基于單片機的太陽能熱水器控制器的設(shè)計文檔 附程序與電路圖

隨著社會的進步，人類文明在不斷提高的同時，卻面臨著一個非常嚴峻的問題：世界上的不可再生能源——煤炭、石油、天然氣的存儲量在以極快的速度減少，在不久的將來，這些寶貴的資源將逐漸從地球上消失。與此同時，使用這些能源給我們周圍的環(huán)境帶來了巨大的破壞。藍藻爆發(fā)、臭氧空洞、二噁英事件等環(huán)境問題在不斷的出現(xiàn)，生態(tài)平衡遭到了嚴重的破壞。所以，人類急需發(fā)現(xiàn)更多無污染的可再生資源，在這時，太陽能這個無窮無盡的綠色資源得到了人們的青睞。使用它不僅可以解決能源短缺的問題，而且不用擔心它會消耗盡，只要太陽 升起，人們就可以得到儲量豐富的太陽能；另外，太陽能的使用不會產(chǎn)生CO2等有害氣體，絕對不會對環(huán)境產(chǎn)生任何的污染，有效地緩解了現(xiàn)存的環(huán)境問題。太陽能技術(shù)也因此得到了飛速的發(fā)展，太陽能汽車、太陽能電池、太陽能熱水器等新型產(chǎn)品不斷出現(xiàn)在市場上，其中，以太陽能熱水器發(fā)展的最為廣泛，也得到了大眾的認可。根據(jù)不完全統(tǒng)計，太陽能熱水器的銷售量已遠遠超過了其他種類的熱水器。隨著太陽能技術(shù)的不斷改革，此款熱水器會有一個更廣闊、更長遠的發(fā)展。

太陽能熱水器給人們提供著安全、綠色、節(jié)能的熱水，而且造價比較低廉，在技術(shù)上也比較成熟，因此受到人們的喜愛。在整個太陽能熱水器系統(tǒng)中，除了熱水器本身之外，還有一個系統(tǒng)也起到了及其重要的作用，即控制器。它是用戶與熱水器之間的交流介質(zhì)，通過控制器，可以將熱水器的水位水溫信息及時反饋給用戶，而用戶也可以通過控制器對熱水器進行操作，比如，當熱水器的水箱沒水時，用戶可以選擇自動上水功能來加水，當雨雪天氣時，沒有足夠的熱量來滿足水的溫度，用戶就可以啟動輔助加熱功能，通過加熱棒來加熱水，這樣，無論何時用戶都可以使用到熱水。

太陽能熱水器的銷量一直成增長趨勢，十幾年前，市場的主導還是電加熱型的熱水器，太陽能熱水器寥寥無幾，而如今，幾乎每家每戶都在使用太陽能熱水器，以其廉價、節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)勢占領(lǐng)了絕大部分市場。隨著人們越來越濃厚的環(huán)保意識，對這種綠色的太陽能熱水器的需求會越來越大。但是與之配套的控制器卻一直沒有達到成熟的階段。目前，大多數(shù)控制器只具有簡單的檢測、顯示功能，還需要人為的上水，當水溫達不到滿意的溫度時，用戶束手無策。因此，一個多功能的控制器一旦問世，一定會得到人們的喜愛。這種控制器的市場前景非常廣闊。

這種控制器以單片機為核心器件，單片機的價格低廉、工作穩(wěn)定、設(shè)計簡單，非常適合這種控制器的生產(chǎn)，智能化的單片機還能夠根據(jù)不同的需求作出相應(yīng)的調(diào)整，滿足了不同用戶的多方面需求。另外，單片機系統(tǒng)耗能較少，能夠最大程度的節(jié)約能源，保護設(shè)備，增加設(shè)備的使用壽命。它適用于各個地方的各種需求，且安裝快捷，使用方便，所以它的市場前景廣闊，是目前市面上其他熱水器種類的升級產(chǎn)品�？傊�，無論從價格還是技術(shù)來說，太陽能熱水器及其控制器都具有很大的優(yōu)勢。

    太陽能熱水器的組成很簡單，包括存儲熱水的保溫水箱、用于吸收太陽光能量并把它轉(zhuǎn)換為熱量的集熱器、冷水和熱水循環(huán)流動的水管，再加上幾個閥門，用來控制水的流向。其結(jié)構(gòu)圖如下所示：

圖2-1太陽能熱水器結(jié)構(gòu)原理圖

太陽能熱水器產(chǎn)生熱水的過程也非常簡單，利用冷熱水密度不同的原理就可以完成水循環(huán)，集熱器可以很好的保留太陽光的能量，從而將其轉(zhuǎn)換為水的熱量，當有水從集熱器中流過時，冷水被加熱為熱水，再流向保溫水箱儲存起來，以供用戶隨時使用，直到水溫達到設(shè)定值，循環(huán)閥門關(guān)閉。水循環(huán)過程如下圖所示：

圖2-2太陽能熱水器水循環(huán)原理圖

控制器的核心器件為SST89E58單片機，下圖中T1代表保溫水箱中的溫度傳感器DS18B20，由它負責實時溫度值的檢測，再發(fā)送給單片機進行顯示；T2負責水位的檢測，并完成自動上水功能；F1、F4分別代表冷水閥門和熱水閥門；冷水和熱水分別經(jīng)F2、F3循環(huán)流動，最終存儲在保溫水箱中；電加熱系統(tǒng)負責在雨雪天氣進行加熱，來達到設(shè)定溫度；控制器還應(yīng)有報警功能，當數(shù)據(jù)超過了正常范圍，報警器啟動，提醒用戶。

