大学毕业论文-—太阳能供热工程智能控制系统

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1、宁夏理工学院毕业设计毕业设计论文太阳能供热工程智能控制系统摘 要目前, 太阳能热水器技术上比较成熟，但热水控制器的功能还有可开发的潜力,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,但都不是全智能型的,给用户使用带来许多不便。太阳能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。本次设计对太阳能控制系统做出全面的了解，对其结构及原理了解详尽。对于水温与水位的检测和控制进行了重点介绍。本次设计有驱动电路能够防水管冻裂，还能够在必要时手动控制。系统设计包括硬件设计和软件设计两部分。该控制系统是以AT89C51单片机为基础，实现

2、了检测、控制与显示等功能。文中详细地描述了控制电路的设计过程，包括：键盘与LED显示电路、驱动电路、水温、水位控制电路等。对于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。关键词：单片机，太阳能热水器，水位检测，温控系统ABSTRACTAt present, Solar energy water heater technology more mature, but hot water controller function and its development potential，most of the

3、market in the sale of the controller only has the temperature and water level display, do not have the temperature of the water level control function. Although some of the controller is equipped with electric heating system, but not all of the intelligent type, and caused much inconvenience to user

4、s.Solar SCM control system is its water temperature and water level detection and control of the different. The design of the solar control system to make a full understanding of detailed understanding of its structure and principle. The water temperature and water level detection and control were h

5、ighlighted. The design of a drive circuit to water pipe cracking, but also manual control when necessary.System design including the hardware design and software design two parts. This control system based on AT89C51, realized the inspection, control and display, and other functions. This paper desc

6、ribes in detail the design process of the control circuit, including: the keyboard and LED display circuit, drive circuit, water temperature, water level control circuit, etc. The software design using modular structure, including the main program, keyboard interrupt subroutines, DS12887 update cycl

7、e ends interrupt subroutines, LED display subroutines and early heating time subroutines, etc. 朗读显示对应的拉丁字符的拼音字典Keywords：Microcontroller， solar water heaters，water level detection, temperature control system 目录 摘要ABSTRACT第一章 绪论11.1太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析11.2太阳能热水器的研究及意义21.3本课题研究的主要内容4第二章 太阳能控制系统52.1控制系统组成

8、52.2控制装置的工作原理9第三章 硬件设计103.1主要原器件介绍103.1.1AT89C51高性能8位单片机103.1.2数码管显示123.1.3数字温度传感器163.1.4 ADC0832转换器183.1.5 继电器193.1.6 电磁阀与晶闸管223.1.7 OP07低噪声单运放223.1.8晶振233.2水位检测电路的硬件设计233.3水温检测电路的硬件设计243.4 键盘电路的硬件设计253.5驱动电路的硬件设计273.6显示电路的硬件设计27第四章 软件设计304.1软件设计原理及设计所用工具304.2显示子程序32参考文献34结束语35致谢36附录37第一章 绪论 目前，中国已

9、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， 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

10、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。1.1太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析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

11、保产品。它使用简单、方便。太阳能热水器顺应时代发展的要求，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5。 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，这是世面上大部分热水器所不能比拟的。1.2太阳能热水器的研

12、究及意义众所周知，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。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，同时给人民提供少耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。太阳能热水器是以太阳能光热转换，利用温室效应和虹吸原理使水加热的装置，此装置

13、分为两个不同的概念：1.太阳能热水工程系统，这种系统由太阳能集热器、储水箱管线、补水箱组成不同形式的热水系统，包括自然循环式、定温放水式等等，可构成提供热水10吨到100吨的装置，大多提供集体单位使用。2.太阳能热水器是指将上述各种不见组装成一个小系统，提供家庭或需要产热水1吨以下的单位使用，此种装置算为太阳能热水器。太阳能热水器（或系统）均以其采光面积作为计量单位，一般1平方米光面积可产热水100升，采光面积每种型号不同，一般在1.52.0平方米。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

14、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的学术中心，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。 日本现在每年安装太阳能热水器近50万台，现在有20%的家庭安装了太阳能热水器，计划今后普及率达到25%，按照日本的“阳光计划”还将为公寓，办公楼安装6500套太阳能热水系统，为工厂安装1900套工业用太阳能热水系统。以色列的法令规定所有新建

15、筑物必须配备太阳能热水器，目前普及率已超过60%。英、法、德、意、希腊五国到2000年底推广热水器600万平方米，比1990年增长2倍多。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各国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%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。采用本热水器与电热水器、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年即收回投资，在

16、这以后提供的热水是免费的。设计可以参考以下的几个意见：1.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、热水管线预埋，以平均每套住宅建筑面积65平方计算，工程造价大约每平方米增加18-20元，2.设计工厂浴室时，可考虑采用太阳能热水系统，每平方采光面积产热水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。3.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，太阳能热水器的推广应用及经济效益据

