太阳能热水器 毕业论文

摘要太阳能是现在社会的绿色能源，人们利用太阳能可以节省好多的能源，所以要好好利用太阳能，发挥它应有的作用。太阳能热水器因利用太阳能、无污染、使用方便、长期使用投入费用低等特点而倍受人们的青睐，得到很好的发展。本设计以单片机AT89C52做为控制核心并协调整个系统的工作，通过数字温度传感器检测当前水的温度，由于是数字信号就直接送入单片机AT89C52内，通过单片机的处理在LED数码管上显示当前的温度值。另外一路是在水箱中的水压传感器测水的压力从而得到水位的高低，水压传感器输出的是05V的模拟量，要经过A/D转换成为数字量再送入单片机AT89C52进行处理，在LED数码管上显示水位值。按键用来设定想要控制的温度值，单片机在内部通过比较设定的温度和当前温度，当前温度不满足设定温度时就会闭合电磁开关，开启加热装置。满足设定温度时断开开关停止加热。自动上水方面是设置水位的上限和下限，水位低于下限时就会闭合电磁开关，开始上水，当水位高于上线时就会自动断开电磁开关，停止上水。温度和水位值在时时检测，达到控制目的。关键词太阳能热水器；传感器；控制器；单片机ABSTRACTNOW，SOLARENERGYISAGREENRESOURCES,PEOPLEUSESOLARPOWERCANSAVEALOTOFENERGY,SOMAKEGOODUSEOFSOLARENERGY,WILLPLAYITSPROPERROLESOLARWATERHEATERALSODUETOUSEOFSOLARENERGY,NOPOLLUTION,EASYTOUSE,LONGTERMUSEOFINPUTSANDLOWCOSTHASATTRACTEDPEOPLESFAVOR,WELLDEVELOPEDTHISDESIGNUSEDAT89C52MICROCONTROLLERCOREASACONTROLANDCOORDINATETHEWORKOFTHEENTIRESYSTEM,DIGITALTEMPERATURESENSORBYDETECTINGTHECURRENTWATERTEMPERATURE,BECAUSETHENUMBEROFDIGITALSIGNALDIRECTLYINTOTHEMCUAT89C52,THROUGHSCMHANDLELEDDIGITALTUBEDISPLAYSTHECURRENTTEMPERATUREANOTHERWAYISTHEPRESSUREINTHETANKPRESSURESENSORMEASURINGTHEWATERLEVELTOGETTHEWATERLEVEL,WATERPRESSURESENSOROUTPUTIS05VFORANALOGTOGOTHROUGHA/DCONVERTEDINTODIGITALANDTHENPROCESSEDINTOTHEMCUAT89C52,INLEDDIGITALTUBEDISPLAYLEVELVALUEBUTTONISUSEDTOSETTHEDESIREDTEMPERATUREANDMICROCONTROLLERINTERNALLYBYCOMPARINGTHESETTEMPERATUREANDCURRENTTEMPERATURE,CURRENTTEMPERATUREISLESSTHANTHESETVALUEWILLBECLOSEDWHENTHEELECTROMAGNETICSWITCH,OPENTHEHEATINGDEVICEASPECTAUTOMATICALLYSETTHEUPPERLIMITWATERLEVEL,WATERLEVELLESSTHANTHELOWERLIMITWILLBECLOSEDELECTROMAGNETICSWITCH,WILLBEGINTOWATER,THEWATERLEVELREACHESTHELINEISAUTOMATICALLYDISCONNECTEDWHENTHEELECTROMAGNETICSWITCH,STOPWATERINGTEMPERATUREANDWATERVALUESDETECTCONSTANTLYTOCONTROLLINGPURPOSESKEYWORDSSOLARHEATER,SENSOR,CONTROL,MCU目录摘要IABSTRACTII1前言111课题背景和意义112本课题研究内容与主要工作313本课题的研究预期成果32总体系统设计43总体硬件设计631系统总体硬件框图与工作原理632温度传感器6321温度传感器DS18B206322DS18B20的结构833水压传感器及A/D转换9331水压传感器10332ADC0832结构及原理1034电磁开关（继电器）电路及原理12341光电隔离器的原理13342电磁继电器的原理14343上水控制的原理15344加热控制的原理1535单片机控制系统1636LED数码管显示电路1737按键电路设计194软件设计方案2141DS18B20驱动程序设计2242串行AD转换器ADC0832程序设计2343按键控制程序设计2644LED数码管显示程序设计285硬件电路仿真结果3051温度仿真30511温度显示仿真30512温度控制仿真3152水位仿真32521水位显示仿真32522水位控制仿真3353仿真结果分析34致谢35参考文献36附录38附录系统总原理图38附录系统源程序391前言11课题背景和意义目前，中国已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，已有一千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，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。