太陽能熱水器控制裝置本科畢業(yè)論文-資料下載頁

　　

【正文】 后按從低位到高位的順序發(fā)送字節(jié)（一次只發(fā)送一位） 。 延時(shí)時(shí)間為 45 微秒。再將數(shù)據(jù)線拉到高電平。最后重復(fù)上面的操作直到所有的字節(jié)送完為止，將數(shù)據(jù)線拉高。G N D 控制器寫 0 時(shí)間隙 6 0 T X ‘ 0 ’ 2 4 0 u s控制器寫 1 時(shí)間隙1 u s T r e c ∞ 1 u s1 5 u s1 5 u s3 0 u s1 5 u sD S 1 8 2 0M I N T Y P M A XD S 1 8 2 0 采樣M I N T Y P M A X1 5 u s3 0 u s圖 311 DS18B20 寫時(shí)序圖 溫度標(biāo)定與精度處理(1)溫度標(biāo)定水溫信號(hào)由 DS18B20 測(cè)量，將測(cè)量數(shù)據(jù)傳給 Atmega16 進(jìn)行相應(yīng)處理，存人 Atmega16 的 EEPROM，顯示于液晶顯示屏。考慮到每個(gè) DS18B20 中存在系統(tǒng)誤差，因此首次使用裝置時(shí)，需對(duì)其進(jìn)行校正并將測(cè)量值換算為水溫，因此需要進(jìn)行溫度標(biāo)定。首先將 DS18B20 與水銀溫度計(jì)一同放入溫水中，改變水溫并分別測(cè)定和校正，再執(zhí)行標(biāo)定程序?qū)囟扔?jì)讀數(shù)由鍵盤輸入，啟動(dòng)DS18B20 并自動(dòng)將溫度對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換值讀入 Atmega16 的 EEPROM 內(nèi)存，溫度轉(zhuǎn)換值的對(duì)應(yīng)值自動(dòng)存儲(chǔ)，再執(zhí)行處理程序，計(jì)算出回歸方程的各個(gè)系數(shù)，并存儲(chǔ)在另一文本中，開啟使用時(shí)控制器自動(dòng)調(diào)用查詢。標(biāo)定出各個(gè)整數(shù)點(diǎn)的溫度數(shù)值以減少器件本身及外部環(huán)境帶來的非線性誤差，提高輸出準(zhǔn)確度。(2)精度處理DS18B20 完成對(duì)溫度的測(cè)量，以 16 位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，默認(rèn)以 ℃／LSB 形式表達(dá)，其中 S 為符號(hào)位。高速暫存器的字節(jié)0、1 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)格式如下： 22 0 字節(jié) 低位（A）1 字節(jié) 高位（B）溫度算法是 SSSSS=0，溫度大于 0℃，具體值為 T=[(Bamp。7)256+A]℃。整數(shù)部分和小數(shù)部分單獨(dú)處理。為了提高測(cè)量精度，DS18B20 采用 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換方式，百分位的數(shù)據(jù)采用“四舍五入”的原則處理。這樣，精度可達(dá) ℃，符合要求。 DS18B20 溫度傳感器的多點(diǎn)測(cè)量本設(shè)計(jì)需要兩個(gè)DS1820溫度傳感器，分別測(cè)量水箱溫度和太陽能集熱器中的溫度。因此需要運(yùn)用到DS18B20的多點(diǎn)測(cè)量，微機(jī)串口DS18B20的接口如圖所示。圖中為兩個(gè)DS18B20并聯(lián)情況。由于TXD 的電壓范圍為2~12 V，當(dāng)TXD為 2 V時(shí)，為了防止三極管8050的PN結(jié)反向過壓，在其基極和發(fā)射極之間跨接了1只二極管加以保護(hù)。圖 312 DS18B20 并聯(lián)與單片機(jī)接口電路圖23 22 21 20 21 22 23 24S S S S S 26 25 24 23 圖 313 SD2200 時(shí)鐘芯片引腳圖 時(shí)鐘電路部分本設(shè)計(jì)選用時(shí)鐘芯片 SD2200。SD2200 時(shí)鐘芯片是一款高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，可以保證時(shí)鐘精度為177。5ppm(在 25177。1℃下 )，年誤差小于 分鐘，完全滿足本設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)，是實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的理想選擇。 SD2200 系列實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片簡(jiǎn)介SD2200L 系列是一種具有內(nèi)置晶振、支持 I2C 總線的高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片。