太阳能热水器自动控制系统分析与设计

1、摘 要众所周知，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（如光电池）。因而尚未被人们大规模的使用。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

2、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，新建商住楼安装热水器，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。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。目前,太阳能热水器控制器还一直处于研究与开发阶段,市面在售的控制器绝大部分只具备温度和水位显示功能,不具备温度水位的自动控制功能。虽然有的控制器配有电加热辅助装置,但都不是

3、全智能型的,给用户使用带来许多不便。单片机控制系统是对其水温与水位的不同进行检测和控制。关键词：单片机，太阳能热水器，温控系统目 录前言1第1章 设计思路及要求31.1本设计的目的和意义31.2设计要求和目的31.3本设计实现思路及方法3第2章 硬件设计42.1控制系统组成及工作原理42.2主要原器件介绍72.2.1 AT89S51高性能8位单片机72.2.2数码管显示82.2.3数字温度传感器DS18B20主要特性及测温原理112.2.4 ADC0832转换器132.2.5 继电器的工作原理和特性142.2.6 电磁阀与晶闸管152.3 AT89S51单片机的最小系统172.4 AT89S5

4、1单片机时钟电路172.5 AT89S51单片机复位电路182.6水位检测电路的硬件设计182.7水温检测电路的硬件设计192.8 键盘电路的硬件设计212.9驱动电路的硬件设计212.10显示电路的硬件设计22第3章 软件设计243.1软件设计原理及设计所用工具243.2显示子程序26第4章 系统功能284.1系统能实现的功能284.2系统功能测试28总结29参考文献30附录131附录234前 言目前，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，

5、 而且为分段显示，温度显示误差为10%，水位显示误差为25%。这种显示器(还称不上控制器)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80C51单片机为检测控制核心，采用DS12887 实时时钟，不仅实现了时间、温度和水位三种参数实时显示和FUZZY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。包括主、从两大系统：主

6、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。第一章 设计思路及要求1.1本设计的目的和意义本设计具有很强的实用性,用成本低廉的电阻式传感器以及电极配以单片机技术对生产实际中的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。可广泛应用于家庭生活对太阳能热水器的水位显示与水温控制。具有良好的市场前景。1.2设计要求和目的1、掌握太阳能热水器的工作原理及

7、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器的控制；5、太阳能热水器上水水位的设定和控制；6、编写控制流程图及单片机控制程序1.3本设计实现思路及方法水位由潜入储水容器不同深度的水位电极和潜入容器底部的公共电极（导线）检测；并由四个绿色LED发光二极管显示：若无水则绿灯不亮；若有四分之一储水箱的水亮一盏绿灯；通过观察绿灯点亮的数量可识别水位的高低，这里取5段显示，也可根据需要进行增减。水温由四个LED数码管显示，前三个数码管显示的为温度最后一个数码管我们只用到了四段码显示为温度的符号C，水温有效值最多可显示为99.9。第

8、二章 硬件设计2.1控制系统组成及工作原理系统组成 ： 如图2-1所示，本系统主要由控制器、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。图 2-1 系统组成示意图 图 2-1 系统组成示意图控制器：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电阻加热丝加热。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

9、要把水箱分成四等分，一共有五个电极，接地的电极放在最水箱的最底下，其余分别放在四等分点上，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。水温检测传感器：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。 太阳能热水器利用微机控制主要有以下几种控制功能：晨水加热控制、温水循环控制、冷水集热控制、水箱加热控制。（1）早晨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，热水器在清晨4-7点之间对水箱进行电加热，具体控制过程如下：首先，关闭冷水阀门F2和循

10、环水阀门F1，然后微机开始进行水箱的温度采集，同时进行温度的比较，当水箱的温度小于30摄氏度时，电热器D接通进行加热，同时微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温度的稳定。（2）循环水集热过程早晨水温控制之后（79点），设定当日的水箱温度N（由两位BCD次齿轮开关设定），输入微机，再利用微机控制系统，通过太阳光能对热水箱加热以达到理想温度N。具体控制过程如下：打开循环阀门F1，关闭冷水进水阀门F2，热水阀门F3处于空控状态。然后开始比较温度，若（T3-T1>5摄氏度，T2>T1）为止。如若T1=N，那么循环水集热过程结束，进入冷水

