2.3 各模塊方案選擇與電路設(shè)計(jì)

2.3.1 微控制器選擇

方案一：PIC16C72單片機(jī)為控制器件的智能電熱水器

PIC16C72是美國(guó)微芯(Microchip)公司推出的8/11位單片機(jī)，采用寬字節(jié)單周期指令，哈佛雙總線和RISC結(jié)構(gòu)，其數(shù)據(jù)吞吐量最高可達(dá)6MIPS，這幾乎是其它大多數(shù)8位微控制器速度的4倍128腳封裝的PIC16C72單片機(jī)內(nèi)集成了以下主要功能：2KB片內(nèi)ROM程序存儲(chǔ)器，128KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；22位I/O線；5路8位A/D轉(zhuǎn)換器，2個(gè)8位，1個(gè)16位多功能計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，1個(gè)捕捉/比較/脈寬調(diào)制(CCP)部件。

以PIC16C72為控制芯片的電熱水器，雖然功能很強(qiáng)大，但是存在一些很需要改進(jìn)的地方：中斷的現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)是中斷應(yīng)用中一個(gè)很重要的部分由PIC16C72的指令系統(tǒng)中沒有專門的PUSH(入棧)和POP(出棧)指令，所以要用一段程序來實(shí)現(xiàn)該功能。對(duì)可能用到的W寄存器和STATUS寄存器內(nèi)容進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)1然后在中斷服務(wù)程序中對(duì)馬達(dá)，繼電器進(jìn)行控制1漏電檢測(cè)報(bào)警在中斷里給出，而每50ms進(jìn)入一次中斷，所以發(fā)生漏電時(shí)最多50ms即可切斷電源1入口→中斷保護(hù)→控制馬達(dá)→控制繼電器如果用直流對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，其轉(zhuǎn)速太快，過調(diào)量太大，容易引起震蕩。

方案二：STC89C52單片機(jī)為控制器件的智能電熱水器

STC89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元，AT89C52單片機(jī)在電子行業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用。

STC89C52有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫口線，STC89C52可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程，也可以在線編程。其將通用的微處理器和Flash存儲(chǔ)器結(jié)合在一起，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器可有效地降低開發(fā)成本。

通過以上兩種設(shè)計(jì)方法的比較來看，實(shí)現(xiàn)電熱水器的智能控制可以有很多種方法?？梢圆捎每删幊绦蚩刂破鱌LC，各種單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)。但考慮到成本控制和軟硬件實(shí)現(xiàn)難度，采用方案二的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，圖2-3為單片機(jī)最小系統(tǒng)，包括晶振電路、復(fù)位電路。

圖2-3 單片機(jī)最小系統(tǒng)

復(fù)位電路：在單片機(jī)啟動(dòng)0.1S后，電容C兩端的電壓持續(xù)充電為5V，這是時(shí)候10K電阻兩端的電壓接近于0V，RST處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。當(dāng)復(fù)位按鍵按下的時(shí)候，開關(guān)導(dǎo)通，電容兩端形成了一個(gè)回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個(gè)過程中，電容開始釋放之前充的電量。隨著時(shí)間的推移，電容的電壓在0.1S內(nèi)，從5V釋放到變?yōu)榱?/span>1.5V，甚至更小。根據(jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，這個(gè)時(shí)候10K電阻兩端的電壓為3.5V，甚至更大，所以RST引腳又接收到高電平。單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。

晶振電路：晶體振蕩器是該電路的核心組件，它包括一個(gè)晶體和兩個(gè)電容。晶體的頻率決定了單片機(jī)的工作時(shí)鐘頻率，本設(shè)計(jì)頻率為11.0592MHz。晶體的一端連接到單片機(jī)的XTAL1引腳，另一端連接到XTAL2引腳。兩個(gè)電容分別連接到晶體的兩端，并與地連接。整個(gè)電路的目的是為單片機(jī)提供準(zhǔn)確的時(shí)鐘信號(hào)，以確保其正常運(yùn)行。晶振電路在初始化時(shí)起到關(guān)鍵作用，通過提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)使單片機(jī)能夠正確地執(zhí)行程序。