該芯片可保證時(shí)鐘精度為177。5ppm(在 25177。1℃下)，即年誤差小于 分鐘；該芯片內(nèi)置時(shí)鐘精度調(diào)整功能，可以在很寬的范圍內(nèi)校正時(shí)鐘的偏差(分辨力 或 )，通過外置的溫度傳感器可設(shè)定適應(yīng)溫度變化的調(diào)整值，實(shí)現(xiàn)在寬溫范圍內(nèi)高精度的計(jì)時(shí)功能；內(nèi)置串行 E2PROM 為非易失性，可在～ 下工作,擦寫次數(shù)可達(dá) 100 萬次,數(shù)據(jù)保存時(shí)間為十年。內(nèi)置一次性電池，電池使用壽命可在五年左右(工業(yè)級(jí)和民用級(jí)時(shí)間不同)。該芯片可滿足對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的各種需要，是在選用高精度實(shí)時(shí)時(shí)鐘時(shí)的理想選 [3] 。SD2200 的引腳圖如 313 所示。SD2200 性能特點(diǎn)：低功耗：工作電壓：~（其中NVSRAM 在 ~） ，內(nèi)部時(shí)鐘保持電壓可低至 。年、月、日、星期、時(shí)、分、秒的 BCD碼輸入／輸出。自動(dòng)日歷到 2099 年（包括閏年自動(dòng)換算功能） 。 I 2C 總線 CPU 接口。 可設(shè)定的兩路鬧鐘（定時(shí)）32768Hz~1Hz 的方波信號(hào)輸出。 24 SD2200 的工作原理時(shí)鐘調(diào)整寄存器實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路（ 年 / 月 / 日 / 星期 / 時(shí) / 分 / 秒 ）低壓檢測(cè)電路電源切換電路振蕩電路定時(shí)中斷 2定時(shí)中斷 1串行E E P R O M（ 2 K b i t 2 5 6 K b i t ）S D 2 2 0 0 L 系列單片機(jī)S C L ES D A ES D AS C LI N T 2I N T 1V D D圖 314 SD2200 時(shí)鐘芯片工作原理框圖 時(shí)鐘芯片與單片機(jī)接口電路SD2200既有實(shí)時(shí)芯片的功能，又可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)到內(nèi)置E 2PROM中。因?yàn)镾D2200是I 2C總線接口方式，所以其硬件接口設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，可以大大簡(jiǎn)化單片如果外圍器件是I 2C接口類型，而單片機(jī)沒有I 2C接口，那么必須用軟件模擬的方式來實(shí)現(xiàn)。AVR單片機(jī)功能很強(qiáng)它帶有TWI接口，可以直接ATmega16的硬件I 2C接口來對(duì)外圍I 2C器件進(jìn)行操作，非常方便有效。這樣可節(jié)省模擬I 2C程序，為用戶編程省去很多麻煩 [4] 。時(shí)鐘芯片與單片機(jī)接口電路如下圖所示。 25 圖 315 時(shí)鐘接口電路 時(shí)鐘芯片的工作時(shí)序 讀數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到開始條件后，實(shí)時(shí)時(shí)鐘接收器件代碼和命令。當(dāng)讀/寫位為“1”時(shí)，此時(shí)進(jìn)入實(shí)時(shí)時(shí)鐘讀取模式或狀態(tài)寄存器讀取模式，數(shù)據(jù)則從LSB依次輸出。每讀完一個(gè)字節(jié)，MCU 要向SD2200 發(fā)送ACK或NO_ACK信號(hào)：當(dāng)SD2200 收到ACK 信號(hào)，將繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)數(shù)據(jù)；當(dāng)SD2200收到NO_ACK信號(hào)將停止向MCU發(fā)送數(shù)據(jù)，而隨后的停止條件將結(jié)束本次的讀數(shù)據(jù)操作。寫數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)檢測(cè)到開始條件后，實(shí)時(shí)時(shí)鐘開始接收器件代碼和命令。當(dāng)讀/寫位為“0”時(shí)，此時(shí)進(jìn)入實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)寫模式或狀態(tài)寄存器寫模式，數(shù)據(jù)必須按順序從LSB 位開始依次輸入。在實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)寫入時(shí)，如有ACK信號(hào)緊跟著實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)寫命令，則日歷和時(shí)間計(jì)數(shù)器將被復(fù)位，并將停止內(nèi)部時(shí)間累加操作。