太陽能熱水器畢業(yè)論文

1、摘 要太陽能是現在社會的綠色能源，人們利用太陽能可以節(jié)省好多的能源，所以要好好利用太陽能，發(fā)揮它應有的作用。太陽能熱水器因利用太陽能、無污染、使用方便、長期使用投入費用低等特點而倍受人們的青睞，得到很好的發(fā)展。本設計以單片機at89c52做為控制核心并協調整個系統(tǒng)的工作，通過數字溫度傳感器檢測當前水的溫度，由于是數字信號就直接送入單片機at89c52內，通過單片機的處理在led數碼管上顯示當前的溫度值。另外一路是在水箱中的水壓傳感器測水的壓力從而得到水位的高低，水壓傳感器輸出的是05v的模擬量，要經過a/d轉換成為數字量再送入單片機at89c52進行處理，在led數碼管上顯示水位值。按鍵用來設

2、定想要控制的溫度值，單片機在內部通過比較設定的溫度和當前溫度，當前溫度不滿足設定溫度時就會閉合電磁開關，開啟加熱裝置。滿足設定溫度時斷開開關停止加熱。自動上水方面是設置水位的上限和下限，水位低于下限時就會閉合電磁開關，開始上水，當水位高于上線時就會自動斷開電磁開關，停止上水。溫度和水位值在時時檢測，達到控制目的。關鍵詞：太陽能熱水器；傳感器；控制器；單片機abstractnow，solar energy is a green resources, people use solar power can save a lot of energy, so make good use of solar

3、 energy, will play its proper role. solar water heater also due to use of solar energy, no pollution, easy to use, long-term use of inputs and low cost has attracted peoples favor, well developed.this design used at89c52 micro controller core as a control and coordinate the work of the entire system

4、, digital temperature sensor by detecting the current water temperature, because the number of digital signal directly into the mcu at89c52, through scm handle led digital tube displays the current temperature. another way is the pressure in the tank pressure sensor measuring the water level to get

5、the water level, water pressure sensor output is 0 5v for analog to go through a/d converted into digital and then processed into the mcu at89c52, in led digital tube display level value. button is used to set the desired temperature and micro controller internally by comparing the set temperature a

6、nd current temperature, current temperature is less than the set value will be closed when the electromagnetic switch, open the heating device. aspect automatically set the upper limit water level, water level less than the lower limit will be closed electromagnetic switch, will begin to water, the

7、water level reaches the line is automatically disconnected when the electromagnetic switch, stop watering . temperature and water values detect constantly to controlling purposes.key words: solar heater, sensor, control ,mcu目 錄摘 要iabstractii1 前言11.1 課題背景和意義11.2 本課題研究內容與主要工作31.3 本課題的研究預期成果32 總體系統(tǒng)設計43

8、 總體硬件設計63.1 系統(tǒng)總體硬件框圖與工作原理63.2 溫度傳感器63.2.1 溫度傳感器ds18b2063.2.2 ds18b20的結構83.3 水壓傳感器及a/d轉換93.3.1 水壓傳感器103.3.2 adc0832結構及原理103.4 電磁開關（繼電器）電路及原理123.4.1 光電隔離器的原理133.4.2 電磁繼電器的原理143.4.3 上水控制的原理153.4.4 加熱控制的原理153.5 單片機控制系統(tǒng)163.6 led數碼管顯示電路173.7按鍵電路設計194 軟件設計方案214.1 ds18b20驅動程序設計224.2串行ad轉換器adc0832程序設計234.3 按

9、鍵控制程序設計264.4 led數碼管顯示程序設計285 硬件電路仿真結果305.1 溫度仿真305.1.1 溫度顯示仿真305.1.2 溫度控制仿真315.2 水位仿真325.2.1 水位顯示仿真325.2.2 水位控制仿真335.3 仿真結果分析34致 謝35參 考 文 獻36附錄38附錄 系統(tǒng)總原理圖38附錄 系統(tǒng)源程序391 前言1.1 課題背景和意義目前，中國已成為世界上最大的太陽能熱水器生產國，年產量約為世界各國之和，已有一千多家太陽能熱水器生產廠。但是與之配套的太陽能熱水器控制器卻一直處在研究與開發(fā)階段，當由于天氣原因而光強不足時，就會給熱水器用戶帶來不便；即使熱水器具有輔助加熱

10、功能，由于加熱時間不能控制而產生過燒，從而浪費大量的電能。溫度控制采用模糊控制，控制器可以根據天氣情況利用輔助加熱裝置使蓄水箱內的水溫在設定時間達到預先設定的溫度，從而達到24小時供應熱水的目的。太陽能熱水器是太陽能利用中最常見的一種裝置，經濟效益明顯，正在迅速的推廣應用，太陽能熱水器能夠將太陽輻射能轉換熱能，供生產和生活使用。他主要由平板集熱器、蓄水器和連接管道等部件組成，可分循環(huán)式、直流式和悶曬式。太陽能熱水器是環(huán)保、無污染，人們用著安全放心。利用太陽的能源，大量節(jié)約現有的能源，是以后能源發(fā)展的趨勢。原有的燃氣熱水器和電熱水器雖然加熱速度比較快，但是所用的煤和氣都會對環(huán)境造成一定的污染，而

