单片机在太阳能中央热水系统中的应用

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1、III单片机在太阳能中央热水系统中的应用摘 要太阳能热水器以其诸多的优点受到人们的欢迎。本文结合实际太阳能热水器的具体应用，在介绍太阳能、传感器、单片机的特点基础上，详细描述了太阳能热水器的工作原理和设计方案。这里根据太阳能热水器对控制器的要求与特点，提出了一种基于AT89S52的太阳能热水器智能控制器的设计方法，给出了系统硬件设计及软件实现方法。全文分三大部分。第一部分包括第一章，描述太阳能的利用和前景发展状况。第二部分包括第二章，设计思路及要求。第三部分包括第三、四章硬件设计及电路原理和软件设计，分别介绍了传感器的特点及应用、一般的太阳能热水器及循环系统、单片机发展和原理，这也是此款太阳能

2、热水器的理论基础和必要前提。通过使用单片机为核心的控制电路，可以减少原有控制电路的体积，并且能大大降低了太阳能热水器控制电路的生产成本，使用起来也很简单。关键词：太阳能热水器，传感器，单片机Microcomputer in the Application of Solar Central Hot Water SystemABSTRACTSolar Water Heater is popular with its pretty benefit, Based on authors real experience on Solar Water Heater design, this article

3、describes the working theory of this solar water hearer after introducing the characters of solar, sensor, microcontroller. According to the request and characteristic of solar water heater for the controller. Providing a design of Intelligent Controller for Solar Water heater based on AT89S52. Sum

4、up a design way of the systems hardware and software.This article is divided into 3 parts. Part one is Chapter 1, including the use and perspective of solar energy. Part Two, including Chapter 2, design ideas and requirements. Part three, including Chapter 3,Chapter 4: the design of hardware and sof

5、tware、the theory of the circuit. Separately introducing the characters and use of transducer, common solar water heater and cycle system, the development and theory of microcontroller, which are the basic theory and necessary precondition. By using singlechip control circuit, can reduce the volume o

6、f the original control circuit, and can greatly reduce the solar energy water heater control circuit of the production cost, use rise also horizontal simple.KEY WORDS: solar water heater, sensor, microcontroller目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 太阳能集热系统的发展与现状11.2 太阳能热水器的应用及意义11.3 小结32 设计思路及要求42.1 本设计的目的和意义42

7、.2 控制系统设计要求42.3 本设计实现思路及方法42.4 小结53 硬件设计方案63.1 电路总体结构及原理63.2 主要元器件介绍63.2.1 单片机芯片AT89S5263.2.2 数码管93.2.3 数字温度传感器DS18B20主要特性及测温原理123.2.4 继电器（relay）的工作原理和特性163.2.5 电磁阀173.2.6 晶振183.3 AT89S52单片机的最小系统183.4 水位检测电路的设计193.4.1 水位传感器的选用193.4.2 水位检测原理193.5 水温显示电路203.5.1 DS18B20传感器采集电路213.5.2 LED显示电路213.6 蜂鸣器报警

8、电路223.7 小结224 软件设计方案234.1 主程序设计234.2 子程序244.3 小结245 总结26致 谢27参考文献28附录 系统原理图29附录 系统程序3037单片机在太阳能中央热水系统中的应用1 绪论1.1 太阳能集热系统的发展与现状在全球能源形势紧张、气候变暖严重威胁经济发展和人们生活健康的今天，世界各国都在寻求新的能源替代战略，以求得可持续发展和在日后的发展中获取优势地位。太阳能以其清洁、源源不断、安全等显著优势，成为关注重点。在太阳能产业的发展中，太阳能热水器的热利用转换技术无疑是最为成熟的。在建筑物的运行能耗中，生活热水和采暖占了能源消耗的很大比重。随着经济水平和生活

9、水平的提高，人们对热水的需求越来越大。热水不仅用于沐浴，还要洗涮、温水冲车等。家庭热水中心的拥有者得到的不仅是舒适的享受，也体现了一种健康的绿色文明。许多工业化国家，太阳能热水器已列为与建筑配套的卫生设备的一部分。例如在以色列，凡是新建的私人住宅必须配备太阳能热水器。我国有13亿人口，3.5亿个家庭，若每日每户供应60C热水100升，全年需6643亿度电，几乎用掉全国年发电量的一半，电费约为4000亿元，费用极大。由于市场需求，太阳能热水器是光热利用最成功的领域。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

