单片机设计太阳能热水器

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1、摘要本文提出了一种以 MCS51 系列单片机 8051 为主要控制芯片，辅之以其 他功能芯片对太阳能热水器进行控制的设计方案，使太阳能热水器使用起来更 加方便、安全。本设计采用的是8051单片机，其内部ROM容量为256B，对于本设计，无 须外部扩展存储器。除了 8051，本设计还用到一些重要的外部功能器件，如采 用AD转换器0809来实现温度和水位信号的模数转换，还有可编程输入输出接 口8255 来实现键盘和显示器接口。键盘由四个按键来设置水温或水位，用六 位 LED 显示器分别显示水温和水位。本设计充分利用 8051 单片机系统的三总 线控制，即数据总线、地址总线、控制总线的设计方式，为应

2、用系统功能的实 现奠定了基础。通过对 8051 单片机的外部功能扩展使系统具有自动上水与保 温的功能，还能自动驱动加热及上水装置来满足系统的设置，使用起来安全可 靠。此外，设计方案中还考虑了一些抗干扰措施，例如采用光电隔离器 4N25 使输入输出有效隔离，采用硬件去抖动措施解决按键抖动的问题等等。本文阐述了此应用系统的工作原理，并给出部分硬件及软件框图。关键字： 单片机，温度控制，水位控制目录前言1第一章 系统总体方案设计31.1 设计思路31.2 设计总框图4第二章 系统硬件部分设计52.1 数据采集52.1.1 温度传感器 AD59052.1.2 水位传感器62.1.3 采样保持器92.2

3、 数据转换102.2.1AD 转换概述 102.2.2ADC0809112.3 MCS-51 系列单片机 8051132.3.1 单片机概述 132.3.2 单片机 8051142.4LED 数码显示与键盘162.4.1 可编程并行接口 8255172.4.2 6 位 LED 数码显示与键盘182.5 输出驱动与执行机构192.5.1 加热器的电路连接与分析192.5.2 达林顿管的原理及应用202.5.3 上水阀的驱动电路分析212.6 系统的硬件抗干扰设计212.6.1 按键消抖措施212.6.2 光电隔离的应用23 第三章系统软件部分设计243.1 主程序流程图243.2.1 8255

4、初始化253.2.2 AD 转换程序263.2.3 LED 数码显示程序283.2.4 键盘扫描子程序28结论31致谢32参考文献33 附录/1前言目前，单片机已进入人类生活的各个领域，如家用电器的冰箱、洗衣机、空 调等，由于配上了单片机，增加了功能，实现了智能化，使人类生活更加方便。 近几年来，MCS51系列单片机的开发应用深受各个应用领域的关注和重视， 应用十分广泛，发展极快，特别是 8051，在国内是应用最多、影响最大的单片 机。本设计就是以 8051 单片机为主要控制芯片，辅之以其他外设及功能部件， 对太阳能热水器工作进行控制。目前，太阳能热水器以其安全、节能、无污染等优点受到越来越多

5、的消费者 的欢迎。但太阳能热水器也存在一些缺点，如阴雨天无法使用，不能显示水温水 位，无法自动上水，不能根据用户的要求设置水温水位等，通常须采用太阳能加 热和电加热相结合的方式来解决阴雨天的使用问题。这就需要设计一套控制系统 来实现自动电加热，同时用这套系统实现自动上水、保温和水温水位的检测和显 示。本设计的目的是设计适于日常应用的能自动上水的太阳能热水器，要求能自 动检测水的温度和水位；当水位低于30L自动上水；水温未达到设定值而又长时 间无变化，系统自动启动电加热器将水加热到设定温度，当用户按下加热键时系 统也可启动电加热器将水加热到设定温度，水温达到设定值后系统自动进入保温 状态。本设计

6、的技术要求是利用 LED 显示水温水位；四个按键设置水温/水位； A/D 转换模块；上水装置，电加热装置；要求本系统具有较高的抗干扰性、实时 性、能根据检测数据迅速做出处理，本设计要采用的是MCS51系列单片机 8051，其内部ROM为4KB，内部RAM为256B （包括特殊功能寄存器），要接 A/D转换器，以实现温度和水位信号的模数转换。另外，由于本设计要用到6位 LED显示器及四个功能按键，故采用一片可编程输入输出接口芯片8255来实现 这部分的设计。此外，本设计方案还考虑了抗干扰措施，如光电隔离、键盘消抖 等，将在后面详细阐述。本系统充分利用了 8051 单片机的各种资源，使系统使用方便

7、，安全可靠， 克服了太阳能热水器的一些缺点，实现了其运行的自动化。第一章 系统总体设计方案1.1 设计思路本次设计的目的是设计一个太阳能热水器单片机控制系统。现在一般的太阳 能热水器虽然有着不少优点，如节能、无污染、安全方便等，但在实际应用中也 存在着一些缺点，如阴雨天无法使用、无自动上水功能、不显示水温水位等等。 为了解决上述存在的问题，比较理想的方案就是采用单片机作为应用系统的主控 芯片，利用其强大的控制能力和丰富的资源，通过连接各种功能外设，使系统能 正确、有效地完成服务。 在此，我将系统的设计分为两大部分，即硬件设计部分和软件设计部分。在硬件 部分中，主要解决系统的硬件连接与各功能的分