11、且會使室內的空氣變得不清新，電熱水器的功率較大，對長期使用的一般家庭來說必定會帶來一定的經濟困難，是一筆相當大的開銷。太陽能熱水器安全、環(huán)保、經濟，帶有輔助加熱功能的熱水器可在全年的任何時候使用，設計一個控制器來幫助人們了解水的溫度和熱水器中水位的高低，使人們清楚的使用。如今大多數的家庭太陽能都裝有水位監(jiān)測和水溫測量、顯示的功能，使用更加方便。近年來，利用太陽能和其它能源的結合，使得太陽能熱水器更加的完善，在任何天氣情況下都能使用到熱水。此款太陽能熱水器控制器設計包括主、從兩大系統(tǒng)：主系統(tǒng)的特點是在晴好的天氣利用太陽光能為熱水器加熱；從系統(tǒng)相當于電熱水器，它在無光照或者溫度低的情況下利用電輔助

12、加熱。它充分利用太陽能的豐富的免費的資源的優(yōu)勢，同時考慮到在陰天及夜間如冬季無法利用太陽光弱的缺點，充分發(fā)揮太陽能熱水器和電熱水器的各自優(yōu)勢，這是世面上大部分熱水器所不能比擬的。當今社會發(fā)展日新月異，人們衣食住行也在不斷的提高?，F有電熱型熱水器費用昂貴及燃氣型的不安全性，且排放二氧化碳污染大氣，北方用煤氣取暖造成城市空氣環(huán)境污染，這些都是太陽能熱水器良好的外部生存環(huán)境。太陽能熱水器克服了上述缺點，他是綠色環(huán)保產品。它使用簡單、方便。太陽能熱水器順著時代發(fā)展的要求，滿足人們對環(huán)保綠色產品的需求。在人類文明程度日益提高的今天，它是現代文明社會的最佳選擇。應該注意到，集體單位對太陽能熱水器的用量很大

13、。眾所周知，太陽能是取之不盡，用之不竭，沒有污染的巨大能源。隨著世界上煤、石油、天然氣的存儲量日益減少，能源危機已日益增長，環(huán)境污染的危機已威脅著生態(tài)平衡，太陽能開發(fā)利用的課題已提到人類的面前。有人預測：二十一世紀太陽能將由輔助能源上升為主要能源。但由于太陽能的分散性、季節(jié)性和地區(qū)性又給太陽能利用帶來重重困難，有些技術難點尚未突破，產品造價偏高，因而尚未被人們大規(guī)模使用。在太陽能熱利用技術中，太陽能熱水器是技術上比較成熟、造價比較低廉的產品，同時給人民提供低耗能源、保護環(huán)境、絕對安全的熱水而受到人們的歡迎。世界各國的太陽能熱水器生產發(fā)展也很快。例如：澳大利亞政府規(guī)定，在北部地區(qū)新建房屋一定要設

14、置太陽能熱水器，已經有絕大部分新住宅安裝了太陽能熱水器。日本現在每年安裝大量太陽能熱水器，計劃今后普及率更高。有些國家法令規(guī)定所有新建筑物必須配備太陽能熱水器。太陽能熱水器的推廣應用及經濟效益很巨大，所以該控制器具有使用方便、性價比高、工作可靠、精度高等特點，為太陽能熱水器的進一步推廣具有積極的推動作用。1.2 本課題研究內容與主要工作本設計主要利用單片機為核心，選擇適當的傳感器作為信號的采集來源，溫度傳感器選擇數字式的ds18b20。水位信號的檢測選擇ptj204/205/206/207壓力傳感器，將檢測的模擬信號經過a/d轉換后送入單片機處理。通過led數碼管來顯示溫度和水位。要經過幾部分

15、的設計來完成：（a）led數碼管顯示部分設計 （b）a/d轉換部分設計（c）溫度采集部分設計（d）控制加熱和上水電路設計從系統(tǒng)需要和研究內容可以看出，本設計需要做的主要工作有：查閱相關資料，了解各部分功能原理。查閱元器件資料，掌握器件工作原理和硬件實現方法。利用電腦仿真，對設計的電路進行模擬檢測。1.3 本課題的研究預期成果設計出太陽能熱水器控制器，編寫出程序，調試成功，并在硬件電路上進行仿真達到預期的目的，完成設計任務。 2 總體系統(tǒng)設計總體設計之前，根據該系統(tǒng)所要達到的功能，選擇適當的元器件和合適的芯片來設計系統(tǒng)，了解各器件的原理和功能。太陽能熱水器控制器設計，就要有溫度采集器件，根據相關

16、參數范圍選擇了ds18b20數字溫度傳感器，采集到的數據為數字量，可以直接送入單片機處理，電路簡單，數字溫度傳感器比模擬溫度傳感器測量結果精確。要顯示水位量就要有單片機能處理的水位量，這個量就要由傳感器來測量，這里的水位檢測傳感器選擇模擬的傳感器，模擬量不能直接進入單片機進行處理，要變成二進制的數字量才能送入單片機進行處理，這就要進行a/d轉換，把采集到的水位信號轉換成為數字量。a/d轉換的器件選擇為adc0832轉換芯片，它是一個兩路模擬量輸入，轉換完的數字量串行輸出，adc0832轉換芯片引腳少，能達到相同的功能，而且電路簡單，方便。顯示所測量的結果要用到led數碼管，用led數碼管來顯示

