1、沐浴热水器节水控制系统沐浴热水器节水控制系统计算机控制技术与应用 课 程 设 计 课题： 淋浴热水器节水控制系统 专业： 电气工程与自动化系 学号： 姓名： 指导教师： 日期：2013年5月26日 第1章 前言目前我国国有企业、事业单位、学校等都有许多公共浴室，其中大多是传统淋浴设备，这些设备陈旧，造成大量淡水资源的浪费，针对我国淡水资源浪费的现状，本文设计了一种能自动感应人的来去的红外自动淋浴系统。在硬件方面系统主要以AT89S51单片机为核心，以RE200B传感器为红外接收模块，DS18B20温度检测、按键电路、蜂鸣器报警模块，LCD显示模块及电磁阀控制模块，并辅有一些外部元件组成。单片机
2、接收到的红外信号后打开电磁阀，此时开始淋浴，同时通过LCD液晶显示淋浴时间或定时时间，当定时时间快到时，通过蜂鸣器进行声音报警，并一分钟后关闭电磁阀，从而达到淋浴节水效果。在软件设计方面采用C语言编程，是由于其易于为单片机所识别，执行速度快。程序容易读懂、最后对软件调试进行了误差分析。基于单片机淋浴热水器节水控制设计完善，实现方案简单易行。采用软件设计来控制，可以实现智能检测水位及水温，智能加热，自动判断人来，节约了用水。集成了光学、电子、单片机和机械等技术于一体。系统工作可靠，成本低廉，经济效益显著，并且提高了整机的可靠性及准确性。第2章 总体设计内容2.1设计思路及原理框图在硬件方面系统主
3、要以AT89S51单片机为核心，以RE200B传感器为红外接收模块，DS18B20温度检测、按键电路、蜂鸣器报警模块，LCD显示模块及电磁阀控制模块，并辅有一些外部元件组成。在软件设计方面采用C语言编程，是由于其易于为单片机所识别，执行速度快。人靠近淋浴器时，系统中的红外传感器检测模块便检测到相应的人体红外信号，系统便被触发；单片机接收到的红外信号后打开电磁阀，此时开始淋浴，同时通过LCD液晶显示淋浴时间或定时时间，当定时时间快到时，通过蜂鸣器进行声音报警，并一分钟后关闭电磁阀，从而达到淋浴节水效果。在洗澡时还可以调节温度，其原理框图如图2-1所示。图2-1 设计原理框图2.2控制回路1. 淋
4、浴热水器节水自动控制系统主要包括三个回路: 1）.水温检测控制回路：当传感器工作时，先设定温度在一定的范围内，一般是40-50度之间，如果水温超过50，将温度传给单片机，蜂鸣器报警，并断电；如果水温低于40热水器开始工作，加热指示灯亮。2）.人体信号检测回路：人靠近淋浴器时，系统中的红外传感器检测模块便检测到相应的人体红外信号，系统便被触发；单片机接收到的红外信号后打开电磁阀3）.按键控制水温检测回路：通过按下加键或减键来给单片机一个信号，经内部转换后，输出另外一个信号来控制水温，使水温在设定值上增加或减小。2.3检测元件1.RE200B热释电红外传感器红外信号采集是指从传感器或者其他待测的设
5、备等模拟被测单元或数字被测单元中自动采集信息的一个过程。信号采集系统是结合计算机的测量软硬件相关产品来实现灵活、用户自定义的测量系统。一个完备的数据采集系统应该包括传感器或变换器、信号调理设备、数据采集和分析硬件、驱动程序和应用软件等等。本系统中被检测的信号为模拟量，要经过BISS0001转换成数字量，才能实现单片机的控制。数据采集模块是将人体红外的传感器信号，经过BISS0001送给单片机进行处理，终端单片机判断处理并作时间数码显示及蜂鸣器报警。在数据采集模块部分，本系统采用AT89S51单片机作为前端警情采集中心控制单元，主要完成对所采集数据的处理。RE200B热释电红外传感器通常由热释电
6、晶体、氧化膜、滤光镜片、结型场效应管FET和电阻等部分组成。红外传感器工作原理与红外线有关，它是利用红外线的物理性质来进行测量的传感器，热释电红外传感器内部的热释电晶体具有极化现象，并且随温度的变化而变化。通过滤镜可以限定晶体对特定波长的光线产生响应，一般在8um-14um，这样就非常接近人体辐射的红外线波长了。当恒定的红外辐射照射在探测器上时，热释电晶体温度不变，晶体对外呈电中性，探测器没有电信号输出，因而恒定的红外辐射不能被检测到。当交变的红外线照射到晶体表面时，晶体温度迅速变化，这时才发生电荷的变化，从而形成一个明显的外电场，这种现象称为热释电效应。由于热释电晶体输出的是电荷信号,不能直
7、接使用，需要用电阻将其转换为电压形式，该电阻阻抗高达104兆，故引入N沟道结型场效应管接成共漏形式(即源极跟随器)来完成阻抗变换。热释电红外传感器将两个特性相同的热释电晶体逆向串联，用来防止其他红外光引起传感器误动作。另外,当环境温度改变时，两个晶体的参数会同时发生变化,这样可以相互抵消，避免出现检测误差。该传感器使用时，D端接电源正极，G端接电源负极，S接地。RE200B红外热释电处理芯片BISS0001，BISS0001是一款具有较高性能的传感信号处理集成电路，它配以热释电红外传感器和少量外接元器件构成被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启各类白炽灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门、电风扇、烘干
8、机和自动洗手池等装置。1) BISS0001是由运算放大器、电压比较器、状态控制器、延迟时间定时器以及封锁时间定时器等构成的数模混合专用集成电路。2) BISS0001有如下特点：(1).CMOS工艺(2).数模混合(3).具有独立的高输入阻抗运算放大器(4).内部的双向鉴幅器可有效抑制干扰(5).内设延迟时间定时器和封锁时间定时器(6).采用16脚DIP封装，其DIP封装引脚分布图如图2-2所示。图2-2 BISS0001 DIP封装引脚分布图3) BISS0001两种工作方式：(1) 不可重复触发工作方式首先，根据实际需要，利用运算放大器OP1组成传感信号预处理电路，将信号放大。然后耦合给
