1、 设计（论文）题目： 新型太阳能热水器 温控进控装置 摘 要 ： 太阳能热水器因其 为绿色产品、无污染、使用方便、成本低等特点 ,因而被广泛应用于人民生活中。本设计是以单片机为核心，用于通过温度控制进水的新型太阳能热水器的控制装置，主要分为自动控制和手动控制两大部分，自动控制部分中通过软件程序来实现水位的自动显示、检测与 控制以及温度控制进水 ,手动控制部分中通过人为的需要进行按键，实行相应的功能。 关键词： 新型太阳能热水器、单片机、温度控制、 电阻温度传感器 目 录 第 1章 引言 1.1 太阳能热水器的现状 1.2 本设计优点 1.3 本设计的主要内容及思路 第 2 章 控制装置的组成及
2、工作原理 5 2.1系统组成 5 2.2控制装置的工作原理 2.3控制装置的组成及工作流程 第 3 章 硬件计 8 3.1 直流稳压电源电路 8 3.2 水温检测电路 8 3.3 水位检测电路 11 3.4键盘及显示电路 11 3.5驱动电路 13 第 4 章 软件设计 15 4.1 主程序设计 15 4.2 中断 程序设计 22 第 5 章 仿真与调试真与调试 25 5.1硬件调试 25 5.2软件调试 26 第 6 章 心得体会 28 参考文献 29 附录一 30 第 1 章 引言 1.1 太阳能热水器的现状 随着社会经济的发展，生活水平的提高，人们对太阳能热水器的需求量也越来越大，太阳能
3、热水器也随之蓬勃发展，在城市环境可持续发展的战略中，太阳能热水器的优越性越发地突现出来。 如：不能自动进水、没有水温水位显示、不能自动加热、浪费水资源严重、真空管易爆炸等。尽管目前市场上为解决上述问题相继出现了各式各样的控制仪或控制装置，这些控制装置只解决了部分问题未能达到全智能控制效果。 1.2 本设计的优点 本设计结合实际研制出一种全智能太阳能热水器温控进水及水温水 位显示控制装置。它的设计思想是人性化和智能化，其主要优点有： 1、根据 水位和水温两个条件控制是否需要进水，每次只进适量的水。 若温度再次达到设置值时则再次进水，不会出现浪费水资源或进水过多导致水温落差较大的现象，而且还可以避
4、免在夏天中午前后真空管处于高温状态时补水引起的爆管问题； 2、具有进水超水位和超水温报警指示；3、用水时若水温达不到设置值时，则自行起动加热装置，使水温具有无级调节的功能，同时还能起到节能的效果； 4、具有水温和水位显示功能，这样则不会出现在洗澡时突然断水现象； 5具有手动和自动切换功能，当处于手 动时可以人为进水或电加热； 6、本装置还具有价格低、安装维护方便、操作简单等优点。 1.3 本设计的主要内容及思路 本设计首先介绍了控制装置的系统组成和工作原理及控制器的组成和工作流程；其次介绍了新型太阳能热水器控制装置的硬件设计，主要有直流稳压电源设计、水温检测电路设计、水位检测电路设计、键盘及显
5、示电路设计和电磁阀及其驱动电路设计；再次介绍了新型太阳能热水器控制装置的软件设计，主要包括主程序设计和中断程序设计，其中主程序设计有 水温检测电路的软件设计、水位检测电路的软件设计、键盘电路的软件设计和显示电路 的软件设计；最后介绍了控制系统的调试，主要有介绍了控制面板组成和调新型太阳能热水器温控系统设计 1 试中遇到的问题及解决的方法，结尾论述了主要结论与展望。 第 2 章 控制装置的组成及工作原理 2.1 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。 控制器：主要通过里面的电磁阀控制 YV1 和 YV2
6、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
7、用来加热水箱中水，使其达到用户所需要的温度。 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
8、 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（手动打开此阀放完水管中的积水）。 2.3 控制器的组成及工作流程 1. 控制器的组成 本控制器主要由单片机 AT89S51，键盘电路、水位检测电路、水温检测电路、显示电路、驱动电路等组成，具体控制系统结构框图如图 2-2所示。 2. 控制 器的工作流程 图 2-1 系统组成示意图 图 2-1 系统组成示意图 图 2-1 系统组成示意图 最 小 系 统 键盘 水位检测 显示 水温检测 电阻加热丝 电磁阀 1 电磁阀