17、結果比較清楚，防水和磨損，是比較好的顯示方式。要實現溫度穩(wěn)定控制，就需要設定溫度的標準量，是和當前水的溫度進行比較的，看當前水的溫度有沒有達到或者大于標準的溫度，然后加以控制，要設置給定的溫度就要有輸入裝置，采用簡單的按鍵作為輸入是很簡便的，不會帶來復雜的問題。控制裝置要采用電磁開關控制，這樣就不用人為的操作，電磁開關在閉合或打開的時候在電磁線圈上會產生電流，為了防止這樣的電流對前面的電路產生不良效果，與線圈并聯一個二極管，利用二極管的單項導通性就能阻止電流流回電路，保證電路的安全。為了保證單片機輸出的控制信號穩(wěn)定而且有足夠大的電流，在單片機輸出信號后加上正向驅動器來增大信號強度，再在電磁開關

18、之前加上光電隔離，會阻隔掉不必要的干擾，通過光電隔離的電壓信號是穩(wěn)定的，這樣的控制系統(tǒng)才能穩(wěn)定可靠的工作。圖3-1 系統(tǒng)總體硬件框圖3 總體硬件設計3.1 系統(tǒng)總體硬件框圖與工作原理經過對所要設計的控制系統(tǒng)的功能要求進行分析，可以得道系統(tǒng)的總體硬件設計框圖，如圖3-1所示。由系統(tǒng)的總框圖可以看出該系統(tǒng)的工作原理為：單片機at89c52作為控制核心并協調整個系統(tǒng)的工作，通過數字溫度傳感器檢測當前水的溫度，由于數數字信號就直接送入單片機at89c52內，通過單片機的處理在led數碼管上顯示當前的溫度值。另外一路是在水箱中的水壓傳感器測水的壓力從而得到水位的高低，水壓傳感器輸出的是05v的模擬量，要

19、經過a/d轉換成為數字量再送入單片機at89c52進行處理，在led數碼管上顯示水位值。按鍵用來設定想要的溫度值，單片機在內部通過比較設定的溫度和當前溫度，當前溫度小于設定值時就會閉合電磁開關，開啟加熱裝置。自動上水方面是設置水位的上下限，水位小于下限時就會閉合電磁開關，就會開始上水，水位到達上線時就會自動斷開電磁開關，停止上水。溫度和水位值在時時檢測，達到控制目的。3.2 溫度傳感器3.2.1 溫度傳感器ds18b20溫度傳感器選擇ds18b20數字溫度計，它以9位數字量的形式反映器件的溫度值。ds1820通過一個單線接口發(fā)送或接收信息，因此在中央微處理器和ds18b20之間僅需一條連接線（

20、加上地線）。用于讀寫和溫度轉換的電源可以從數據線本身獲得，無需外部電源。因為每個ds18b20都有一個獨特的片序列號，所以多只ds18b20可以同時連在一根單線總線上，這樣就可以把溫度傳感器放在許多不同的地方。這一特性在hvac環(huán)境控制、探測建筑物、儀器或機器的溫度以及過程監(jiān)測和控制等方面非常有用。圖3-2 ds18b20引腳排列與封裝形式表3-1 ds18b20引腳說明引腳符號說明1gnd接地2dq數據輸入/輸出腳。對于單線操作：漏極開路3vdd可選的vdd引腳。ds18b20雖然具有測溫系統(tǒng)簡單、測溫精度高、連接方便、占用口少等優(yōu)點，但在實際應用中也應注意一下問題：（a）較小的硬件開銷需要

21、相對復雜的軟件進行連接補償，ds18b20與微處理器間采用穿行數據傳送，編程時要嚴格保證讀寫時序，否則將無法讀取測溫結果。（b）連接ds18b20的總線電纜長度是有長度限制的。當采用普通信號電纜傳輸長度不能超過50m，采用雙絞線帶屏蔽電纜時可達到150m。（c）在ds18b20測溫程序中，向ds18b20發(fā)出溫度轉換命令后，程序總要等待ds18b20的返回信號，要保持接觸良好，否則會進入死循環(huán)。ds18b20的特性：（a）獨特的單總線接口方式。ds18b20在i/o處理器連接時，僅需要一個i/o口即可實現微處理器同ds18b20的雙向通訊。（b）ds18b20支持組網功能，多個ds18b20多

22、個ds18b20可以并聯在唯一的單線上，實現多點測溫。（c）ds18b20的測溫范圍為：55125，在1085時，其精度為0.15。（d）ds18b20的測量結果的數字量位數從912位，可編程進行選擇。（e）ds18b20內部寄生電源，器件既可以由單線總線供電，也可以用外部電源供電。ds18b290測溫原理：ds18b20測量溫度采用了特有的溫度測量技術，它是通過計數時鐘周期來實現的，內部計數器對一個受溫度影響的振蕩器的脈沖計數，低溫時，振蕩器的脈沖無法通過門電路。計數器設置為55。同時，計數器復位在當前的溫度值時，電路對振蕩器的溫度系數進行補償，計數器重新開始計數直到回零。如果門電路仍未關閉

23、，則系統(tǒng)重復上述過程。3.2.2 ds18b20的結構ds18b20有三個主要數字部件：1. 64位激光rom，2. 溫度傳感器，3. 非易失性溫度報警觸發(fā)器th和tl。器件用如下方式從單線通訊線上汲取能量：在信號線處于高電平期間把能量儲存在內部電容里，在信號線處于低電平期間消耗電容上的電能工作，直到高電平到來再給寄生電源（電容）充電。ds18b20也可用外部5v電源供電。圖3-3 ds18b20的內部結構ds18b20單純通信功能是分時完成的。單線信號包括復位脈沖，響應脈沖，寫“0”，寫“1”，讀“1”。它們有嚴格的時隙概念。系統(tǒng)對ds18b20的操作以rom命令（5個）和存儲器命令（6個）

