智能型太阳能热水器测控仪设计

I 智能型太阳能热水器测控仪设计 摘 要 : 随着全球人口和经济规模的不断增长，能源使用带来的环境问题及其诱因逐渐为人们所认识，“低碳经济”这一概念开始进入人们的视野。太阳能热水器以其廉价、节能的特点，受到广大消费者的青睐，与之配套的控制器设计问题一直受到人们的关注。为解决水温水位的自动控制问题，本课题以单片机为控制核心，结合水温水位传感技术，设计了具有水温水位控制的太阳能热水器自动控制系统。该控制系统通过按键设置控制方式，可实现全天候不间断提供热水，而且具有防止空烧和高低水温水位报警功能。本文主要介绍了单片机 太阳能热水器测控仪的硬件、软件的设计和调试方法等内容。 关键词 ：太阳能热水器；单片机； 测控仪 ； of to s is of nd of To of CU of it of 1 第 1 章 绪论 言 能源是人类生存和社会发展的物质基础，一个能够持续发展的社会应该是一个既能满足当前需要又不危及后代人前途的社会。因而，随着世界性能源短缺和环境污染的日益严重，节约能源和寻找新的可再生无污染的能源就摆在了人们的面前。节约能源，尽可能多的用洁净能源代替高碳量的矿物燃料，也就成为能源和环境建设必须好遵循的基本原则之一。在近代的 100多年间，人们对各种太阳能利用方式进行了广泛探索，逐步明确了发展方向。 20世纪 70年代以后，世界各国加大了对太阳能研 究开发的投入，太阳能热水、太阳能建筑、太阳能光伏发电等利用项目发展速度迅速，规模逐渐扩大。早在 1973年，美国就制定了政府级的阳光发电计划。而后许多国家都制定了相应的发展计划。 80年代，日本、澳大利亚、美国、以色列和希腊等国家出现新兴的太阳热水工业 3。1992年联合国召开了全球与环境发展大会之后，许多国家纷纷将太阳能列入重点开发项目。充分开发利用太阳能也就成为世界各国政府可持续发展的能源战略决策，一方面可以广泛地应用于热水、发电、制冷、采暖等诸多方面，另一方面可以大量节省石油煤碳等不可再生资源，将大大缓 解能源匾乏而带来的严重后果 10。 我国幅员辽阔，具有丰富的太阳能资源和良好的开发利用基础。全国太阳能国辐射总量在 焦 /平方米之间，约占全国 2/3 以上的地区全年日照时数大于2000小时。经过十余年的努力，我国太阳能利用取得了举世瞩目的成绩，太阳能热水器是太阳能热利用中技术最成熟、应用最广泛、产业化发展最快的领域。当前我国自主开发的全玻璃真空管太阳能热水器在世界上处于领先水平，并出口到日本、美国等发达国家。 阳能热水器的发展现状和前景展望 太阳能是一种取之不尽、用之不 竭的新能源，大力开发和应用太阳能，是当今许多国家极为关注的课题，节能技术的研究与应用也是我国能源政策的重要组成部分。能源危机和环保意识使对太阳能利用达成全球范围的共识。世界上一些著名分析预测研究机构、跨国公司、太阳能专家和一些国家政府纷纷预测，认为 21 世纪中叶，即 2050年前后，太阳能在世界能源构成中将占 50%的份额，届时太阳能将成为世界可持续发展的基础能源。开发太阳能这种益于环境，益于社会，益于公众的新能源，在能源日趋缺乏的当今世界，有着特殊的意义和广阔前景 2。 太阳能热水器可提供日常生活中使 用的 40 60热水 ,其结构简单 ,使用方便 ,工2 作可靠 ,是最经济实用的太阳能热利用方式之一。由于其节能、清洁和方便等优点 ,目前在城镇和乡村普遍使用 ,且效果明显。 当今社会发展日新月异，人们衣食住行的档次也不断提高。现有电热型热水器费用昂贵及燃气型的不安全性，且排放二氧化碳污染大气，北方用煤气取暖造成城市空气环境污染，这些都是 太阳能热水器良好的外部生存环境。