太陽能熱水器控制裝置本科畢業(yè)論文-資料下載頁

【導(dǎo)讀】環(huán)境污染成為全球性的危機(jī)，清潔能源與可再生能源成為人們最關(guān)注的主題。有非常大的意義。本文將設(shè)計(jì)一種適合于家用、高性能的太陽能熱水器控制裝。置，實(shí)現(xiàn)多種自動(dòng)化功能，使用方便、人性化。該設(shè)計(jì)綠色環(huán)保，符合國內(nèi)低。碳經(jīng)濟(jì)，具有可持續(xù)發(fā)展性。這一設(shè)計(jì)將鼓勵(lì)太陽能熱水器更廣泛的使用，從。而推動(dòng)低碳能源的利用，環(huán)保節(jié)能。鍵可以實(shí)現(xiàn)對水溫和水位的設(shè)定。全文分三大部分。器的優(yōu)勢與更廣闊的發(fā)展前景。第二部分包括第二章，描述太陽能系統(tǒng)組成及。本設(shè)計(jì)的相應(yīng)技術(shù)指標(biāo)和要求。第三部分包括第三、四章硬件設(shè)計(jì)及電路原理

　　

【正文】 32個(gè)可編程的 I/O口，封裝形式有： 40引腳 PDIP封裝，44引腳 TQFP封裝，與 44引腳 MLF封裝。 圖 34 太陽能熱水器智能控制器硬件總結(jié)構(gòu)圖 溫度檢測部分 本設(shè)計(jì)中，筆者選用 DS18B20溫度傳感器。 DS18B20測量溫度范圍為 55℃ 17 圖 35 DS18B20 溫度傳感器外觀 設(shè)計(jì)圖 ~+125℃， 在 系統(tǒng)所需要的 10℃ ~+85℃ 范圍內(nèi) ， 精度為177。 ℃，亦滿足條件。同時(shí)， 新的產(chǎn)品支持 3V~，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便。而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小 ，大大提高了 DS18B20產(chǎn)品的性價(jià)比，是本設(shè)計(jì)理想的選 擇。 溫度傳感器 DS18B20 簡介 “ 一線式 ” 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 是 DS1820 的更新?lián)Q代產(chǎn)品 (由美國DAIIAS 公司生產(chǎn) )。 它具有體積小 ， 分辨率高 ， 轉(zhuǎn)換快等優(yōu)點(diǎn)。由于每片 DS18B20 含有唯一的硅串行數(shù) ， 再加上 DS18B20 獨(dú)特的單線總線結(jié)構(gòu) ， 決定了 DS18B20特別適合于大型的多路溫度實(shí)時(shí)測控系統(tǒng)的溫度檢測 。 溫度實(shí)時(shí)測控集裝箱的設(shè)計(jì) ， 在實(shí)現(xiàn)測控系統(tǒng)的溫度檢測方面就較好地利用 DS18B20 的獨(dú)到特點(diǎn) ，使系統(tǒng)得到了極大的簡化。 DS18B20的特性 (1) DS18B20 在 I/O 處理器連接時(shí) ， 僅需要一個(gè) I/O 口即可實(shí)現(xiàn)微處理器同 DS18B20 的雙向通訊。 (2) DS18B20 支持組網(wǎng)功能 ， 多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的單線上 ， 實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫。 (3) DS18B20 的測溫范圍為 ： 55℃ ~+125℃ ， 在 10℃ ~+ 85℃ 時(shí) ， 其精度為 + ℃ 。 (4) DS18B20 的測溫結(jié)果的數(shù)字量位數(shù)從 9~12 位 ， 可編程進(jìn)行選擇。 (5) DS18B20 內(nèi)含寄生電源，器件既可以由單線總線供電 ，也可用外部的電源 (310V~515V )供電。 DS18B20 測溫原理 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 ， 如圖 35 所示。 18 存 儲(chǔ) 器 控 制 邏 輯8 位 C R C 觸 發(fā) 器低 溫 低 觸 發(fā) 器高 溫 度 觸 發(fā) 器溫 度 傳 感 器存儲(chǔ)器電源檢測6 4 位 R O M和單 線接 口 圖 36 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 DS18B20 的測溫原理： DS18B20 測量溫度采用了特有的溫度測量技術(shù) ， 它是通過計(jì)數(shù)時(shí)鐘周期來實(shí)現(xiàn)的，內(nèi)部計(jì)數(shù)器對一個(gè)受溫度影響的振蕩器的脈沖計(jì)數(shù) 。 低溫時(shí) ， 振蕩器的脈沖可以通過門電路。而當(dāng)?shù)竭_(dá)某一設(shè)置高溫時(shí) ， 振蕩器的脈沖無法通過門電路。計(jì)數(shù)器設(shè)置為 55℃ 。同時(shí) ， 計(jì)數(shù)器復(fù)位在當(dāng)前的溫度值時(shí) ， 電路對振蕩器的溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償 ， 計(jì)數(shù)器重新開始計(jì)數(shù)直到回零。如果門電路仍未 關(guān)閉 ， 則系統(tǒng)重復(fù)上述過程。 DS18B20的操作協(xié)議 DS18B20 單純通信功能是分時(shí)完成的。單線信號(hào)包括復(fù)位脈沖 ， 響應(yīng)脈沖 ，寫“ 0” ， 寫“ 1” ， 讀“ 1” 。它們有嚴(yán)格的時(shí)隙概念。 系統(tǒng)對 DS18B20 的操作以ROM 命令 (5 個(gè) )和存儲(chǔ)器命令 (6 個(gè) )形式出現(xiàn)。對它的操作協(xié)議是：初始化DS18B20 發(fā)復(fù)位脈沖→發(fā) ROM 功能命令→處理數(shù)據(jù)→發(fā)存儲(chǔ)器命令處理數(shù)據(jù)。各種操作都有相應(yīng)的時(shí)序圖。 DS18B20 在使用時(shí) ， 一般都采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。只需將 DS18B20 信號(hào)線與單片機(jī) 1 位 I/O 線相連 ， 且單片機(jī)的 1 位 I/O 線可掛接多個(gè) DS18B20，就可實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)或多點(diǎn)溫度檢測。 