基于單片機(jī)的水源熱泵空調(diào)控制系統(tǒng)

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1、基于單片機(jī)的水源熱泵空調(diào)控制系統(tǒng)專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 二零一三年六月摘要水源熱泵技術(shù)是利用地球表面淺層水源中吸收的太陽能和地?zé)崮芏纬傻牡蜏氐臀粺崮苜Y源，采用熱泵原理，通過少量的高位電能輸入，實(shí)現(xiàn)低位熱能向高位熱能轉(zhuǎn)移的一種技術(shù)。本文介紹了一款以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，包含溫度采集模塊、故障檢測(cè)模塊、時(shí)鐘模塊、人機(jī)接口模塊、與開關(guān)量控制等模塊組成的水源熱泵空調(diào)控制器設(shè)計(jì)方案。通過對(duì)水源熱泵機(jī)組的控制，實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)溫度智能轉(zhuǎn)換的基本功能，達(dá)到了可調(diào)節(jié)系統(tǒng)工作模式，設(shè)定時(shí)間溫度等設(shè)計(jì)要求。 關(guān)鍵詞: 單片機(jī)；水源熱泵； 壓縮機(jī)； PT100AbstractWater sour

2、ce heat pump technology is the use of the Earths surface in shallow water absorbs solar energy and geothermal energy and the formation of low-temperature low-energy resources, using heat pump principle, by a small amount of high energy input, low heat to achieve high heat transfer of a technology.Th

3、is article describes a microcontroller core with STC12C5A60S2, including temperature acquisition module, fault detection module, clock module, human interface module, and switch control module consisting of water source heat pump controller design. Through the water source heat pump control unit, to

4、 achieve the conversion of the basic room temperature intelligence function, to the system working mode can be adjusted to set the time and temperature and other design requirements.Keyword: MCU；heat pump； Compressor； PT100目錄第1章 緒論11.1 課題研究的目的和意義11.2 水源熱泵技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3 水源熱泵技術(shù)的基本原理和特點(diǎn)31.3.1 水源熱泵技術(shù)基本原理

5、31.3.2 水源熱泵技術(shù)特點(diǎn)41.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述4第2章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)52.1總體方案設(shè)計(jì)52.2 方案的選擇與論證62.2.1 CPU的選擇62.2.2 按鍵模塊72.2.3顯示模塊72.2.4溫度采集模塊82.2.5 時(shí)鐘模塊82.2.6 繼電器輸出模塊9第3章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)113.1 微處理器113.1.1 STC單片機(jī)工作特性簡(jiǎn)介113.1.2 單片機(jī)內(nèi)置A/D簡(jiǎn)介123.1.3 單片機(jī)硬件電路圖123.2 溫度采集電路133.2.1 PT100133.2.2 PT100的溫度系數(shù)TCR133.2.3 PT100的接線方式及采樣電路133.3 開關(guān)量采集153.4 開關(guān)量控制

6、輸出163.5 人機(jī)接口模塊設(shè)計(jì)173.5.1 獨(dú)立按鍵183.5.2 液晶顯示器183.6 時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)203.6.1 DS1307的方波輸出功能213.6.2 DS1307引腳介紹21第4章 軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)234.1 軟件編程設(shè)計(jì)234.2 系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)234.2.1 硬件初始化流程圖244.2.2 程序主流程圖244.2.3 溫度采集及控制輸出流程圖264.2.4 報(bào)警電路流程圖26第5章 水源熱泵系統(tǒng)軟硬件調(diào)試285.1 硬件調(diào)試285.2 軟件調(diào)試285.3軟硬聯(lián)合調(diào)試285.4 總結(jié)29第6章 參考文獻(xiàn)30致謝辭31附錄一32附錄二33第1章 緒論1.1 課題研究的目的和意義

7、20世紀(jì)70年代，世界能源結(jié)構(gòu)已經(jīng)經(jīng)歷了三次大轉(zhuǎn)變，即從木柴轉(zhuǎn)向煤炭由煤炭轉(zhuǎn)向石油和天然氣，繼而又從以油、氣為主的能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)向以可再生能源為基礎(chǔ)的持久能源系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前全世界已經(jīng)探明的煤炭、石油、天然氣、油頁(yè)巖等石化燃料資源的總量，大約只夠人類使用100年。 目前在我國(guó)的能源構(gòu)成中煤占70%以上，石油及天然氣占25%，但能源利用率僅在30%以下。針對(duì)我國(guó)的能源緊缺、能源利用率低、能源浪費(fèi)嚴(yán)重的現(xiàn)狀，建設(shè)部于1996年下發(fā)建筑節(jié)能技術(shù)政策，明確今后我國(guó)建筑節(jié)能的任務(wù)是在保證使用功能、建筑質(zhì)量和室內(nèi)環(huán)境符合小康目標(biāo)的前提下，采取各種有效的節(jié)能技術(shù)與管理措施降低新建房屋單位建筑面積能耗。同時(shí)對(duì)既

8、有的建筑物進(jìn)行有計(jì)劃的節(jié)能改造，達(dá)到提高居住熱舒適性、節(jié)約能源和改善環(huán)境的目的。 環(huán)境保護(hù)工作是擺在我們面前刻不容緩的一項(xiàng)重要工作。據(jù)資料估計(jì)全世界每年燃燒后排放到大氣中的二氧化硫20萬t,二氧化碳排放增長(zhǎng)率達(dá)1.55ppm。資料表明：大氣中二氧化碳每增長(zhǎng)一倍就會(huì)使低層大氣層年平均溫度升1.5-3。在我國(guó)，每年僅建筑用能采暖燃煤就要排放二氧化碳達(dá)1.9t,排放二氧化硫達(dá)300t,排放煙塵300t左右。 隨著改革開放不斷向縱深發(fā)展,傳統(tǒng)的供熱方式受到不同程度的沖擊。由于舊的供熱體制受計(jì)劃經(jīng)濟(jì)的約束,在國(guó)家能源政策、管理體制、收費(fèi)體制、供熱質(zhì)量、物業(yè)管理等方面尚存在一些弊端，不適市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求

9、，制約了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，同時(shí)也帶來了一些社會(huì)問題。綜上所述，由于節(jié)能、環(huán)境保護(hù)的需要及供熱空調(diào)逐步走向市場(chǎng)化、商業(yè)化，供熱空調(diào)方式向多元化發(fā)展，出現(xiàn)了諸如油爐采暖、燃?xì)獠膳?、電采暖及水源熱泵技術(shù)的開發(fā)研制、應(yīng)用這一百花齊放的局面 。水源熱泵機(jī)組以水為載體，冬季采集來自湖水、河水、地下水及地?zé)嵛菜踔凉I(yè)廢水、污水的低品位熱能，借助熱泵系統(tǒng)，通過消耗部分電能，將所取得的能量供給室內(nèi)取暖。在夏季，把室內(nèi)的熱量取出，釋放到水中，以達(dá)到夏季空調(diào)的目的。該機(jī)組具有設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、選擇優(yōu)良、操作簡(jiǎn)便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。1.2 水源熱泵技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在國(guó)外，關(guān)于熱泵的研究分屬于兩種熱泵系統(tǒng): 一種為地源熱泵，一種

10、為海水熱泵。其中地源熱泵真正意義的商業(yè)應(yīng)用也只有近十幾年的歷史，但發(fā)展相當(dāng)迅速。美國(guó)每年安裝40萬臺(tái)地源熱泵，其中，水源熱泵占15%，降低溫室氣體排放100萬t，相當(dāng)于減少50萬輛汽車的污染物排放或種植樹公頃，年節(jié)約能源費(fèi)用達(dá)4.2億美元。與美國(guó)的地源熱泵發(fā)展有所不同，中、北歐如瑞典、瑞士、奧地利、德國(guó)等國(guó)家主要利用淺層地?zé)豳Y源，地下土壤埋盤管(埋深400m深)的地源熱泵，用于室內(nèi)地板輻射供暖及提供生活熱水。據(jù)1996年的統(tǒng)計(jì)，在家用的供熱裝置中，地源熱泵所占比例，瑞士為96%，奧地利為38%，丹麥為27%。同時(shí)，中、北歐海水源熱泵的研究和應(yīng)用也比較多。中國(guó)最早在50年代，就曾在上海、天津等地

