太陽能熱水器智能控制器-畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</p><p>　　題目： 太陽能熱水器智能控制器設(shè)計(jì) </p><p>　　專 業(yè)： 自動(dòng)化 </p><p>　　班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><

2、p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　起止日期： </p><p>　　設(shè)計(jì)地點(diǎn)： </p><p><b>　　2015年6月</b></p><p>　　Research on the Design of Intel

3、ligent Controller </p><p>　　of Solar Water Heater </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　近年來，太陽能熱水器的普及面已越來越廣，其具有的方便、快捷、節(jié)能等特點(diǎn)深受廣大用戶的青睞。而其智能控制器的逐步改進(jìn)與完善日趨重要。</p><p>

4、　　本文設(shè)計(jì)的太陽能熱水器智能控制器，主要是針對(duì)家用太陽能熱水器，它以單片機(jī)AT89S52、溫度傳感器DS18B20、液位傳感器為核心，同時(shí)增加液晶顯示、鍵盤輸入、上下水電磁閥的操控及加熱控制等電路。不僅可以實(shí)現(xiàn)水溫水位的實(shí)時(shí)顯示與設(shè)定自動(dòng)控制功能，而且可以對(duì)缺水、過熱等故障發(fā)出報(bào)警提示。完成的工作主要有：</p><p>　　實(shí)現(xiàn)最小系統(tǒng)電路、電磁閥、加熱絲控制電路、水溫水位檢測(cè)電路、</p>&

5、lt;p>　　報(bào)警提示電路、電源電路等各個(gè)功能模塊電路的設(shè)計(jì)；</p><p>　　(2) 實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能模塊軟件控制程序的設(shè)計(jì)；</p><p>　　(3) 實(shí)現(xiàn)焊接和硬件電路的調(diào)試；</p><p>　　(4) 實(shí)現(xiàn)軟件程序的調(diào)試運(yùn)行以及軟硬件同步聯(lián)調(diào)</p><p>　　硬件設(shè)計(jì)電路使用Altium Designer 6.9軟件，軟

6、件程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試則使用Keil uVision4軟件，二者結(jié)合使用，有效地解決了控制器從原理圖的設(shè)計(jì)到仿真調(diào)試再到實(shí)物制作等一系列相關(guān)的問題。</p><p>　　關(guān)鍵詞: 太陽能熱水器；AT89S52；DS18B20；水溫水位控制；軟件硬件同步</p><p><b>　　調(diào)試</b></p><p><b>　　ABSTRACT

7、</b></p><p>　　In recent years, the popularity of the application of solar water heaters have been more widely, it has a convenient, fast and energy-saving features by the majority of users of all ages.

8、 Gradually improve and perfect their smart controller increasingly important.</p><p>　　This design of a solar water heater intelligent controller DS18B20, mainly for domestic solar water heaters, which conta

9、ins microcontroller AT89S52, temperature sensors, level sensors at the core, while expanding LCD, keyboard, solenoid valve and heating control circuit. Not only can achieve real-time display and set the automatic control

10、 of water temperature, and can send out alarm on dry, overheating and other failures. Complete the work as bellows:</p><p>　　Completing The control system circuit, The driving circuit, The detecting</p>

11、;<p>　　circuit of temperature and water level, The alarm circuit, The power supply</p><p>　　Design of each functional module circuits and roads etc;</p><p>　　(2) The completion of each mo

12、dule software control program design;</p><p>　　(3) Finishing the installation and commissioning of hardware circuit;</p><p>　　(4) The synchronous alignment of software programs and hardware <

13、/p><p>　　Hardware circuit design using Altium Designer 6.9 software, software design and debug programs using Keil uVision4 software, use a combination of both, to effectively solve the controller from schemati

14、c design to simulation debugging a series of related issues and then to the physical production, etc. </p><p>　　Key words：Solar Water Heaters; AT89S52; DS18B20; The Control System Of</p><p>　

15、　Water Temperature And Water Level; The Alignment Of Software </p><p>　　And Hardware .</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 緒 論1</p><p>　　1.1 課題詮釋和選題依據(jù)1&

16、lt;/p><p>　　1.1.1 課題詮釋1</p><p>　　1.1.2 選題依據(jù)1</p><p>　　1.2 課題探究背景及國內(nèi)外發(fā)展近況2</p><p>　　1.3 課題設(shè)計(jì)的初步分析與構(gòu)思3</p><p>　　第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)分析5</p><p>　　2.1 設(shè)計(jì)目

17、的及要求5</p><p>　　2.1.1 設(shè)計(jì)目的5</p><p>　　2.1.2 設(shè)計(jì)要求5</p><p>　　2.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖及分析5</p><p>　　2.3 設(shè)計(jì)方案論證及選擇7</p><p>　　第三章 硬件電路設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.1 AT8

18、9S52最小控制系統(tǒng)10</p><p>　　3.2 鍵盤輸入電路和顯示電路11</p><p>　　3.2.1.鍵盤輸入電路12</p><p>　　3.2.2.顯示電路12</p><p>　　3.3 水溫水位檢測(cè)電路14</p><p>　　3.4 電磁閥、加熱絲控制電路17</p>&

19、lt;p>　　3.5 報(bào)警電路和電源電路18</p><p>　　3.5.1 報(bào)警電路18</p><p>　　3.5.2 電源電路18</p><p>　　第四章 軟件程序設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.1 程序設(shè)計(jì)原理分析20</p><p>　　4.2 主程序模塊20</p>&

20、lt;p>　　4.3 子程序模塊22</p><p>　　4.3.1 按鍵處理子程序22</p><p>　　4.3.2 中斷服務(wù)子程序24</p><p>　　4.3.3 水溫采集子程序25</p><p>　　4.3.4 加熱控制子程序25</p><p>　　4.3.5 內(nèi)水箱補(bǔ)水子程序26&l

21、t;/p><p>　　4.3.6 水位檢測(cè)子程序27</p><p>　　4.3.7 外水箱補(bǔ)水子程序28</p><p>　　4.3.8 報(bào)警子程序29</p><p>　　4.4 程序調(diào)試分析29</p><p>　　第五章 系統(tǒng)調(diào)試分析30</p><p>　　5.1 系統(tǒng)調(diào)試30

22、</p><p>　　5.2 問題分析與解決31</p><p>　　第六章 總結(jié)與展望32</p><p>　　6.1論文總結(jié)32</p><p>　　6.2 未來展望33</p><p><b>　　致 謝34</b></p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)

23、35</p><p>　　附錄A：硬件設(shè)計(jì)原理圖與PCB圖38</p><p>　　附錄B：實(shí)物展示圖41</p><p><b>　　附件：軟件程序清單</b></p><p><b>　　緒 論</b></p><p>　　1.1 課題詮釋和選題依據(jù)</p

24、><p>　　1.1.1 課題詮釋</p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選擇研究的課題是：太陽能熱水器智能控制器設(shè)計(jì)（Design of Intelligent Controller of Solar Water Heater）。</p><p>　　太陽能熱水器大都屬于貯水式熱水器，主要由保溫水箱、集熱管、加熱棒、水溫、水位傳感器及自動(dòng)控制和保護(hù)系統(tǒng)組成。集熱管主要利用冷

25、熱水密度不同即熱水向上流動(dòng)而冷水向下沉降的原理，從而使水流產(chǎn)生上下微循環(huán)進(jìn)而達(dá)到整體溫度的提升，實(shí)現(xiàn)光能向熱能的轉(zhuǎn)換。其實(shí)現(xiàn)的主要功能便是把光能轉(zhuǎn)換成熱能，即給水加熱至適宜的溫度，以滿足人們?cè)谏钪械姆N種需求。</p><p>　　1.1.2 選題依據(jù)</p><p>　　目前，太陽能熱水器的應(yīng)用市場(chǎng)已經(jīng)十分廣闊，然而其控制器的深層次研發(fā)卻一直停留在初級(jí)階段，遲遲沒有大的發(fā)展。比如市場(chǎng)上流

