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太阳能热水器控制电路设计

一、系统设计
1.设计原理
太阳能热水器自动控制电路采用AT89S52单片机作为控制核心，外围加蜂鸣器控制电路、数码显示电路、水位检测电路、电机控制电路、按键电路、温度检测电路等。数码管实时切换显示当前温度与当前液位，当液位过高时，蜂鸣器报警，并且电机反转模拟排水过程；当液位过低时，蜂鸣器报警，并且电机正转模拟进水过程。本系统设计简单，成本低，性能优良，具有一定的稳定性和实用性。

三、硬件电路设计
1.基本原理框图

图一：原理框图
（1）太阳能热水器控制装置主要组成
由CPU、显示电路、按键电路、蜂鸣器电路、电机电路、液位检测电路、温度检测电路、电源电路组成，如图一。
（2）太阳能热水器控制装置的工作原理
接通电源后，显示当前水位，水位被分为16个点。并且显示当前温度。液位显示与温度的显示切换进行。当水位显示低于或等于1时，蜂鸣器报警，并且电机正转，表示进水；当水位显示高于或等于15时，蜂鸣器报警，并且电机反转，表示排水。液位检测利用CD4051
2.各部分电路原理
（1）最小系统

最小系统电路如图二所示。

图二：最小系统
（2）显示电路
采用LED数码管显示，该方案具有实现容易、发光亮度大、驱动电路简单等优点，其可靠性也优于LCD的显示。。
由6个数码管和6个74LS164组成，采用串行静态显示的方法。将数码管的8个输入端与74LS164的输出端Q0~Q7相连。P1.0和74LS164的CLK连接，作为时钟；P1.4接74LS164的A端，作为显示数据的输入端。显示电路如图三所示。

图三：显示电路
但是使用74LS164串显会出现消隐的问题。为了消除消隐，那么就必须在硬件上与软件上结合来消除消隐的问题。消隐电路如图四所示。软件上，在传数据时，先传一个高电平，直到数据传完再传送一个低电平即可。

图四：消隐电路
（3）按键电路
键按下后，进行温度及液位检测的切换，也可不使用。按键电路如图五所示。

图五：按键电路
（4）蜂鸣器电路
以Q51的基极作为蜂鸣器控制信号的输入端与单片机I/O口相连，主要由蜂鸣器、9013与9014两个三极管及5.1K偏置电阻组成。当输入端为高电平时，Q51导通，Q52截止，蜂鸣器回路开路，蜂鸣器不响；当输入端为低电平时，Q51截止，Q52导通，蜂鸣器回路闭合，蜂鸣器发出响声。蜂鸣器电路如图六所示。

图六：蜂鸣器电路
（5）电机电路
控制信号从IN端输入并经前级缓冲后送入片内控制器，然后由控制部分处理并驱动晶体管，最后由OUT端输出方波信号以控制电机的运行。触发使能端口（CE）的作用是分别对两个通道的输出进行控制，当CE端为低电平时，无论有无输入控制信号，输出端OUT始终呈高阻抗状态。因此，要使FAN8200控制器输出工作正常，器件的触发使能端必须为高电平。当CE为高电平时，IN1为1时，电机正转；IN1为0时电机反转。电机电路如图七所示。

图七：电机电路
（6）液位检测电路
液位检测控制电路，由两片CD4051与CD4066构成，但是由于考虑到成本，并且所设计的电路I/O口使用并不是太多，所以，可以将CD4066省略，仅仅用两片CD4051即可实现功能。它是一种单片、COMS、8通道开关。该芯片由DTL/TTL-COMS电平转换器，带有禁止端的8选1译码器输入，分别加上控制的8个COMS模拟开关TG组成。
例如当检测到液位在端点4位置时，0、1、2、3、4点被没过，与公共端之间形成水电阻，由于水电阻阻值非常的笑，所以这几点的电平被拉低。此时就可以确定在ABC点读到的数为“100”此时就可以通过单片机计算得出液位的高度。液位检测电路如图八所示。