太阳能热水器顺呼时代发展的要求，满足人们对环保绿色产品的需求。在人类文明进程日益提高的今天，它是现代文明社会的最佳选择。 （ 1） 经济 太阳光是不要钱的 ，花二、三千元设备钱，可用上 20年。还可节省许多电费。 （ 2） 方便 放在房顶上，每分钟都有热水供应，不用等待，非常方便。 （ 3） 安全 不怕煤气中毒，不怕漏电，除了要小心水太热被烫伤外，其他都不用担心。 （ 4） 环保 没有任何废气排放，不污染环境，是一种绿色环保节能产品。 （ 5） 实用 太阳能热水器终将会取代传统的煤气热水器或电热水器，现在使用，说明您注重环保，懂得享受生活 3。 综上所述 ，人们己经开始发挥自己的聪明才智，充分利用太阳能这种重要的自然能源。在科学技术迅速发展的今天，随着许多新兴技术的崛起，太阳能 利用一定会有更大的突破。 阳能热水器控制仪的现状 在太阳能热水器的控制方面，其发展就远远落后于太阳能热水器本身的发展，诸如使用一段时间后，传感器因结垢而检测不准；显示器显示乱码；因干扰而造成电磁阀等执行机构误操作等一些问题，影响了太阳能热水器的推广使用。绝大多数用户对水位 (进水 )的控制仍然依赖于观察溢流管有无溢流。但这种方法有明显缺陷 : （ 1）智能化程度不高，一方面，人工上水，用户需占用大量时间，使用十分不 方便 ;另一方面，也造成了对太阳能利用的效率低下 ; （ 2）其关键元件水温、水位探头插入水箱 中，依靠探头金属与水导电产生信号来显示水位。太阳能水温升高时，探头上会产生水垢，影响了探头与水之间的导电性能，整套水位显示系统也就失去了作用，控制仪也就不能正常使用。 （ 3）虽然此类产品种类多，但功能都不齐全，各有侧重，且通用性较差 ; （ 4）交互界面不友好，用户了解信息和操作都不方便。基于这几点考虑，针对目前市场上的家用太阳能热水器控制系统存在的缺陷 ，我们做了必要的、有益的调整、3 改进和完善。以 片机为核心 ，利用数字温度传感器代替传统的金属探头，解决了升温结垢问题；同时实现对太阳能热水器的水位 、补水方式、补水时间的程序化控制，提高了系统的智能化，同时提高了对太阳能的利用率 ;通过液晶显示与用户建立良好的交互界面 4。 题主要内容和要求 本系统以 单片机 控制系统为基础，通过对 太阳能热水器控制器 的工作原理、 设计要求的分析和研究来进行 硬件 结构和 软件系统的 设计 。设计内容主要为： （ 1） 了解 太阳能热水器控制器的功能及工作原理； （ 2） 掌握单片机的使用及了解 相关 传感器的工作原理； （ 3） 完成系统 硬件 结构及 电路设计； （ 4） 完成系统 软 件 设计及部分软件调试 ； （ 5） 完成 文献综述、开题报告、毕业设计论文的撰写。 4 第 2 章 总体方案的设计 目前市场上的太阳能热水器控制器具有功能齐全、智能化强、操作简单方便、人机交互界面良好等诸多功能： （ 1） 太阳能热水器水位测定：通过霍尔双向流量计可较精确的测定目前太阳能热水器的水量，解决了长期困扰太阳能控制器可靠性的难点，并在液晶上通过数值来显示，直观、简洁。 （ 2） 太阳能热水器水温测定 与控制：通过数字温度传感器来探测太阳能热水器的温度 ， 并通过单片机控制在液晶上以数字形式显示；用户也可以根据需要选用或不选用辅助电加热器。当不选用辅助电加热时，采用恒温补水，即温度低于一定值 (如 45)，到达补水时间，只能补半箱水，温度高于一定值 (如 70)，则立即补水到满水位。 （ 3） 补水方式选择：用户可以根据自己的需要选择自动补水 (系统一旦检测到水位低于一定值就自动打开电磁阀补水直到满水位 )或手动补水 (系统根据用户设定的补水时间来进行补水 )。 （ 4） 系统时间显示与调整：用户可以在液晶上知道系统时间，并可 以对时间进行调整。 （ 5） 断电保护：当由于非正常原因断电时系统会启动辅助供电系统，使系统继续维持工作状态，而不会丢失信息。 （ 6） 液晶显示：监测结果以及相应的用户操作，都在液晶上以图形或数字的方式来显示，直观、明了，用户用起来很方便。 （ 7） 此外，系统还对多种意外情况做了相应的保护措施。如，自动切断电磁阀 (防止用户补水时，自来水公司突然停水 )；当电加热启动着时，用户如果用水，则切断电加热，直到用户用水完毕，再重新开启电加热。 (防止带电用水 )等等 13。 体方案的确定和设计 在本次设计中要得到的是 一个智能化的太阳能热水器。首先要让其满足作为一个太阳能热水器的最基本的结构，此外为实现智能化则应该是再加上微机（单片机）系统来组成。普通的太阳能热水器用来完成基本功能，而微机系统则用来对各类信息进行分析综合，完成太阳能热水器相应部分正常运行的控制功能和对运行的太阳能热水器进行实时监测，检测故障，自身维护及自动操作等功能。 设计太阳能热水器控制器，包括硬件设计和软件设计。硬件电路的设计首先理清各部分电路的工作原理和功能，再进行各个单元电路图的设计。采用单片机进行软件设计首先要做出程序流程图，子程序流程图，控制 算法，然后上机调试、修改，最后确定最5 佳控制方案。 体硬件电路的设计及指导思想 主体硬件电路是整个设计的基础和着手点。太阳能热水器控制器硬件电路主要 由 以下几 大部分组成 ： 温度传感及控制电路； 水位传感及控制电路； 键盘输入电路； 液晶显示电路； 时钟电路； 报 警电路； 电辅加热等部分组成。 其大致原理图形可如图 图 体硬件框图 单片机 温度监测及控制 键盘输入 液晶显示 水位监测及控制 上水及控制 电辅加热 报 警 时钟电路 辅助电加热器 排空控制阀 阀温度探点 水位探点 太阳能热水器 储 水 箱 淋浴开关 自来水 热水开关 冷水开关关 上水电磁阀 水流开 关 阀阀阀阀图 太阳能热水器辅助控制系统结构图 6 在设计时需从总体图出发按要求逐个设置分电路。此外，在设计中用到微机（ 8051单片机 ） 应用系统 ， 单片机应用系统是指以单片机为核心，配以一定的外围电路和软件，能实现某些功能的应用系统。它由硬件部分和软件部分组成。 进行该系统设计的目的是达到智能控制要求，包括 扩展部分 和 功能模块的设计， 以及软件系统设计等。具体硬件设计过程、思路将在第三章中进行详细阐述 。 体软 件控制部分的设计思路 软件编写主要实现自动监测及控制温度和水位，并将所得数据通过液晶显示器进行显示， 课题设计要求中规定必须以单片机为核心来控制太阳能热水器。所以必须设计一个 单片机应用系统 ，即 以单片机为核心，配以一定的外围电路和软件， 用来 实现 电路实时监测等 功能的应用系统。 具体软件设计思路及芯片选型确定见第四章详细说明。 7 第 3 章 硬件结构及电路设计 太阳能热水器的集热管、水箱等部分的技术比较成熟，此处不作介绍。下面主要介绍热水器测控仪系统的设计，即使用单 片机控制热水器部分。 体设计方案 件结构设计图 在本次设计中要得到的是一个智能化的太阳能热水器。首先要让其满足作为一个太阳能热水器的最基本的结构，此外为实现智能化则应该是再加上微机（单片机）系统来组成。普通的太阳能热水器用来完成基本功能，而微机系统则用来对各类信息进行分析综合，完成太阳能热水器相应部分正常运行的控制功能和对运行的太阳能热水器进行实时监测，检测故障，自身维护及自动操作等功能。 主体硬件电路是整个设计的基础和着手点。