26、行的太陽能熱水器控制器僅擁有水溫和水位的顯示功能， 而存在這種弊端難免會(huì)使得溫度和水位的顯示誤差均偏大。一方面，這種控制器不具有溫度調(diào)節(jié)功能，當(dāng)接收到的光強(qiáng)不足時(shí)，太陽能熱水器便無法實(shí)現(xiàn)加熱功用，從而給用戶帶來許多的不便之處，另一方面，即便這類熱水器具有輔助加熱功能，但是也不能很好的控制水溫，無法達(dá)到用戶的要求，同時(shí)由于不能良好的控制水位或者需要用戶手動(dòng)的調(diào)節(jié)水位等問題，因此受到諸多詬病。</p><p>　　本

27、文設(shè)計(jì)太陽能熱水器控制器的思路主要通過單片機(jī)進(jìn)行控制，來實(shí)現(xiàn)水溫水位的自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制功能。單片機(jī)是一臺(tái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)濃縮后的集成部件，擁有計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的完整功能，因此它能夠被廣泛的用于電器的智能控制中，并且取得了良好的效果。在電子技術(shù)領(lǐng)域的伊始，我們需要將復(fù)雜的大規(guī)模電路集成壓縮進(jìn)控制器中，進(jìn)而保證電器設(shè)備的正常運(yùn)行，但是也因此帶來諸多問題，比如攜帶不便，成本高，生產(chǎn)工藝難以掌握，而且在使用過程中隨著某些原有器件的老化，電器中主控系統(tǒng)開始逐漸

28、失去原有的功能。而單片機(jī)的出現(xiàn)很好的解決了這些問題，在現(xiàn)代的電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與開發(fā)中，將單片機(jī)嵌入電器的控制部件中就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電器一定的智能控制，不僅使成本大大降低，而且實(shí)現(xiàn)的技術(shù)要求不高，使用壽命也有所增加。在生活步調(diào)日益加快的當(dāng)今社會(huì)，應(yīng)用單片機(jī)特有的性能實(shí)現(xiàn)智能控制已經(jīng)成為人們解決生活問題的不二選擇[1]。</p><p>　　本文設(shè)計(jì)的控制器可以根據(jù)天氣的具體實(shí)際情況，同時(shí)利用輔助加熱電路使儲(chǔ)水箱內(nèi)的水可以在

29、較為短暫的時(shí)間內(nèi)達(dá)到用戶設(shè)定的溫度，在光照強(qiáng)度較大時(shí)，利用太陽光能給水加熱，在光照強(qiáng)度較弱水溫達(dá)不到預(yù)定的要求時(shí)，則利用電輔助加熱。從而實(shí)現(xiàn)24小時(shí)供應(yīng)熱水。在太陽能熱水器智能控制器的不斷改進(jìn)當(dāng)中，太陽能熱水器未來必定擁有更為寬泛的市場(chǎng)。</p><p>　　1.2 課題探究背景及國內(nèi)外發(fā)展近況</p><p>　　當(dāng)下，能源短缺問題逐漸成為制約世界各個(gè)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，因而也促使愈來愈

30、多的國家開始實(shí)行“采光計(jì)劃”，以充分挖掘太陽能資源，尋求經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)力已成為一種發(fā)展趨勢(shì)。而太陽能本身作為一種可再生的新能源，其具有的儲(chǔ)量豐富、清潔安全、經(jīng)濟(jì)、長久、普遍等優(yōu)勢(shì)，使其越來越受到人們的青睞，并且已成為應(yīng)對(duì)能源短缺、氣候變化與節(jié)能減排的重要選擇之一，其發(fā)展前景被世界各國看好。</p><p>　　與其他常見的能源相比，太陽能資源主要擁有以下特別之處[2]:</p><p>　

31、?。?）儲(chǔ)量雄厚。據(jù)有關(guān)人士估算，平均每年到達(dá)地球表面的太陽輻射能為一</p><p>　　百多億噸的標(biāo)準(zhǔn)煤所產(chǎn)生的能量，足以支撐現(xiàn)今人類各方面的能源需求。</p><p>　　（2）潔凈安全。太陽能在使用的過程中幾乎不會(huì)產(chǎn)生任何污染環(huán)境的廢物，</p><p><b>　　十分環(huán)保。</b></p><p>　　（3）

32、經(jīng)濟(jì)性。利用太陽能發(fā)電的成本很低，可以很好地向全民普及推廣使用。</p><p>　?。?）長久性。據(jù)科學(xué)家推測(cè)太陽能可使用幾百億年，而地球的壽命不過區(qū)區(qū)</p><p>　　幾十億年，因此可以認(rèn)為，這種資源是取之不盡用之不竭的。</p><p>　　（5）普及性。相對(duì)其他新近開發(fā)的能源來講，太陽輻射能遍布全球各地，在</p><p>　　任

33、何地區(qū)都有被充分開發(fā)使用的可能。</p><p>　　就國內(nèi)而言，蘊(yùn)藏的太陽能資源也十分豐富，理論上存儲(chǔ)量可達(dá)17000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤每年。另外從國土資源分布來看，能接受太陽能的區(qū)域，也十分廣闊。全國各個(gè)地區(qū)可供收集的輻射太陽能總量大概為5852兆焦耳每平米。近年來，在新能源開發(fā)領(lǐng)域中，太陽能熱水器的開發(fā)與利用是發(fā)展最快的產(chǎn)業(yè)。太陽能被使用的方式主要是滿足城市鄉(xiāng)村住民生活中的熱水提供需求。目前我們國家太陽能熱水器的相

34、關(guān)生產(chǎn)已經(jīng)完全實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，不論是生產(chǎn)量或是使用量都排名世界第一位，因此太陽能熱水器功用的不斷開發(fā)顯得很重要，未來一定會(huì)帶來更大的效益。究其根本，太陽能熱水器是把太陽能轉(zhuǎn)換為熱能資源并對(duì)水進(jìn)行加熱的一種電器設(shè)備，與燃?xì)鉄崴?、電熱水器合稱為三大熱水器。太陽能熱水器的使用在中國也十分普遍。但對(duì)比國外差距仍然很明顯，市場(chǎng)仍需進(jìn)一步深層開發(fā)[3]。</p><p>　　目前國內(nèi)研發(fā)的太陽能熱水器與國外的產(chǎn)品存在諸多不足之

35、處，主要表現(xiàn)在外觀設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)以及外殼材料的選擇。</p><p>　　在外觀設(shè)計(jì)上，歐洲對(duì)太陽能熱水系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用早于中國，主要以分離式太陽能熱水系統(tǒng)為主，控制器是必不可少的部件之一。其較注重產(chǎn)品的實(shí)用性，外觀設(shè)計(jì)方面則相對(duì)較簡單，通常采用曲面設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)巧妙、結(jié)構(gòu)緊密以及單色調(diào)無背景光小屏幕，凸顯出其精益求精的設(shè)計(jì)風(fēng)格，另一方面也可以體現(xiàn)出它的節(jié)能設(shè)計(jì)理念。相比之下，國內(nèi)太陽能熱水系統(tǒng)控制器的發(fā)展

36、不到10年，外觀造型通常以平面為主，多采用大顯示屏、彩色顯示、帶背景光，色彩艷麗。這種設(shè)計(jì)只考慮了外形美觀、艷麗，視覺感覺較好，但并不節(jié)能。</p><p>　　在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，國外產(chǎn)品采用接線簡單的絕緣殼體，因而重新方便拆卸組裝，兼有防水功能。特別需要指出的是，在線路板上元器件多采用表面貼裝技術(shù)、模塊化分布設(shè)計(jì)、各個(gè)端子排的分布按照強(qiáng)弱電嚴(yán)格用絕緣殼體分離開來，從而有效避免信號(hào)采集時(shí)受電源干擾影響。相比之下，國內(nèi)

37、的同類產(chǎn)品，不易拆卸，且在接線端子引線布局上沒有嚴(yán)格的區(qū)分，因此信號(hào)采集時(shí)受電源干擾影響較大，同時(shí)強(qiáng)弱電沒有嚴(yán)格按要求劃分具體的區(qū)域，接線時(shí)易出現(xiàn)弱電端子被強(qiáng)電擊穿的隱患。</p><p>　　在功能設(shè)計(jì)上，國外多采用分體承壓式系統(tǒng)，主要用于溫度的采集控制、循環(huán)泵的控制、電磁閥的控制和熱量計(jì)算等。同時(shí)在系統(tǒng)安裝模式和控制器設(shè)置兩個(gè)方面的模式均有不同。相比之下，現(xiàn)今國內(nèi)市場(chǎng)正在流通的太陽能熱水器控制器則主要采用敞口

