基于FPGA控制的太陽能熱水器水位水溫智能控制儀

1、目 錄引言2第1 章 太陽能熱水器現(xiàn)狀分析及本設(shè)計的任務(wù)31.1 太陽能熱水器的發(fā)展背景31.2 太陽能熱水器國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀41.3 太陽能熱水器的分類61.4 太陽能熱水器的優(yōu)缺點71.5 本設(shè)計的目的與意義9第2 章 新型太陽能熱水器功能分析及總體方案設(shè)計112.1水位水溫控制112.2安全控制122.3水循環(huán)控制142.4總體方案的確定15第3 章 太陽能熱水器智能控制儀的功能模塊設(shè)計153.1 主控硬件電路芯片的選型153.2電源電路的設(shè)計163.3實時時鐘電路的設(shè)計183.4人機界面電路設(shè)計203.4.1 12864液晶引腳功能213.4.2 液晶顯示器的原理213.4.3 液晶顯示

2、器的優(yōu)點223.5電磁閥和電加熱棒控制電路設(shè)計233.6溫度和液位信號采集電路設(shè)計26第4 章 軟件的設(shè)計304.1主程序流程圖314.2鍵盤中斷服務(wù)流程圖31第5 章 總結(jié)33致謝35附錄1 太陽能熱水器智能控制儀原理圖36基于FPGA控制的太陽能熱水器水位水溫智能控制儀摘要:針對目前家用太陽能熱水器功能單一、操作復(fù)雜、控制不方便等特點，本文提出了一種新型的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計方案。根據(jù)太陽能熱水器對控制系統(tǒng)的要求，以FPGA為中心控制單元，采用DS1302實時時鐘，設(shè)計了一種太陽能熱水器水位水溫控制儀，給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計及軟件實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)具有時間、溫度、水位設(shè)定與控制功能，且具有良

3、好的抗干擾性能。 關(guān)鍵詞：太陽能熱水器 FPGA 硬件設(shè)計 Abstract:At present, domestic solar water heater for single function and complicated to operate and control the characteristics of the inconvenience they may face, this paper presents a new type of solar water heater control system design. Solar water heater in accordan

4、ce with the requirements of the control system to FPGA as the central control unit, the DS1302 real time clock, the design of a solar water heater water temperature control device, given the system hardware design and software implementation. The system has the time, temperature, water level setting

5、s and control functions, and has a good anti-interference performance.Key words: Solar water heater，F(xiàn)pga，Hardware design，Software Design引言太陽熱水器是利用太陽的能量將水從低溫度加熱到高溫度的裝置，是一種熱能產(chǎn)品。太陽熱水器是由全玻璃真空集熱管、儲水箱、支架及相關(guān)附件組成，把太陽能轉(zhuǎn)換成熱能主要依靠玻璃真空集熱管。集熱管受陽光照射面溫度高，集熱管背陽面溫度低，而管內(nèi)水便產(chǎn)生溫差反應(yīng)，利用熱水上浮冷水下沉的原理，使水產(chǎn)生微循環(huán)而達(dá)到所需熱水。隨著太陽能熱水器集熱

6、管的改進(jìn),太陽能熱水器的集熱效果大大增強,太陽能熱水器已經(jīng)成為百姓家里日常洗澡、取暖、用熱水的不可缺少的能源裝置。但目前市售的太陽能熱水器大部分沒有配備全自動水溫水位顯示及控制儀器,雖然配有電加熱輔助裝置,但都不是自動的,致使用熱水時不知道水溫及用水量的多少,帶來許多不便。尤其是在冬天太陽光較弱時不能及時啟動電加熱器,只好等幾個小時才能洗澡。目前,中國已成為世界上最大的太陽能熱水器生產(chǎn)國,年產(chǎn)量約為世界各國之和。但是與之相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?，F(xiàn)在的這種控制器只具有溫度和液位顯示功能,而且為分段顯示。他不具有溫度控制功能,當(dāng)由于天氣原因而光強不足時,就會給熱水器用戶

7、帶來不便。鑒于國內(nèi)太陽能熱水器市場不斷擴(kuò)大,而與其相配套的控制儀卻急需改進(jìn)的情況下,研制了這套太陽能熱水器控制儀。本文設(shè)計的太陽能熱水器是以AVR單片機為檢測控制核心,不僅實現(xiàn)了溫度、水位兩種參數(shù)的實時顯示功能,而且具有溫度設(shè)定與控制功能?？刂破骺梢愿鶕?jù)天氣情況利用輔助加熱裝置使蓄水箱內(nèi)的水溫達(dá)到預(yù)先設(shè)定的溫度,從而達(dá)到24小時供應(yīng)熱水的目的。實際應(yīng)用結(jié)果表明,該控制儀和以往的顯示儀相比具有性價比高、溫度控制與顯示精度高、使用方便和性能穩(wěn)定等優(yōu)點,提高了我國太陽能應(yīng)用領(lǐng)域控制水平,具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。第1章 太陽能熱水器現(xiàn)狀分析及本設(shè)計的任務(wù)1.1太陽能熱水器的發(fā)展背景(1)太陽能熱

8、水器發(fā)展的政治法律環(huán)境近年來，為緩解我國能源危機及環(huán)境污染問題，新能源和可再生能源的開發(fā)利用越來越受到重視。而我國太陽能資源極為豐富，有很大的利用價值空間，太陽熱水器已被國家列為重點推廣的項目。中華人民共和國可再生能源法已于2006年1月1日施行，其中第十七條規(guī)定：國家鼓勵單位和個人安裝和使用太陽能熱水系統(tǒng)、太陽能供熱采暖和制冷系統(tǒng)、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)等太陽能利用系統(tǒng)。今后，國家還將出臺一些有利政策來鼓勵太陽熱水器的推廣應(yīng)用。這些不僅為太陽熱水器的生產(chǎn)與安裝提供了一個很有利的政治法律環(huán)境，而且為太陽熱水器的推廣應(yīng)用提供了法律保障。(2)太陽能熱水器發(fā)展的經(jīng)濟(jì)環(huán)境在最近20年，中國經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，

9、人民逐漸富裕起來。據(jù)預(yù)測，到2010年我國GDP將達(dá)到21.5萬億元左右，人均GDP將達(dá)到1900美元。從人們的收入來看，價格為15002500元的太陽熱水器完全可以成為大多數(shù)中國居民的家用耐用品之一，尤其是在中國廣闊的農(nóng)村市場，特別是先富起來的小城鎮(zhèn)。(3)太陽能熱水器發(fā)展的社會文化環(huán)境隨著人們生活水平的提高，熱水器已成為大部分居民家庭中的必備家用耐用品之一。近年來，越來越多的人開始關(guān)注環(huán)境污染，綠色、環(huán)保、健康成為消費者購買商品時的重點考慮因素。太陽熱水器無污染、節(jié)能、環(huán)保、安全。隨著我國煤電氣等能源的日趨緊張，價格不斷調(diào)高，人們對太陽熱水器的需求越來越迫切。我國有近13億人口，3億多家庭

