太阳能热水器控制器的软硬件设计毕业论文(编辑修改稿)

太阳能热水器控制器的软硬件设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

的测量误差． 方案二： 采用数字式温度传感器 DS18B20，此类传哪去为数字式传感器，仅需要一条数据线进行数据传输，易于与单片机连接，也不需要 A/D转换模块，降低硬件成本和系统的复杂度．此外，数字式温度传感器具有精度高，测量范围广等优点． 从电路简化和系统稳定性角度考虑，本设计采用 DS18B20传感器．由于是测热水器水箱内的水温，所以选择防水型 DS18B20． 水位传感器的选择方案和论证 方案一： 投入式液位传感器．把传感器探头投入液体中间，利用探头检测到的液体压力来测量出液体的深度．这种方案 的缺点是长时间使用时探头会被腐蚀，不适合长期在水箱中使用． 方案二： 干簧管水位传感器．如图 22所示在一段密封塑料管内分上、中上、中下、下四处放置四个干簧管作为四个检测点．在塑料管外套一个内部有环形磁铁的浮子，当水位变化时浮子也上下滑动，当浮子经过干簧管检测点时会触发其闭合，形成通路，使对应的水位输出级输出低电平，这样便可知道水箱内水位了．本方案干簧管的接触点与大气隔绝，管内有稀有气体，可有效防止水蒸气和尘埃等对其的腐蚀． 太阳能热水器控制器的软硬件设计 7 图 22 干簧管水位传感器示意图 由于方案一的探头易被腐蚀，所以本设计采用方案 二． 太阳能热水器的组成及工作原理简介 在进行太阳能热水器控制器硬件设计之前，先来补充一下太阳能热水器的组成和工作原理，熟悉其基本结构和工作过 程 ． 图 23 太阳能热水器工作原理 如图 23所示太阳能热水器主要由集热管，循环水箱和补给水箱三大部分组成．其中集热管主要用来吸收太阳能热量，加热过的水通过上升水管进入循环水箱．循环水箱中的冷水通过下降水管进入集热管中进行加热．自来水管用来往补给水箱中注水，补给水箱是用来给循环水箱提供冷水的．最终的热水通过热水输出管输出． 江南大学学士学位论文 8 太阳能热水器的最主要器件是集 热管 [5]，在热水器的集热管表面有一特殊涂层，它在太阳发出的可见光波长范围对光有极大的吸收率，吸收的光能转化为热能．而在集热器散热辐射的波长范围下，该涂层对长波的发射率很低，这样又可以保留吸收的太阳能热量，从而逐渐将冷水加热成热水．此外，集热管的结构也十分讲究．它像一根被拉长的热水壶内胆，是由两只玻璃管套合而成，外层是透明的，内层才是涂有光谱选择性的吸收涂层，内外管之间是真空的，可以防止散热．套管下边还有一块反射光板，这样使得玻璃管背光部分也会被照射到．通过这么多精心的设计，使得集热管可以能够最大限度的吸收 光能而且最小限度的散失热量，所以即使在高寒地区，太阳能热水器也可以一年四季都正常使用． 集热管内的水通过吸收太阳能的热量温度上升，由于热水的密度要小于冷水，所以循环水箱中的冷水会通过下降水管进入集热管，而热水会通过上升水管进入循环水箱．循环水箱中的热水通过热水出水管输出时，循环水箱的水位会下降，这时补给水箱中的来自自来水管中的冷水会进入循环水箱，这样保证了冷水也是一直可以提供的．太阳能热水器就是通过这样的水循环原理实现不断将冷水加热成热水的． 这种热水 器 利用循环加热的原理，因此又称循环热水器 ． 太阳能热水器控制器的软硬件设计 9 第 3 章 硬件电路设计 总述 该控制器以单片机核心，结合其他模块来实现温度、水位的控制和显示等功能．系统上电后，会首先初始化和扫描按键，当检测到来自键盘的信号时，单片机会通过控制相应的引脚电平来驱动相应的控制电路．温度传感器 DS18B20 和干簧管水位传感器用来检测实时的温度和当前的水位．当温度过高或水位高出或低于设定值时， 单片机 也会做出的反馈如：停止加热、控制上水等，并会在一定条件下做出相应的警报． LCD 液晶显示模块用来显示当前的温度和水位状况． 硬件系统原理图如图 31所示 ，单片机的 口与温度传感器 DS18B20 的数据线 DQ相连． 和 均连接继电器驱动电路， 连的继电器用来驱动一个电磁阀，以实现水位控制功能． 的继电器驱动一个加热装置用来实现温度控制． 引脚连接警报装置，当水位低于中下且还在加热或者当水温高于 70 摄氏度还在加热的时候，警报装置启动，以防止出现干烧和过烧的情况． ~ 四个引脚分别连接水位传感器的下、中下、中上、上四个水位探针的输出极． ~ 与 1602 显示器的数据线相连， 1602 显示器的使能端接在 单片机的 口，读写控制端分别接 和 ．