太阳能热水器控制器硬件电路主要 由 几大部分组成 ： 水位传感及控制电路； 温度传感及控制电路； 键盘输入电路； 液晶显示电路； 时钟电路； 报警电路等部分组成。 其大致原理图形可如图 图 件电路设计框图 控制器的 I/O 口分配明细表 温度传感器 +5V 蜂鸣器 晶显示 水位传感器 1 盘电路 键盘电路光耦 大 时钟电路 加热继电器 光耦 放大 上水电磁阀 8 表 、北京时间显示、温度和水位的显示及控制等。所以此系统要处理以下程序 :温度的设置、采集、比较、控制和温度、时间的显示以及定时执行特 定程序等功能。 片机的选择 本设计所采用的主控制器是由 司所生产的 是基于 司的 然是 8位单片机，但是具有很强大的功能。具有集成度高、速率高、功耗低的特点。它所具有的功能主要有： （ 1） 增加了单片机芯片间的串行总线，方便了外部接口芯片的扩展，为单片机应用系统设计创造了更加方便的条件； 与 司的 内部含 储器； 静态时钟方式； 错误编程亦无废品产生； 可反复进行系统试验由以上的性能指标可以发现， 片机是一款高性能单片机，所以用它作为太阳能热水器测控仪的主控制器部分。 （ 2） 之前有用 51 系列 单片机做过 “ 单片机 八路抢答器课程设计 ” ，使用起来更加方便 和 熟练。 （ 3） 除此之外 51 系列 单片还有加密性强；超强的抗干扰能力；超低 功耗；在系统可编程，无需编程器，可远程升级等优点。 钟芯片 为了简化软件设计， 系统采用了时钟芯片 司的可编I/用途 显示器 键盘连接 加热继电器连接 上水电磁阀连接 闲 9 程的实时时钟芯片 它功能丰富应用广泛， 内的时钟信号就是由 0年之久不丢失数据。能记秒、分、时、日、月、年及星期，还有闰年补偿功能。可选 24小时制或 12小时制。初始化芯片后， 自动计时，并把 当前时间存入存储器里，可用指令读出其中的时间，经处理后供 示。它在工业控制及仪器仪表中有广泛的用途 5。 位监测电 路及其工作原理 由于传统的太阳能热水器水位传感装置采用直流水介质电接点型水位传感器，因电解效应，电极易腐蚀而导致接触不良，可靠性低，电极寿命短。并且，大多数厂家水位分级仅有 3、 4级，分辨率较低，不能满足用户需要，且成本较高 8。为克服上述缺陷，本装置针对当前的太阳能热水器控制系统存在的缺陷，作了必要的改进和完善： 针对水位探头上产生水垢而影响导电性的方面，本装置采用干簧管代替水介质接点水位传感器，无腐蚀，高可靠性，而且是线路信号的二线制传输，成本低且提高了分辨力。 本装置的水位分 8级，分辨力高 6。 水箱水位分 8级，由干簧管采样，每变动一级水位，电压将变动 1V。经缓冲器将采样电压 1V、 2V 8V 的电压传至 者将其转化为数字信号后传到单片机的过程序处理，送出水位显示信号，水位用液晶显示器显示，直观醒目。水位采集电路如图 2所示， I 为恒流源，该电流流过一个检测电阻产生的压降为 当 2， 2为阳极， 极和 2的电压为负时，导通方向也为 2为阳极， 极和 2的电压为正时，导通方向为 时 极和 1的电压为负时，则导通方向仍为 时 性能良好的双向晶闸管，其正、反向特性曲线具有很好的对称性。并且其触发电流16 小，通态平均电流大，作电压高，也是理想的交流开关器件。 （ 2）电加热、电磁阀控制电路 控制系统最终要控制交流电路，为隔离强电对弱电部分的影响，可采用光耦 磁阀用 加热用 为中间继电器，充当交流控制开关。光电隔离和 阻 双向晶闸管并联的 护双向晶闸管及 0。 图 向晶闸管四种触发状态 I 1 G _ 1 + + _ 1 G _ 1 G I I I 1 G 3 4 17 第 4 章 单片机应用系统软件的设计 件总体设计思路 作界面效果图 本次设计主要要完成以下功能：液晶显示，北京时间显示、全天候定时上水、加热，水温 、水位预置，功能。