11、嘗試夏取冬灌的方式抽取地下水制冷，天津大學(xué)熱能研究所呂燦仁教授就開展了我國(guó)熱泵的最早研究，1965年研制成功國(guó)內(nèi)第一臺(tái)水冷式熱泵空調(diào)機(jī)。 目前，清華大學(xué)、天津大學(xué)、重慶建筑大學(xué)、天津商學(xué)院、中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所等多家大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)都在對(duì)水源熱泵進(jìn)行研究。中國(guó)的水源熱泵的研究和應(yīng)用才剛剛起步，與國(guó)外相比，在熱泵機(jī)組的優(yōu)化設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用上還存在較大差距。 目前，世界特別看好中國(guó)的市場(chǎng)。美國(guó)能源部和科技部已簽署了中美能源效率及可再生能源合議定書，其中主要內(nèi)容之一是“地源熱泵”，該項(xiàng)目中國(guó)的北京、杭州和廣州3個(gè)城市各建一座采用源熱泵供暖空調(diào)的商業(yè)建筑，以推廣運(yùn)用這種“綠技術(shù)”，緩解中國(guó)對(duì)煤炭和石油

12、的依賴程度，從而達(dá)到能源資源多元化的目的。在未來的幾年中，中國(guó)面臨著巨大的能源壓力。一方面，中國(guó)的經(jīng)濟(jì)要保持較高速度的增長(zhǎng);另一方面，又必須考慮環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展問題。所以要求提高能源利用效率，要求能源結(jié)構(gòu)調(diào)整。能源利用效率提高，會(huì)鼓勵(lì)各種節(jié)能設(shè)備和技術(shù)的推廣，能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的方向就是以煤為主轉(zhuǎn)為以電為主。在中國(guó)的能源消耗中，建筑耗能的比例相當(dāng)高。為了適應(yīng)市場(chǎng)要求和參加國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，我們必須加快中國(guó)品牌的水源熱泵的產(chǎn)業(yè)化研究開發(fā)。1.3 水源熱泵技術(shù)的基本原理和特點(diǎn)1.3.1 水源熱泵技術(shù)基本原理所謂熱泵，就是一種利用人工技術(shù)將低溫?zé)崮苻D(zhuǎn)換為高溫?zé)崮芏_(dá)到供熱效果的機(jī)械裝置。熱泵由低溫?zé)嵩矗ㄈ缰車h(huán)

13、境的自然空氣、地下水、河水、海水、污水等）吸熱能，然后轉(zhuǎn)換為較高溫?zé)嵩瘁尫胖了璧目臻g（或其它區(qū)域）內(nèi)。這種裝置即可用作供熱采暖設(shè)備，又可用作制冷降溫設(shè)備，從而達(dá)到一機(jī)兩用的目的。熱泵機(jī)組的能量轉(zhuǎn)換，是利用其壓縮機(jī)的作用，通過消耗一定的輔助能量（如電能），在壓縮機(jī)和換熱系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)的制冷劑的共同作用下，由環(huán)境熱源（如水、空氣）中吸取較低溫?zé)崮?，然后轉(zhuǎn)換為較高溫?zé)崮茚尫胖裂h(huán)介質(zhì)（如水、空氣）中成為高溫?zé)嵩摧敵?。在此因壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)做工而消耗了電能，壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)使不斷循環(huán)的制冷劑在不同的系統(tǒng)中產(chǎn)生的不同的變化狀態(tài)和不同的效果（即蒸發(fā)吸熱和冷凝放熱），從而達(dá)到了回收低溫?zé)嵩粗迫「邷責(zé)嵩吹淖饔煤湍康?。?/p>

14、源熱泵工作原理圖如圖11所示。圖1.1 水源熱泵工作原理圖1.3.2 水源熱泵技術(shù)特點(diǎn) 1 環(huán)保效益顯著水源熱泵是利用了地表水作為冷熱源，進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的供暖空調(diào)系統(tǒng)。供熱時(shí)省去了燃煤、燃?xì)狻⑷挥偷儒仩t房系統(tǒng)，沒有燃燒過程，避免了排煙污染。供冷時(shí)省去了冷卻水塔，避免了冷卻塔的噪音及霉菌污染，不產(chǎn)生任何廢渣、廢水、廢氣和煙塵。 2 運(yùn)行穩(wěn)定可靠水體的溫度一年四季相對(duì)穩(wěn)定，其波動(dòng)的范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于空氣的變動(dòng)，是很好的空調(diào)熱源和空調(diào)冷源。水體溫度較恒定的特性，使得熱泵機(jī)組運(yùn)行更可靠、穩(wěn)定，也保證了系統(tǒng)的高效性和經(jīng)濟(jì)性。不存在空氣源熱泵的冬季除霜等難點(diǎn)間題。 3 一機(jī)多用，應(yīng)用范圍廣水源熱泵系統(tǒng)可供暖、空調(diào)

15、，一機(jī)多用，一套系統(tǒng)可以替換原來的鍋?zhàn)o(hù)加空調(diào)的兩套裝置或系統(tǒng)。 4 自動(dòng)運(yùn)行水源熱泵機(jī)組由于工況穩(wěn)定，所以可以設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)，部件較少，機(jī)組運(yùn)行簡(jiǎn)單可靠，維護(hù)費(fèi)用低。自動(dòng)控制程度高，使用壽命長(zhǎng)可達(dá)到15年以上。1.4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)任務(wù)是設(shè)計(jì)一套由微控制器、液晶顯示器、溫度傳感器、交流接觸器等其他電控設(shè)備控制的水源熱泵控制系統(tǒng)。水源熱泵控制系統(tǒng)適用于帶循環(huán)泵，井水泵、壓縮機(jī)組成制冷/制熱系統(tǒng)組成水源熱泵冷熱水中央空調(diào)系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)了以下功能：能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)故障，當(dāng)有故障發(fā)生時(shí)系統(tǒng)停止運(yùn)行，排除故障后繼續(xù)運(yùn)行。能夠完成手動(dòng)控制系統(tǒng)工作模式的轉(zhuǎn)換，溫度的設(shè)定及更改，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)溫度的智能

16、轉(zhuǎn)換等。第2章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1總體方案設(shè)計(jì)水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)、四通閥、室外井水循環(huán)泵（簡(jiǎn)稱井水泵）、室內(nèi)負(fù)荷循環(huán)泵（簡(jiǎn)稱循環(huán)泵）組成。壓縮機(jī)起著壓縮和輸送循環(huán)工質(zhì)從低溫低壓處到高溫高壓處的作用, 是熱泵系統(tǒng)的心臟。四通閥開關(guān)的切換可以使系統(tǒng)進(jìn)行制冷制熱的轉(zhuǎn)換。井水泵與循環(huán)泵起著水循環(huán)的作用，是系統(tǒng)的動(dòng)力系統(tǒng)。壓縮機(jī)對(duì)消耗的功(電能) 起到補(bǔ)償作用，使循環(huán)工質(zhì)不斷地從低溫環(huán)境中吸熱, 并向高溫環(huán)境散熱。本設(shè)計(jì)以微控制器為核心，外圍電路可以分為溫度采集模塊、故障檢測(cè)模塊、時(shí)鐘模塊、人機(jī)接口模塊與開關(guān)量控制模塊等。人機(jī)接口模塊包括按鍵輸入和LCD液晶顯示，微控制器負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處