2.3.2 水位檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

方案一：液位傳感器檢測(cè)水位

該模塊主要是利用三極管的電流放大原理，當(dāng)液位高度使三極管的基極與電源正極導(dǎo)通的時(shí)候，在三極管的基極和發(fā)射極之間就會(huì)產(chǎn)生一定大小的電流，此時(shí)在三極管的集電極和發(fā)射極之間就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)一定放大倍數(shù)的電流，該電流經(jīng)過發(fā)射極的電阻產(chǎn)生電壓供AD轉(zhuǎn)換器采集，如圖2-4為液位傳感器實(shí)物圖，模塊輸出電壓隨模塊浸入液體深度的增加而增大。

圖2-4 液位傳感器

方案二：超聲波檢測(cè)水位

超聲波檢測(cè)水位工作原理是由換能器（探頭）發(fā)出超聲波脈沖遇到被測(cè)介質(zhì)表面被反射回來，部分反射回波被同一換能器接收，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。根據(jù)超聲波遇障礙反射的原理進(jìn)行測(cè)距的，能夠發(fā)送超聲波、接收超聲波并通過處理，是常用的測(cè)距模塊之一。HC-SR04是最常用的超聲波測(cè)距模塊之一，圖2-5為超聲波模塊實(shí)物圖。

?

圖2-5 HC-SR04實(shí)物圖

液位傳感器為接觸式傳感器，傳感器未設(shè)計(jì)為完全浸入水中，在使用過程中需謹(jǐn)慎，防止PCB上裸露的走線與水接觸。此傳感器將輸出0-1024之間的模擬信號(hào)，但隨著走線長(zhǎng)度的增加，可用范圍會(huì)縮小。而超聲波模塊HC-SR04為非接觸式測(cè)量，最大的優(yōu)點(diǎn)是它可以實(shí)時(shí)檢測(cè)液位的變化，可以將水位轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，用戶可以實(shí)時(shí)清楚地知道剩余水量。超聲波液位傳感器的精度可達(dá)±3mm，精度高，能夠非常準(zhǔn)確地檢測(cè)液位，采用超聲波測(cè)距對(duì)被測(cè)液體影響較小，更衛(wèi)生。綜上所述，本設(shè)計(jì)選擇方案二。

HC-SR04超聲波模塊可提供2cm~400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，有2cm的盲區(qū)，工作電壓為5V，內(nèi)部模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。表2-1為HC-SR04的引腳功能表。

表2-1 HC-SR04引腳功能表

引腳	功能
Vcc	+5V電源供電
Trig	輸入觸發(fā)信號(hào)
Echo	傳出信號(hào)回響
GND	接地

圖2-6為HC-SR04的時(shí)序圖，只需要提供一個(gè)10μs以上脈沖觸發(fā)信號(hào)，該模塊內(nèi)部將發(fā)出8個(gè)40kHz周期電平并檢測(cè)回波。一旦檢測(cè)到有回波信號(hào)則輸出回響信號(hào)?；仨懶盘?hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比。由此通過發(fā)射信號(hào)到收到的回響信號(hào)時(shí)間間隔可以計(jì)算得到距離。測(cè)量周期為60ms以上，以防止發(fā)射信號(hào)對(duì)回響信號(hào)的影響。

圖2-6 超聲波時(shí)序圖

圖2-7為超聲波水位檢測(cè)模塊電路原理圖，TR接單片機(jī)的P1.1，ECHO接單片機(jī)的P1.0，當(dāng)水位在晚上十點(diǎn)到第二天早上七點(diǎn)低于20%會(huì)自動(dòng)上水，可以有效避免集熱管炸裂和冷水壓力不足的問題。