先设计主体程序然后调用各个模块实现对应的功能。这就要求设计主程序模块、液晶显示模块、北京时间显示模块、键盘接口电路模块、水位监测模块、温度监测等模块。最后的效果图大致如下： 图 示器和按键效果图 各数字键还有附加功能如下： 1号键：年加 1； 2号键：年减 1； 3号键：月加 1； 4号键：日加 1； 5 号键：时加 1； 6号键：分加 1； 7号键：秒加 1. 以下为各模块设计思路及相应程序。 要程序模块图 图 要程序模块图 0813:40:20 时间 示 键盘按键 1 3 2 温度 5 6 7 8 水位 9 0 确定 取消 4 主要程序模块 主程序 模块 温度测量模块 水位 测量模块 时间整定 模块 示 模块 键盘 模块 中断 模块 18 程序模块 主程序的内容包括：内存地址分配、主程序的起始地址，中断服务程序的入口地址、开放中断，有关内存单元及相关部件的初始化，定时器初始化、子程序的调用，判断水温水位是否越限，进而控制加热及上水。 存地址的分配 表 这部分主要是分 配内存地址，以便进行数据的显示、存储和运算，在本系统中其分配表 下： 表 存地址分配表 内存地址 用途 000时器 0013H 外部中断 0入口地址 0030H 系统程序起始地址 22H 27H 年、月、日、时、分、秒数值存储单元 28H、 29H 分别为预设水温、水位存储单元 2测水温值 2测水位值 30H 5示缓存区 60 7置为堆栈地址 程序的初始化内容 所谓初始化，是对将要用到的 51 系列单片机内部部件或扩展芯片进行初始工作状态的设定。 51 系列单片机复位后，特殊功能寄存器 内容均为 00H，所以应对 行初始化编程。 在本次的设计中，使用了 2 个中断： （ 1） 断：采用外部中断工作方式，完成定时功能，因此需设定定时器初值。 （ 2） 断：采用外部中断工作方式，完成时间、水温、水位设定功能。 同时还要初始化显示缓存区域及对地址清零，具体情况参看主程序。 程序 模块 流程图 主程序模块的流程图如图 示： 19 程序 初始化 ；数字温度传感器输入输出信号接 ；上水控制接 ；加热控制接 ；报警信号接 0H ；指令寄存器 1H ；数据寄存器 2H ；内存单元分配 3H 水温到预设值？ 设置中断入口地址、开中断 显示更新 初始化 开始 继续加热 继续进水 停止加热 停止进水 水位到预设值？ Y N Y N 图 程序流程图 20 4H 5H 6H 7H 8H 9H ；指令口写地址 ；指令口读地址 ；数据口写地址 ；数据口读地址 度测量模块 度监测子程序 本模块的核心器件是微处理器 片机与数字温度传感器 机后将对数字温度传感器 对其进行读写操作。对 行读写操作时一定要遵循数字温度传感器的时序，因为数字温度传感器 件结构简单，要用软件进行补偿，所以 果读写时不遵守其电气特性将得不到正确的温度测量值。 数字温度传感器 对数字温度传感器 出 别存入 0040H、 0041对这两个字节的信息进 行处理，得到当前水温的个位、十位、百 位，分别存入 0071H、 0072H、 0073后一步的数据存储提供数据信息。 温度测量流程图如图 程时一定要遵守 则 21 据处理子程序 得到的并不是温度的实际值，所以需要根据不同 分辨率时的温度和数字输出之间的转换关系 进行转换得到实际温度值，本设计设置的分 辨率为 12位 ，所以得出以下转换公式 15。 当测得的温度低于 0 时，温度转换使用公式（ 1）；当温度高于 0时，温度转换使用公式（ 2）。 （ 4 （ 4 代表按位取反。