17、理，人機(jī)交互等。基于上述工作原理和控制思路，水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)控制器需配置以下檢測(cè)與控制接口：6路溫度傳感器輸入：1路空調(diào)循環(huán)回水溫度、1路空調(diào)循環(huán)出水溫度、1路井水回水溫度、1路井水進(jìn)水溫度、1路室外環(huán)境溫度、1路室內(nèi)環(huán)境溫度；3路保護(hù)口輸入：1路空調(diào)循環(huán)水流開關(guān)、1路井水水流開關(guān)、1路壓縮機(jī)高/低壓保護(hù)；6路繼電器輸出：1路空調(diào)循環(huán)泵、1路冷卻井水泵、1路熱泵壓縮機(jī)、1路電加熱、1路冷卻井水泵加引水、1路制冷/制熱轉(zhuǎn)換（四通閥切換）；總體設(shè)計(jì)框圖如圖2.1所示。時(shí)鐘模塊繼電器輸出模塊微控制器溫度檢測(cè)模塊 液晶顯示模塊故障檢測(cè)模塊蜂鳴器報(bào)警按鍵輸入 圖2.1系統(tǒng)總體框圖2.2 方案的選擇與論證

18、2.2.1 CPU的選擇單片機(jī)（CPU）是本系統(tǒng)工作核心，它的選擇不僅關(guān)系到系統(tǒng)的工作效率，同時(shí)也為系統(tǒng)的工作提供可靠的保障，因此CPU的選擇是系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。常見的單片機(jī)有MSP430，51系列的STC12C5A60S2，AVR系列的ATMEGA16，PIC系列的PIC16F877。以下比較兩種方案。方案一：STC12C5A60S2是STC宏晶公司生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。方案二：M

19、SP430單片機(jī)是美國(guó)德州儀器生產(chǎn)的一種16位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集（RISC）的混合信號(hào)處理器。MSP430單片機(jī)具有處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富等特點(diǎn)，而且還具有方便高效的開發(fā)環(huán)境。由于本系統(tǒng)對(duì)功耗的要求不高，且從系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面考慮采用STC12C5A60S2單片機(jī)，選擇方案一。2.2.2 按鍵模塊本系統(tǒng)按鍵模塊主要功能就是通過按鍵設(shè)置溫度，調(diào)節(jié)溫度，確定工作模式等。常用的按鍵有獨(dú)立按鍵，矩陣式鍵盤，固有以下選擇方案：方案一：采用矩陣鍵盤接口設(shè)計(jì)。采用常用的掃描法對(duì)鍵盤進(jìn)行識(shí)別。采用掃描法的優(yōu)點(diǎn)很顯著，在需要按鍵多的場(chǎng)合很實(shí)用，缺點(diǎn)是由于需要不斷的掃描，所以這種設(shè)計(jì)容

20、易消耗較多的系統(tǒng)資源。方案二：采用獨(dú)立鍵盤接口設(shè)計(jì)。每個(gè)按鍵需要占用一根輸入口線占用一個(gè)I/O口，獨(dú)立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，編程較容易。在需要按鍵較少或者操作速度較高的場(chǎng)合，或獲得較好的效果。由于考慮到本設(shè)計(jì)僅需要四個(gè)按鍵，系統(tǒng)使用的單片機(jī)有較多的I/O，所以選擇方案二。2.2.3顯示模塊本系統(tǒng)的顯示模塊主要是為了操作員顯示一些基本信息，以及一些采集的參數(shù)和報(bào)警信息等。常用的顯示器件有數(shù)碼管，液晶顯示器，點(diǎn)陣等。以下比較兩種方案：方案一：采用傳統(tǒng)的數(shù)碼管作為顯示設(shè)備。傳統(tǒng)數(shù)碼管具有亮度高、體積小、重量輕、低能耗、低功耗、低壓、壽命長(zhǎng)、耐老化、防曬、防潮、防火、放高（低）溫的特點(diǎn)；對(duì)

21、外界環(huán)境要求低，易于保護(hù)；同時(shí)其精度比較高，精確可靠，操作簡(jiǎn)單，程序編寫容易，但是只能顯示數(shù)字信息，使用時(shí)受到限制。方案二:采用液晶顯示屏（LCD）顯示溫度和指令。液晶顯示器具有輕薄短小、功耗低、無輻射危險(xiǎn)、平面直角顯示以及影像穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，液晶顯示屏（LCD）具有可視面積大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)，顯示內(nèi)容多，字碼顯示柔和，串行通信，利用的I/O口少等特點(diǎn)。因此，只要一塊液晶顯示器就可以顯示設(shè)計(jì)要求的全部?jī)?nèi)容。此外，液晶顯示器有著良好的人機(jī)界面，控制也不是太復(fù)雜。編制易懂的中文分級(jí)菜單界面，人機(jī)交互行非常好使人一目了然。綜合考慮上述因素，我們采用方案二，用液晶顯示屏（LCD）進(jìn)行顯

22、示。2.2.4溫度采集模塊溫度采集模塊是本系統(tǒng)的核心模塊，它涉及到系統(tǒng)的各個(gè)方面，選擇一個(gè)合適的溫度傳感器對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)用性有著至關(guān)重要的作用。本系統(tǒng)需要采集六路溫度，分別是室內(nèi)溫度，室外溫度，井水進(jìn)水溫度，井水回水溫度，循環(huán)進(jìn)水溫度，循環(huán)回水溫度，溫度采集范圍一般在-20100。常用的溫度傳感器有DS18B20，鉑電阻傳感器，熱敏電阻傳感器，熱電偶傳感器等。以下比較兩種方案：方案一：采用PT100溫度傳感器，PT100又叫鉑電阻，熱電阻。鉑電阻溫度傳感器是利用其電阻和溫度成一定函數(shù)關(guān)系而制成的溫度傳感器,其溫度系數(shù)為0.0039/，0時(shí)電阻值為100，電阻變化率為0.3851/。采用不銹

23、鋼外殼封裝，內(nèi)部填充導(dǎo)熱材料和密封材料灌封而成，尺寸小巧，適用于精密儀器、恒溫設(shè)備、流體管道等溫度的測(cè)量，非常經(jīng)濟(jì)實(shí)用。PT100溫度傳感器精度高，穩(wěn)定性好，應(yīng)用溫度范圍廣，是中低溫區(qū)（-200400）最常用的一種溫度檢測(cè)器，不僅廣泛應(yīng)用于工業(yè)測(cè)溫，而且被制成各種標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)。方案二：采用DS18B20芯片。美國(guó)dallas公司推出的DS18B20數(shù)字式溫度傳感器與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器不同，它能直接讀出被測(cè)溫度，并且可根據(jù)實(shí)際要求通過簡(jiǎn)單地變成實(shí)現(xiàn)9-12位的數(shù)字值讀數(shù)方式，可以分別在93.75ms和750ms內(nèi)將溫度值轉(zhuǎn)化為9位和12位的數(shù)字量。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，可

24、靠性更高。芯片的耗電量很小，從總線上得一點(diǎn)電儲(chǔ)存在片內(nèi)的電容中就可以正常工作，一般不用另加電源。DS18B20在檢測(cè)點(diǎn)已經(jīng)把被測(cè)信號(hào)數(shù)字化了，因此在單總線上出送的是數(shù)字信號(hào)，這使得系統(tǒng)的抗干擾性好，可靠性高，傳送距離遠(yuǎn)。綜上所述，由于本系統(tǒng)需要采集六路溫度信號(hào)，且要檢測(cè)水流溫度，綜合比較下采用PT100溫度傳感器。2.2.5 時(shí)鐘模塊本系統(tǒng)采用的時(shí)鐘芯片要能顯示出時(shí)、分、秒、年、月、日。在系統(tǒng)中需要根據(jù)時(shí)間來設(shè)定溫度的大小，壓縮機(jī)的啟動(dòng)與停止等。常見的時(shí)鐘芯片有DS1307，DS12877,PCF8483，SB2068等。以下比較兩種方案：方案一：PCF8583是PHILIPS公司制造的帶有2

