毕业设计（论文）-太阳能热水器控制系统的设计（全套图纸）.pdf

毕 业 设 计（论 文） 设计题目：设计题目： 太阳能热水器控制系统的设计太阳能热水器控制系统的设计 专专 业：业： 班班 级：级： 学学 号：号： 姓姓 名：名： 指导老师：指导老师： 起讫日期起讫日期 年年 月月 日日 年年 月月 日日 江苏工程职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能热水器控制电路的设计 I 摘摘 要要 针对太阳能热水器存在着受季节和天气的影响、提供的热水量不够、不能实 现全年正常使用的不足，设计了一种基于 PLC 控制的太阳能热水器。该控制器是 在现有太阳能热水器的基础上开发的，该系统利用 PLC 实时监测水温及水位。用 水时，若日晒水温达不到设定值，单片机控制电加热器自动补温至设定温度，无 须人为控制加热时间；缺水时能自动上水到设定值，不必全部加满。在无光照阴 雨天或寒冷季节进行辅助电加热，且温度可由用户设置。 本文利用 PLC 对太阳能热水器的自动控制系统进行设计，通过使用 PLC，可 以大大减少了系统对其它元器件的使用，使系统接线简单、检修维护方便快捷、 可靠性提高，增进了系统的先进性。 关键词：关键词：影响 太阳能热水器 控制系统 PLC 全套图纸，加全套图纸，加153893706 江苏工程职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能热水器控制电路的设计 II Abstract This paper is based on the machinery design and machinery(PLC) principle and the 3d drawing software and related knowledge and theory, by collecting relevant data of sewing machine and reading the related literature books and referring to the sewing machine in the tailor shop, first of all, due PLC uese the main parts institutional model of the sewing machine, secondly use the Solidworks drawing software to conduct the part modeling which was designed well. This paper use and the conduct assembly design which the PLC parts was built, get the corresponding assembly model, finally conduct movement simulation to the corresponding assembly model. Keywords： sewingmachine,PLC,part modeling, assembly 江苏工程职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能热水器控制电路的设计 III 目目 录录 摘摘 要要 . 错误！未定义书签。 目目 录录 . III 1 绪绪 论论 . 1 2 本课题研究的目的、意义本课题研究的目的、意义 . 错误！未定义书签。 3 国内外发展现状国内外发展现状 . 错误！未定义书签。 3 系统总体设计系统总体设计 . 3 3.1 系统原理框图系统原理框图 . 3 3.2 控制系统的组成及工作原理控制系统的组成及工作原理 . 4 4 硬件功能模块的设计硬件功能模块的设计 . 7 4.1 单片机系统单片机系统 . 7 4.2 水温测量电路水温测量电路 . 8 4.3 水位测量电路水位测量电路 . 10 4.4 实时时钟电路实时时钟电路 . 12 4.5 显示电路显示电路 . 13 4.6 电源电路电源电路 . 15 4.7 键盘电路键盘电路 . 16 4.8 自动上水和报警电路自动上水和报警电路 . 18 4.9 辅助电加热电路辅助电加热电路 . 19 5 软件部分的设计软件部分的设计 . 20 5.1 软件的总体设计软件的总体设计 . 20 5.2 温度检测温度检测 . 20 5.3 实时时钟实时时钟 . 20 6 结束语结束语 . 24 江苏工程职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能热水器控制电路的设计 IV 致致 谢谢 . 25 参考文献参考文献 . 26 附附 录录 . 27 附录附录 1：源程序：源程序 . 27 附录附录 2：总原理图：总原理图 . 