38、式，用于上水電磁閥、電加熱棒、上水增壓泵等電路的控制。</p><p>　　在外殼材料上，歐洲多選用阻燃級(jí)別制造材料，同時(shí)在元器件的選擇上，也有考慮到環(huán)保原料可降解性。其控制器相關(guān)使用的所有配件均嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)選用，包括接線連接部分也是如此，所以給安裝帶來很大方便。相比之下，國內(nèi)控制器的外殼材料多采用ABS，即原材料中只添加了較少的阻燃成分，假如內(nèi)部元器件發(fā)熱達(dá)到外殼的著火點(diǎn)，很有可能會(huì)引起外殼自燃，具有相當(dāng)大的安全

39、和環(huán)境污染等問題[4]。面對(duì)這些方面存在差距，在未來太陽能熱水器的不斷改進(jìn)中起到了不可或缺的作用。</p><p>　　1.3 課題設(shè)計(jì)的初步分析與構(gòu)思</p><p>　　此次課題設(shè)計(jì)是針對(duì)家用太陽能熱水器智能控制器設(shè)計(jì)來說的?？刂破鞯挠布娐吩O(shè)計(jì)擬采用AT89S52單片機(jī)、DS18B20線式溫度傳感器、液位傳感器為中心，同時(shí)增添液晶顯示、鍵盤輸入、上水、進(jìn)水電磁閥的操控及加熱控制等有關(guān)

40、輔助電路?？刂破鞯能浖绦蛟O(shè)計(jì)擬采用Keil uVision4軟件，用以完成程序的開發(fā)與初步仿真調(diào)試，在充分考慮整個(gè)系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的各項(xiàng)功能以后，設(shè)計(jì)各個(gè)子程序的流程圖，然后根據(jù)后續(xù)的調(diào)試結(jié)果，修改程序，直至最終調(diào)試出結(jié)果。</p><p>　　由于AT89S52單片機(jī)內(nèi)部含有看門狗電路，所以在系統(tǒng)功能模塊電路設(shè)計(jì)中不需要考慮額外添加看門狗電路?？傊?，單片機(jī)在太陽能熱水器中的使用，可以顯著的提高系統(tǒng)可觀性，使得水溫

41、及水位的監(jiān)測(cè)和液晶顯示更加智能、更加人性，給用戶帶來極大的方便，安全值得信賴。相信會(huì)有良好的市場(chǎng)前景。</p><p>　　第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)分析</p><p>　　2.1 設(shè)計(jì)目的及要求</p><p>　　2.1.1 設(shè)計(jì)目的</p><p>　　此次課題設(shè)計(jì)在實(shí)際生產(chǎn)生活中，具有很強(qiáng)的實(shí)用性,最主要的特色在于，以單片機(jī)為主控芯片，同

42、時(shí)擴(kuò)展相關(guān)外圍電路，采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，配之十分常用的元器件，從而使得整體架構(gòu)簡潔明了，方便實(shí)用。并且由于控制器本身易操作使用，節(jié)約成本，因而便于大面積推廣使用。換言之，它可以廣泛的應(yīng)用于家用太陽能熱水器的智能控制器中，相信在未來會(huì)具有良好的市場(chǎng)前景[5]。</p><p>　　2.1.2 設(shè)計(jì)要求</p><p>　?。?）該控制器可根據(jù)自動(dòng)或手動(dòng)操作方式設(shè)定用水溫度、上水水位等相關(guān)參數(shù)

43、</p><p>　　同時(shí)控制上水、進(jìn)水電磁閥、節(jié)流閥、加熱絲的工作；</p><p>　?。?）設(shè)計(jì)最小系統(tǒng)控制電路、水溫水位檢測(cè)電路、報(bào)警提示電路、鍵盤輸入電</p><p>　　路和電源電路以及上水、進(jìn)水電磁閥操控、節(jié)流閥、加熱棒的自動(dòng)控制電</p><p><b>　　路[6][7]；</b></p>

44、<p>　?。?）設(shè)計(jì)上水水位控制程序、加熱控制算法程序和異常情況報(bào)警程序等；</p><p>　　（4）實(shí)現(xiàn)水溫水位的顯示功能，給水超水位或超水溫等異常情況的報(bào)警功能；</p><p>　　2.2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖及分析</p><p>　　正如我們所知，太陽能熱水器系統(tǒng)主要可分為外圍設(shè)備和控制器模塊，由用 戶向控制器模塊輸入相關(guān)的數(shù)據(jù)指令，

45、進(jìn)一步控制外圍設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)。而控制器性能主要由硬件和軟件兩大部份同時(shí)工作完成，硬件部分主要將所使用的各類元器件按模塊化結(jié)構(gòu)焊接在電路板上，然后由各個(gè)功能模塊，來完成對(duì)信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換以及其他相關(guān)信息交流顯示等，軟件程序主要完成數(shù)值計(jì)算和按鍵等功能的分配，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。</p><p>　　按照課題要求，初步擬定規(guī)劃的太陽能熱水器系統(tǒng)實(shí)物構(gòu)成示意圖，如下圖圖2.1所示，系統(tǒng)的組成部分主要有：外、內(nèi)部儲(chǔ)水箱、

46、加熱棒、控制器、自動(dòng)控制閥、手動(dòng)控制閥、水位檢測(cè)電極、水溫檢測(cè)傳感器以及部分相關(guān)器件。</p><p>　　示意圖分析主要涉及到系統(tǒng)外圍設(shè)備功能的實(shí)現(xiàn)途徑以及工作原理,具體內(nèi)容如下分析：</p><p>　　圖2.1 太陽能熱水器系統(tǒng)實(shí)物構(gòu)成示意圖</p><p><b>　　示意圖分析：</b></p><p>　　首

47、先由外界提供的自來水，通過上水電磁閥K1和手動(dòng)輔助閥K4、進(jìn)水電磁閥K2和手動(dòng)輔助閥K5注入外、內(nèi)儲(chǔ)水箱，外部儲(chǔ)水箱的作用主要是利用太陽能給水箱中的水加熱實(shí)現(xiàn)光能向熱能的轉(zhuǎn)換，同時(shí)為內(nèi)儲(chǔ)水箱提供熱水來源；同時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)外儲(chǔ)水箱中的水位，水位過低時(shí)則產(chǎn)生報(bào)警提示，同時(shí)由控制器操作打開上水電磁閥進(jìn)行注水；然后，如果供給內(nèi)儲(chǔ)水箱中的水溫過低或達(dá)不到用戶的設(shè)定值時(shí)，比如某些時(shí)候的光照強(qiáng)度不滿足要求或者天氣狀況較差時(shí)，內(nèi)部儲(chǔ)水箱中的電阻加熱絲開始工

48、作，以確保水溫可以達(dá)到用戶要求的設(shè)定值，如果供給內(nèi)儲(chǔ)水箱中的水溫過高時(shí)時(shí)，控制器操作打開進(jìn)水電磁閥K2進(jìn)行注水，用以降低水溫。多出的水流入外部儲(chǔ)水箱，形成一個(gè)簡易的水循環(huán)系統(tǒng)。手動(dòng)輔助閥K4和K5起到補(bǔ)充作用，即當(dāng)上水、進(jìn)水電磁閥出現(xiàn)故障時(shí)發(fā)揮補(bǔ)充作用，從而保證全天24小時(shí)不間斷的熱水供應(yīng)。</p><p>　　其次，內(nèi)部儲(chǔ)水箱中的電阻加熱絲是依靠外部提供的220V交流電供電開始工作的，從而起到一個(gè)加熱源的作用。