DS18B20 傳感器精度高、互換性好 ； 它直接將溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼 ， 可以只使用一根電纜傳輸溫度數(shù)據(jù) ， 通信方便 ， 傳輸距離遠(yuǎn)且抗干擾性好：與用傳統(tǒng)溫度傳感器組成的多點(diǎn)測溫系統(tǒng)相比可節(jié)省大量電纜 ， 而且系統(tǒng)得以簡化 ， 系統(tǒng)擴(kuò)充維護(hù)十分方便。 DS18B20 可以廣泛用于工廠工業(yè)過程、大型糧倉、釀酒廠 、 食品加工廠的溫度檢測以及賓館、儀器儀表室等處的溫 度檢測和控制。 19 DS18B20 封裝 圖 37 DS18B20 封裝圖 DS18B20 與單片機(jī)接口 A T m e g a 1 6 P B 7D S 1 8 B 2 0 + 3 V ~ + 5 . 5 V 4 . 7 K G N D V C C I / O 圖 38 DS18B20 傳感器測溫電路圖 本系統(tǒng)中采用 DS18B20作為溫度傳感器。 DS18B20的測量范圍從 55℃ ~ + 125℃ ， 增量值為 0. 5， 可在 1s (典型值 ) 內(nèi)把溫度變換成數(shù)字。因此作為熱水器的溫度測量 ， 精度合乎要求。信息經(jīng)過單線接口入 DS18B20或從 DS18B20送出因此從主機(jī) CPU到 DS18B20僅需一條線 (和地線 )。 DS1820的電源可以由數(shù)據(jù)線本身提供而不需要部電源。但使用外部電源可以提高測量速度。具體的電路如圖 36所示 。 DS18B20 工作時(shí)序 DS18B20 的所有通信 都由 復(fù)位脈沖組成的初始化序列開始。該初始化序列由主機(jī)發(fā)出，后跟由 DS18B20 發(fā)出的存在脈沖（ presence pulse）。圖 38 闡述 20 了這一點(diǎn)。當(dāng)發(fā)出應(yīng)答復(fù)位脈沖的存在脈沖后， DS18B20 通知主機(jī)它在總線上并且準(zhǔn)備好操作了。在初始化步驟中，總線上的主機(jī)通過拉低單總線至少 480μs來產(chǎn)生復(fù)位脈沖。然后總線主機(jī)釋放總線并進(jìn)入接收模式。當(dāng)總線釋放后， 5kΩ的上拉電阻把單總線上的電平拉回高電平。當(dāng) DS18B20 檢測到上升沿后等待15 到 60us，然 后以拉低總線 60240us 的方式發(fā)出存在脈沖。主機(jī)將總線拉低最短 480us，之后釋放總線。由于 5kΩ 上拉電阻的作用，總線恢復(fù)到高電平。DS18B20 檢測到上升沿后等待 15 到 60us，發(fā)出存在脈沖：拉低總線 60240us。至此，初始化和存在時(shí)序完畢。 V C C單 線 總 線控 制 器 T X 復(fù) 位 脈 沖 4 8 0 u s m i n 9 6 0 u s m a x D S 1 8 2 0等 待 1 5 6 0 u s D S 1 8 2 0 存 在 脈 沖 6 0 2 4 0 u s 控 制 器 R X 4 8 0 u s m i n G N D 圖 39 DS18B20 初始化時(shí) 序圖 DS18B20 讀程序如圖 310 所示，首先 將數(shù)據(jù)線拉高 “ 1” ， 延時(shí) 2 微秒 。然后 將數(shù)據(jù)線拉低 “ 0” 。延時(shí) 15 微秒。將數(shù)據(jù)線拉高 “ 1” 。 延時(shí) 15 微秒。讀數(shù)據(jù)線的狀 態(tài)得到 1 個(gè)狀態(tài)位，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 G N D控 制 器 采 樣 1 u s1 5 u s1 5 u s 3 0 u s 1 5 u s 控 制 器 讀 0 時(shí) 間 隙 控 制 器 采 樣控 制 器 讀 1 時(shí) 間 隙1 u s T r e c ∞ 圖 310 DS18B20 讀時(shí)序圖 DS18B20 的寫操作如圖 311 所示， 數(shù)據(jù)線先置電平 “ 0” ， 延時(shí)確定的時(shí)間為 15 微秒 然后 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。 21 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 測量，將測量數(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)，需對其進(jìn)行校正并將測量值換算為 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)將溫度對應(yīng)的轉(zhuǎn)換值讀 入 Atmega16 的 EEPROM 內(nèi)存，溫度轉(zhuǎn)換值的對應(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 完成對溫度的測量，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： 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。 23 22 21 20 21 22 23 24 S S S S S 26 25 24 22 DS18B20 溫度傳感器的多點(diǎn)測量 本設(shè)計(jì)需要兩個(gè) DS1820溫度傳感器，分別測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 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 23 圖 313 SD2200 時(shí)鐘芯片引腳圖 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 )，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）。 I2C 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 。 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 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 1