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。太阳能热水器是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辐射能转换热能，供生产和生活使用。他主要由平板集热器、蓄水器和连接管道等部件组成，可分循环式、直流式和闷晒式。太阳能热水器是环保、无污染，人们用着安全放心。利用太阳的能源，大量节约现有的能源，是以后能源发展的趋势。原有的燃气热水器和电热水器虽然加热速度比较快，但是所用的煤和气都会对环境造成一定的污染，而且会使室内的空气变得不清新，电热水器的功率较大，对长期使用的一般家庭来说必定会带来一定的经济困难，是一笔相当大的开销。太阳能热水器安全、环保、经济，带有辅助加热功能的热水器可在全年的任何时候使用，设计一个控制器来帮助人们了解水的温度和热水器中水位的高低，使人们清楚的使用。如今大多数的家庭太阳能都装有水位监测和水温测量、显示的功能，使用更加方便。近年来，利用太阳能和其它能源的结合，使得太阳能热水器更加的完善，在任何天气情况下都能使用到热水。此款太阳能热水器控制器设计包括主、从两大系统主系统的特点是在晴好的天气利用太阳光能为热水器加热；从系统相当于电热水器，它在无光照或者温度低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资源的优势，同时考虑到在阴天及夜间如冬季无法利用太阳光弱的缺点，充分发挥太阳能热水器和电热水器的各自优势，这是世面上大部分热水器所不能比拟的。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。太阳能热水器顺着时代发展的要求，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。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、石油、天然气的存储量日益减少，能源危机已日益增长，环境污染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。有人预测二十一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，同时给人民提供低耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。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，已经有绝大部分新住宅安装了太阳能热水器。日本现在每年安装大量太阳能热水器，计划今后普及率更高。有些国家法令规定所有新建筑物必须配备太阳能热水器。太阳能热水器的推广应用及经济效益很巨大，所以该控制器具有使用方便、性价比高、工作可靠、精度高等特点，为太阳能热水器的进一步推广具有积极的推动作用。12本课题研究内容与主要工作本设计主要利用单片机为核心，选择适当的传感器作为信号的采集来源，温度传感器选择数字式的DS18B20。水位信号的检测选择PTJ204/205/206/207压力传感器，将检测的模拟信号经过A/D转换后送入单片机处理。通过LED数码管来显示温度和水位。要经过几部分的设计来完成（A）LED数码管显示部分设计（B）A/D转换部分设计（C）温度采集部分设计（D）控制加热和上水电路设计从系统需要和研究内容可以看出，本设计需要做的主要工作有查阅相关资料，了解各部分功能原理。查阅元器件资料，掌握器件工作原理和硬件实现方法。利用电脑仿真，对设计的电路进行模拟检测。13本课题的研究预期成果设计出太阳能热水器控制器，编写出程序，调试成功，并在硬件电路上进行仿真达到预期的目的，完成设计任务。2总体系统设计总体设计之前，根据该系统所要达到的功能，选择适当的元器件和合适的芯片来设计系统，了解各器件的原理和功能。太阳能热水器控制器设计，就要有温度采集器件，根据相关参数范围选择了DS18B20数字温度传感器，采集到的数据为数字量，可以直接送入单片机处理，电路简单，数字温度传感器比模拟温度传感器测量结果精确。要显示水位量就要有单片机能处理的水位量，这个量就要由传感器来测量，这里的水位检测传感器选择模拟的传感器，模拟量不能直接进入单片机进行处理，要变成二进制的数字量才能送入单片机进行处理，这就要进行A/D转换，把采集到的水位信号转换成为数字量。A/D转换的器件选择为ADC0832转换芯片，它是一个两路模拟量输入，转换完的数字量串行输出，ADC0832转换芯片引脚少，能达到相同的功能，而且电路简单，方便。