_EN=0;/ LCD_RS = 0; LCD_RW = 0; LCD_EN = 0; lck = 1; _nop_(); _nop_(); P0 = c

33、md; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); lck = 0; LCD_EN = 1; / LCD_EN = 1; lck = 1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); lck = 0; LCD_EN = 0; / LCD_EN = 0; lck = 1;/*/* */ /*寫顯示數(shù)據(jù)到LCD */ /*RS=H，RW=L，E=上升沿，D0-D7=數(shù)據(jù)。 */* */ /*/void LcdWdat (unsigned char dat) while (LcdBusy(); lck = 0; lcd_rs = 1; LCD_

34、RW = 0; LCD_EN = 0; / LCD_RS = 1; LCD_RW = 0; LCD_EN = 0; lck = 1; P0 = dat; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); lck = 0; LCD_EN = 1;/ LCD_EN = 1; lck = 1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); lck = 0; LCD_EN = 0; /LCD_EN = 0; lck = 1; /*/* */ /* 設定顯示位置 */ /* */ /*/void LcdPos (unsigned char pos) Lcd

35、Wcmd(pos|0x80); /數(shù)據(jù)指針=0x80+地址變量/*/* */ /* LCD初始化設定 */ /* */ /*/void LcdInit (void) LcdDelay(15); /等待LCD電源穩(wěn)定 LcdWcmd(0x38); /16*2顯示，5*7點陣，8位數(shù)據(jù) LcdDelay(5); LcdWcmd(0x38); LcdDelay(5); LcdWcmd(0x38); LcdDelay(5); LcdWcmd(0x0c); /顯示開，關光標 LcdDelay(5); LcdWcmd(0x06); /移動光標 LcdDelay(5); LcdWcmd(0x01); /清除

36、LCD的顯示內(nèi)容 LcdDelay(5);/*/* */ /* 清屏子程序 */ /* */ /*/void LcdClr (void) LcdWcmd(0x01); /清除LCD的顯示內(nèi)容 LcdDelay(5);/*結束*/串口通信程序#include "usart.h"/*/函數(shù)名稱：UsartInit/函數(shù)功能：初始化/*/void UsartInit(void)TMOD|=0x20;/定時器1工作方式2TH1=0xfd;/頻率9600TL1=0xfd;TR1=1;/定時器1工作SCON=0x50;/01010000串口表現(xiàn)為8位UART，串口允許接收位REN置1P

37、CON=0x00;/波特率不加倍IE=0x90;/10010000開總中斷EA,串口中斷ES/*/函數(shù)名稱：UsartSendTemp/函數(shù)功能：串口發(fā)送溫度/*/void UsartSendTemp (unsigned char temp)SBUF = 'A'while(TI = 0);TI=0;SBUF = '0'while(TI = 0);TI=0;SBUF = temp/10+48;while(TI = 0);TI=0;SBUF = temp%10+48;while(TI = 0);TI=0;/*/函數(shù)名稱：UsartSendShuiwei/函數(shù)功能：串

38、口發(fā)送水位/*/void UsartSendShuiwei (unsigned char shuiwei)SBUF = 'A'while(TI = 0);TI=0;SBUF = '1'while(TI = 0);TI=0;switch (shuiwei)case 0 :SBUF = '0'while(TI = 0);TI=0;break;case 1 :SBUF = '1'while(TI = 0);TI=0;break;case 2 :SBUF = '2'while(TI = 0);TI=0;break;default :break;/*/函數(shù)名稱：serial/函數(shù)功能：串口中斷/*/void serial()interrupt 4unsigned char addr;static unsigned char i;static unsigned char dat3;if(RI)RI=0;/RI清0addr=SBUF;/取數(shù)據(jù)switch (addr)case 'B' :i = 0;dati =