11、集热控制过程。（3）冷水集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，和当日的设定温度值相比较，若T3>N则将已加热的水送入热水箱，每天的控制时段大概为9点20点。具体控制过程如下：关闭循环水阀门F2，打开冷水阀门F2，热水阀门F3处于可控状态。若T3>N，打开热水阀门F3并将保持一段时间，若T3<N，关闭F3继续给太阳能集热器加热，知道温度答应N，当打开F3时此时比较水管水温T2与N的值，若T2>N阀门F3继续保持打开状态，否则关闭F3。可见，次过程充分利用太阳光能转化为热能，方便快捷。（4）水箱加热控制此时，也许你会问如果没有日照或者日照

12、较弱时，到了晚上我们是否还能洗上热水澡吗？答案是肯定的，不要忘了这款热水器还有一个从系统，这时它就要发挥作用了。热水箱温度为T1，将它和设定值N相比较，从而控制是否打开电加热，控制时段为下午，具体过程如下：若T1<N，电加热接通；否则，电加热断开，而且，15点20点中的每个小时有下表的关系：表一 温度比较时间（时） 温度比较 加热值（度）15 T1<35<N 3516 T1<40<N 4017 T1<45<N 4518 T1<50<N 5019 T1<55<N 5520 T1<60<N 60最终热水箱的温度加热到设定

13、值N。由此可见，即使没有日照我们照样可以洗上热水澡了。综上所述，太阳能供热控制系统不仅节约而且高度只能化，方便省事，不论日常家居，还是对宾馆、学校等都是最佳选择。控制装置的工作原理：本控制系统分为手动和自动两种控制方式，在系统处于自动状态下，当检测温度高于设置温度，且水位未达到最高时，控制器打开电磁水阀YV1和YV2进行上水，同时点亮上水指示灯，当水位上至上一目标水位时，自动停止上水（即关闭电磁水阀YV1和YV2），若水箱内无水，则自动上水至最低水位处。在系统处于手自动状态下，可自由上水或停止上水（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先设定加热温度，然

14、后按下加热键进行加热；若需洗浴时，则需打开手动阀YV4，系统自动打开电磁水阀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）。2.2主要原器件介绍2.2.1 AT89S51高性能8位单片机图2-2 AT89S51引脚图AT89S51是一个低功耗高性能CMOS 8位单片机，4k Bytes Flash只读程序存储器(ROM),512 Bytes 内部数据存储器(RAM),该微处理器采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，

15、兼容标准MCS-51指令系统，引脚兼容80C51和80C52芯片，片内的Flash存储器可以像常规程序存储器一样进行烧写，AT89S51片内总共有256字节的用户数据区，而128字节的内部扩展数据区需通过清SFR(8EH)的位1并用MOVX指令访问，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，另一个256BytesRAM区与ATMEL之AT89系列8052兼容的单片机是一致的，AT89C51结合通用的8位微处理器和Flash存储技术构成功能强大单片微处理器，可提供许多高性能低价位的系统控制应用场合。(1)、AT89S51主要特点：40个引脚，32kBytes的程序存储器，32个外部双向输入/

16、输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，内置时钟振荡器,其Flash存储器，可反复擦写1000次的Flash存储器可有效地降低开发成本。软件设置电 源省电模式，睡眠其间，定时/计数器，串行口和中断口均停止工作，RAM中的数据被“冻结”，直到下次被中断激活或硬件复位方可恢复工作。(2)、AT89S51主要功能特性兼容MCS51指令系统32k可反复擦写(>1000次）Flash ROM32个双向I/O口硬件看门狗WDT电路3个16位可编程定时/计数器时钟频率0-33MHz两个串行中断512×8bit内部RAM2个外部中断源内置时钟

