太阳能水位控制器的设计毕业设计(论文)(编辑修改稿)

太阳能水位控制器的设计毕业设计(论文)(编辑修改稿)内容摘要：

图 2. 4 排阻式水位检测系统示意图 方案二： RC 充放电式水位传感器测量电路其基本形状如图 所示。 [3] 图 RC 充放电式水位传感器示意图 从图 中我们可以看到传感器外很形很普通，该传感器一共只有两个端口，第一个端口是公共水位，第二个端口是实际水位端口。 观察传感器可知水位传感器 有 5 个与水接触点，我们从上到下依次命名它们为 1— 5 触点。 我们分别测量了触点不同接法时公共和水位 两端口之间的电阻，输出电阻值表如下表。 公共 水位 CD 4069 74LS244 AT89S52 水箱 5 表 输出电阻值表 短接方式 无短接 2 3 4 5 输出电阻值 极大值 25kΩ kΩ kΩ 方案选择 以 RC 充放电式水位传感器来测量水位有较大优势， RC 充放电式水位传感器只要两根线就可以，这里相对于排阻法就省下不少的导线，另一方面占用较少的 I/O 口，仅需两个 I/O 口就能完成水位检 测任务，极大地节约了单片机的 I/O 口资源。 综上比较可见选用第二种方案较为优越。 单片机的选择 AT89S52 选择和其功能性能 AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS 的 8 位微控制器 [4]，具有 8K 在系统可编程 Flash存储器。 在单芯片上，拥有 灵巧的 8 位 CPU和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52 与工业 80C51 产品指令和引脚完 全兼容 得益于它使用高密度非易失性存储器制造技术。 单片机 AT89S52 标准功能： 8K Flash ROM（数据存储器）， 256B RAM（程序存储器）， 32 个外部双向输入 /输出（ I/O）口，三个可编程 16 位定时器 /计数器，一个“看门狗”（ WDT）定时器，一个 6 向量 2 级中断结构，两个数据指针，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。 此外， AT89S52 如果降至 8Hz 静态逻辑操作，可支持两种软件可选择节点模式：在掉电保护方式下， RAM 内容被保存，振荡器被冻结，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。 在空闲的模式下，CPU 暂停工作，而 RAM 定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作。 AT89S52 引脚功能介绍 AT89S52 单片机采用双列直排的 40 条引脚的封装形式。 AT89S52 的 40 条引脚中，有 2 条只用于主电源的引脚，还有 2 条外接晶振的引脚，另外 4 条控制和其它电源复用的引脚， 32 条 I/O 引脚。 如图 是 AT89S52 单片机引脚图。 6 12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE30EA/VPP313233343536373839VCC40U1AT89S52 图 AT89S52 单片机引脚图 AT89S52 引脚的名称和功能：  Vcc：接 +5V 的电源。  GND：为接地。  XTAL1：接在外部晶振的一端。 在单片机内部是反相放大器的输入端，该放大器构成了片内振荡器。  XTAL2：接在外部 晶振的另一端。 在单片机内部接至上述的振荡器的反相放大器的输出端，振荡器的频率是晶体振荡频率。 控制信号引脚 RST、 ALE/PROG、 PSEN 和 EA/Vpp  RST： 9 脚也就是 RESET， 复位输入 ，单片机上电后如果要使单片机复位，只要在该引脚输入 24 个振荡周期宽度以上的高电平就可达到。 图 为该单片机的复位电路图。 在通电瞬间，电容 C 通过电阻 R 进行充电， RST 端出现正脉冲，用以复位。 当振荡器工作时， RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将 使得 单片机复位。 单片机正常工作时，此引脚应为不大与 的低电平。  ALE/PROG： 30 脚， 地址锁存使能输出 /编程脉冲输入端。 ， ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低 8 位。 当不访问外部存储器程序时 ， ALE 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。 要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。  PSEN： 29 脚， 外部程序存储器读选通信号 ，低点平有效。 当 AT89S52由外部程序存储器 执行外部代码 时，每个机器周期中， PSEN 信号两次有效 ，也就是输出两个脉冲。 但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的 PSEN 信号不 出现。 7  EA/Vpp： 31 脚， 外部访问允许 /编程电源输入端。 当 EA 输入高电平时（接 Vcc 端） ， CPU 执行程序，在低 4KB（ 0000H～ 0FFFH）地址范围内，访问片内程序存储器； 当 程序计数器 PC 的值超过 4KB 地址时，将自动转向执行片外程序存储器的程序。 当 EA 输入低电平 （接 GND） 时， CPU仅访问片外程序存储器。 在 flash 编程期间， EA 也接收 12 伏 VPP 电压。 需注意的是：如果加密位 LB1 被编程，复位时内部会锁存 EA 端状态。 输入 /输出（ I/O）引脚 P0、 P P2 和 P3  P0 口： P0 口是一个双向 I/O 口 并且 拥有 8 位漏极开路的 ，同时可以驱动8 个 LS 型的 TTL 负载。 对 P0 写 1 这个时候 引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时， P0 口也被作为低 8 位地址 /数据复用。 