單片機控制的太陽能溫度系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u322421.1單片機最小系統(tǒng)電路 2266881.1.1時鐘電路 3167431.1.2復(fù)位電路 3211021.2溫度檢測電路 3235111.2.1DS18B20簡介 352051.2.2DS18B20測溫電路 536151.3液位檢測電路 647751.1.1液位測量原理 6236261.1.2液位檢測電路 7130211.4顯示電路 8105331.2.1LCD1602簡介 8232891.2.2LCD1602顯示電路 8162291.5按鍵電路 9155111.6聲光報警電路 10156301.7繼電器驅(qū)動電路 11115772系統(tǒng)軟件設(shè)計 13150942.1軟件介紹 1377262.2軟件設(shè)計任務(wù)與要求 1665672.2.1主程序設(shè)計 1662852.2.2溫度檢測子程序設(shè)計 19260782.2.3加熱子程序設(shè)計 2015512.2.3上水子程序設(shè)計 2167822.2.4顯示子程序設(shè)計 221系統(tǒng)硬件電路設(shè)計1.1單片機最小系統(tǒng)電路單片機最小系統(tǒng)包括單片機及其所需的必要的電源、時鐘、復(fù)位等部件，能使單片機始終處于正常的運行狀態(tài)，是使單片機能運行的必要條件。使用時，最小系統(tǒng)為控制系統(tǒng)的核心，通過對單片機引腳的連接可實現(xiàn)對外部電路的擴展，以實現(xiàn)更加復(fù)雜的功能。最小系統(tǒng)電路如圖3-1所示。圖3-1單片機最小系統(tǒng)電路1.1.1時鐘電路時鐘電路用來產(chǎn)生時鐘信號供單片機工作。在單片機的XTAL1和XTAL2引腳之間增加一個晶振電路，單片機就可以得到時鐘信號。簡單的說時鐘電路就是一個振蕩器，給單片機提供一個節(jié)拍，單片機執(zhí)行各種操作必須在這個節(jié)拍的控制下才能進行，沒有時鐘電路的單片機無法正常工作。而且晶振頻率越高，單片機運行速度越快，但功耗和噪聲也會增大，應(yīng)當合理設(shè)計時鐘電路。在本設(shè)計中，單片機的時鐘頻率設(shè)置為12MHz。此外，本設(shè)計的定時預(yù)約加熱功能是基于時鐘電路實現(xiàn)的。1.1.2復(fù)位電路復(fù)位電路在系統(tǒng)上電或運行過程中對單片機進行初始化操作，使單片機或系統(tǒng)中的其他部件處于某種確定的初始狀態(tài)。AT89C51的上電復(fù)位電路只要在RST復(fù)位輸入引腳上接一電容至VCC端，下接一個電阻到地即可，當RST加高電平復(fù)位信號時，單片機內(nèi)部執(zhí)行復(fù)位操作，復(fù)位信號變低電平時，單片機開始執(zhí)行程序。單片機的復(fù)位引腳設(shè)置有相應(yīng)的復(fù)位按鈕，必要時重啟單片機。1.2溫度檢測電路1.2.1DS18B20簡介DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器，具有耐磨耐碰，體積小，精度高，抗干擾能力強，使用方便，封裝形式多樣，無需轉(zhuǎn)換電路等特點，適用于狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。其獨特的單線接口方式，僅需要一條口線便可實現(xiàn)DS18B20與微處理器之間的雙向通訊，其數(shù)字信號輸出可直接發(fā)送給單片機，不僅節(jié)省了接口使用數(shù)量，且電路簡單、測量精度高，封裝形式多樣，其測溫范圍-55℃—+125℃,精度為±0.5℃。并且，DS18B20單總線可連接多個測溫點，可以拓展設(shè)計更多的功能。圖3-2DS18B20工作原理框圖圖3-2中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55℃所對應(yīng)的基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器1計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。斜率累加器用于補償、修正測溫過程中的非線性誤差，其輸出作用于修正計數(shù)器1預(yù)置值。