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太阳能热水器控制电路设计毕业设计论文
太阳能热水器控制电路设计
摘要
随着人们生活水平的提高,各种热水器的使用已相当普及。
与之相配套的控制仪也相继问世。
然而,目前市场上的各种热水器控制电路还与理想要求相差甚远。
消费者需要真正的“自动”控制,以实现使用的最简单化。
就像家用电视机、电冰箱一样,接通电源、设定完毕就不用再操心了。
太阳能热水器作为三大热水器之一，因其无污染、使用方便、长期投入成本低等特点，而越来越受到人们的青睐，但与之配套的控制器却还一直处于研究和开发阶段，为解决水温水位的自动控制问题，本电路专门设计了水温的实时监测，并在设计中，将水位多级化，实现更精确的测量。
本次设计运用AT89C52单片机，设计了一种自动控制电路,该电路用于太阳热水器。
当使用热水器时，可以自动进行温度检测和液位检测，使太阳能自动补水或排水，真正做到最简单化。
并且该电路易于扩展，可实现多点的温度检测，或者更多点的液位检测。
这篇论文详细介绍了基于单片机的太阳能热水器自动控制系统组成、硬件设计。
关键词：
单片机；自动控制；太阳能热水器；温度检测
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
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所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
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一、绪论
1.太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析
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，其产业化进程也较光伏电池、太阳能发电等产业领先一步。
太阳能热水器已成为我国第一个实现商业化的可再生能源产业。
自1998年起，中国就成为太能能热水器第一大制造和消费的市场，现已经发展成为一个重要的产业。
目前，太阳能热水器与电、燃气热水器三分热水器市场，是可再生能源产业领域的第一个商业化的产品。
2007年，我国太阳能热水器年产量达2340万平方米，比2006年同期增长30%；总保有量达10800万平方米，比2006年同期增长20%。
市场销售额约为320亿元人民币。
但是与之相配套的太阳能热水器控制系统却一直处在研究与开发阶段。
市面上绝大多数的控制器结构简单，功能单一，智能化程度低下，用户界面不人性化，只具有液位显示功能，不具有温度显示功能。
并且当水位加到一定的程度的时候也没有什么措施，只能通过手动的方法来控制水位的高度。
因此根据以上要求为核心，开发出一种太阳能热水器智能控制系统，解决了目前市面上太阳能热水器控制系统存在的问题。
2.太阳能热水器的应用及意义
太阳能热水器应用较好的国家有西班牙、以色列、意大利、希腊、德国、荷兰、澳大利亚、日本、美国等国家。
一些国家利用太阳能热水器除了提供家庭热水外，还用于采暖、空调及泳池加热等领域，其中美国的太阳能热利用主要用于泳池加热。
目前太阳能热水器已在我国城乡开始推广使用，主要供应生活和洗浴热水，我国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和应用国。
太阳能热水器节能减排，实现能源替代，效果显著。
经过两年多的实践，人们认识到太阳能热利用是投资少、见效快、经济实用、节能减排，实现我国能源替代的一个好产业，国家也正大力扶持和支持，学校、宾馆、饭店、洗浴中心纷纷建设太阳能洗浴系统，太阳能热水器的市场存在扩大空间。
新农村建设与建筑节能也为太阳能热水器的应用推广带来机遇。
二、系统设计
1.设计原理
太阳能热水器自动控制电路采用AT89S52单片机作为控制核心，外围加蜂鸣器控制电路、数码显示电路、水位检测电路、电机控制电路、按键电路、温度检测电路等。
数码管实时切换显示当前温度与当前液位，当液位过高时，蜂鸣器报警，并且电机反转模拟排水过程；当液位过低时，蜂鸣器报警，并且电机正转模拟进水过程。
本系统设计简单，成本低，性能优良，具有一定的稳定性和实用性。
2.方案论证
太阳能热水器自动控制装置有多种方案。
（1）方案一
在单片机学习课程中，就遇到过一种方案，我们称其为方案一。
它通过三极管的导通截止特性来判断液位的位置，并且可以通过按键切换检测压力。
但是在过程中只能检测三点，虽然可以扩展，但是占了太多的I/O口，容易造成资源的浪费。
而且仅显示单元就占用了12个I/O口，同样属于资源浪费。
在电机电路设计方面，方案一采用的三极管的导通截止来控制点击的正转与反转，虽然设计简单，但是过多的使用三极管以及二极管类的元器件，也会使成本升高。