49、內(nèi)儲(chǔ)水箱中放置的水溫檢測(cè)傳感器用來實(shí)時(shí)檢測(cè)水箱中水的溫度。外部儲(chǔ)水箱中放置的水位檢測(cè)電極則主要用來實(shí)時(shí)檢測(cè)水箱中水的高度，外部儲(chǔ)水箱的高度被5個(gè)電極作四等分，其中接地的電極放在水箱的底部，其余四個(gè)電極分別放置在四個(gè)等分點(diǎn)上，當(dāng)水位高度沒有達(dá)到第一個(gè)等分點(diǎn)時(shí)，說明水箱中的水不足四分之一，當(dāng)水位高度處在第一個(gè)和第二個(gè)等分點(diǎn)時(shí)，說明水箱中有四分之一的水，當(dāng)水位高度處在第二個(gè)和第三個(gè)等分點(diǎn)時(shí)，說明水箱中有二分之一的水，當(dāng)水位高度處在第三個(gè)和第四

50、個(gè)等分點(diǎn)時(shí)，說明水箱中有三分之二的水，當(dāng)水位高度超過第四個(gè)等分點(diǎn)時(shí)，則說明水箱中的水已滿。</p><p>　　再者，還有一種比較特殊的情況需要特別指出，當(dāng)外部儲(chǔ)水箱中水超過最高水位時(shí)，可以從溢流管的出口流出；而針對(duì)內(nèi)部儲(chǔ)水箱而言，其水箱中的水總是注滿狀態(tài)，當(dāng)水流從溢流管中溢出時(shí)，直接循環(huán)流進(jìn)外部儲(chǔ)水箱，超過水位設(shè)定值時(shí)，報(bào)警處理，同時(shí)控制器控制進(jìn)水電磁閥K2關(guān)閉。這樣的設(shè)計(jì)既可以避免空水箱加熱的危險(xiǎn)狀況，同時(shí)也

51、能最大效率的利用加熱絲的加熱作用，實(shí)現(xiàn)效益的最大化。另一方面，通過手動(dòng)閥K6可以將水管中殘余的水有效排出，防止冬天因水管中的水發(fā)生冰凍，損壞水管。</p><p>　　綜上所述，此次設(shè)計(jì)的智能控制器主要是通過下載端口接收軟件程序進(jìn)而操控上水、進(jìn)水電磁閥K1、K2的通斷、控制內(nèi)儲(chǔ)水箱水溫檢測(cè)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)水溫、控制外儲(chǔ)水箱水位檢測(cè)傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)外部儲(chǔ)水箱中的水位和通過可控硅工作電路調(diào)節(jié)電阻加熱絲的工作。即在系統(tǒng)不需

52、要人工操作調(diào)節(jié)的作用下，實(shí)現(xiàn)水溫和水位的自我調(diào)節(jié)作用，達(dá)到一定程度上的智能效果。</p><p>　　2.3 設(shè)計(jì)方案論證及選擇</p><p>　　圖2.2 控制器及功能模塊設(shè)計(jì)示意圖</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　此次關(guān)于“太陽能熱水器智能控制器設(shè)計(jì)”探究課題的初步擬定設(shè)計(jì)方案，如上

53、圖圖2.2所示，不難看出，其硬件電路設(shè)計(jì)主要以單片機(jī)最小主控系統(tǒng)、水位監(jiān)測(cè)電路、水溫檢測(cè)電路為控制中心，同時(shí)增添鍵盤輸入電路、液晶顯示、上水、進(jìn)水電磁閥操控、加熱控制、電源電路及報(bào)警提示輔助電路。</p><p>　　、在AT89S52最小系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)中，含有復(fù)位電路、晶振電路和下載程序的接口電路，由于AT系列的單片機(jī)不能使用串口通信模塊進(jìn)行下載程序，所以擬采用ISP下載接口進(jìn)行程序的下載，另外，因?yàn)锳T89S

54、52單片機(jī)的P0口內(nèi)部沒有上拉電阻，所以P0口外部還需要接一個(gè)排阻，考慮到P1口內(nèi)部上拉電阻阻值較小，因此同樣接一個(gè)排阻；</p><p>　　(2)、在驅(qū)動(dòng)模塊電路的設(shè)計(jì)中，主要是關(guān)于加熱棒和電磁閥的控制電路。前者接收到加熱信號(hào)時(shí)，使加熱棒開始工作，對(duì)水箱中的水進(jìn)行加熱，直至達(dá)到用戶設(shè)定的溫度，后者在接收到進(jìn)補(bǔ)水信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)上水電磁閥進(jìn)行補(bǔ)水，直至達(dá)到用戶所設(shè)定要求的水位。同時(shí)在水箱中的水溫超過設(shè)定值時(shí)，電磁閥

55、也可以開始工作，進(jìn)行補(bǔ)水，從而使得水溫水位始終保持在一個(gè)恒定值范圍；</p><p>　　(3)、在顯示電路模塊中，顯示器可以分行顯示水溫和水位的參數(shù)，并且在用戶操作按鍵時(shí)在對(duì)應(yīng)的位置顯示出光標(biāo)；</p><p>　　(4)、在水溫水位檢測(cè)電路中，要求實(shí)現(xiàn)水溫水位的實(shí)時(shí)檢測(cè)與自動(dòng)調(diào)節(jié)控制功能，即用按鍵預(yù)先設(shè)置所要求的水溫水位后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)水箱中的水溫水位，同時(shí)比較水溫和水位的設(shè)定下限，

56、如果達(dá)不到要求時(shí)，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)加熱控制電路和電磁閥進(jìn)行及時(shí)的水溫水位補(bǔ)償；</p><p>　　(5)、在報(bào)警電路的設(shè)計(jì)中，擬采用一個(gè)蜂鳴器實(shí)現(xiàn)報(bào)警提示功能，同時(shí)為了保險(xiǎn)起見，在蜂鳴器電路中可以考慮添加一個(gè)發(fā)光二極管，這樣在系統(tǒng)感應(yīng)到缺水或過熱等安全隱患時(shí)，發(fā)光二極管在蜂鳴器發(fā)出響聲的同時(shí)發(fā)光，從而有效的提醒用戶解決問題?；蛘呖梢灾苯邮褂靡粋€(gè)電阻或電容接到蜂鳴器兩端即可。</p><p>　　

57、(6)、在鍵盤輸入電路中，由于不需要眾多的按鍵操作，也是為了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的簡單方便，因此擬采用三個(gè)獨(dú)立按鍵，即系統(tǒng)工作模式的切換鍵S1，水溫水位的增減鍵S2、S3，進(jìn)而可以完成對(duì)設(shè)定值的操作；</p><p>　　(7)、在電源模塊電路中，需要利用外界所能提供的電壓值進(jìn)行常用電壓值的轉(zhuǎn)換，比如將220V的交流電經(jīng)過變壓器整流轉(zhuǎn)變成9V、18V的直流電，如果需要其他電壓值，比如5V、12V直流電時(shí)，可在原來得到的9

58、V、18V的基礎(chǔ)上使用LM7812、LM7805等芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換。當(dāng)然，也可以使用電源適配器直接提供24V、12V、5V等等，考慮到電路中使用光電耦合器，因此需要使用兩個(gè)不同來源的5V電壓源，同時(shí)也需要接不同的共地端。不同的5V電壓可以通過設(shè)置兩個(gè)排針接入到板子上。</p><p>　　綜上所述，由于該研究課題已經(jīng)指定要求使用的器件是AT89S52單片機(jī)、DS18B20線式溫度測(cè)量傳感器，所以真正可供選擇的功能電路

59、模塊只有：水位監(jiān)測(cè)電路、液晶顯示電路、鍵盤輸入電路。</p><p>　　水位監(jiān)測(cè)電路中采用不同種類“液位傳感器”的設(shè)計(jì)方案有很多種，比如第一，利用液位浮力檢測(cè)原理的浮球式液位傳感器，浮球借著浮力伴隨水面升降位移來間接反映水位高度的變化，但是由于其檢測(cè)精度不高且安裝操作不便，所以并不適用；第二，采用光電傳感器，即使用紅外對(duì)管來測(cè)量水位，將紅外傳感器分別安裝于水箱的四個(gè)位置，通過接收信號(hào)來傳輸液位高度的信息，由于紅