9、运算放大器OP2，再进行第二级放大，同时将直流电位抬高为VM(0.5VDD)后，将输出信号V2送到由比较器COP1和COP2组成的双向鉴幅器，检出有效触发信号Vs。由于VH0.7VDD、VL0.3VDD，所以，当VDD=5V时，可有效抑制1V的噪声干扰，提高系统的可靠性。 COP3是一个条件比较器。当输入电压VcVR时，COP3输出为高电平，进入延时周期。 当A端接“0”电平时，在Tx时间内任何V2的变化都被忽略，直至Tx时间结束，即所谓不可重复触发工作方式。当Tx时间结束时，Vo下跳回低电平，同时启动封锁时间定时器而进入封锁周期Ti。在Ti时间内，任何V2的变化都不能使Vo跳变为有效状态（高
10、电平）,可有效抑制负载切换过程中产生的各种干扰。 (2)可重复触发工作方式可重复触发工作方式下在Vc=“0”、A=“0”期间，信号Vs不能触发Vo为有效状态。在Vc=“1”、A=“1”时，Vs可重复触发Vo为有效状态，并可促使Vo在Tx周期内一直保持有效状态。 在Tx时间内，只要Vs发生上跳变，则Vo将从Vs上跳变时刻起继续延长一个Tx周期；若Vs保持为“1”状态，则Vo一直保持有效状态；若Vs保持为“0”状态，则在Tx周期结束后Vo恢复为无效状态，并且，同样在封锁时间Ti时间内，任何Vs的变化都不能触发Vo为有效状态。 2. DS18B20温度传感器DS18B20温度传感器是美国DALLAS
11、半导体公司最新推出的一种改进型智能温度传感器，与传统的热敏电阻等元件相比，它能直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式。现场温度直接以一线总线的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。与前一代产品不同，新的产品支持3V-5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。其性能特点可归纳如下：1) 独特的单线接口仅需要一个端口引脚进行通信；2) 测温范围在-55到125，分辨率最大可达0.0625；3) 采用了3线制与单片机相连，减少了外部硬件电路；4) 零待机功耗；5) 可通过数
12、据线供电，电压范围在3.0V-5.5V；6) 用户可定义的非易失性温度报警设置；7) 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件； 8) 负电压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热烧毁，只是不能正常工作。DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO92小体积封装形式；温度测量范围为55至125,可编程为9位到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，支持3V-5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便；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
13、线上，CPU只需一根端口线就能与诸多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。分辨率设定，及用户设定的报警温度存储在EEPROM中，掉电后依然保存。DS18B20使电压、特性有更多的选择，让我们可以构建适合自己的经济的测温系统。如图2所示DS18B20的2脚DQ为数字信号输入/输出端；1脚GND为电源地；3脚VDD为外接供电电源输入端。当传感器工作时，先设定温度在一定的范围内，一般是40-50度之间，如果水温超过50，将温度传给单片机，蜂鸣器报警，并断电；如果水温低于40热水器开始工作，加热指示灯亮。2.4
14、计算机的机型选择1.本设计采用AT89S51单片机主要参数如下：1)与 MCS-51 产品指令系统完全兼容2)4k字节在线系统编程（ISP）Flash 闪速存储器3)1000次擦写周期 4)4.05.5V 的工作电压范围5)全静态工作模式：0Hz33MHz6)三级程序加密锁7)1288字节内部RAM8)32个可编程I/O口线 9)2个16位定时/计数器10)6个中断源11)全双工串行UART通道12)低功耗空闲和掉电模式13)看门狗（WDT）及双数据指针14)掉电标识和快速编程特性15)灵活的在线系统编程（ISP字节或页写模式）2.串行编程指令设置：串行编程指令设置为一个4字节协议。3.并行编
15、程接口：采用控制信号的正确组合可对Flash闪速存储阵列中的每一代码字节进行写入和存储器的整片擦除，写操作周期是自身定时的，初始化后，它将自动定时到操作完成。4.功能特性概述：AT89S51 提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，看门狗（WDT），两个数据指针，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89S51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。5.AT89S51单片机最小系统AT89S51单片机最小系统由AT89S51单片机及其外围电路组成，外围电路包括时钟电路和复位电路两部分。1)时钟电路：时钟电路为单片机产生时序脉冲，单片机所有运算与控制过程都是在统一的时序脉冲的驱动下的进行的，时钟电路就好比人的心脏。同样，如果单片机的时钟电路停止工作（晶振停振），那么单片机也就停止运行了。当采用内部时钟时，连接方法如下图所示，在晶振引脚XTAL1（19
