太阳能热水器智能控制器硬件研发设计

1、太阳能热水器的智能控制器的硬件设计前 言一直以来，我国在利用非可再生能源的同时，也在努力寻找合适的可再生能源，用来替代或减少对不可 再生能源的使用，为以后的可持续发展创造好的条件。在可再生能源中太阳能是利用最早、最广泛的一 种，它自身具有清洁、环保、安全、无污染、取之不尽用之不竭的特点，怎样才能充分、高效的利用太 阳能呢？就目前来看，是利用太阳能热水器进行光热转换，给水加热，满足人们的日常用水需求，如：洗澡、洗 菜、洗衣服，还有平时的洗梳，拖地洗车等。为了进一步推进太阳能技术的应用，为国家节约能源，减 少环境污染，选择了该课题。我国的太阳能热水器行业，发展到现在，已经有十几个年头了，已由幼年成

2、长到了青年，正是飞速成长 的时期，现在每年大约有 20%- 30%勺新用户使用太阳能热水器，尤其在南方，太阳能热水器的普及率基 本达到了 40%在北方消费者也正在接受太阳能产品，目前普及率也基本达到了15%而在国外，该行业发展缓慢，现在国外的一些国家给予了该行业足够得重视，使它较以前步伐有所加快，总体来说普及 率仍然很低。目前我国多数太阳能热水器功能单一，操作不方便，控制起来不能达到理想效果，只有温度、水位的显 示功能，而对其控制的智能化水平不高。为了较好的处理这一问题，现对太阳能热水器的智能控制器进 行如下设计设计。本文的CPU为89C51单片机，用它来做为检测控制的核心，并采用美国达拉斯公

3、司生产的DS12887实时时钟芯片，不仅实现了水位、水温、时间三种参数的实时显示功能，而且还通过其他的一些芯片，辅助 与相关的软件程序实现了水温、水位、时间的设定。其中，数据采集系统，分别用水温、水位传感器采集连续变化的水温、水位模拟量信号，用ADC0809进行A/D转换，形成数字信号，送到 CPU 89C51中进行处理，实现水温、水位的显示。对于时间的显示， 采用美国达拉斯公司生产的 DS12887实时时钟芯片，利用它自身断电不易丢失数据，准确的时钟功能的 特点来实现。该智能控制器与同类产品相比具有很大的优势，很多同类的控制器只有进行简单的水温、水位等的显示 功能，不能智能控制；即使部分产品

4、具有控制功能，也只是单一功能的设定，尤其是具有水温智能控制 功能的产品更少。而本文设计的智能控制器不仅有水温、水位、时间的显示和设定功能，而且对于水温 的设定还可以综合考虑外界环境因素，进行智能化的控制，它是采用了模糊控制技术7，利用它可以用电辅助加热系统使储水箱内的水温在预定时间达到定的温度，从而达到一天24小时提供热水，使你一年四季天天都有热水用。从可行性方面分析，现在市场上的太阳能热水器的智能控制器，基本具备了所 有的功能，但具体到一款产品上，往往是功能单一，有的只有时间、水温的显示，有的只能显示水温、 水位，而控制这方面有的只能设定时间，有的只能设定水位，本课题研究的智能控制器是对以上

5、产品各 功能的集成，有由于当前市场上众多的功能模块，该实验方案的可行性很强，完全有把握完成该实验。一 太阳能热水器系统的总体结构太阳能热水器系统整体结构如图1-1 10。在真空管太阳能热水器的保温储水箱内增加一个与电热水器类似的电热元件，并固定在绝缘底座上，引出交流电源线入户，有辅助控制系统的继电器控制通断电。它安装在水箱的一侧，是一个热辅系统（如图1-2 ），它的作用是在连续阴雨或者寒冷季节时，给水箱内胆的水加热，使其达到用户的使用要求。水位、温度探测器从保温储水箱的另一侧放入水箱的内胆， 通过电缆线接入用户的智能控制器。电磁阀是系统上水的直接控制器件，它接受智能控制器的信号，实 现自动上水

6、，水满自止的功能。在上、下水管外加伴热带和保温材料，防止寒冷季节，管道的冻堵，影 响用户的使用。图1-1太阳能热水器系统整体结构图图1-2太阳能热水器热辅助系统结构图二智能控制器的硬件部分太阳能热水器的智能控制器设计实现主要有硬件和软件部分组成，本文主要针对控制器设计的硬件部分9。2.1硬件结构图硬件系统结构图如图2-1所示。该系统主要包括89C51单片机系统3，DS12887实时时钟芯片、储水箱水位温度检测接口、控制键及串行显示、硬件看门狗和复位接口电路及继电器输出接口电路等1。图2-1太阳能热水器智能控制器的系统结构图2.2控制器的总体工作过程介绍给太阳能热水器加装自动控制功能，是通过储水

