毕业设计（论文）-太阳能热水器控制电路的设计

南通纺织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班级09电子一专业应用电子技术教学系机电系指导老师完成时间2012年3月1日至2012年5月22日南通纺织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，设计了一种智能型太阳能热水器控制器。该控制器是在现有太阳能热水器的基础上开发的，该系统利用单片机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。关键词太阳能热水器控制器单片机南通纺织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目录摘要I目录II1绪论111太阳能热水器的应用及意义112太阳能热水器的发展状况及市场竞争分析22设计思路及要求321设计的思路322本设计的目的及要求33系统总体设计331系统原理框图332控制系统的组成及工作原理44硬件功能模块的设计741单片机系统742水温测量电路843水位测量电路1044实时时钟电路1245显示电路1346电源电路1547键盘电路1648自动上水和报警电路1849辅助电加热电路195软件部分的设计2051软件的总体设计2052温度检测2053实时时钟206结束语24致谢25参考文献26附录27附录1源程序27附录2总原理图41南通纺织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绪论11太阳能热水器的应用及意义众所周知，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200300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1820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，最为南通纺织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卫生的特点，在电费，液化气、煤气价格较高的地区，用户13年及收回投资，在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。12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，这是市面大南通纺织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部分热水器所不能比拟的。2设计思路及要求21设计的思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。22本设计的目的及要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31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。南通纺织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单片机显示电路电源电路键盘电路实时时钟温度和水位检测报警电路电磁阀辅助电加热图1系统原理框图32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。南通纺织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5RC控制器220V电阻加热丝储水箱水温检测传感器水位检测电极YV6YV2YV4YV1YV5YV3淋喷头自来水地漏图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。然后南通纺织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开始比较温度，若（T3T15摄氏度，T2T1）为止。如若T1N，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T3N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T3N，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）15T135N3516T140N4017T145N4518T150N5019T155N5520T160N60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。南通纺织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41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CMOS8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12M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。最简单的上电自动南通纺织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。112233445566DDCCBBAATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE2011/11/29SHEETOFFILEE业业业业业业业业业SHEET1SCHDOCDRAWNBY1KR130PFCY130PFCY210UFC112XTALY1S5VCCRESRESP145P156P167P178P101P112P123P0336P0435P0534P0633P0732P2021P0039INT113P134RESET9INT012T115T014EA31X119X218RD17WR16P0138P0237P2122P2223P2728P2627P2526P2425P2324RXD10TXD11PSEN29ALE30GND20VCC40AT89S52VCCP17P12P13P14P15P16P10P11P05P04P20P21P22P23P24P25P26P27P30P31P34P35INT1P06P07P36P37图3单片机的外围电路42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05可在LS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。