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正文內(nèi)容

太陽能熱水器控制器的軟硬件設(shè)計畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2024-08-13 16:35 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 的測量誤差. 方案二: 采用數(shù)字式溫度傳感器 DS18B20,此類傳哪去為數(shù)字式傳感器,僅需要一條數(shù)據(jù)線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,易于與單片機連接,也不需要 A/D轉(zhuǎn)換模塊,降低硬件成本和系統(tǒng)的復(fù)雜度.此外,數(shù)字式溫度傳感器具有精度高,測量范圍廣等優(yōu)點. 從電路簡化和系統(tǒng)穩(wěn)定性角度考慮,本設(shè)計采用 DS18B20傳感器.由于是測熱水器水箱內(nèi)的水溫,所以選擇防水型 DS18B20. 水位傳感器的選擇方案和論證 方案一: 投入式液位傳感器.把傳感器探頭投入液體中間,利用探頭檢測到的液體壓力來測量出液體的深度.這種方案 的缺點是長時間使用時探頭會被腐蝕,不適合長期在水箱中使用. 方案二: 干簧管水位傳感器.如圖 22所示在一段密封塑料管內(nèi)分上、中上、中下、下四處放置四個干簧管作為四個檢測點.在塑料管外套一個內(nèi)部有環(huán)形磁鐵的浮子,當(dāng)水位變化時浮子也上下滑動,當(dāng)浮子經(jīng)過干簧管檢測點時會觸發(fā)其閉合,形成通路,使對應(yīng)的水位輸出級輸出低電平,這樣便可知道水箱內(nèi)水位了.本方案干簧管的接觸點與大氣隔絕,管內(nèi)有稀有氣體,可有效防止水蒸氣和塵埃等對其的腐蝕. 太陽能熱水器控制器的軟硬件設(shè)計 7 圖 22 干簧管水位傳感器示意圖 由于方案一的探頭易被腐蝕,所以本設(shè)計采用方案 二. 太陽能熱水器的組成及工作原理簡介 在進(jìn)行太陽能熱水器控制器硬件設(shè)計之前,先來補充一下太陽能熱水器的組成和工作原理,熟悉其基本結(jié)構(gòu)和工作過 程 . 圖 23 太陽能熱水器工作原理 如圖 23所示太陽能熱水器主要由集熱管,循環(huán)水箱和補給水箱三大部分組成.其中集熱管主要用來吸收太陽能熱量,加熱過的水通過上升水管進(jìn)入循環(huán)水箱.循環(huán)水箱中的冷水通過下降水管進(jìn)入集熱管中進(jìn)行加熱.自來水管用來往補給水箱中注水,補給水箱是用來給循環(huán)水箱提供冷水的.最終的熱水通過熱水輸出管輸出. 江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 8 太陽能熱水器的最主要器件是集 熱管 [5],在熱水器的集熱管表面有一特殊涂層,它在太陽發(fā)出的可見光波長范圍對光有極大的吸收率,吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能.而在集熱器散熱輻射的波長范圍下,該涂層對長波的發(fā)射率很低,這樣又可以保留吸收的太陽能熱量,從而逐漸將冷水加熱成熱水.此外,集熱管的結(jié)構(gòu)也十分講究.它像一根被拉長的熱水壺內(nèi)膽,是由兩只玻璃管套合而成,外層是透明的,內(nèi)層才是涂有光譜選擇性的吸收涂層,內(nèi)外管之間是真空的,可以防止散熱.套管下邊還有一塊反射光板,這樣使得玻璃管背光部分也會被照射到.通過這么多精心的設(shè)計,使得集熱管可以能夠最大限度的吸收 光能而且最小限度的散失熱量,所以即使在高寒地區(qū),太陽能熱水器也可以一年四季都正常使用. 集熱管內(nèi)的水通過吸收太陽能的熱量溫度上升,由于熱水的密度要小于冷水,所以循環(huán)水箱中的冷水會通過下降水管進(jìn)入集熱管,而熱水會通過上升水管進(jìn)入循環(huán)水箱.循環(huán)水箱中的熱水通過熱水出水管輸出時,循環(huán)水箱的水位會下降,這時補給水箱中的來自自來水管中的冷水會進(jìn)入循環(huán)水箱,這樣保證了冷水也是一直可以提供的.