60、外傳感器在測(cè)量水位時(shí)沒有與被測(cè)物體進(jìn)行直接接觸，因此也就沒有摩擦作用的影響，并且靈敏度高，反應(yīng)迅速，但成本較高且在測(cè)量時(shí)容易遭到干擾；第三，采用壓力傳感器，這類方法比較常用，可選用投入式靜壓液位變送器，然而它需要參考標(biāo)準(zhǔn)大氣壓才能進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，同時(shí)連接電纜中的通氣會(huì)受到環(huán)境的影響，進(jìn)而造成造成氣管內(nèi)壁冷凝，結(jié)露。進(jìn)而容易致使器件的使用壽命受到嚴(yán)重影響。即此類此傳感器很容易受到環(huán)境影響而造成測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，帶有諸多不便；第四，也可選用干簧

61、管來進(jìn)行開關(guān)信號(hào)的傳送，在一端封閉的PVC管內(nèi)，使用三個(gè)干簧管將保溫桶的高度三等分，干簧管的公共端接+5V，另外三個(gè)端口分別為水位高、中、低的信號(hào)輸出端。由泡沫環(huán)與干簧管的吸合來間接的反映液位的高度。綜上所述，我們知道</p><p>　　顯示電路，平時(shí)更多的采用數(shù)碼管來作數(shù)據(jù)的顯示工作，但是實(shí)際作用效果往往不如液晶顯示屏顯示來得更好，而且液晶顯示屏所具備的優(yōu)良特點(diǎn)也更加適合此次課題要求。</p>

62、<p>　　鍵盤輸入電路，可以考慮設(shè)置多個(gè)按鍵，但是根據(jù)此次控制器的設(shè)計(jì)需求，只需要保留三個(gè)按鍵即可，即功能模式切換確認(rèn)鍵，水溫水位增減鍵。</p><p>　　第三章 硬件電路設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 AT89S52最小控制系統(tǒng)</p><p>　　這次課題設(shè)計(jì)要求使用的是AT公司生產(chǎn)的AT89S52[9]單片機(jī)，即作為該智能控制器的主控芯片,A

63、T89S52是功耗小、性能強(qiáng)的COMS8位微型控制器。</p><p>　　設(shè)計(jì)的AT89S52單片機(jī)最小主控系統(tǒng)如下圖3.1所示：</p><p>　　圖3.1 AT89S52單片機(jī)最小主控系統(tǒng)</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　由上圖可以看出，AT89S52單片機(jī)最小主控系統(tǒng)主要由AT

64、89S52單片機(jī)芯片、以及復(fù)位、晶振兩個(gè)小型電路構(gòu)成。</p><p>　　AT89S52單片機(jī)芯片是由 CPU 、 RAM 和 ROM存儲(chǔ)器 、 四組I/O 接口、定時(shí) / 計(jì)數(shù)器、中斷控制等有關(guān)功能的集成，片內(nèi)各個(gè)端口擁有的功能通過內(nèi)部總線相互連接起來。含有256字節(jié)的內(nèi)存，VCC端口即工作電壓接入直流4.0~

65、5.5V，此電路中選用接入的是5V，GND端口即電源負(fù)極接地，各個(gè)管腳輸出的高電平為5V，低電平為0V。考慮到I/O接口P0口內(nèi)部沒有上拉電阻，P1口內(nèi)部上拉電阻</p><p>　　較小，因此均接入一個(gè)排阻。</p><p>　　復(fù)位操作是芯片在工作以前或者運(yùn)行出錯(cuò)時(shí)需要采取的“初始化操作”，換句話說，就是在當(dāng)裝載的程序運(yùn)行出現(xiàn)錯(cuò)誤或者系統(tǒng)發(fā)生自鎖現(xiàn)象時(shí)，就要必須使用復(fù)位鍵進(jìn)行再次啟動(dòng)。

66、它的設(shè)計(jì)思路有兩種形式，即上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位，采用其中一種形式就可以了。前者是將復(fù)位端口和電阻、Vcc電源相互連接來完成的。后者是直接利用按鍵開關(guān)觸發(fā)復(fù)位電平，從而操控單片機(jī)的復(fù)位。如果晶振電路中使用12MHZ的晶振頻率，那么復(fù)位信號(hào)持續(xù)時(shí)間就應(yīng)該超過4微秒才能完成復(fù)位的動(dòng)作。這次設(shè)計(jì)中采用“按鍵手動(dòng)復(fù)位方法”，電路由按鍵S1和電阻電容R2、C2構(gòu)成。如下圖3.2所示：</p><p>　　圖3.2 復(fù)位

67、電路設(shè)計(jì)示意圖</p><p>　　晶振電路又被稱為是時(shí)鐘電路,主要用于產(chǎn)生芯片工作所需要的信號(hào)，它是在唯一的時(shí)鐘信號(hào)操控下嚴(yán)格地按照時(shí)序來保證同步工作方式實(shí)現(xiàn)的電路。該工作電路由兩個(gè)電容C3、C4和一個(gè)晶振Y1構(gòu)成，形成反饋電路，從而形成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。C3和C4為微調(diào)電容，通常取3010pF，同時(shí)采用12MHZ的石英晶體，以保證振蕩器電路的穩(wěn)定性和快速性。并且要求在設(shè)計(jì)電路板時(shí)盡量把晶振和電容放置在芯片

68、的一邊位置，從而減小分布電容所引起的對(duì)振蕩電路的干擾。如下圖3.3所示：</p><p>　　圖3.3 晶振電路設(shè)計(jì)示意圖</p><p>　　3.2 鍵盤輸入電路和顯示電路</p><p>　　3.2.1.鍵盤輸入電路</p><p>　　鍵盤電路采用了相互獨(dú)立的按鍵方式，分別把三個(gè)按鍵接到主控芯片的I/O端口上，另一端全部接地。其中S2

69、為“功能模式切換確認(rèn)鍵”鍵、S3為“加一”鍵、S4為“減一”鍵。</p><p>　　設(shè)計(jì)圖如下圖3.4所示：</p><p>　　圖3.4 鍵盤輸入電路設(shè)計(jì)示意圖</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　通過讀取I/O端口電平的高低狀態(tài)來分別判斷三個(gè)按鍵是否被按下。在單片機(jī)接入+5V電壓開始工作

70、時(shí)，沒有按鍵被按下，I/O口被置于高電平狀態(tài)，有按鍵被按下時(shí)，I/O端口則被置于低電平狀態(tài)，此時(shí)I/O端口接地端被短路。按鍵被釋放后，所連接到的I/O端口又分別被重新置于高電平。因此，只需要在軟件程序中查詢?nèi)齻€(gè)I/O口的電平狀態(tài)即可知道是否存在按鍵的操作了。另外在按鍵操作處理時(shí)，需要添加一個(gè)“去除抖動(dòng)的模式”的處理，“抖動(dòng)”通常指的是機(jī)械抖動(dòng)，就是說按鍵在沒有被按到需要處于的臨界區(qū)位置時(shí)而產(chǎn)生的電平不穩(wěn)定情況，往往不大容易避免。因此為了

71、增強(qiáng)系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，需要對(duì)它進(jìn)行一定的處理。按鍵的去抖動(dòng)處理方式通常有兩種，一種是硬件處理，即通過添加去抖動(dòng)處理的硬件電路設(shè)計(jì)；另一種是依靠軟件程序處理，即添加一個(gè)短暫延時(shí)的程序，具體是在查詢到有按鍵被按下時(shí)，立即啟動(dòng)10-100ms的延時(shí)程序用以去除抖動(dòng)，等待延時(shí)結(jié)束后再次重新讀取I/O端口的數(shù)據(jù)。</p><p>　　3.2.2.顯示電路</p><p>　　液晶顯示設(shè)計(jì)電路主要使用

72、了一片工業(yè)字符型液晶HJ1602A，32個(gè)字符可以同時(shí)在液晶顯示屏上被展示出，設(shè)計(jì)電路如下圖3.5所示：</p><p>　　圖3.5 顯示電路設(shè)計(jì)示意圖</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　RS管腳和P0.5端口，R/W管腳和P0.6端口, E 管腳和P0.7端口相互連接，當(dāng)RS端口為零時(shí)，對(duì)液晶寫入指令；當(dāng)RS端