图八：液位检测电路
（7）温度检测电路
采用DS18B20数字温度传感器。它是DALLAS公司生产的单总线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、搞干扰能力强、易配处理器等优点，特别适用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（提供9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片。它具有3引脚TO－92小体积封装形式，温度测量范围为－55℃～＋125℃，可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。
根据设计要求，DS18B20硬件电路的链接非常简单，仅一根电源线，一根地线和一根数据线即可。温度检测电路如图九所示。

图九：温度检测电路
（8）电源电路
由于电源电压为5V，所以电路中省去了稳压电源部分的电路，直接使用电源电压即可。在电源与地之间加滤波电容，稳定输入到芯片上的电源电压。电源电路如图十所示。

图十：电源电路

四、软件设计
2.I/O口分配
I/O口
P3.0
P3.1
P3.3
P3.5
P1.1
分配
74LS164数据端
74LS164时钟
电机转向控制端
蜂鸣器控制端
4051-A
I/O口
P1.2
P1.3
P1.4
P1.6
P1.7
分配
4051-B
4051-C
4051-INH
K1
K2
3.软件流程图

五、实现功能
1.液位检测
将水尺放进水中，通电之后，显示当前的水位。最低点水位为1，最高点水位为16。当水位低于点2时，显示H 02的同时蜂鸣器响，电机正转，模拟进水过程；直到水位高于点2后，蜂鸣器停止发声，电机不转。当高于水位点15时，显示H 15的同时蜂鸣器响，电机反转，模拟排水过程；直到水位低于点15后，蜂鸣器停止发生，电机不转。
2.温度检测
实时监测当前温度，与水位切换显示。例如显示为C 27.6。

七、参考文献
[1] 阎石 《数字电子技术》
[2] 胡汉才.《单片机原理及接口技术》.清华大学出版社,1996
[3] 童诗白.《模拟电子技术基础》。高等教育出版社，2001

附录一 程序
;标志
;32H水位标志
;BAOZHI BIT 33H;显示标志;33H=0显水位，33H=1显温度
;DINGS BIT 34H;34H=0定时,34H=1计数
;alarmflag BIT 24H;蜂鸣器报警标志
;74164A BIT P3.0;164数据端
;CLK BIT P3.1;164时钟
;CE BIT P1.5;电机控制端为1
;M1 BIT P3.3;P3.3=1电机正转，反之反转。
;SPK BIT P3.5;蜂鸣器控制
;LA BIT P1.1;4051点A
;LB BIT P1.2;4051点B
;LC BIT P1.3;4051点C
;4051INH BIT P1.4;4051的INH端
;K1 BIT P1.6;按键1（水位检测状态）
;K2 BIT P1.7;按键2（温度检测状态）