圖2-3控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

工作原理：

白天集熱器工作時，打開閥門F2、F3，冷水從水箱流向集熱器，經(jīng)過加熱后的熱水經(jīng)F3流向保溫水箱。溫度傳感器T1實時檢測水溫，當溫度達到設(shè)定值時，關(guān)閉閥門F2，F(xiàn)3。用戶使用水時，打開閥門F4。沒有水時，打開閥門F1上水。當陽光不足的陰雨天氣時，水溫達不到設(shè)定值，可以啟動輔助加熱系統(tǒng)。

控制器通過顯示電路能夠及時的反映出熱水器的實時狀態(tài)，包括水的溫度、水箱中剩余的水量，它的輔助加熱系統(tǒng)使人們在陰雨天氣也能夠使用到熱水，報警功能能夠督促人們?nèi)ジ淖儫崴�器的狀態(tài)，使之處于正常的工作范圍�？傊�，控制器為人們使用太陽能熱水器帶來了方便。對本課題進行分析之后，擬出了三個方案，如下所示：

方案一：以FPGA為基礎(chǔ)設(shè)計系統(tǒng)

本方案以VHDL語言和EDA技術(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計了一款太陽能熱水器控制器，該系統(tǒng)的實現(xiàn)基于FPGA,控制器的硬件電路和軟件程序相結(jié)合，完成了對水箱中的水溫、水位等信息的采集和顯示。

方案二：以CPLD為基礎(chǔ)設(shè)計系統(tǒng)

本方案以芯片EPMl270作為核心器件，將控制器的外接電路檢測得到的水溫水位信息進行處理和分析，并從LCD液晶顯示屏上展示給用戶，有效地解決了使用太陽能熱水器過程中遇到的問題。

方案三：以單片機SST89E58為基礎(chǔ)設(shè)計太陽能熱水器控制系統(tǒng)

本方案以SST89E58作為中心環(huán)節(jié)，它與80C51完全兼容，選擇DS18B20為溫度傳感器、8155作為接口芯片，再加上鍵盤、顯示電路，實現(xiàn)了對太能熱水器的水溫水位的檢測和控制�？刂破鬟�有一套輔助加熱的從系統(tǒng)，以繼電器作為啟動從系統(tǒng)的開關(guān)。

通過對以上三個方案的優(yōu)缺點的分析，從實際的可行度，個人的知識掌握情況以及節(jié)約成本考慮，本設(shè)計選用第三種方案。

本設(shè)計的核心器件為SST89E58單片機，由它控制所有的功能完成運行，溫度的檢測需要用到溫度傳感器，這里選用DS18B20，水位的檢測需要用到水位傳感器，為了方便實驗，本設(shè)計中用四個按鍵來模擬不同的水位，不同的按鍵按下會得到相應(yīng)的水位信息，顯示用到數(shù)碼管，并由芯片8155作為接口電路，還需要由蜂鳴器和LED組成的報警電路來實現(xiàn)聲光報警，輔助加熱系統(tǒng)必須要用到繼電器，以此來控制開關(guān)。根據(jù)以上設(shè)計，得到控制系統(tǒng)方框圖如下：

圖3-1 控制系統(tǒng)方框圖

基于單片機設(shè)計的電路簡單，I/O口擴展方便，因此可以外接多個電路，完全滿足了控制器的需求，對單片機的編程也可使用匯編和C語言，編程方便；此外，單片機價格低廉、工作穩(wěn)定、耗能較少，非常適合實驗使用。

單片機是一個集成在芯片上的計算機，SST89E58與80C51完全兼容，編程方便，程序被保存在ROM中，因此具有掉電保存功能，單片機擁有大量的I/O口和外擴I/O口，可以基于單片機設(shè)計很多電路，它的總線結(jié)構(gòu)負責片內(nèi)所有部件的通信，提高了工作過程中的可靠程度。片內(nèi)有256個數(shù)據(jù)存儲空間，絕對能夠滿足控制器的需求。在本設(shè)計中只使用到了單片機的某些引腳，例如外接石英晶體和電容的X1、X2等，單片機引腳圖如下所示：

圖3-2 單片機引腳排列圖

部分引腳功能介紹：

表3-1 芯片引腳介紹      

時鐘電路提供了系統(tǒng)所需要的時鐘信號，控制著單片機的工作節(jié)奏。其電路圖如下所示，圖中X1為石英晶體振蕩器，C1、C2是兩個值為30pF的反饋電容，它們構(gòu)成的外部電路從XTAL1 、XTAL2端輸入，與片內(nèi)的反相器相結(jié)合，產(chǎn)生震蕩脈沖，再經(jīng)過分頻電路，得到需要的時鐘信號，以供單片機使用。本設(shè)計中晶振的頻率為11.0592MHz。

圖3-3 晶振電路

單片機的復位電路用于產(chǎn)生復位信號，并從RST端輸入，當單片機檢測到RST端有超過2個周期的高電平后，系統(tǒng)進行復位，本設(shè)計采用手動復位，如圖3-4所示，當按下圖中的按鍵時，RST電平變高，單片機復位。

圖3-4 手動復位電路

控制器的顯示電路可以顯示水箱中水的剩余量以及水的溫度，使人們及時的了解熱水器的工作狀態(tài)，采用數(shù)碼管與8155的結(jié)合來顯示，這樣便有效的節(jié)省了大量的I/O端口，功耗低，應(yīng)用非常廣泛，且設(shè)計方便，硬件電路也較為簡單。

為了對采集到的水溫和水位的進行顯示，要用到4個數(shù)碼管。其中2個用來顯示水位的高低，另外2個用來顯示實時的水溫。

發(fā)光二極管的縮寫字母是LED，它是能夠?qū)㈦娦盘栟D(zhuǎn)換為光信號的發(fā)光器件。數(shù)碼管就是由多個LED按照數(shù)字8的形狀排列而成的。本設(shè)計中使用的是8段數(shù)碼管，其發(fā)光二極管的排列形狀如圖3-5（a）。

