基于单片机的太阳能热水器测控系统.docx
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基于单片机的太阳能热水器测控系统
基于单片机的太阳能热水器测控系统
基于单片机的太阳能热水器测控系统设计
摘要
伴随着科技水平的不断提升,人们的生活质量有显著的提升,越来越多的智能电器走进我们的生活给我们带来便利,例如热水器,从一开始的燃煤热水器逐渐发展到电热水器、太阳能热水器等;其中太阳能热水器技术水平正日益攀升,太阳能热水器因顺应着时代的发展中低碳环保、绿色能源的可持续发展理念受到了世界各国的青睐。
本次设计太阳能热水器的测控系统设计将基于兼容51系列的AT89C52型号单片机为处理器,利用DS18B20温度传感器、水位传感器等模块以及各部分电路来实现太阳能热水器的水位水温测控、设定参数和报警等功能,以低成本、低功耗、高稳定性的电子元器件来实现高精准、智能化、高效率的控制系统。
关键词:
太阳能热水器、测控系统、单片机
Abstract
Withthecontinuousimprovementofscienceandtechnology,people'squalityoflifehasbeensignificantlyimproved.Moreandmoreintelligentelectricalappliancescomeintoourlifetobringusconvenience,suchaswaterheaters,fromthebeginningofthecoal-firedwaterheatersgraduallydevelopedtoelectricwaterheaters,solarwaterheatersandsoon.Amongthem,thetechnologylevelofsolarwaterheatersisrisingdaybyday,andsolarwaterheatersconformtothetimesThesustainabledevelopmentconceptofdevelopinglow-carbonenvironmentalprotectionandgreenenergyhasbeenfavoredbyallcountriesintheworld.Inthisdesign,themeasurementandcontrolsystemofsolarwaterheaterisdesignedbasedonAT89C52microcontrollercompatiblewith51series,usingDS18B20temperaturesensor,waterlevelsensorandothermodulesaswellasvariouscircuitstorealizethefunctionsofwaterlevelandwatertemperaturemeasurementandcontrol,settingparametersandalarmofsolarwaterheater,andusinglow-cost,low-power,highstabilityelectroniccomponentstoachievehighprecisionIntelligentandefficientcontrolsystem.
Keywords:
solarwaterheater,measurementandcontrolsystem,singlechipmicrocomputer
1引言
1.1本设计的目的与意义
1.2国内外现状分析
1.3中心论点
2太阳能热水器智能测控系统选择和分析
2.1太阳能热水器工作原理
2.2太阳能热水器测控系统设计要求
2.3控制系统方案选择
2.3.1核心处理器的选择