ORG 0000H
LJMP MAIN
ORG 0100H
MAIN: MOV SP,#60H
CLR P1.5;电机不转
MM3: MOV 50H,#20H;水位显示时长
MM33: LCALL SWEI;水位检测
DJNZ 50H,MM33
LCALL XIANC;显C
SJMP MM1
MM1: MOV 50H,#10H;温度显示时长
MM2 : LCALL WDCJ;温度检测
DJNZ 50H,MM2
LCALL XIANH;显H
SJMP MAIN
WDCJ: LCALL GET_TEMP;采集温度值以16进制数，低位放R7,高位放R6
CHENGFA: MOV R3,#0AH;0AH乘以温度值R7R6，结果在R2R3R4R5中，R2最高字节
MOV R2,#00H
LCALL MULD
CHUFA: MOV R6,#00H;被除数在R2R3R4R5中，R2最高字节，除数在R6R7，R6高字节，结果在R2R3。
MOV R7,#10H
MOV R2,#00H
MOV R3,#00H
LCALL DIVD
MOV 20H,R3;R3低字节
MOV 21H,R2
ACALL YASO;压缩16进制数变成压缩10进制数
ACALL L11; 压缩--非压缩
ACALL DAIM; 代码--段码
ACALL XIAN; 显示
LCALL XIANC
LCALL XIAOSH
LCALL DEL2
RET
GET_TEMP:CLR PSW.4
CLR PSW.3;设置工作寄存器当前所在的区域
CLR EA;使用DS1820一定要禁止任何中断产生
LCALL INT ;调用初始化子程序
MOV A,#0CCH
LCALL WRITE ;送入跳过ROM命令
MOV A,#44H
LCALL WRITE ;送入温度转换命令
LCALL INT ;温度转换完全，再次初始化DS1820
MOV A,#0CCH
LCALL WRITE ;送入跳过ROM命令
MOV A,#0BEH
LCALL WRITE ;送入读温度暂存器命令
LCALL READ
MOV R7,A ;读出温度值低字节存入R7
LCALL READ
MOV R6,A ;读出温度值高字节存入R7
SETB EA
RET
INT: CLR EA ;初始化DS1820
L0: CLR P3.4 ;DS1820总线为低复位电平
MOV R2,#200
L1: CLR P3.4
DJNZ R2,L1 ;总线复位电平保持400US
SETB P3.4 ;释放DS1820总线
MOV R2,#30H
L4: DJNZ R2,L4 ;释放DS1820总线保持60US
CLR C;清存在信号
ORL C,P3.4
JC L0;存在吗？不存在则重新来。
MOV R6,#80H
L5: ORL C,P3.4
JC L3
DJNZ R6,L5
SJMP L0
L3: MOV R2,#240
L2: DJNZ R2,L2
RET
WRITE:CLR EA
MOV R3,#8
WR1: SETB P3.4
MOV R4,#8
RRC A
CLR P3.4
WR2: DJNZ R4,WR2
MOV P3.4 ,C
MOV R4,#20
WR3: DJNZ R4,WR3
DJNZ R3,WR1
SETB P3.4
RET
READ: CLR EA
MOV R6,#8;连续读8个BIT
RE1: CLR P3.4 ;读前总线保持为低
MOV R4,#4
NOP
SETB P3.4 ;开始读，总线释放
RE2: DJNZ R4,RE2;持续8US
MOV C,P3.4 ;从臘S1820总线读得一个BIT
RRC A;
MOV R5,#30
RE3: DJNZ R5,RE3;持续60US
DJNZ R6,RE1;读下一个BIT
SETB P3.4 ;重新释放DS1820总线
RET
YASO: MOV R0, #20H;压缩16进制数变成压缩10进制数
MOV R7, #02H
MOV R1, #28H
LCALL LY1
RET
LY1: MOV A, R0
MOV R5, A
MOV A, R1
MOV R6, A
MOV A, R7
INC A
MOV R3, A
CLR A
LY2: MOV @R1, A
INC R1
DJNZ R3, LY2
MOV A, R7
MOV B, #08H
MUL AB
MOV R3, A
LY3: MOV A, R5
MOV R0, A
MOV A, R7
MOV R2, A
CLR C
LY5: MOV A, @R0
RLC A
MOV @R0, A
INC R0
DJNZ R2, LY5
MOV A, R6
MOV R1, A
MOV A, R7
MOV R2, A
INC R2
LY4: MOV A, @R1
ADDC A, @R1
DA A
MOV @R1, A
INC R1
DJNZ R2, LY4
DJNZ R3, LY3
RET
L11: MOV R1,#10H;压缩10进制数变成非压缩十进制数
MOV R2,#03H
MOV R0,#28H
L12: MOV A, @R0
ANL A, #0FH
MOV @R1, A
INC R1
MOV A, @R0
SWAP A
ANL A, #0FH
MOV @R1, A
INC R0
INC R1
DJNZ R2, L12
RET
DAIM: MOV R2, #05H;代码变段码码
MOV R0, #10H