9、2 图 2-2 控制器的结构框图 新型太阳能热水器温控系统设计 2 控制器的工作流程如图 2-3所示。 第 3 章 硬件设计 3.1 直流稳压电源电路 直流稳压电源由 变压器、单相桥式整流电路、三端集成稳压器等组成。 1. 工作原理 220V 市电经过变压器降压后得到 15V 交流电压，该电压经过单相桥式整流后获得近 18V 的直流电压，为了不使电路中产生电路突发的情况，还要经过滤波电路，把电容和负载电阻并联以便吸收脉动电压，并N 开 始 水温、水位显示 水温检测 实测温度 设置温度 手动 /自动 水位是否最高 关闭加热阀 是否按下加热键 是否有水 开通加热阀 是否按下停热健 是否到达 设置水
10、温 开通上水阀 是否按下停水键 是否按下上水键 水位是否最高 是否洗浴 关闭上水阀 开通上水阀 是否到达 目标水位 Y N N N N Y Y Y N Y Y Y Y Y N N Y N N 自动 手动 Y N 图 2-3 控制器的流程图 新型太阳能热水器温控系统设计 3 使输出电压保持平稳。为了不受市电波动的影响，提高系统工作的稳定性，我们采用相应的稳压块来获得控制电路所需的电压等级，具体电路如图 3.1 所示。 2. 元器件的选择 我们采用 AT89S51 单片机作为整个控制系统的核心元件，因为 AT89S51 的电源是 +5V，所以选用 7805 稳压块，输出控制电路用的是 +12V 直
11、流继电器，所以选 7812稳压块，在温度检测电路中用了 OP07 放大器，它需要 +12V 和 -12V 的电压，所以选 7912 稳压块。 3.2 水温检测电路 图 3-2 水温检测电路 1. 水温检测电路原理 本设计采用了电阻温度传感器来测量温度，主要是利用其温度特性。当温度变化时，电阻值发生改变即温度升高图 3-2水温检测电路（降低）时，电阻增大（变小），这样测温就变成了测量电阻值，从而改变输出电压值。其原理主要为温度传感器所测温度经惠斯登电桥转换后送 运放 。OP07 进行放大。具体电路设计如图 3-2 所示。 2.元器件的选择及参数计算 1、元器件选择 常用的温度传感器有热电阻、热敏
12、电阻温度传感器，热电偶及集成对管温度传感器等，因电阻温度传感器有 1）测量精度高，对非温度量不敏感； 2）有较大的测量范围，灵敏度高； 3）线性度好，便于自动测量等优点，故本电路采用电阻温度传感器， 2、参数计算 在进行电路设计时，一般是已知传感器饿温度特性，根据测温环境确定电桥平衡方式，激励源选择，电压 灵敏度，放大与引线电阻补偿等。 此设计采用的是热敏电阻。已知 t=0 ,R(t)=100 ;t=100时 ,R(t)=125 ;则 R=0.25 /。设通过 R(t)的电流小于 2mA，输出电压 U0=U100 -U0 当 0时： ( R0 0.1K，得： RW1 54 RW2=146 )
13、当 100时： ( R100 0.125K，得： UO 0.13V) 4）单电桥电路输出信号的 放大 如图 3-3 所示电桥是双端输出的，若采用运算放大器，则要 用差动放大器，如图 3-4 所示，其输出电压为 B、 D 点的电位差。 如电路选用 R35 R36， R33 R34 R，则运算放大器放大的电压为 : 因此 R35选 40K,RW选 20K。 选择不同的 R35与 R33，运用电位器，则可以得到所放大的信号。 注： U0 由所选的 A/D 转换器所决定的。具体算法如下： 本设计控制装置所测的温度范围为 0 -100，精确到 0.5，需要200个数字量，因此选用了 ADC0832，所选
14、的参考电压为 5V,则根据比例式：+5V C1 C2 7805 7812 7912 12V 220V 15V 15V C3 C4 C5 +12V 图 3-1 直流稳压电源电路 3 0 0 3 20W 1 2 9 3 0 0 W 2 3 1R + R RU = E - E = 0R + R + R + R R + R3 0 1 0 0 3 20W 1 2 9 3 0 1 0 0 W 2 3 1R + R RU = E - ER + R + R + R R + R3 5 W OO O 3 5 W 3 33 3 OR + R U 3 . 9 VU = U R + R = R = 2 K = 6 0