7、箱水位、水温检测部分获得水位、水温信息，经A/D转换器送入89C51单片机，处理后发送给显示器，实现了水温、水位的显示，在通过相关软件完成对水温、 水位的设定4;采用DS12887实时时钟芯片为系统提供准确的基准时间，经CPU39C51处理后送显示器， 实现了时间的显示，同时发送信号给继电器、电磁阀，分别与设定的温度、设定的水位进行比较，决定 继电器、电磁阀是否工作。本系统还采用了一系列抗干扰技术使其工作更可靠。下面介绍一下89C51单片机的各引脚及其功能5:在89C51单片机内部有一个 CPU用来运算、控制，有 四个幷行I/O 口 ,分别是PO、P1、P2、P3,有ROM用来存放程序，有RA

8、M用来存放中间结果，此外还有定 时/计数器，串行I/O 口，中断系统，以及一个内部的时钟电路.对幷行I/O 口的读写只要将数据送入到相 应I/O 口的锁存器就可以了。在单片机中有一些独立的存储单是用来控制这些器件的，被称之为特殊功能寄存器（SFR。符号地址功能介绍备注：B FOH B寄存器；ACC E0H累加器；PSW D0H程序状态字；IP B8H中断优先顺序控制寄存器；P3 B0H P3 口锁存器；IE A8H中断允许控制寄存器；P2 A0H P2 口锁存器；SBUF 99H串行口锁存器；SCON 98H串行口控制寄存器；P1 90H P1 口锁存器 1 ；TH1 8DH计时器/计数器1

9、（高8位）；TH0 8CH计时器/计数器1 （低8位）；TL1 8BH计时器/计数器0 （高8位）；TL0 8AH计时器/计数器0 （低8位）；TMOD 89A计时器/计数器方式控制寄存器； TCON 88H计时器/计数器控制寄存器；DPH 83H数据地址指标（高 8位）；DPL 82H数据地址指标（低8位）；SP 81H堆栈指标；P0 80H P0 口锁存器；PCON 87H电源控制寄存器；下面,我们介绍一下几个常用的 SFRACC累加器，通常用A表示；B: 个寄存器；PSW 程序状态字 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 ； CY AC F0 RS1 RS0 OV P。下面我们

10、逐一介绍各位的用途CY进位标志.89C51中的运算器是一种8位的运算器；AC:半进位标志；F0:用户标志位；RS1、RS0工作寄存器组选择位；0V:溢出标志位；P:奇偶校验位；DPTR（ DPH DPL）:数据指标，可以用它来访问外部数据记忆体中的任一单，也可以作为通用寄存器来用；P0 P1、P2、P3:四个幷行输入/输出口的寄存器；SP堆栈指针；2.3各功能模块及实现过程进行介绍2.3.1 控制器的实时时钟功能模块实时时钟功能模块主要是完成24小时定时和实时显示功能。本系统中的实时时钟，选用美国达拉斯公司生产的DS12887实时时钟芯片，在硬件设计上，该芯片能为系统提供准确的基准时间，而且在

11、软件上 也能定时的读岀当前的时间，并与设定时间相比较以决定系统的工作情况，完全满足需求。该芯片的主 要特点是，断电情况下运行十年以上不丢失数据，计秒、分、时、日、月、年，并具有闰年补偿功能， 可用二进制数码或 BCD码表示时间、日历和报警，所以该芯片被广泛的勇于计算机、电力仪表、工控机 中，现就该芯片在这款智能控制器中的具体应用进行介绍。DS12887与89C51的接口电路图如图2-2所示。模式选择脚 MOT接地，选择INTEL时序。DS12887的高位地址用89C51的P2.4选择，DS12887的中 断输出端接上电阻同89C51中断线相连，为单片机提供中断信号，SQV端口编程为方波输出，其

12、输出的频率为2Hz,为了得到1Hz的秒输出，用74LS74进行二分频，驱动两个发光二级管做为数码管显示器 的秒闪烁显示。图2-2 单片机89C51与DS12887的接口图2.3.2水箱的水温检测接口该系统中水温检测是利用热敏电阻搭成电桥6，先经过集成运算放大器进行放大，再送入A/D转换器把该模拟量转换为数字量送入CPU89C5进行处理，从而完成温度的检测。所用热敏电阻为标称电阻为10K的负温度系数的热敏电阻。对于电桥的差压信号放大采用了性能稳定的集成运算放大器CF741。对于A/D转换器件，本系统采用了TLC0831芯片，该芯片是新型的串行 A/D转换器，只有一个输入通道，采用了 8位逐次逼近