1.2.2DS18B20測溫電路DS18B20的GND端接地，DS18B20的VCC端外接電源和串入1個10K電阻，再將VCC與DQ串接入P2.3端口，DS18B20實時采取當時溫度輸送到單片機，并將其轉(zhuǎn)化成輸出信號發(fā)送LCD屏上顯示。電路圖如圖3-3所示。圖3-3溫度檢測電路1.3液位檢測電路1.1.1液位測量原理家用太陽能熱水器水位檢測不需要精確測量,因此測量精度要求較低。可選用導(dǎo)電式傳感器，其檢測電路結(jié)構(gòu)簡單，其精度也足夠控制系統(tǒng)的使用。工作原理是利用液體導(dǎo)電的原理，適用于單片機等邏輯控制器。當水浸沒電極，電路接通，比較器電平發(fā)生改變，主控芯片依靠電平的狀態(tài)判斷液位。工作原理如圖3-4所示，用兩路液位傳感器1、2按一定高低間隔將液位分為三段,當兩路傳感器都浸入水中時，即液位1以上時,水位為高水位;當上方傳感器未浸入水中，而下方傳感器浸入水中時，即液位1、液位3之間時,水位為正常水位;當兩路傳感器均未浸入水中時，即液位3以下時，水位為低水位。采用電極式液位檢測電路控制了成本，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，也方便自主選擇安裝位置。圖3-4液位傳感器工作示意圖1.1.2液位檢測電路本設(shè)計中LM393芯片的OUTA端和OUTB端接到了單片機的P1.6和P1.7端口，同時串接電阻連接電源；2端口和6端口為反向輸入端，分別連接到兩個水位傳感器；3端口和5端口為同向輸入端，輸入基準電壓，通過電位器調(diào)節(jié)大??；VCC端外接電源，GND端接地。LM393是雙電壓比較器，反向輸入端電壓低于基準電壓時輸出端為高電平，反向輸入端電壓高于基準電壓時輸出端為低電平。液位傳感器和比較器基準電壓比較，當水位傳感器檢測到水位，LM393比較器輸出低電平，單片機檢測到低電平判斷水位，可通過分段布置液位傳感器來模擬水位的高低。如圖3-5所示。圖3-5液位檢測電路1.4顯示電路1.2.1LCD1602簡介LCD1602顯示分為字段進行顯示和字符進行顯示兩種。其中字段進行顯示與LED顯示原理大致相似，只需要把信號送到相應(yīng)的管腳就能進行顯示。而字符進行顯示是根據(jù)需要顯示的字符送到LCD上顯示。其中顯示數(shù)據(jù)包括數(shù)字、字母以及ASCII碼，提供各種控制命令，如清屏、字符閃爍、光標閃爍、顯示移位等多種功能。本設(shè)計采用的是字符型顯示，內(nèi)含復(fù)位電路，能夠同時顯示2行16列即32個字符，且對比度可通過調(diào)連接電阻阻值大小進行調(diào)節(jié)。1.2.2LCD1602顯示電路本設(shè)計選用字符型液晶LCD1602，引腳1、2均接到了電路的VCC，引腳3通過可變電阻連接到地端，可通過調(diào)節(jié)電阻大小來調(diào)節(jié)液晶的灰度。引腳4是寄存器控制腳，接到了單片機的P1.1端口。引腳5是讀寫控制腳，接地。引腳6是使能腳，接到了單片機的P1.2端口。引腳7—14是數(shù)據(jù)/地址8位總線，接到了單片機的P0端口上，即P0.0—P0.7端口，同時結(jié)合上拉電阻提供充足的高電平輸入電流，提高信號穩(wěn)定程度。引腳15、16為背光電源，背光地，電路圖如圖3-6所示。圖3-6顯示電路1.5按鍵電路按鍵一端接地，按下按鍵后可將按鍵與單片機的接口電平拉低。按鍵SET接到單片機P1.4口，按下按鍵，進入設(shè)置模式，每按一次，依次切換到定時設(shè)置、水溫上限設(shè)置、水溫下限設(shè)置；按鍵ADD接到單片機P1.5口，按下按鍵，設(shè)置數(shù)值增加；按鍵SUB接到單片機P1.6口，按下按鍵，設(shè)置數(shù)值減少；按鍵OK接到單片機P1.7口，按下按鍵，設(shè)置完成。電路圖如圖3-7所示。圖3-7按鍵電路1.6聲光報警電路LED3為缺水警報燈，由P1.6端口控制，當下水位傳感器未被水浸沒時，說明水位低于下限水位，為缺水狀態(tài)。聲音報警由P2.7端口控制，通過三極管控制蜂鳴器所在電路通斷，當水位低于下限、水溫低于下限、水溫經(jīng)加熱后超出上限時均會報警，提示用戶。電路圖如圖3-8所示。圖3-8聲光報警電路1.7繼電器驅(qū)動電路本設(shè)計的驅(qū)動模塊主要包括水泵控制電路的驅(qū)動、加熱電路的驅(qū)動的設(shè)計。