41 江苏工程职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能热水器控制电路的设计 1 1 绪绪 论论 1.1 太阳太阳能热水能热水器器的的应用应用及意义及意义 众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭，没有污染的巨大能源。随着世界 上煤、 油、 气的储量日益减少， 能源危机已增长， 环境的危机已威胁着生态平衡， 太阳能开发利用的课题已提到人类的面前，有人预测：二一十世纪太阳能将由辅 助能源上升为主要能源，但由于太阳能的分散性、季节性和地区性又给太阳能利 用带来重重困难，有些技术难点尚未突破，产品造价偏高。因而尚未被人们大规 模的使用。 在太阳能热利用技术中，太阳能热水器是技术上比较成熟、造价比较低廉的 产品， 同时给人民提供不耗能源、 保护环境、 绝对安全的热水而受到人们的欢迎。 我国从“六五”计划期间开始推广太阳能热水器，到目前全国已有250万平 方米采光面积的太阳能热水器，厂家又几家发展到全国约有180家左右，是目前 世界上推广最大的国家之一，而且形成了规模，形成了中国特色的太阳能企业， 有中国太阳能协会为中心， 以中国农村能源企业协会太阳能热利用专业委员会为 中心，制定了产品标准、测试条件、产品合格证颁发等一系列措施。 世界各国的太阳能热水器生产发展也很快。例如：澳大利亚政府规定，在北 部地区新建房屋一定要设置太阳能热水器，西澳大利亚已有25%的新住宅安装了 太阳能热水器。 国内外太阳能热水器使用量增长如此之快，其根本原因是：能源问题、环保 问题是当今世界面临的主要问题之一。太阳能热水器是节能、环保产品，故受到 广泛重视，发展极快，预计今后每年将以15%至20%的速度发展。 根据理论计算及实际应用证明， 太阳能热水器每平方米光面积一年可节约标 准煤200-300公斤节电1500度，或节约液化气180公斤，设计可以参考以下的几个 意见： 在设计民用建筑时，若此地区没有集中热水供应，可给用户安装太阳能热水 器，以提供热水，提高住房的档次，在设计时将冷、热水线预埋，以平均每套住 宅建筑面积65平方米计算，工程造价大约每平方米增加18-20元。 在设计工厂浴室时，可考虑采用太阳能热水系统，每平方米采光面积产热水 100升计算，100平方米太阳能热水系统可产热水10吨，每人每次标准用水40升， 可解决250人的洗浴用水。作为工厂中低温工业热水，可根据当地各种各样的不 同条件予以特殊设计。 采用太阳能热水器与电热水器、燃气热水器相比，还具有绝对安全，最为卫 生的特点，在电费，液化气、煤气价格较高的地区，用户1-3年及收回投资，在 江苏工程职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能热水器控制电路的设计 2 这以后提供的热水是免费的。 太阳能热水器的推广应用及经济效益据不完全统计， 迄今全国太阳能热水器 累计安装使用总量以达300万平方米以上，所以该控制器具有使用方便、性价比 高、工作可靠、精度高等特为太阳能热水器的进一步推广具有积极的推动作用。 1.2 太阳能热水器的发展状况及市场竞争分析太阳能热水器的发展状况及市场竞争分析 目前，中国已经成为世界上最大的太阳能热水器生产国，年产量约为世界各 国之和，已经有一百多家太阳能热水器生产厂，但是与之配套的太阳能热水器控 制器却一直处在研究与开发阶段。这种控制器只具有温度和液位显示功能，而且 分段显示，温度显示误差为10%，水位显示误差为25%，这种显示器不具有温度控 制功能，当由于天气原因而光强不足时，就会给热水器用户带来不便；即使热水 器具有辅助加热功能， 由于加热时间不能控制而产生过烧， 从而浪费大量的电能， 本文设计的太阳能热水器控制器以 AT89S52单片机为检测控制核心，不仅实现了 时间、温度和水位三种参数实时显示和控制功能，而且具有时间设定、温度设定 与控制功能。温度控制采用模糊控制，控制器可以根据天气情况利用辅助加热装 置使蓄水箱内的水温在设定时间达到预先设定的温度， 从而达到24小时供应热水 的目的。太阳能热水器时太阳能利用中最常见的一种装置，经济效益明显，正在 迅速的推广应用， 太阳能热水器能够将太阳能辐射转换热能， 供生产和生活使用， 他主要有平板集热器、蓄水器和连接管道等部件组成，可分循环式、直流式闷晒 式。 当今社会发展日新月异，人们衣食住行也在不断的提高。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 克服了上述缺点，他是绿色环保产品。它使用简单、方便。太阳能热水器顺乎时 代发展的要求，满足人们对环保绿色产品的需求。在人类文明程度日益提高的今 天，它是现代文明社会的最佳选择。应该注意到，集体单位对太阳能热水器的用 量很大。新建居住楼安装热水器，已是房屋开发公司计划之内的事，配套热水器 的商品房销势更好。 此款热水器包括主、从两大系统：主系统的特点是在晴好的天气领用太阳能 为热水器加热；从系统相当于电热水器，它在无光照的情况下利用电辅助加热。 它充分利用太阳能的丰富的免费的优势， 同时考虑到在阴天及夜间无法利用太阳 能的缺点，充分发挥太阳能热水器和电热水器的各自优势，这是市面大部分热水 器所不能比拟的。 