8、配，各部分的地址分配也被分到 硬件部分里。在软件部分中，则具体分析系统的工作流程，编出部分子程序和中 断服务程序。1.2 设计总框图系统总体设计框图如下：图 1-1 系统总体框图由图可知，本系统采用 MCS-51 系列单片机 8051 作为系统的主要控制芯片。 根据本应用系统的设计任务，输入通道部分需由传感器采样温度和水位信号，经 A/D 转换器转换，将模拟量信号转换为数字量信号后送入8051，再由8051外接 的 8255 送 LED 数码管显示。键盘有四个按键来设置水温和水位，当 8051 扫描 到有按键按下时，就输出控制信号驱动相应的执行机构，或控制加热器改变水温， 或控制上水阀改变水位

9、。系统相应的功能由编程来具体实现。第二章 系统硬件部分设计2.1 数据采集2.1.1 温度传感器 AD5901温度传感器 AD590 的工作原理AD590 集成温度传感器，内部含有放大电路，是一种两端器件。其工作电 压为+4+30V,测温范围是-55150摄氏度，对应于热力学温度T每变化1K,输 出电流就变化1yA。在298.15K (对应于25.15摄氏度)时输出电流恰好等于 298.15yA。这表明，其输出电流I (yA)与热力学温度T (K)严格成正比。 AD590 的电路符号为：AD590作为一种高阻电流源，不存在反馈线上的电压信号损失和噪声干扰问题, 其等效于一个高阻抗的恒流源，其输

10、出阻抗大于10MQ，能大大减小因电源电压 波动而产生的测温误差。例如，当电源电压从5V变化到10V时，所引起的电流 最大变化量仅为1yA，等价于1摄氏度的测温误差。2AD590 在本系统设计中的应用由AD590构成的温度检测电路如图2-1所示：从图中可知，由MC1403型带隙基准电压源输出的+2.5V基准电压，经可调 电阻R1接AD590的正极，并且还经过CD4051型八选一模拟开关接LM324型 四运放中的一个运算放大器反向输入端。AD590的负极接-5V电源。设通过R1、 R2的电流分别为10、I，则AD590的电流表达式为IO=I0+I1(2-1)因为LM324的电压增益AVO1,所以图

11、2-1中的M点为虚地，即UM为零 伏。只要在0C以下调整R1，使I0等于AD590在该温度下的工作电流值(此时 I1=0, I=I0), I0即为恒定值，在测温过程中I1仅随I。变化。显然，温度上升tC 时，I1必须增加到11处，使LM324的输出电压UO (V)为U 二 R I 二 R t 1rA 二 10-6 R t(2-2)0 2 1 2 2由于U0与被测温度t成正比，从而实现了 t/U转换，这就是利用AD590测量摄 氏温度的原理。R ,R分别用于校准0C和100C。硅二极管VD (1N4001)可防12止 LM324 进入饱和状态。多路模拟开关 CD4051 的通断状态受单片微机的控

12、制。2.1.2 水位传感器1压差式液位传感器的工作原理压差式液位传感器是根据液面的高度与液压成比例的原理制成的。如果液体 的密度恒定，则液体加在测量基准面上的压力与液面到基准面的高度成正比，因 此通过压力的测定便可得知液面的高度。如图 2-2所示，其基准面上的压力由下式确定，即p = ph = p(h + h )(2-3)12式2-3中，p为测量基准面的压力；p为液体的密度；h为液面距测量基准面的 高度； h 为所控最高液面与最小液面之间的高度； h 为最小液面距测量基准面的12高度。由于需要测定的是h高度，因此移动压力传感器的零点，把零点提高ph，12就可以得到压力与液面高度成比例的输出。当

13、储液罐为密封型时（见图 2-3）压差、液位高度及零点的移动关系如下：高压侧的压力 p 为1低压侧的压力 p 为2p = p + p 10(h + h )2-4)p = p +p2 0 0 (h + h )232-5)压力差Ap为Ap =P1 - P 22-6)式2-4至2-6中，p为液体的密度；h为所控最高液面与最低液面之间的高度;1h 为最小控制液面距测量基准面的高度； p 为填充液体密度； p 为罐内压力； h2 0 0 3 为填充液面距最小液位的高度。同样，只要移动压差式传感器的零点，就可以得到压差与液面高度h成比例1的输出。图2-4是压差式液位传感器的结构原理图。它由压差传感器和电路两部分组成。压差传感器实际上是一个差动电容式压力传感器，它由动电极感压膜片、固 定电极隔液膜片等组成。当被测的压力差加在高压侧和低压侧的输入口时，该压 力差经隔液膜片的传递作用于感压膜片上，感压膜片便产生位移，从而