圖3-5 8段LED顯示器

在使用過程中，為了給發(fā)光二極管提供電壓使其發(fā)光，會把8個二極管的一端相連，給予高電平或是接地，連接方式有以下2種：

?共陽極。此方法給8個發(fā)光二極管的陽極端提供高電平，如圖3-5（b)所示，另一端提供低電平的二極管會被點亮，否則滅。

?共陰極。此方法將8個發(fā)光二極管的陰極端接地，如圖3-5（c)所示，另一端提供高電平的二極管會被點亮，否則滅。

本設(shè)計中用到的是共陰極接法，所以給陽極引腳加上高電平二極管就會發(fā)光。

本設(shè)計中用8155作4位數(shù)碼管的接口芯片。如圖3-6所示，其中PA口為位碼輸出口，PA4～PA7為輸出位控線，由于8155的高電平輸出電流很小，數(shù)碼管會很暗，所以在每個數(shù)碼管的位控線上要加入一個三極管來放大電流。PB口控制段碼的輸出值。

                       圖3-6 顯示電路

    使用8155作數(shù)碼管的接口芯片時，8155只能輸出顯示的段碼，而不能夠控制輸出的內(nèi)容，動態(tài)控制的實現(xiàn)要依靠軟件程序。在程序設(shè)計的時候，需要設(shè)置一個顯示緩沖區(qū)，將要顯示的數(shù)值存放到這個區(qū)域，本設(shè)計中用到4個數(shù)碼管，因此設(shè)置了4個單元，地址為30H～33H。在每一個數(shù)碼管被點亮之后，應(yīng)加一段延時程序，以保證該數(shù)碼管有足夠的顯示亮度。

溫度檢測電路可以實時的反映出當前的水溫，選擇DS18B20主要由于其硬件電路簡單，只需一條數(shù)據(jù)線與單片機相連即可，成本較低，誤差小，非常適用于熱水器溫度的檢測。

DS18B20的主要特征如下表所示：

表3-2 DS18B20的主要特征

DS18B20芯片封裝結(jié)構(gòu)：

圖3-7 DS18B20芯片封裝

DS18B20引腳功能：

·引腳1：GND 電壓地   ·引腳2：DQ 單數(shù)據(jù)總線   ·引腳3：VDD 電源電壓

DS18B20的工作原理：

DS18B20一個芯片即可完成溫度的檢測和數(shù)字數(shù)據(jù)的輸出， 增強了其抗干擾能力。它的一個工作周期可分為溫度檢測和數(shù)據(jù)處理這兩個部分。18B20共有三種存儲器，它們分別是：ROM 、RAM 和EEPROM。

控制器對18B20操作流程：

在DS18B20工作之前，先要進行一段時間的復位。復位結(jié)束后，單片機給出高電平，以便接收一個存在脈沖。至此，單片機和18B20達成了基本的通信協(xié)議，接下來將完成兩者間的數(shù)據(jù)通信。之后控制器發(fā)送ROM指令，一共有5條指令，由5個工作周期完成，當單片機只外接一個DS18B20時，可以跳過ROM指令，在本設(shè)計中就跳過了ROM指令。接下來控制器發(fā)送存儲器操作指令，該指令包括寫RAM數(shù)據(jù)、讀RAM數(shù)據(jù)、將RAM數(shù)據(jù)復制到EEPROM、溫度轉(zhuǎn)換、將EEPROM中的報警值復制到RAM、工作方式切換。當存儲器操作指令結(jié)束后，將執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換指令或讀數(shù)據(jù)指令。

若要讀出實時的水溫數(shù)據(jù)則需要執(zhí)行兩個工作周期，第一個周期為復位、跳過ROM指令、執(zhí)行溫度轉(zhuǎn)換存儲器操作指令、等待500uS溫度轉(zhuǎn)換時間。接下來執(zhí)行第二個周期，為復位、跳過ROM指令、執(zhí)行讀RAM的存儲器操作指令、讀數(shù)據(jù)。至此，DS18B20的工作完成，之后單片機便可以對數(shù)據(jù)做相應(yīng)的處理。

單片機和溫度傳感器的電路圖：

圖3-8 溫度檢測電路

如上圖所示，DS18B20的數(shù)據(jù)端口與單片機的P1.0相連，硬件電路非常簡單，溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后會送到數(shù)碼管顯示。

蓄水箱的水位也是控制器需要檢測的一個重要數(shù)據(jù)，最好是采用連續(xù)液位傳感器，這樣測得的數(shù)據(jù)可以準確的反映出蓄水箱的真實水位，但是為了簡化實驗，本設(shè)計采用分段式液位傳感器，并用四個按鍵來代替水位。由于單片機實驗板上獨立按鍵個數(shù)有限，這里采用矩陣鍵盤中的部分按鍵來設(shè)計電路。KEY1按下代表水位為0%，KEY5按下代表水位為30%，KEY9按下代表水位為60%，KEY13按下代表水位為90%。鍵盤上有行線和列線之分，本矩陣電路有4條列線4條行線。在行線和列線的交點處放置了一個按鍵，由于行線和列線分別連接著按鍵的不同端，當按鈕沒有被按下時，行線和列線是不相通的。當有按鍵按下時，對應(yīng)的行線變?yōu)榈碗娖健＿@樣就能采集到是哪個鍵按下。矩陣鍵盤原理圖如下：