10、，而太陽熱水器的消費受年齡層次的影響很小，是大眾化的家庭耐用品。(4)太陽能熱水器發(fā)展的技術(shù)環(huán)境太陽熱水器產(chǎn)品類型主要有真空管型、平板型和悶曬型三大類型技術(shù)板塊。目前比較先進(jìn)的太陽熱水器技術(shù)有分體式太陽熱水器技術(shù)、壁掛式太陽熱水器技術(shù)、承壓式太陽熱水器技術(shù)、太陽能熱泵熱水器，還有正在研究中的太陽能熱水空調(diào)系統(tǒng)技術(shù)，夏天在不太需要熱水的時候，利用熱水器產(chǎn)的熱水帶動空調(diào)制冷，冬天利用熱水器產(chǎn)的熱水供暖或洗浴，這種高效率的綜合利用太陽熱水器的技術(shù)是今后發(fā)展的趨勢。從政治法律環(huán)境、經(jīng)濟(jì)環(huán)境、社會文化環(huán)境、技術(shù)環(huán)境幾個方面綜合分析來看，中國太陽能熱水器市場目前具有良好的發(fā)展環(huán)境，處于產(chǎn)品生命周期的成長期

11、，市場需求量和潛在用戶迅速增長，目前沒有新的替代品的威脅，又有國家政策的鼓勵，市場前景十分廣闊。但是，目前國內(nèi)的生產(chǎn)廠家很多，市場競爭十分激烈，大部分是生產(chǎn)質(zhì)次價低的小作坊式的生產(chǎn)企業(yè)，許多消費者也意識到了這種質(zhì)次價低的產(chǎn)品的危害，隨著市場的成熟，這些小企業(yè)將逐步被淘汰。而目前實力較強的企業(yè)中還沒有占絕對優(yōu)勢的品牌，沒有形成寡頭壟斷競爭的格局。因此，中國太陽能熱水器企業(yè)立足目前這種市場狀況，注重科研技術(shù)開發(fā)，在市場競爭中采取技術(shù)領(lǐng)先的差異化戰(zhàn)略，生產(chǎn)出高質(zhì)量的滿足用戶需要的產(chǎn)品，必將有廣闊的發(fā)展前景。1.2太陽能熱水器國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀(1)國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀中國的太陽能熱水器市場發(fā)展很快，總的保有量和

12、年生產(chǎn)能力世界第一。但主要是以真空管直插式的簡易產(chǎn)品為主，工程也以非承壓單循環(huán)為主。中國的太陽能廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品很多，追求全面，主要生產(chǎn)廠家不僅生產(chǎn)水箱、支架還生產(chǎn)真空。中國太陽能市場運作主要是以制造商發(fā)展經(jīng)銷商，以專賣店形式銷售產(chǎn)品。制造商不僅制造產(chǎn)品還負(fù)責(zé)市場及品牌運作、工程安裝和售后服務(wù)。中國的太陽能產(chǎn)品開發(fā)主要由各個制造廠的技術(shù)部負(fù)責(zé)，各自為政，包括工程系統(tǒng)應(yīng)用也是如此。由于各個廠所能聘用的專業(yè)研發(fā)人員數(shù)量和質(zhì)量有限，導(dǎo)致了中國太陽能的利用沒有大的突破。近年來，太陽能熱水器在我國迅猛發(fā)展，從20世紀(jì)70年代后期就開始了開發(fā)家用太陽能熱水器。到20世紀(jì)90年，它不僅可為家庭和機關(guān)、旅社、醫(yī)

13、院等提供洗澡、洗衣、炊事等所需熱水同時還可用于空調(diào)、干燥、農(nóng)業(yè)種植、水產(chǎn)養(yǎng)殖、海水淡化等。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，太陽能熱水器也隨之不斷改進(jìn)，由集熱和貯熱合為一體逐步改進(jìn)為集熱和貯熱部分分開，采用先進(jìn)的太陽能集熱器，先進(jìn)的保溫材料和冬季防凍技術(shù)及其他輔助裝置等?，F(xiàn)如今生產(chǎn)的先進(jìn)的太陽能熱水器已實現(xiàn)了全年運行，大大提高了太陽能熱水器的熱效率和利用效率。目前，太陽能熱水器是可再生能源技術(shù)領(lǐng)域商業(yè)化程度最高，推廣應(yīng)用最普遍的技術(shù)之一。太陽能熱水器技術(shù)發(fā)展：其一、利用副水箱自動上水，無須人工操作，特別適用于供水供電不很正常的農(nóng)村。當(dāng)白天出現(xiàn)水壓不足，停電上不了水的情況時，到了深夜，它能自動上水，水滿自停，

14、可靠性高，使用壽命長。其二、智能化是方面，大多數(shù)廠家的產(chǎn)品采用電腦線控方式15，線控的主要目的是控制面板能與主體分離，以利于操作。電腦控制能夠?qū)崿F(xiàn)更精確的溫度控制和熱水預(yù)約功能，具有自動記憶功能，能夠記錄使用者的用水時段、用水次數(shù)、用水量和用水溫度，到時提前自動加熱，充分的滿足使用者用水的要求。其三、節(jié)能方面，廠商已經(jīng)開始從高效率方面來改進(jìn)產(chǎn)品。利用良好的保溫技術(shù)，使熱水保持到第二天使用。比力奇、前鋒和西門子的雙內(nèi)膽結(jié)構(gòu)：兩個內(nèi)膽上下放置，相互連通，下膽進(jìn)冷水，上膽出熱水，減少了熱水與冷水的接觸面，提高了出熱水量，節(jié)能省電。海爾的分層加熱技術(shù)、西門子的接力式加熱管以及阿里斯頓的“Z”型加熱管都

15、能根據(jù)用水量充分的加熱特定區(qū)域。(2)國外發(fā)展現(xiàn)狀太陽能熱水器是一種清潔，環(huán)保，節(jié)能的產(chǎn)品。世界各國對太陽熱水器的開發(fā)十分重視。各國紛紛制定太陽熱水器技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展規(guī)劃，大大地加速了該行業(yè)的發(fā)展。美國的“百萬太陽能屋頂計劃”實施將帶動大批相關(guān)工業(yè)的發(fā)展。歐共體提出了“太陽熱水系統(tǒng)熱能供給保證體制”，以合同的形式對用戶實現(xiàn)供熱水的承諾。先后在法國、西班牙和德國加以實施，已取得了良好的效果。以色列是一個化石能源資源較少而太陽能資源十分豐富的國家。政府對太陽熱水器的開發(fā)利用進(jìn)行了直接干預(yù)。韓國，東南亞各國也制定了支持開發(fā)利用太陽熱水器的優(yōu)惠政策，紛紛吸收外資到本國開辦太陽能企業(yè)。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，