在这种模式下， P0 具有内部上拉电阻。  P1 口： P1 口是一个具有上拉电阻的 8 位双向 I/O 口， P1 可 驱动 4 个 LS型的 TTL 电平。 P1 口是专为用户使用的准双向 I/O 口，作为通用的 I/O口输入时应先向端口锁存器写 1。  P2 口： P2 口是一个 双口功能、字节地址为 0H、位地址为 A0H~A7H。 P2 口作为地址输出线时可以输出高 8 位 到外部存储器，与 P0 输出的低8 位的地址一齐够成 16 位地址，可以寻址的地址空间为 64KB。 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器时， P2 口送出高 8位地址。 在这种应用中， P2 口使用 较 强的内部上拉发送 1。  P3 口： P3 口是一个 8 位 双 向 I/O 口具有内部上拉电阻的， P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。 对 P3 写 1 时，内部上拉电阻 会 把端口拉高，此时可以作为输入口用。 作为输入 口 使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（ IIL）。 由于 AT89S52 的引脚有限，因此在 P3 电路多了种 特殊功能 即 第二功能。 P3口的每一条引 脚 都 可 分别 定义为第 二 功能的输入 功能 或第二 输出 功能。 实际在使用中， 一般都是 是先按需 求 优先 选择 它的第二功能，剩下不用的才作为第一功能口线使用。 各引脚的定义如 下： ：串行数据输入口 8 第 3 章 硬件电路设计 该系统由主控芯片模块 AT89S5 DS18B20 温度检测模块、 LCD 液晶显示模块、水位检测模块、键盘控制模块、报警模块和电磁阀开关模块组成。 下面分别对各个 模块作具体介绍。 水位检测模块 水位测量原理 1．检测原理图如图。 图 RC 充放水位传感器原理图 它的是利用 4 个并联的电阻 [5]，电阻随水位变化而变化，每当水面接触一个钢针就会多并联一个电阻，电阻随水位变化而规律的变化。 因为单片机会给电容周期性地充电和放电，然后检测接在电容两边的电压的变化。 因为我们通过已学的知识可知电容电压的上升或下降时间可表示为 t=RC，所以可以通过记录下的这个时间来知道电阻的变化，进而进一步可知水位 的变化并对其进行显示。 单片机中的定时器可以提供电压变化时间的纪录，接下来就是如何将电压的变化传递给单片机。 本设计与 I/O 隔离并用中断监测电容电压的电路，这样就需要把电容电压和单片机端口如图 这样隔离开来。 水箱 水位 检测口 4*25K 公共 充放电口 9 图 P1 口的位结构 [6] 电压跟随器的构成：将 LM358 的正向输入端接入电容电压正端，反向输入端则与输出相连。 电压跟随器的特点： 输入阻抗高，输出阻抗低 ，使得输入几乎不受输出影响，所以能启到很好的隔离作用。 ：采用 LM393 为比较器加以 +5V 给其供电，由于 LM393 的输出为集电极开路，它的输出高电平与 LM393 的电源无关，但须接外部电源和上拉电阻。 需要电压跟随器进行隔离的原因和必要性：因为 AT89S52 单片机的 INTO、INT1 本身就具备上拉电阻， INTO、 INT1 的内部结构类似于上图 ，并且 LM393的反相输入端输入和同相输入端输入间有着相互 钳 位作用，而 +5V 电源分压电阻给予 +3V 参考带电平对反相输入端输入有 钳 位作用，因此接了 LM358 电源跟随器并且不与电容直接相连，就不会影响 电 容电压的变化，这便是必须接电压跟随器的必要性。 电压跟随器和比较器的接法如图 所示。 水位传感器采用电压跟随器与电压比较电路相结合实现。 由于水的高低也有一定的电阻，如图 ，当水位较低时，传感器将信号传给单片机 端口，输出低电平信号输入到 U7A 电压相应变的小（低于 6v）， 1 脚输出低电平，经过U7A 电压跟谁器，输入到 U7B 反相输入端，与 U7B 同相端电压进行比较，在同相端设置的基准电压为 6V，输出高电平，作用于 端口制成高电平， AT89S52接受到高电平信号后，将指 令给 端口，制成高电平，使三极管导通，继电器吸合，电磁阀门开始工作。 当水位过高时，传感器将信号传个单片机，由 输出一个高电平信号， U7A 电压跟随器输出一个 12V 电压，输入给 U7B 电压比较器反相端，与同相端进行电压比较输出一个低电平信号即（ 端口置成低电平），通过 AT89S52 将指令传给 端口，将其置成低电平，此时继电器断开，电磁阀门停止工作。 D Q 锁存器 CP Q MUX 地址 /控制 Vcc VCC 读引脚 内部总 线 写入 读存储器 10 12345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE30EA/VPP313233343536373839VCC40U4AT89C52VCC23418U7ALM393AD48657U7BLM393ADGNDVCC1KR91KR12Res2GNDVCC1K水位传感器100pFC2CapGND1KR11Res2 图 水位检测电路 温度检测模块 温度传感器的主要特点是功能单一、测温 精良 、价格低廉 （ 10 快钱左右） 、响应 反应 快 、 传输距离远、 功耗 小、易配处理器 等 优点 ， 非常 适合远距离测温 和控制，外围电路简单 且 不需要进行非线性校准。 太阳能热水器温度传感器有很多，本设计 本来 可选用 热敏电阻来使用，他 具有负温度系数的热敏电阻来测水温，热敏电阻与普通电阻不同，它具有负的温度特性，当温度升高时，电阻值减小 等优点， 它的应用是为了 测量 温度。 但由于取材方面的原因，也考虑到经济成本我 选用了型号为 DS18B20 的温度传感器， 这是市场上很多见并且应用范围很广的一种温度传感器， 因为它独特的单线接口，且具有精准度高、 稳定性强、廉价 等 好处，因此我设计中用 DS18B20 作为温度 传感器。 DS18B20 的简介 及特性 [7]： DS18B20 数字化温度传感器 是美国 Dallas 半导体公司 生产。