73、口數(shù)值為1時(shí)，對(duì)液晶讀入數(shù)據(jù)。R/W端口置高電平，芯片則處于讀數(shù)據(jù)狀態(tài)，反之處于寫數(shù)據(jù)狀態(tài)，E管腳是使能信號(hào)端口。當(dāng)R/W端口為高電平,E端口也為高電平，RS端口也為低電平狀態(tài)時(shí)，液晶顯示屏即可以顯示數(shù)值。</p><p>　　（1）如下表3.1所示，LCD1602的各個(gè)管腳解釋說明[10]：</p><p>　　表3.1 管腳解釋說明</p><p>　　LCD1

74、602A內(nèi)有2個(gè)寄存器：一個(gè)是命令寄存器，另一個(gè)是數(shù)據(jù)寄存器。使用操作方法是先寫命令字，然后寫入數(shù)據(jù)。指令系統(tǒng)規(guī)則如下表3.2 所示：</p><p>　　表3.2 指令系統(tǒng)規(guī)則</p><p>　　3.3 水溫水位檢測(cè)電路</p><p>　?。?）對(duì)于水溫檢測(cè)電路，考慮到如果采用熱電阻的話，那么電路需要接A/D轉(zhuǎn)換電路，并由單片機(jī)換算出實(shí)際溫度，這樣難免使得電路

75、結(jié)構(gòu)變得十分復(fù)雜，而且也精度不高。同樣如果選用半導(dǎo)體集成溫度傳感器AD590，那么就需要與高精度集成穩(wěn)壓器AD581配合使用，同時(shí)使用ADC0832芯片，從而也增加電路的復(fù)雜性。因此最后決定選用DS18B20線式數(shù)字溫度傳感器，在溫控電路中[11]已經(jīng)被多次使用，它擁有體積小,分辨率高,轉(zhuǎn)換速度快等相關(guān)特點(diǎn)。同時(shí)因?yàn)楠?dú)特的單線總線結(jié)構(gòu),所以特別適合于大型多路溫度實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)的溫度檢測(cè)[12]。設(shè)計(jì)的電路如下圖3.6所示：</p&g

76、t;<p>　　圖3.6 水溫檢測(cè)電路</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　正如上圖3.6所示，DS18B20只有三個(gè)引腳，管腳1（VDD）接工作電壓，管腳2（DQ）為數(shù)據(jù)引腳，可以直接與單片機(jī)的一個(gè)I/O端口相連，管腳3（GND）接地。更加便利的是，單片機(jī)的1個(gè)I/O端口線可懸掛多個(gè)DS18B20器件，這樣就可以完成對(duì)單點(diǎn)或

77、多點(diǎn)的溫度實(shí)時(shí)測(cè)量。它的測(cè)量精度很高、互換特性顯著，并且可以對(duì)溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼操作，單數(shù)據(jù)線傳輸數(shù)據(jù)，方便快捷，抗干擾性能較強(qiáng)，與使用其他傳統(tǒng)溫度傳感器構(gòu)成的多點(diǎn)測(cè)溫電路比較，可以大大的降低成本，同時(shí)使得系統(tǒng)工作電路也可以變得十分簡潔。綜合各個(gè)方面的考慮，DS18B20以其擁有的眾多優(yōu)良特點(diǎn)而進(jìn)行水溫的實(shí)時(shí)采樣，即應(yīng)用于此水溫控制系統(tǒng)中最為合適。</p><p>　　DS18B20 的測(cè)溫原理[13]：主要是通過

78、對(duì)受溫控作用影響的振蕩器發(fā)出的計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)的統(tǒng)計(jì)來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)測(cè)量端口處的溫度很低時(shí)，脈沖信號(hào)在此時(shí)就可以通過門電路。而當(dāng)端口所處的溫度比較高時(shí)，信號(hào)就無法通過。另外將計(jì)數(shù)器設(shè)置為零下55攝氏度。當(dāng)工作電路對(duì)此時(shí)振蕩器的溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，這時(shí)計(jì)數(shù)器復(fù)位會(huì)處在當(dāng)前的溫度, 而這種補(bǔ)償形式最終使得計(jì)數(shù)器重新開始計(jì)數(shù)直至回零。如果門電路還處于開狀態(tài)時(shí), 那么系統(tǒng)還將重復(fù)上述過程。</p><p>　　（2）對(duì)于水位檢測(cè)

79、電路，在上述的設(shè)計(jì)方案論證及選擇內(nèi)容中，已經(jīng)大體的討論過五種設(shè)計(jì)方案，但是都不大適合應(yīng)用于此次課題設(shè)計(jì)。因此在此次課題設(shè)計(jì)中，決定采用電阻式傳感器進(jìn)行水位的測(cè)量[14]。設(shè)計(jì)的電路圖、結(jié)構(gòu)圖如下圖3.7和圖3.8所示：</p><p>　　圖3.7 水位檢測(cè)電路設(shè)計(jì)示意圖</p><p>　　圖3.8水位檢測(cè)實(shí)物結(jié)構(gòu)示意圖</p><p><b>　　分析

80、：</b></p><p>　　該水位檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)原理[15]是利用水的導(dǎo)電性，由安裝在內(nèi)儲(chǔ)水箱不同深度的水位電極（電阻）和內(nèi)儲(chǔ)水箱底部的公共電極（導(dǎo)線）進(jìn)行水位檢測(cè)。具體是在內(nèi)儲(chǔ)水箱內(nèi)部放置5個(gè)電極，即將公共電極放置在水箱最底部，其他四個(gè)電極分別放置于箱中不同的高度，從而將水箱高度作四等分，這樣由高到低可把將水位分為滿水、75%、50%、25%和無水五種情況，對(duì)處于內(nèi)儲(chǔ)水箱中不同深度位置的水位電極

81、和公共電極進(jìn)行不間斷的檢測(cè)，水位到達(dá)的電極，根據(jù)電路原理知識(shí)可知，其為低電平，水位沒有到達(dá)的電極，為高電平。 如此每次檢測(cè)一個(gè)水位即可以得到一個(gè)數(shù)據(jù)，在檢測(cè)完5 個(gè)電極之后便得到了5 個(gè)串行數(shù)據(jù)，繼而將這5個(gè)串行數(shù)據(jù)同時(shí)傳遞給主控芯片，進(jìn)而可以完成水位高低的判斷，并進(jìn)行水位數(shù)據(jù)的顯示。當(dāng)水位高度未達(dá)到第一個(gè)等分點(diǎn)時(shí)，顯示水箱中的水不足25%，當(dāng)水位高度處在第一個(gè)和第二個(gè)等分點(diǎn)時(shí)，顯示水箱中有25%的水，當(dāng)水位高度處在第二個(gè)和第三個(gè)等分點(diǎn)

82、時(shí)，顯示水箱中有50%的水，當(dāng)水位高度處在第三個(gè)和第四個(gè)等分點(diǎn)時(shí)，顯示水箱中有75%的水，當(dāng)水位高度超過第四個(gè)等分點(diǎn)時(shí)，則顯示水箱中的水已滿。上下限水位信號(hào)分別由P0.1、P0.2、P0.</p><p>　　表3.2 輸入狀態(tài)表</p><p>　　3.4 電磁閥、加熱絲控制電路 </p><p>　　圖3.9 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)示意圖</p>&

83、lt;p><b>　　分析：</b></p><p>　　在單片機(jī)最小主控系統(tǒng)中，需要結(jié)合下載得到的軟件程序操控開關(guān)量，進(jìn)而使得一些執(zhí)行器件得以工作，比如光電雙向晶閘管[16][17]、光電耦合器、發(fā)光二極管、繼電器、電磁閥等等。但是由于該單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力較小，所以一般情況下，需要外加接口驅(qū)動(dòng)電路，低電平有效。如上圖3.9所示：</p><p>　　此部分電路的

84、主要功能是，VT端接口通過光電雙向晶閘管和可控硅驅(qū)動(dòng)加熱絲（交流220作為提供電源）工作，YV1和YV2端接口通過光電耦合器、三極管和繼電器驅(qū)動(dòng)電磁閥工作，同時(shí)通過光耦電路，也可使得外部電路與內(nèi)部電路隔離，實(shí)現(xiàn)最大程度上的保護(hù)。其中，插座接入交流220V驅(qū)動(dòng)工作的加熱絲，電磁閥插座接口接入電磁閥、熔斷絲和交流220V，用以驅(qū)動(dòng)電磁閥工作。繼電器是選用很小的電流去控制很大電流的一種電子器件近似自動(dòng)開關(guān)等，在電路中起到自我調(diào)節(jié)、電路轉(zhuǎn)化、安