2.3.2水位模块的选择
2.3.3水温模块的选择
2.3.4显示模块和输入模块的选择
2.3.5驱动模块、报警模块与时钟模块
2.4小结
3线路设计
3.1基本思路
3.2单片机及最小控制系统
3.2.1AT89C52介绍
3.2.2单片机及I/O布置
3.2.3单片机最小控制系统
3.3水温模块电路
3.3.1DS18B20介绍
3.3.2DS18B20线路
3.4水位模块线路
3.5显示模块线路
3.6输入模块线路
3.7报警模块线路
3.8驱动电路
3.9其他模块
3.10小结
4软件设计
4.1软件设计思路
4.2总体逻辑图
4.3程序设计
4.3.1显示程序
4.3.2温度程序
4.3.2.1DS18B20的初始化
4.3.2.2DS18B20的写操作
4.3.2.3DS18B20的读操作
4.3.3温度比较程序
4.3.4输入程序
4.3.5报警程序
4.4小结
5电路仿真
6总结
7致谢
1引言
1.1本设计的目的与意义
环境污染、家用电器安全隐患、环保节能这一系列问题一直都备受关注与重视,就如家用热水器,因热水器引发的煤气事件、中毒事件频频发生,因此传统的燃煤、燃气热水器渐渐淡出市场,取而代之的是发展十分迅速的太阳能热水器,新兴的太阳能热水器每年都呈现出数倍的增长势头。
根据不完全统计,电热水器的市场占率约为百分之六十,国内绝大多数的家庭以使用电热水器为主,而传统的燃气热水器因一系列的安全隐患问题慢慢被淘汰,目前市场占有率已不到百分之二十;新起的太阳能热水器,以清洁环保、节能减排、安全高效的优势受到了广大消费者青睐,发展尤为迅速,虽然太阳能热水器的安装会受到各种问题的较大限制以及容易受天气影响,但依旧在短短的几年市场占有率已经达到百分之二十。
相信在太阳能科技的迅速发展下太阳能电器存在的不足将会逐渐被克服,太阳能家电会更多的走进我们的,太阳能家电也会更加生活智能化、环保化,功能也更加丰富更加人性化。
在这样的社会背景下,本次太阳能热水器的测控系统设计,以AT89C52型号单片机为CPU,通过各类传感器、数字式显示器等组成的控制系统来实现水位、水温的测控和显示,缺水、过热的报警,以及可以通过使用者的设定来实现如定时加热,设定加热温度等功能。
基于单片机的控制系统优势在于,单片机作为一种为微控制处理器,具有体积小、功耗低、稳定性强、廉价且能通过编程实现各类智能化功能等优点。
单片机因其飞快的发展速度而被广泛运用与各类智能控制系统之中,因此以单片机作为控制芯片的测控系统是非常不错的选择,有着非常广阔的市场前景。
1.2国内外现状及分析
能源在人类的生存发展中扮演着着至关重要的角色,新能源的兴起与旧能源的淘汰是每一次人类文明进步的标志,从第一次工业革命,蒸汽机的出现逐步使煤炭代替了木材的燃烧;在到上个世纪,石油成为全世界大力开采与使用的主导能源,石油又代替了燃煤;再到今日的新能源太阳能、风能、潮汐能等一系列的可再生环保能源,又必将代替传统的能源。
传统的能源一直面临着两大严峻的问题,一是当前占主导的各类化石能源属于不可再生能源,面对着日益增长的人口与飞速发展的经济,有限的化石能源越来越难以满足世界庞大的需求量;二是煤矿安全事件频频发生,开采技术与安全保障不足的同时还会对土壤、水源造成不可逆的生态环境污染,同时化石能源燃烧产生的二氧化碳、重金属污染物等废气废渣是生态环境污染的主要凶手,面对这一系列日益严重的能源危机与生态问题,世界各国开始大力发展新能源技术,积极开发新能源以降低对传统能源的依靠。
就我国国情而言,积极推广新能源,让绿色环保的新能源代替大部分化石能源,这是保障我国能源安全、优化能源结构、促进社会与经济可持续发展、保护环境、应对气候生态变化、调整产业结构的战略部署。
近年来,新能源的发展不论是在国内还是国外都相当重视。
未来新兴能源开发利用的战略定位是:
到2020年,核能、风能、太阳能等新兴能源要成为能源总需求中增量部分的主力军,加上水能共提供约6亿吨标准煤,占一次能源消费总量的15%;到2030年,新兴能源要成为主流能源之一,加上水能共提供20%以上的一次能源消费量。
作为一个发展中的强国,中国的太阳能资源十分丰富。
我国拥有世界第一的太阳能热水器安装量,但是中国人口数量庞大,换句话来说中国人均占有量却远不及以色列和奥地利等国家。
根据我国可再生能源发展规划,太阳能热水器累计安装应在2020年达到3亿平方米,每千人拥有量达128至203平方米。
根据这一计划,2020年中国的太阳能热水器的持有率只相当于2000年奥地利的水平,仍远低于2000年以色列的太阳能热水器安装量。
1.3中心论点
本次基于单片机的太阳能智能测控系统的设计以AT89C52单片机测控系统的处理芯片配合水位模块、水温模块、输入模块、显示模块、驱动模块、时钟模块和报警模块相辅相成实现智能测控系统的功能需求。
水温模块通过相应的温度传感器来实现高精度的温度监测与控制;水位模块通过水位传感器获取热水器的水位状态并反馈到单片机进行运算实;显示模块利用显示器直观的向用户显示水位、水温、时间等信息;输入模块利用键盘实现人机互动来实现用户需要的各种功能;时钟模块为单片机提供准确的时间及日期,同时配备备用电源能在断电时保持时钟运行;驱动模块在检测温度低于设定温度使驱动热水器进行加热,同时加热指示灯亮起;报警模块通过声光报警向使用者报警异常信息。
基本架构图:
2太阳能热水器测控系统选择和分析
2.1太阳能热水器工作原理
2.2太阳能热水器测控系统设计要求
太阳能热水器的测控系统主要是为了实现水位和水温的自动控制和监控报警,并能直观的反馈给使用者热水器的状态信息以及接收使用者的指令,同时附加各类智能功能。
太阳能热水器的测控系统则以单片机核心控制系统、水位模块、水温模块、显示模块、输入模块、时钟模块、报警模块、驱动模块组成相互配合能实现以下功能:
设计控制要求:
(1)水温检测温度范围为00~99℃,精确度为±0.1℃。
(2)通过显示器显示水温、时间等信息
(3)可设置日期、加热温度范围、加热时间
(4)水位传感器检测热水器水位状态
(5)报警功能,利用发光二极管和蜂鸣器,在缺水,过热时报警指示灯亮起同时蜂鸣器工作发出声响来实现声光报警。
(6)检测温度低于设定温度时驱动热水器进行加热,同时加热指示灯亮起
2.3控制系统方案选择
2.3.1核心处理器的选择
核心处理器本设计选择稳定性高、低成本的AT89C52单片机芯片,AT89C52兼容51系列系统,同时也在51单片机的基础上进行了改善。
拥有8位处理器和8kB能擦写Flash,功耗低,有32个I/O口,适合许多高性能低成本的控制系统。
AT89C52型号单片机完全可以满足本设计的需要且拥有高性价比、价格低廉,因此选择AT89C52型号单片机为控制芯片。
2.3.2水位模块的选择
单片机可以通过两个传感器模块来获取热水器的水位和温度信息,水位信息是就是利用水位传感器来获知容器中的水位状态,实现缺水报警的控制。
水位传感器可以通过择液位开关来实现,液位开关根据工作原理可分为:
浮球式、电容式、电子式、超声波液位开关等,根据性价比和功能需求本设计选择了浮球式液位开关,
在其他液位传感器的结构组织中通常包含弹簧、波纹管等容易发生故障的部件和因密封导致的各种故障损害问题,而浮球式液位开关的优点就是可以避免这些问题的发生,结构简单、使用方便、可靠性高。
因此浮球液位开关十分适合作为本设计中的液位传感器。
2.3.3水温模块的选择
温度的控制是太阳能热水器控制系统的核心,单片机通过温度传感器获取温度信息,实现水温度的自动控制。
温度传感器通常有热敏电阻和数字式温度测量传感器,但因热敏电阻其可靠性不高,并且信息模拟量需要经过A/D转换后才能获,水温信息获取过程较为繁琐,因此选用数字式温度测量传感器。