圖3-9 矩陣鍵盤電路

    將圖中P2.0～P2.4連接到單片機后，在軟件編程時，只需將P2.4清0，水位檢測電路就完成了，當按鍵1按下時，數(shù)碼管會顯示00，當按鍵5按下時，數(shù)碼管會顯示30，當按鍵9按下時，數(shù)碼管會顯示60，當按鍵13按下時，數(shù)碼管會顯示90。

當蓄水箱沒水時，希望通過一個按鍵的控制來實現(xiàn)自動上水。在實際應(yīng)用中，應(yīng)用一個按鍵來控制電磁閥的開閉，以調(diào)整水位的多少，而在實驗中，電磁閥的開閉難以實現(xiàn)，只能通過數(shù)碼管顯示水位來假設(shè)水位的上升。在軟件設(shè)計時，需要用到外部中斷1，并由INT1引腳引入中斷請求。當芯片檢測到有中斷信號時，進入中斷程序，數(shù)碼管自動顯示為“00→30→60→90”，然后退出中斷，返回到主程序，自動上水功能至此完成。

溫度的設(shè)定是利用單片機的計數(shù)中斷功能，按鍵按下，進入相應(yīng)的中斷，溫度值相應(yīng)改變。聲光報警電路利用LED燈和蜂鳴器的組合，成本低廉，設(shè)計方便，電路簡單。

在太陽能熱水器控制器使用過程中，用戶會根據(jù)自身需求設(shè)定一個溫度值，當處于加熱狀態(tài)時，達到這個溫度就會停止加熱，溫度不再上升。溫度設(shè)定需要用到2個定時器中斷，分別用來完成溫度的加1和溫度的減1。這樣用戶就可以根據(jù)實際需求來設(shè)定0～99中的任意一個數(shù)。

將4個定時器TL0、TH0、TL1、TH1的初始值設(shè)置為FFH，這樣，當有按鍵按下時，相當于從T0或T1中輸入了脈沖，對應(yīng)的定時器的值加1，進入中斷服務(wù)程序，完成中斷工作后，返回到主程序。在軟件設(shè)計時，只需將定時器方式選擇寄存器(TMOD)中的C/設(shè)置為1即表示在計數(shù)工作方式，計數(shù)脈沖由2個按鍵負責提供。那么當采集到一個按鍵按下時就會進入相應(yīng)的中斷，對溫度值進行加減。

當水溫、水位過高或過低時，系統(tǒng)應(yīng)該發(fā)出警告信號來提醒用戶，考慮到自然水本身溫度只有幾度，如果設(shè)置低溫報警，那么一上水系統(tǒng)就會報警，這是不希望出現(xiàn)的狀況，所以本設(shè)計只設(shè)置一個高溫報警值，這個值可以由用戶隨意設(shè)定。水位報警值分別為沒水時的00%和溢水時的90%。在控制器的工作過程中，單片機會不斷的將實時水溫和水位與報警設(shè)定值進行比較，一旦到達這個值，報警燈會啟動，蜂鳴器響，當實時數(shù)據(jù)下降到正常范圍內(nèi)，報警燈會滅掉，蜂鳴器不響。此部分電路設(shè)計非常簡單，只需由P1.1和P1.2引腳分別控制一個蜂鳴器和1個LED燈，當需要報警時，將對應(yīng)的引腳設(shè)置成需要的值即可。報警電路圖如下所示：

圖3-10 報警電路圖

輔助加熱由繼電器來控制，繼電器是一種很好的控制開關(guān)，價格低，控制方便，配合一個LED燈來模擬加熱過程，使電路簡單易行。

當天氣晴朗時，陽光很充足，熱水器水箱中的水能夠被加熱到滿意溫度，但是當雨雪天氣，集熱器吸收的能量無法使溫度達到設(shè)定值，所以控制器還需要一套輔助加熱系統(tǒng)，當水溫滿足不了用戶的需求時，可以通過按鍵開啟加熱系統(tǒng)，水箱中的加熱棒便開始發(fā)熱工作，當水被加熱到設(shè)定值時，加熱系統(tǒng)自動關(guān)閉。

本設(shè)計中使用的繼電器的型號是SRD-05VDC-SL-C。電磁繼電器一般由銜鐵、線圈、鐵芯、觸點簧片等幾部分組成。當給繼電器兩端加上一個電壓時，電磁效應(yīng)就此產(chǎn)生，開關(guān)打到常開觸點。當線圈斷電后，電磁的吸力也隨之消失，開關(guān)打到常閉觸點。

輔助加熱的電路圖如下所示：

在仿真時，由于軟件中沒有SRD-05VDC-SL-C型號的繼電器，所以用G2R-14-AC120型號的繼電器代替，兩者的工作原理相似。

圖3-11 輔助加熱電路圖

輔助加熱功能由外部中斷0實現(xiàn)，當采集到按鍵按下時，進入中斷。當輔助加熱時，單片機的P2.6口輸出的是高電平，三極管導通，開關(guān)打到常開狀態(tài)，發(fā)光二極管被點亮，當不需要輔助加熱時，P2.6口輸出的是低電平，三極管未導通，開關(guān)在常閉狀態(tài)，發(fā)光二極管不亮。圖中的D1為一個續(xù)流二極管，當線圈突然斷電后，電流不會立刻消失，剩余的能量會損壞線圈，為了防止這種現(xiàn)象發(fā)生，用一個二極管構(gòu)成一個回路，使能量慢慢釋放完，保護了線圈，增加了它的壽命。

當蓄水箱中沒水時，是嚴禁啟動輔助加熱的，否則加熱器會燒壞。在軟件設(shè)計的時候，當進入輔助加熱中斷后，應(yīng)先判斷是否有水，即33H中的值是否為0，當為0時，跳出中斷，不對P2.6的狀態(tài)做任何改變，當不為0時，P2.6輸出高電平，即開啟輔助加熱系統(tǒng)。