单片机的 ~ 分别接停止上水开关、上水开关、停止加热开关和加热开关，当按下相应的按键时，单片机对应I/O 口接收到信号再通过程序控制来做出相应的反馈． 图 31 硬件系统原理框图 江南大学学士学位论文 10 温度传感器模块设计 DS18B20 简介 温度传感器是最常用的传感器之一．早期的温度传感器都是模拟传感器，如热敏电阻，随着环境温度的变化，它的阻值也发生线性变化，用处理器采集电阻两端的电压，然后根据特定的公式就可计算当前环境温度．随着科技的进步 ，现代的温度传感器已经走向数字化，并广泛的应用到生产实践的各个领域，为我们生活提供了很大的便利条件．随着现代仪器的发展，微型化、集成化、数字化正在成为传感器的一个重要方向．美国 DALLAS半导体公司推出的数字化温度传感器 DS18B20[4]采用单总线协议，即与单片机接口仅需占用一个 I/O端口，无须任何外部元件，直接将环境温度转化为数字信号，以数字码方式串行输出，从而大大的简化了传感器与单片机的接口联系． DS18B20 只有电源、数据和地线三个引脚，使用起来非常方便． 电路连接如 32 所示． GND 接地线， VCC 接电源．信号输入输出端 DQ 与单片机 引脚相连，并且连有10K 欧的上拉电阻，确保总线空闲时一直处于高电平． 图 32 DS18B20 电路连接 DS18B20 工作原理 硬件电路连接好以后，接下来的问题就是单片机如何将 DS18B20 中的温度数据读取出来．本设计只需要一个温度传感器，就不需要读取 ROM 编码以及匹配 ROM 编码了，只要用跳过 ROM（ CCH）命令，就可以开始进行温度转换和读取的操作 [6]． DS18B20 在出厂时默认配置为 12 位，其中最高位为符号位，即温度值共 11 位，单片机在读取数据 时，一次会读 2 字节共 16 位，读完后将低 11 位的二进制数转化为十进制数后再乘以 边为所测的实际温度值．另外，还需要判断温度的正负．由于温度值只占用了 11 位，所以前五位均为符号位，这五位同时变化．前五位位 1 时，读取的温度为负值，此时测量的数值需要取反加 1 再乘以 才可得得到实际温度值．前五位为 0 时，读取的温度为正值，此时仅需要将测量的数值直接乘以 即为实际温度值．表 32 所示为太阳能热水器控制器的软硬件设计 11 常用的 DS18B20 指令 表 32 常用 DS18B20 指令 读 ROM 33H 读 DS18B20 中的编码 (即 64 位地址 ) 符合 ROM 55H 发出此命令后，接着发出 64 位 ROM 编码，访问单总线上与该编码相对应的 DS18B20,使之作出响应，为下一步对该 DS18B20 的读写作准备 搜索 ROM 0F0H 用于确定挂接在同一总线上 DS18B20 的个数和识别 64位 ROM 地址，为操作各器件作好准备 跳过 ROM 0CCH 忽略 64 位 ROM 地址，直接向 DS18B20V 温度转换命令，适用于单个 DS18B20 工作 告警搜索命令 0ECH 执行后，只有温度超过预设值上限或下限的片子才做出响应 温度转换 44H 启动 DS18B20 进行温度转换，转换时间最长为 500ms(典型为 200ms),结果丰入内部 9 字节 RAM 中 读暂存器 BEH 读内部 RAM 中 9 字节的内容 写暂存器 4EH 发出向内部 RAM 的第 4 字节写上、下温度数据命令，紧该温度命令之后，传达两字节的数据 复制暂存器 48H 将 RAM 中第 4 字内容复制到 E2PROM 中 重调 E2PROM 0B8H 将 E2PROM 中内容恢复到 RAM 中的第 4 字节 读供电方式 0B4H 读 DS18B20 的供电模式，寄生供电时 DS18B20 发送“ 0”，外部供电时 DS18B20 发送“ 1” 水位传感器模块设计 本设计采用干簧管水位传感器． 图 33所示为干簧管 [7]，也称舌簧管，是一种特殊的开关．它内部触点通常由两个软磁性金属簧片构成，两个金属簧片平行放置，并且中间有一部分重叠，如图 34所示．在正常的情况下，它们的是断开的，当外部有磁场作用时，两个簧片会被磁化，然后吸合，形成通路，当磁场撤去时，簧片断开，形成断路．干簧管内部充有惰性气体以保障其簧片的性能．干簧管比一般机械开关结构简单、体积小、速度高、工作寿命长、可靠性高，基于上述优点，干簧管也被广泛的应用到人们的生 产生活中． 