15、KR U 0 1 3 V ， 则图 3-4 差动放大电路 O5V 256U 200新型太阳能热水器温控系统设计 4 求得 U0 =3.9V 5）串行 A/D ADC0832 及其接口电路 ADC0832 是具有多路转换开关的 8 位串行 A/D 转换器 ,末位数 1、 2、 4、 8 为其转换通道数，转换速度较高，单电源供电，功耗低。 ADC0832 引脚功能 图 3-5a为 ADC0832 芯片引脚。 VDD、 VSS：电源、接地端， VDD 同时兼任 UREF； CS:片选端，低电平有效； DI:数据信号输入端； DO:数 据信号输出端； CLK:时钟信号输入端，要求低于 600KHZ C
16、H0、 CH1:模拟信号输入端。 硬件连接电路 图 3-5b为 ADC0832与 AT89S51应用接口电路，图中： P3.6片选 CS； TXD发送时钟信号输入 ADC0832 CLK；RXD 与 DI、 DO 端连接在一起，根据 ADC0832 特点， DI 端在接收主机起始和通道配置信号关断，直至CS再次出现跳变， DO端在 DI 端有效期间始终处于三态，因此 DI 端与 DO 端可与 RXD 端连接在一起，不会引起冲突。 3.3 水位检测电路 水位检测电路如图 3-5 所示。水位传感器可以自制，在绝缘棒上固定 5 个铜柳钉作为电极（ 0-4），最下部的电极作为公共端，其余 4 个依次表
17、示水位，电极间相当于一个开关，在没有水时，开关开路，有水时水中的离子导电，开关短路（实际不短路，电极间电阻约为十几 K到几十 K，与水质有关）。通电后就可以 检测水位，在电极间 加电流，电路简单，直流电压通过 470K电阻和水位开关（无 水开路，有水十几 K电阻）分压，无水水位开关上的压降 大，送到 P3.2 口、 P3.3 口、P3.4 口、 P3.5 口，检测到高 电平， 有水时水位开关上的压降很小，检测到低电平。 3.4 键盘及显示电路 1.键盘电路 1键盘的选择 P1.0- P1.7 口作为按键的输入信号，键按下，就执行该键的功能。其电路图 3-6所示。 独立式按键，各个按键相互独立，
18、每个按键占用一根 I/O 口线，每根 I/O 口线上的按键工作状态不会影响其它 I/O 口线上的按键工作状态，而且独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，因此本设计采用独CS CH0 CH1CS S VSS VDD CLK DO DI 1 2 3 4 8 7 6 5 ADC 0832 a) 图 3-5 ADC0832 与 AT89S51 接口电路 a)引脚图 b)应用接口电路 P3.6 TXD RXD AT89S51 ADC0832 CS CLK DI DO CH0 CH1 模拟 信 号 b) 图 3-5 水位检测电路 新型太阳能热水器温控系统设计 5 立式按键。 2按键功能的介绍 S1键：显示
19、 /设置键，用于实现水温的显示或者设置水温的值。 S2键：选位键，用于选择数码管十位、个位，还是 十分位的值。 S3键：上调键，用于使设置的温度值向上增加。 S4键：下调键，用于使设置的温度值向下减小。 S5键：洗浴键，按此键可以进行洗浴。 S6键：自动 /手动键，按此键可以进行自动和手动的切换。 S7键：上水 /停止键，在手动键按下时，按上水键可以水阀上水，再按一下就停止上水。 S8 键：加热 /停止键，在手动键按下时，按加热键可以启动加热器进行对水箱中水的加热，再按一下加热器就停止加热。 3上拉电阻 10K的排阻为上拉电阻，键未按下时， P1 口电平被电阻上拉为高；键按下时， P1口电平被
20、拉为低。 图 3-6键盘电路图 2.显示电路 本设计采用共阳型数码管， 8 个 LED 灯如图 3-7所示，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 口作为指示灯的控制。 图 3-7 显示电路 3.5 驱动电路 1.晶闸管驱动接口电路 1、晶闸管驱动接口电路工作原理 P2.5 输出的控制信号控制 1KW 电加热器的通断，输出低电平时，双向晶闸管导通，经 U4 光耦，自动过零触发可控硅导通，接通 1KW 电加热器电源。 2、元器件选择 在用单片机对交流强电回路进行控制的实