MOV R1, #20H
L12F: MOV A, @R0
ADD A, #06H
MOVC A, @A+PC
MOV @R1, A
INC R0
INC R1
DJNZ R2, L12F
RET
DB 3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH,7DH,07H
DB 7FH,6FH,77H,7CH,39H,5EH,79H,71H
DB 00H,40H,73H,03H,18H,23H,1CH,3DH,76H,0FH,1EH,38H
XIAN: CLR P3.2
MOV R0, #20H;显示
MOV R2,#05H
LP1: MOV R1,#08H
MOV A,@R0
LP2: RLC A
MOV P3.0,C
CLR P3.1
SETB P3.1
DJNZ R1,LP2
INC R0
DJNZ R2,LP1
SETB P3.2
RET
DEL: MOV R5,#14H
Y3: MOV R6, #0FFH
Y2: MOV R7, #0FFH
Y1: DJNZ R7, Y1
DJNZ R6, Y2
DJNZ R5,Y3
RET
XIAOSH: MOV A, 21H;小数点程序
ORL A, #80H
MOV 21H, A
LCALL XIAN
RET
LBB: MOV A, #10H;清显示
MOV R0, #10H
MOV R2, #05H
LB1: MOV @R0, A
INC R0
DJNZ R2, LB1
RET
BEING: MOV 10H,#10H
MOV 11H,#10H
MOV 12H,#10H
MOV 13H,#10H
MOV 14H,#18H
ACALL DAIM; 代码--段码
ACALL XIAN; 显示
RET
XIANC: ;MOV 10H,#10H
; MOV 11H,#10H
;MOV 12H,#10H
MOV 13H,#10H
MOV 14H,#0CH
ACALL DAIM; 代码--段码
ACALL XIAN; 显示
RET
MULD: MOV A,R3 ;双字节乘法子程
MOV B,R7
MUL AB
MOV R4,B
MOV R5,A
MOV A,R3
MOV B,R6
MUL AB
ADD A,R4
MOV R4,A
CLR A
ADDC A,B
MOV R3,A
MOV A,R2
MOV B,R7
MUL AB
ADD A,R4
MOV R4,A
MOV A,R3
ADDC A,B
MOV R3,A
CLR A
RLC A
XCH A,R2
MOV B,R6
MUL AB
ADD A,R3
MOV R3,A
MOV A,R2
ADDC A,B
MOV R2,A
RET
DIVD: CLR C;双字节除法子程
MOV A,R3
SUBB A,R7
MOV A,R2
SUBB A,R6
JC DVD1
SETB OV
RET
DVD1: MOV B,#10H
DVD2: CLR C
MOV A,R5
RLC A
MOV R5,A
MOV A,R4
RLC A
MOV R4,A
MOV A,R3
RLC A
MOV R3,A
XCH A,R2
RLC A
XCH A,R2
MOV F0,C
CLR C
SUBB A,R7
MOV R1,A
MOV A,R2
SUBB A,R6
ANL C,/F0
JC DVD3
MOV R2,A
MOV A,R1
MOV R3,A
INC R5
DVD3: DJNZ B,DVD2
MOV A,R4
MOV R2,A
MOV A,R5
MOV R3,A
CLR OV
RET
SWEI: MOV 32H,#10H;把16送32H
SW1: MOV A,32H ;A=16
DEC A;减1
RL A;乘以2
ADD A,#0E1H;保护没有用的位
MOV P1,A;输出扫描值
NOP
NOP
NOP
NOP
NOP
NOP
JNB P1.0,SW11;为0该点在水中应显示，否则点位减1
MOV A,32H
CLR C
SUBB A,#01H
JC SW11
MOV 32H,A
SJMP SW1
LCALL DEL
RET
SW11: LCALL DEL2
MOV 20H,32H;
MOV 21H,#00H
ACALL YASO;压缩16进制数变成压缩10进制数
ACALL L11; 压缩--非压缩
LCALL DAIM
LCALL XIAN
LCALL XIANH
BJ: CLR P1.5
SETB P3.5
MOV A,32H
CLR C
SUBB A,#01H
JC SWL
MOV A,32H
CLR C
SUBB A,#0FH
JNC SWH
RET
SWL: CLR P3.5;水位低报警
SETB P1.5;电机正转
SETB P3.3
LCALL DEL
SETB P3.5
CLR P1.5
RET
SWH: CLR P3.5;水位低报警
SETB P1.5;电机反转
CLR P3.3
LCAL L DEL
SETB P3.5
CLR P1.5
RET
XIANH: MOV 12H,#10H
MOV 13H,#10H
MOV 14H,#18H
ACALL DAIM; 代码--段码
ACALL XIAN; 显示
RET
DEL2: MOV R5,#80H
Y33: MOV R7, #0FFH
Y11: DJNZ R7, Y11
DJNZ R5,Y33 RET EN

附录一 原理图