图 33 图 34 水位传感器是在一端封闭的一段 PVC 管内，在上、中上、中下、下四个位置分别垂直安装四个干簧管，干簧管的公共端接 +5V 电源，另外四个端分别为水位高、中上、中下、江南大学学士学位论文 12 低的信号输出端． PVC 管外套一个环形磁铁浮漂，当热水器内水位变化时，浮漂会随着液面变化而上下浮动，当带有环形磁铁的浮漂经过管内的干簧管时会吸合相应的干簧管，随即输出相应的水位信号 ．水位输出极的外部连接四个公共端接 +5V 电源的上拉电阻并分别与单片机的 、 、 、 四个引脚相连．当没有水的状态下，单片机四个引脚在上拉电阻的作用下为高电平．水位经过时，干簧管被磁化吸和形成通路，此时单片机对应的引脚为低电平，单片机通过读取对应引脚的逻辑电平来判断水位的高低．此外，水位的高低会最终显示在 1602 液晶显示器上．水位检测部分的原理图如 35 所示： 图 35 水位传感器电路连接与示意图 LCD 显示模块设计 1602 液晶显示器工作原理 液晶是一种高分子材料，因为其特殊的物理、化学、光学特性， 20 世纪中叶开始广泛应用在了显示器上 ． 液晶显示器 的主要原理是用电流车技液晶分子产生点、线、面并配合背部灯光构成画面．各种型号的液晶通常是按照显示字符的行数或液晶点阵的行、列数来命名．本设计中使用的 1602 就是每行显示 16 个字符，一共可以显示两行． 常用的 1602 显示器有 16 个引脚，各引脚的功能如表 33[9]所示： 太阳能热水器控制器的软硬件设计 13 表 33 1602 液晶显示器引脚介绍 编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明 1 VSS 电源地 9 D2 数据 2 VDD 电源正极 10 D3 数据 3 VL 液晶显示偏压 11 D4 数据 4 RS 数据 /命令选择 12 D5 数据 5 R/W 读 /写选择 13 D6 数据 6 E 使能信号 14 D7 数据 7 D0 数据 15 BLA 背光源正极 8 D1 数据 16 BLK 背光源负极 对应各个引脚，有一些常用的指令如表 34[4]所示： 表 34 1602 常用指令 序号 指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 清显示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 光标返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 * 3 置输入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 4 显示开 /关控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 5 光标或字符移位 0 0 0 0 0 1 S/C R/L * * 6 置功能 0 0 0 0 1 DL N F * * 7 置字符发生存贮器地址 0 0 0 1 字符发生存贮器地址 8 置数据存贮器地址 0 0 1 显示数据存贮器地址 9 读忙标志或地址 0 1 BF 计数器地址 10 写数到 CGRAM 或DDRAM） 1 0 要写的数据内容 11 从 CGRAM或 DDRAM读数 1 1 读出的数据内容 1602 液晶模块的读写 操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的．（说明：1 为高电平、 0 为低电平） 指令 1：清显示，指令码 01H,光标复位到地址 00H 位置． 指令 2：光标复位，光标返回到地址 00H． 指令 3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移．高电平表示有效，低电平则无效． 指令 4：显示开关控制． D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪 烁． 指令 5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标． 指令 6：功能设置命令 DL：高电平时为 4 位总线，低电平时为 8 位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示 5x7 的点阵字符。