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控制系统综合实训总结报告学院计算机与控制工程学院专业班级自动化121学生姓名滕大江学号2012022024成绩评语第1页基于AT89C51单片机的太阳能热水器控制器设计摘要随着人们生活水平的提高,各种热水器的使用已相当普及。与之相配套的控制仪也相继问世。然而,目前市场上的各种热水器控制电路还与理想要求相差甚远。消费者需要真正的“自动”控制,以实现使用的最简单化。就像家用电视机、电冰箱一样,接通电源、设定完毕就不用再操心了。本次毕业设计运用AT89C51单片机设计了一种自动控制电路,该电路用于太阳热水器,能实现在用水时,若日晒水温达不到设定值,则电加热自动补温。从而实现了热水器的自动及节能。本文详细介绍了基于单片机的太阳能热水器自动控制系统组成、硬件设计。实现了温度和水位参数的实时显示,而且具有温度设定、水位设定与控制功能,停电后再来电时也不用重新设定,具有故障报警和故障自处理功能,良好的稳定性和抗干扰性能。关键词：单片机；太阳能热水器；控制器第2页前言目前，中国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国，年产量约为世界各国之和，已有一百多家太阳能热水器生产厂。但是与之配套的太阳能热水器控制器却一直处在研究与开发阶段。这种控制器只具有温度和液位显示功能，而且为分段显示，温度显示误差为10%，水位显示误差为25%。这种显示器(还称不上控制器)不具有温度控制功能，当由于天气原因而光强不足时，就会给热水器用户带来不便；即使热水器具有辅助加热功能，由于加热时间不能控制而产生过烧，从而浪费大量的电能。本文设计的太阳能热水器控制器以80C51单片机为检测控制核心，采用DS12887实时时钟，不仅实现了时间、温度和水位三种参数实时显示和FUZZY控制功能，而且具有时间设定、温度设定与控制功能。此款热水器包括主、从两大系统：主系统的特点是在晴好的天气利用太阳光能为热水器加热；从系统相当于电热水器，它在无光照的情况下利用电辅助加热。它充分利用太阳能的丰富的免费的资源的优势，同时考虑到在阴天及夜间无法利用太阳能的缺点，充分发挥太阳能热水器和电热水器的各自优势，这是世面上大部分热水器所不能比拟的。第3页正文1方案设计设计的太阳能热水器控制系统以89C52单片机为检测控制中心单元，采用DSl2887实时时钟，不仅实现了时间、温度和水位三种参数实时显示功能，而且具有时间设定、温度设定与控制功能。控制系统可以根据天气情况利用辅助加热装置(电加热器)使蓄水箱内的水温达到预先设定的温度，从而达到24小时供应热水的目的。实际应用结果表明，该控制器和以往显示仪相比具有性价比高、温度控制与显示精度高、使用方便和性能稳定等优点2各单元模块功能介绍及电路设计物2.1单片机系统设计单片机系统由AT89C52和一定功能的外围电路组成，包括为单片机提供复位电压的复位电路，提供系统频率的晶振。这部分电路主要负责程序的存储和运行。上图中MCS-51内部时钟方式电路外接晶体以及电容C5和C6构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、谐振器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。晶体可在1.2MHz～12MHz之间任选，电容C5和C6的典型值在20pF～100pF之间选择，但在60pF～70pF时振荡器具有较高的频率稳定性。典型值通常选择为30pF第4页左右，但本电路采用33pF。在设计印刷电路板时，晶体或陶瓷振荡器和电容应尽可能安装的与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠的工作。为了提高温度稳定性，应采用温度稳定性能好的NPO高频电容。AT89C52的复位是由外部的复位电路来实现的。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。本设计中所用到的是上电按钮复位。单片机系统2.2控制器实时时钟接口电路DS12887与单片机接口电路第5页为实现热水器24小时供应热水的目的，控制器必须有一个实时时钟来为系统提供准确的基准时间；在软件设计上则要实时地读出当前时间，同设定时间比较，以决定系统工作状态。本系统采用美国DALLAS半导体公司最新推出的时钟芯片DS12887，该芯片采用CMOS技术，把时钟芯片所需的晶振和电池以及相关的电路集成到芯片内部，并与MC146818管脚完全兼容。DS12887芯片具有微功耗、外围接口简单、精度高，工作稳定可靠等优点。它与89C52单片机的接口电路见上图。2.3水位检测和温度检测接口电路蓄水箱水位和温度检测部分是实现温度智能控制的重要环节，只有准确地检测出水位和温度，才能通过软件计算提前开始辅助加热的预加热时间。要实现辅助加热提前时间的精确计算，最好是采用连续液位传感器，但考虑系统成本，本设计仍采用分段式液位传感器(通过软件来提高精度)，在水位显示上也仍采用分段显示。水位检测部分的硬件连接如图所示。