16、太陽能熱水器也隨之不斷改進(jìn)。以色列農(nóng)民在政府的支持下85%的住宅都村安裝了太陽能熱水器。美國有130多萬個游泳池都裝上了太陽能集源熱器，成為環(huán)保型的太陽能游泳池。太陽能熱水器在國外的應(yīng)用：其一、針對城市住宅的安裝使用，集體組裝、分戶使用的、全天候運行的、具有自動控制的、每戶裝有熱水表的太陽熱水系統(tǒng)。其二、適用不同用戶需要的、滿足各種建筑物結(jié)構(gòu)和外觀要求具有個性化的產(chǎn)品。其三、滿足各種行業(yè)的應(yīng)用。商業(yè)與服務(wù)業(yè)的洗車、餐飲、洗浴、洗染、美容、賓館和飯店以及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫室加熱、畜禽養(yǎng)殖等都需要大量的熱水；太陽熱水系統(tǒng)與沼氣池結(jié)合起來，可以提高發(fā)酵溫度，大大地提高其產(chǎn)氣率；在工業(yè)生產(chǎn)中也有不少使用熱

17、水的場所，如皮革加工、機械零件的清洗以及預(yù)熱等。太陽熱水器和被動太陽房相結(jié)合進(jìn)行采暖是一種值得推廣的技術(shù)。另外，主動太陽房利用太陽熱水器和其它能源相結(jié)合，進(jìn)行地板采暖也有很好的經(jīng)濟(jì)效益。1.3太陽能熱水器的分類當(dāng)前太陽能熱水器主要分真空管太陽能熱水器以及熱泵太陽能熱水器（空氣能熱水器）兩種。A真空管式太陽能熱水器工作原理：真空管吸熱-微循環(huán)-保溫水箱-測控制系統(tǒng)-用戶。真空管式太陽能熱水器，利用真空管集熱，最大限度的實現(xiàn)光熱轉(zhuǎn)換，經(jīng)微循環(huán)把熱水傳送到保溫水箱里，通過專用管路至用戶?？刂葡到y(tǒng)把自來水通過控制閥，控制儀等送至太陽能以達(dá)到自動化控制。輔助電加熱安置在水箱里，已備陰、雨、雪天使用，節(jié)電

18、90%。并自動化運行。 性能特點及技術(shù)參數(shù)：（1）集熱元件-真空管技術(shù)參數(shù)規(guī)格: 1200mm×47mm 1500 mm×47mm。 目前集熱效果的最好的是AL-N/AL真空濺射選擇性鍍膜，本產(chǎn)品采用1.2、1.5m利用該涂層的玻璃真空管，其吸收率 0.93紅外發(fā)射率0.6，平均熱損Uct0.9W/真空度P5×103pa采用性能相當(dāng)于美國的高硼硅3.3特硬玻璃制造。（2）保溫材料性能特點及技術(shù)參數(shù)： 保溫材料的好壞直接關(guān)系著熱效率和晚間清晨的使用，在寒冷的東北尤其重要。目前較好的保溫方式是進(jìn)口聚氨脂保溫，若配料、工藝、環(huán)境、溫度不適，也會造成發(fā)泡不均或泡孔過大、工

19、質(zhì)緩慢漏失保溫性逐漸下降的后果，這就需要廠家有專門的發(fā)泡機械、標(biāo)準(zhǔn)化模具和較高的工藝技術(shù)水平。另外，我們不僅要了解產(chǎn)品用材工藝、還要看廠家的機械設(shè)備、模具等有機成本的高低、質(zhì)量監(jiān)測的水準(zhǔn)。產(chǎn)品質(zhì)量直接關(guān)系消費者的利益。 聚氨酯保溫層厚度：70mm閉孔率:65.69導(dǎo)熱系數(shù):19.83mw/m.k，并經(jīng)過高溫熟化處理。 （3）水箱內(nèi)膽與支架水箱內(nèi)是儲存熱水的重要部分，其用材料強度和耐腐蝕性至關(guān)重要，優(yōu)質(zhì)的選材應(yīng)是進(jìn)口SUS304板材，厚度在0。6mm-0。8mm之間不銹鋼板，氬氣保護(hù),高頻自動焊接,提高鋼板在各種水質(zhì)或各種環(huán)境耐腐蝕性能，是比較先進(jìn)的焊接工藝 ，支架材料全部采用不銹鋼（SUS30

20、4），外觀美觀、強度高、整體采用螺栓連接，支架、整機剛性強,而且利于運輸安裝，抗腐能力強。B熱管承壓式太陽能熱水器工作原理：真空管吸熱-熱管傳導(dǎo)熱-保溫水箱-控制系統(tǒng)-用戶。 熱管承壓式太陽能熱水器，利用真空管集熱，內(nèi)置型翅片，把高溫環(huán)境中的熱量傳給熱管、熱管迅速將熱量傳入水箱，特別在多云，輻射強度低的情況下，啟動傳熱快。經(jīng)連續(xù)測試，熱管式太陽能熱水器，日平均熱效率高達(dá)56%。 傳熱元件-熱管技術(shù)參數(shù)規(guī)格：8×1520 （1）國內(nèi)熱管生產(chǎn)廠很多，我們對國內(nèi)所有熱管進(jìn)行檢測，按GB/T14812-1993、GB/14813-1993對熱管性能和熱管壽命進(jìn)行實驗檢測，大多有機熱管在一、兩

21、年后，傳熱效率明顯下降，最后選定無機分子熱管（美國-MACBLE公司專利技術(shù)），通過美國思坦福研究院（SRI）長期系統(tǒng)測試，證明其具有卓越的傳熱性能。傳熱不需工質(zhì)相變，靠分子熱運動、傳熱快、傳熱效率高。 （2）承壓能力高 熱管式太陽能熱水器水箱，采用2MM厚鋼板，弧型封頭，CO 2自動焊接，承壓能力0.6MPa，密封工作壓力高達(dá)1.2Mpa。選用國際先進(jìn)化學(xué)鍍鎳技術(shù)，表面噴涂達(dá)到國際先進(jìn)水平。集熱器可承受自來水的壓力（試驗壓力最高可達(dá)1.2MPa）。尺寸符合TB311-74規(guī)定， （3）抗凍、承載能力強 熱管式太陽能熱水器采用熱管傳熱技術(shù)，集熱管內(nèi)無水，不會因高寒地區(qū)氣溫過低而凍破集熱管，從而