江苏工程职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能热水器控制电路的设计 3 2 设计思路及要求设计思路及要求 2.1 设计的设计的思思路路 针对太阳能热水器存在着受季节和天气的影响、 提供的热水量不够所设计的 热水器，主要是实现温度的实时控制、水位的检测、自动上水，用水时，如果日 晒水温达不到设定值，单片机控制电加热自动补温至设定值，无须人为控制，最 重要是在阳光不足或阴雨天时，我们可以通过辅助加热进行对水箱中的水加热， 以保证一天 24 小时的供水量。 2.2 本设计的目的及要本设计的目的及要求求 本设计具有很强的实用性， 用成本低廉的器件及电极以单片机技术对生产实 际中太阳能热水器的水温的控制以及水位的显示。本装置电路简单、实用性强、 性价比高、水温控制灵活、水位显示直观醒目。可广泛应用与家庭生活对太阳能 热水器水位显示和水温控制。具有良好的市场前景。具体的目的和要求： （1）掌握太阳能热水器的工作原理及实现控制方法； （2）太阳能热水器水位的检测和显示； （3）太阳能热水器温度的检测和显示； （4）太阳能热水器水温的设定和电加热的控制； （5）太阳能热水器上水水位的设计及控制； （6）太阳能热水器的辅助电加热的设计； 3 系统总体设计系统总体设计 3.1 系统原理框图系统原理框图 本系统以 AT89S52 单片机为核心，实现对水温和水位的实时监测和显示，当 水温达不到设定值， 可以用电自动加热， 当水位低于警戒值时自动上水至设定值， 从而实现了热水器的全自动及节能。 系统主要包括水温测量电路、水位测量电路、显示电路、单片机系统、自动 加热上水控制电路、 按键电路、 声光报警电路等组成。 具体原理框图如图 1 所示。 江苏工程职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能热水器控制电路的设计 4 图 1 系统原理框图 3.2 控制系统的组成及工作原理控制系统的组成及工作原理 系统组成：如图 2 所示，本系统主要有控制器、自动控制阀、手动控制阀、 水位检测电极、水温检测传感器、电阻加热丝、储水箱等组成。 控制器：主要通过里面的电磁阀控制 YV1 和 YV2 的通断，控制水温检测传 感器检测水温、 控制水位检测传感器检测水在水箱中的位置以及控制机电加热丝 加热。 自动控制阀：主要通过控制器控制，当水箱中的水的实际温度大于所设置的 温度时，自动阀就自动打开往水箱中上水，直到上到上一个目标水位为止。 手动控制阀：当自动阀损坏时，可以通过手动阀进行上下水。 水位检测电极：主要用来检测水箱中水的位置，主要把水箱分为四个等份， 一共有五个电极，接地的电极放在水箱的最低端，其余的分别放在四等份点上， 比如当水箱中的水在第一等分和第二等分之间，则显示水箱中有四分之一的水， 当超过第二等分，则显示二分之一的水。 水温传感器：主要用来检测水箱中水的实际温度。 电阻加热丝：主要用来加热水箱中水，使其达到用户所需要的温度，尤其当 遇到阴雨天或无太阳光时，可以通过它进行加热水。 太阳能热水器利用微机控制主要有以下几种控制功能：加热控制、温水循环 控制、冷水集热控制、水箱加热控制。 江苏工程职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能热水器控制电路的设计 5 图 2 系统的工作原理图 (1) 水温控制 由于清晨太阳光较弱，所以太阳能热水器从系统发挥作用。为了提供温度不 低于 30 摄氏度的水,具体控制过程如下： 首先，关闭冷水阀门 F2 和循环水阀门 F1，然后单片机开始进行水箱温度采 集，同时进行温度的比较，当水箱的温度小于 30 摄氏度时，电加热接通进行加 热，同时单片机继续对热水箱的温度进行采集。当温度加热到大于 30 摄氏度时 电热器断开，如此反复循环保证了水的温度。 (2) 循环水集热过程 水温控制之后，设定当日水箱的温度 N,输入单片机，再利用单片机的控制 系统，通过太阳能加热以达到理想温度 N。具体控制如下： 打开循环阀门 F1，关闭冷水阀门 F2，热水阀门 F3 处于空控制状态。然后开 江苏工程职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能热水器控制电路的设计 6 始比较温度，若（T3-T15 摄氏度，T2T1）为止。如若 T1=N，那么循环水极热 过程结束，进入冷水极热过程。 (3) 冷水极热控制 此时热水箱温度已达到了 N，冷水要进入太阳能集热器，这时温度为 T3，和 当日的设定值相比较，若 T3 N 则将已加热的水送入热水箱，具体的控制过程 如下： 关闭循环水阀门 F1，打开冷水阀门 F2，热水阀门 F3 处于空控制状态。若 T3 N，打开热水阀门 F3 并将保持一段时间，若 T3N 阀门 F3 继续保持打开状态，否则关闭 F3。可见，此过程充分利用太阳 能转化为热能，方便快捷。 (4) 水箱加热控制 若没太阳光或光太弱，我们将怎么办呢？这就要发挥这款热水器的优势。