圖2-7 水位檢測(cè)電路

2.3.3 溫度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

方案一：基于K型熱電偶的溫度檢測(cè)模塊

熱電偶是工業(yè)中常用的一種溫度傳感器。它的工作原理是兩種不同成份的材質(zhì)導(dǎo)體組成閉合回路，當(dāng)兩端存在溫度梯度時(shí)，回路中就會(huì)有電流通過，此時(shí)兩端之間就存在電動(dòng)勢(shì)。K型熱電偶即鎳鉻-鎳硅熱電偶,是目前用量最大的廉金屬熱電偶,其使用溫度為-270℃~1372℃。先使用K型熱電偶對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行檢查，再經(jīng)過K型熱電偶模數(shù)轉(zhuǎn)換器—MAX6675，進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)換成12位二進(jìn)制數(shù)據(jù)采集進(jìn)單片機(jī)，以便單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

方案二：基于DS18B20的溫度檢測(cè)模塊

DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有3引腳TO－92小體積封裝形式；溫度測(cè)量范圍為－55℃～＋125℃,可編程為9位～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.0625℃，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出，支持3V～5.5V的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便；其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生；多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，CPU只需一根端口線就能與諸多DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在EEPROM中，掉電后依然保存。

綜上所述，DS18B20是單總線數(shù)字溫度測(cè)量芯片，相較于K型熱電偶具有體積小，硬件開銷低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)，因此本設(shè)計(jì)選用溫度傳感器DS18B20采集實(shí)時(shí)溫度。圖2-8為溫度檢測(cè)電路，引腳1接地，引腳2接單片機(jī)的P3.7，引腳3接5V。

圖2-8 溫度檢測(cè)電路

DS18B20返回的16位二進(jìn)制數(shù)代表此刻探測(cè)的溫度值，其高五位代表正負(fù)。如果高五位全部為1，則代表返回的溫度值為負(fù)值。如果高五位全部為0，則代表返回的溫度值為正值。后面的11位數(shù)據(jù)代表溫度的絕對(duì)值，將其轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制數(shù)值之后，再乘以0.0625即可獲得此時(shí)的溫度值。

由于要實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能水溫采集，因此本設(shè)計(jì)選用防水型DS18B20探頭進(jìn)行檢測(cè)，如圖2-9所示，其引腳功能與上述相同，紅色線接5V，黑色線接地，黃色線為信號(hào)線。

圖2-9 防水型DS18B20探頭

2.3.4 LCD顯示電路設(shè)計(jì)

方案一：OLED顯示

OLED即有機(jī)發(fā)光二極管，同時(shí)具備自發(fā)光，不需背光源、對(duì)比度高、厚度薄、視角廣、反應(yīng)速度快、可用于撓曲性面板和使用溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。有4種工作模式，分別是6800、8080兩種并行接口方式、4線的SPI接口方式、IIC接口方式。本質(zhì)上來說OLED顯示是基于每個(gè)像素點(diǎn)的點(diǎn)亮，像素點(diǎn)就可以等效于一個(gè)極小的LED燈，利用取模工具將我們表現(xiàn)的漢字、字符串、圖片和動(dòng)畫等做成字庫(kù)，進(jìn)而利用字庫(kù)去點(diǎn)亮規(guī)定好得LED燈及像素點(diǎn)，即可完成OLED得顯示目的。

方案二：LCD1602顯示

采用LCD1602液晶屏來構(gòu)成顯示部分，能夠同時(shí)顯示32個(gè)字符，是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。LCD1602液晶顯示器是廣泛使用的一種字符型液晶顯示模塊。它是由字符型液晶顯示屏（LCD）、控制驅(qū)動(dòng)主電路HD44780及其擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)電路HD44100，以及少量電阻、電容元件和結(jié)構(gòu)件等裝配在PCB板上而組成。該顯示屏的優(yōu)點(diǎn)是耗電量低、體積小、輻射低。