25、568bitRAM的8引腳日歷/時(shí)鐘芯片,采用IIC兩線串行總線接口,內(nèi)含完整的振蕩,分頻,上電復(fù)位電路,并具備計(jì)時(shí),日歷,定時(shí),鬧鐘和中斷輸出功能。數(shù)據(jù)保持和時(shí)鐘工作電壓16V,總線工作電壓2.56V；采用8腳DIP或SO封裝形式;內(nèi)有振蕩器,分頻器和上電復(fù)位電路,可使用32.768Hz石英晶振或外部50Hz時(shí)鐘;片內(nèi)字節(jié)地址讀寫后自動(dòng)加1;可用作定時(shí)器或計(jì)數(shù)器。方案二：DS1307是美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的一款低功耗，具有56字節(jié)非失性RAM的全BCD碼時(shí)鐘日歷實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，地址和數(shù)據(jù)通過兩線雙向的串行總線的傳輸，芯片可以提供秒，分，小時(shí)等信息，每一個(gè)月的天數(shù)能自動(dòng)調(diào)整。并且有閏年補(bǔ)償功

26、能。AM/PM 標(biāo)志位決定時(shí)鐘工作于24小時(shí)或12小時(shí)模式，芯片有一個(gè)內(nèi)置的電源感應(yīng)電路，具有掉電檢測(cè)和電池切換功能。 綜上所述，從經(jīng)濟(jì)型，實(shí)用性，方便性等方面分析，本系統(tǒng)采用時(shí)鐘模塊DS1307，選擇方案二。2.2.6 繼電器輸出模塊輸出模塊在本系統(tǒng)中起著弱電控制強(qiáng)電的作用，本系統(tǒng)中有六路輸出，分別是進(jìn)水泵，循環(huán)泵，壓縮機(jī)，四通閥，電加熱，和加引水。常用的輸出模塊有固態(tài)繼電器，電磁式繼電器，晶閘管控制輸出。有以下選擇方案：方案一：固態(tài)繼電器輸出。固態(tài)繼電器是由微電子電路，分立電子器件，電力電子功率器件組成的無觸點(diǎn)開關(guān)。用隔離器件實(shí)現(xiàn)了控制端與負(fù)載端的隔離。固態(tài)繼電器的輸入端用微小的控制信號(hào)，

27、達(dá)到直接驅(qū)動(dòng)大電流負(fù)載。固態(tài)繼電器具有以下特點(diǎn)：（1）高壽命，高可靠：固態(tài)繼電器沒有機(jī)械零部件，有固體器件完成觸點(diǎn)功能，由于沒有運(yùn)動(dòng)的零部件，因此能在高沖擊，振動(dòng)的環(huán)境下工作，由于組成固態(tài)繼電器的元器件的固有特性，決定了固態(tài)繼電器的壽命長(zhǎng)，可靠性高。（2）靈敏度高，控制功率小，電磁兼容性好：固態(tài)繼電器的輸入電壓范圍較寬，驅(qū)動(dòng)功率低，可與大多數(shù)邏輯集成電路兼容不需加緩沖器或驅(qū)動(dòng)器。（3）快速轉(zhuǎn)換：固態(tài)繼電器因?yàn)椴捎霉腆w器件，所以切換速度可從幾毫秒至幾微妙。（4）電磁干擾?。汗虘B(tài)繼電器沒有輸入“線圈”，沒有觸點(diǎn)燃弧和回跳，因而減少了電磁干擾。大多數(shù)交流輸出固態(tài)繼電器是一個(gè)零電壓開關(guān)，在零電壓處導(dǎo)通

28、，零電流處關(guān)斷，減少了電流波形的突然中斷，從而減少了開關(guān)瞬態(tài)效應(yīng)。但是固態(tài)繼電器有殘留輸出電壓1-1.6V，輸出的只能是直流或者交流，不能兼容；通常需要散熱片；不能用小輸出信號(hào)；存在漏電流；且只有單一觸點(diǎn)。方案二：電磁繼電器輸出。電磁繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流，較低的電壓去控制較大電流。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。它的優(yōu)點(diǎn)有：有較低的殘留輸出電壓，不需要散熱片，價(jià)格便宜，可以提供多組觸點(diǎn)和常開常閉觸點(diǎn)，無漏電流，可接交直流負(fù)載等。綜上所述，由于固態(tài)繼電器穩(wěn)定性較差，

29、而本系統(tǒng)需要穩(wěn)定輸出，故采用方案二電磁繼電器輸出。第3章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1 微處理器本系統(tǒng)采用的微處理器是宏晶公司生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機(jī)。它是單時(shí)鐘/機(jī)器周期(1T)的單片機(jī)，是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)。3.1.1 STC單片機(jī)工作特性簡(jiǎn)介1. 增強(qiáng)型 8051 CPU，1T，單時(shí)鐘/機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)80512. 工作電壓：5.5V - 3.5V（5V單片機(jī)）3. 通用I/O口，復(fù)位后為：準(zhǔn)雙向口/弱上拉（普通8051傳統(tǒng)I/O口），可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉，強(qiáng)推挽/強(qiáng)上拉，僅為輸入/高阻，開漏。每個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20

30、mA，但整個(gè)芯片最大不要超過120mA4ISP（在系統(tǒng)可編程）/ IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無需專用仿真器?？赏ㄟ^串口（P3.0/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片5. 有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM無內(nèi)部EEPROM)6. 內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路（外部晶體12M以下時(shí)，復(fù)位腳可直接1K電阻到地）7.時(shí)鐘源：外部高精度晶體/時(shí)鐘，內(nèi)部R/C振蕩器(溫漂為5% 到10% 以內(nèi))用戶在下載用戶程序時(shí)，可選擇是使用內(nèi)部R/C 振蕩器還是外部晶體/時(shí)鐘常溫下內(nèi)部R/C 振蕩器頻率為：5.0V 單片機(jī)為： 11MHz 17MHz3.3V 單片

31、機(jī)為： 8MHz 12MHz精度要求不高時(shí)，可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘，但因?yàn)橛兄圃煺`差和溫漂，以實(shí)際測(cè)試為準(zhǔn)8.共4個(gè)16位定時(shí)器，兩個(gè)與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,16位定時(shí)器T0和T1，沒有定時(shí)器2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器做串行通訊的波特率發(fā)生器,再加上2路PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)2個(gè)16位定時(shí)器9.3個(gè)時(shí)鐘輸出口，可由T0的溢出，P3.4/T0輸出時(shí)鐘，可由T1的溢出，在P3.5/T1輸出時(shí)鐘,獨(dú)立波特率發(fā)生器可以在P1.0口輸出時(shí)鐘10.PWM(2路）/ PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列,2路）， 也可用來當(dāng)2路D/A使用，也可用來再實(shí)現(xiàn)2個(gè)定時(shí)器，也可用來再實(shí)現(xiàn)2個(gè)外部中斷(上升沿中斷/下降沿中斷均

32、可分別或同時(shí)支持)11.A/D轉(zhuǎn)換, 10位精度ADC，共8路，轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250K/S(每秒鐘25萬次)12.通用全雙工異步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定時(shí)器或PCA軟件實(shí)現(xiàn)多串口3.1.2 單片機(jī)內(nèi)置A/D簡(jiǎn)介STC12C5A60S2系列帶A/D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口在P1口，有8路10位高速A/D轉(zhuǎn)換器，速度可達(dá)到250KHz（25萬次/秒）。8路電壓輸入型A/D，可做溫度檢測(cè)、電池電壓檢測(cè)、按鍵掃描、頻譜檢測(cè)等。上電復(fù)位后P1口為弱上拉型IO口，用戶可以通過軟件設(shè)置將8路中的任何一路設(shè)置為A/D轉(zhuǎn)換，不須作為A/D使用的口可繼續(xù)作為IO口使用。單片