其温度采集数据处理流程图如下图 跳过 开始 发温度转换命令 读温度前先复位 跳过 图 作流程图 返 回 在？ 发读温度命令 保存数据 N Y 22 图 温度采集数据处理流程图 位测量模块 此设计中水位传感采用干簧管传感器，采集的信号为模拟信号，将此信号接其转换为数字信号输入到单片机中，在将此数据经过处理送液晶显示。 初始化 数据处理 启动转换 Y N 图 ？ 返回 开始 保存低位寄存器的整数 部分 从低位寄存器得小数后一位 相加得温度值的整数部分 将整数部分分离出各位数 温度值分别存入相邻寄存器 结束 23 间整定模块 始化子程序 本次设计采用 24小时制，采用查询方式。其初始化子程序如下： 7,#86H ；禁止芯片更新， 24小时制 7,#20H ； 定秒 7,#00H ； 定分 7,#00H 依次类推 ； 动芯片正常工作 7,#06H 读当前时间子程序 用查询方式读出 前时钟值， 分别将年的十位、个位存入 32H、 33H；将月的十位、个位存入 35H、 36H；将日的十位、个位存入 38H、 39H；将时的十位、个位存入 33分的十位、个位存入 40H、 41H；将秒的十位、个位存入 43H、 44H。 示模块 液晶显示器以其微功耗、小体积、使用灵活等诸多优点在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。液晶显示器通常可分为两大类，一类是点阵型，另一类是字符型。点阵型液晶通常面积较大，可以显示图形 ;而一般的字符型液晶只有两行，24 面积小，只能显示字符和一些很简单的图形，简单易控制且成本低。目前市面上的字符型液晶绝大多数是基于 晶芯片的，所以控制原理是完全相同的，为 晶 芯片在电源建立时能自动复位，并对 块进行初始化。内部初始化时间应大于 10这期间忙状态标志保持为 1。内部初始化内容包括：功能设定，清屏，设置输入方式，设置显示方式 1。 （ 1）工作方式设定。 （即数据位线为 8 位）， N=1（表示模块字符行为 2 行），F=0（表示字符体为 5*7 的点阵），指令代码： 00111000B=38H； （ 2）清屏。指令代码： 00000001B=01H。 （ 3）输入方式设定： ， S=0。指令代码： 00000110B=06H。 （ 4）显示状态设置 。 D=1， C=1， B=1。指令代码： 00001111B=01 盘模块 盘模块描述 盘是人向机器输入数据和对系统进行干预的基本设备，用输入数据和命令，显示计算机的运行状态、命令和计算结果。微机键盘有两种：一种是全编码键盘，其键码全由软件提供，但是这种方式硬件结构简单，但需要使用软件编程来补偿 在单片机应用系统中，编码键盘由 过键盘处理程序完成整个工作过程。相对说，按键闭合是随机发生的，键盘处理程序必须能够及时捕捉到闭合的键，并求出其键码。按照这一过程的不同，键盘的 工作方式可分为程序扫描方式和中断扫描方式。而在本课题里，所采用的手段是程序扫描方式。 键盘与显示器是用户与系统的交互界面，用户可以通过按键对水箱中的水温进行预期温度设定；系统可以通过显示器把当前的水温、水位的信息传递给用户。从而达到“人机互动”的效果。所以键盘、显示器在整个系统中的地位是举足轻重的。本程序模块的主要功能是通过对键盘的扫描，来识别用户的按键，然后把编码后的按键值送到显示器显示，再将按键值送到预期分配好的 盘扫描子程序流程图 25 断 模块 本系统设计运用到两个中断：外部中断 定时器 于键盘中断，定时器 隔 10 部中断 1 子程序 在本系统设计中，需要用到时间调整、水温设定、水位设定共三个功能按键，时间调整按键接 温设定按键接 位设定接 流程图如下： 键盘扫描 延时去抖动 有键按下？ 