24、形式出現。對它的操作協議是：初始化ds18b20發(fā)復位脈沖發(fā)rom功能命令處理數據發(fā)存儲器命令處理數據，各種操作都有相應的時序圖2。ds18b20在使用時，一般都采用單片機來實現數據采集。只需將ds18b20信號線與單片機1位i/o線相連，且單片機的1位i/o線可掛接多個ds18b20，就可實現單點或多點溫度測量。ds18b20傳感器的精度高、互換性好；它直接將溫度數據進行編碼，可以只使用一根電纜傳輸溫度數據，通信方便，傳輸距離遠且抗干擾性好，與用傳統(tǒng)的溫度傳感器系統(tǒng)相比系統(tǒng)得以簡化。系統(tǒng)擴充維護十分方便。3.3 水壓傳感器及a/d轉換選用ptj204/205/206/207水壓傳感器，水位傳

25、感器輸出的信號為模擬信號，由于輸出量微弱，要經過放大器的放大轉化為05v的電壓信號，才能送入adc0832中進行轉換，輸出為串行數字數據，送入單片機at89c52處理。傳感器和ad轉換原理圖如下圖34所示：圖3-4 模擬量輸入及ad轉換電路結構3.3.1 水壓傳感器水壓傳感器是由一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。它是實現自動化檢測和控制的首要環(huán)節(jié)。 力學傳感器的種類繁多，如電阻應變片壓力傳感器、半導體應變片壓力傳感器、電感式壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電容式壓力傳

26、感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。但應用最為廣泛的是壓阻式壓力傳感器，它具有極低的價格和較高的精度以及較好的線性特性。在水箱的最底部安裝壓力傳感器，水位的不同，傳感器檢測到的壓力值就不同，采集到的模擬量信號經過處理和計算，就能換算成水位的高低，經過單片機顯示。3.3.2 adc0832結構及原理 圖3-5adc0832芯片引腳圖 芯片各引腳說明：1） cs_ 片選使能，低電平芯片使能。2） ch0 模擬輸入通道0，或作為in+/-使用。3） ch1 模擬輸入通道1，或作為in+/-使用。4） gnd 芯片參考0 電位（地）。5） di 數據信號輸入，選擇通道控制。6） do 數據信

27、號輸出，轉換數據輸出。7） clk 芯片時鐘輸入。8） vcc/ref 電源輸入及參考電壓輸入（復用）。adc0832 為8位分辨率a/d轉換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應一般的模擬量轉換要求。其內部電源輸入與參考電壓的復用，使得芯片的模擬電壓輸入在05v之間。芯片轉換時間僅為32s，據有雙數據輸出可作為數據校驗，以減少數據誤差，轉換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過di 數據輸入端，可以輕易的實現通道功能的選擇。單片機對adc0832 的控制原理：正常情況下adc0832與單片機的接口應為4條數據線，分別是cs、clk、do、di。但由

28、于do端與di端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設計時可以將do和di并聯在一根數據線上使用。當adc0832沒有工作時其cs輸入端為高電平，此時芯片禁用，clk和do/di的電平可任意。當要進行a/d轉換時，須先將cs使能端為低電平并且保持低電平直到轉換完全結束。此時芯片開始轉換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端clk輸入時鐘脈沖，do/di端則使用di端輸入通道功能選擇的數據信號。在第1個時鐘脈沖的下沉之前di端必為高電平，表示啟始信號。在第2、3個脈沖下沉之前di端輸入2 位數據用于選擇通道功能，當此2 位數據為“1” 、“0”時，只對ch0 進行單通道轉換。當2位

29、數據為“1” 、“1”時，只對ch1進行單通道轉換。當2 位數據為“0”、“0”時，將ch0作為正輸入端in+，ch1作為負輸入端in-進行輸入。當2 位數據為“0”、“1”時，將ch0作為負輸入端in-，ch1 作為正輸入端in+進行輸入。到第3個脈沖的下沉之后di端的輸入電平就失去輸入作用，此后do/di端則開始利用數據輸出do進行轉換數據的讀取。從第4個脈沖下沉開始由do端輸出轉換數據最高位data7，隨后每一個脈沖下沉do端輸出下一位數據。直到第11個脈沖時發(fā)出最低位數據data0，一個字節(jié)的數據輸出完成。也正是從此位開始輸出下一個相反字節(jié)的數據，即從第11個字節(jié)的下沉輸出data0。

30、隨后輸出8位數據，到第19個脈沖數據輸出完成，也標志著一次a/d轉換的結束。最后將cs置高電平禁用芯片，直接將轉換后的數據進行處理就可以了。3.4 電磁開關（繼電器）電路及原理 要實現自動控制，就要有能自動閉合的開關，這里用到的是電磁開關（繼電器），繼電器上有電流時，由于電磁感應就會在鐵心上產生磁性，將開關彈片吸引，使外部電路導通。為了在電磁繼電器上有穩(wěn)定的電流流過，前端就要有相應的控制元器件，我選擇的是光電隔離器件，隔離掉了不穩(wěn)定的因素。使光電隔離前端的發(fā)光穩(wěn)定，信號的前端還需要驅動，提供穩(wěn)定的信號電流。只有發(fā)光部分的穩(wěn)定，后面的信號才能得到穩(wěn)定輸出。控制加熱裝置和上水裝置的電路如圖36所示