10、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。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。太阳能热水器顺呼时代发展的要求

11、，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。1.2 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

12、大规模的使用1。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。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，此装置分为两个不同的概念：（a）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。（b）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

13、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

14、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。有专家预计到2015年，仅全国住

15、宅用太阳热水器将达到2.32亿平方米的拥有量，普及率将达到20-30%，太阳能热水器行业前景和“钱”景都被双重看好。据中国五金制品协会统计，目前中国城市家庭中，57.4%拥有燃气热水器，31.3%拥有电热水器，拥有太阳能热水器的只有7.6%，但在城市家庭的购买预期调查中，三者的比例将演变为35.8%、30.2%、23.2%，太阳能热水器的比例将大幅度增长，开始成为燃气、电热产品的重要竞争对手。同时，太阳热水器以其环保、经济和能源可再生性越来越受到城区和边远地区的青睐，太阳能将迎来高速发展的黄金时期。仲继寿认为，相对于城市来说，农村太阳能市场基本是从零开始，目前存在90%以上的市场空白，太阳能在

16、农村潜在空间巨大。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：（a）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，（b）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

17、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。（c）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 小结本章通过调研了解太阳能热水系统国内、国外应用现状，以及国内外在太阳能热水系统在控制技术方面的应用情况。通过分析研究得出：太阳能热

18、水系统的发展前景广阔，在未来几年甚至几十年中，它的应用潜力都是无法估量的，但制约其应用推广的主要原因是太阳能热水系统的开发，也即产品的技术应用程度，这也是本文的主要议题所在-单片机技术实现太阳能热水系统的应用。2 设计思路及要求2.1 本设计的目的和意义在太阳能的热利用中，用于产生热水的太阳能集热器应用广泛，它充分利用了自然能源太阳能，节省大量能源，这对于当今资源紧张的时代，具有重要意义。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

19、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。研究太阳能中央热水系统的热辅功能，即太阳能集热器与储水水箱的热交换、电辅助加热的单片机控制系统。通过单片机控制实现集热系统智能化，通过数字滤波提高了系统各项指标和可靠性。2.2 控制系统设计要求（a）能够根据水位控制是否需要进水。（b）具有水温和水位显示功能；（c）具有无给水报警指示；（d）定时给水2.3 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4段显

20、示，也可根据需要进行增减。水温显示由2个LED数码管显示，水温有效值最多可显示为99。蜂鸣器报警电路是为了在无给水时报警以提示现在系统需要自动给水。这里选用的蜂鸣器是无源蜂鸣器，其驱动频率是2khz，驱动电压靠7404非门提供。温度传感器有不同的类型，用好的温度传感器，会起到事半功倍的效果，所以下面两个方案主要是比较所选的温度传感器。（a）方案一，测温电路热敏电阻是温度传感器的一种，它有仿陶瓷半导体组成。热敏电阻（NTC）不同于普通的电阻，他具有负的电阻温度特性，即当温度升高时，其电阻值减小。热敏电阻的阻值温度特性曲线是一条指数曲线，非线性较大，因此在使用时要进行线性化处理。线性化处理虽然能够

21、改善热敏电阻的特性曲线，但是比较复杂。为此，在要求不高的一般应用中，常做出在一定温度范围内温度与阻值成线性关系的假定，以简化计算。使用热敏电阻是为了感知温度，给热敏电阻通以恒定的电流，电阻两端就可测到一个电压，然后通过下面的公式可求得温度： （2-1）T为被测温度：T0为与热敏电阻特性有关的温度参数：K为与热敏电阻特性有关的系数；VT为热敏电阻两端的电压。根据这一公式，如果能测得热敏电阻两端的电压，再知道参数T0和K,则可以计算出热敏电阻的环境温度，也就是被测的温度，这样就把电阻随温度的变化转为电压随温度的变化。这种设计还需要用到A/D转换电路，而且在测量的过程中，由于环境的影响会带来较大的误

22、差。（b）方案二，采用温度传感器DS18B20，它是美国Dallas半导体公司生产的数字化温度传感器，它支持“一线总线”接口的温度 传感器，全部传感元件及转化电路集成在形如一只三极管的集成电路内。我们可以采用DS18B20采集温度，再进行温度数值化，再在显示电路上显示。外围电路简单，只需通过DS18B20进行接收温度，一个显示电路，软件部分只需要采集温度，对温度进行转化，再用显示电路将其显示出来。很明显，环境对DS18B20影响不会很大，同时DS18B20的测量精度稳定并可用软件设置、接线简单，大大的为单片机节省数据口。（c）方案比较，本设计的主要是从温度传感器的选择考虑。传统的测温元件有热敏