繼續(xù)接收完分鐘數(shù)據(jù)及秒數(shù)據(jù)，此時(shí)月末數(shù)據(jù)將被修正。當(dāng)SD2200接收完秒數(shù)據(jù)同時(shí)發(fā)出ACK信號(hào)給CPU ，從此新的計(jì)時(shí)開始 [5] 。(1)實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)讀/寫1(七字節(jié)數(shù)據(jù)：年 月日星期小時(shí)分鐘秒) 26 .圖 316 實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)讀/ 寫 1(2) 實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)讀 /寫2( 三字節(jié)數(shù)據(jù)：小時(shí) 分鐘秒) 圖 317 實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)讀/寫 2(3)狀態(tài)寄存器_狀態(tài)寄存器_2讀/寫。圖 318 狀態(tài)寄存器_狀態(tài)寄存器 _2 讀/寫 27 水位檢測(cè)部分 水位檢測(cè)原理水位的檢測(cè)選用電極檢測(cè)方案。經(jīng)測(cè)試得知水的電阻值在之間，在插入水中的兩個(gè)電極之間加 電壓，通過電流約為?~ V5，這么小的電流在電路中很難檢測(cè)，需要用三極管放大后才A?263能夠送入電路中。水位檢測(cè)電路如圖312所示。當(dāng)水位未達(dá)到檢測(cè)時(shí)， ??電 極R0ICB為高電平。5VOUT當(dāng)水位達(dá)到檢測(cè)時(shí)， ?? 極 ?????＜?，為低電平。 ???? 水位檢測(cè)裝置本設(shè)計(jì)采用如圖所示的水位檢測(cè)裝置。其信號(hào)線耐高溫，壽命長(zhǎng)；傳感器內(nèi)部信號(hào)線全部采用耐高溫280℃高溫+5V R310R21MS9014OUT電 極圖 320 水位檢測(cè)裝置圖 319 水位檢測(cè)原理圖 28 導(dǎo)線，避免信號(hào)線高溫老化現(xiàn)象的產(chǎn)生，使用壽命更長(zhǎng)。硅膠材質(zhì)采用德國(guó)耐高溫抗老化耐水垢；傳感器原材料同太陽能熱水器硅膠封圈同樣材質(zhì)，耐高溫抗老化，不易結(jié)水垢。 高溫一次模壓成型不滲水；傳感器在200℃高溫下一次壓成型避免了傳統(tǒng)傳感器因多種材料組成、手工封裝生產(chǎn)，容易滲水而導(dǎo)致傳感器失靈現(xiàn)象的產(chǎn)生內(nèi)部使用熱縮材料，可靠性高；傳統(tǒng)傳感器采用熱縮材料進(jìn)行多層封裝，但因上水、加熱等因素帶來水箱水溫的變化，使得熱縮材料的性能發(fā)生變化（因材料膨脹系數(shù)不同，又經(jīng)多次的熱漲縮） ，致使傳統(tǒng)傳感器密封失效，最終導(dǎo)致其失靈。絕緣好，抗雷擊；此傳感器經(jīng)過3000V 進(jìn)行高壓測(cè)試，杜絕由于絕緣不良或雷擊造成的損壞現(xiàn)象。 玻璃封裝更可靠；水溫傳感器由于采用美國(guó)玻璃封裝，具有高精度和高穩(wěn)定性，可在高溫和高濕等惡劣環(huán)境下進(jìn)行精確測(cè)溫。超大電極、不怕測(cè)不到水位；當(dāng)傳感器水位達(dá)100%時(shí)此處加裝了供公電極，不怕關(guān)不住水，使用更安全 [6] 。 鍵盤電路部分 鍵盤電路 29 圖 321 鍵盤接口電路如圖，當(dāng)按鍵按下時(shí)，電容一端由高電平變?yōu)榈碗娖剑存I彈起式，又由低電平變?yōu)楦唠娖剑娙莩潆姡鄳?yīng)的鍵盤電路接通。按鍵介紹：S1：“設(shè)定” 鍵，S2 ：“ +”鍵，S3：“”鍵，S4 左移：“” ，S5 右移：“”。 顯示 器部分 顯示器 LCM12864ZK 簡(jiǎn)介L(zhǎng)CM12864ZK顯示器是具有串／并行接口，內(nèi)部含有中文字庫的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊，其內(nèi)置的控制／驅(qū)動(dòng)器采用中國(guó)臺(tái)灣矽創(chuàng)電子公司生產(chǎn)的ST7920，因而具有較強(qiáng)的控制顯示功能。LCM12864ZK的液晶顯示屏為12864點(diǎn)陣，可顯示 4行，每行8個(gè)漢字。該模塊具有2 MB 的中文字型ROM(CGROM)，共提供8192 個(gè)1616點(diǎn)陣中文字型；同時(shí)，為了便于英文和其他常用字符的顯示，具有16 KB半寬字型ROM(HCGROM)，提供128個(gè)168點(diǎn)陣的字母符號(hào)字型；另外，繪圖顯示畫面還提供一個(gè)64256點(diǎn)陣的繪圖區(qū)域(GDRAM)及240點(diǎn)的ICONRAM，可以和文字畫面混合顯示，且內(nèi)含CGRAM可提供 4組軟件可編程的 1616點(diǎn)陣造字功能 [7] 。