31、?？刂齐娐饭ぷ髟恚簡纹瑱C根據處理的結果，從控制端口輸出低電平控制信號，通過正向驅動器，得到穩(wěn)定的信號，使得光電隔離前端的發(fā)光二極發(fā)光，電路接通，后續(xù)電路工作，輸出電壓經分壓，三極管導通，電磁繼電器工作，彈片向下吸引，開關閉合，后面的電路開始工作。圖3-6 電磁開關控制電路3.4.1 光電隔離器的原理光電隔離器（optical coupler，英文縮寫為oc）亦稱光耦合器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應用。目前它已成為種類最多、用途最廣的光電器件之一。光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號放大。輸入的電

32、信號驅動發(fā)光二極管（led），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大后輸出。這就完成了電到光再到電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。在發(fā)光二極管上提供一個偏置電流，再把信號電壓通過電阻耦合到發(fā)光二極管上，這樣光電晶體管接收到的是在偏置電流上增、減變化的光信號，其輸出電流將隨輸入的信號電壓作線性變化。光電耦合器也可工作于開關狀態(tài)，傳輸脈沖信號。在傳輸脈沖信號時，輸入信號和輸出信號之間存在一定的延遲時間，不同結構的光電耦合器輸入、輸出延遲時間相差很大。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的

33、輸入端是電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計算機數字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計算機工作的可靠性。光耦合器的主要優(yōu)點是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩(wěn)定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。電耦合器之所以在傳輸信號的同時能有效地抑制尖脈沖和各種干擾，使通道上的信號穩(wěn)定性大為提高，主要有以下幾方面的原因：（1）光電耦合器的輸入阻抗很小，只有幾百歐姆，而干擾源的阻抗較大，通常為105106。據分壓原理可知，即使干擾電壓的幅度較大，但饋送到

34、光電耦合器輸入端的干擾電壓會很小，只能形成很微弱的電流，由于沒有足夠的能量而不能使二極體發(fā)光，從而被抑制掉了。（2）光電耦合器的輸入回路與輸出回路之間沒有電氣聯系，也沒有共地；之間的分布電容極小，而絕緣電阻又很大，因此回路一邊的各種干擾都很難通過光電耦合器饋送到另一邊去，避免了共阻抗耦合的干擾信號的產生。（3）光電耦合器可起到很好的安全保障作用，即使當外部設備出現故障，甚至輸入信號線短接時，也不會損壞儀表。因為光耦合器件的輸入回路和輸出回路之間可以承受幾千伏的高壓。3.4.2 電磁繼電器的原理繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應用于自動控

35、制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節(jié)、安全保護、轉換電路等作用。電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。電磁繼電器的工作原理并不復雜，它主要是利用電磁感應原理而工作的。當線圈通以電流時，線圈便產生磁場，線圈中間的鐵心被磁化產生磁力.從而使銜鐵在電磁吸力的作用下吸向鐵心，此時銜鐵帶動支桿將板簧推開，使兩個常閉的觸點斷開。當斷開繼電器線圈的電流時，鐵心便失去磁性，銜鐵在板簧的作用下恢復初始狀態(tài)，觸點則又閉合。觸點的形式一般分為三種:一種是繼電器線圈未通電時處于接通狀態(tài)的靜觸點，為常閉觸點。二種是處于斷開狀態(tài)的靜觸點，稱為常開觸點，還

36、有一種是一個動觸點與一個靜觸點常閉，而同時與一個靜觸點常開，形成一開一閉的轉換觸點形式。常閉觸點在線圈通電時由閉合狀態(tài)斷開，所以又稱為動斷觸點，而把常開觸點稱為動合觸點轉換觸點有兩種情況，即先合后斷的轉換觸點和先斷后合的轉換觸點6。先了解必要的條件：(1)控制電路的電源電壓，能提供的最大電流；(2)被控制電路中的電壓和電流；(3)被控電路需要幾組、什么形式的觸點。選用繼電器時，一般控制電路的電源電壓可作為選用的依據。控制電路應能給繼電器提供足夠的工作電流，否則繼電器吸合是不穩(wěn)定的。3.4.3 上水控制的原理供水時，單片機控制電磁閥通電，水位不斷上升，滑竿在浮球的的帶動下沿套管上升，當滑竿上升到

37、頂位時，則使接觸開關斷電，讓電磁閥關閉水源。當水位處于上限與下限之間時，此時單片機控制電磁閥通斷電，無論電磁閥是在通電供水，水位不斷上升或者電磁閥沒有工作，水位不斷下降，都應維持原有的狀態(tài)。當水位處于下限位置時，水箱內無水時，需要供水，滑竿落到箱底，滑竿在水箱外的一端與接觸開關接觸得電，使電磁閥導通進水。3.4.4 加熱控制的原理 太陽能熱水器的吸熱時，太陽輻射透過真空管的外管，被集熱鍍膜吸收后沿內管壁傳遞到管內的水，管內的水吸熱后溫度升高，比重減小而上升，形成一個向上的動力，構成一個集熱系統(tǒng)。隨著熱水的不斷上移并儲存在儲水箱上部，同時溫度較低的水沿管的另一側不斷補充如此循環(huán)往復，最終整箱水都