33、機(jī)ADC由多路開關(guān)、比較器、逐次比較寄存器、10位DAC、轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器以及ADC_CONTER構(gòu)成。該單片機(jī)的ADC是逐次比較型ADC。主次比較型ADC由一個(gè)比較器和D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，通過逐次比較邏輯，從最高位（MSB）開始，順序地對(duì)每一輸入電壓與內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器輸出進(jìn)行比較，經(jīng)過多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量逐次逼近輸入模擬量對(duì)應(yīng)值。逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器具有速度高，功耗低等優(yōu)點(diǎn)。需作為AD使用的口先將P1ASF特殊功能寄存器中的相應(yīng)位置為1，將相應(yīng)的口設(shè)置為模擬功能。3.1.3 單片機(jī)硬件電路圖STC12C5A60S2單片機(jī)硬件電路圖如圖3.1所示。圖3.1 單片機(jī)硬件電路圖3.2 溫度采

34、集電路3.2.1 PT100本系統(tǒng)采用的溫度傳感器是PT100。PT100是一種廣泛應(yīng)用的測(cè)溫元件，在-50600范圍內(nèi)具有其他任何溫度傳感器無可比擬的優(yōu)勢(shì)，包括高精度、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)等。由于鉑電阻的電阻值與溫度成非線性關(guān)系，所以需要進(jìn)行非線性校正。校正分為模擬電路校正和微處理器數(shù)字化校正，模擬校正有很多現(xiàn)成的電路，其精度不高且易受溫漂等干擾因素影響，數(shù)字化校正則需要在微處理系統(tǒng)中使用，將PT電阻的電阻值和溫度對(duì)應(yīng)起來后存入EEPROM中，根據(jù)電路中實(shí)測(cè)的AD值以查表方式計(jì)算相應(yīng)溫度值。3.2.2 PT100的溫度系數(shù)TCR按IEC751國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)， 溫度系數(shù)TCR=0.，Pt100（R

35、B0B=100）、Pt1000（RB0B=1000）為統(tǒng)一設(shè)計(jì)型鉑電阻。TCR=(RB100B-RB0B)/ (RB0B100)。表3.1 PT100標(biāo)準(zhǔn)電阻值3.2.3 PT100的接線方式及采樣電路 常用的PT電阻接法有三線制和兩線制。對(duì)于二線制接法來講，傳感器電阻變化值與連接導(dǎo)線電阻值共同構(gòu)成傳感器的輸出值，由于導(dǎo)線電阻帶來的附加誤差使實(shí)際測(cè)量值偏高，用于測(cè)量精度要求不高的場(chǎng)合，并且導(dǎo)線的長(zhǎng)度不宜過長(zhǎng)。三線制接法的優(yōu)點(diǎn)是將PT100的兩側(cè)相等的的導(dǎo)線長(zhǎng)度分別加在兩側(cè)的橋臂上，使得導(dǎo)線電阻得以消除。 常用的采樣電路有兩種：一為橋式測(cè)溫電路，一為恒流源式測(cè)溫電路。本系統(tǒng)采用的采樣電路是恒流源

36、測(cè)溫電路。恒流源測(cè)溫電路原理圖如圖3.2所示。圖3.2 恒流源測(cè)溫電路原理圖測(cè)溫原理：電路采用TL431和電位器R3調(diào)節(jié)產(chǎn)生2.38V的參考電源，通過運(yùn)放U1A將基準(zhǔn)電壓2.38V轉(zhuǎn)換為恒流源，電流流過PT100時(shí)在其上產(chǎn)生壓降，再通過運(yùn)放U1B將該微弱壓降信號(hào)放大（圖中放大倍數(shù)為10），即輸出期望的電壓信號(hào)，該信號(hào)可直接連AD轉(zhuǎn)換芯片。 根據(jù)虛地概念“工作于線性范圍內(nèi)的理想運(yùn)放的兩個(gè)輸入端同電位”，運(yùn)放U1A的“+”端和“-”端電位V+V-2.38V；假設(shè)運(yùn)放U1A的輸出腳14對(duì)地電壓為Vo，根據(jù)虛斷概念，（0-V-）/R11+（Vo-V-）/RPt1000，因此電阻PT100上的壓降VPt

37、100Vo-V-V-*RPt100/R11，因V-和R11均不變，因此圖3.2中PT100左側(cè)的電路等效為一個(gè)恒流源流過一個(gè)Pt100電阻，電流大小為V- /R11，Pt100上的壓降僅和其自身變化的電阻值有關(guān)。本系統(tǒng)采用單片機(jī)內(nèi)置的AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，其電壓范圍一般在05V，而PT100在本系統(tǒng)中需要采集的溫度范圍是-20100，本系統(tǒng)中設(shè)定PT100在-20時(shí)對(duì)應(yīng)AD端口模擬電壓為0V，在100時(shí)對(duì)應(yīng)AD端口模擬電壓為2.5V，計(jì)算公式為：（X+20）/120*2.5=Y；X為當(dāng)前溫度，Y為當(dāng)前溫度所對(duì)應(yīng)電壓值。通過運(yùn)放U1C完成一個(gè)減法器，使PT100在-20時(shí)，輸出為0V。在100

38、時(shí)，輸出為2.5V。其運(yùn)算公式為：UOUT=(UI-1.09)*5.4;UOUT為輸出電壓，UI為經(jīng)過運(yùn)放U1B放大后輸出電壓由于STC12C5A60S2單片機(jī)內(nèi)置A/D有10位分辨率，根據(jù)系統(tǒng)的電壓設(shè)定V基=2.5V則模擬電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字電壓后的分度值為V基/1023,模擬電壓信號(hào)V0與轉(zhuǎn)換后的數(shù)字電壓V1關(guān)系為：V1=V0*1023/V基恒流源電流可以根據(jù)歐姆定律得：I=VR/R12=1.19mA, VR 穩(wěn)壓管電壓，為2.38v，R12=2000，鉑電阻的阻值R0= V0/I，由R0值對(duì)照鉑電阻阻值和溫度變化表即可得到當(dāng)前的溫度值。PT100熱電阻分度表見附錄二。3.3 開關(guān)量采集為保證熱

39、泵工作的安全性，特別是機(jī)械裝置的安全性，本系統(tǒng)中引入開關(guān)量檢測(cè)電路。開關(guān)量采集電路采集的開關(guān)信號(hào)直接作為水泵的啟動(dòng)與停止控制條件。系統(tǒng)中引入3路開關(guān)量采集，分別采集室外水是否正常循環(huán)、室內(nèi)水是否正常循環(huán)和壓縮機(jī)是否正常工作。只要有一路開關(guān)量檢測(cè)到故障，則系統(tǒng)停止運(yùn)行，并提示相應(yīng)故障，發(fā)出報(bào)警。到下一次重啟之前，相應(yīng)水泵不再工作，以達(dá)到保護(hù)機(jī)械裝置的目的。運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)檢測(cè)循環(huán)水流、井水水流、壓縮機(jī)高/低壓保護(hù)，此三路信號(hào)在系統(tǒng)中都是以開關(guān)量的形式采集的，由獨(dú)立電源供+12V電，開關(guān)串接光電耦合器，信號(hào)送至單片機(jī)I/O口，內(nèi)部程序?qū)崟r(shí)檢測(cè)，并結(jié)合當(dāng)前系統(tǒng)的工作狀態(tài)調(diào)用不同的邏輯處理程序，得出相應(yīng)