显示所测量的结果要用到LED数码管，用LED数码管来显示结果比较清楚，防水和磨损，是比较好的显示方式。要实现温度稳定控制，就需要设定温度的标准量，是和当前水的温度进行比较的，看当前水的温度有没有达到或者大于标准的温度，然后加以控制，要设置给定的温度就要有输入装置，采用简单的按键作为输入是很简便的，不会带来复杂的问题。控制装置要采用电磁开关控制，这样就不用人为的操作，电磁开关在闭合或打开的时候在电磁线圈上会产生电流，为了防止这样的电流对前面的电路产生不良效果，与线圈并联一个二极管，利用二极管的单项导通性就能阻止电流流回电路，保证电路的安全。为了保证单片机输出的控制信号稳定而且有足够大的电流，在单片机输出信号后加上正向驱动器来增大信号强度，再在电磁开关之前加上光电隔离，会阻隔掉不必要的干扰，通过光电隔离的电压信号是稳定的，这样的控制系统才能稳定可靠的工作。图31系统总体硬件框图3总体硬件设计31系统总体硬件框图与工作原理经过对所要设计的控制系统的功能要求进行分析，可以得道系统的总体硬件设计框图，如图31所示。由系统的总框图可以看出该系统的工作原理为单片机AT89C52作为控制核心并协调整个系统的工作，通过数字温度传感器检测当前水的温度，由于数数字信号就直接送入单片机AT89C52内，通过单片机的处理在LED数码管上显示当前的温度值。另外一路是在水箱中的水压传感器测水的压力从而得到水位的高低，水压传感器输出的是05V的模拟量，要经过A/D转换成为数字量再送入单片机AT89C52进行处理，在LED数码管上显示水位值。按键用来设定想要的温度值，单片机在内部通过比较设定的温度和当前温度，当前温度小于设定值时就会闭合电磁开关，开启加热装置。自动上水方面是设置水位的上下限，水位小于下限时就会闭合电磁开关，就会开始上水，水位到达上线时就会自动断开电磁开关，停止上水。温度和水位值在时时检测，达到控制目的。32温度传感器321温度传感器DS18B20温度传感器选择DS18B20数字温度计，它以9位数字量的形式反映器件的温度值。DS1820通过一个单线接口发送或接收信息，因此在中央微处理器和DS18B20之间仅需一条连接线（加上地线）。用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源。因为每个DS18B20都有一个独特的片序列号，所以多只DS18B20可以同时连在一根单线总线上，这样就可以把温度传感器放在许多不同的地方。这一特性在HVAC环境控制、探测建筑物、仪器或机器的温度以及过程监测和控制等方面非常有用。图32DS18B20引脚排列与封装形式表31DS18B20引脚说明引脚符号说明1GND接地2DQ数据输入/输出脚。对于单线操作漏极开路3VDD可选的VDD引脚。DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口少等优点，但在实际应用中也应注意一下问题（A）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行连接补偿，DS18B20与微处理器间采用穿行数据传送，编程时要严格保证读写时序，否则将无法读取测温结果。（B）连接DS18B20的总线电缆长度是有长度限制的。当采用普通信号电缆传输长度不能超过50M，采用双绞线带屏蔽电缆时可达到150M。（C）在DS18B20测温程序中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，要保持接触良好，否则会进入死循环。DS18B20的特性（A）独特的单总线接口方式。DS18B20在I/O处理器连接时，仅需要一个I/O口即可实现微处理器同DS18B20的双向通讯。（B）DS18B20支持组网功能，多个DS18B20多个DS18B20可以并联在唯一的单线上，实现多点测温。（C）DS18B20的测温范围为55125，在1085时，其精度为015。（D）DS18B20的测量结果的数字量位数从912位，可编程进行选择。（E）DS18B20内部寄生电源，器件既可以由单线总线供电，也可以用外部电源供电。DS18B290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，振荡器的脉冲无法通过门电路。计数器设置为55。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。如果门电路仍未关闭，则系统重复上述过程。322DS18B20的结构DS18B20有三个主要数字部件164位激光ROM，2温度传感器，3非易失性温度报警触发器TH和TL。器件用如下方式从单线通讯线上汲取能量在信号线处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。DS18B20也可用外部5V电源供电。存储器和控制逻辑暂存器8位CRC产生器温度传感器上限触发下限触发64位ROM和单线端口电源检测DQVCC图33DS18B20的内部结构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2。