热 水箱温度为 T1，将它和设定的值相比较，从而控制是否打开电加热，控制时段 为下午，具体的过程如下： 若 T1N，电加热接通；否则，电加热断开，而且，15 点-20 点中每个小时 有下表的关系： 时间（小时） 温度比较 加热值（度） 15 T135N 35 16 T140N 40 17 T145N 45 18 T150N 50 19 T155N 55 20 T160N 60 最终热水箱的温度加热到设定值 N 。由此可见，即使没有日照我们照样可 以使用热水。 注：F1、F2、F3 是太阳能在正常光照下使用的阀门。 综上所述，太阳能供热控制系统不及节约而且方便，实用，可以适用许多地 方，尤其对居住的民用楼非常受用。 控制装置的工作原理：本控制系统分为手动和自动控制两种控制方式，在系 统处于自动状态下，当检测温度高于设定温度时，且水位未达到最高时，控制器 打开电磁阀 YV1 和 YV2 进行上水，同时点亮上水指示灯，当水位上到一定水位 时，自动停止上水（即关闭电磁阀 YV1 和 YV2） ，若水箱内无水，则自动上水至 最低水位处。 江苏工程职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能热水器控制电路的设计 7 在系统处于手动状态下，可自由上水和停止上水（上水时水箱水位必须未 满） ，若水位达到最高则自动停止上水；若需要启动加热器则必须要先设定加热 温度，然后按下加热键进行加热；若需洗浴时，则须打开手动阀 YV4 系统自动打 开电磁阀 YV2， 可通过 YV5 自由调节水温； 当电磁水阀 YV1 和 YV2 损坏或停电时， 可通过打开 YV5 和 YV6 进行上下水解决燃眉之急； 此系统设置 YV3 是为了防止冬 天气温过低引起水管因内有积水而冻裂（即手动打开此阀放完水管中的积水） 。 4 硬件功能模块的设计硬件功能模块的设计 4.1 单片机系统单片机系统 根据系统硬件框图可以看出，在本系统所需的外围电路中，多数是使用微 控制器的 I/O 口，并且本系统并非实时系统，对微控制器的速度需求不高，所以 在本系统中，选择了性价比较高的 ATMEL 单片机 AT89S52。AT89s52 单片机是一 种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。 使用 ATMEL 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引 脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在 单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52 单片机 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash，256 字节 RAM，32 位 I/O 口 线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电工作模式：空闲方式和掉电方式。空闲 模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电 保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一 个中断或硬件复位为止。如图 3 所示。 （1）系统时钟电路设计 本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在 XTAL1、XTAL2 引 脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。振荡晶体可在 1.2M 到 12MHZ 之间选择。电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大 小、振荡电路起振速度有少许影响，C1、C2 可在 20pF 到 100pF 之间取值，所以 本设计中，振荡晶体选择 12MHZ,电容选择 30pF。 （2）系统复位电路设计 复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。 最简单的上电自动复 位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。 只要 Vcc 的上 江苏工程职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能热水器控制电路的设计 8 升时间不超过 1ms,就可以实现自动上电复位。除了上电复位外，有时还需要按 键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。 