南通纺织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9421DS18B20测温原理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。422DS18B20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。64位ROM和单线接口存储器和控制器高速缓冲存储器8位CRC生成器温度灵敏元件低温触发器TL高温触发器TH配置寄存器电源检测图4DS18B20内部结构框图423DS18B20的硬件接线电路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P35相连，温度测量电路如图5所示。南通纺织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10112233445566DDCCBBAATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE20111129SHEETOFFILED业业业业业SHEET2SCHDOCDRAWNBYGD1DQ2VD3DS18B2047KR6VCCP35图5DS18B20管脚排列及接线图43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。南通纺织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11112233445566DDCCBBAATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE2011/11/30SHEETOFFILEE业业业业业业业业业SHEET1SCHDOCDRAWNBY公公公公公公公公公公公DCBA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HD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。南通纺织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12112233445566DDCCBBAATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE2011/11/29SHEETOFFILEE业业业业业业业业业SHEET3SCHDOCDRAWNBY1A121Y1181A241Y2161A361Y3141A481Y4122A1172Y132A2152Y252A3132Y372A4112Y49VCC201G1GND102G1974HC2441KR11KR21KR31KR41MR71MR81MR101MR9P12P13P14P15VCCVCCVCCD1D2D3D4图7水位测量电路44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。441DS12C887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/INTELCS片选ASALER/W在INTEL总线下作为/WRDS在INTEL总线下作为/RD南通纺织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13RESET复位信号IRQ中断请求输出SQW方波输出VCC5电源GND电源地441DS12C887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RAM112233445566DDCCBBAATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE20111129SHEETOFFILED业业业业业SHEET11SCHDOCDRAWNBY1KR2010UFC20MOT1NC2NC3ADD04ADD15ADD26ADD37ADD48ADD59ADD610ADD711GND12DS17NC16R/W15AS14CS13RESET18VCC24SQW23NC22NC21NC20IRQ19DS12C887INT11P30P31P34P35VCCP20P21P22P23P24P25P26P2,7图8DS12C887与单片机的连接442DS12C887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DS12C887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”，以防止在读写过程南通纺织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。45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Q0Q7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AF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，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RXDP30送出，其中移位时钟由TXDP31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。南通纺织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15112233445566DDCCBBAATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE2011/11/30SHEETOFFILEE业业业业业业业业业SHEET5SCHDOCDRAWNBYRESET9CLK8A1B2QA3QB4QC5QD6QE10QF11QG12QH13VDD14GND774HC164RESET9CLK8A1B2QA3QB4QC5QD6QE10QF11QG12QH13VDD14GND774HC164RESET9CLK8A1B2QA3QB4QC5QD6QE10QF11QG12QH13VDD14GND774HC164RESET9CLK8A1B2QA3QB4QC5QD6QE10QF11QG12QH13VDD14GND774HC164ABFCGDE1234567ABCDEFG8DPDPCOM9DS1ABFCGDE1234567ABCDEFG8DPDPCOM9DS2ABFCGDE1234567ABCDEFG8DPDPCOM9DS3ABFCGDE1234567ABCDEFG8DPDPCOM9DS4VCCVCCVCCVCCVCCVCCP30P318X1K图9显示电路46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TO220。