17、振荡器中断激活睡眠模式3级加密位双重数据存储器软件设置睡眠和唤醒功能2.2.2数码管显示由单片机的定时器To做16位计数器（为便于数据处理，这里只用低8位计数值，即寄存器TL0中的值）。一边记录脉冲数量，一边以厘米为单位由四位数码飞管显示出来。四位数码管采用动态扫描方式显示。长度计量仪采用0.5英寸共阳极连接的LED数码管。LED数码管由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件。右图为LED数码管外形和引脚图，其中7只发光二极管分别对应a-g笔段，构成“日”字形，另一只发光二极管DP作为小数点，因此这种LED显示器称为八段数码管。（如图2-3所示）图2-3 LED数码管共阳极型LED数码管，是将

18、各段发光二极管的阳极连在一起，作为公共端com,应接高电平。ag、Dp各笔段中，某笔段接低电平时发光，高电平时不发光。为了节省单片机I/O口的数量，将各位数码管的ag对应笔画并联起来分别与单片机的P2.0P2.7引脚连接。显示时，由P2口依次输出各位数字的笔段码，并依次由P1.0、P1.1、P1.2、P1.3输出低电平位选信号接通数码管的公共端，轮流进行，循环不止，由于循环的频率较高（约50Hz），加上人眼的视觉暂留，既保障了各位数字的对应显示，又不会出现闪烁现象，实现动态扫描显示。本系统需显示水温，测量范围为099 ，用四个八位LED数码管显示。1）LED结构和显示原理。LED（Light

19、Emitting Diode）显示器是由发光二极管作为显示字段的显示器件，最常见的是由7段型发光二极管（ag7段）和1个圆点型发光二极管（常以dp表示，主要用来显示小数点）组成的LED显示器，其排列形状如下图所示。这种LED显示器也可称为7段数码显示器（或8段数码显示器）。LED显示中的发光二极管根据其连接的方法有共阴极和共阳极两种结构。共阴极结构：把各段发光二极管的阴极连接在一起构成公共阴极，如图a所示。使用时，公共阴极接地，根据要求需点亮发光二极管的阳极输入高电平，不需点亮的发光二极管的阳极输入低电平。共阳极结构：把各段发光二极管的阳极连接在一起构成公共阳极，如图b 所示。使用时，公共阳极

20、接+5V，根据要求需要点亮发光二极管的阴极输入低电平，不需点亮的发光二极管的阴极输入高电平。通过控制7个段的发光二极管的亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其他符号。2）字段码。为了显示各个数字或字符，就需要为LED提供相应的代码，因为这些代码是控制各段的亮或灭，供显示器显示字形的，所以称为字段码（也可以称为段选码或字形码）。七段发光二极管再加上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED显示器的字段码正好1个字节。各代码位的对应关系如下：D7D6D5D4D3D2D1D0DpGfedcba下图所示为共阴极LED所显示的不同字符的字段码，测量范围为099 0C，当温度超出范围时，显示器均显示F

21、。显示字符共阴极字段码03FH106H25BH34FH466H56DH67DH707H87FH96FHF71H3）N位LED显示器。在单片机应用系统中，实际使用的LED显示器有多个，N位LED显示器的显示要从两个方面来控制：其一是控制N位的字段显示（即显示什么字符）；其二是控制字位（即哪一位到哪一位亮）。由LED的显示原理可知，要使某N位LED显示器的某一位显示某个字符，就必须将此字符转换为对应的字段码来控制该位的8个段，同时，该位的字位线也要控制有效，这要通过一定接口来实现。LED显示器有两种显示方式，即静态显示方式和动态显示方式。N位LED显示器有N根字位选线（简称：“位选线”）和N*8根