23、点偶和热电阻，而他们测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要比较多的外部硬件支持，电路及软件调试复杂，制作难度高。从以上的两种方案中，很容易看出采用方案二所设计的电路比较简单，采用一种智能温度传感器DS18B20作为检测元器件，测温范围-55125，分辨率最大可达0.0625。DS18B20可以直接读出被测温度值。采用3线制与单片机相连，减少了外部硬件成本，具有低成本和易使用的特点。2.4 小结明确了本设计的目的和意义以及设计要求，确定了设计思路。3 硬件设计方案3.1 电路总体结构及原理电路总体结构图如图3-1所示。其中AT89S52单片机芯片为主控芯片，通过继电器输出。图3-1 电路总

24、体结构图3.2 主要元器件介绍3.2.1 单片机芯片AT89S52AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在线系统可编程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Fl ash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在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。AT89S52芯片具有如下特点：40个引脚，8KB Flash片内程序存储器，256B的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个

25、中断优先级2层中断嵌套中断，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器2。此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。主要功能特性如表3-1所示。表3-1 AT89S52芯片主要性能兼容MCS-51指令系统8k可反复擦写(1000次）ISP Flash ROM32个双向I/O口4.5-5.5V工作电压3个16位可编程定时/计数器时钟频率0-33MHz全双工UART串

26、行中断口线256x8bit内部RAM2个外部中断源低功耗空闲和省电模式中断唤醒省电模式3级加密位看门狗（WDT）电路软件设置空闲和省电功能灵活的ISP字节和分页编程双数据寄存器指针其引脚结构图如图3-2所示。图3-2 AT89S52P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻 辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下， P0不具有内部上拉电阻。 在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验 时，需要外部上拉电阻。P1 口：P1

27、口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p1 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2 的触发输入（P1.1/T2EX）。 在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。 引脚号第二功能： P1.0 T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出 P1.1 T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制） P1.5 MO

28、SI（在系统编程用） P1.6 MISO（在系统编程用） P1.7 SCK（在系统编程用）P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR） 时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用 8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。

29、在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号3。P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的8 位双向I/O 口，p3 输出缓冲器能驱动4 个 TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入 口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。 P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。 在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。 端口引脚 第二功能： P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD(串行输出口) P3.2 INTO(外中断0) P3.3 INT1(外中断1)

30、 P3.4 TO(定时/计数器0) P3.5 T1(定时/计数器1) P3.6 WR(外部数据存储器写选通) P3.7 RD(外部数据存储器读选通) 此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。 RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。ALE/：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间，该引脚还用

31、于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。 ：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。 /VPP：外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如

32、果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。 XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。3.2.2 数码管由单片机的定时器To做计数器。一边记录脉冲数量，一边由2位数码管显示出来。2位数码管采用动态扫描方式显示。本设计采用共阴极连接的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。图3-3为LED数码管外形及其内部结构，其中7只发光二极管分别对

33、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4。图3-3 LED数码管外形及其内部结构（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）5。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。使用时，公共阴极

34、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。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

35、如下表3-2：表3-2 各代码位的对应关系D7D6D5D4D3D2D1D0dpgfedcba表3-3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。表3-3 显示7段码表显示字符共阴极字段码03FH106H25BH34FH466H56DH67DH707H87FH96FH（3）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，

36、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”）。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

37、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，使用时须加限流电阻。本设计中限流电阻选用820。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

38、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。3.2.3 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 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

39、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（a）独特的单线接口方式。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。（b）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。（c）DS18B20 的测温范围为: - 55+125,在-10+ 85时, 其精度为+ 015。（d）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

40、，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，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内部结构DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和

41、TL、配置寄存器。DS18B20的管脚排列如图3-4所示。图3-4 DS18B20的管脚排列图DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。64位光刻ROM:光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该DS18B20的地址序列码,即ID。它的作用是使每一个DS18B20的地址都不同，可以实现在相同的总线上挂多个DS18B20的目的。64位光刻ROM的排列是：开始8位（28H）是产品类型标号，接着的48位是该DS18B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码（CRC=X8+X5+X4+1）6。温度传感器：DS18