38、升高至一定的溫度。 集熱系統(tǒng)吸收太陽能輻射后，集熱管溫度上升，當集熱器溫度和水箱溫度水溫達到設定值時，檢測系統(tǒng)發(fā)出指令，循環(huán)泵將中央熱水器中的冷水輸入集熱器中，水被加熱后再回到水箱中，使水箱內的水達到設定的溫度。 3.5 單片機控制系統(tǒng) 單片機系統(tǒng)有基本的時鐘電路和復位電路，單片機的頻率一般為11.0592m，復位電路有手動和上電自動復位電路，rst復位信號復位端，當此引腳保持兩個機器周期的高電平時，就可以完成復位操作。復位電路如圖： 圖3-7手動復位電路 圖3-8自動復位電路單片機的時鐘信號是由外部接的晶振產生，晶振的連接電路如圖：圖3-9單片機晶振電路單片機芯片上集成了各種功能部件：中央處

39、理器（cpu）、隨機存取存儲器（ram）、只讀存儲器（rom）、定時/計數器、和各種輸入/輸出（i/o）接口等。它們之間相互連接，構成一個完整的單片機。at89c52單片機采用40引腳的雙列直插封裝（dip方式），在單片機的40條引腳中有2條專用于主電源的引腳，2條外接晶體振蕩的引腳，4條控制與其它電源復用的引腳，32條輸入/輸出（i/o）引腳7。at89c52單片機是一種低功耗高性能的coms8位微控制器，內置8kb可在線編程閃存。該器件采用atmel公司的高密度非易失性存儲技術生產，其指令與工業(yè)標準的at80c51指令集兼容。片內程序存儲器允許重復在線編程，允許程序存儲器在系統(tǒng)內通過spi

40、串行口改寫或通同用的非易失性存儲器改寫。通過把通過的8位cpu與可在線下載的flash集成在一個芯片上，at89c52便成為一個高效的微型計算機。它的應用范圍廣，可用于解決復雜的控制問題，且成本較低。at89c52的主要特性有：兼容mcs51產品，8k字節(jié)可擦寫1000次的在線可編程isp閃存，3級程序存儲加密，256字節(jié)內部ram，3個16位定時/計數器，8個中斷源，低功耗空閑方式和掉電方式，看門狗定時器，雙數據指針，靈活的在線編程。其芯片引腳如圖310所示：圖3-10單片機芯片封裝引腳3.6 led數碼管顯示電路7段led數碼管是利用7個led（發(fā)光二極管）外加一個小數點的led組合而成的

41、顯示設備，可以顯示09等10個數字和小數點，這類數碼管可以分為公陰極與共陽極兩種，共陽極就是把所有l(wèi)ed的陽極連接到共同的結點，而每個 led的陰極分別為a,b,c,d,e,f,g及dp（小數點）；共陰極就是把所有l(wèi)ed的陽極連接到共同的結點，而每個 led的陽極分別為a,b,c,d,e,f,g及dp（小數點），如圖 311所示：圖3-11數碼管原理電路根據數碼管的驅動方式的不同，可以分為靜態(tài)式和動態(tài)式兩類。 靜態(tài)顯示驅動：每個數碼管的每個段都由一個單片機的i/o端口進行驅動，或者使用如bcd碼的二十進制譯碼器譯碼進行驅動。靜態(tài)驅動的優(yōu)點是編程簡單，顯示亮度高，缺點是占用i/o端口多。動態(tài)顯示

42、驅動:動態(tài)驅動是將所有數碼管的8個顯示筆劃“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端連在一起，位選通由各自獨立的i/o線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數碼管會顯示出字形，取決于單片機對位選通控制，所以我們只要將需要顯示的數碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形。 圖3-12單片機與數碼管連接電路3.7按鍵電路設計 這部分主要是運用按鍵實現太陽能熱水器的實時控制的一些觀測，由于沒有實際的太陽能熱水器用于實驗，采用此種方式可以觀察是否實現了預期的效果。通過按鍵按下判斷是手動/自動控制，加水/加熱控制，停止加水/加熱控制，高中低水位控制。按鍵是用來向系統(tǒng)提供

43、操作人員命令的接口，所以準確無誤地辨認每個鍵的動作以及其所處的狀態(tài)，是系統(tǒng)能否正常工作的關鍵。多數按鍵多采用機械彈性開關，一次高低電平的變化就是一次命令。但是按鍵的抖動是難以避免的，為了穩(wěn)定操作，我們要防止抖動的發(fā)生，就要消除抖動的影響，可以從硬件和軟件兩方面解決。硬件防抖電路：利用rc積分電路對干擾脈沖的吸收作用，選擇好電路的時間常數，就能在按鍵抖動信號通過此濾波電路時，消除抖動影響。濾波防抖電路圖如圖2-12所示。當k位按下時，電容c兩端的電壓均為0，非門輸出為1。當k按下時，由于c兩端電壓不可能產生突變。盡管在觸點接觸過程種可能出現抖動，只要適當選取r1、r2和c的值，即可保證電容c兩端