1K R1 30pF Cy1 30pF Cy2 10uf C1 12 XTAL Y1 S5 VCC res res p1.4 5 p1.5 6 p1.6 7 p1.7 8 p1.0 1 p1.1 2 p1.2 3 P0.3 36 P0.4 35 P0.5 34 P0.6 33 P0.7 32 P2.0 21 P0.0 39 INT1 13 p1.3 4 RESET 9 INT0 12 T1 15 T0 14 EA 31 X1 19 X2 18 RD 17 WR 16 P0.1 38 P0.2 37 P2.1 22 P2.2 23 P2.7 28 P2.6 27 P2.5 26 P2.4 25 P2.3 24 RXD 10 TXD 11 PSEN 29 ALE 30 GND 20 VCC 40 AT89S52VCC P1.7 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.0 P1.1 P0.5 P0.4 P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7 P3.0 P3.1 P3.4 P3.5 INT11 P0.6 P0.7 P3.6 P3.7 图 3 单片机的外围电路 4.2 水温测量电路水温测量电路 本系统采用DS18B20作为温度传感器。DSl8B20数字温度计提供9位(二进制) 温度读数指示器件的温度信息经过单线接口送入DSl8B20或从DSl8B20送出因此 从主机CPU到DSl8B20仅需一条线(和地线)DSl8B20的电源可以由数据线本身提供 而不需要外部电源因为每一个DSl8B20在出厂时已经给定了唯一的序号因此任意 多个DSl8B20可以存放在同一条单线总线上这允许在许多不同的地方放置温度敏 感器件DSl8B20的测量范围从-55到+125增量值为0.5可在l s(典型值)内把温度 变换成数字。因此作为热水器的温度测量，精度合乎要求。温度实时测控集装箱 的设计，在实现测控系统的温度检测方面就较好的利用DS18B20的独到特点，使 系统得到了极大的简化。 4.2.1 DS18B20测温原理测温原理 江苏工程职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能热水器控制电路的设计 9 DS18B20内部结构框图，如图4所示。 DS18B20的测温原理：DS18B20测量温度采用了特有的温度测量技术，它是通 过计数时钟周期来实现的，内部计数器对一个受温度影响的振荡器的脉冲计数， 低温时，振荡器的脉冲可以通过门电路，而当到达某一设置高温时，振荡器的脉 冲无法通过门电路，计数设置为-55度。同时，计数器复位在当前的温度值时， 电路对振荡器的温度系数进行补偿，计数器重新开始计数直到回零。 4.2.2 DS18B20的操作协议的操作协议 DS18B20单纯通信功能是分时完成的。单线信号包括复位脉冲，响应脉冲， 写“0” ，写“1” ，读“1” ，它们有严格的时隙概念。系统对 DS18B20的操作以ROM 命令 （5个） 和存储器命令 （6个） 形式出现。 对它的操作协议是： 初始化 DS18B20 发复位脉冲发ROM功能命令处理数据发存储器命令处理数据。各种操作都 有相应的时序图。 DS18B20在使用时，一般都采用单片机来实现数据采集。只需将 DS18B20信号 线与单片机的一位I/O线相连，且单片机的一位I/O线可接多个DS18B20，就可实 现单点或多点温度测量。DS18B20传感器精度高、互换性好；它直接把温度数据 进行编码，可以只使用一根电缆传输温度数据，通信方便，传输距离远且抗干扰 性好； 与用传统温度传感器组成的多点测温系统相比可节省大量的电缆，而且系 统得以简化，系统扩充维护十分方便。 图4 DS18B20内部结构框图 4.2.3 DS18B20的硬件的硬件接线接线电路电路 DS18B20 硬件电路的连接非常简单，仅一根电源线，一根地线和一根数据线 即可，根据设计要求，数据线与单片机的P3.5相连，温度测量电路如图5所示。 江苏工程职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能热水器控制电路的设计 10 GD 1 DQ 2 VD 3 DS18B20 4.7K R6 VCC P3.5 图 5 DS18B20管脚排列及接线图 4.3 水位测量电路水位测量电路 本系统采用电极片的方式来检测水位（简称电极式） ，原理是利用水的导电 性能。电极片按照一定的尺寸要求分布在一根绝缘棒上，构成测量棒，从水箱顶 部插入。如图6所示，其中 A、B、C、D 是电极片。A、B、C、D 当电极片被水浸 没时，就会与公共端产生电流。实际检测是根据电极片是否有电流，判断其是否 浸没在水中。由于电极式的控制及检测电路比较简单、成本较低，因而得到广泛 的应用，是目前最受欢迎使用的。然而，当电极片结垢（钠镁离子的附着）之后， 导致测量会出现错误。因为电极片结垢后，或者厚度达到一定的程度，就不能正 常测出水的值。在水质较差的地方更为严重，为了保证测量的准确性，必须定期 更换测量杆。 