21、际应用中，一般都是使用晶闸管， 图 3-7 显示电路 新型太阳能热水器温控系统设计 6 图 3-8 晶闸管驱动电路 用单片机进行控制。由于晶闸管所在的主电路是交流强电回路，电压较高，电流较大，不宜用单片机直接控制，可用光耦合器将单片机控制信号与晶闸管触发电路进行隔离驱动，具体电路如图 3-8所示。 为了减小晶闸管控制的时的误触发，提高抗干扰性能，在晶闸管的阴极和门极之间增加了 R25，为了防止负载在通断时产生的过电压冲击损坏电路，电路中利用了 R26 和 0.1uF 电容串联电路来吸收。 2. 光电隔离输入、继电器输出驱动接口电路 1)电路工作原理 当 P2.6、 P2.7 输出低电平的电信号
22、送入光耦合器的输入端时，发光二级管通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，光敏晶体管导通， 12V 直流电源加到继电器线圈上，继电器吸合，常开触点接通，然后用继电器的触点再来控制电磁阀的接通。反之， P2.6、 P2.7 输出高电平，晶体管截止，继电器线圈没有电源，继电器不吸合，则继电器的触点控制的电磁阀关闭。具体电路如图 3-9 所示。 2)元器件选择 在控制现场环境较恶劣时，会存在 较大的燥声干扰，若这些干扰随输入信号一起进入单片机系统，会使控制的准确性降低，产生误动作。因而，本设计在单片机的输出端，用光耦合器作接口，对信号及燥声进行隔离。 图 3-9中有一个和继电器的线圈并联的二极管
23、（跟加在线圈上的电压极性反向，通常称作保护二极管，又叫续流二极管。它的作用是为了避免在控制继电器断电时线圈产生的高电压损坏电路中的晶体管等其它元器件。 第 4 章 软件设计 4.1 主程序设计 主程序功能：完成系统的初始化。包括 I/O 口、定时器、中断系统的初始化，然后转入水位检测、键盘处理、显示 程序并等待定时器中断。在定时器中断服务子程序中，先判断 1s 满否？若未满1s，则返回。若满 1s，则进行一系列操作： 00H 取反，调温度处理程序。主程序流程图如图 4-1 所示。 主程序： ORG 0000H LJMP MAIN ORG 000BH LJMP CT0; 转定时器 0 中断服务程
24、序 ORG 0030H; 主程序 MAIN: MOV 30H,#00H; 0.1 秒单元 MOV 20H,#00000100B; 置相应标志位 MOV P2,#0FFH; P2 口不显示，电磁阀不通电，不加热 主程序 初始化 调水位检测程序 调键盘处理程序 调显示程序 图 4-1 主程序流程图 图 3-9 继电器驱动电路 新型太阳能热水器温控系统设计 7 MOV SP,#5FH; 设置堆栈深度 SETB EA; 开中断 SETB ET0; 允许 T0中断 MOV TMOD,#01010001B; T0 方式 1定时， T1 工作于方式 1 计数 MOV TH0,#3CH; 定时常数 MOV T
25、L0,#0B0H SETB TR0; 启动定时定时器 0 MOV 28H,#60; 设置初始温度为 60度 MOV 40H,#0FFH; 转显示状态为全灭 MOV 36H,#0; 清温度存放单元 MOV 2FH,#1; 目标水位为 1 LOOP:LCALL WATER; 水位检测程序 LCALL KEY; 键盘处理程序 LCALL DISP; 显示程序 SJMP LOOP 1.水位检测电路的程序设计 WATER: JNB P3.2,KS1;水位检测后存放于 2EH 单元 ,目标水位存放 2FH 单元 JNB P3.3,KS2 JNB P3.4,KS3 JNB P3.7,KS4 MOV 2EH,
26、#0H;无水 CLR P2.6 CLR P2.7 SETB 03H MOV 2FH,#1H RE_WAT:JNB 02H,RRE_WAT;手动方式则返回 MOV A,2EH CLR C SUBB A,2FH JNZ RRE_WAT CLR 03H;清上水标志 SETB P2.6;关电磁阀 SETB P2.7 RRE_WAT:RET KS1: MOV 2EH,#4H JNB 03H,RE_WAT1 SETB P2.6;若水满则关电磁阀 SETB P2.7 CLR 03H; SJMP RE_WAT RE_WAT1:SETB 05H SJMP RRE_WAT KS2:MOV 2EH,#3H SJMP