44、的充電電壓波動不超過非門的開啟電壓（ttl位0.8v），非門的輸出維持高電平。同理，當觸點斷開時，由于電容c經過電阻r放電，c兩端的放電電壓波動不會超過門的關閉電壓，因此，門的輸出也不會改變。總之，只要r1、r2和c的時間常數選取得當，確保電容c有穩(wěn)態(tài)電壓充電到開啟電壓，或放電到關閉電壓的延遲時間等于或大于10ms，該電路就能消除抖動影響。圖3-13單片機與數碼管連接電路軟件防抖方法：當第一次檢測到有鍵按下時，先用軟件延時（1020ms），而后再確認該鍵電平是否仍維持閉合狀態(tài)電平。若保持閉合狀態(tài)電平，則確認此鍵一按下，從而消除了抖動的影響。4 軟件設計方案硬件電路是一切的基礎，在其基礎上軟件設

45、計是關鍵的部分，它是單片機工作的重點，就是讓各部分協調工作的命令，軟件程序的重要性是毋庸置疑的，是整個控制系統(tǒng)的命脈，根據各部分編寫相應的驅動程序，才能使得相應的芯片有其功能，所以程序設計是非常重要的。芯片的工作有著與自己對應的時序圖，只有根據時序準確的執(zhí)行命令才能達到想要的目的，實現芯片的功能。程序的設計還要有著一定的思路，根據系統(tǒng)運行的過程要畫出相應的程序流程圖，根據流程圖寫程序是非常方便的，也不容易產生錯誤，得到正確的程序。如圖41所示 圖41 系統(tǒng)程序總流程圖4.1 ds18b20驅動程序設計ds18b20數字溫度計提供9位（二進制）溫度讀數，指示器件的溫度。信息經過單線接口送入ds1

46、8b20或從ds18b20送出，因此從主機cpu到ds18b20僅需一條數據線和地線，電源可以有數據線本身提供而不需要外部電源。ds18b20的測量范圍從55c到125c。溫度傳感器的引腳如表41所示。表4-1 ds18b20管腳連接管腳號名稱功能電路連接情況1gnd接電源地dgnd2dq數據輸出p3.5端3vdd接5v電源vcc每一個ds18b20包括一個唯一的64位長的序號，該序號存放在ds18b20內部的rom中。開始8位是產品類型編碼(dsl8b20編碼均為10h)接著的48位是每個器件唯一的序號最后8位是前面56位的crc(循環(huán)冗余校驗)碼dsl820中還有用于貯存測得的溫度值的兩個

47、8位存貯器ram編號為0號和1號1號存貯器存放溫度值的符號如果溫度為負,則1號存貯器8位全為1,否則全為00號存貯器用于存放溫度值的補碼lsb(最低位)的1表示0.5。ds18b20用9位存貯溫度值，最高位為符號位下表為ds18b20的溫度存儲方式負溫度s=1正溫度s=0。表42 ds18b20溫度存儲bit7bit6bit5bit4bit3bit2bit1bit0lsbbit15bit14bit13bit12bit11bit10bit9bit8msbssssssss4.2串行ad轉換器adc0832程序設計由于微機只能處理數字化的信息，而在實際應用中被控對象常常是連續(xù)變化的物理量，因此，微機

48、用于控制系統(tǒng)是需要有能把模擬信號轉換成數字信號的接口，以便能對被控制對象進行處理和控制。a/d轉換器就是承擔這樣的任務，a/d轉換就是把模擬量轉化成為二進制的數字量，一般的a/d轉換過程是通過采樣、保持，量化，編碼4個步驟完成的，這些往往是合并運行的。輸入配置可在多路器尋址時序中進行。多路器地址可通過di端移入轉換器。多路器地址選擇模擬輸入通道可決定輸入是單端輸入還是差分輸入。當輸入是差分時，應分配輸入通道的極性，并應將差分輸入分配到相鄰的輸入通道對中。例如通道0和通道可被選為一對差分輸入。另外，在選擇差分輸入方式時，極性也可以選擇。一對輸入通道的兩個輸入端的任何一個都可以作為正極或負極。通常

49、adc0832在輸出以最高位（msb）開頭的數據流后，會以最低位（lsb）開頭重輸出一遍（前面的數據流）。（因此，編程時要發(fā)兩輪脈沖，第一次取數據，第二次若不要從低到高的數據，也要發(fā)一輪8 個脈沖將adc0832中寄存器的數據移出。其工作時序如下所示：圖42 adc0832讀寫時序圖adc0832有8只引腳，ch0和ch1為模擬輸入端，cs為片選引腳，只有cs置0才能對adc0832進行配置和啟動轉換。clk為adc0832的時鐘輸入端。cs在整個轉換過程中都必須為低，當cs為低時，在數據輸入端di（數據輸入端）加一個高電平（這個高電平是算在送到di的一位之中，那么后面就只要再送兩位。這個高電

50、平是作為起始標志），接著在clk上加一個時鐘，di上的邏輯1就會使adc0832的di脫離高阻態(tài)，然后通道配置數據伴隨著時鐘通過di端移入多路器，當最后一位數據移入多路器時（數據是三位，前一位標志輸入開始，后兩位是用來作通道設置和選擇），di變?yōu)楦咦钁B(tài)，在這以前do（數據輸出端）都為高阻態(tài)（就是cs從高跳到低到現在）。在經過一個時鐘（是指在最后一個數據從di移入后，還要再經過一個時鐘，當最后一位數據移入di，需要再加一個時鐘使do脫離高阻態(tài)），do脫離高阻狀態(tài)并啟動轉換。接著從處理器接收時鐘信號，每經過一個時鐘，轉換后的數據就會從高位到低位逐次從do移出，經過8個時鐘后，數據又以從低位到高位的