控制器的功能比較多，代碼也有幾百行，為了方便修改和設(shè)計，這里采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括主程序、溫度檢測子程序、水位檢測子程序、報警子程序、顯示子程序以及4個中斷程序：輔助加熱子程序、自動上水子程序和溫度設(shè)定子程序。由主程序調(diào)用不同的子程序來實現(xiàn)控制器的所有功能。

在編寫系統(tǒng)初始化程序時需要注意以下幾點：

?設(shè)置4個單元的顯示緩沖區(qū)30H～33H，數(shù)碼管顯示的數(shù)字存放在這里。

?在50H、51H中存放溫度設(shè)定的初始值。

?程序會使用到中斷，所以在初始化時必須對與中斷相關(guān)的寄存器進行一些設(shè)置。

主程序流程圖如下所示：

圖4-1 主程序流程圖

將采集到的溫度值轉(zhuǎn)換成數(shù)字數(shù)據(jù)后送到單片機進行處理，得到一個3位數(shù)的值，由于實際生活中顯示的溫度只需要2位就可以滿足，這里放棄了百位值的顯示，處理后的數(shù)據(jù)送到33H、32H保存并通過數(shù)碼管顯示。

4個按鍵的一端分別接到P2口的4個引腳，當按鍵按下時，對應(yīng)的引腳電平變低。判斷出哪個按鍵按下后數(shù)碼管會顯示出對應(yīng)的值。流程圖如下所示：

圖4-2 水位檢測流程圖

將檢測到的水溫、水位與報警值進行比較，當超出范圍時，報警燈亮，當又回到正常范圍內(nèi)時，報警燈暗。報警子程序流程圖如下所示：

圖4-3 報警流程圖

當采集到水溫水位的數(shù)據(jù)后，被保存在30H～33H中，然后調(diào)用顯示子程序，在每個時間點被點亮的數(shù)碼管只有一個，但是時間間隔太短，人眼無法分辨出，所以平時看到的都是4個數(shù)碼管同時亮著。

輔助加熱功能由外部中斷0實現(xiàn)，當采集到按鍵按下時，進入中斷。進入中斷后首先判斷是否有水，沒水就退出，不需要加熱；如果有水，開啟加熱，當加熱到設(shè)定值后，停止加熱。輔助加熱流程圖如下：

圖4-4 輔助加熱流程圖

自動上水功能需要用到外部中斷1，當檢測到相應(yīng)按鍵按下時，進入中斷，然后控制數(shù)碼管從00到30到60到90的顯示，完成后退出中斷。

溫度設(shè)定需要用到2個定時器中斷，定時器中斷0用來完成溫度加1度，定時器中1用來完成溫度減1度。當進入溫度加1中斷后，判斷當前值的個位是否為9，若為9，則十位加1，個位清0；若不為9，則INC 50H即可。調(diào)用顯示后返回主程序。當進入溫度減1中斷后，判斷當前值的個位是否為0，若為0，則十位減1，個位變?yōu)?；若不為0，則DEC 50H即可。調(diào)用顯示后返回主程序。

程序編譯的目的是為了檢測編寫的程序是否成功，或找出其中錯誤，以便更好的改善，保證能夠正確的實現(xiàn)系統(tǒng)的軟件功能。本設(shè)計用的開發(fā)工具是KeilC,并使用匯編語言進行編程，程序編譯后的結(jié)果如下圖所示：

                    

圖5-1 編譯后的結(jié)果

程序編譯正確之后，即可用仿真電路圖進行調(diào)試。仿真電路圖如下所示，由于矩陣鍵盤的效果與獨立按鍵的效果一樣，為了方便仿真，在此仿真時用獨立按鍵代替矩陣鍵盤，并用80C51代替SST89E58進行仿真：