22、字段选线（简称：“段选线”）。根据显示方式不同，位选线和段选线的连接方式也不同。各种字符的字段码的获取方法有两种：即软件译码和硬件译码法。目前通常所用的各种型号的单片机开发系统或实验装置普遍采用软件译码。当单片机应用系统中的LED显示器位数较多时，为了简化电路降低成本，本设计采用动态显示的方式。动态显示方式的接口电路的连接方法是：将所有LED位的段选线（a dp）同名并联，即所有a段并联，所有b段并联。依次类推，然后由一个8位I/O接口来控制各个段，而所有位的位选线则由另外一个相应的I/O接口线来控制。这样用两个8位I/O接口就能控制8位LED显示器。LED显示器是由电流型控制器件，其工作电流

23、为2mA20mA，使用时须加限流电阻。本设计中限流电阻选用1K。动态扫描显示控制方式就是逐个地循环点亮各位显示器，即在某一瞬间，只让某一位的位选线处于选通状态（共阳极的为高电平，共阴极的为低电平）其它各位的位选线处于段开状态，同时段选线上输出相应位要显示字符的字段码。这样在每一个瞬间，8位LED中只有选通的那一位LED显示出字符，而其它7位则是熄灭的。同样，在下一瞬间，只显示下1位LED。如此继续下去，等8位LED都显示完毕后，在循环进行。虽然这些字符是在不同的瞬时轮流点亮的，但由于人眼的视觉残留效应，看到的是8位稳定显示的字符，与静态显示的效果完全一样。所以为了简化电路、降低成本，此系统中采

24、用动态显示方式。2.2.3数字温度传感器DS18B20主要特性及测温原理一线式数字温度传感器DS18B20是DS1820的更新换代产品(由美国DA IIAS公司生产)。它具有体积小,分辨率高,转换快等优点。由于每片DS18B20 含有唯一的硅串行数, 所以在一条总线上可以挂接多达248 218×1014只DS18B20,再加上DS18B20 独特的单线总线结构,决定了DS18B20 特别适合于大型的多路温度实时测控系统的温度检测。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地利用了DS18B20 的独到特点,使系统得到了极大的简化。（1）DS18B20的特性1）独特

25、的单线接口方式。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。2）DS18B20支持组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的单线上,实现多点测温。3）DS18B20 的测温范围为: - 55+125,在-10+ 85时, 其精度为+ 015。4）DS18B20的测温结果的数字量位数从912位,可编程进行选择。数字化温度传感器DS1820测温范围为- 55+125 ，增量值为0.5 (9位温度读数)，它主要由4个数据部件部分组成：64位ROM;温度传感器;非易失性的温度告警触发器TH 和TL；高速便笺存储器64 位ROM用于存储序列号，

26、其首字节固定为28H，表示产品类型码，后6个字节是每个器件的编码，最后1个字节是CRC校验码。温度告警触发器TH和TL 存储用户通过软件写入的报警上下限值，高速便笺存储器由9个字节组成，其中有2个字节RAM单元用来存放温度值前1个字节为温度值的补码低8位，后1个字节为符号位和温度值的补码高3位。（2）DS18B20 测温原理DS18B20内部结构框图,如图2-4所示。图2-4 DS18B20内部结构框图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

27、到达某一设置高温时, 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。（3）DS18B20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

28、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检测。DS18B20传感器精度高、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：与用传统温度传感器组成的多点测温系统相比可节省大量电缆，而且系统得以简化，系统扩充维护十分方便。DS18B20 可以广泛用于工厂工业过程、大型粮仓、酿酒厂，食品加工厂的温度检测以及宾馆、仪器仪表室等处的温度检测和控制。2.2.4 ADC0832转换器ADC0832引脚图（图2-5）:ADC0832 是美国国家半导体

29、公司生产的一种8 位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。学习并使用ADC0832 可是使我们了解A/D转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。ADC0832 具有以下特点：1、8位分辨率；2、双通道A/D转换；3、输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；4、5V电源供电时输入电压在05V之间；5、工作频率为250KHZ，转换时间为32S；6、一般功耗仅为15mW；7、8P、14PDIP（双列直插）、PICC 多种封装；8、商用级芯片温宽为0°C to +70°C，工业级芯片温宽为40