17、不完全统计，迄今全国太阳能热水器累计安装使用总量已达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。1.3本课题研究的主要内容 本文对于影响太阳能控制系统等方面研究，主要内容是研究水位、水温方面以及时钟电路方面的研究。 目前太阳能热水器控制系统方面存在很多问题，如：不能准确的控制水温、水位，冬天防冻、防漏电等方面。本设计针对这些问题都提出了方案能很好的解决防冻防、防漏电。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

18、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，水温有效值最多可显示为99.9。第二章 太阳能控制系统2.1控制系统组成现在市场上的太阳能热水器的结构复杂多样，但总和看来，主要有三个部分：1.循环（保温）水箱；2.集热器；3.连接管道。而各个部分发挥了不同的作用：1.集热器： 系统中的集热元件。其功能相当于电热水器中的电热管。和电热水器、燃气热水器不同的是，太阳能集热器利 用的是太阳的辐射热量，故而加热时间只能在有太阳照射的白昼。 2.保温水箱： 和电热

19、水器的保温水箱一样，是储存热水的容器。 因为太阳能热水器只能白天工作，而人们一般在晚上才使用 热水，所以必须通过保温水箱把集热器在白天产出的热水储 存起来。容积是每天晚上用热水量的总和。采用同乐搪瓷内 胆承压保温水箱，保温效果好，耐腐蚀，水质清洁，使用寿 命可长达20年以上。 3.连接管道（循环水管）： 将热水从集热器输送到保温水箱、将冷水从保温 水箱输送到集热器的通道，使整套系统形成一个闭合的环路。 设计合理、连接正确的循环管道对太阳能系统是否能达到最 佳工作状态至关重要。热水管道必须做保温处理。管道必须 有很高的质量，保证有20年以上的使用寿命。图2.1为热水器的总体结构。图2.1热水器的

20、总体结构图以下是控制系统的内容系统组成 ： 如图2.2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2.2 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，主要把水箱分成四

21、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和循环水阀门F1，

22、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-T15摄氏度，T2T1）为止。如若T1=N，那么循环水集热过程结束，进入冷水集热控制过程。（3）冷水集热控

23、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T3N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，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

24、是否打开电加热，控制时段为下午，具体过程如下： 若T1N，电加热接通；否则，电加热断开，而且，15点20点中的每个小时有下表的关系：表2.1 温度比较 时间（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。2.2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

25、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

26、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）第三章 硬件设计3.1主要原器件介绍3.1.1AT89C51高性能8位单片机AT89C51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，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，AT89C51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，

27、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。AT89C51单片机最小系统是在AT89C51的基础上，加复位电路、时钟电路、EA引脚信号及电源即可。 复位电路：该水位自动显示控制器采用上电复位电路，由R1、C1构成复位电路，在上电瞬间，产生一个脉冲，AT89C51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。 时钟电路：该

28、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C2、C3取20pF，以便于起振荡的作用。 右图中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。 图3.1复位电路 图3.2 时钟电路最小系统：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。如图3.3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。 图3.3 AT89C51单片机最小系统3.1.2数码

29、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3.4所示） 图3.4LED数码管共阳极型LED数码管，是将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

30、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 0C，用四个八位LED数码管显示。1）LED结构和显示原理。LED（Light 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

31、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

32、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：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0dp g f e d c b a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。 表3.1字符对应字段码显示字符共阴极字段码03F

33、H106H25BH34FH466H56DH67DH707H87FH96FHF71H3）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根字段选线（简称：“段选线”）

34、。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，其工作电流为2mA20mA，使用时须加

35、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，此系统中采用动态显示方式。3.1.3数

36、字温度传感器数字温度传感器DS18B12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 2181014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）独特的单线接口方式。DS18

37、B20 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+ 0.15。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，其首字节固定为28H，

38、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3.4所示。图3.4 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。而当到达某一设置高温时

39、, 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，一般都采用单片机来实现数据

40、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。3.1.4 ADC0832转换器ADC0832引脚图（图3.5）:ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种8

41、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： 8位分辨率； 双通道A/D转换； 输入输出电平与TTL/CMOS相兼容； 5V电源供电时输入电压在05V之间； 工作频率为250KHZ，转换时间为32S； 一般功耗仅为15mW； 8P、14PDIP（双列直插）、PICC 多种封装； 商用级芯片温宽为0C to +70C，工业级芯片温宽为40C to +85C；图3.5 ADC0832程序:程序占用资源有

42、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。3.1.5 继电器 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

43、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

44、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

45、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。继电器的

46、电符号和触点形式 继电器线圈在电路中用一个长方框符号表示，如果继电器有两个线圈，就画两个并列的长方框。同时在长方框内或长方框旁标上继电器的文字符号“J”。继电器的触点有两种表示方法：一种是把它们直接画在长方框一侧，这种表示法较为直观。另一种是按照电路连接的需要，把各个触点分别画到各自的控制电路中，通常在同一继电器的触点与线圈旁分别标注上相同的文字符号，并将触点组编上号码，以示区别。继电器的触点有三种基本形式：1).动合型（H型）线圈不通电时两触点是断开的，通电后，两个触点就闭合。以合字的拼音字头“H”表示。2).动断型（D型）线圈不通电时两触点是闭合的，通电后两个触点就断开。用断字的拼音字头“