85、全保護(hù)等功能作用。電磁閥是控制量器件，主要用來操控氣缸。另一方面，繼電器旁邊接上整流二極管，這里選用1N4007，因?yàn)樗姆聪蚰蛪汉驼驅(qū)娏鞫驾^大。從而在使得斷電的極短時(shí)間內(nèi)，線圈產(chǎn)生的自感電動(dòng)勢(shì)可以在正向放置二極管被導(dǎo)通的情況下形成續(xù)流回路，從而釋放掉感生電流有效保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)工作電路上的三極管等其他器件[18]。</p><p>　　3.5 報(bào)警電路和電源電路</p><p>　　3

86、.5.1 報(bào)警電路</p><p>　　當(dāng)出現(xiàn)缺水或過熱等情況時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警提示[19]。主要由若干電阻、電容、NPN型三極管9014以及蜂鳴器所組成，工作電壓接+5V，接地。設(shè)計(jì)的電路圖如下圖3.10所示：</p><p>　　圖3.10 報(bào)警電路設(shè)計(jì)示意圖</p><p><b>　　分析：</b></p><p>

87、;　　由于AT89S52單片機(jī)的I/O口電流不夠大，因此在外接蜂鳴器時(shí)需要外接一個(gè)三極管，這里選用了NPN型三極管9014，三極管是一種電流放大器件，起到驅(qū)動(dòng)放大電流的作用，而在接入蜂鳴器前添加一個(gè)電阻，是通過電阻轉(zhuǎn)變成電壓放大作用以驅(qū)動(dòng)蜂鳴器正常工作[20]。電容擁有抗干擾作用，所以在接地端上方添加一個(gè)電容，就可以把干擾脈沖通過電容接地。</p><p>　　3.5.2 電源電路</p><

88、p>　　關(guān)于此次電源電路的設(shè)計(jì)[21]，采用了同時(shí)提供兩種不同電源電壓的工作模式，也就是說分別提供兩種不同來源的直流5V電壓和直流12V電壓。如下圖3.11所示：</p><p>　　圖3.11 電源模塊電路設(shè)計(jì)示意圖</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　工作電路中的光電耦合器兩接入端，需要從外部接入“外5V”

89、和”內(nèi)5V”以及“內(nèi)12V”直流電。其中“外5V”亦即提供給其他電路功能模塊的工作電壓，可通過一個(gè)5V的電源適配器由一個(gè)插孔接入，而“內(nèi)5V”和“內(nèi)12V”可通過一個(gè)12的電源適配器以及三端穩(wěn)壓集成端（LM7805）來獲得，同時(shí)在“內(nèi)5V”電壓輸出口接上電阻和一個(gè)發(fā)光二極管，這樣在兩種內(nèi)部電壓接入電路工作后，使得二極管發(fā)亮，從而起到一種提示的作用。</p><p>　　第四章 軟件程序設(shè)計(jì)</p>

90、<p>　　4.1 程序設(shè)計(jì)原理分析</p><p>　　軟件程序是系統(tǒng)的控制核心，植入程序[22]，除了給部分硬件電路分配管腳控制端口等輔助功能外，更多的是控制電路板上器件的工作，以實(shí)現(xiàn)課題要求得到的功能。此次課題要求實(shí)現(xiàn)的性能指標(biāo)很清晰，主要是驅(qū)動(dòng)AT89S52最小系統(tǒng)，通過控制電磁閥來控制水位、通過控制加熱絲來控制水溫以及鍵盤輸入、液晶顯示等相關(guān)外圍電路的工作。同時(shí)為了增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，對(duì)一些偶然

91、性的誤操作采用中斷處理，以便更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能。</p><p>　　具體展開形式可以采用模塊化結(jié)構(gòu)，將其化分為主程序和各個(gè)功能模塊的子程序來進(jìn)行，主程序主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的總體控制流程和宏觀管理。需要完成的工作有系統(tǒng)的初始化，設(shè)置初始化規(guī)格參數(shù)，開中斷，檢測(cè)系統(tǒng)是否出現(xiàn)漏電，如果出現(xiàn)，那么即進(jìn)行報(bào)警處理，否則，讀取鍵盤狀態(tài)、水溫水位狀態(tài)以及調(diào)用水溫水位子程序。子程序主要包含水位控制、水溫控制、鍵盤輸入、液晶顯示，從

92、而在分別完成各自指定任務(wù)的同時(shí)，配合主程序?qū)崿F(xiàn)整體系統(tǒng)的功能。</p><p><b>　　4.2 主程序模塊</b></p><p>　　主要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)起到一個(gè)宏觀調(diào)控的作用。根據(jù)實(shí)際情況實(shí)時(shí)檢測(cè)水溫和水位，調(diào)用各個(gè)功能模塊的子程序用以實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。具體調(diào)用情況如下：</p><p>　　圖4.1 主程序流程圖</p>

93、<p><b>　　分析：</b></p><p>　　由上圖4.1主程序流程圖所示，系統(tǒng)通電以后首先進(jìn)行初始化操作，將內(nèi)外儲(chǔ)水箱、上水電磁閥K1、進(jìn)水電磁閥K2的標(biāo)志位全部清零。接著開始讀取水溫和水位各自的當(dāng)前值并顯示，同時(shí)進(jìn)行按鍵掃描，即檢查是否有按鍵被按下，如存在按鍵被按下，則此時(shí)調(diào)用按鍵處理子程序，進(jìn)行數(shù)值的下一步更改。如果檢測(cè)到?jīng)]有按鍵被按下或者調(diào)用按鍵處理子程序完畢后

94、，開始水溫的進(jìn)一步檢測(cè)并與用戶設(shè)定值相比較，如果當(dāng)前水溫低于用戶設(shè)定值，那么此時(shí)調(diào)用加熱子程序，處理完畢后或者當(dāng)前水溫高于用戶設(shè)定值，那么此時(shí)調(diào)用內(nèi)水箱子程序，即打開進(jìn)水電磁閥K2注水，處理完畢后或者當(dāng)前水溫處于用戶設(shè)定值的數(shù)值范圍，則進(jìn)入下一步操作。開始檢測(cè)當(dāng)前的水位，如果低于用戶設(shè)定值，那么此時(shí)調(diào)用外水箱子程序即打開上水電磁閥K1注水，處理完畢后，然后重新返回對(duì)當(dāng)前水溫水位的讀取狀態(tài)。如果高于水箱水位最大值，那么此時(shí)關(guān)閉所有電磁閥，

95、并且同時(shí)報(bào)警。由設(shè)定的中斷程序可知，定時(shí)50ms，即每經(jīng)過50ms，對(duì)各個(gè)標(biāo)志位重新檢測(cè)一次，同時(shí)作相應(yīng)的處理。</p><p><b>　　4.3 子程序模塊</b></p><p>　　隨著主程序進(jìn)入水溫水位數(shù)值顯示階段后，首先進(jìn)行對(duì)當(dāng)前水位的初步判斷，主要分為兩種情況，當(dāng)外部儲(chǔ)水箱中的水位低于設(shè)定值時(shí)，控制器操控上水電磁閥K1進(jìn)行注水，在注水過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，

96、在水位達(dá)到設(shè)定值以后，在短暫的延時(shí)時(shí)間里關(guān)閉上水電磁閥，進(jìn)入下一流程；當(dāng)水位高于或等于設(shè)定值時(shí)，考慮到生活實(shí)際情況，即用戶偏向于水箱里的水總是剩余多的，以避免二次注水的麻煩。在水位判斷之后轉(zhuǎn)入水溫判斷，同樣分為兩種情況，當(dāng)內(nèi)儲(chǔ)水箱中的水溫低于設(shè)定值時(shí)，控制器通過操控可控硅來驅(qū)動(dòng)加熱絲工作，在給水加熱的過程中進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，在水溫達(dá)到設(shè)定值以后，在短暫的延時(shí)時(shí)間里使加熱絲工作電路斷電，進(jìn)入下一流程；當(dāng)水溫高于設(shè)定值，控制器打開下水電磁閥K2