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1位I/O线相连，且单片机的1位I/O线可挂接多个DS18B20，就可实现单点或多点温度测量。DS18B20传感器的精度高、互换性好；它直接将温度数据进行编码，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，与用传统的温度传感器系统相比系统得以简化。系统扩充维护十分方便。33水压传感器及A/D转换选用PTJ204/205/206/207水压传感器，水位传感器输出的信号为模拟信号，由于输出量微弱，要经过放大器的放大转化为05V的电压信号，才能送入ADC0832中进行转换，输出为串行数字数据，送入单片机AT89C52处理。传感器和AD转换原理图如下图34所示GNDO6I5CLKH12SV/REF8UAPM9W图34模拟量输入及AD转换电路结构331水压传感器水压传感器是由一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动化检测和控制的首要环节。力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、电感式压力传感器、压阻式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。在水箱的最底部安装压力传感器，水位的不同，传感器检测到的压力值就不同，采集到的模拟量信号经过处理和计算，就能换算成水位的高低，经过单片机显示。332ADC0832结构及原理图35ADC0832芯片引脚图芯片各引脚说明1）CS_片选使能，低电平芯片使能。2）CH0模拟输入通道0，或作为IN/使用。3）CH1模拟输入通道1，或作为IN/使用。4）GND芯片参考0电位（地）。5）DI数据信号输入，选择通道控制。6）DO数据信号输出，转换数据输出。7）CLK芯片时钟输入。8）VCC/REF电源输入及参考电压输入（复用）。ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在05V之间。芯片转换时间仅为32S，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。单片机对ADC0832的控制原理正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。当ADC0832没有工作时其CS输入端为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。当要进行A/D转换时，须先将CS使能端为低电平并且保持低电平直到转换完全结束。此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必为高电平，表示启始信号。在第2、3个脉冲下沉之前DI端输入2位数据用于选择通道功能，当此2位数据为“1”、“0”时，只对CH0进行单通道转换。当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。当2位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN，CH1作为负输入端IN进行输入。当2位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN，CH1作为正输入端IN进行输入。到第3个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO端输出下一位数据。直到第11个脉冲时发出最低位数据DATA0，一个字节的数据输出完成。也正是从此位开始输出下一个相反字节的数据，即从第11个字节的下沉输出DATA0。随后输出8位数据，到第19个脉冲数据输出完成，也标志着一次A/D转换的结束。最后将CS置高电平禁用芯片，直接将转换后的数据进行处理就可以了。34电磁开关（继电器）电路及原理要实现自动控制，就要有能自动闭合的开关，这里用到的是电磁开关（继电器），继电器上有电流时，由于电磁感应就会在铁心上产生磁性，将开关弹片吸引，使外部电路导通。为了在电磁继电器上有稳定的电流流过，前端就要有相应的控制元器件，我选择的是光电隔离器件，隔离掉了不稳定的因素。使光电隔离前端的发光稳定，信号的前端还需要驱动，提供稳定的信号电流。只有发光部分的稳定，后面的信号才能得到稳定输出。控制加热装置和上水装置的电路如图36所示。控制电路工作原理单片机根据处理的结果，从控制端口输出低电平控制信号，通过正向驱动器，得到稳定的信号，使得光电隔离前端的发光二极发光，电路接通，后续电路工作，输出电压经分压，三极管导通，电磁继电器工作，弹片向下吸引，开关闭合，后面的电路开始工作。1245KRELAYDIN0PGVU8Q9A7图36电磁开关控制电路341光电隔离器的原理光电隔离器（OPTICALCOUPLER，英文缩写为OC）亦称光耦合器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电到光再到电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。