40、的輸出結(jié)果。三路開關(guān)量檢測(cè)只有在系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)才有意義，所以，系統(tǒng)待機(jī)期間、以及房間溫度不滿足啟動(dòng)條件時(shí)，此信號(hào)不予檢測(cè)。而且，也不作為開機(jī)條件判斷。只有當(dāng)系統(tǒng)處于開機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)才對(duì)這三路信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，系統(tǒng)開機(jī)時(shí)，在啟動(dòng)過程中，啟動(dòng)井水泵后井水水流開關(guān)可能由于沒有抽上水而長(zhǎng)時(shí)間不閉合，這時(shí)要繼續(xù)運(yùn)行井水泵和循環(huán)泵，若2分鐘后井水水流開關(guān)仍沒有接通，則需要自動(dòng)接通“加引水”控制輸出5秒鐘，用于給井水泵加引水，若10分鐘后仍不能接通井水水流開關(guān)，則停止井水泵、循環(huán)泵的運(yùn)行，并顯示“井水故障”等故障提示。只要是正常開機(jī)后發(fā)生的故障停機(jī)，到重新上電之前，系統(tǒng)不再以任何原因方式再次此運(yùn)行。這是通過系

41、統(tǒng)中多個(gè)標(biāo)志位配合完成的，檢修過后，故障排除，重新給系統(tǒng)上電方能使系統(tǒng)重新運(yùn)行。開關(guān)量信號(hào)采集電路如圖3.3所示，當(dāng)被檢測(cè)部件正常工作時(shí)，它的被動(dòng)機(jī)械開關(guān)就會(huì)將右側(cè)回路導(dǎo)通，從而使得單片機(jī)I/O口為低電平。這3路開關(guān)量采集模塊由+12V供電，經(jīng)過光電耦合器完成電磁隔離以及電平匹配，既能有效保證半導(dǎo)體器件不被擊穿，又能有效濾除高頻擾動(dòng)信號(hào)，防止系統(tǒng)誤動(dòng)作。圖3.3 開關(guān)量采集電路3.4 開關(guān)量控制輸出 開關(guān)量輸出主要包括水泵啟?？刂?、壓縮機(jī)開關(guān)控制、壓縮機(jī)自加熱控制、井水加引水控制，四通閥控制，報(bào)警電路控制。本系統(tǒng)采用的控制輸出模塊是電磁繼電器。它有較低的殘留輸出電壓，不需要散熱片，價(jià)格便宜，可

42、以提供多組觸點(diǎn)和常開常閉觸點(diǎn)，無漏電流，實(shí)用性強(qiáng)，輸出穩(wěn)定，可接交直流負(fù)載等。由于壓縮機(jī)自加熱控制以及井水加引水控制硬件與水泵控制硬件圖完全一致。現(xiàn)以水泵的起?？刂茷槔f明水源熱泵的開關(guān)量輸出，如圖3.4所示。報(bào)警電路輸出如圖3.5所示。水泵啟?？刂疲瑔纹瑱C(jī)通過I/O口輸出開關(guān)信號(hào)，通過光電耦合驅(qū)動(dòng)繼電器以控制水泵的啟停。電路左半部分是起到電磁隔離的作用，通過三極管驅(qū)動(dòng)繼電器線圈，IN4007是續(xù)流二極管，可將線圈電壓鉗位到其導(dǎo)通電壓，主要是防止線圈斷電時(shí)候的感生過電壓擊穿其他電路器件。圖3.4 室內(nèi)井水水泵開關(guān)量輸出原理圖故障報(bào)警電路如圖3.5所示圖3.5 故障報(bào)警電路3.5 人機(jī)接口模塊設(shè)

43、計(jì)本系統(tǒng)的人機(jī)接口模塊包括按鍵輸入和12864大小的液晶顯示。3.5.1 獨(dú)立按鍵按鍵模塊有四個(gè)獨(dú)立按鍵組成，分別代表設(shè)置按鍵、確定按鍵、加1按鍵、減1按鍵。加減鍵連接在單片機(jī)的普通I/O口上，設(shè)置按鍵接在P3.3口上，即接在外部中斷1上，確定按鍵接在P3.2上，即外部中斷0上。開機(jī)后如果需要調(diào)節(jié)溫度則按下設(shè)置按鍵，程序進(jìn)入外部中斷1，然后進(jìn)行溫度的加減，確定后按下確定按鍵，程序進(jìn)入外部中斷0，通過設(shè)置標(biāo)志位使程序進(jìn)入主程序。3.5.2 液晶顯示器液晶顯示器可以通過簡(jiǎn)單程序編寫顯示出豐富的界面，方便操作人員進(jìn)行操作。帶中文字庫(kù)的128X64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，

44、內(nèi)部含有國(guó)標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864, 內(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字，和128個(gè)16*8點(diǎn)ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面?？梢燥@示84行1616點(diǎn)陣的漢字. 也可完成圖形顯示.低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與數(shù)碼管顯示模塊相比，硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡(jiǎn)潔的多。其具有以下基本特性：（1）低電源電壓（VDD+3.0+5.5V）（2）顯示分辨率:12864點(diǎn) （3）內(nèi)置漢字字庫(kù)，提供8192個(gè)1616點(diǎn)陣漢字(簡(jiǎn)繁體可選)（4）內(nèi)置 128個(gè)168點(diǎn)陣字符 （

45、5）2MHZ時(shí)鐘頻率 （6）顯示方式：STN、半透、正顯 （7）驅(qū)動(dòng)方式：1/32DUTY，1/5BIAS （8）視角方向：6點(diǎn) （9）背光方式：側(cè)部高亮白色LED，功耗僅為普通LED的1/51/10 （10）通訊方式：串行、并口可選 （11）內(nèi)置DC-DC轉(zhuǎn)換電路，無需外加負(fù)壓 （12）無需片選信號(hào)，簡(jiǎn)化軟件設(shè)計(jì)（13）工作溫度: 0 - +55 ,存儲(chǔ)溫度: -20 - +60管腳說明如表3.3所示。表3.3 管腳說明管腳號(hào)管腳名稱電平管腳功能描述1VSS0V電源地2VCC3.0+5V電源正3V0-對(duì)比度（亮度）調(diào)整4RS(CS）H/LRS=“H”,表示DB7DB0為顯示數(shù)據(jù)RS=“L”,

46、表示DB7DB0為顯示指令數(shù)據(jù)5R/W(SID)H/LR/W=“H”,E=“H”,數(shù)據(jù)被讀到DB7DB0R/W=“L”,E=“HL”, DB7DB0的數(shù)據(jù)被寫到IR或DR6E(SCLK)H/L使能信號(hào)7-14DB0-DB7H/L三態(tài)數(shù)據(jù)線15PSBH/LH：8位或4位并口方式，L：串口方式16NC-空腳17/RESETH/L復(fù)位端，低電平有效18VOUT-LCD驅(qū)動(dòng)電壓輸出端19AVDD背光源正端（+5V）20KVSS背光源負(fù)端本系統(tǒng)采用的液晶顯示器接法為串行接法，占用較少單片機(jī)I/O口，變成較為簡(jiǎn)單，方便。獨(dú)立按鍵與液晶顯示器原理圖如圖3.6和圖3.7所示。圖3.6 獨(dú)立按鍵原理圖圖3.7

47、液晶顯示原理圖3.6 時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的時(shí)鐘模塊采用的是美國(guó)DALLAS 公司生產(chǎn)的DS1307。DS1307的主要特點(diǎn)是低功耗、兩線制串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護(hù)電源提供可編程的充電功能，并且可以關(guān)掉充電功能。采用普通的32.768KHZ晶振。它提供秒、分、小時(shí)、星期、日期、月和年等時(shí)鐘日歷數(shù)據(jù)。另外它還集成了如下幾點(diǎn)功能： （1）56 字節(jié)掉電時(shí)電池保持的NV SRAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 （2）可編程的方波信號(hào)輸出（3）掉電檢測(cè)和自動(dòng)切換電池供電模式3.6.1 DS1307的方波輸出功能方波信號(hào)輸出功能從SQW/OUT 引腳輸出設(shè)置頻率的方波，CONTROL 寄存器用于控制SQW/OUT 腳的輸