圖5-2 仿真電路圖

點擊開始按鈕，程序開始運行，以下選取幾種仿真結(jié)果：

• 當按鍵2按下時，代表此時水位為30%，改變DS18B20的值，使之為22。
  

數(shù)碼管顯示應(yīng)為3022，如下所示：

圖5-3 仿真結(jié)果顯示

（2）當按鍵3按下時，代表水位為60%，改變DS18B20的值，使之為40。數(shù)碼管顯示應(yīng)為6040，如下所示：

圖5-4 仿真結(jié)果顯示

（3）當按鍵4按下時，代表水位為90%，達到報警值，此時不管溫度值為多少，系統(tǒng)都會報警，蜂鳴器會響，LED燈D1亮，如下所示：

圖5-5 仿真結(jié)果顯示

• 當水溫達不到設(shè)定值時，開啟輔助加熱系統(tǒng)，按下按鍵5，繼電器打到常開狀態(tài)，LED燈D3亮，代表正在加熱，如下圖所示：
  

圖5-6 仿真結(jié)果顯示

• 當按鍵6按下時，代表正在自動上水，數(shù)碼管顯示00-30-60-90，每個數(shù)字停留顯示幾秒，如下所示：
  

圖5-7 仿真結(jié)果顯示

（6）當按鍵7按下時，溫度的設(shè)定值加1，由25變?yōu)?6，如下所示：

→→

圖5-8 仿真結(jié)果顯示

• 當按鍵8按下時，溫度的設(shè)定值減1，由25變?yōu)?4，如下所示：
  

→→

圖5-9 仿真結(jié)果顯示

硬件實物圖如下所示：

圖5-10 硬件實物圖

提供外部電源后硬件便開始工作，這里選取幾種結(jié)果演示：

• 當KEY9按下時，代表水位為30%，此時水溫為23，則數(shù)碼管顯示結(jié)果為：
  

圖5-11硬件結(jié)果顯示

（2）當KEY5按下時，代表水位為60%，此時水溫為30，則數(shù)碼管顯示結(jié)果為：

圖5-12硬件結(jié)果顯示

（3）當KEY1按下時，代表水位為90%，此時達到報警值，不管水溫為多少，系統(tǒng)都會報警，蜂鳴器響，LED燈被點亮，結(jié)果如下所示：

圖5-13硬件結(jié)果顯示

• 當KEY17按下時，單片機檢測到計數(shù)脈沖，進入定時器中斷0，用戶自己設(shè)置的溫度值加1，結(jié)果如下圖所示：
  

→

圖5-14 硬件結(jié)果顯示

• 當KEY18按下時，單片機檢測到計數(shù)脈沖，進入定時器中斷1，用戶自己設(shè)置的溫度值減1，結(jié)果如下圖所示：
  

→

圖5-15 硬件結(jié)果顯示

• 一開始由于將溫度傳感器的正負極接反了，導致不管檢測到什么溫度，數(shù)碼管顯示的都是0，一直修改程序也沒有什么作用，仔細的研究了DS18B20的引腳說明后才發(fā)現(xiàn)問題的所在，重新焊接了之后，問題得到了解決。
• 在處理溫度設(shè)置的中斷子程序方面，由于先前沒有考慮到保護現(xiàn)場的問題，導致退出中斷后改變了原先的數(shù)值，經(jīng)過改善后，在剛跳轉(zhuǎn)進入中斷子程序的時候就加上PUSH 語句，在中斷最后加上POP語句，就很好的阻止了沖突，實現(xiàn)了中斷。
• 起初的設(shè)計中水位檢測電路是選擇的電極式水位傳感器，其工作原理是：根據(jù)水位的不同，傳感器輸出的電阻就會不同，水位越高，電阻越小，將這個電阻值接入AD轉(zhuǎn)換芯片，經(jīng)過處理后得到數(shù)字信號，傳輸給單片機進行顯示，但實際設(shè)計過程中，一直沒能處理好芯片TLC1549的工作時序，導致程序頻頻出錯，至此還沒有得到解決的方法，所以只能選擇用按鍵來模擬水位。
  

通過設(shè)計之前所學的知識都得到了廣泛的應(yīng)用，加深了理論與實際的聯(lián)系。提高了本人的動手能力，自己的創(chuàng)新意識也得到了培養(yǎng)，使自己對單片機的了解更加的全面了。一開始接觸這個課題的時候，完全沒有思路，雖然很熟悉太陽能熱水器，控制器的功能也理解，但要自己動手用軟件和硬件來實現(xiàn)，卻無從下手。從網(wǎng)上找了很多資料，也借鑒了其他人設(shè)計的控制器，在一番深入的了解之后終于得到了一個初步的設(shè)計思路，并在之后的代碼編寫和硬件焊接過程中，不斷的完善，最終完成了本次設(shè)計。

在這次設(shè)計中，接觸到了溫度傳感器，這款芯片是本人從來沒有使用過的，雖然它與單片機的連接非常簡單，但是硬件的簡化導致了軟件的開銷，所以在軟件編程時，溫度檢測這一模塊的代碼困擾了本人很久，查了很多資料，對傳感器的工作原理也了解了很多，可是編寫的代碼始終不能運行，經(jīng)過了三周左右的努力，終于發(fā)現(xiàn)了代碼中的錯誤，原因是因為沒有給復位足夠的時間導致18B20不能工作，修改后成功的將溫度檢測模塊編寫完成。設(shè)計中另外一個難點是溫度設(shè)定中斷代碼的編寫，在一開始的設(shè)計思路中，進入中斷后沒有PUSH、POP的內(nèi)容，在中斷子程序中修改溫度后回到主程序時發(fā)生了沖突，意識到這一點后修改了代碼，完成了中斷子程序的編寫。至于其他模塊的代碼編寫比較簡單，過程中并未遇到什么挫折。

硬件電路的焊接也不是非常順利，設(shè)計初的報警電路是由LED燈和蜂鳴器組成的，但是在下程序的過程中不小心把蜂鳴器弄壞了，所以在耽擱了一周之后才完成。本次硬件電路是基于之前課程設(shè)計中用過的單片機實驗板，因此布局布線比較簡單，這為硬件的搭建省了很多事，也為此次設(shè)計提供了很多方便。

三個多月的時間很快就過去了，在這段時間里，本人各方面的能力都得到了提升，總之，這次設(shè)計讓本人學到了很多。

經(jīng)過幾個月的努力，本人的設(shè)計已經(jīng)完成�；叵脒@幾個月的學習，從開題到論文的順利完成，得到了老師和同學們的很多幫助。

首先要感謝本人的指導老師，在設(shè)計的過程中，從選題，設(shè)計方案，論文修改直至成稿一直給予了很多的指導和幫助，同時也提供了相關(guān)的參考資料，為本人解答疑惑，提供了很多關(guān)鍵性的建議。她嚴謹細致，一絲不茍的作風一直是本人學習、工作中的榜樣，他循循善誘的教導和不拘一格的思路給本人無盡的啟迪。

還有本人的室友和很多同學也給了很多的幫助，他們給予鼓勵與意見，讓本人度過了這段艱辛的時期。特別要感謝寢室的同學們，一直以來都在鼓勵本人，在做仿真時一直都在幫助本人，如果沒有她們的熱心幫忙，此次設(shè)計的完成將變得非常困難。

對于這次設(shè)計中給予本人幫助的老師和同學致以感謝！

附錄
附錄1：程序
GE_BIT   EQU 40H
SHI_BIT  EQU 41H
DI_8BIT  EQU 43H
GAO_8BIT EQU 44H
DQ       EQU P1.0                                ;溫度傳感器I/O口
            