水箱水箱 电极式测量杆电极式测量杆 公共端公共端 D C B A 江苏工程职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能热水器控制电路的设计 11 图 6 电极片检测示意图 我把储水箱大致分为四个等份， 水位由潜入太阳能热水器的储水箱不同深度 的水位电极和潜入储水箱底部的公共极（导线）进行检测；由单片机依次使各电 位电极呈现高电平，由公共电极所接的三极管进行电位转换，水位到达的电极， 转换电位为低（0） ；水位没有到达的电极，转换的电位为高（1） ；每检测一位便 得到一位数据，并把它送到发光二极管； 在这里我用发光二极管亮的盏数来显示水位的高低。 （若没有发光二极管亮 则表示箱内没有水或只有少量的水， 若有一个发光二极管灯亮则表示箱内有四分 之一的水，以此类推，若有四个发光二极管来亮，则表示水箱水是满的。 ） 当水位未达到a时，即ha,这时传感器的总阻值为4R，对应的系统处于缺水 状态。 当ahb时，传感器的阻值为3R，对应系统处于20%水位。 当bhc时，传感器的阻值为2R，对应系统处于50%水位。 当chd时，传感器的阻值为R，对应系统处于80%水位。 当h=d时，传感器的阻值为0，对应系统处于100%水位。 同时用到一个芯片74hc244,74hc244是一款高速CMOS器件，具有八路正相缓 冲器、 线路驱动器， 三态输出。 该三态输出由输出使能端1OE和2OE控制。 任意nOE 上的高电平将使输出端呈现高阻态。这种方式测量水位简单直观，成本低廉。同 时单片机也采集水位信息，以便对自动上水的控制。具体的电路如图7所示。 1A1 2 1Y1 18 1A2 4 1Y2 16 1A3 6 1Y3 14 1A4 8 1Y4 12 2A1 17 2Y1 3 2A2 15 2Y2 5 2A3 13 2Y3 7 2A4 11 2Y4 9 VCC 20 1G 1 GND 10 2G 19 74HC244 1K R1 1K R2 1K R3 1K R4 1M R7 1M R8 1M R10 1M R9 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 VCC VCC VCC D1D2D3D4 图 7 水位测量电路 江苏工程职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能热水器控制电路的设计 12 4.4 实时时钟电路实时时钟电路 本系统采用 DS12C887 芯片，DS12C887 实时时钟芯片是美国最新研制成功的 产品。它可以广泛应用于计算机、工控仪表、通信器材等设备中，是目前具有实 时时钟功能系统的首选芯片。该芯片为 24 管脚双排直列封装,内部包含锂电池、 石英晶振、非易失静态 RAM 和写保护电路等部分，可取代典型应用中的十六个元 器件。 所以说 DS12887 实时时钟芯片本身就构成了一个完整的子系统，它的出现 不仅缩小了设计系统的体积，而且也大大提高了系统的可靠性。该芯片主要功能 包括非易失时钟、警报器、百年历、可编程中断、方波发生器和 114 个字节非易 失静态 RAM 等。 4.4.1 DS12C887 管脚管脚 图 8 为 DS12C887 的引脚排列，其引脚功能说明如下： AD0AD7地址/数据复用总线 NC空脚 MOT总线类型选择(MOTOROLA/INTEL) CS片选 ASALE R/W在 INTEL 总线下作为/WR DS在 INTEL 总线下作为/RD RESET复位信号 IRQ中断请求输出 SQW方波输出 VCC+5 电源 GND电源地 4.4.1 DS12C887 特点特点 在没有外部电源的情况下可工作 10 年 自带晶体振荡器及电池 可计算到 2100 年前的秒、分、小时、星期、日期、月、年七种日历信息并带 闰年补偿 用二进制码或 BCD 码代表日历和闹钟信息 有 12 和 24 小时两种制式，12 小时制时有 AM 和 PM 提示 可选用夏令时模式 可以应用于 MOTOROLA 和 INTEL 两种总线 数据/地址总线复用 内建 128 字节 RAM 江苏工程职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能热水器控制电路的设计 13 1K R20 10UF C20 MOT 1 NC 2 NC 3 ADD0 4 ADD1 5 ADD2 6 ADD3 7 ADD4 8 ADD5 9 ADD6 10 ADD7 11 GND 12 DS 17 NC 16 R/W 15 AS 14 CS 13 RESET 18 VCC 24 SQW 23 NC 22 NC 21 NC 20 IRQ 19 DS12C887 INT11 P3.0 P3.1 P3.4 P3.5 VCC P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2,7 图 8 DS12C887 与单片机的连接 4.4.2 DS12C887 工作原理工作原理 DS12C887 于单片机的连接如图 8，数据由 AD0AD7 相互传输。芯片 DS12C8 87 有 A、B、C、D 等 4 个控制寄存器。