光电耦合器也可工作于开关状态，传输脉冲信号。在传输脉冲信号时，输入信号和输出信号之间存在一定的延迟时间，不同结构的光电耦合器输入、输出延迟时间相差很大。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端是电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。光耦合器的主要优点是信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种干扰，使通道上的信号稳定性大为提高，主要有以下几方面的原因（1）光电耦合器的输入阻抗很小，只有几百欧姆，而干扰源的阻抗较大，通常为105106。据分压原理可知，即使干扰电压的幅度较大，但馈送到光电耦合器输入端的干扰电压会很小，只能形成很微弱的电流，由于没有足够的能量而不能使二极体发光，从而被抑制掉了。（2）光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系，也没有共地；之间的分布电容极小，而绝缘电阻又很大，因此回路一边的各种干扰都很难通过光电耦合器馈送到另一边去，避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。（3）光电耦合器可起到很好的安全保障作用，即使当外部设备出现故障，甚至输入信号线短接时，也不会损坏仪表。因为光耦合器件的输入回路和输出回路之间可以承受几千伏的高压。342电磁继电器的原理继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。电磁继电器的工作原理并不复杂，它主要是利用电磁感应原理而工作的。当线圈通以电流时，线圈便产生磁场，线圈中间的铁心被磁化产生磁力从而使衔铁在电磁吸力的作用下吸向铁心，此时衔铁带动支杆将板簧推开，使两个常闭的触点断开。当断开继电器线圈的电流时，铁心便失去磁性，衔铁在板簧的作用下恢复初始状态，触点则又闭合。触点的形式一般分为三种一种是继电器线圈未通电时处于接通状态的静触点，为常闭触点。二种是处于断开状态的静触点，称为常开触点，还有一种是一个动触点与一个静触点常闭，而同时与一个静触点常开，形成一开一闭的转换触点形式。常闭触点在线圈通电时由闭合状态断开，所以又称为动断触点，而把常开触点称为动合触点转换触点有两种情况，即先合后断的转换触点和先断后合的转换触点6。先了解必要的条件1控制电路的电源电压，能提供的最大电流；2被控制电路中的电压和电流；3被控电路需要几组、什么形式的触点。选用继电器时，一般控制电路的电源电压可作为选用的依据。控制电路应能给继电器提供足够的工作电流，否则继电器吸合是不稳定的。343上水控制的原理供水时，单片机控制电磁阀通电，水位不断上升，滑竿在浮球的的带动下沿套管上升，当滑竿上升到顶位时，则使接触开关断电，让电磁阀关闭水源。当水位处于上限与下限之间时，此时单片机控制电磁阀通断电，无论电磁阀是在通电供水，水位不断上升或者电磁阀没有工作，水位不断下降，都应维持原有的状态。当水位处于下限位置时，水箱内无水时，需要供水，滑竿落到箱底，滑竿在水箱外的一端与接触开关接触得电，使电磁阀导通进水。344加热控制的原理太阳能热水器的吸热时，太阳辐射透过真空管的外管，被集热镀膜吸收后沿内管壁传递到管内的水，管内的水吸热后温度升高，比重减小而上升，形成一个向上的动力，构成一个集热系统。随着热水的不断上移并储存在储水箱上部，同时温度较低的水沿管的另一侧不断补充如此循环往复，最终整箱水都升高至一定的温度。集热系统吸收太阳能辐射后，集热管温度上升，当集热器温度和水箱温度水温达到设定值时，检测系统发出指令，循环泵将中央热水器中的冷水输入集热器中，水被加热后再回到水箱中，使水箱内的水达到设定的温度。35单片机控制系统单片机系统有基本的时钟电路和复位电路，单片机的频率一般为110592M，复位电路有手动和上电自动复位电路，RST复位信号复位端，当此引脚保持两个机器周期的高电平时，就可以完成复位操作。复位电路如图51KR3GNDV2PFC4S0T图37手动复位电路图38自动复位电路单片机的时钟信号是由外部接的晶振产生，晶振的连接电路如图12059MYPFC3GNDXTAL图39单片机晶振电路单片机芯片上集成了各种功能部件中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时/计数器、和各种输入/输出（I/O）接口等。它们之间相互连接，构成一个完整的单片机。AT89C52单片机采用40引脚的双列直插封装（DIP方式），在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体振荡的引脚，4条控制与其它电源复用的引脚，32条输入/输出（I/O）引脚7。AT89C52单片机是一种低功耗高性能的COMS8位微控制器，内置8KB可在线编程闪存。该器件采用ATMEL公司的高密度非易失性存储技术生产，其指令与工业标准的AT80C51指令集兼容。