97、注水，然后再一次轉(zhuǎn)入水溫的判斷；在水溫也滿足要求后，即以達(dá)到要求，進(jìn)入程序返回階段。</p><p>　　4.3.1 按鍵處理子程序</p><p>　　正如我們所知，機(jī)械觸點(diǎn)都具有一定程度上的彈性，即在按下或者松開按鍵時(shí)不可避免的會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)，從按下到接觸穩(wěn)定的過程中要經(jīng)過幾毫秒的彈跳時(shí)間。因此為了準(zhǔn)確判斷按鍵是否執(zhí)行操作，所以必須消除抖動(dòng)。在這次的課題設(shè)計(jì)中，采用的是軟件程序去抖，即利用

98、主程序的循環(huán)掃描，當(dāng)主程序每循環(huán)一次掃描到的鍵值相同時(shí)，則說明是某鍵按下。反之則說明沒有按鍵被按鍵，系統(tǒng)不做任何處理。</p><p>　　圖4.2 按鍵處理子程序流程圖</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　在調(diào)用按鍵處理子程序后，首先通過軟件去抖處理檢測(cè)是否有按鍵被按下，如果沒有則不做任何處理跳出子程序，返回主程序

99、。如果有按鍵被按下，那么依次檢測(cè)確認(rèn)是哪一個(gè)按鍵被按下，假設(shè)是工作模式切換確認(rèn)鍵，那么再次檢測(cè)標(biāo)志位是否為“1”，如果為1，調(diào)用水溫采集子程序，如果不是，調(diào)用水位檢測(cè)子程序；假設(shè)被按下的鍵是加1鍵，那么執(zhí)行加1指令，然后重新返回按鍵選擇指令的上一步指令；假設(shè)被按下的鍵是減1鍵，那么執(zhí)行減1指令，然后重新返回按鍵選擇指令的上一步指令，在按鍵識(shí)別之后，將數(shù)據(jù)結(jié)果顯示在液晶屏上。最后跳出子程序的調(diào)用，返回主程序，等待下一次的重新調(diào)用。<

100、/p><p>　　4.3.2 中斷服務(wù)子程序</p><p>　　圖4.3 中斷服務(wù)子程序流程圖</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　中斷程序中，可設(shè)置定時(shí)值為50ms，即每隔50ms程序掃描一次，檢查內(nèi)外儲(chǔ)水箱、上水電磁閥、進(jìn)水電磁閥的標(biāo)志位，從而實(shí)時(shí)調(diào)用各個(gè)子程序，實(shí)現(xiàn)其功能。</p&g

101、t;<p>　　4.3.3 水溫采集子程序</p><p>　　圖4.4 水溫采集子程序流程圖</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　使用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，首先對(duì)其進(jìn)行初始化操作，然后檢測(cè)水溫信號(hào)，輸出溫度值。</p><p>　　4.3.4 加熱控制子程序</p

102、><p>　　圖4.5 加熱控制子程序流程圖</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　在調(diào)用加熱子程序后，首先是對(duì)當(dāng)前水溫的讀取，然后與“設(shè)定值+1”的數(shù)值進(jìn)行比較，如果大于，那么就關(guān)閉加熱裝置，并且同時(shí)清除加熱標(biāo)志位，程序結(jié)束，否則啟動(dòng)加熱裝置。這里之所以將讀取的當(dāng)前水溫值與“設(shè)定值+1”比較而不與“設(shè)定值”比較，是為了避

103、免加熱裝置的頻繁啟動(dòng)。比如用戶設(shè)定值為25攝氏度，當(dāng)前水溫高于26攝氏度時(shí)則關(guān)閉加熱裝置。 </p><p>　　4.3.5 內(nèi)水箱補(bǔ)水子程序</p><p>　　圖4.6 內(nèi)水箱補(bǔ)水子程序流程圖</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　在調(diào)用內(nèi)水箱子程序后，首先也是對(duì)當(dāng)前水溫的讀取，

104、然后與“設(shè)定值+1”的數(shù)值進(jìn)行比較，如果大于，那么就打開進(jìn)水電磁閥K2，否則關(guān)閉進(jìn)水電磁閥K2，并且同時(shí)清除內(nèi)水箱補(bǔ)水標(biāo)志位，程序結(jié)束。這里之所以將讀取的當(dāng)前水溫值與“設(shè)定值+1”比較而不與“設(shè)定值”比較，是為了避免起到降溫作用的內(nèi)儲(chǔ)水箱子程序的頻繁調(diào)用。比如用戶設(shè)定值為25攝氏度，當(dāng)前水溫高于26攝氏度時(shí)則打開進(jìn)水電磁閥K2，進(jìn)行注水以達(dá)到降低水溫的效果。同時(shí)在定時(shí)值時(shí)間段內(nèi)打開注水電磁閥K2，而后子程序調(diào)用結(jié)束。 </p&g

105、t;<p>　　4.3.6 水位檢測(cè)子程序</p><p>　　圖4.7 水位檢測(cè)子程序流程圖</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　在調(diào)用水位檢測(cè)子程序后，系統(tǒng)首先讀取接收到的水位的四個(gè)檢測(cè)信號(hào)，如果得到的信號(hào)為“0000”，說明水箱已滿，此時(shí)水位測(cè)量電極由于水的導(dǎo)電性而全部被短路，因而接收到的信號(hào)為“

106、0”，同理，當(dāng)接收到的信號(hào)依次為：0001、0011、0111、1111時(shí)，則依次表示為：外儲(chǔ)水箱中的水依次分別達(dá)到75%、50%、25%以及無水狀態(tài)，并且當(dāng)水箱處于無水狀態(tài)時(shí)，此時(shí)調(diào)用報(bào)警子程序，即蜂鳴器開始工作。</p><p>　　4.3.7 外水箱補(bǔ)水子程序</p><p>　　圖4.8 外水箱補(bǔ)水子程序流程圖</p><p><b>　　分析：&

107、lt;/b></p><p>　　在外水箱調(diào)用子程序啟用后，在定時(shí)值內(nèi)首先打開上水電磁閥K1注水，同時(shí)不間斷的進(jìn)行水位檢測(cè)，并且將檢測(cè)得到的數(shù)據(jù)與設(shè)定值相比較。如果水位沒有達(dá)到設(shè)定值，那么子程序調(diào)用結(jié)束，等待下一次被調(diào)用，如果水位已經(jīng)到達(dá)設(shè)定值，那么此時(shí)關(guān)閉上水電磁閥K1，同時(shí)清除外水箱補(bǔ)水標(biāo)志位，等待被再次調(diào)用。</p><p>　　4.3.8 報(bào)警子程序</p>&

108、lt;p>　　圖4.9 報(bào)警調(diào)用子程序流程圖</p><p><b>　　分析：</b></p><p>　　在掃描主程序時(shí)，不間斷的檢測(cè)是否存在報(bào)警標(biāo)志位，如果存在，那么則在液晶顯示屏上顯示報(bào)警狀態(tài)，同時(shí)蜂鳴器開始工作，然后執(zhí)行下一條指令，即清除內(nèi)儲(chǔ)水箱中的補(bǔ)水標(biāo)志位，同時(shí)關(guān)閉所有電磁閥，即上水電磁閥K1和進(jìn)水電磁閥K2，子程序調(diào)用結(jié)束。如果不存在報(bào)警標(biāo)志位，

109、那么子程序調(diào)用直接結(jié)束，等待下一次被重新調(diào)用。</p><p>　　4.4 程序調(diào)試分析</p><p>　　主要利用Keil uVision4軟件進(jìn)行程序的編寫以及后續(xù)調(diào)試過程，先按照著主程序流程圖寫出主程序，然后對(duì)應(yīng)子程序流程圖以模塊化結(jié)構(gòu)寫出各個(gè)功能模塊的子程序，在程序運(yùn)行時(shí)將其調(diào)入使用。在程序編好完成以后，進(jìn)行編譯并查找錯(cuò)誤，確認(rèn)無誤后即可展開下一階段的工作。</p>