太陽能熱水器就是通過這樣的水循環(huán)原理實現(xiàn)不斷將冷水加熱成熱水的. 這種熱水 器 利用循環(huán)加熱的原理,因此又稱循環(huán)熱水器 . 太陽能熱水器控制器的軟硬件設(shè)計 9 第 3 章 硬件電路設(shè)計 總述 該控制器以單片機核心,結(jié)合其他模塊來實現(xiàn)溫度、水位的控制和顯示等功能.系統(tǒng)上電后,會首先初始化和掃描按鍵,當(dāng)檢測到來自鍵盤的信號時,單片機會通過控制相應(yīng)的引腳電平來驅(qū)動相應(yīng)的控制電路.溫度傳感器 DS18B20 和干簧管水位傳感器用來檢測實時的溫度和當(dāng)前的水位.當(dāng)溫度過高或水位高出或低于設(shè)定值時, 單片機 也會做出的反饋如:停止加熱、控制上水等,并會在一定條件下做出相應(yīng)的警報. LCD 液晶顯示模塊用來顯示當(dāng)前的溫度和水位狀況. 硬件系統(tǒng)原理圖如圖 31所示 ,單片機的 口與溫度傳感器 DS18B20 的數(shù)據(jù)線 DQ相連. 和 均連接繼電器驅(qū)動電路, 連的繼電器用來驅(qū)動一個電磁閥,以實現(xiàn)水位控制功能. 的繼電器驅(qū)動一個加熱裝置用來實現(xiàn)溫度控制. 引腳連接警報裝置,當(dāng)水位低于中下且還在加熱或者當(dāng)水溫高于 70 攝氏度還在加熱的時候,警報裝置啟動,以防止出現(xiàn)干燒和過燒的情況. ~ 四個引腳分別連接水位傳感器的下、中下、中上、上四個水位探針的輸出極. ~ 與 1602 顯示器的數(shù)據(jù)線相連, 1602 顯示器的使能端接在 單片機的 口,讀寫控制端分別接 和 .單片機的 ~ 分別接停止上水開關(guān)、上水開關(guān)、停止加熱開關(guān)和加熱開關(guān),當(dāng)按下相應(yīng)的按鍵時,單片機對應(yīng)I/O 口接收到信號再通過程序控制來做出相應(yīng)的反饋. 圖 31 硬件系統(tǒng)原理框圖 江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 溫度傳感器模塊設(shè)計 DS18B20 簡介 溫度傳感器是最常用的傳感器之一.早期的溫度傳感器都是模擬傳感器,如熱敏電阻,隨著環(huán)境溫度的變化,它的阻值也發(fā)生線性變化,用處理器采集電阻兩端的電壓,然后根據(jù)特定的公式就可計算當(dāng)前環(huán)境溫度.隨著科技的進(jìn)步 ,現(xiàn)代的溫度傳感器已經(jīng)走向數(shù)字化,并廣泛的應(yīng)用到生產(chǎn)實踐的各個領(lǐng)域,為我們生活提供了很大的便利條件.隨著現(xiàn)代儀器的發(fā)展,微型化、集成化、數(shù)字化正在成為傳感器的一個重要方向.美國 DALLAS半導(dǎo)體公司推出的數(shù)字化溫度傳感器 DS18B20[4]采用單總線協(xié)議,即與單片機接口僅需占用一個 I/O端口,無須任何外部元件,直接將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號,以數(shù)字碼方式串行輸出,從而大大的簡化了傳感器與單片機的接口聯(lián)系. DS18B20 只有電源、數(shù)據(jù)和地線三個引腳,使用起來非常方便. 電路連接如 32 所示. GND 接地線, VCC 接電源.信號輸入輸出端 DQ 與單片機 引腳相連,并且連有10K 歐的上拉電阻,確??偩€空閑時一直處于高電平. 圖 32 DS18B20 電路連接 DS18B20 工作原理 硬件電路連接好以后,接下來的問題就是單片機如何將 DS18B20 中的溫度數(shù)據(jù)讀取出來.本設(shè)計只需要一個溫度傳感器,就不需要讀取 ROM 編碼以及匹配 ROM 編碼了,只要用跳過 ROM( CCH)命令,就可以開始進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換和讀取的操作 [6]. DS18B20 在出廠時默認(rèn)配置為 12 位,其中最高位為符號位,即溫度值共 11 位,單片機在讀取數(shù)據(jù) 時,一次會讀 2 字節(jié)共 16 位,讀完后將低 11 位的二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)后再乘以 邊為所測的實際溫度值.