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南通纺织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1615A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15A输出电压为5V短路保护输出晶体管安全工作区保护112233445566DDCCBBAATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE2011/12/1SHEETOFFILEE业业业业业业业业业SHEET9SCHDOCDRAWNBYVINVOUTGND7805T1KR102200NFC12200NFC2D104C4104C312LED10DS业业业图10电源电路上图电路为输出电压5V，输出电流15A的稳压电源，它由电源变压器T，桥式整流电路D1D4，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D1D4和滤波电容C1的整流和滤波，在固定三南通纺织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。47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。112233445566DDCCBBAATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE2011/11/29SHEETOFFILEE业业业业业业业业业SHEET16SCHDOCDRAWNBYS1S2S3S41KR111KR121KR131KR14VCCP04P05P06P07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”。南通纺织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按键功能的定义如下P04P07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。48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。481ULN2003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TEXASINSTRUMENTS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,ULN2000系列能够同时驱动7组高压大电流负载，载,ULN2800系列则能够同时驱动8组高压大电流负载。美国TEXASINSTRUMENTS公司、美国SPRAGUE公司生产的ULN2003A由7组达林顿晶体管阵列和相应的电阻网络以及钳位二极管网络构成,具有同时驱动7组负载的能力,为单片双极型大功率高速集成电路。以下介南通纺织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19绍该电路的构成、性能特征、电参数以及典型应用。ULN2003A电路具有以下特点电流增益高（大于1000）；带负载能力强（输出电流大于500MA）；温度范围宽（4085）；工作电压高（大于50V）。ULN2003电路主要用于如下领域电磁阀；可控照明灯。482ULN2003的接口电路本系统通过单片机的P36控制自动上水的。如果P36为高电平时，继电器吸合启动电磁阀，指示灯D10点亮。由于继电器吸合需要较大的电流驱动，一般的三极管不能驱动，所以使用ULN2003A对电流进行反向放大。当加水时间超过设定值时，单片机将P37置位，驱动蜂鸣器发声，同时点亮指示灯D8，由于蜂鸣器工作电流较大，需要用三极管对电流进行放大。具体的电路如图9所示。112233445566DDCCBBAATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE20111129SHEETOFFILED业业业业业SHEET7SCHDOCDRAWNBYIN11IN22IN33IN44IN55IN66IN77OUT116OUT314OUT413OUT512OUT611OUT710OUT215COM9GND8ULN2003A9013Q11K1K1K12D812D10SPEAKERLSP37P37VCCVCC业业业P36VCC图12自动上水和报警电路49辅助电加热电路下图为光电隔离及辅助加热电路，当室外光强不足（阴天、下雨）时，对水箱的水提前加热是必要的，这一电路恰好能完成这一功能。工作原理当单片机89S52P26口输出高电平时，三极管导通，致使发光二极管发亮，同时光南通纺织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20敏三极管导通，继电器闭合，电阻丝R1R4发热，这样就完成了加热的任务，此电路虽然简单，但在太阳能热水器中是必不可少的。112233445566DDCCBBAATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE20111129SHEETOFFILED业业业业业SHEET10SCHDOCDRAWNBYK1KR21KR11KR51KR61KR41KR3Q1VCC业业业P16U图13辅助加热电路5软件部分的设计51软件的总体设计如图13所示，热水器上电后，首先进行系统初始化，设置时钟的时间，启动温度传感器；其次判断是否无水，执行相应的操作；然后检测按键，如果有功能键按下，则进入功能设定界面，包括校准时钟、设定热水温度和设定定时加热时间3种功能，设定完毕后，再次按下功能键表示设定生效；若无功能键按下或者功能设定完毕后，则进行各种条件的判断并执行相应的操作；最后，各种条件判断完毕后，程序回到时钟和温度的读取与显示，进而开始新一轮的程序运行。52温度检测DS18B20的工作流程如图14。DS18B20需要严格的协议以确保数据的完整性。