30、76;C to +85°C；图2-5 ADC0832程序占用资源有累加器A，工作寄存器R7,通用寄存器B 和特殊寄存器CY。通道功能寄存器和转换值共用寄存器B。在使用转换子程序之前必须确定通道功能寄存器B 的值，其赋值语句为“MOV B,#data”（00H03H）。运行转换子程序后的转换数据值被放入B 中。子程序退出后即可以对B 中数据处理。2.2.5 继电器的工作原理和特性 当输入量(如电压、电流、温度等)达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器。可分为电气量(如电流、电压、频率、功率等)继电器及非电量(如温度、压力、速度等)继电器两大类。具有动作快、工作稳定、使用寿命长

31、、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。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。1、电磁继电器的工作原理和特性电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在

32、弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。2、热敏干簧继电器的工作原理和特性热敏干簧继电器是一种利用热敏磁性材料检测和控制温度的新型热敏开关。它由感温磁环、恒磁环、干簧管、导热安装片、塑料衬底及其他一些附件组成。热敏干簧继电器不用线圈励磁，而由恒磁环产生的磁力驱动开关动作。恒磁环能否向干簧管提供磁力是由感温磁环的温控特性决定的。3、固态继电器（SSR）的工作原理和特性固态

33、继电器是一种两个接线端为输入端，另两个接线端为输出端的四端器件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离。固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型。按开关型式可分为常开型和常闭型。按隔离型式可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型，以光电隔离型为最多。继电器主要产品技术参数1、额定工作电压是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。2、直流电阻是指继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。3、吸合电流是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过

34、额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。4、释放电流是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流。 5、触点切换电压和电流是指继电器允许加载的电压和电流。它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。2.2.6 电磁阀与晶闸管电磁阀从原理上分为三大类：1、直动式电磁阀：原理：通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。特点：在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm。

35、2、分布直动式电磁阀：原理：它是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口没有压差时，通电后，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。当入口与出口达到启动压差时，通电后，电磁力先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。特点： 在零压差或真空、高压时亦能可*动作，但功率较大，要求必须水平安装。3、先导式电磁阀：原理：通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭件周围形成上低下高的压差，流体压力推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速腔室

36、在关阀件周围形成下低上高的压差，流体压力推动关闭件向下移动，关闭阀门。特点：流体压力范围上限较高，可任意安装（需定制）但必须满足流体压差条件。2.电磁阀从阀结构和材料上的不同与原理上的区别，分为六个分支小类：直动膜片结构、分步重片结构、先导膜式结构、直动活塞结构、分步直动活塞结构、先导活塞结构。OP07低噪声单运放：OP07功能简介:Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的单运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为±2nA）和开环增益高（对于OP0

37、7A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。OP07特点：超低偏移： 150V最大 。低输入偏置电流： 1.8nA 。低失调电压漂移： 0.5V/ 。超稳定，时间： 2V/month最大高电源电压范围： ±3V至±22V晶振：为给单片机提供工作所需要的时钟信号，本设计中采用了6MHZ的晶振。故系统中CPU执行的每一个机器周期为2us。2.3 AT89S51单片机的最小系统 4. 4.7F 10K6M20pf+5V Vcc EA GNDAT89S51 RST XTAL1 XTAL220pf+5V

38、图2-6 AT89S51单片机最小系统所谓最小系统，即指使单片机能正常工作的所需的最少的电路，即应包含CPU及辅助电路、ROM、RAM及I/O端口等电路。由于AT89S51内部已经包含4KB的Flash Memory程序存储器，所以无需再扩展片外程序存储器。在AT89S51的基础上，加复位电路、时钟电路、EA引脚信号及电源即可。结合资料及所学过的内容，得到如图2-6所示的单片机最小系统。图2-6中，晶体振荡器的频率选6MHZ，复位电路采用上电复位，电路参数如图中所示，以满足系统复位时两个机器周期的高电平的要求。由于CPU的内部已含有程序存储器，所以EA引脚接高电平。2.4 AT89S51单片机