相比之下数字式温度测量传感器的测量范围和精度更高,线路十分简单只需要单线串行即可直接向单片机反馈数字信息,同时也节省单片机的I/O口资源。
在温度传感器中DS18B20数字式温度测量芯片的运用较为普遍,具有体积小、低成本、高稳定性、高精度等优点,DS18B20数字式温度测量芯片在小空间设备数字测温和控制领域中是个不错的选择。
2.3.4显示模块和输入模块的选择
显示模块是为了向使用者直观的显示热水器的状态信息,包含水位、水温、时间以及设置的信息。
对于简单小型显示模块的选择通常有数码管和液晶显示器等,为能更直观显示所需数据信息,显示模块选用液晶显示器。
其中LCD1602字符型液晶显示器作为一种高集成的小型显示器可显丰富示信息量,具有体积小、功耗低操作编程简单的特点,非常适合在本次设计中使用。
要实现人机互动、传达指令就需要输入模块,输入模块可以由简单独立的按键所组成。
用户信息可以通过键盘的输入以及利用显示模块相互配和来实现使用者对控制系统进行指令的调节与输入。
2.3.5驱动模块、报警模块与时钟模块
驱动电路由二极管、三极管、继电器等构成,在检测温度低于设定温度时,能驱动热水器进行加热。
报警模块可以通过简单的LED发光二级管线路与蜂鸣器来实现声光报警,在单片机检测到机器异常情况下发出声光警告。
同时为了更精确的获取时间信息与存储时间,避免因断电需要重复设定时间,控制系统中加入具有计时准确、有后备电源、线路简单、使用方便以及功耗较低优点的高性能的DS1302时钟芯片
2.4小结
电子元件、功能芯片的选型我们往往需要遵循一定的原则才能物尽其用,降低成本。
原则一高性价比,不挑最好的,只挑满足需求的,在功率、性能都相似的情况下优先选择价格成本更低的;二是普遍性原则,尽力使用普遍性高,各方面性能都被验证过的元件,减少开发风险;三是使用方便,器件不论是在焊接、编程、线路各方面都能方便使用能大大降低开发成本以及开发时间;四是兼容性原则,所选元器件在尺寸、接口、功率、编程等各方面都能相互兼容才能保证系统的安全可靠性;五是资源节约,既能保证使用元器件的所有功能,同时也要考虑元器件占用的引脚数。
对电子元件、芯片的选型需要综合各类因素,只有熟悉掌握元器件的各项参数才能更好的利用元器件。
3线路设计
3.1基本思路
太阳能热水器智能测控系统的是通过AT89C52单片机对进行需要实现的功能进行合理编程来实现:
通过LCD1602液晶显示器和独立按键为控制系统信息的输入和输出,显示水位、水温、设定等信息以及接收使用者的设定指令,实现人机互动的功能需求。
当检测温度低于设定温度时驱动电路工作指示灯亮起,同时驱动模块工作驱动热水器热水加热。
以浮球式液位开关和DS18B20数字式温度测量芯片为水位水温传感器,负责获取准确的水位及水温信息并反馈给处理器,处理器经过预先编程好的程序和用户的设定进行系统的判断与执行指令,报警模块会在机器发生异常状态时发出声光报警。
太阳能热水器智能测控系统将通过设计合理的线路来使处理器与各个模块相互配合来实现所需控制功能。
系统整体框架:
3.2单片机及最小控制系统
3.2.1AT89C52介绍
其主要性能指标:
3.2.2单片机I/O口及布置
AT89C52引脚图
I/O口布置:
水温模块:
单片机的P2.1端口与DS18B20数字式温度测量芯片线路相连。
水位模块:
单片机的P2.2端口与浮球式液位开关线路相连
显示模块:
单片机的P0.0~P0.7端口与液晶显示器的数据线相连,单片机的P1.0~P1.2端口分别与显示器的使能端相连
输入模块:
单片机的P1.3~P1.6端口与4个独立按键线路相连
声光报警模块:
单片机的P2.3~P2.4端口与2个LED发光二极管线路相连,单片机的P2.0端口与蜂鸣器线路相连
时钟模块:
单片机的P3.5~P3.7端口与时钟芯片线路相连
驱动模块:
单片机的P2.5端口与驱动模块电路相连
3.2.3单片机及其最小控制系统
单片机及其最小系统由单片机和晶振电路、复位电路组成
复位电路:
由电容串联电阻构成与单片机的RST端口相连。
复位功能不会导致电路板任何器件的损坏或者程序的丢失。
这是电路上的手动复位功能,复位按键,让程序重新被运行,相当于重启。
晶振电路:
在单片机的内部具有时钟振荡电路,为使单片机获得时钟信号就需要在单片机的XTAL1端口和XTAL2端口间接入一般由11.0592MHz或12MHz的晶振以及两个电容组成的反馈电路。
晶振为单片机提供振荡信号,单片机才能运行,晶振的频率越大,系统运行的速度越快。
复位电路、晶振电路仿真图
3.3水温模块电路
3.3.1DS18B20介绍
DS18B20温度测量芯片是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器,其主要性能如下:
(1)电压范围为3.0V~5.5V,可由数据线供电。
(2)独特的单线接口方式,DS18B20仅需要一条口线即可实现双向通讯。
(3)DS18B20在使用中不需要任何外围元件。
(4)测温范围-55度~+125度,精度为±0.5度。
(5)可编程的分辨率为9~12位,对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃,可实现高精度测温。
(6)负压特性:
电源极性接反时,芯片不会烧毁,但不能正常工作。
(7)多个DS18B20芯片可并联使用,依旧仅需一条口线就能与诸多DS18B20通信,可节省大量端口资源。
3.3.2.DS18B20线路
DS18B20温度测量芯片的数字信号输入输出端DQ与单片机的P2.1端口相连,VDD与GND与电源端、接地端相连。
利用4.7k的电阻和电源为数据线的上拉电阻令其保持高电平,同时起到提高抗干扰作用。
单片机通过单总线协议,直接读取DS28B20输送的温度信息进行运算。
水温模块电路仿真图
3.4水位模块线路
浮球式液位开关工作原理:
浮球式液位开关内的检测装置在水中受浮力作用后检测装置位置改变,而无水时为常态,因此来产生开关信号来判断容器中的水位状态。
利用浮球式液位开关作为水位传感器,将单片机的P2.2端口与浮球式液位开关数据线和5V电源经电阻相连,浮球式液位开关另一端与地线相连。
当有水时开关断开,线路输出高电平;无水时开关闭合,输出低电平。
在仿真中利用按键开关来代替液位开关,当按键按下时为没水,按键松开时有水。
3.5显示模块线路
液晶显示器在各类小功耗、小型仪器领域得到广泛应用是因为其拥有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点。
LCD1602字符型液晶模块能显示丰富字符信息,工作电压与单品相近,LCD1602字符型液晶模块采用标准的16引脚接口
其引脚说明为:
LCD1602字符型液晶模块线路接线为:
RS端、R/W端、E端分别与单片机的P1.0、P1.1、P1.2端口相连,DO~D7数据端口对应与单片机的P0.0~P0.7端口相连。
VSS端口和VDD端口分别接电源与地,VL端可接入滑动变阻器,通过滑动变阻器来调节LCD1602的字符显示效果。
排阻:
液晶显示屏的上拉电阻,如果没有接排阻单片机端口呈高阻态,无法得到高电平,显示屏将无法运行。
单片机通过传感器和时钟芯片获取的数据将通过对于的程序转换为字符传输到LCD1602显示器上,来实现时间、水温、设定信息的显示。
显示模块线路仿真图
3.6输入模块线路
输入模块通过独立按键实现,独立按键一端接单片机端口,另一端接地。
当按键按下时,按键接地,单片机端口的电平拉低,单片机通过判断电信号高低电平的转换来判断独立按键开关的闭合和断开。