LCM12864ZK模塊采用LED背光，工作電壓／電流分別為3 V／ mA或5 V／2 mA， V的寬工作電壓范圍，還具有睡眠、正常及低功耗工作模式，可滿足系統(tǒng)各種工作電壓及便攜式儀器低功耗的要求。為了適應(yīng)多種微處理器和單片機(jī)接口的需要，模塊提供了4位／8位并行、2線／3線串行多種接口方式。另外，模塊還提供了畫面清除、光標(biāo)顯示隱藏、顯示打開／關(guān)閉、顯示字符閃爍、光標(biāo)移位、顯示移位、反白／顯示、睡眠模式等操作指令。該模塊可實(shí)現(xiàn)漢字、ASCII碼、點(diǎn)陣圖形的同屏顯示，廣泛用于各種儀器儀表、家用電器及通信產(chǎn)品中 [8] 。 30 顯示器與單片機(jī)接口電路，液晶屏幕為12864，可顯示4行，每行可顯示8個(gè)漢字，具有4種工作模式即并行8位、并行4位、串行3線和串行2線，本裝置中采用串行3線方式。LCM12864的 CS為片選管腳，SDA 為數(shù)據(jù)輸入管腳，SCK脈沖輸入管腳 [9]。圖 322 顯示器電路顯示電路如圖 322 所示。線路保護(hù)裝置采用帶字庫的 LCM12864ZK 液晶顯示器，顯示部分分為三個(gè)菜單分別為“溫度”，“水位”，“時(shí)間”，在用戶未進(jìn)入按鍵設(shè)置時(shí)，三個(gè)菜單分別顯示水箱的實(shí)時(shí)溫度，實(shí)時(shí)水位和時(shí)間。當(dāng)用戶進(jìn)入設(shè)置時(shí)，通過光標(biāo)選擇所要設(shè)定的菜單，進(jìn)入并通過按鍵設(shè)置。 31 第四章：太陽能熱水器控制器的軟件設(shè)計(jì)熱水器不論在什么樣的天氣里，都能夠在設(shè)定的時(shí)間向用戶提供設(shè)定溫度的熱水，從而給用戶帶來便利。當(dāng)控制器在設(shè)定的時(shí)間使水溫達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，將通過聲光報(bào)警提醒用戶。根據(jù)這一要求，控制器軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括主程序、鍵盤中斷子程序、SD2200 更新周期結(jié)束中斷子程序、LED顯示子程序和提前加熱時(shí)間計(jì)算子程序等。系統(tǒng)主程序主要完成溫度和水位的檢測(cè)以及進(jìn)行輔助加熱時(shí)間預(yù)算和一些初始化功能。在主程序中采用了查表方法進(jìn)行輔助加熱提前量預(yù)。 主程序設(shè)計(jì)溫度 設(shè)定系統(tǒng)初始化讀水位溫度設(shè)定讀溫度水位開始開啟恒溫是是否啟動(dòng)加熱預(yù)算提前加熱時(shí)間時(shí)間到否圖 41 太陽能熱水器智能控制裝置主流程圖啟動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)初始化程序，溫度傳感器和水位傳感器檢檢測(cè)出熱水箱里的 32 溫度和水位并輸入單片機(jī)，并通過單片機(jī)處理后輸入顯示屏顯示。用戶接收到實(shí)時(shí)溫度水位數(shù)據(jù)，通過按鍵設(shè)定用戶所需的溫度和水位，按鍵信息輸入單片機(jī)，單片機(jī)將用戶設(shè)定數(shù)據(jù)與傳感器輸入實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，控制水閥調(diào)節(jié)熱水箱的水溫與水位，直到達(dá)到用戶設(shè)定的溫度水位值后返回。對(duì)于溫度和時(shí)間設(shè)定， 每次設(shè)定結(jié)束后，就將設(shè)定值存入 SD2200 中，下次開機(jī)時(shí)進(jìn)行讀取。這樣做至少有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：一是系統(tǒng)在不進(jìn)行設(shè)定時(shí)，就認(rèn)定該設(shè)定值和先前一次一樣，解決了每次開機(jī)總要從頭設(shè)定的問題，另一個(gè)是若系統(tǒng)在運(yùn)行中間停電而再次來電時(shí)，可以不用重新設(shè)定，就能按原設(shè)定值對(duì)溫度進(jìn)行控制，增強(qiáng)了控制器適應(yīng)外界變化的能力。對(duì)提前加熱時(shí)間的計(jì)算，則是系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能的重要一環(huán)。因?yàn)橄到y(tǒng)采用分段式水位檢測(cè)，若采用能量守恒的方法對(duì)提前加熱時(shí)間進(jìn)行預(yù)算，也同樣得不到精確的結(jié)果。為了避開繁瑣的計(jì)算過程，本系統(tǒng)中采用了模糊控制思想，使用了如下一些控制語句：IF 水位高 AND 溫度差大 THEN 加熱時(shí)間長(zhǎng)IF 水位適中 AND 溫度差適中 THEN 加熱時(shí)間適中IF 水位低 AND 溫度差低 THEN 加熱時(shí)間少采用這種思想后，可