              ORG                0000H
    LJMP              MAIN
    ORG              0003H
              LJMP              HEAT       ;輔助加熱               
    ORG 000BH                                                                                   
    LJMP  PLUS       ;溫度加1
              ORG              0013H
              LJMP              RISE     ;自動加水                              
    ORG 001BH                             
              LJMP MINUS                     ;溫度減1

              ORG              0020H
MAIN:MOV SP,#60H            
              MOV              30H,#0                            ;30H-33H顯示緩沖區(qū)
              MOV              31H,#0
              MOV              32H,#0
              MOV              33H,#0            
              MOV 50H,#5                               ;存放溫度設(shè)定值
              MOV 51H,#2
                MOV DPTR,#07100H                            ;選中8155
                MOV A,#3H
                 MOVX @DPTR,A
    MOV              IP,#0FH                                                        ;中斷優(yōu)先級
              MOV              TCON,#05H          ;外部中斷脈沖觸發(fā)有效
              MOV              IE,#8FH                                                        ;中斷總允許，允許定時器和外部中斷
              MOV              TMOD,#55H                                          ;接通外部技術(shù)引腳T0T1
              MOV TH0,#0FFH
              MOV TL0,#0FFH
              MOV              TH1,#0FFH
              MOV              TL1,#0FFH
    SETB TR0                                                          ;啟動定時器
    SETB TR1
                 CLR P2.4
              CLR P2.6

TURN:
              LCALL WATER
              LCALL ZHUANHUAN ;調(diào)用讀溫度子程序
              LCALL DISPLAY
              LCALL WARN                            ;水溫水位報警
              AJMP TURN

WATER:                              ;水位按鍵判斷
      JNB P2.3 ,LOOP5
                JNB P2.2,LOOP4
                JNB P2.1,LOOP3
                JNB P2.0,LOOP2            
                LCALL DISP
                RET

LOOP2:MOV 32H,#0
      MOV 33H,#0
                LCALL DISP
                RET
LOOP3:MOV  32H,#0
      MOV 33H,#3
                LCALL DISP
                RET
LOOP4:MOV 32H,#0
      MOV 33H,#6
                LCALL DISP
                RET
LOOP5:MOV 32H,#0
      MOV 33H,#9
                LCALL DISP            
                RET

WARN:MOV A,51H                                                           ;水溫報警
     SWAP A
     ORL  A,50H                           
     MOV 52H,A                                                                      ;50H和51H 合并
     MOV A,31H
     SWAP A                                                                      ;30H和51H合并
     ORL A,30H
     CJNE A,52H,PD                                                        ;檢測到的溫度與設(shè)定溫度比較
     CLR P2.6
     CLR P1.2
              SETB P1.1
     LJMP EXIT
  PD:JC BBB                                                           ;溫度<設(shè)定值則 跳到BBB
     CLR P2.6
     CLR P1.2
              SETB P1.1
     SJMP EXIT
BBB:LCALL WARNING
EXIT:RET
                              
WARNING:MOV A,#0                                                        ;水位報警
     CJNE A,33H,PD1                                                        ;沒水時報警
     CLR P1.2
              SETB P1.1
     AJMP OUT1
PD1:MOV A,#9
     CJNE A,33H,BB                                          ;水滿時報警
     CLR P1.2
              SETB P1.1
     AJMP OUT1
  BB:SETB P1.2
     CLR P1.1
OUT1:RET               

/*4個中斷*/
PLUS:        ;溫度加1中斷
    PUSH 30H
    PUSH 31H
    MOV              TH0,#0FFH
    MOV              TL0,#0FFH
    MOV A,50H
              CJNE A,#9,CC
              MOV 50H,#0
              INC 51H
              AJMP CC1
              CC:INC 50H
  CC1:
              MOV 30H,50H
    MOV 31H,51H
              MOV R1,#07FH
CFU:LCALL DISP1                                             ;將設(shè)定值顯示一段時間
    DJNZ R1,CFU
              POP 30H
    POP 31H
  RETI
MINUS:      ;溫度減1中斷
    PUSH 30H
    PUSH 31H
    MOV              TH1,#0FFH
              MOV              TL1,#0FFH
    MOV A,50H
              CJNE A,#0,CC2
              MOV 50H,#9
              DEC 51H
              AJMP CC3
              CC2:DEC 50H
  CC3:
              MOV 30H,50H
    MOV 31H,51H
              MOV R1,#07FH
CFU1:LCALL DISP1
    DJNZ R1,CFU1
              POP 30H
    POP 31H
  RETI                                                                     

HEAT:      ;輔助加熱中斷
    MOV A,33H
              JZ OUT                                                        ;沒水時不能打開繼電器，JZ累加器判0轉(zhuǎn)移
    SETB P2.6            
OUT:RETI                                                      

RISE: MOV 32H,#0    ;自動上水
      MOV 33H,#0
      MOV R1,#0FFH
CFU2:LCALL DISP
      DJNZ R1,CFU2
                MOV 33H,#3
              MOV R1,#0FFH
CFU3:LCALL DISP
      DJNZ R1,CFU3
                MOV 33H,#6
                MOV R1,#0FFH
CFU4:LCALL DISP
      DJNZ R1,CFU4
                MOV 33H,#9
                MOV R1,#0FFH
CFU5:LCALL DISP
      DJNZ R1,CFU5
   RETI                                                      
/***顯示程序***/            
DISP:               
              MOV              A,#40H                            ;水位顯示子程序
              MOV              DPTR,#07101H
              MOVX              @DPTR,A
              MOV              A,32H
              MOV              DPTR,#TABLE
              MOVC              A,@A+DPTR
              MOV              DPTR,#07102H
              MOVX              @DPTR,A
              LCALL              DELAY00