片内程序存储器允许重复在线编程，允许程序存储器在系统内通过SPI串行口改写或通同用的非易失性存储器改写。通过把通过的8位CPU与可在线下载的FLASH集成在一个芯片上，AT89C52便成为一个高效的微型计算机。它的应用范围广，可用于解决复杂的控制问题，且成本较低。AT89C52的主要特性有兼容MCS51产品，8K字节可擦写1000次的在线可编程ISP闪存，3级程序存储加密，256字节内部RAM，3个16位定时/计数器，8个中断源，低功耗空闲方式和掉电方式，看门狗定时器，双数据指针，灵活的在线编程。其芯片引脚如图310所示图310单片机芯片封装引脚36LED数码管显示电路7段LED数码管是利用7个LED（发光二极管）外加一个小数点的LED组合而成的显示设备，可以显示09等10个数字和小数点，这类数码管可以分为公阴极与共阳极两种，共阳极就是把所有LED的阳极连接到共同的结点，而每个LED的阴极分别为A,B,C,D,E,F,G及DP（小数点）；共阴极就是把所有LED的阳极连接到共同的结点，而每个LED的阳极分别为A,B,C,D,E,F,G及DP（小数点），如图311所示图311数码管原理电路根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。静态显示驱动每个数码管的每个段都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码的二十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多。动态显示驱动动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“A,B,C,D,E,F,G,DP”的同名端连在一起，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形。图312单片机与数码管连接电路37按键电路设计这部分主要是运用按键实现太阳能热水器的实时控制的一些观测，由于没有实际的太阳能热水器用于实验，采用此种方式可以观察是否实现了预期的效果。通过按键按下判断是手动/自动控制，加水/加热控制，停止加水/加热控制，高中低水位控制。按键是用来向系统提供操作人员命令的接口，所以准确无误地辨认每个键的动作以及其所处的状态，是系统能否正常工作的关键。多数按键多采用机械弹性开关，一次高低电平的变化就是一次命令。但是按键的抖动是难以避免的，为了稳定操作，我们要防止抖动的发生，就要消除抖动的影响，可以从硬件和软件两方面解决。硬件防抖电路利用RC积分电路对干扰脉冲的吸收作用，选择好电路的时间常数，就能在按键抖动信号通过此滤波电路时，消除抖动影响。滤波防抖电路图如图212所示。当K位按下时，电容C两端的电压均为0，非门输出为1。当K按下时，由于C两端电压不可能产生突变。尽管在触点接触过程种可能出现抖动，只要适当选取R1、R2和C的值，即可保证电容C两端的充电电压波动不超过非门的开启电压（TTL位08V），非门的输出维持高电平。同理，当触点断开时，由于电容C经过电阻R放电，C两端的放电电压波动不会超过门的关闭电压，因此，门的输出也不会改变。总之，只要R1、R2和C的时间常数选取得当，确保电容C有稳态电压充电到开启电压，或放电到关闭电压的延迟时间等于或大于10MS，该电路就能消除抖动影响。52UFUA746SGND图313单片机与数码管连接电路软件防抖方法当第一次检测到有键按下时，先用软件延时（1020MS），而后再确认该键电平是否仍维持闭合状态电平。若保持闭合状态电平，则确认此键一按下，从而消除了抖动的影响。4软件设计方案硬件电路是一切的基础，在其基础上软件设计是关键的部分，它是单片机工作的重点，就是让各部分协调工作的命令，软件程序的重要性是毋庸置疑的，是整个控制系统的命脉，根据各部分编写相应的驱动程序，才能使得相应的芯片有其功能，所以程序设计是非常重要的。芯片的工作有着与自己对应的时序图，只有根据时序准确的执行命令才能达到想要的目的，实现芯片的功能。程序的设计还要有着一定的思路，根据系统运行的过程要画出相应的程序流程图，根据流程图写程序是非常方便的，也不容易产生错误，得到正确的程序。如图41所示图41系统程序总流程图41DS18B20驱动程序设计DS18B20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DS18B20或从DS18B20送出，因此从主机CPU到DS18B20仅需一条数据线和地线，电源可以有数据线本身提供而不需要外部电源。DS18B20的测量范围从55C到125C。温度传感器的引脚如表41所示。表41DS18B20管脚连接管脚号名称功能电路连接情况1GND接电源地DGND2DQ数据输出P35端3VDD接5V电源VCC每一个DS18B20包括一个唯一的64位长的序号，该序号存放在DS18B20内部的ROM中。开始8位是产品类型编码DSL8B20编码均为10H接着的48位是每个器件唯一的序号最后8位是前面56位的CRC循环冗余校验码DSL820中还有用于贮存测得的温度值的两个8位存贮器RAM编号为0号和1号1号存贮器存放温度值的符号如果温度为负,则1号存贮器8位全为1,否则全为00号存贮器用于存放温度值的补码LSB最低位的1表示05。