42、B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625/LSB形式表达，其中S为符号位。二进制的数据存储在DS18B20的2个8位的RAM中，如表3-4 DS18B20温度值格式表所示。表3-4 DS18B20温度值格式表这是12位转化后得到的12位数据，存储在DS18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。温度报警触发器TH和TL：DS18B20温

43、度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的RAM,后者存放高温度和低温度触发器TH、TL和结构寄存器。当温度到达低温或高温的时候，温度报警触发器会发出报警7。高速暂存RAM:暂存存储器包含了8个连续字节，前两个字节是测得的温度信息，第一个字节的内容是温度的低八位，第二个字节是温度的高八位。第三个和第四个字节是TH、TL的易失性拷贝，第五个字节是结构寄存器的易失性拷贝，这三个字节的内容在每一次上电复位时被刷新。第六、七、八个字节用于内部计算，第八个字节是冗余检验字节。第九个字节是冗余检验字节8。DS18B20的设置位有一个字节，该字节各位的意义如下：TM R1 R0 1

44、 1 1 1 1。低五位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动,R1和R0用来设置分辨率，如表3-5分辨率设置表所示。表3-5 分辨率设置表R1R0分辨率温度最大转换时间009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750ms根据DS18B20的通讯协议，主机控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：每一次读写之前都要对DS18B20进行复位，即将总线下拉500us,然后释放，然后释放，DS18B20收到信号后等待1660微秒左右，后发出60240微秒的存在低脉冲，主

45、CPU收到此信号表示复位成功；复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。ROM、RAM指令集如表3-6、表3-7所示。表3-6 ROM指令集指 令约定代码 功 能读ROM33H读DS18B20中的编码（64位地址）。符合ROM55H备发出命令后，接着发出64位ROM编码，访问单线总线上与该编辑相应的DS18B20，使之做出响应，为下一步对DS18B20的读写准。搜索ROM0F0H用于确定挂接在同一总线上的DS18B20个数和64位ROM地址,为操作各器件作好准备。跳过ROM0CCH忽略64位ROM地址,直接向DS18B20发出温度变换命令,适合单

46、片机。报警搜索命令0ECH执行后,只有温度超出设定的上限或下限的片子才能做处反应。表3-7 RAM指令集指 令约定代码 功 能温度变换44H启动DS18B20进行温度转换，转换时间最长为500ms，结果存入内部字节RAM中。读暂存器0BEH访问RAM中字节的内容。写暂存器4EH向内部RAM的第和字节写上限下限数据命令，紧跟该命令后的是传送字节数据。复制暂存器48H将RAM中的第和字节内容复制到EERAM中。重调EERA0B8H将EERAM中的内容复制到RAM中的第和字节。读供电方式0B4H读DS18B20的供电模式，寄生供电时DS18B20发送，外接电时发送。（3）DS18B20测温原理DS1

47、8B20内部结构框图,如图3-5所示。图3-5 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, 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。（4）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

48、”,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

49、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。3.2.4 继电器（relay）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)继电器及非电气量(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、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

50、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

51、：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

52、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:（a）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。（b）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。（c）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

53、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。3.2.5 电磁阀电磁阀是控制元件，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。电磁阀从原理上分为三大类：（a）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

54、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。（b）分步直动式电磁阀：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。（c）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

55、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。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。3.2.6 晶振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12MHZ的晶振。故系统中CPU执行的每一个机器周期为1us。3.3 AT89S52单片机的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AT89S52内部已经包含8KB的Flash Memory程序存储器

56、，所以无需再扩展片外程序存储器。在AT89S52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3-6所示的单片机最小系统。图3-6 单片机最小系统图3-6中，晶体振荡器的频率选12MHZ，复位电路有上电复位和按键复位，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。3.4 水位检测电路的设计3.4.1 水位传感器的选用太阳热中央控制系统主是实现水温温度、水箱及集热器水位的控制，系统响应是根据集热器、水箱、出水、回水的温度与水箱、集热器的水位实现的。系统中水温水位传感器起着至关重要的

57、作用，它相当于人的眼睛、耳朵等感官，只有获得正确的信息才能实现对水温、水位准确的控制，同时水温水位传感器工作稳定性是整个热水器智能控制的保障。传感器技术在热水器的应用中，由于受到多种恶劣环境的影响，需要考虑以下几个方面的问题。（1）耐高温问题传感器要长期工作在热水器水箱之中，不但要受高温（可达100度以上），还要受水蒸气的侵袭，不管是电子器件还是其他的传感器材料都很容易老化、损坏。（2）密封问题对太阳能热水器水箱里的水温水位探测，一般将感温探头和水位探头都直接接触水源，因为信号线的呼吸毛细现象，使的信号线被水汽腐蚀，电阻增大甚至腐蚀断信号线，直接导致控制部件失灵。基于以上原因，必须选取一种结构