39、时钟电路该水位自动显示控制器采用AT89C51单片机，机内有一高增益反相放大器，构成自激振荡电路，振荡频率取6MHz,外接6MHz晶振，两个电容C1、C2取20pF，以便于起振荡的作用。图2-7时钟电路 下图中XTAL1为内部时钟工作电路的输入，XTAL2为来自反向振荡器的输出。2.5 AT89S51单片机复位电路该水位自动显示控制器采用上电复位电路，由R14、C3构成复位电路，在上电瞬间，产生一个脉冲，AT89S51将复位。为保证可靠复位，脉冲宽度应大于两个机器周期，这取决于R、C时间长数。取电容C=10uF，电阻R=10K。图2-8 复位电路2.6水位检测电路的硬件设计实验证明，纯净水几乎

40、是不导电的，但自然界存在的以及人们日常使用的水都会含有一定的Mg2+、Ca2+等离子，它们的存在使水导电。本控制装置就是利用水的导图2-9水位检测电路电性来完成的。我们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电极（导线）进行检测；由单片机依次使各水位电极呈现高电平，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，转换电位为高（1）；每检测一位便得到一位数据，5个电极检测一遍以后便得到了5个串行数据，然后把这5个数据转化为字节一路送发光二极管；在这里我们可以用发光二极管亮的盏数来显示水位的高低。（

41、若没有发光二极管亮则表示箱内没有水或者只有少量的水，若有一个发光二极管灯亮则表示箱内有四分之一箱的水，以此类推，若有四个发光二极管亮，则表示水箱水是满的。）当水位未达到a时，即h<a时、这时传感器的总阻值R为4R，对应，系统处于缺水状态。当ah<b时，传感器电阻阻值R为3R，对应，系统处于20%水位。当bh<c时，传感器电阻阻值R为2R，对应，系统处于50%水位。当ch<d时，传感器电阻阻值R为R，对应，系统处于80%水位。当h=d时，传感器电阻阻值R为0，对应，系统处于100%水位。其中，环形振荡器产生的方波周期T（或f）可通过单片机P87LPC744BN的两个定时/

42、计数器（T0、T1）来确定，T1用来计数，T0用来定时。2.7水温检测电路的硬件设计图2-10 水温检测电路本设计温度传感器选用AD590。AD590属于半导体集成电路温度传感器，测温范围-55- +150，在其二端加上一定的工作电压，其输出电流与温度变化成线性关系，1uA/°K，误差有几种等级:±1、±0.5、±0.3，本设计中选取±0.5品种。OP07为高精度运算放大器，AD590电流流经R1、RP1转换为电压信号，R2、RP2为运算负反馈电阻，成反相比例放大器，将温度信号转换成0-5V的电压信号，ADC0832再将其转换为数字信号，输入C

43、PU。图2-10为温度检测和A/D转换电路图 控制器的操作使用方式自然合理。S1用来切换操作状态。控制器有“直接控制”和“参数修改”两种工作状态。按S1键显示“00”，控制器进入“直接控制”状态，显示“01”、“02”、“03”、“04”分别表示“设定水位上限”、“设定定时上水时间”、“设定定时加热时间”、“设定加热温度”。进入“参数修改”状态后，S2、S3用来修改规定的参数，S1接受本次修改，并切换到下一个参数，S4取消本次修改。进入“直接控制”后，S2用来手动上水，S3用来手动加热，S4用来停止加热或上水;若水位已经超过设定水位上限，或水温已经超过设定温度，“直接控制”将不起作用。设定水位