DS18B20用9位存贮温度值，最高位为符号位下表为DS18B20的温度存储方式负温度S1正温度S0。表42DS18B20温度存储BIT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0LSB6254321021BIT15BIT14BIT13BIT12BIT11BIT10BIT9BIT8MSBSSSSSSSS42串行AD转换器ADC0832程序设计由于微机只能处理数字化的信息，而在实际应用中被控对象常常是连续变化的物理量，因此，微机用于控制系统是需要有能把模拟信号转换成数字信号的接口，以便能对被控制对象进行处理和控制。A/D转换器就是承担这样的任务，A/D转换就是把模拟量转化成为二进制的数字量，一般的A/D转换过程是通过采样、保持，量化，编码4个步骤完成的，这些往往是合并运行的。输入配置可在多路器寻址时序中进行。多路器地址可通过DI端移入转换器。多路器地址选择模拟输入通道可决定输入是单端输入还是差分输入。当输入是差分时，应分配输入通道的极性，并应将差分输入分配到相邻的输入通道对中。例如通道0和通道可被选为一对差分输入。另外，在选择差分输入方式时，极性也可以选择。一对输入通道的两个输入端的任何一个都可以作为正极或负极。通常ADC0832在输出以最高位（MSB）开头的数据流后，会以最低位（LSB）开头重输出一遍（前面的数据流）。（因此，编程时要发两轮脉冲，第一次取数据，第二次若不要从低到高的数据，也要发一轮8个脉冲将ADC0832中寄存器的数据移出。其工作时序如下所示图42ADC0832读写时序图ADC0832有8只引脚，CH0和CH1为模拟输入端，CS为片选引脚，只有CS置0才能对ADC0832进行配置和启动转换。CLK为ADC0832的时钟输入端。CS在整个转换过程中都必须为低，当CS为低时，在数据输入端DI（数据输入端）加一个高电平（这个高电平是算在送到DI的一位之中，那么后面就只要再送两位。这个高电平是作为起始标志），接着在CLK上加一个时钟，DI上的逻辑1就会使ADC0832的DI脱离高阻态，然后通道配置数据伴随着时钟通过DI端移入多路器，当最后一位数据移入多路器时（数据是三位，前一位标志输入开始，后两位是用来作通道设置和选择），DI变为高阻态，在这以前DO（数据输出端）都为高阻态（就是CS从高跳到低到现在）。在经过一个时钟（是指在最后一个数据从DI移入后，还要再经过一个时钟，当最后一位数据移入DI，需要再加一个时钟使DO脱离高阻态），DO脱离高阻状态并启动转换。接着从处理器接收时钟信号，每经过一个时钟，转换后的数据就会从高位到低位逐次从DO移出，经过8个时钟后，数据又以从低位到高位的形式从DO移出（也是每个时钟移一位）。当最后一位数据移出时转换完成。当CS从低变为高时，ADC0832内部所有寄存器清零。如想要进行下一次转换，CS必须做一个从高到低跳变，后跟着地此配置数据重复上面的过程。表43DS18B20通道选择多路转换器地址通道SGL/DIFODD/SIGN0100011011根据上述ADC0832的相关转换时序，进行单片机和ADC0832的连接时，因为DI和DO并不是同时使用，所以DI和DO可以共用单片机的一条I/O线，再加上一条时钟线和一条片选线就可以实现单片机和ADC0832的连接，流程图如图43所示开始结束使能芯片产生时钟信号输入通道控制字读取两字节数据字节数据校验数值送入指定寄存器图43ADC0832工作流程图43按键控制程序设计按键是外部命令的体现，一个按键从没有按下到按下以及释放是一个完整的过程，也就是说，当我们按下一个按键时，总希望某个命令只执行一次，而在按键按下的过程中，不要有干扰进来，因为，在按下的过程中，一旦有干扰过来，可能造成误触发过程，这并不是我们所想要的。因此在按键按下的时候，要把我们手上的干扰信号以及按键的机械接触等干扰信号滤除掉，一般情况下，我们可以采用电容来滤除掉这些干扰信号，但实际上，会增加硬件成本及硬件电路的体积，这是我们不希望，总得有个办法解决这个问题，因此我们可以采用软件滤波的方法去除这些干扰信号，一般情况下，一个按键按下的时候，总是在按下的时刻存在着一定的干扰信号，按下之后就基本上进入了稳定的状态。具体的一个按键从按下到释放的全过程的信号图如下图所示图44按键理想波形图图45按键实际的波形从图中可以看出，由于按键的机械特性，当按键闭合时，并不能马上保存良好的接触，而是来回弹跳。这个时间很短，我们的手根本感觉不出来。但是对于一秒钟执行百万条指令的单片机而言，这个时间是相当的长了。那么在这段抖动的时间内，单片机可能读到多次高低电平的变化。如果不加任何处理的话，就会认为已经按下，或者松开很多次了。而事实上，我们的手一直按在按键上，并没有重复按动很多次。要想能够正确的判断按键是否按下就要避开这段抖动的时间。我们在程序设计时，从按键被识别按下之后，延时10MS以上，从而避开了干扰信号区域，我们再来检测一次，看按键是否真得已经按下，若真得已经按下，这时肯定输出为低电平，若这时检测到的是高电平，证明刚才是由于干扰信号引起的误触发，CPU就认为是误触发信号而舍弃这次的按键识别过程。