48、出，其地址為07，每位的內(nèi)容如表3.4。表3.4 CONTROL寄存器位BIT7（OUT）：此位表示在方波輸出被禁止時(shí)（BIT4=0），SQW/OUT引腳的邏輯電平，在BIT4=0(SQWE=0方波輸出禁止)時(shí)，若BIT7（OUT）為1則SQL/OUT引腳為高電平，反之亦然。BIT4(SQWE)方波輸出允許/禁止控制位，SQWE=1允許方波輸出（有效）；BIT4=0禁止方波輸出。BIT0(RS0)、BIT1（RS1）與設(shè)定輸出波形的頻率，如表35。表3.5 CONTROL寄存器說明由于DS1307的方波輸出腳為集電極開路，故要在外部加上上拉電阻。3.6.2 DS1307引腳介紹DS1307引腳

49、功能及引腳圖如圖3.9所示。圖3.9 DS1307引腳圖及功能介紹與單片機(jī)連接電路圖如圖3.10所示。圖3.10 DS1307接口原理圖第4章 軟件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1 軟件編程設(shè)計(jì)在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，軟件的重要性與硬件同等重要。硬件是軀體，軟件是靈魂，但系統(tǒng)的硬件電路確定之后，系統(tǒng)的主要功能還要靠軟件來實(shí)現(xiàn)，而且軟件的設(shè)計(jì)很大程度上決定了系統(tǒng)的性能。整體數(shù)據(jù)處理在這里起到承上啟下的作用，是單片機(jī)采集的各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)籌判斷，按一定邏輯、一定順序，分別執(zhí)行各個(gè)程序模塊。具體地說，程序經(jīng)檢測(cè)傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，得到相應(yīng)邏輯。外部輸入信號(hào)整體采集完成，只要進(jìn)行算法比對(duì)，得到所需運(yùn)行結(jié)果輸出即可。

50、通過按鍵掃描，切換相應(yīng)界面，設(shè)置溫度，工作模式等。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用功能強(qiáng)大的C語音編程，利用單片機(jī)及其外圍電路實(shí)現(xiàn)其功能，開發(fā)軟件是常用的Keil uVision4編程軟件，該軟件調(diào)試簡(jiǎn)單，編程方便，能跟蹤程序的執(zhí)行，方正的功能，極大地為我們的調(diào)試提供了便利，而C語言功能豐富，表達(dá)能力強(qiáng)，目標(biāo)程序效率高，可移植性好，即具有高級(jí)語言的優(yōu)點(diǎn)，又具有低級(jí)語言的許多特點(diǎn)，兩者的完美結(jié)合，很好的實(shí)現(xiàn)了軟件功能。4.2 系統(tǒng)流程圖設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)水源熱泵空調(diào)的功能,軟件可劃分為:功能操作模塊及系統(tǒng)錯(cuò)誤檢測(cè)模塊。系統(tǒng)功能操作模塊的主要功能是:為系統(tǒng)與操作人員之間提供友好的交互界面,對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效的管理。因此

51、該功能模塊為水源熱泵空調(diào)控制系統(tǒng)的核心部分。主功能管理模塊主要包括LCD實(shí)時(shí)顯示模塊、PT100溫度檢測(cè)模塊、溫度設(shè)定模塊、開關(guān)量輸出模塊、日歷時(shí)鐘顯示功能模塊。系統(tǒng)錯(cuò)檢測(cè)模塊主要包括蜂鳴器報(bào)警模塊，開關(guān)量采集模塊。系統(tǒng)初始化包括硬件初始化和軟件流程，硬件初始化主要對(duì)系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化操作，軟件初始化主要對(duì)溫度傳感器進(jìn)行初始化，防止檢測(cè)數(shù)據(jù)檢測(cè)不正確。4.2.1 硬件初始化流程圖系統(tǒng)開始運(yùn)行后，首先要對(duì)系統(tǒng)所有硬件模塊進(jìn)行初始化，硬件初始化流程圖如圖4.1 所示。圖4.1 硬件初始化流程圖DS1307初始化中設(shè)置系統(tǒng)初始時(shí)間以及年月日，同時(shí)可以從單片機(jī)中將初始化信息發(fā)送到DS1307中，使

52、其開始正常工作。EEPROM中主要存儲(chǔ)了系統(tǒng)上次設(shè)置的溫度，以及工作模式，初始化單片機(jī)內(nèi)置的EEPROM使其工作。中斷初始化是為了打開中斷，一邊操作按鍵。液晶初始化將LCD的一些命令進(jìn)行設(shè)置，例如開光標(biāo)、清屏等指令。4.2.2 程序主流程圖主流程圖如圖4.2所示圖4.2 系統(tǒng)主流程圖程序流程圖說明：Pump_four：四通閥開關(guān)，1為制熱，0為制冷。Stream_well：井水水流檢測(cè)，1為正常，0為故障。Stream_round：循環(huán)水流檢測(cè)，1為正常，0為故障。Engine_check：壓縮機(jī)保護(hù)監(jiān)測(cè)，1為正常，0為故障。程序運(yùn)行說明：當(dāng)系統(tǒng)一上電運(yùn)行時(shí)，首次檢測(cè)四通閥的開關(guān)狀態(tài)，確定系統(tǒng)

53、的工作模式（制冷或者制熱，在這兩種狀態(tài)下系統(tǒng)工作情況大致形同，現(xiàn)以制熱狀態(tài)為例簡(jiǎn)述工作運(yùn)行情況），如果Pump_four=1，即系統(tǒng)處于制熱模式，要先啟動(dòng)井水泵，等兩分鐘后檢測(cè)井水水流開關(guān)狀態(tài)（即Stream_well是1還是0），如果檢測(cè)開關(guān)是關(guān)閉的則需要啟動(dòng)加引水裝置，等5分鐘后關(guān)閉加引水，再檢測(cè)水流開關(guān)狀態(tài)，如果開關(guān)打開則啟動(dòng)循環(huán)泵，如果還是關(guān)閉狀態(tài)，則繼續(xù)加引水，如此反復(fù)檢測(cè)五次，若果開關(guān)狀態(tài)還是關(guān)閉的則在液晶顯示屏上顯示“井水故障”，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警。五次檢測(cè)中只要有一次開關(guān)狀態(tài)打開，則啟動(dòng)循環(huán)泵。等五秒鐘后檢測(cè)循環(huán)水流快關(guān)（即Stream_round是1還是0），開關(guān)關(guān)閉則在液晶

54、顯示屏顯示循環(huán)泵故障，同時(shí)發(fā)出報(bào)警；開關(guān)打開，則檢測(cè)壓縮機(jī)保護(hù)開關(guān)。保護(hù)開關(guān)如果是關(guān)閉的則在液晶顯示屏上顯示“壓縮機(jī)故障“，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警；保護(hù)開關(guān)打開則判斷系統(tǒng)是否滿足壓縮機(jī)啟動(dòng)條件，如果滿足則啟動(dòng)壓縮機(jī)，如果不滿足，則壓縮機(jī)不動(dòng)作。4.2.3 溫度采集及控制輸出流程圖溫度采集及控制輸出流程圖如圖3.4所示。圖4.3 溫度采集及控制輸出流程圖系統(tǒng)上電后，單片機(jī)首先判斷系統(tǒng)工作模式，在制熱模式習(xí)下，根據(jù)溫度傳感器傳輸過來時(shí)溫度參數(shù)判斷是否滿足電加熱的條件，如果滿足則啟動(dòng)電加熱開關(guān)，不滿足則繼續(xù)判斷是否滿足壓縮機(jī)啟動(dòng)條件，滿足則啟動(dòng)壓縮機(jī)，反之壓縮機(jī)不動(dòng)作。在制冷模式下則不需要判斷電加熱條件