水位监测及显示接口电路第6页检测原理如下：当水箱中无水时，8个非门均由1M欧姆电阻上拉成高电平，所以图中各“非”门(CD4069)输出均为低电平，LED1～LED8均不亮。当水位高于“非”门1的输入探针时，由于水的导电作用，使“非”门1的输入变为低电平，所以其输出变为高电平，LED点亮，依此类推。随着水位的上升，各“非”门输出相继为高电平，LED依次点亮。这里要注意的是上拉电阻不能选择太小，因为水的电阻在100k8左右，所以上拉电阻选择太小的话，将在水位升高时，无法把“非”门输入端拉成低电平。实验表明，上拉电阻选择在500k～1M欧姆左右能很好地满足电路的工作要求。为了使89C52随时能够读出当前的水位情况，这里选用74LS244作为状态输入缓冲器。蓄水箱温度检测电路采用DS18B20芯片使其换成脉冲信号，送到89C52的I/O口(编程为计数器工作模式)，通过测量输出脉冲频率的大小来换算成水温高低信号。2.4DS18B20与单片机接口电路设计DS18B20与单片机接口电路基于DS18B20多点温度测量系统以AT89C51为中心器件，以KEIL为系统开发平台，用C语言进行程序设计，以PROTEUS作为仿真软件设计而成的。DS18B20是智能温度传感器，它的输入/输出采用数字量，以单总线技术，接收主机发送的命令，根据DS18B20内部的协议进行相应的处理，将转换的温度以串口发送给主机。主机按照通信协议用一个IO口模拟DS18B20的时序，发送命令（初始化命令、ROM命令、功能命令）给DS18B20，并读取温度值，在内第7页部进行相应的数值处理，用图形液晶模块显示各点的温度。在系统启动之时，可以通过4×4键盘设置各点温度的上限值，当某点温度超过设置值时，报警器开始报警，从而实现了对各点温度的实时监控。每个DS18B20有自己的序列号，因此本系统可以在一根总线上挂接了4个DS18B20，通过CRC校验，对各个DS18B20的ROM进行寻址，地址符合的DS18B20才作出响应，接收主机的命令，向主机发送转换的温度。采用这种DS18B20寻址技术，使系统硬件电路更加简单。第8页结论本系统通过单片机控制各个电路模块以实现对温度，水位的检测，以及对整个热水器的智能化控制。该控制器和以往显示仪相比具有性能价格比高、温度控制与显示精度高、使用方便和性能稳定等优点。单片机控制系统具有低价、智能的优势，能够根据需求的不同而作相应的调整，更加个性化。同时，使用单片机控制系统能够节约能源，保护设备，延长设备的使用时间。该热水器具备以下特点：1．结构简单、运行可靠、操作维护简便。2．热源取之不尽用之不竭，不需要运输，节省燃料。3．无污染，不会对周围环境造成任何影响。4．该系统加装减压阀后可与锅炉配套使用，解决冬季用水。5．不用考虑玻璃盖的防冻装置。6．该系统加装减压阀后可与锅炉配套使用，解决冬季用水。7．不用考虑玻璃盖的防冻装置。该热水器装置置于浴室屋订占地面积较大，同时增加了建筑物的载荷。在试制和安装过程中我们体会到只有注意以下几个方面才能保证热水器的正常运行，第一是循环管道水流方向不允许有反坡现象，拐弯要和缓，管道内要清洁无阻塞。第二是冷水箱、热水箱、集热器及热水保温的相对位置及标高合理，符合水流规律，第三是补充给热水箱的水流不允许冲击，第四是电磁阀的选择及安装位置要合理，保证动作灵敏可靠。总之，无论从市场或技术抑或价格的角度来说，此款热水器具有很大的优势。它市场前景广阔、技术先进、价格合理、高度智能化，方便省事，是当前市面上热水器的升级产品。它不但适合于城乡民宅需求，还适用于写字楼、餐饮、娱乐、商业服务浴室、理发店、旅馆、招待所、托儿所、敬老院及外贸出口等各种需求。第9页心得本次课程设计是对所学知识的一次综合性运用。其中包括对模拟电子技术基础、和数字电子技术基础、单片机等知识的运用。从而完成了本次设计。在设计的过程中发现了自身知识的不足，也发现我们必须具备专业基础知识以外，才能成功的设计出一件合格的东西。这次课程设计收获很多，体会也很深刻，并且对我们所学的东西也产生了浓厚的兴趣。在设计过程中，也学会了很多新的东西，PROTEL软件绘制电路原理图和PCB图，以及一些仿真软件的应用，最典型的就是PROTEUS软件的应用，以及与KEIL软件的联合使用功能。当然最重要的是学到了关于基本电子设计的一些基本方法，同时也加深了对一些常用的电子元件的理解及其基本用法的掌握。除此之外，我觉得在这次设计的过程中，我发现团队精神的重要性，很多时候一个人的力量是有限的，一个人不可能什么都会，什么都能自己解决，还是有需要他人帮助的时候，我觉得人与人之间的相互帮助很有必要，这样不仅能帮助大家很快的解决问题，还能提高我们每个人的实际水平，也培养了我们的团队合作精神，这些能力对于我们今后的学习和工作都很有帮助。由于时间关系，本次设计中还有不尽完善之处。希望在以后的学习生涯中不断的完善和改进。第10页参考文献[1]谢自美.电子线路设计·实验·测试.华中科技大学出版社，2002.07[2]康华光.电子技术基础（数字部分）.高等教育出版社，2003.03[3]康华光.电子技术基础（模拟部分）.高等教育出版社，2003.03[4]精英科技编著．电路设计完全手册．中国电力出版社．2001