22、影響使用。而且因管中無水，若一支熱管破損，不會影響整機工作，這樣熱水器使用范圍更廣。支架材料全部采用不銹鋼（SUS304），外觀美觀、強度高、整體采用螺栓連接，支架、整機剛性強而且利于運輸安裝，抗腐能力強。1.4太陽能熱水器的優(yōu)缺點隨著人們環(huán)保意識的不斷加強，越來越多的消費者傾向于選擇太陽能熱水器，但很多人對使用這種產(chǎn)品又不是很了解。在這里，我們將太陽能熱水器、電熱水器和燃?xì)鉄崴鞯男阅茏饕粋€粗略的比較。 一、熱水產(chǎn)量方面 燃?xì)鉄崴饔?升、7升、8升等不同的型號，是指在1分鐘內(nèi)將水溫升高25時所產(chǎn)的熱水量，如果自來水的溫度為25，則每分鐘可產(chǎn)50的熱水5升、7升或8升。 電熱水器的標(biāo)注則是3

23、0升、60升、90升等等，這是指電熱水器的容水量，相當(dāng)于我們在電爐子上加一個水壺，這個水壺的盛水量是30升、60升、90升。拿一個8升的燃?xì)鉄崴髋c一個40升的電熱水器相比較，8升的燃?xì)鉄崴骺蛇B續(xù)不斷地產(chǎn)生每分鐘8升的熱水，而電熱水器需要間隔半小時加熱一罐水。如果這一罐水用完，還要等半小時左右。 太陽能熱水器按照年平均氣溫15.7、年日照時數(shù)2014小時、太陽總輻射總量年均為111.59千卡平方米計算，如果集熱面積為2平方米，年吸收太陽輻射能量為9.37×106千焦，按把水溫升高35計算(基礎(chǔ)水溫10)，全年可提供生活用熱水(45)53.5噸，每人每次洗澡用熱水約需50公斤，則全年

24、可洗1070人次，平均每天可洗2.93人次。 二、加熱速度方面 目前生產(chǎn)的燃?xì)鉄崴鞔蠖酁榭焖贌崴鳎徽撌裁磿r候，只要想用熱水，打開燃?xì)忾y和水龍頭，熱水就會流出來。而電熱水器需要預(yù)先通電半小時左右，才能開始使用。太陽能熱水器在天氣晴朗的時候使用更好，最理想的樓層在六至八層。 三、溫度穩(wěn)定性方面 燃?xì)鉄崴饔捎谑强焖偌訜幔⒂姓{(diào)整溫度裝置，只要在使用開始時調(diào)到人體感覺舒適的溫度，而后就會一直保持在這一溫度恒定地供應(yīng)熱水。 電熱水器在使用時需要另外接一根冷水管兌入冷水，當(dāng)罐內(nèi)水不斷流出，冷水不斷加入時，水溫就會逐漸下降，直到全部是冷水。所以在使用時，需要不停地去調(diào)整冷熱水的比例。 太陽能熱水器使

25、用起來暫時還不大方便，要上水，且不能保證時時有熱水。 四、功率方面 燃?xì)鉄崴鞯墓β室入姛崴鞔蠛芏?，拿一個8升的燃?xì)鉄崴骱?0升的電熱水器相比較，8升燃?xì)鉄崴鞯墓β氏喈?dāng)于16-17千瓦，而40升的電熱水器一般為3千瓦，這也是為什么燃?xì)鉄崴骺蛇B續(xù)供應(yīng)熱水的緣故。那么，電熱水器是否也可做成16千瓦的呢？這是不可能的，因為家用電表、電線都無法承受。 五、價格方面 8升的燃?xì)鉄崴鲀r格一般在800元以上，再加上安裝費，大約在1000元以上，有的甚至接近2000元。電熱水器現(xiàn)在都在500元以上，加上安裝費用，一般不到1000元。太陽能熱水器的價格都在3000元以上。使用費用方面，目前天然氣每立

26、方米為1.7元，每度電為0.44元，而太陽能熱水器僅耗水費。 六、安全性方面 燃?xì)鉄崴鞯膬?yōu)點是加熱快、出水量大、溫度穩(wěn)定、結(jié)水垢少、占地小、不受水量控制。缺點是使用時要排出大量的廢氣，廢氣中除了二氧化碳以外，還有一氧化碳，如果使用時關(guān)閉門窗，通風(fēng)不良，一氧化碳會增加，嚴(yán)重時會發(fā)生中毒事故，但如果能正確地了解這一點，使用時注意，也是很安全的；另外，燃?xì)鉄崴鲉铀畨焊撸行┳「邔拥挠脩羧绻谎b增壓泵就無法起動；安裝不方便，要在墻上打洞、安排氣扇等。 電熱水器的優(yōu)點是能適應(yīng)任何天氣變化，普通家庭可直接安裝使用，長時間通電可以大流量供熱水；使用時不產(chǎn)生廢氣，所以從這一點上講是既安全又衛(wèi)生，目前市場

27、上銷售的電熱水器多數(shù)還帶有防觸電裝置。缺點是體積大、占用室內(nèi)空間大、易結(jié)水垢、對電能浪費大，最新型的電熱水器內(nèi)置了陽極鎂棒除垢裝置，解決了產(chǎn)品容易結(jié)垢的問題，但陽極鎂棒須兩年更換一次，給保養(yǎng)帶來了麻煩。 太陽能熱水器的優(yōu)點是安全、節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)，尤其是帶輔助電加熱功能的太陽能熱水器，它以太陽能為主、電能為輔的能源利用方式，可全年全天候使用。缺點是安裝復(fù)雜，安裝不當(dāng)會影響住房的外觀、質(zhì)量及城市的市容市貌；因要安裝在室外，維護(hù)較麻煩。1.5本設(shè)計的目的及意義太陽能熱水器已走進(jìn)千家萬戶，太陽能熱水器行業(yè)蓬勃發(fā)展，前景廣闊，但是消費者的需求越來越高，現(xiàn)有的太陽能熱水器并不能很好的滿足消費者需求。隨著