27、 RRE_WAT KS3:MOV 2EH,#2H SJMP RRE_WAT KS4:MOV 2EH,#1H JB 03H,RE_WAT SJMP RRE_WAT 新型太阳能热水器温控系统设计 8 2 .键盘功能处理 程序设计 键处理流程图如图 4-3 所示。本节只介绍按键 1 的处理程序，完整程序请见附录 2。 KEY: ORL P1,#0FFH;键处理程序 MOV A, P1 CPL A JZ RET_KEY;无键返回 LCALL DISP; 有键 ,延时去抖动 ORL P1,#0FFH MOV A,P1 CPL A JZ RET_KEY;无键返回 ORL P1,#0FFH;有键 ,延时去抖
28、动 MOV A,P1 JNB ACC.0,S1 JNB ACC.1,S2 JNB ACC.2,S3 JNB ACC.3,S4 JNB ACC.4,S5 JNB ACC.5,S6 JNB ACC.6,S7 JNB ACC.7,S8 RET_KEY:RET 有键闭合？ 延时去抖动 KEY 有键闭合？ 是何键？ 转相应键处理程序 返回KEY Y NY Y NY 图 4-3 键处理流程图 （ 2EH） #4H 水位检测 P3.2=0? P3.3=0? P3.4=0? P3.5=0? 2EH #0H 打开上水阀 赋水位目标值 上至目标值？ 返回 （ 2EH） #4H （ 2EH） #1H （ ） #3H
29、（ 2EH） #2H 正在上水？ 关上水阀 图 4-2 水位检测流程图 新型太阳能热水器温控系统设计 9 S1: CPL 01H;置预置标志 JNB 01H,SAVE_TEM;01H=0,存储当前预置的温度 MOV 45H,#44H;01H=1,为预置状态 ,当前预置对象存放于 45H 单元 S11: LCALL DISP ORL P1,#0FFH;等待按键释放 MOV A,P1 CPL A JNZ S11;未释放 ,继续等待 RET 3.显示电路程序设计 1、水温显示子程序（流程图如 4-4所示）DISP: MOV R0,#44H;显示温度及状态信息 MOV DPTR,#TAB DISP1:
30、 MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR JNB 01H,NDOT1 JNB 00H,NDOT1 MOV R5,45H CJNE R5,#44H,NDOT1 MOV A,#0FFH NDOT1: MOV P0,A CLR P2.0 LCALL D1MS SETB P2.0 DEC R0 MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR JB 05H,NDOT22 CLR ACC.7 NDOT22:JNB 01H,NDOT2 JNB 00H,NDOT2 MOV R5,45H CJNE R5,#43H,NDOT2 MOV A,#0FFH NDOT2: MOV P0,A CLR P2.1 LCAL
31、L D1MS SETB P2.1 DEC R0 MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR JNB 01H,NDOT3 JNB 00H,NDOT3 MOV R5,45H CJNE R5,#42H,NDOT3 MOV A,#0FFH NDOT3: MOV P0,A CLR P2.2 LCALL D1MS SETB P2.2 DEC R0 MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR MOV P0,A CLR P2.3 LCALL D1MS SETB P2.3 2、水位及其它显示子程序（流程图如 4-5所示）水温显示 取十位值 DPTR #TAB 查表的字段码 判断是否闪烁？ 字段码 P0 使十位 LED 有效 延时 1ms 使十位 LED 无效 取个位值 . . . . . 使温度字母 C 的 LED 无效 返回 图 4-4 温度显示流程图