13、的方式，其 REF端输入等于最大模拟信号输入值，可以得到满比例尺转换，获得最 高的转换分辨率。89C51通过RXD和TXD采用串行通信方式0,向串入并出74LS164发送显示代码，从 而实现时间和温度的显示功能。本设计可选选用具有负温度系数的热敏电阻来测水温12，热敏电阻与普通电阻不同，它具有负的温度特性，当温度升高时，电阻值减小，为了感知温度。热式负温度系数热敏 电阻，它的技术特性如表 2-1。表2- 1热式负温度系数热敏电阻技术特性型号标称电阻（）材料常数（）温度系数（）使用温度范围MF5115K± 5%3300± 5%|3.7-55°C +300C5 20K

14、36004.0120 80K39004.3180100K43004.7它能满足本设计的测量灵敏度要求和2%的测量精度要求，性价比较高。水温测量原理图如图2-3所示图2-3水温测量原理图与水位传感器一样，在设定好合适的参数（R1、R2、Rs、0后，对应每个热敏电阻阻值，环形振荡器便能产生一个特定周期的矩形波。(2- 1)T可通过单片机的T0外部计数和T1内部定时的方式确定。(2-2)然后通过下列公式求温度:(2 - 3)其中 被测温度 与热敏电阻特性有关的参数 与热敏电阻特性有关的系数 热敏电阻阻值以上计算均可由软件编程实现，把计算出的温度转化成BCD码，然后再存放于显示缓冲区中，执行相应的功能

15、程序。1.CF741 特性CF741是单片高性能内补偿运算放大器 13。具有较宽的共模电压范围，在使用中不会出现闩锁现象。 可用作积分器、求和放大器及普通反馈放大器。不需外部频率补偿；具有短路保护；失调电压调到零的能力；较宽的共模和差模电压范围；功耗低；无 阻塞现象。该器件有两种工作温度范围如下：CF741MCF741C2. 引脚功能说明IN +IN -0A1、OA2OUTV+V-3. 极限参数电源电压CF741M-55C125C0C70C同向输入；反向输入;调零；输出；正电源；±22V负电源。CF741C±18V差模输入电压±30V共模输入电压±15V

16、工作温度范围CF741M-55C125CCF741C0°C70C贮存温度范围-65C150C2.3.3储水箱水位的检测接口本系统中水位检测的实现，是在水箱中用四个探针取 4段水位8，来检测水的位置。工作原理是利用水的导电作用，当某一探针接触水时，会使某“非”门输入为低电平，输出变为高电平，使与之相对应的LED被点亮，例如：探针从低到高位置依次为 1、2、3、4,分别对应LED1 LED2 LED3 LED4,当水位 到达探头1时，其输入低电平，输出高电平， LED1被点亮，显示水位为一格，当达到探头 2时，LED2被点亮，显示水位为二格，依次类推，可显示整个水箱的储水位置。接下来，将

17、水位信息传给CPU89C51,采用的是20引脚的三态八缓冲器 74LS244,当水位读入 CPU后，则完成了对水位的检测和显示。2.3.4控制键及串行显示部分该智能控制器的显示部分主要用于显示设定温度、时间和水位，以及漏电保护位。单片机采用了8位动态显示电路，8个LED数码管采用共阴极连接，本系统采用 82C55的PA口输出显示字符的断码，PB 口 选择要显示的位码。并用两个 74LS164来实现8个LED数码管的段驱动和位驱动。对于键盘输入部分，则选用了82C55的PC 口来连接4按键，分别控制温度和时间的增减，这4按键分别用于选择设定参考数类型的“预置增”、“预置减”键，每按一次预置键则相

18、应的变化一个单位。单 片机是通过82C55的PC 口读取按键状态的，采用软件延时去除抖动，获得准确的键值；每一个键接一 根输入线，各键的工作状态互不影响。2.3.5看门狗及复位接口电路部分控制器的看门狗电路采用了监控集成电路MAX705作为基本元件组成，用P1.7作为它的定时脉冲发生端，当P1.7 口线超过1.6S不对MAX705发生脉冲，此时系统将自己复位。下面对MAX705模块进行一下介绍。1. MAX705的特性MAX705是一组CMOS监控电路，能够监控电源电压、电池故障和微处理器（MPU或卩P）或微控制器（MCU或C）的工作状态。将常用的多项功能集成到一片8脚封装的小芯片内，与采用分