时问、日历和警报是以二避制或 BCD 码形 式存贮在相应的寄存器中， 其内容可通过读命令来获取， 也可以由写命令来设置， 在写入数据之前，寄存器 B 的 SET 位应置逻辑“1” ，以防止在读写过程中发生数 据更新。完成数据输入后，SET 位应清除，允许实时时钟对时间和日历字节进行 更新，一旦初始化后，实时时钟以选定的模式进行更新。RTC 实时时时钟提供了 警报中断、周期中断和更新结束中断等三个独立的中断源。警报中断的发生率可 编程，从一秒一次到每一天一次。 4.5 显示电路显示电路 本设计采用静态的显示方式，用4个数码管来显示。显示电路由4个移位寄存 器74hc164和4个数码管组成，每个数码管接有8个1K的电阻，保护数码管，防止 电流过大烧坏数码管。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。具体的电路图如图7所示。 74hc164输出高电流比输出低电平电流要小，亦称灌电流，扇出电流弱，所以适 合驱动共阳极数码管。本系统的设计思想就是采用共阳极数码管来显示，数码管 的公共端接高电位。 将数码管的8个输入端与74hc164的输出端Q0-Q7相连。利用4个74hc164输出 并口分别作为4个LED的数据输入口，74hc164的数据线从低到高依次与数码管的 a-f相连，显示的每一位可独立显示，只要在该位的段选线上保持段选码电平， 江苏工程职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能热水器控制电路的设计 14 该位就能保持相应的显示字符，由于由一个每一位8位输出口控制段选码，故在 同一时刻各位可以显示不同的字符。 本设计中，从左到右4个数码管，左边两个显示水位，第3个不显示，最后一 个显示水温，通过键盘的输入进行水温和水位的切换，检测和自设定的水温和水 位都会通过数码管显示出来，此显示非常的直观，根据自己的需要进行设定并显 示。 AT89S52单片机串行口工作在方式0，只要把数据往SBUF里放，系统就自动将 串行数据由RXD(P3.0)送出，其中移位时钟由TXD(P3.1)送出、将74hc164的A,B 端与TXD相接，CLK与RXD,RESET接高电平，在满足条件时数据就传送到74hc164 并寄存、将前一个74hc164的QH端连接到下一个74hc164的QA端，再将CLK端连接 在一起并接到RXD，则送数据时，前后数据就会依次从上一个片子传到下一个片 子。 RESET 9 CLK 8 A 1 B 2 QA 3 QB 4 QC 5 QD 6 QE 10 QF 11 QG 12 QH 13 VDD 14 GND 7 74hc164 RESET 9 CLK 8 A 1 B 2 QA 3 QB 4 QC 5 QD 6 QE 10 QF 11 QG 12 QH 13 VDD 14 GND 7 74hc164 RESET 9 CLK 8 A 1 B 2 QA 3 QB 4 QC 5 QD 6 QE 10 QF 11 QG 12 QH 13 VDD 14 GND 7 74hc164 RESET 9 CLK 8 A 1 B 2 QA 3 QB 4 QC 5 QD 6 QE 10 QF 11 QG 12 QH 13 VDD 14 GND 7 74hc164 a bf c g d e 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp com 9 DS1 a bf c g d e 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp com 9 DS2 a bf c g d e 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp com 9 DS3 a bf c g d e 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 8 dp dp com 9 DS4 VCC VCCVCC VCC VCC VCC P3.0 P3.1 8X1K 图 9 显示电路 江苏工程职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能热水器控制电路的设计 15 4.6 电源电路电源电路 对于太阳能用户来讲，最常用、最方便的电源当然是220V 工频交流电源， 但太阳能容热水器控制系统需要的是稳定的+5V 和+12V 的电源， 所以要为控制系 统设计直流电源电路。 由于本文各芯片工作电压均为5V 直流，为了方便，本文将220V 交流电经过 整流、滤波、稳压得到5V 直流，稳压电路集成稳压器件7805。具体电路如图10 所示。 本设计部分用到了集成稳压器7805系列，如下图是它的封装形式，x7805系 列是三端正电源稳压电路，它的封装形式为 TO-220。它有一系列的电压输出， 应用非常广泛。 每种类型由于内部电流的限制， 以及过热保护和安全工作的保护， 使它基本上不会损坏。如果能够提供足够的散热片，它们就能够提供大于1.5A 的输出电流。