在寫的方式下，OLED中每次要寫8個(gè)點(diǎn)，在畫點(diǎn)的時(shí)候，就必須把要設(shè)置的點(diǎn)所在的字節(jié)的每個(gè)位當(dāng)前的狀態(tài)都必須清楚，否則寫入的數(shù)據(jù)就會(huì)覆蓋掉之前的狀態(tài)。一般采用的辦法是在單片機(jī)的內(nèi)部建立一個(gè)OLED的區(qū)域（共128個(gè)字節(jié)），在每次修改的時(shí)候，只是修改單片機(jī)上的該區(qū)域，在修改完了之后，一次性把該區(qū)域?qū)懭氲絆LED的GRAM。這個(gè)方法就是對(duì)于靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器很小51單片機(jī)比較麻煩了?？紤]到功能的實(shí)現(xiàn)難易程度和性價(jià)比本設(shè)計(jì)選用方案二。

LCD1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表2-2所示。

表2-2 LCD1602引腳說明表

編號(hào)	符號(hào)	引腳說明
1	VSS	電源地
2	VDD	電源正極
3	VL	液晶顯示偏壓
4	RS	數(shù)據(jù)/命令選擇
5	R/W	讀/寫選擇
6	E	使能信號(hào)
7-14	D0-D7	數(shù)據(jù)
15	BLA	背光源正極
16	BLK	背光源負(fù)極

結(jié)合LCD1602工作原理設(shè)計(jì)電路原理圖如圖2-10所示，數(shù)據(jù)口接單片機(jī)的P0口，P0口要接上拉電阻，P0口作為I/O口輸出的時(shí)候時(shí)輸出低電平為0，輸出高電平為高組態(tài)（并非5V，相當(dāng)于懸空狀態(tài)）。P0口不能真正的輸出高電平給所接的負(fù)載提供電流，因此必須接上拉電阻，電阻連接到VCC，由電源通過這個(gè)上拉電阻給負(fù)載提供電流。由于P0口內(nèi)部沒有上拉電阻，是開漏的，不管它的驅(qū)動(dòng)能力多大，相當(dāng)于它是沒有電源的，需要外部的電路提供，本設(shè)計(jì)中P0口用于數(shù)據(jù)傳輸，必需加上拉電阻的。示屏上顯示有當(dāng)前的水溫、水位、時(shí)間以及設(shè)置上水的時(shí)間，默認(rèn)上水時(shí)間為00：00。

圖2-10 LCD1602電路原理圖

2.3.5 時(shí)鐘模塊電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選擇常用的DS1302作為時(shí)鐘模塊的芯片，DS1302可慢速充電實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片包含實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷和31字節(jié)的非易失性靜態(tài)RAM，它經(jīng)過一個(gè)簡(jiǎn)單的串行接口與微處理器通信。實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷可對(duì)秒、分、時(shí)、日、周、月和年進(jìn)行計(jì)數(shù)，對(duì)于小于31天的月，月末的日期自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，還具有閏年校正的功能。時(shí)鐘可以采用24小時(shí)格式或帶AM（上午）/PM（下午）的12小時(shí)格式。31字節(jié)的RAM可以用來臨時(shí)保存一些重要數(shù)據(jù)。使用同步串行通信，簡(jiǎn)化了DS1302與微處理器的通信。

與時(shí)鐘/RAM通信僅需3根線：（1）RST（復(fù)位），（2）I/O（數(shù)據(jù)線）和（3）SCLK（串行時(shí)鐘）。數(shù)據(jù)可以以每次一個(gè)字節(jié)的單字節(jié)形式或多達(dá)31字節(jié)的多字節(jié)形式傳輸。DS1302能在非常低的功耗下工作，消耗小于1μW的功率便能保存數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信息。

如圖2-11為時(shí)鐘電路原理圖，其晶振頻率為32768Hz，Vcc1：主電源；Vcc2：備份電源。當(dāng)Vcc2>Vcc1+0.2V時(shí)，由Vcc2向DS1302供電，當(dāng)Vcc2<Vcc1時(shí)，由Vcc1向DS1302供電。在實(shí)物連接時(shí)需要電池供電，否則斷電后晶振無法繼續(xù)工作，時(shí)間就無法同步。