而且，既然是太阳能热水器的自动控制装置，那么必不可少的就是温度的检测，而方案一中却忽略了这点，造成了最大的残缺。
（2）方案二
方案二主要解决了方案一中资源浪费及过于使用分立元件的缺陷。
在液位检测方面，通过利用两片CD4051芯片，它相当于一个单刀八掷开关，当INH禁止端为低电平即“0”时，开关接通哪一通道由输入的3位地址码ABC来决定。
这样就简单的解决了16个点检测的问题，并且在最大程度上减少了I/O口的使用。
仅使用了8个I/O口即可控制16个点的检测，如果是方案一，则需要使用16个I/O口。
方案一中4位数码管显示电路的断码与位码就使用了12个I/O口，而在方案二中，使用了74LS164芯片，它是8位移位寄存器，只要给一个脉冲便传送一位数据。
仅使用了2个I/O口便控制了5位数码管的显示，由于使用74LS164芯片中会遇上消隐的问题，所以在方案二中，通过硬件电路配合软件的方法很好的解决了消隐的问题，显示非常的稳定。
显示出了新方案的优势。
方案二中电机驱动电路使用的是FAN8200，驱动的一个双相电机驱动电路。
该电路非常简单,它几乎不需要外围元器件.只要将来自于微处理器的方波控制信号从器件的输入端和触发使能端送入FAN8200便可可靠地对双相电机进行控制操作，使其正转、反转。
省去了分立元件，使整个电路看起来清晰简单。
在方案二中还解决了方案一种不能检测温度缺点，使用了先进的DS18B20芯片，DS18B20数字温度传感器是Dallas公司生产的1-Wire，即单总线器件，具有线路简单、体积小的特点。
因此用他组成一个测温系统，具有线路简单，在1根通信线可以挂很多这样的数字温度传感器，十分方便。
（3）方案选择
通过上述两个方案的比较，便能发现方案二设计的电路比方案一的电路有极大的优势，性能全面，使用方便，而且简单、稳定。
故选择方案二。
三、硬件电路设计
1.基本原理框图
图一：
原理框图
（1）太阳能热水器控制装置主要组成
由CPU、显示电路、按键电路、蜂鸣器电路、电机电路、液位检测电路、温度检测电路、电源电路组成，如图一。
（2）太阳能热水器控制装置的工作原理
接通电源后，显示当前水位，水位被分为16个点。
并且显示当前温度。
液位显示与温度的显示切换进行。
当水位显示低于或等于1时，蜂鸣器报警，并且电机正转，表示进水；当水位显示高于或等于15时，蜂鸣器报警，并且电机反转，表示排水。
液位检测利用CD4051
2.各部分电路原理
（1）最小系统
太阳能热水器控制电路数控部分采用AT89S52单片机作为控制核心。
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程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Flash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为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
8位微控制器8K字节在系统可编程FlashAT89S52。
①P0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。
②P1口：
P1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P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。
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/MOSI（在系统编程用）；
P1.6/MISO（在系统编程用）；
P1.7/SCK（在系统编程用）；
③P2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。
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。
④P3口：
P3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，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）
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。
⑤RST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。
⑥ALE/PROG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。
⑦PSEN程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52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。