协议包括几种单线信号类型复位脉冲、存在脉冲、写0、写1、读0和读1。所有这些信号，除存在脉冲外，都是由总线控制器发出的。和DS18B20间的任何通讯都需要以初始化序列开始，初始化序列见图12。一个复位脉冲跟南通纺织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21着一个存在脉冲表明DS18B20已经准备好发送和接收数据（适当的ROM命令和存储器操作命令）。53实时时钟DS12C887软件设计的关键是实现对实时时钟的访问，而这种访问又要避免造成时间和日历数据的读写不一致。一般情况下有三种方法实现对DS12C887数据的访问一是利用更新结束中断。二是对寄存器A的更新进行位UIP查寻；还有一种方法是利用周期中断来判断。第一种方法比较容易实现，故常被使用。软件设计时依据寄存器各位的功能对DSL2C887进行初始化。在DS12C887开始工作后，每当数据更新后即向CPU发出中断信号，CPU读取更新后的时间、日历等效据。其程序框图见图15所示。南通纺织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22开始初始化是否有水有无关闭加热开进水阀调用按键检测是否到设定加热时间N读取实时时钟温度检测是否到设定加热温度读取设定温度显示温度和时间是否启动加热加热YNNY是否到指定温度YN显示温度、时间保持温度调水位检测Y延时结束图14系统软件总流程图南通纺织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23开始复位检测存在脉冲跳过ROM温度转换复位检测存在脉冲读暂存器读数据结束无有无有图15DS18B20的工作流程图南通纺织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24开始开晶振允许RTC计时设置时间初始化ABCD寄存器初始化更改时间更新结束中断读时间结束SET位清零有无有图16DS12C887软件流程图南通纺织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256结束语该控制器和以往显示仪相比性能价格比高、温度控制与显示精度高、使用方便和性能稳定等优点。单片机系统具有低价、智能的优势，能够根据需求的不同而做相应的调整，更加个性化。同时，使用单片机控制系统能够节约能源，保护设备，延长设备的使用时间。该热水器具备以下特点（1）结构简单、运行可靠、操作维护简便。（2）热源取之不尽用之不竭，不需要运输，节省采料。（3）无污染，不会对周围环境造成任何影响。（4）热水产量受季节、地区维度、才热面积、采热器类型、环境温度、供水温度、风速、日照实际等因素影响较大。（5）该系统加装减压阀后可与锅炉配套使用，解决冬季用水。（6）不用考虑玻璃盖的防冻装置。该热水器装置置于浴室屋占地面积较大，同时增加了建筑物的负载荷。在试制和安装过程中我们体会到只有注意以下几个方面才能保证热水器的正常运行，第一是循环管道水流方向不允许有反坡现象，拐弯要和缓，管道内要清洁无阻塞。第二是冷水箱、热水箱、集热器以及热水保温的相对位置及标高合理，符合水流的规律，第三是补充给热水箱的水流不允许冲击，第四是电磁阀的选择及安装位置要合理，保证动作灵敏可靠。总之，无论从市场或技术抑或价格的角度来说，此款热水器具有很大的优势。它市场前景广阔、技术先进、价格合理、高度智能化，方便省事，是当前市面上热水器的升级产品。它不但适合于城乡民宅需求，还适合于写字楼、餐饮、娱乐、商业服务浴室、理发店、旅馆、招待所、托儿所、敬老院以及外贸出口等各种需求。南通纺织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26致谢从论文的选题到搜集资料，从论文的初稿的完成到正文的反复修改，我经历了喜悦、聒噪、痛苦和彷徨，在写做作的过程中，心情是如此的复杂。如今，伴随着这篇毕业论文的最终完成，心情也逐渐舒畅了许多，自己甚至还有点成就感。在设计的过程中，我要感谢我的指导老师贲礼进老师，他为人随和热情，治学严谨细心，在从初稿到整个论文的完成，老师始终认真负责的给予我深刻而细致的指导。正是有了他的无私帮助与热忱鼓励，我的毕业论文才得以顺利完成。我还要感谢的班主任张新亮老师以及在大学三年中给我们授课的老师们，是他们让我学到了许多许多的知识，让我看到了世界的精彩，让我学会了做人做事，同时还要对教导过我的老师表示深深地敬意和谢意。最后感谢三年里陪伴我的同学、朋友们，有了她们的帮助，我的人生才丰富，使我看到了未来的美好，让我在奋斗的路上才不孤单。南通纺织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27参考文献1阎石数字电子技术M高等教育出版社，19972胡汉才单片机原理及接口技术M清华大学出版社，19963童诗白模拟电子技术基础M高等教育出版社，20014王建平串行LED显示驱动器及应用M电子技术应用，19965金伟正单线数字温度传感器的原理及应用M电子技术应用，20006单片机原理与应用实例教程M北京交通大学出版社7李全利单片机原理及应用技术第2版M高等教育出版社南通纺织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28附录附录1源程序DOTEQU30HZHENGSHUEQU31HFLAG1BIT00H是否检测到DS18B20的标志位FLAG2BIT01H是否检测到调节时间FLAG3BIT02HDIS_1EQU32H符号DIS_2EQU33H十位DIS_3EQU34H个位DIS_4EQU35H小数点后第一位MIAOEQU3AH秒钟FENEQU3BH分钟SHIEQU3CH时CSBITP37ASBITP36RWBITP35DDSBITP30IRQBITP33ORG0000HLJMPMAINORG0003HLJMPINT00ORG0013H南通纺织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29LJMPINT11MAINMOV3DH,00H记录K1按键次数LJMPRSTLCALLINIT_1820调用复位DS18B20子程序LOOPLCALLGET_TEMPER调用读温度子程序LCALLFORMULA通过公式计算,小数点后显示两位LCALLBCDLCALLDISPLAY调用显示子程序LCALLSCANKEYLJMPLOOPSCANKEYJBP04,JIANKEY2LCALLDEL5MSJBP04,JIANKEY2JNBP04,LCALLKEY1JIANKEY2JBP05,JIANKEY3LCALLDEL5MSJBP05,JIANKEY3JNBP05,LC