55、，直接進(jìn)行壓縮機(jī)啟動(dòng)條件判斷，滿足啟動(dòng)，反之不動(dòng)作。4.2.4 報(bào)警電路流程圖報(bào)警電路流程圖如圖4.4所示圖4.4 報(bào)警電路流程圖程序運(yùn)行中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的三路保護(hù)，分別是井水水流檢測(cè)保護(hù)，循環(huán)水流檢測(cè)保護(hù)，壓縮機(jī)故障保護(hù)。當(dāng)有一路保護(hù)出現(xiàn)錯(cuò)誤是就報(bào)警，同時(shí)停止故障所有水泵以及壓縮機(jī)的運(yùn)行，直至故障排除才重新啟動(dòng)系統(tǒng)。第5章 水源熱泵系統(tǒng)軟硬件調(diào)試根據(jù)方案設(shè)計(jì)的要求，測(cè)試過程共分為三大部分：硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)合調(diào)試。電路按模塊調(diào)試，各模塊逐個(gè)調(diào)通后，再進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。先調(diào)試好單片機(jī)主控芯片,確保單片機(jī)最小系統(tǒng)電路正常工作后，再與其它硬件系統(tǒng)聯(lián)合調(diào)試。5.1 硬件調(diào)試硬件調(diào)試，查看硬件模塊

56、電路的連線是否與邏輯圖一致，用萬用表檢測(cè)有無短路或斷路現(xiàn)象，器件的規(guī)格、極性、電阻選擇的大小是否有誤。檢查完畢，用萬用表測(cè)量一下電路板正負(fù)電源端之間的電阻，排除電源短路的可能性。電源模塊通電后，在萬用表輸出端測(cè)量能否得到5V直流電壓，如果不能輸出5V直流電壓則檢查電路直至能夠調(diào)節(jié)輸出。5.2 軟件調(diào)試本系統(tǒng)的軟件調(diào)試因STC12C5A60S2核心模塊的使用而變得相對(duì)容易，Keil軟件開發(fā)環(huán)境，能判斷語法差錯(cuò)和邏輯差錯(cuò)，判斷程序無誤后，可以直接通過STC_ISP_V480軟件燒錄到單片機(jī)中進(jìn)行調(diào)試。5.3軟硬聯(lián)合調(diào)試在軟件和硬件都基本調(diào)通的情況下，進(jìn)行系統(tǒng)的軟硬件聯(lián)合調(diào)試。按照由上向下，模塊化設(shè)

57、計(jì)的理念對(duì)模塊逐個(gè)調(diào)試：首先，通過ISP在線下載，使寫好的程序能夠正常地下載到單片機(jī)里，接著單獨(dú)調(diào)試LCD液晶模塊，DS1302模塊，并單獨(dú)為各個(gè)模塊寫調(diào)試程序，為最后整個(gè)系統(tǒng)的整合打下良好的基礎(chǔ)。5.4 總結(jié)本論文用51系列的STC12C5A60S2單片機(jī)做成水源熱泵空調(diào)溫度控制器，通過溫度采集，CPU控制，然后通過LCD液晶顯示，開關(guān)量檢測(cè)，開關(guān)量輸出等一系列硬件功能和軟件功能，共同完成溫度的智能控制。由于MCS-51單片機(jī)技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，而且比其他單片機(jī)簡(jiǎn)單,通過此單片機(jī)做成的水源熱泵空調(diào)溫度控制器成本低廉，操作簡(jiǎn)便，有一定的實(shí)用性。本論文設(shè)計(jì)系統(tǒng)從硬件和軟件兩方面對(duì)地下水源熱泵的控

58、制部分進(jìn)行討論，著重于熱泵的溫度采集和開光量輸入輸出模塊的分析，目的是以價(jià)格低廉的控制器替代昂貴的控制系統(tǒng)或者人工控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)性價(jià)比高、功能多、抗擾能力強(qiáng)、實(shí)時(shí)好的人性化控制，以便滿足更多用戶的實(shí)際需要。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)我收獲很多，當(dāng)自己拿到一個(gè)題目，要全面的分析它的設(shè)計(jì)要求，完成它的軟硬件設(shè)計(jì)，綜合考慮設(shè)計(jì)的可操作性。我還在本次設(shè)計(jì)中學(xué)到了一些工程設(shè)計(jì)的思想，這得益于老師的指導(dǎo)。這將會(huì)為后來的學(xué)習(xí)、工作帶來方便。在本次設(shè)計(jì)中采用模塊化設(shè)計(jì)，這為設(shè)計(jì)減少了很大難度，也為調(diào)試帶來方便。這一思想是至關(guān)重要的，將會(huì)為后來從事本專業(yè)的工作帶來極大方便。第6章 參考文獻(xiàn)1陳海宴 51單片機(jī)原理及應(yīng)用基

59、于keil C與Proteus 北京航空航天大學(xué)出版社 2010.2陳桂友 增強(qiáng)型8051單片機(jī)使用開發(fā)技術(shù) 北京航空航天大學(xué)出版社 2010.3嚴(yán)天峰 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真調(diào)試 航空航天大學(xué)出版社 2005 4李莉 C語言程序設(shè)計(jì)教程 科學(xué)出版社. 20075何利民 MCS一51系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì) 北京航空航天大學(xué)出版社，19926徐科軍 傳感器與檢測(cè)技術(shù) 電子工業(yè)出版社 20087侯玉寶 基于Proteus的51系列單片機(jī)設(shè)計(jì)與仿真 電子工業(yè)出版社 20088陳曉鴿 昂軍 胡仁喜 Protel99SE標(biāo)準(zhǔn)實(shí)例教程 機(jī)械工業(yè)出版社 20109劉坤 高征 Protel99SE電路設(shè)計(jì)實(shí)

60、例教程 清華大學(xué)出版社 200810黎小桃 劉祖明 周福明 Protel99SE入門與提高 電子工業(yè)出版社 200911Bjame W.Olesen,Eric Michel. Heat Exchange Coefficient Between Floor Surface and Space by Floor Cooling-Theory or a Question of Defintion.ASHRAE Transaction:Symposia DA-00-8-2 12M.Maroni,B Seifert.T Lindball.Indoor Air Quality M.Netherland:

61、Elsevier Science B V 1995致謝辭畢業(yè)設(shè)計(jì)暫告收尾，這也意味著我在大學(xué)學(xué)習(xí)生活即將結(jié)束?；厥准韧?，自己一生的最寶貴時(shí)光能在這樣的校園之中，能在眾多學(xué)富五車、才華橫溢的老師們的熏陶下度過，實(shí)事榮幸之至。在這四年的時(shí)間里，我在學(xué)習(xí)上和思想上都受益匪淺。這除了自身努力之外，與各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心、支持和鼓勵(lì)是分不開的。在這里,我首先要感謝指導(dǎo)老師，為我們提供了一個(gè)良好的學(xué)習(xí)平臺(tái)。沒有像老師這樣奉獻(xiàn)的工作者，我們就少了一個(gè)積累途徑。在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，剛開始時(shí)我的設(shè)計(jì)思路很混亂，可以說是無從下手，經(jīng)過姚老師的耐心講解，終于確定的設(shè)計(jì)方向與思路。在這幾個(gè)多月的時(shí)間里我積極收

62、集資料，消化、吸收。學(xué)到了很多東西，并且耐心的調(diào)試，現(xiàn)在畢業(yè)設(shè)計(jì)已基本完成。同時(shí)也感謝學(xué)校對(duì)畢業(yè)生的關(guān)心，為我們提供良好的學(xué)習(xí)環(huán)境。感謝所有在畢業(yè)設(shè)計(jì)中曾經(jīng)幫助過我的老師和同學(xué)，以及在設(shè)計(jì)中被我引用或參考的著作的作者。將以更加務(wù)實(shí)態(tài)度對(duì)待工作和學(xué)習(xí)，以此感謝。附錄一附錄二PT100熱電阻分度表溫度 0123456789電阻值（）-40-30-20-10084.2788.2292.1696.09100.0083.8787.8391.7795.6999.6183.4887.4391.3795.3099.2283.0887.0490.9894.9198.8382.6986.6490.5994.5298.4482.2986.2590.1994.12