从而提高了系统的可靠性。由于要求每按下一次，命令被执行一次，直到下一次再按下的时候，再执行一次命令，因此从按键被识别出来之后，我们就可以执行这次的命令，所以要有一个等待按键释放的过程，显然释放的过程，就是使其恢复成高电平状态。程序设计过程中按键识别过程的框图如下图所示图46按键检测框图44LED数码管显示程序设计将所得到的结果用LED数码管显示出来，给人直观的了解当前系统的状态，数码管要显示当前系统的值,就要有一定的端口往数码管送入数据，还要有点亮数码管的信号为，我们要将09这十个数字的码字定义成一个数组，通过检验输出的数据查断码表，就能显示相应的数字。表447段LED的字型码显示字符共阳极字型码共阴极字型码显示字符共阳极字型码共阴极字型码03FHC0H56DH92H106HF9H67DH82H25BHA4H707HF8H34FHB0H87FH80H466H99H96FH90H由于在硬件电路中，是将P0口和数码管的段码位相连，位选信号P2口与数码管亮灭有关，掌握着是哪个数码管亮，接下来程序就要定义相关端口（1）定义字位和字型口DEFINESLED_DM_PORTP0/定义数码管段码的控制脚/DEFINESLED_WM_PORTP2/定义数码管位码的控制脚/（2）定义字型编码表（数字09）UCHARCODEDU_CHAR0XC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99,0X92,0X82,0XF8,0X80,0X90,（3）显示得到字型和字位口的地址后，向不同的字位送数据，进行显示。（4）动态扫描由于使用动态显示法，在LED显示程序中，需要不停地进行扫描字位口，从而实现不同字位的数据的动态扫描结果。开始显示缓冲区初始化指定字型口查表得到字型码送指定字位码延时10MS图47LED显示程序流程图5硬件电路仿真结果51温度仿真通过硬件电路和软件的结合，测试程序的正确性，需要仿真温度的显示和可控制加热方面是否达到要求，需要通过PROTEUS软件做以下仿真511温度显示仿真仿真结果表明，显示的温度和数字温度传感器DS18B20上显示的数据相同，表明程序将温度传感器DS18B20中的温度数据正确的读出，达到了读取温度和显示温度的目的。图51温度显示仿真图512温度控制仿真温度控制就是当温度低于某个温度值是闭合开关，而闭合开关一阵时间后温度达到合适温度后开关就会自动断开，停止加热。设定温度值为40度，以下是温度控制的仿真结果温度没有低于设定温度时开关在右侧，当温度低于设定值时开关就会向左边闭合，启动加热。图52温度高于设定温度图53温度低于设定温度52水位仿真水位控制就是实现自动上水，保持水箱中一直有水，自动上水功能的实现就要设定控制水位的上限和下限，当水位低于下限时开关闭合开始上水，当水位高于设定上限时开关断开，达到自动控制水位的功能。521水位显示仿真水位显示是将传感器检测到的05V模拟信号经过ADC0832转换成为8为二进制数（0255），经过计算让水位显示在0100之间，通过单片机的处理让数据显示在LED数码管上。图54当前水位显示522水位控制仿真当水位低于20时，开关就会闭合，合向左边启动电机上水。而当水位高于90时，开关就会断开，合向右边关闭电机上水。控制仿真结果如下图所示图55当前水位低于设定水位图56当前水位高于设定水位53仿真结果分析根据仿真结构来看，硬件和软件都基本达到了设计要求，实现了通过数字温度传感器检测当前水的温度，通过单片机的处理在LED数码管上显示当前的温度值。水压传感器输出的是05V的模拟量，经过A/D转换成为数字量送入单片机进行处理，在LED数码管上显示水位值。通过比较设定的温度和当前温度，当前温度小于设定值时就会闭合电磁开关，开启加热装置。自动上水方面是设置水位的上下限，水位小于下限时就会闭合电磁开关，就会开始上水，水位到达上线时就会自动断开电磁开关，停止上水。致谢通过几个月的亲手实践，查阅资料，我所做的毕业设计任务顺利完成。在此过程中，我学到了做任何事情自己都要认真对待，不能马虎，要有始有终。在自己有困难的时候请求老师和同学的帮助，在老师和同学的帮助下，自己克服了毕业设计中遇到的一些困难。通过这次毕业实际人认清了自己，但是没有老师和同学的帮助，我想我也难以完成这次的毕业设计任务，因此我要感谢那些在我困难时对我知识和精神上帮助的朋友、老师和同学们，我的生活因你们而精彩和充实。首先，老师以渊博的知识教诲我、严谨的治学态度督促我、踏实的专研精神感染我，使我学习到更多的专业知识和懂得更多的人生道理，这些都将会在以后的学习工作中让我受益匪浅。老师的帮助是最重要的，老师经常提醒我要好好做，不会就去找他，他那种认真让我感到倾佩，非常感谢老师的谆谆教诲，愿老师工作顺利、事业更上一层楼。其次，在此过程中，同窗好友相互支持、相互抚慰、情同手足，我的舍友也给了我很大的支持，我在碰到问题解决不了时，就觉得烦躁，他们就过来帮我解决问题，有时一个问题要花好长时间来解决，他们都一直认真的帮助我，使我非常感激有这么一些好舍友。最后，衷心感谢所有老师对我的栽培、支持和鼓励，感谢所有朋友的关心和帮助。向在百忙中抽出时间来帮助我，没有他们的帮