28、社會生產(chǎn)的發(fā)展、科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步、生活水平的提高，人們早己不再滿足于只有使用功能的產(chǎn)品，人們在關(guān)注產(chǎn)品保證一定物質(zhì)功能的同時，越來越注重在使用過程中的舒適、高效、安全的操作。對太陽能熱水器的使用方便性、安全性、操作界面的人機友好性提出了更高的要求。本文設(shè)計了太陽能加熱與電加熱相結(jié)合的恒溫控制系統(tǒng)。設(shè)計這個系統(tǒng)有兩方面的目的：一方面，實現(xiàn)太陽能加熱與電加熱的自動轉(zhuǎn)換。另一方面，實現(xiàn)太陽能熱水器水位和水溫的精確控制。本文研究的意義也有兩方面：一方面，節(jié)省能源：我們現(xiàn)在所消費的能源，主要是煤炭、石油和天然氣等化石燃料，這些常規(guī)的化石燃料資源有限，不可再生。而太陽能是人類可以利用的，最豐富的新能源。另一

29、方面，保護(hù)環(huán)境，減少污染：環(huán)境問題是目前全世界都關(guān)注的一個問題。我國是世界上最大的煤炭生產(chǎn)和消費國，煤炭的大量開采與利用，必將造成大氣和其他類型環(huán)境污染及生態(tài)破壞。這對人類的生存和發(fā)展構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。而太陽能是一種綠色能源，不會排放任何污染大氣和其他類型環(huán)境的有害物，是與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)的清潔能源。第2章 新型太陽能熱水器功能分析及總體方案設(shè)計本系統(tǒng)由智能測控儀、熱力站和供水管道系統(tǒng)組成。智能測控儀根據(jù)用戶設(shè)定值控制和監(jiān)測整個系統(tǒng)的正常工作。熱力站負(fù)責(zé)采集太陽能并將其轉(zhuǎn)化為熱能，由高性能集熱玻璃真空管、使用內(nèi)層表面經(jīng)過防結(jié)垢處理的或帶防腐蝕正極的熱水儲水箱、水位水溫傳感器和電加熱管組成。供水管道

30、系統(tǒng)為用戶提供所需的熱水和水箱冷水供應(yīng)，由電子恒溫閥、電磁閥和耐高溫管道組成。其系統(tǒng)框圖如圖2-1所示。此款熱水器在智能測控儀控制下主要實現(xiàn)以下幾種功能：水位水溫預(yù)置，低水位報警，防高溫、防漏水、防漏電保護(hù)，恒溫加熱、恒水位補水，手動控制，水管防凍控制，溫水循環(huán)控制。同時具有全天供水模式、低水壓上水模式、日歷時間顯示。圖2-1 太陽能熱水器系統(tǒng)框圖2.1 水位水溫控制用戶可根據(jù)需要（沐浴人數(shù)、天氣狀況）進(jìn)行水位水溫的預(yù)置，以實現(xiàn)高效節(jié)水。由于早晨太陽光較弱，所以太陽能熱水器從系統(tǒng)發(fā)揮作用。為了提供用戶所需的熱水，測控儀控制熱水器在清晨4-7點之間對水箱進(jìn)行間歇式電加熱。首先，關(guān)閉冷水閥門和循環(huán)

31、水閥門，然后測控儀開始進(jìn)行水箱水位水溫采集，同時與設(shè)定值比較，當(dāng)水箱中的水位低于下限水位時，打開冷水閥門上水，當(dāng)水位高于上限水位時，關(guān)閉冷水閥門停止上水；當(dāng)水箱中的水溫低于30時，電加熱器接通進(jìn)行加熱，同時測控儀繼續(xù)對水箱的水溫進(jìn)行采集，當(dāng)溫度高于30時，電加熱器斷開，如此反復(fù)間歇式加熱保證了水溫水位的穩(wěn)定。早晨水溫控制之后，設(shè)定當(dāng)日的水箱溫度N，通過測控儀控制太陽能熱水器系統(tǒng)對水箱加熱以達(dá)到設(shè)定值N。當(dāng)水溫高于N時，測控儀打開冷水閥門使冷水進(jìn)入太陽能集熱器。此時水溫為T，將其與當(dāng)日設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，若T>N則將已加熱的水送入熱水箱。保證了在陽光比較充足時熱水的供應(yīng)。如果當(dāng)日沒有日照或

32、日照很弱時，到了晚上可能無法得到足夠的熱水，故可利用本系統(tǒng)的從系統(tǒng)（電加熱器）進(jìn)行加熱。由此，即使遇上沒有日照的天氣我們照樣可以洗上熱水澡了。2.2 安全控制安全可靠性在當(dāng)今產(chǎn)品設(shè)計中占據(jù)著至關(guān)重要的地位。故在設(shè)計時綜合考慮了系統(tǒng)的安全可靠性設(shè)計，主要考慮了防高溫、防漏水、防漏電保護(hù)、防雷措施和水管防凍控制等五個方面。防高溫和漏水方面，采用防水垢的高精度傳感器，結(jié)合測控儀的控制實現(xiàn)。具體過程為：當(dāng)水箱內(nèi)的溫度超過上限溫度時，測控儀控制上水閥門上冷水，使水箱的問題達(dá)到適當(dāng)?shù)暮愣囟取．?dāng)水箱的水溢出，傳感器給測控儀傳送溢出信號，測控儀關(guān)閉上水閥門停止上水。防漏電保護(hù)，當(dāng)出現(xiàn)漏電現(xiàn)象時，測控儀自動切

33、斷電源。防雷措施方面，為了達(dá)到防雷效果，太陽能熱水器的采熱部分必須安裝在有效的防雷范圍內(nèi)，主要是房頂上的避雷針或避雷帶的頂端必須高于熱水器的頂端。同時，熱水器與避雷針或避雷帶的距離最多不超過3米，否則，就很難起到防雷作用。另外，要做好熱水器水箱與避雷針或接地等電位連接，一般在距水箱3米范圍內(nèi)設(shè)置獨立的避雷針，避雷針的下引線用鋼筋與避雷帶焊接，水箱底座與房頂面及避雷帶用鋼筋做等電位連接并焊牢。如果無條件設(shè)獨立的避雷針，可將其水箱底座在房頂面做等電位連接。同樣是用鋼筋與避雷帶進(jìn)行連接，這樣也能起到防雷作用。水管防凍控制，在水管上加裝電加熱帶，防止在室外因溫度過低導(dǎo)致水管凍結(jié)影響系統(tǒng)的正常運作。2.