⑧EA/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。
所谓最小系统就是指由单片机和一些基本的外围电路所组成的一个可以工作的单片机系统。
一般来说，它包括单片机，晶振电路和复位电路。
①晶振电路：
AT89S52片内有一个由高增益反相放大器构成的振荡电路。
XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入输出端。
其振荡电路有两种组成方式：
片内振荡器和片外振荡器。
②复位电路：
在RST输入端出现高电平时实现复位和初始化。
最小系统电路如图二所示。
图二：
最小系统
（2）显示电路
显示部分有两种方案可供选择；一种是采用LCD液晶显示，该方案具有低压微功耗、平板型结构、显示的信息量大、无电磁辐射、使用寿命长等优点，但是本设计要求显示的数据量小，不能发挥其显示内容丰富的优点，同时占用I/O口线较多。
第二种方案采用LED数码管显示，该方案具有实现容易、发光亮度大、驱动电路简单等优点，其可靠性也优于LCD的显示，所以，我们通过比较，选用第二种方案数码管显示。
由6个数码管和6个74LS164组成，采用串行静态显示的方法。
将数码管的8个输入端与74LS164的输出端Q0~Q7相连。
P1.0和74LS164的CLK连接，作为时钟；P1.4接74LS164的A端，作为显示数据的输入端。
显示电路如图三所示。
图三：
显示电路
74LS164原理：
74LS164是一块14个引脚双面直插式芯片，它的工作电源比较宽，可以是3V至12V的电压；它工作的频率范围也比较宽，从0~5MHz都能正常工作。
它是一个串行输入，并行输出的移位寄存器，并带有清除端的IC芯片，它为8位串入并出移位寄存器，1、2为串行输入端，Q0~Q7为并行输出端，CLK为移位时钟脉冲，上升沿移入一位；MR为清零端，低电平是并行输出为零。
VCC与GND为工作电源脚；它一般正常工作电压为+5V。
CLR（/MR）端：
为清除端，当此引脚为低电平时，使得74LS164输出全部为0；CLK端：
时钟脉冲输入端，在CP脉冲的上升沿的作用下实现移位，在CLK为0，芯片不工作；CLR为1时，74LS164保持原始状态不发生变化。
但是使用74LS164串显会出现消隐的问题。
为了消除消隐，那么就必须在硬件上与软件上结合来消除消隐的问题。
消隐电路如图四所示。
软件上，在传数据时，先传一个高电平，直到数据传完再传送一个低电平即可。
图四：
消隐电路
（3）按键电路
键按下后，进行温度及液位检测的切换，也可不使用。
按键电路如图五所示。
图五：
按键电路
（4）蜂鸣器电路
以Q51的基极作为蜂鸣器控制信号的输入端与单片机I/O口相连，主要由蜂鸣器、9013与9014两个三极管及5.1K偏置电阻组成。
当输入端为高电平时，Q51导通，Q52截止，蜂鸣器回路开路，蜂鸣器不响；当输入端为低电平时，Q51截止，Q52导通，蜂鸣器回路闭合，蜂鸣器发出响声。
蜂鸣器电路如图六所示。
图六：
蜂鸣器电路
（5）电机电路
控制信号从IN端输入并经前级缓冲后送入片内控制器，然后由控制部分处理并驱动晶体管，最后由OUT端输出方波信号以控制电机的运行。
触发使能端口（CE）的作用是分别对两个通道的输出进行控制，当CE端为低电平时，无论有无输入控制信号，输出端OUT始终呈高阻抗状态。
因此，要使FAN8200控制器输出工作正常，器件的触发使能端必须为高电平。
当CE为高电平时，IN1为1时，电机正转；IN1为0时电机反转。
电机电路如图七所示。
图七：
电机电路
（6）液位检测电路
液位检测控制电路，由两片CD4051与CD4066构成，但是由于考虑到成本，并且所设计的电路I/O口使用并不是太多，所以，可以将CD4066省略，仅仅用两片CD4051即可实现功能。
它是一种单片、COMS、8通道开关。
该芯片由DTL/TTL-COMS电平转换器，带有禁止端的8选1译码器输入，分别加上控制的8个COMS模拟开关TG组成。
例如当检测到液位在端点4位置时，0、1、2、3、4点被没过，与公共端之间形成水电阻，由于水电阻阻值非常的笑，所以这几点的电平被拉低。
此时就可以确定在ABC点读到的数为“100”此时就可以通过单片机计算得出液位的高度。
液位检测电路如图八所示。
图八：
液位检测电路
（7）温度检测电路
温度检测电路有两种方案可供选择。
第一种是采用热电阻温度传感器。
热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。
现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。
其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。
铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。
缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。
按IEC标准测温范围-200～650℃，XX电阻比W（100）=1.3850时，R0为100Ω和10Ω，其允许的测量误差A级为±（0.15℃+0.002|t|），B级为±（0.3℃+0.005|t|）。
铜电阻的温度系数比铂电阻大，价格低，也易于提纯和加工；但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差。
在工业中用于-50～180℃测温。
第二种是采用DS18B20数字温度传感器。
它是DALLAS公司生产的单总线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、搞干扰能力强、易配处理器等优点，特别适用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（提供9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片。
它具有3引脚TO－92小体积封装形式，温度测量范围为－55℃～＋125℃，可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。
以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。
根据设计要求，选择第二种方案。
DS18B20硬件电路的链接非常简单，仅一根电源线，一根地线和一根数据线即可。
温度检测电路如图九所示。
图九：
温度检测电路
（8）电源电路
由于电源电压为5V，所以电路中省去了稳压电源部分的电路，直接使用电源电压即可。
在电源与地之间加滤波电容，稳定输入到芯片上的电源电压。
电源电路如图十所示。
图十：
电源电路
四、软件设计
1.软件分析
太阳能热水器控制电路设计的软件部分由主程序、检测温度子程序、压缩16进制数变成压缩10进制数子程序、压缩10进制数变成非压缩十进制数子程序、代码变段码码子程序、显示子程序、液位检测子程序以及延时子程序组成。
在平时编程中，用C语言编写程序有利于实现较复杂的算法，但是汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间。
不论是什么语言，始终是要被电脑转换成C语言进行执行的。
所以，在此次设计中，编程采用的是汇编语言。
2.I/O口分配
I/O口
P3.0
P3.1
P3.3
P3.5
P1.1
分配
74LS164数据端
74LS164时钟
电机转向控制端
蜂鸣器控制端
4051-A
I/O口
P1.2
P1.3
P1.4
P1.6
P1.7
分配
4051-B
4051-C
4051-INH
K1
K2
3.软件流程图
五、实现功能
1.液位检测
将水尺放进水中，通电之后，显示当前的水位。
最低点水位为1，最高点水位为16。
当水位低于点2时，显示H02的同时蜂鸣器响，电机正转，模拟进水过程；直到水位高于点2后，蜂鸣器停止发声，电机不转。
当高于水位点15时，显示H15的同时蜂鸣器响，电机反转，模拟排水过程；直到水位低于点15后，蜂鸣器停止发生，电机不转。
2.温度检测
实时监测当前温度，与水位切换显示。
例如显示为C27.6。
3.可扩展功能
液位可以扩展为更多点的测量，以保证测量的准确。
温度亦可，只需要多加几个I/O，边可以检测多点的温度，使用非常简单。
六、结束语
水,是一切生命的源泉,是地球万物生存的基础,它使地球万物欣欣向荣.但是,地球上的水资源正在不断减少.据调查:
占世界人口40%的80个国家正面临着水危机,发展中国家约有10亿人喝不到清洁的水,17亿的人没有良好的卫生设施.每年约有2500万人死于饮用不清洁水.我国的水资源也相当短缺,人均水资源拥有量是世界人均水资源拥有量的1/5,许多城市已严重缺水.华北地区由于过度引用地下水,已造成严重的地面下沉现象.水资源短缺已成为当今世界要面临的重大问题。
如果一户人家溢出一些水,那么千家万户溢出的水加起来,浪费的水就不是一个小数目了，所以考虑设计一个自动补水排水的装置，来节约用水。
本设计成本低，易使用。
在设计过程中，将所学的专业理论知识与实际开发实际结合起来，理论联系实际，提高了专业技能。
大量查阅资料，对专业知识有了更深入的理解和认识，扩展了知识面，从课题立项、方案论证、理论设计、线路图绘制、制版设计到电路焊接与调试，全面了解和掌握了课题开发的基础方法和步骤，使用了单片机原理、模拟电子技术、数字电路技术、Protel99se制图技术等专业技能。
并在原有的计算机理论于操作的基础上，巩固
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