51、形式從do移出（也是每個時鐘移一位）。當最后一位數據移出時轉換完成。當cs從低變?yōu)楦邥r，adc0832內部所有寄存器清零。如想要進行下一次轉換，cs必須做一個從高到低跳變，后跟著地此配置數據重復上面的過程。表4-3 ds18b20通道選擇多路轉換器地址通道sgl/odd/sign0100+-01-+10+11+根據上述adc0832的相關轉換時序，進行單片機和adc0832的連接時，因為di和do并不是同時使用，所以di和do可以共用單片機的一條i/o線，再加上一條時鐘線和一條片選線就可以實現單片機和adc0832的連接，流程圖如圖43所示圖43 adc0832工作流程圖4.3 按鍵控制程序設

52、計按鍵是外部命令的體現，一個按鍵從沒有按下到按下以及釋放是一個完整的過程，也就是說，當我們按下一個按鍵時，總希望某個命令只執(zhí)行一次，而在按鍵按下的過程中，不要有干擾進來，因為，在按下的過程中，一旦有干擾過來，可能造成誤觸發(fā)過程，這并不是我們所想要的。因此在按鍵按下的時候，要把我們手上的干擾信號以及按鍵的機械接觸等干擾信號濾除掉，一般情況下，我們可以采用電容來濾除掉這些干擾信號，但實際上，會增加硬件成本及硬件電路的體積，這是我們不希望，總得有個辦法解決這個問題，因此我們可以采用軟件濾波的方法去除這些干擾信號，一般情況下，一個按鍵按下的時候，總是在按下的時刻存在著一定的干擾信號，按下之后就基本上進

53、入了穩(wěn)定的狀態(tài)。具體的一個按鍵從按下到釋放的全過程的信號圖如下圖所示：圖44按鍵理想波形圖 圖45 按鍵實際的波形從圖中可以看出，由于按鍵的機械特性，當按鍵閉合時，并不能馬上保存良好的接觸，而是來回彈跳。這個時間很短，我們的手根本感覺不出來。但是對于一秒鐘執(zhí)行百萬條指令的單片機而言，這個時間是相當的長了。那么在這段抖動的時間內，單片機可能讀到多次高低電平的變化。如果不加任何處理的話，就會認為已經按下，或者松開很多次了。而事實上，我們的手一直按在按鍵上，并沒有重復按動很多次。要想能夠正確的判斷按鍵是否按下就要避開這段抖動的時間。我們在程序設計時，從按鍵被識別按下之后，延時10ms以上，從而避開了

54、干擾信號區(qū)域，我們再來檢測一次，看按鍵是否真得已經按下，若真得已經按下，這時肯定輸出為低電平，若這時檢測到的是高電平，證明剛才是由于干擾信號引起的誤觸發(fā)，cpu就認為是誤觸發(fā)信號而舍棄這次的按鍵識別過程。從而提高了系統(tǒng)的可靠性。由于要求每按下一次，命令被執(zhí)行一次，直到下一次再按下的時候，再執(zhí)行一次命令，因此從按鍵被識別出來之后，我們就可以執(zhí)行這次的命令，所以要有一個等待按鍵釋放的過程，顯然釋放的過程，就是使其恢復成高電平狀態(tài)。程序設計過程中按鍵識別過程的框圖如下圖所示：圖46 按鍵檢測框圖4.4 led數碼管顯示程序設計將所得到的結果用led數碼管顯示出來，給人直觀的了解當前系統(tǒng)的狀態(tài)，數碼管

55、要顯示當前系統(tǒng)的值,就要有一定的端口往數碼管送入數據，還要有點亮數碼管的信號為，我們要將09這十個數字的碼字定義成一個數組，通過檢驗輸出的數據查斷碼表，就能顯示相應的數字。表4-4 7段led的字型碼顯示字符共陽極字型碼共陰極字型碼顯示字符共陽極字型碼共陰極字型碼03fhc0h56dh92h106hf9h67dh82h25bha4h707hf8h34fhb0h87fh80h466h99h96fh90h由于在硬件電路中，是將p0口和數碼管的段碼位相連，位選信號p2口與數碼管亮滅有關，掌握著是哪個數碼管亮，接下來程序就要定義相關端口：（1）定義字位和字型口#define sled_dm_port

56、p0 /*定義數碼管段碼的控制腳*/#define sled_wm_port p2 /*定義數碼管位碼的控制腳*/（2）定義字型編碼表（數字09）uchar code du_char=0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,;（3）顯示：得到字型和字位口的地址后，向不同的字位送數據，進行顯示。（4）動態(tài)掃描：由于使用動態(tài)顯示法，在led顯示程序中，需要不停地進行掃描字位口，從而實現不同字位的數據的動態(tài)掃描結果。圖47 led顯示程序流程圖5 硬件電路仿真結果5.1 溫度仿真通過硬件電路和軟件的結合，測試程序的正確性，需要仿真溫度的顯示和可控制加熱方面是否達到要求，需要通過proteus軟件做以下仿真：5.1.1 溫度顯示仿真仿真結果表明，顯示的溫度和數字溫度傳感器ds18b20上顯示的數據相同，表明程序將溫度傳感器ds18b20中的溫度數據正確的讀出，達到了讀取溫度和顯示溫度的目的。圖5