34、3 水循環(huán)控制水循環(huán)控制根據(jù)運行方式的不同可分為三種方式：（1）自然循環(huán)型。裝置中集熱器內(nèi)的水經(jīng)太陽輻射，與儲水箱內(nèi)未被太陽輻射的水便產(chǎn)生溫差效應(yīng)，利用熱水上浮冷水下沉的原理使水產(chǎn)生循環(huán)，而不借助外力來使水進(jìn)行循環(huán)的過程。自然循環(huán)的密度差愈大，循環(huán)的速度愈快，反之循環(huán)的速度愈慢。這種循環(huán)方式能使儲水箱的水持續(xù)升溫，太陽輻射停止，循環(huán)也漸漸終止。此系統(tǒng)分為兩種使用方式，一種是自動上水靠太陽用水，一種是與其他輔助能源（電、氣、油等）相配接，實現(xiàn)全天候供熱水。此種運行方式設(shè)備投資和運行成本較低，結(jié)構(gòu)簡單、故障率低，運行穩(wěn)定可靠。但系統(tǒng)不夠靈活。（2）強迫循環(huán)型。顧名思義是通過外力（水泵）將集熱器接收

35、太陽輻射后產(chǎn)生的熱水與儲水箱的冷水進(jìn)行循環(huán)，是儲水箱內(nèi)的水溫逐漸增高。此循環(huán)模式的特點是儲水箱的位置不受集熱器位置制約，可任意設(shè)置。該系統(tǒng)可與其他輔助能源（電、氣、油等）相匹配，實現(xiàn)智能控制全天候供熱水。此種運行方式達(dá)到了智能控制、經(jīng)濟(jì)實用、布置靈活、可靠穩(wěn)定的設(shè)計要求，但使用時控制設(shè)置較復(fù)雜。（3）自動化恒溫型。結(jié)合了自然循環(huán)與強迫循環(huán)方式，另配有輔助加熱（電、氣、油、熱泵）方式，全自動化控制，讓儲水箱與用水終端全天候保持在設(shè)定溫度，一開閥門就有熱水。此系統(tǒng)的自動化程度高，運行更方便，最適合24小時用熱水的場所。此種運行方式達(dá)到了人性化設(shè)計，智能控制，傻瓜式運行，使用方便，即開即有熱水。但相

36、應(yīng)成本較高。經(jīng)綜合考慮，本系統(tǒng)的水循環(huán)控制采用自動化恒溫型。此款熱水器控制系統(tǒng)還設(shè)計了一個機械按鈕，用于切換集熱器和電加熱器的工作，這樣更便于用戶在任何想使用熱水的時候能夠快速的加熱水溫，而不避拘泥于智能測控儀的控制。綜上所述，在本款智能測控儀的控制下，太陽能熱水器可實現(xiàn)環(huán)保、節(jié)能、高度智能化，方便省事，不論是日常家居，還是對賓館、學(xué)校等場所都是最佳選擇。2.4總體方案的確定 本設(shè)計采用EP2C5F256C6為主控制芯片，6個獨立式鍵盤作為控制儀的輸入控制信號，液位傳感器和溫度傳感器采用市場上常見的型號，應(yīng)用環(huán)形振蕩器電路對太陽能熱水器的溫度和液位信號進(jìn)行采集。選用性價比較高的實時時鐘芯片DS

37、1302，具有中文顯示的LCD12864液晶顯示器作為整個控制儀的顯示器，顯示太陽能熱水器當(dāng)前的水位和水溫，以及時間的顯示。當(dāng)水位低于報警水位時，蜂鳴器通過報警提示當(dāng)前用戶。系統(tǒng)控制框圖如圖2-2所示。 圖2-2 系統(tǒng)控制模塊框圖第3章 太陽能熱水器智能控制儀的功能模塊設(shè)計3.1 主控硬件電路芯片的選型當(dāng)前大多數(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的控制芯片是由MCU(單片機系統(tǒng))，DSP(數(shù)字信號處理器)，或者FPGA(Field Programmable Gate Array)即現(xiàn)場可編程邏輯器件構(gòu)成的。而這些控制芯片各有特點：(1)結(jié)構(gòu)上，MCU的存儲器采用哈佛結(jié)構(gòu)1；DSP芯片采用改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)2，程序和數(shù)據(jù)具有

38、獨立的存儲空間，有著各自獨立的程序總線和數(shù)據(jù)總線，由于可以同時對數(shù)據(jù)和程序進(jìn)行尋址，大大地提高了數(shù)據(jù)處理能力，非常適合于實時的數(shù)字信號處理；FPGA的結(jié)構(gòu)是基于查找表3。查找表(Look-up-Table)簡稱為LUT，LUT本質(zhì)上就是一個RAM。目前FPGA中多使用4輸入的LUT，每一個LUT可以看成一個有4位地址線的RAM。(2)內(nèi)部資源使用上，MCU，DSP通過用特殊功能寄存器的形式來訪問內(nèi)部資源，然而它們的特殊功能寄存器不多；而FPGA的寄存器相當(dāng)豐富。(3)指令系統(tǒng)上，MCU采用面向控制的指令系統(tǒng)；DSP指令系統(tǒng)是流水線操作。在流水線操作中，一個任務(wù)被分解為若干個子任務(wù)，各個任務(wù)可以

39、在執(zhí)行時相互重疊。DSP指令系統(tǒng)的流水線操作是與哈佛結(jié)構(gòu)相配合的，增加了處理器的處理能力，把指令周期減小到最小值，同時也就增加了信號處理器的吞吐量；FPGA的指令系統(tǒng)依賴用戶選用的處理器。(4)外部擴(kuò)展能力，因為MCU，DSP的引腳較少，故擴(kuò)展能力沒有FPGA強。(5)特有的應(yīng)硬件資源，DSP有專用硬件乘法器；MCU用軟件來實現(xiàn)乘除法；FPGA可以由用戶來自制指令，極大的提高創(chuàng)建系統(tǒng)的靈活性。(6)系統(tǒng)的升級能力，MCU，DSP內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)固定，一旦設(shè)計完成，內(nèi)部電路不能更改，而FPGA內(nèi)部電路可由用戶根據(jù)需要來配置，內(nèi)部電路可修改。綜合MCU，DSP，F(xiàn)PGA的分析，可以得出：單片機在簡單的

40、控制和人機接口方面處于領(lǐng)先地位；DSP的優(yōu)勢體現(xiàn)在數(shù)據(jù)處理上；FPGA處于的優(yōu)勢體現(xiàn)在控制及新算法處理上4。同時考慮以后系統(tǒng)的擴(kuò)展，系統(tǒng)的升級，設(shè)計周期，開發(fā)費用，系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及軟件設(shè)計的繁易程度等各項指標(biāo)，最終選用FPGA芯片。本設(shè)計選用cyclone II器件的EP2C5F256C6芯片，EP2C5F256C6芯片的主要特性為：(1)擁有4608個邏輯單元。(2)RAM位數(shù)為119808.9(3)支持2個鎖相環(huán)。(4)158個可用的I/O腳。(5)支持通過低成本串行配置器件配置。(6)全面支持LVTTL，LVCMOS，SSTL2和SSTL3 I/O標(biāo)準(zhǔn)。(7)支持66MHz，32位的PC