扫描键盘 找到闭合键？ 计算键值 建立有效标志 返回 闭合键释放？ 建立无效有效标志 N N N N 盘扫描流程图 26 程序清单如下： ； 下，调时间调整子程序 ； 下，调水位设定子程序 ； 下，调水温设定子程序 定时器 断子程序 由于本次设计运用 行采集，这就需要我们对采集时间进行设定，依据 定采集时间为 10S，即每隔 10S 温度信号进行 采集，在这里运用定时器进行中断，下？ 外部中断1 调水位设定子程序 中断返回 调时间调整子 程序 调水温设定子程序 Y N Y N 图 部中断 1 流程图 下？ 下？ Y N 27 时 10序调温度采集子程序，其流程图如下： 程序清单如下： 0000H 000 ；定义 0030H 01H ；写入工作方式字 9 ；写入计数初值 58H ；开放 A ；启动 ；等待中断 9 ；重装初值 58H ；调水温采集子程序 时时间到？ 开始 中断返回 调水温采集子程序 存储器更新 Y N 图 时器流程图 28 第 5 章 系统仿真与调试 真环境 本 系统的硬件设计首先是在 件环境中仿真实现的。 件是来自英国 司的 具软件， 件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了具有和其它 具一样的原理布图、 动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，它的电路仿真是互动的。针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试。如果有显示及输出，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，还能看到运行后输入输出的效果。它运行于 作系统上，可以仿真、分析 (种模拟器件和集成电路。 3建立了完备的电子设计开发环境，尤其重要的是 以完全免费，也可以花微不足道的费用注册达到更好的效果。 以仿真 51 系列、 其外围电路（如 盘，马达， A，部分 分 件， .）。 其实 较类似，只不过它可以仿真 当然，软件仿真精度有限，而且不可能所有的器件都找得到相应的仿真模型，用开发板和仿真器当然是最好选择，可是初学者拥有它们的可能性比较小。 使用 51系列单片机，不管是用汇编语言还是用 C 语言编程都要用到 件。 使用 以像使用仿真器一样调试程序，一般而言，微机实验中用万能仿真器 +电工系自己做的实验板的实验都可以做得到。 当然，硬件实践还是必不可少的。在没有硬件的情况下， 真模拟 /数字电路那样仿真 另外，即使有硬件，在程序编写早期用软件仿真一下也是很有必要的 14。 （ 1）实现了单片机仿真和 路仿真相结合。具有模拟电路仿真、数字电路仿真、单片机及其外围电路组成的系统的仿真、 盘和 各种虚拟仪器，如示波器、逻辑分析仪、信号发生器等。 （ 2）支持主流单片机系统的仿真。目前支持的单片机类型有： 8051/52系列、 2/16/18系列、 （ 3）提供软件调试功能。在硬件仿真系统中具有全速、单步、设置断点等调试功能，同时可以观察各个变量、寄存器等的当前状态，因此在该软件仿真系统中，也必须具有这些功能 15；同时支持第三方的软件编译和调试环境，如 51 软件。 （ 4）具有强大的原理图绘制功能。总之，该软件是一款集单片机和 析于一身的仿真软件，功能极其强大。 （ 5）在设计综合性方案中 ,还可以利用 发印制电路板。 统调试过程 系统的硬件电路设计与软件程序设计都完成之后，首先，在硬件电路的仿真环境经过编辑、编译、汇编、连接几步生成的 后对系统进行整体调试。