44、上限：控制器可以监测6个水位，上限水位可以由用户设置，水位上限设置范围为位置3、4、5、6。设定定时上水时间：每天在规定时间检查水位，并上满。若设定时间为00或大于等于24，则取消自动定时上水。设定定时加热时间：每天在规定时间检查水温，若水温低于设定温度，则接通电加热器，将水温加热到设定温度。若设定时间为00或大于等于24，则取消自动定时加热。设定加热温度：定时加热温度也可以由用户设定，可设定范围为2060。2.8 键盘电路的硬件设计P1.0- P1.7口作为按键的信号输入端，键按下，就执行该键的功能。其电路如图3-11所示。（为了编程简单、方便，采用独立式键盘电路）当按钮按下后，电路与地接通

45、时，I/U口与地面相连为低电平。按钮没有按下时，电路不与地面相接，I/U口与电压高端相连为高电平。本设计中采用了共阴极接法，对于显示水温水位的程序作如下说明： 在动态扫描过程中，调用延时子程序Del1，其延迟时间为1ms，这是为了使扫描到哪位显示器稳定的点亮一段时间，犹如扫描过程中在每一位显示器上都一段驻留时间，以保证其显示亮度。 本设计接口电路是软件为主的接口电路，对显示数据以查表方法得到其字形代码，为此在程序中有字形代码Table,从0开始依次写入十六进制数的字形代码。为了进行查表操作，使用查表指令 MOVC A，A+DPTR，由DPTR提供16位基址，由A提供变址，因此显示数据送A后，再

46、由A送P0.1P0.6输出给显示器。2.9驱动电路的硬件设计在单片机控制系统中，需要用开关量去控制和驱动一些执行元件，如发光二极管、继电器、电磁阀、晶闸管等。但AT89S51单片机驱动能力有限，且高电平比低电平驱动低那六小。一般情况下，需要加驱动接口电路，且用低电平驱动。如图2-11所示图2-11 驱动电路2.10显示电路的硬件设计本设计采用共阳型数码管，8个LED灯如图2-12中接法，灯的负极依次接到数码管的a-f段，采用动态扫描电路，并把显示程序作为主程序。数码管的段用P0口控制，P2.0口、P2.3口作为数码管的位控制，P2.4作为指示灯的控制。图2-12 时钟显示系统输入信号有：6个液

47、位信号、1个温度信号、4个触摸键;输出信号有：4位LED数码管分时显示当前温度和液位，3个位输出控制继电器分别控制上水电磁阀、加热泵、增压泵，1个位输出控制蜂鸣器作为低水位报警信号和其他异常情况报警，2个位输出指示上水、加热状态。用户设定项目有水位上限、热水温度、上水定时、加热定时。设定参数用EEPROM保存，停电后参数无需重新设定。系统具有故障自检功能，电磁阀、加压泵在停水时会自动切断，水位传感器有故障时禁止上水，以免上水时溢出。液位传感器采用ATS173型霍尔元件，若干霍尔元件固定在一个垂直导槽上，浮子带动磁钢沿导槽移动，霍尔元件的输出经过一个电阻网络转换成不同的电压，经ADC通道送入MC

48、U。这样，仅用一个ADC通道可以实现多路数字信号的输入。温度传感器采用负温度(NTC)型通用热敏电阻，信号经另一路ADC输入MCU。保存设定参数的EEPROM采用HT93LC46，采用串行方式与MCU接口，整个控制器的硬件及对MCU的资源要求降到最低。MCU根据检测到的水位信号、水箱温度信号，以及用户的设定或操作，通过软件进行数值计算和逻辑运算，以确定当前应该进行的操作，并通过输出口控制进水阀、加压泵、加热泵的状态，以实现要求的控制功能。由于SN8P1706的I/O口驱动能力可高达15mA，采用高亮度的LED显示无须再使用驱动器件，可以由SN8P1706的I/O口直接驱动。第三章 软件设计3.