41、I標(biāo)準(zhǔn)。(8)支持低速LVDS I/O。(9)最高支持8個全局時鐘線。(10)支持外部存儲器，包括DDR，SDRAM，F(xiàn)CRAM，SDRAM。(11)支持IP核復(fù)用設(shè)計，包括Altera MegaCore。3.2電源電路的設(shè)計如圖3-1所示為太陽能熱水器智能控制儀的電源電路，圖3-2為直流穩(wěn)壓電源框圖。與直流穩(wěn)壓電源框圖對應(yīng)，本電源電路也是有四部分組成：電源變壓器、整流電路、濾波電路和穩(wěn)壓電路。這四部分功能分述如下：（1）電源變壓器它的任務(wù)是把電源電壓220V變壓到合適的大小。如果U1的值太大，會造成集成三端穩(wěn)壓器的功耗太大，溫度升高，且浪費電能。反之，如果U1的值小到一定的程度，三端穩(wěn)壓器不

42、能正常工作，失去穩(wěn)壓作用 。因此U1的值應(yīng)大小合適，這個值應(yīng)該使三端穩(wěn)壓器在交流電網(wǎng)電壓最低和輸出電流最大時能正常工作。而且在正常穩(wěn)壓的前提下，它的壓降盡可能小，以減少功耗。（2） 整流電路它的任務(wù)是將正弦波變換成直流電壓。這里一般采用橋式整流電路來實現(xiàn)，即可用四個二極管來組成，也可用整流橋堆來完成，只是參數(shù)一定要選擇合理。（3） 濾波電路它的任務(wù)是將全濾波形通過 RC 濾波網(wǎng)絡(luò)以后變成更平坦的直流電壓，減小脈動，提高整流的效果。這時整流管中通過的電流的瞬時值要比平均值大得多，特別在接通電源瞬間有相當(dāng)大的沖擊電流（即充電電流）通過整流管，這一點要引起注意。（4） 穩(wěn)壓電路使輸出電壓為恒定的直流

43、電壓，且要達(dá)到提出的要求。 圖3-1 電源電路 圖3-2 直流穩(wěn)壓電源框圖對于圖3-1電源電路中元件參數(shù)確定如下：（1）U1和C1的計算查閱集成三端穩(wěn)壓器的知識可知，對輸出電壓在5V12V之間的穩(wěn)壓器，其輸入端的電壓一般要比輸出端電壓高5V。而輸出電壓在15V24V的穩(wěn)壓器，其兩端電壓差達(dá)到7V9V左右。在此，如果1，2兩端的電壓為12V，那么可以求得U1為10V。從電容濾波出發(fā)，C1的容量應(yīng)足夠大，但C1的容量也不能太大，否則整流元件的瞬時電流太大，而且容量越大，電容器的體積越大，價格越貴，根據(jù)經(jīng)驗綜合各方面情況，取C1=3300uF.(2) 整流元件的參數(shù)反向耐壓 根據(jù)橋式整流電路的性能可

44、知，每個整流二級管在交流電網(wǎng)最高時承受的最大反向峰植電壓為： 為了安全，整流管的反向耐壓應(yīng)比上述植高50%以上，因此選擇整流管時，其耐壓應(yīng)按下式考慮：正向電流 橋式整流電路中,每個整流二極管的正向電流平均值是輸出電流的一半，其最大值為：由于整流管在接通電源瞬間有相當(dāng)大的沖擊電流（即充電電流）通過，因此，整流管的參數(shù)IF（正向電流平均值）應(yīng)比上述值大（0.52）倍。若按IF比上述值大1.8倍考慮，則IF = 1.8(IDAV)MAX = (1.8*0.55)A1A目前，市場上有各種規(guī)格的整流橋堆出售，它有兩個交流輸入端和兩個直流輸出端。由于它體積小，使用方便，價格較低，已成為常用整流元件。根據(jù)上

45、面的計算，本電源可選用1A/25V的整流橋堆。（3） 變壓器二次繞組的電流由于電容濾波整流電路中，整流管的電流不是正弦波，變壓器二次繞組電流的有效值Ia要比輸出電流Io大，一般情況下，前者是后者的（1.13）倍。這里我們?nèi)?因此，變壓器二次繞組的額定電流（交流有效值）Ia應(yīng)按2A設(shè)計。在本設(shè)計中，對電磁閥的直流電源的要求不不高，又因為1，2兩端的電壓為12V，為節(jié)省資源，故可直接取用1，2兩端的電壓作為電磁閥的直流電壓，無需再另行設(shè)計12V穩(wěn)壓電源。3.3實時時鐘電路的設(shè)計為實現(xiàn)熱水器24小時供應(yīng)熱水的目的，控制器必須有一個實時時鐘來為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的基準(zhǔn)時間，在軟件設(shè)計上則要求實時地讀出當(dāng)前時

46、間，同設(shè)定時間比較，以決定系統(tǒng)工作狀態(tài)。本系統(tǒng)采用美國DALLAS半導(dǎo)體公司推出的涓流充電時鐘芯片DS1302，它具有實時時鐘/日歷和31字節(jié)的靜態(tài)RAM，實時時鐘/日歷電路提供秒、分、時、日、月、年的信息，每月的天數(shù)和閏年的天數(shù)可自動調(diào)整，時鐘操作可通過AM/PM指示決定采用24/12小時格式。DS1302與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進(jìn)行通信，僅需用到三個口線：RES（復(fù)位）、I/O（數(shù)據(jù)線）和SCLK（串行時鐘）。時鐘/RAM的讀/寫數(shù)據(jù)以一個字節(jié)或多達(dá)31個字節(jié)的字符組方式通信。DS1302工作時功耗很低，保持?jǐn)?shù)據(jù)和時鐘信息時功率小于1mW。雙電源管腳用于主電源和備份電源供應(yīng)，

47、VCC1（備份電源）為可編程涓流充電電源，附加七個字節(jié)存儲器。如圖3-5所示：圖3-5 實時時鐘電路DS1302芯片介紹如下：DS1302 是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進(jìn)行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V5.5V。采用三線接口與CPU進(jìn)行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個31×8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進(jìn)行涓細(xì)電流充電

48、的能力。圖3-6示出DS1302的引腳排列,其中Vcc1為后備電源，VCC2為主電源。在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。DS1302由Vcc1或Vcc2兩者中的較大者供電。當(dāng)Vcc2大于Vcc10.2V時，Vcc2給DS1302供電。當(dāng)Vcc2小于Vcc1時，DS1302由Vcc1供電。X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振。RST是復(fù)位/片選線，通過把RST輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送。RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當(dāng)RST為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許