19、立元件或单一功能芯片组合的电路相比，大大减小了系统电路的复杂性和元器件的数量，显著提高了系统可靠性和精确度， 是MAXIM公司的价格低廉的微处理器监控芯片。MAX705有SO-8、DIP-8、卩MAX三种封装形式，其引脚具体功能如下：MR :手动复位输入，输入低于 0.8V时即产生复位信号。CC V : +5V电源输入GND 地PFI :电源故障电压监控输入，低于1.25V时，PFO输出低电平PFO :电源故障输出。WDI:监视跟踪定时器输入。若 WDI保持高电平或低电平1.6s，WD蹴输出低电平。有三种情况可使内部监视跟踪定时器清零：发生复位、WDI处于三态及 WDI检测到一个上升沿或下降沿

20、。RESET :复位输出。WDO监视跟踪定时器输出。当内部监视跟踪定时器完成1.6s计数后，WDO输出低电位直到定时器被清零。CC V低于复位门限电压时，WDO也保持低电平直到 CC V上升到复位门限电压以上。2. MAX705具有的功能系统上电、掉电以及供电电压降低时，产生复位输出，复位脉冲宽度的典型值为200ms低电平有效；看门狗（Watchdog）电路输出，如果在1.6s内没有触发该电路，则输出一个低电平信号；1.25V门限值检测器，可用于电源故障或其他外电源的监控；手动复位输入，低电平有效。3. MAX705的应用MAX705的功能是：上电复位；程序监视。89C51正常工作时，不断从

21、P1.6输出脉冲信号至 MAX705的WDI脚，当单片机程序“跑飞”后，P1.6不再输出脉冲信号，MAX705的WDI脚在1.6s内收不到脉冲信号，将产生复位信号。MAX705的复位脉冲输出有正脉冲和负脉冲两种方式，这里复位脉冲为负脉冲时，需要外接反相器74LS04后再连接到单片机的复位端。这时，MAX705的RESET脚变为低电平，触发单片机高优先级外部中断 0,中断程序将清除中断激活标志，并迫使程序复位到入口处，使单片机复位。 使用看门狗可增加抗干扰能力。单片机即使受到干扰出现死机现象，通过MAX705也可使其恢复工作。WDI为看门狗输入端，该端的作用是启动Watchdog定时器开始计数。

22、在 RESET有效或 WDI输入为高阻态，则Watchdog定时器被清零且不计数。当复位信号RESET变为高电平，且 WDI发生电平变化（即发生上升或下降沿变化），定时器开始计数。若WDI悬空，则 Watchdog不起作用。当Watchdog 一旦被驱动之后，若在 1.6s内不再重新触发 WDI,或WDI也不呈高阻态，也不发生复位 信号时，则会使定时器发生计数溢出，WD（变为低电平。通常 Watchdog可使CPU摆脱死循环的困境，因为陷入死循环后不可能再发 WDI的触发脉冲了，最多经过 1.6s后，发出 WDC信号。在本系统中，将 WD（和MR相连，则通过 Watchdog可以产生一个复位脉

23、冲。 该脉冲可使 WDO恢复成高电平，Watchdog定 时器被清零。在正常情况下，P1.6引脚不超过1.6s就向WDI端发出“喂狗”信号，程序陷入死循环后，“喂狗”信号无法发出，死循环运行时间超过1.6s时，MAX705的看门狗输出WDC将变低并触发MR复位信号从RESET端输出。当WDOM氐电平的条件是在 CCV高于复位门限的情况下，采取手动复位，MR有一低脉冲，发出复位信 号，在复位信号的前沿，WDO为高电平，但 Watchdog被清零，且不计数；若WDI电平发生变化，Watchdog被清零，且开始计数，同时WDO为高电平。若使WDI悬空，Watchdog 失效，WDO用作低压标志输出。

24、当 CC V降至复位门限以下时， WDOM氐电平，表示电压已降低。使用MAX705后，系统拥有硬件定时复位功能，相对于软件定时复位抗干扰能力更强；可以不需任何外 围器件自动进行可靠的上电复位，并且对软件运行状况和外界电源状况进行监视；实现程序失控后按自 己设想的程序恢复执行，提高了系统的抗干扰能力，保证了系统的安全性和数据可靠性。2.3.6继电器输出接口电路部分现对继电器输出接口部分的工作过程做一介绍：继电器是通过CPU89C51的P1.6 口线来控制的，当 CPU向P1.6 口线发清零信号时，P1.6经反相器后变高电平；进入与门，此时与门的另一输入端接的是水位 检测的最低位和次低位，非门的输