使用4个独立按键来表示设置按钮、加按钮、减按钮、确认按钮,接入单片的P1.3~P1.6端口,单片机通过对应端口电平的变化来判断和执行各类功能指令。
输入模块线路仿真图
3.7报警模块线路
报警模块通过发光二极管和蜂鸣器来实现声光报警,在系统判断发生异常情况时对使用者进行报警提示。
蜂鸣器工作原理是,电磁线圈因电流流过而产生磁场,振动膜受到磁场的作用发生震动产生声音。
但因单片机引脚的输出电流小于蜂鸣器正常工作的电流,因此需要增加一个电流放大的电路才能使蜂鸣器正常工作。
蜂鸣器的正极与负极分别接到电源与三极管的发射极,单片机的P2.0端口经限流电阻后接入三极管的集电极。
R3为上拉电阻,放大输出电流,使蜂鸣器正常工作。
三极管为NPN型,当单片机P2.0端口输出高电平时,三极管导通,蜂鸣器得电工作;当端口输出低电平时三极管截止,蜂鸣器断电不工作。
蜂鸣器电路仿真图
报警模块的另一部分由2个发光二极管构成分别表示缺水指示和过热指示,发光二极管采用共阳极接法,将2个发光二极管的阳极一起接入5V的电源,阴极经限流电阻接入单片机的P2.3~P2.4端口。
当单片机的P2.3~P2.5端口为低电平时,发光二极管导通发光;当单片机的P2.3~P2.5端口为高电平时,发光二极管不导通。
LED发光二极管线路仿真图
3.8驱动电路
加热驱动电路由电阻,二极管、PNP型三极管、继电器、发光二极管组成。
驱动电路是利用三极管作为开关元件来控制继电器的关断。
PNP型三极管其控制节点与单片机相连,通过单片机I/O口的高低电平来控制输出,当单片机输出为低电平时,三极管导通,继电器线圈吸合,驱动热水器进行加热
在检测温度低于设定温度时驱动电路导通热水器开始加热,驱动模块电路在单片机P2.5端口为低电平时有效,驱动加热。
此时PNP型三极管导通,加热指示灯亮起,继电器吸合。
只需要将驱动电路接入热水器加热电路即可驱动加热。
3.9其他模块
DS1302时钟芯片具有后备电源保证机器断电时计时功能能继续运行,同时能精确的计算时间,为单片机提供准确的时间数据
DS1302管脚图及定义
DS1302具有涓流充电功能,拥有双电源配置VCC2管脚与电源相连供电,VCC1为备用电源,可与纽扣电池构成备用电源电路,可在控制系统断电时通过后备电源保持时间的计时。
DS1302时钟芯片电路仿真图
DS1302的X1、X2管脚需与芯片规定的32.768KHz的晶振构成简单的外围电路。
SCLK、I/O和RST管脚分别与单品机的P3.5、P3.6、P3.7端口相连并接上拉电阻提高抗干扰能力。
单片机通过程序读取时钟芯片的时间,配备备用纽扣电池。
在机器断电停止时,纽扣电池作为后备电源给时钟芯片供电,保持时间的计算,避免需要多次重新设定时间。
3.10小结
硬件部分的设计要点主要包括合理分配I/O端口资源、元器件的布局、元器件工作原理的掌握、接线方式、线路保护的正确计算、各个模块和元件的相互配合、功耗的大小等。
在硬件设计的过程中令我深有体会的是需要对各类元器件的工作原理熟悉掌握,在实现某些功能时利用何种元器件,用何种接线方式、利用多大阻值的保护电阻等等都会带来不同的结果,而错误的元件选择和接线方式虽然在仿真中可以轻易发现,但在现实中很有可能会造成很大的危险,因此熟悉的掌握各类元件的工作原理能保证我们更好的实现硬件设计的合理化。
4软件设计
4.1软件设计思路
能够通过时钟芯片和水温传感器获取的时间和水温显示到LCD1620显示器。
当水温低于设定值时进行热水器进行加热并开启加热指示灯,水温达到设定值时停止加热,水温高于设计值时过热报警;当检测到缺水时会进行缺水报警。
通过按键来设置时间、日期以及设定加热水温和加热起始时间。
4.2总
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