49、對DS1302進(jìn)行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，則會終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，在Vcc2.5V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將RST置為高電平。I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)，SCLK始終是輸入端。圖3-6 DS1302引腳圖3.4人機界面電路設(shè)計人機界面電路分為輸入電路和輸出電路。輸入電路采用獨立式鍵盤，其各個按鍵相互獨立地連接一條輸入數(shù)據(jù)線。這種鍵盤的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、結(jié)構(gòu)清楚。輸出電路采用128*64的LCD顯示，F(xiàn)YD12864是一種具有4/8位并行、2/3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形

50、液晶顯示模塊。其分辨率為128*64，內(nèi)置8192個16*16點漢字和128個16*8點ASCII字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面。接口電路如圖3-7所示：圖3-7 人機界面電路3.4.1 12864液晶引腳功能12864液晶引腳功能描述如下：管腳號管腳名稱LEVER管腳功能描述1VSS0電源地2VDD+5.0V電源電壓3VO-液晶顯示器驅(qū)動電壓4D/I(RS)H/LD/I=“H”，表示DB7DB0為顯示數(shù)據(jù)D/I=“L”，表示DB7DB0為顯示指令數(shù)據(jù)5R/WH/LR/W=“H”，E=“H”數(shù)據(jù)被讀到DB7DB0R/W=“L”，E=“HL”

51、數(shù)據(jù)被寫到IR或DR6EH/LR/W=“L”，E信號下降沿鎖存DB7DB0R/W=“H”，E=“H”DDRAM數(shù)據(jù)讀到DB7DB07DB0H/L數(shù)據(jù)線8DB1H/L數(shù)據(jù)線9DB2H/L數(shù)據(jù)線10DB3H/L數(shù)據(jù)線11DB4H/L數(shù)據(jù)線12DB5H/L數(shù)據(jù)線13DB6H/L數(shù)據(jù)線14DB7H/L數(shù)據(jù)線15CS1H/LH:選擇芯片(右半屏)信號16CS2H/LH:選擇芯片(左半屏)信號17RETH/L復(fù)位信號,低電平復(fù)位18VOUT-10VLCD驅(qū)動負(fù)電壓19LED+-LED背光板電源20LED-LED背光板電源3.4.2 液晶顯示器的原理液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區(qū)域進(jìn)

52、行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。液晶顯示器具有厚度薄、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點，目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在便攜式電腦、數(shù)字?jǐn)z像機、PDA移動通信工具等眾多領(lǐng)域。液晶顯示的分類方法有很多種，通常可按其顯示方式分為段式、字符式、點陣式等。除了黑白顯示外，液晶顯示器還有多灰度有彩色顯示等。如果根據(jù)驅(qū)動方式來分，可以分為靜態(tài)驅(qū)動（Static）、單純矩陣驅(qū)動（Simple Matrix）和主動矩陣驅(qū)動（Active Matrix）三種。用LCD顯示一個字符時比較復(fù)雜，因為一個字符由6×8或8×8點陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個位置對應(yīng)的顯示R

53、AM區(qū)的8字節(jié)，還要使每字節(jié)的不同位為“1”，其它的為“0”，為“1”的點亮，為“0”的不亮。這樣一來就組成某個字符。但由于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來說，顯示字符就比較簡單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)找出顯示RAM對應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，在此送上該字符對應(yīng)的代碼即可。漢字的顯示一般采用圖形的方式，事先從微機中提取要顯示的漢字的點陣碼（一般用字模提取軟件），每個漢字占32B，分左右兩半，各占16B，左邊為1、3、5右邊為2、4、6根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)可找出顯示RAM對應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，送上要顯示的漢字的第一字節(jié)，光標(biāo)位置加1，送第

54、二個字節(jié)，換行按列對齊，送第三個字節(jié)直到32B顯示完就可以LCD上得到一個完整漢字。3.4.3 液晶顯示器的優(yōu)點在單片機系統(tǒng)中應(yīng)用晶液顯示器作為輸出器件有以下幾個優(yōu)點：1.顯示質(zhì)量高由于液晶顯示器每一個點在收到信號后就一直保持那種色彩和亮度，恒定發(fā)光，而不像陰極射線管顯示器（CRT）那樣需要不斷刷新新亮點。因此，液晶顯示器畫質(zhì)高且不會閃爍。2.數(shù)字式接口液晶顯示器都是數(shù)字式的，和單片機系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作更加方便。3.體積小、重量輕液晶顯示器通過顯示屏上的電極控制液晶分子狀態(tài)來達(dá)到顯示的目的，在重量上比相同顯示面積的傳統(tǒng)顯示器要輕得多。4.功耗低相對而言，液晶顯示器的功耗主要消耗在其內(nèi)

55、部的電極和驅(qū)動IC上，因而耗電量比其它顯示器要少得多。3.5電磁閥和電加熱棒控制電路設(shè)計如圖3-8所示為用繼電器控制電磁閥的電路圖，圖3-9為繼電器的驅(qū)動芯片，直接與單片機I/O口相連。二極管D4的作用是在繼電器斷開的時候防止繼電器中線圈的感應(yīng)電流倒灌。圖3-8 繼電器電路 圖3-9 繼電器驅(qū)動電路繼電器介紹：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(yīng)用于自動控制電路中，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(guān)”。故在電路中起著自動調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。當(dāng)輸入量(如電壓、電流、溫度等)達(dá)到規(guī)定值時，使被控制的輸出電路導(dǎo)通或

56、斷開的電器?？煞譃殡姎饬?如電流、電壓、頻率、功率等)繼電器及非電氣量(如溫度、壓力、速度等)繼電器兩大類。具有動作快、工作穩(wěn)定、使用壽命長、體積小等優(yōu)點。廣泛應(yīng)用于電力保護(hù)、自動化、運動、遙控、測量和通信等裝置中。ULN2003功能介紹：ULN2003 是高耐壓、大電流達(dá)林頓陳列，由七個硅NPN 達(dá)林頓管組成。ULN2003 的每一對達(dá)林頓都串聯(lián)一個2.7K 的基極電阻,在5V 的工作電壓下它能與TTL 和CMOS 電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達(dá)500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時承受50V 的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運行。功率電子電路大多要求具有大電流輸出能力，以便于驅(qū)動各種類型的負(fù)載。功率驅(qū)動電路是功率電子設(shè)備輸出電路的一個重要組成部分。在大型儀器儀表系統(tǒng)中，經(jīng)常要用到伺服電機、步進(jìn)電機、各種電磁閥、泵等驅(qū)動電壓高且功率較大的器件。如圖3-10所示為ULN2003的引腳圖，引腳功能如表3-1所示：圖3-10 ULN2003引腳圖表3-1 ULN2003引腳功能管腳號符號功能11B輸入2