另外,還需要判斷溫度的正負(fù).由于溫度值只占用了 11 位,所以前五位均為符號位,這五位同時變化.前五位位 1 時,讀取的溫度為負(fù)值,此時測量的數(shù)值需要取反加 1 再乘以 才可得得到實際溫度值.前五位為 0 時,讀取的溫度為正值,此時僅需要將測量的數(shù)值直接乘以 即為實際溫度值.表 32 所示為太陽能熱水器控制器的軟硬件設(shè)計 11 常用的 DS18B20 指令 表 32 常用 DS18B20 指令 讀 ROM 33H 讀 DS18B20 中的編碼 (即 64 位地址 ) 符合 ROM 55H 發(fā)出此命令后,接著發(fā)出 64 位 ROM 編碼,訪問單總線上與該編碼相對應(yīng)的 DS18B20,使之作出響應(yīng),為下一步對該 DS18B20 的讀寫作準(zhǔn)備 搜索 ROM 0F0H 用于確定掛接在同一總線上 DS18B20 的個數(shù)和識別 64位 ROM 地址,為操作各器件作好準(zhǔn)備 跳過 ROM 0CCH 忽略 64 位 ROM 地址,直接向 DS18B20V 溫度轉(zhuǎn)換命令,適用于單個 DS18B20 工作 告警搜索命令 0ECH 執(zhí)行后,只有溫度超過預(yù)設(shè)值上限或下限的片子才做出響應(yīng) 溫度轉(zhuǎn)換 44H 啟動 DS18B20 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換時間最長為 500ms(典型為 200ms),結(jié)果豐入內(nèi)部 9 字節(jié) RAM 中 讀暫存器 BEH 讀內(nèi)部 RAM 中 9 字節(jié)的內(nèi)容 寫暫存器 4EH 發(fā)出向內(nèi)部 RAM 的第 4 字節(jié)寫上、下溫度數(shù)據(jù)命令,緊該溫度命令之后,傳達(dá)兩字節(jié)的數(shù)據(jù) 復(fù)制暫存器 48H 將 RAM 中第 4 字內(nèi)容復(fù)制到 E2PROM 中 重調(diào) E2PROM 0B8H 將 E2PROM 中內(nèi)容恢復(fù)到 RAM 中的第 4 字節(jié) 讀供電方式 0B4H 讀 DS18B20 的供電模式,寄生供電時 DS18B20 發(fā)送“ 0”,外部供電時 DS18B20 發(fā)送“ 1” 水位傳感器模塊設(shè)計 本設(shè)計采用干簧管水位傳感器. 圖 33所示為干簧管 [7],也稱舌簧管,是一種特殊的開關(guān).它內(nèi)部觸點通常由兩個軟磁性金屬簧片構(gòu)成,兩個金屬簧片平行放置,并且中間有一部分重疊,如圖 34所示.在正常的情況下,它們的是斷開的,當(dāng)外部有磁場作用時,兩個簧片會被磁化,然后吸合,形成通路,當(dāng)磁場撤去時,簧片斷開,形成斷路.干簧管內(nèi)部充有惰性氣體以保障其簧片的性能.干簧管比一般機械開關(guān)結(jié)構(gòu)簡單、體積小、速度高、工作壽命長、可靠性高,基于上述優(yōu)點,干簧管也被廣泛的應(yīng)用到人們的生 產(chǎn)生活中. 圖 33 圖 34 水位傳感器是在一端封閉的一段 PVC 管內(nèi),在上、中上、中下、下四個位置分別垂直安裝四個干簧管,干簧管的公共端接 +5V 電源,另外四個端分別為水位高、中上、中下、江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 低的信號輸出端. PVC 管外套一個環(huán)形磁鐵浮漂,當(dāng)熱水器內(nèi)水位變化時,浮漂會隨著液面變化而上下浮動,當(dāng)帶有環(huán)形磁鐵的浮漂經(jīng)過管內(nèi)的干簧管時會吸合相應(yīng)的干簧管,隨即輸出相應(yīng)的水位信號 .水位輸出極的外部連接四個公共端接 +5V 電源的上拉電阻并分別與單片機的 、 、 、 四個引腳相連.當(dāng)沒有水的狀態(tài)下,單片機四個引腳在上拉電阻的作用下為高電平.