49、1软件设计原理及设计所用工具本次设计主要利用C语言编写程序，根据功能的需要进行编程，其中软件设计所用的软件主要是Keil uVision3软件，PROTEUS ISIS软件。热水器不论在什么样的天气里，都能够在设定的时间向用户提供设定温度的热水，从而给用户带来便利。当控制器在设定的时间使水温达到设定温度时，将通过声光报警提醒用户。根据这一要求，控制器软件设计采用模块化结构，包括主程序、键盘中断子程序、DS12887更新周期结束中断子程序、LED显示子程序和提前加热时间计算子程序等。系统主程序主要完成温度和水位的检测以及进行辅助加热时间预算和一些初始化功能。在主程序中采用了查表方法进行辅助加热提

50、前量预算。系统主程序流程图如图3-1所示。图3-1 系统程序流程图对于温度和时间设定， 每次设定结束后， 就将设定值存入DS12887 的非易失性RAM中，下次开机时进行读取。这样作至少有两个优点：一是系统在不进行设定时，就认定该设定值和先前一次一样，解决了每次开机总要从头设定的问题，另一个是若系统在运行中间停电而再次来电时，可以不用重新设定， 就能按原设定值对温度进行控制，增强了控制器适应外界变化的能力。对提前加热时间的计算，则是系统能否实现预定功能的重要一环。因为系统采用分段式水位检测，若采用能量守恒的方法对提前加热时间进行预算，也同样得不到精确的结果。为了避开繁琐的计算过程，本系统中采用

51、了模糊控制思想，使用了如下一些控制语句：IF 水位高AND 温度差大THEN 加热时间长IF 水位适中AND 温度差适中THEN 加热时间适中IF 水位低AND 温度差低THEN 加热时间少采用这种思想后，可以用实验方法获得各种情况下需要加热的时间， 编制成表格。使用时，只要查表获得提前加热时间就行了。显然，表格分得越细，控制就越准确。本控制器采用温差每等于5为一格，就能满足控制要求了。为了减小误差，试验表明，可以采用如图3-2的方法。 图3-2 水位监测处理示意图实验中，用水位达到B1时的结果代替水位达到A1时的结果，B2代替A2，B3 代替A3，B4代替A4。这样，CPU 读入的A1水位查

52、表后得到的预加热时间是实验中水位在B1 处的时间。经过这种处理，会把由于分段检测而产生的计算误差减小一半，由原来的h变成了h/2(h为分段水位检测间隙)。如果水箱水深为40cm，分8段检测，此种处理方法的计算将使水位误差由原来的5cm变成了2.5cm。这种误差对于民用的热水器来说，已完全能够满足要求了。3.2显示子程序分析表明，移位寄存器74LS164仅有串入并出作用没有译码功能。因此，在编写显示驱动程序之前，首先需要计算列写出与本电路对应的LED段选码 ，然后由89C52的P3.0口送入74LS164的串行输入端，再并行输出到LED 的段选端。需要指出的是，上面显示电路采用TOS28106B

53、HK型号的共阳极LED显示器，根据PCB印制线路板的连线方便，其LED的8个段选端与74LS164的并行输出口即8根段选线的连接没有遵照通常的规律，而是排列为7、6、4、2、1、9、10、5，相应的段选码也要重新计算，如显示字符0的段选码为11H。电路中设计了4位LED显示器，其功能为：左首位为百位数或标志位，左二位为十位数，左三位为个位数，左四位为小数点后的十分位数。据此，给出如图3-3所示的显示子程序框图。 图3-3 显示子程序框图第四章 系统功能4.1系统能实现的功能本系统通过单片机控制各个电路模块以实现对温度，水位的检测，以及对整个热水器的智能化控制。4.2系统功能测试设计前期通过KEIL软件和PROTEUS仿真软件的联调，对设计功能进行仿真，均达到了预期的设计效果，设计后期，硬件制作完毕后，将仿真成功后的程序通过单片机下载程序，写入单片机，再根据显示模块的各个端口连接方式，正确地将单片机跟显示模块连接，最后都实现了设计的功能。总 结本次课程设计是对所学知