圖2-11 時(shí)鐘電路原理圖

2.3.6 繼電器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中有兩個(gè)繼電器驅(qū)動(dòng)電路，分別控制上水和加熱。繼電器是由鐵芯外繞線圈，由一塊銜鐵和觸點(diǎn)等組成的通過電磁控制的開關(guān)。當(dāng)在線圈兩端添加固定電壓時(shí)。線圈中通過電流，根據(jù)法拉第電磁效應(yīng)，線圈產(chǎn)生的電流使得鐵芯附加磁力，銜鐵被吸引。從而觸點(diǎn)結(jié)合。當(dāng)斷電后，線圈電流消失，鐵芯失去磁力，銜鐵失去鐵芯的磁力后恢復(fù)力使得銜鐵脫離觸點(diǎn)。通過電流的控制使鐵芯上磁與失磁達(dá)到了通路與斷路。常開觸點(diǎn)為當(dāng)線圈未通過電流時(shí)觸點(diǎn)未接觸。常閉觸點(diǎn)是電流接通狀態(tài)下的靜觸點(diǎn)。繼電器是通過小電流控制大電流，小電流起控制作用，大電流是為工作電路提供的。

圖2-12、2-13分別為上水繼電器電路和加熱繼電器電路工作中的狀態(tài)。該模塊主要由PNP型三極管和繼電器組成，燈D2亮且電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)代表上水，燈D1亮代表加熱。當(dāng)三極管基極為低電平（藍(lán)點(diǎn)代表此處低電平）時(shí)三極管導(dǎo)通，繼電器控制口通電后常開口閉合，起到電路轉(zhuǎn)換的作用。LED的工作電壓為3V，而電路的工作的電壓為5V，所以串連一個(gè)500Ω分壓電阻。

??

圖2-12 上水控制電路 ?????????????圖2-13 加熱控制電路

在實(shí)物搭建中使用了兩路SRD-05VDC-SL-C繼電器，如圖2-14所示。DC+和DC-分別于5V和地相接，IN1和IN2代表兩路的控制口與P1.5和P2.1相接，NO為常開口，NC為常閉口，COM為公共端。

圖2-14 SRD-05VDC-SL-C繼電器

2.3.7 鍵盤輸入模塊設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)中共使用了五個(gè)按鈕，如圖2-15所示，SET按鍵進(jìn)入設(shè)置上水時(shí)間，重復(fù)按下SET可以實(shí)現(xiàn)時(shí)、分轉(zhuǎn)換；DAA和SUB分別是時(shí)間加和時(shí)間減；OK按鍵是設(shè)置結(jié)束，退出設(shè)置；考慮到陰雨天氣水無法升溫，因此加入HATE按鍵，按一下加熱，再按一下停止加熱。

考慮太陽(yáng)能實(shí)際使用情況，按鍵采用獨(dú)立式按鍵，是直接用I/O口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路，其特點(diǎn)是每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根I/O口線，每個(gè)按鍵的工作不會(huì)影響其它I/O口線的狀態(tài)。按鍵一端接地，一端接單片機(jī)接口，工作過程中單片機(jī)逐位查詢每根I/O口線的輸入狀態(tài)，如某一根I/O口線輸入為低電平，則可確認(rèn)該I/O口線所對(duì)應(yīng)的按鍵已按下，再轉(zhuǎn)向該鍵的功能處理程序。在實(shí)物搭建中使用開發(fā)板上四個(gè)獨(dú)立按鍵外加面包板上一個(gè)按鍵組成鍵盤輸入模塊。

圖2-15 鍵盤模塊設(shè)計(jì)

2.4 系統(tǒng)總體電路

整個(gè)系統(tǒng)完整電路圖如圖2-16所示。

圖2-16 系統(tǒng)總體電路圖

太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-797466.html