25、出端接或门的输出端，从而把水位检测信号引到这，来控制硬件实现 辅助加热11，防干烧；当与门的另一输入端为高时，则与门输出高电平，经反相器后输出为低，光耦 发光管发光，继电器动作，开始辅助加热。本系统继电器的输出部分采用了继电器J1的常开触电作为接通电辅助加热器的开关。2.3.7电磁阀部分电磁阀的主要作用就是接收 CPU 89C51发送的信号，控制是否上水，当89C51单片机获得实时水位后，会通过软件与设定值相比较，然后由89C51单片机发出指令，电磁阀执行相应的指令；当水位达到设定值时，同样由CPU发出指令停止上水。电磁阀是靠线圈充放电引起阀门的关闭和开启。有永久磁铁参与的，是靠抵消磁性来实现

26、；没有永久磁 铁的，靠线圈产生的磁性发生作用。产生磁性的强弱与阀门的功率有关系，控制线圈的电流即可。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现以先导式电磁阀为例进行介绍：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。三 智能控制器的软件设计本系统软件部分主要

27、由主程序、键盘子程序、显示程序等组成；它们的主要功能是完成对硬件 的控制，时间、水位和温度的显示以及对采样信号、键盘指令的处理。通过软件将温度、时间和水位每 次的设定值存入 DS12887的非易失性RAM中，下次开机时，进行读取。这样，系统在不进行设定时，就 认为设定值与前一次设定值一样，为用户解决了每次开机总要重新设定的问题；若系统在运行过程中停 电，再次来电后不用重新设定，就能按原设定值对温度、水位等进行控制，增强了微控制器适应外部变 化的能力。主程序流程图 3-1。图3-1主流程图四 电路抗干扰技术本系统主要应用于现场控制器，易受到外界环境的干扰，因此应用以下方法来减少干扰，分为两部分：

28、硬件抗干扰技术2和软件抗干扰部分。4.1硬件抗干扰设计包括在设计印刷板时，应注意以下几点：4.1.1地线以降低导线电阻，地线宽度应在25mm以上；4.1.2线构成闭环路，降低线路阻抗，从而减少干扰；4.1.3在电源线与地线之间、集成芯片的电源线与地线之间并接去耦电容，安装电容时，务必尽量接近电容的引线；4.1.4电源线除了尽量加粗外，还应使电源线、地线的走向与数据信息传递方向一致；4.1.5用稳压模块来保证供电的稳定性，防止电源系统的过压和欠压；4.1.6采用低通滤波器，用它来滤去高次谐波以改善电源的波形，采用小电感大电容构成的滤波网络；4.1.7意要使数字地和模拟地分开，分别与电源端地线相连

29、。4.2软件抗干扰设计4.2.1 采用硬件“看门狗”电路与软件“看门狗”技术相结合，当系统陷入“死循环”时，可强迫程 序返回到单片机复位入口，使系统运行纳入正规；4.2.2 未使用的中断区、RAM区、用户程序各模块之间空余的单元安排了软件陷阱，及时捕捉乱飞的 程序，并将其引入复位入口地址；4.2.3 重要的指令采取指令冗余，对重要的数据采取数据冗余。五 结 论本文对太阳能热水器的智能控制器硬件设计作了介绍，该控制器与其他同类产品相比，具有控制精度高、性价比高、可靠性好、易于控制、操作简单、成本较低、节省能源的特点。另外，太阳能热水器产品本 身就具有节能、环保、安全、无污染、清洁等优点，并且取之不尽用之不竭，国家现在大力提倡节能创 效，太阳能热水器产品必将有良好的市场，随着太阳能热水器的普及，其智能控制器也将得到广阔的市 场，带来可观的经济效益和社会效益。本文所设计的太阳能智能控制器虽说在功能、抗干扰方面作了大量改进，但也存在一些缺陷，比如在具 体使用上其寿命不够长，由于外界环境的影响加上人们使用的不规范都加快了产品的老化，使其寿命大 为减少，其性价比很低，人们往往用整个太阳能十分之一的钱来购买智能控制器，往往是一年左右就会 坏掉，影响了客户的正常使用，所以还应对它进一步的完善，想办法延长它的使用寿