以下是调试过程中遇到的主要问题及相应的解决方法： （ 1） 问题描述：在控制系统中，涉及到了电加热模块，即 当室外光强不足（阴天、下雨）时，对水箱的水进行电加热是很必要的，然而仿真中 没有 光耦 双向可控硅 磁阀用 加热用 件， 无法 进行加热仿真 。 解决方法： 用下图 然而仿真中无法显示出是否在执行加热 ，则 用一个 灯 来仿真加热过程，灯亮时表示加热，图中的三极管为光敏三极管（ 当灯亮时，光敏三极管导通，继电器闭合，电阻丝发热，完成了加热任务。所以只有当灯亮时为加热进行中。 图 助加热电路图 30 （ 2） 问题描述：在控制中，还有一个重要的部分，水位显示。 由于仿真程序中缺少 也没有办法直接显示到仿真过程中，只有通过另一种模式模拟出来。 解决方法：起初想到两个方案。第一个方案是用多个温度传感器，通 过温度比较，来确定水位，因为水下传感器的温度必定不同于不在水中的传感器，通过温度比较来判断，但是后来发现，多个传感器不合理，而且水温的高低不好处理。最后决定的方案如图 示。 图 位显示电路图 检测原理如下：当水箱中无水时， 8 个非门均由 1M 欧姆电阻上拉成高电平， 所以图中各 “非 ”门 (输出均为低电平， 不亮。当水位高于 “非 ”门 1 的输入探针时，由于水的导电作用，使 “非 ”门 1 的输入变为低电平，所以其输出变为高电平， 亮，依此类推。随着水位的上升，各 “非 ”门输出相继为高电平， 次点亮。这里要注意的是上拉电阻不能选择太小，因为水的电阻在 100右，所以上拉电阻选择太小的话，将在水位升高时，无法把 “非 ”门输入端拉成低电平。 （ 3） 问题描述：生成 件运行时，调试按键，没按一下，屏幕或者没有反应，或者连跳两下， “加 ”“减 ”键也是如此，想在现有的基础上加一，结果按了一下以后，并没有加一，有时候连加两次。 原因分析及解决方法：再看按键的部分资料时，得知需要进行按键防抖动， 这种抖动一般在 10200 毫秒之间，这种不稳定电平的抖动时间对于人来说太快 了，而对于时钟是微秒级别的单片机而言则是漫长的。为了提高系统的稳定性，必须去除或避开它。此处我通过 延时程序，延时结束再读一次 I/O 口的值。 31 分硬件 仿真 及调试 结果 真 及 调试 结果 图 真图 这是用于测试单片机能否正确读写 数据的仿真图形，对应的调试程序的如下所示： ;/写入相应数据到 ，即 ) ;/从 P1= 这个程序是向 写入数据，再读出数据。向 入的数据是 0出送到 然此程序是正确的，能正确读写 数据。 通过硬件调试， 试结果与上面仿真结果相一致。 真 及调试结果 图 真图 32 这是用于测试单片机能否正确读出 的数据的仿真图形，对应的调程序的如下所示： ) ;/启动转换得到 值 P1=P2= 这个程序是启动 A/D 转换后，在从中读出数据，并将这个数据送到 2端口。根据 资料知道当温度为 85摄氏度时， A/时 00000101 0101000 这与仿真结果一致，说明程序正确。 通过硬件调试， 试结果与上面仿真结果相一致。 统局部仿真 及调试 结果 由于受仿真条件的限制，仿真软件中 晶芯片等器件都没有，则在仿真过程中分别用 12864等 其他功能相近的器件进行替代，来实行局部仿真 。 不足之处在 于 ，因 受条件的限制，只对部分硬件进行了连调。 系统 局部仿真结果 如图 图 统局部仿真结果图 33 统设计不足与改进 动清洗功能 热水器中使用了加热功能，必然会有水垢产生，可能会使水变浑浊。长时间不清洗，必然会造成加热时水温上升得慢，加热时间变长，造成资源浪费。 冻处理 本课题在设计过程中没有 涉及到管道防冻措施，由于冬天外界气温比较低，加之水管的直径很小，即使太阳能