47、D”表示。3).转换型（Z型）这是触点组型。这种触点组共有三个触点，即中间是动触点，上下各一个静触点。线圈不通电时，动触点和其中一个静触点断开和另一个闭合，线圈通电后，动触点就移动，使原来断开的成闭合，原来闭合的成断开状态，达到转换的目的。这样的触点组称为转换触点。用“转”字的拼音字头“z”表示。继电器的选用1.先了解必要的条件控制电路的电源电压，能提供的最大电流；被控制电路中的电压和电流；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。2.查阅有关资料确定使用条件后，可查找相关资料，找出

48、需要的继电器的型号和规格号。若手头已有继电器，可依据资料核对是否可以利用。最后考虑尺寸是否合适。3.注意器具的容积。若是用于一般用电器，除考虑机箱容积外，小型继电器主要考虑电路板安装布局。对于小型电器，如玩具、遥控装置则应选用超小型继电器产品。 微电子技术和超大规模IC的飞速发展对继电器也提出了新的要求。第一是小型化和片状化。如IC封装的军用TO5(8.58.57.0mm)继电器，它具有很高的抗振性，可使设备更加可靠；第二是组合化和多功能化，能与IC兼容、可内置放大器，要求灵敏度提高到微瓦级；第三是全固体化。固体继电器灵敏度高，可防电磁干扰和射频干扰。 计算机技术的普及使得微机用继电器的需求量

49、显著增加，带微处理器的继电器将迅速发展。80年代初，美国生产的数字式时间继电器就可用指令对继电器进行控制，继电器与微处理器的组合发展，可形成一个小巧完善的控制系统。由计算机控制的工业机器人目前以每年3.5的速度增长，现在，计算机控制的生产体制已能在一条生产线上生产多种低成本的继电器，并可自动完成多种操作及测试工作。 光电子技术对于继电器技术将产生巨大的促进作用，为实现光计算机的可靠运行，目前已试制出双稳态继电器。 为了提高航空、航天继电器的可靠性，期望继电器失效率应由目前的0.1PPM降至0.01PPM；载人空间站则要求达到0.001PPM。耐温要达到200以上，耐振要求高于490m/s，同时

50、应能承受2.3210(4)C/Kg的射线辐射。为满足空间要求，必须加强可靠性研究，并建立专门的高可靠生产线。 在功率继电器领域尤其需要安全可靠的继电器，如高绝缘性继电器。日本Fujitsu TaKamisawa推出的JV系列功率继电器内含五个放大器，采用高绝缘性小截面设计，尺寸为17.5(W)10(D)12.5(H)mm。由于机芯和外缘之间采用强化绝缘系统，其绝缘性能达到5kV。日本NEC 推出的MR82系列功率继电器的功耗只有200mW。3.1.6 电磁阀与晶闸管电磁阀是控制元件，主要用来控制气缸。也有分析仪器或者别的喷枪用来直接控制气体。电磁阀分为气动、液压两种，工作方式都是一样的，只是介

51、质不一样。工作原理就是在一个阀体上开几个孔，然后用电磁感应控制阀杆的运动来控制堵哪个孔，或者让哪个孔出气。以此达到控制的目的。晶闸管可控的导电开关，与二极管相比，不同之处是正向导通首控制极电流控制。 3.1.7 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OP07A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

52、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 3.1.8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.3.2水位检测电路的硬件设计 图3.6水位检测电路实验证明，纯净水几乎是不导电的，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

53、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。（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ha时、这时传感器的总阻值为4R，对

54、应，系统处于缺水状态。当ahb时，传感器电阻阻值为3R，对应，系统处于20%水位。当bhc时，传感器电阻阻值为2R，对应，系统处于50%水位。当chd时，传感器电阻阻值为R，对应，系统处于80%水位。当h=d时，传感器电阻阻值为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/计数器（T0、T1）来确定，T1用来计数，T0用来定时。3.3水温检测电路的硬件设计图3.7 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

55、化成线性关系，1uA/，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R14、R19转换为温度信号，R11、R13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，输入单片机。图3.7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

56、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。设定水位上限：控制器可以监测4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1、2、3、4。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

57、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。3.4 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

58、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，再由A送P0.1P0.6输出给显示器。 图3.8键盘电路3.5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，且高电平比低电平小。一般情况下，需要加驱动接口电路，且用低电平驱动。如图所示图3.9 驱动电路3.6显示电

59、路的硬件设计 本设计采用共阳型数码管，8个LED灯如图3.10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3.10 时钟显示 系统输入信号有：6个液位信号、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， 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

60、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MCU。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，

61、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。 图3.11硬件总图第四章 软件设计4.1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。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前量预算。 系统主程序流程图如图4.1所示。图4.1 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D