58、，使得信号线、电子器件等元件远离高温的水箱，而进入水箱的部分仅仅是耐腐蚀、耐高温的优质不锈钢材料SUS316L和抗高温聚丙烯材料，而不锈钢材料部分是用硅胶圈进行密的。信号线和电路部分都在水箱外边和不锈钢材料部分连接，电路部分将测到的水温水位参数准确转变成电信号。（3）耐水垢问题水垢附着在电极和感温块上，易造成传感器感知水位水温不准确。金属导体形成的水垢，可以使用导电的硅胶材料作为不锈钢材料的保护体，硅胶材料不易形成水垢，因为，水中的Ca2+、Mg2+等离子不容易渗透进硅胶高分子连。而不锈钢探头同样能够准确的感受水位，能保证传感器正常的工作。（4）抗干扰问题控制系统在应用时的电磁干扰源不可避免，

59、这对传感器的信号传输带来很大的影响，因此采用数字信号传输，数字信号传输具有抗干扰性强，数据传输准确的优点。综上所述，水位传感器选用不锈钢探头。3.4.2 水位检测原理考虑系统成本，本设计采用分段式液位传感器(通过软件来提高精度)，在水位显示上也仍采用分段显示。水位检测及显示电路如图3-7所示。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；用5根不锈钢针分别置

60、于水箱内的5个不同高度的位置,当某个钢针不接触水面时,其输出为高电平，当其与水面接触时则输出低电平。当水箱中无水时，4个非门均由1M欧姆电阻上拉成高电平， 所以图中各“非”门， 输出均为低电平，LED1 LED4均不亮。当水位高于“非”门1 的输入探针时，由于水的导电作用，使“非”门1 的输入变为低电平，所以其输出变为高电平，LED点亮，依此类推。随着水位的上升，各“非”门输出相继为高电平，LED依次点亮。这里要注意的是上拉电阻不能选择太小，因为水的电阻在100k左右，所以上拉电阻选择太小的话，将在水位升高时，无法把“非”门输入端拉成低电平。实验表明， 上拉电阻选择在500k1M欧姆左右能很好

61、地满足电路的工作要求。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）。图3-7 水位检测及显示电路3.5 水温显示电路本设计是选用数字温度传感器DS18B20做温度采集的探头，AT89S5单片机完成对数据的分析和处理，然后通过七段LED数码管将温度值显示出来。数字温度计系统总体结构框图如图3-8所示。图3-8 数字温度计系统总体结构框图3.5.1 DS18B20传感器采集电路温度信号采集电路图如图3-9所示。图3-9 系统温度信号采集电

62、路图本系统温度信号采集电路部分主要由 DS18B20传感器和4K电阻组成。其中 DS18B20传感器是世界上第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器，在其内部使用了在板专利技术，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。由于DS18B20体积更小、更经济、更灵活，可以充分发挥“一线总线”的优点，现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量，如环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等；4K电阻主要用于限流，提供DQ端所需电压。3.5.2 LED显示电路LED显示电路图如图3-10所示。图3-10 LED显示电路本系统LED显

63、示电路部分主要由LED数码管和820 的排阻组成9。数码管采用两位LED共阴极数码管，此类数码管接法简单，便于动态显示数值；电路中的排阻主要用于限流，防止数码管的供电电压过大，以免损坏器件。3.6 蜂鸣器报警电路设计蜂鸣器报警电路是为了在无给水时报警以提示现在系统需要自动给水。这里选用的蜂鸣器是无源蜂鸣器，其驱动频率是2khz，驱动电压靠7404非门提供。3.7 小结本章重点分析了太阳能中央热水系统的硬件电路部分，其核心技术是对单片机的应用，通过单片机实现对热水系统的控制，从完整系统硬件构成，到各个单元电路的功能实现，单片机的应用是主线。各部分元器件的选用，在实现系统功能的前提下，考虑到经济效益。所以，没有追求新、奇、特的特点，而是切实从企业效益和系统的可靠性方面进行设计。4 软件设计方案4.1 主程序设计软件是系统的指挥中心，由它来配合硬件控制完成各种预定功能。为了充分发挥单片机优越的性能价格比，在设计上尽量做到硬件“软