水位經(jīng)過時,干簧管被磁化吸和形成通路,此時單片機對應(yīng)的引腳為低電平,單片機通過讀取對應(yīng)引腳的邏輯電平來判斷水位的高低.此外,水位的高低會最終顯示在 1602 液晶顯示器上.水位檢測部分的原理圖如 35 所示: 圖 35 水位傳感器電路連接與示意圖 LCD 顯示模塊設(shè)計 1602 液晶顯示器工作原理 液晶是一種高分子材料,因為其特殊的物理、化學(xué)、光學(xué)特性, 20 世紀(jì)中葉開始廣泛應(yīng)用在了顯示器上 . 液晶顯示器 的主要原理是用電流車技液晶分子產(chǎn)生點、線、面并配合背部燈光構(gòu)成畫面.各種型號的液晶通常是按照顯示字符的行數(shù)或液晶點陣的行、列數(shù)來命名.本設(shè)計中使用的 1602 就是每行顯示 16 個字符,一共可以顯示兩行. 常用的 1602 顯示器有 16 個引腳,各引腳的功能如表 33[9]所示: 太陽能熱水器控制器的軟硬件設(shè)計 13 表 33 1602 液晶顯示器引腳介紹 編號 符號 引腳說明 編號 符號 引腳說明 1 VSS 電源地 9 D2 數(shù)據(jù) 2 VDD 電源正極 10 D3 數(shù)據(jù) 3 VL 液晶顯示偏壓 11 D4 數(shù)據(jù) 4 RS 數(shù)據(jù) /命令選擇 12 D5 數(shù)據(jù) 5 R/W 讀 /寫選擇 13 D6 數(shù)據(jù) 6 E 使能信號 14 D7 數(shù)據(jù) 7 D0 數(shù)據(jù) 15 BLA 背光源正極 8 D1 數(shù)據(jù) 16 BLK 背光源負(fù)極 對應(yīng)各個引腳,有一些常用的指令如表 34[4]所示: 表 34 1602 常用指令 序號 指令 RS R/W D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 清顯示 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 2 光標(biāo)返回 0 0 0 0 0 0 0 0 1 * 3 置輸入模式 0 0 0 0 0 0 0 1 I/D S 4 顯示開 /關(guān)控制 0 0 0 0 0 0 1 D C B 5 光標(biāo)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 置字符發(fā)生存貯器地址 0 0 0 1 字符發(fā)生存貯器地址 8 置數(shù)據(jù)存貯器地址 0 0 1 顯示數(shù)據(jù)存貯器地址 9 讀忙標(biāo)志或地址 0 1 BF 計數(shù)器地址 10 寫數(shù)到 CGRAM 或DDRAM) 1 0 要寫的數(shù)據(jù)內(nèi)容 11 從 CGRAM或 DDRAM讀數(shù) 1 1 讀出的數(shù)據(jù)內(nèi)容 1602 液晶模塊的讀寫 操作、屏幕和光標(biāo)的操作都是通過指令編程來實現(xiàn)的.(說明:1 為高電平、 0 為低電平) 指令 1:清顯示,指令碼 01H,光標(biāo)復(fù)位到地址 00H 位置. 指令 2:光標(biāo)復(fù)位,光標(biāo)返回到地址 00H. 指令 3:光標(biāo)和顯示模式設(shè)置 I/D:光標(biāo)移動方向,高電平右移,低電平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移.高電平表示有效,低電平則無效. 指令 4:顯示開關(guān)控制. D:控制整體顯示的開與關(guān),高電平表示開顯示,低電平表示關(guān)顯示 C:控制光標(biāo)的開與關(guān),高電平表示有光標(biāo),低電平表示無光標(biāo) B:控制光標(biāo)是否閃爍,高電平閃爍,低電平不閃 爍. 指令 5:光標(biāo)或顯示移位 S/C:高電平時移動顯示的文字,低電平時移動光標(biāo). 指令 6:功能設(shè)置命令 DL:高電平時為 4 位總線,低電平時為 8 位總線 N:低電平時為單行顯示,高電平時雙行顯示 F: 低電平時顯示 5x7 的點陣字符
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