              MOV              A,#80H
              MOV              DPTR,#07101H
              MOVX              @DPTR,A
              MOV              A,33H
              MOV              DPTR,#TABLE            
              MOVC              A,@A+DPTR
              MOV              DPTR,#07102H
              MOVX              @DPTR,A
              LCALL              DELAY
   RET

DISP1:
              MOV              A,#10H    ;溫度顯示子程序
              MOV              DPTR,#07101H
              MOVX              @DPTR,A
              MOV              A,30H
              MOV              DPTR,#TABLE
              MOVC              A,@A+DPTR
              MOV              DPTR,#07102H
              MOVX              @DPTR,A
              LCALL              DELAY00

              MOV              A,#20H
              MOV              DPTR,#07101H
              MOVX              @DPTR,A
              MOV              A,31H
              MOV              DPTR,#TABLE
              MOVC              A,@A+DPTR
              MOV              DPTR,#07102H
              MOVX              @DPTR,A
              LCALL              DELAY
              RET
  /*---------------------延時子程序--------------------                */
DELAY:              MOV R5,#0FH                           
DELAY4:              MOV R4,#0FH
DELAY5:              DJNZ R4,DELAY5
                            DJNZ R5,DELAY4
                  RET
DELAY00:MOV R6,#0AH                           
DELAY8:              MOV R7,#0AFH
DELAY9:              DJNZ R7,DELAY9
                            DJNZ R6,DELAY8
                            RET
               
;這是DS18B20復位初始化子程序
INIT_1820:
     SETB DQ
     NOP
     CLR DQ ;主機發(fā)出延時537微秒的復位低脈沖
     MOV R1,#3
DU_1:
     MOV R0,#107
     DJNZ R0,$
     DJNZ R1,DU_1
     SETB DQ ;然后拉高數(shù)據(jù)線
     NOP
     NOP
     NOP
     MOV R0,#25H
DU_2:JNB DQ,DU_3 ;等待DS18B20回應(yīng)
     DJNZ R0,DU_2
     LJMP DU_4 ;延時
DU_3:SETB F0   ;置標志位,表示DS1820存在
     LJMP DU_5
DU_4:CLR F0   ;清標志位
     LJMP DU_7
DU_5:MOV R0,#117
DU_6:DJNZ R0,DU_6
DU_7:SETB DQ
     RET
;-------------------------------------------------
;寫DS18B20的子程序
WRITE_1820:MOV R2,#8
    CLR C
WR1:CLR DQ
    MOV R3,#6
    DJNZ R3,$
    RRC A
    MOV DQ,C
    MOV R3,#23
    DJNZ R3,$
    SETB DQ
    NOP
    DJNZ R2,WR1
    SETB DQ
    RET

;-------------------------------------------------
;讀DS18B20的子程序,
READ_1820:MOV R4,#2     
    MOV R1,#DI_8BIT ;低位存入DI_8BIT,高位存入GAO_8BIT
RE0:MOV R2,#8           
RE1:CLR C
    SETB DQ
    NOP
    NOP
    CLR DQ
    NOP
    NOP
    NOP
    SETB DQ
    MOV R3,#9
RE2:DJNZ R3,RE2
    MOV C,DQ
   MOV R3,#23
RE3:DJNZ R3,RE3
    RRC A
    DJNZ R2,RE1
    MOV @R1,A
    INC R1
    DJNZ R4,RE0
    RET   
;-------------------------------------------------
;讀出后轉(zhuǎn)換的溫度值
ZHUANHUAN:
    LCALL INIT_1820 ;先復位DS18B20
    JB F0,ZH1
    RET
ZH1:MOV A,#0CCH
    LCALL WRITE_1820
    MOV A,#44H
    LCALL WRITE_1820
    LCALL DISPLAY ;等待AD轉(zhuǎn)換結(jié)束,12位的話750微秒
    LCALL INIT_1820
    MOV A,#0CCH ;跳過ROM匹配
    LCALL WRITE_1820
    MOV A,#0BEH ;發(fā)出讀溫度命令
    LCALL WRITE_1820
    LCALL READ_1820
;CHULI
    MOV A,GAO_8BIT
    MOV A,DI_8BIT
    MOV  B,#16
    DIV  AB
    MOV 35H,A ;將DI_8BIT的高四位右移四位,存入35H中（溫度值）
    MOV A,B ;將TEMPER_L的低四位X10/16得小數(shù)后一位數(shù).
    MOV B,#10
    MUL AB
    MOV B,#16
    DIV AB
    MOV 36H,A ;將小數(shù)后一位數(shù).存入36H中
    MOV A,GAO_8BIT ;TEMPER_H中存放高8位數(shù),權(quán)重16
    MOV B,#16
    MUL AB
    ADD A,35H ;35H中存入溫度值的整數(shù)部分
    MOV B,#10
    DIV AB
    MOV GE_BIT,B ;個位存入40H中
    MOV B,#10 ;
    DIV AB ;
    MOV SHI_BIT,B ;十位存入41H中
    RET  
;-------------------------------------------------
DISPLAY:
   MOV A,SHI_BIT   //顯示溫度十位
   MOV 31H,A
   MOV A,GE_BIT   //顯示溫度個位
   MOV 30H,A
   LCALL DISP1
   RET  

/*************** 段碼緩沖區(qū) **********************************/
TABLE:  DB 0fcH,60H,0daH,0f2H,66H,0b6H,0beH,0e0H,0feH,0f6H
End

單片機的太陽能熱水器控制器的設(shè)計論文.doc (16.57 MB, 下載次數(shù): 158)

2018-11-1 13:31 上傳

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