虽然是按照固定电压值来设定的，但是当接入适当的外部器件后， 就能够获得各种不同的电压和电流。 7805的特点： * 最大输出电流为1.5A *输出电压为5V *短路保护 *输出晶体管安全工作区保护 江苏工程职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能热水器控制电路的设计 16 VinVout GND 7805 T 1K R10 2200nf C1 2200nf C2 D 104 C4 104 C3 12 LED10 DS 变压器 图 10 电源电路 上图电路为输出电压5V，输出电流1.5A 的稳压电源，它由电源变压器 T，桥 式整流电路 D1-D4，滤波电容 C1、C2，防止自激电容 C3、C4和一只固定式三端 稳压器（7805）极为简洁方便的搭成。220V 交流市电通过电源变压器变换成交 流低压，在经过桥式整流电路 D1-D4和滤波电容 C1的整流和滤波，在固定三端稳 压器 LM7805的 VIN 和 GND 两端形成一个并不十分稳定的直流电压（该电压因为 市电电压的波动或负载的变化等原因而发生变化） ，此直流电压经过 LM7805的稳 压和 C2的滤波便在稳压电源的输出端产生了精度高、稳定度好的直流输出电压。 三端稳压器是一种标准化、系列化的通用线性稳压电源集成电路，以其体积小、 成本低、性能好、工作可靠性高使用简洁方便等特点，成为稳压电源中使用最为 广泛的一种单片式集成稳压器件。 4.7 键盘电路键盘电路 键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、传送命令等功能，是人 工干预单片机的主要手段。键盘实质上是一组按键开关集合，通常选用机械弹性 开关，它们利用了机械触点的合、断作用。键的闭合与否，反映在输出电压上就 是呈现低电平还是高电平， 通过对电平高低状态的检测， 便可确认是否有键按下。 为了确保 CPU 对一次按键动作只确认一次，那就必须消除抖动的影响，这样才能 使键盘在单片机系统中使用的更加稳定。 常用的键盘接口分为独立式按键接口和矩阵式键盘接口, 由于本文只需要 四个开关，因此本电路选用独立触摸式开关，如图11所示。 江苏工程职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能热水器控制电路的设计 17 S1 S2 S3 S4 1K R11 1K R12 1K R13 1K R14 VCC P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 图 11 键盘电路 当开关没按下时，5V 电源电压通过 1K 的电阻直接给控制器输入一个高电平 “1” ；当开关被按下时，5V 电源电压通过 1K 的电阻接地，控制器上输入低电平 “0” 。 按键功能的定义如下： P0.4P0.7 接键盘 S1S2 分别为功能按键、移位按键、 “+”按键、 “”按 键 S1S2 分别为共功能按键、移位按键、 “+”按键、 “”按键。 按下开关键 S 键，系统在工作状态，开关机指示灯 D0 亮, 再按下 S 键，开 关机指示灯灭，系统处在关机状态。 功能设置：在系统工作时，按 S1,使校准时钟、设定热水温度和设定定时 加热时间三种功能之间循环变换，通过指示灯进行区别。 校准时钟设置：系统工作时，按 S1，校准时钟指示灯 D1 亮，再按 S3/ S4 可以增加/减少时钟时间。 定时加热温度设置：系统工作时，按 S1，定时加热时间指示灯 D2 亮，再 按 S3/ S4 可以增加/减少设定的定时加热温度。 定时加热时间设置：系统工作时，按 S1，定时加热时间指示灯 D3 亮，再 按 S3/ S4 可以增加/减少设定的定时加热时间。 移位键：在调整时间，在系统工作时，按 S1 进入到调整时间后，秒钟开 始闪烁，可以调整秒钟。按下 S2，后进入分钟调整，可调整分钟。再按下 S2， 后进入时钟调整，可调整时钟。 江苏工程职业技术学院毕业设计（论文） 太阳能热水器控制电路的设计 18 4.8 自动上水和报警电路自动上水和报警电路 本系统采用ULN2003芯片来控制热水器的上水和超过设定值进行报警，此方 法简单方便，容易实行。 4.8.1 ULN2003简介简介： 功率电子电路大多要求具有大电流输出能力,以便于驱动各种类型的负载。 功率驱动电路是功率电子设备输出电路的一个重要组成部分。 在大型仪器仪表系统中,经常要用到电磁阀、泵等驱动电压高且功率较大的 器件。 ULN2000、ULN2800高压大电流达林顿晶体管阵列系列产品就属于这类可控 大功率器件,由于这类器件功能强、应用范围语广。因此,许多公司都生产高压大 电流达林顿晶体管阵列产品,从而形成了各种系列产品,ULN2000、 ULN2800系列就 是美国Texas Instruments公司、美国Sprague公司开发的高压大电流达林顿晶体 管阵列产品。它们的系列型号分类如表1所列,生产2000、2800高压大电流达林顿 晶体管阵列系列产品的公司与型号对照表如表2所列。在上述系列产品 中,