其每個驅(qū)動電路分別由單片機的Ｐ1.0、Ｐ1.3口進行控制，因為驅(qū)動設(shè)備的電流和電壓都較高，單片機輸出能力不足，所以水泵控制電路、加熱電路由繼電器進行控制，并由PNP三極管對單片機的信號進行放大。原理圖中水泵和加熱器由電阻代替。在本設(shè)計中，加熱模塊和上水模塊都具有自動控制和手動控制兩種方式。自動控制：當加熱按鍵KEY1、上水按鍵KEY2斷開時，為自動控制模式。當溫度、水位未超出上、下限時，與單片機接口的輸出為高電平，三極管關(guān)斷，繼電器輸入電流為零，LED指示燈不亮，繼電器常開觸點沒有動作，電磁閥所在電路開路;當溫度、水位超出限定值時，與單片機接口的輸出為低電平，三極管導(dǎo)通，繼電器輸入端通過三極管和電源、地相連，電流輸入繼電器，LED指示燈亮，繼電器常開觸點閉合，電磁閥所在電路導(dǎo)通，開始加熱/上水。手動控制:當加熱按鍵KEY1、上水按鍵KEY2閉合時，為手動控制模式。KEY1、KEY2閉合時，無需繼電器動作，電磁閥與電源電路導(dǎo)通，電磁閥開始工作。此外，為了防止洗浴時水位降低可能會自動上水，加水模塊加了狀態(tài)開關(guān)KEY3，當KEY3斷開時，直接斷開電路連接，此時無論水位多么低都不會上水；當KEY6閉合時，可正常使用上水功能。電路圖如圖3-9所示。圖3-9繼電器驅(qū)動電路2系統(tǒng)軟件設(shè)計2.1軟件介紹uVision是美國Keil軟件公司生產(chǎn)的集成開發(fā)軟件，它集編輯、編譯、仿真調(diào)試功能于一體。具有當代典型嵌入式處理器開發(fā)的典型界面。可以用匯編程序及C51語言編程。與匯編語言相比，C語言不僅易學(xué)易用，即使是初學(xué)者，也可以快速上手，而且大大提高了工作效率，縮短了項目開發(fā)周期。同時，它還能嵌入?yún)R編，保留了匯編代碼高效、快速的特點。軟件擁有豐富的庫函數(shù)，生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼簡潔易懂，在開發(fā)大型軟件時，可以體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢，是一種強大的集成開發(fā)調(diào)試工具。整個集成開發(fā)環(huán)境包括編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和仿真調(diào)試器。軟件界面如圖4-1所示。圖4-1軟件界面其工作步驟大體可分為5步：創(chuàng)建工程建立原程序文件并加入工程工程參數(shù)設(shè)置編譯源文件調(diào)試程序2.2軟件設(shè)計任務(wù)與要求2.2.1主程序設(shè)計本設(shè)計主控模塊為AT89C51單片機，以AT89C51為核心控制整個控制系統(tǒng)的運行，再利用單片機上各個引腳連接其他模塊，從而分別控制其他模塊，實現(xiàn)預(yù)定的功能。系統(tǒng)正常工作時，集熱管利用太陽能將儲水箱內(nèi)的水加熱到一定的溫度。此時，單片機控制系統(tǒng)初始化，開始工作。首先，水箱內(nèi)的溫度傳感采集溫度信息發(fā)送給單片機，單片機將信號處理發(fā)送至液晶顯示屏，顯示當前水溫、定時時間等信息。通過按鍵設(shè)定水溫上、下限與定時時間。單片機先將測量水位與水位下限進行比較，若測量水位低于下限水位，缺水指示燈亮起，單片機將改變輸出電平來驅(qū)動加水繼電器觸頭閉合，使加水裝置所在電路閉合，開始向水箱內(nèi)注水，缺水指示燈滅，直到水位達到上限水位，回路斷開；若測量水位高于下限水位單片機不發(fā)送指令。水位檢測后，檢查是否達到預(yù)約時間，若未達到預(yù)約時間，將不執(zhí)行加熱程序；若達到預(yù)約時間，將進入下一步進程。未設(shè)定預(yù)約時間的，默認達到預(yù)約時間。預(yù)約時間達到后，將測量水溫與水溫下限進行比較，若測量溫度低于下限溫度，蜂鳴器報警，單片機將改變輸出電平來驅(qū)動加熱繼電器觸頭閉合，使加熱裝置所在電路閉合，將水箱內(nèi)的水加熱到上限溫度后，蜂鳴器報警，回路斷開；若測量溫度高于下限溫度、低于上限溫度，單片機不發(fā)送指令；若測量溫度高于上限溫度，蜂鳴器報警。應(yīng)當注意，先進行水位檢測后再進行溫度檢測，防止熱水器干燒而發(fā)生危險。這樣無論在哪種天氣條件下，都能給用戶提供達到預(yù)期的使用體驗。程序流程如圖4-2。圖4-2主程序流程圖2.2.2溫度檢測子程序設(shè)計溫度檢測功能由DS18B20實現(xiàn)，