毕业设计基于单片机的太阳能水温的智能控制

1、北京化工大学北方学院毕业设计（论文）诚信申明本人申明：我所呈交的本科毕业设计（论文）是本人在导师指导下对四年专业知识而进行的研究工作及全面的总结。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中创新处不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京化工大学或其它教育机构的学位或证书而已经使用过的材料。与我一同完成毕业设计（论文）的同学对本课题所做的任何贡献均已在文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，本人承担一切相关责任。本人签名： 年 月 日基于单片机的太阳能水温只能控制xxx自动化专业自控0803班学号xxxxxxxx指导教师xxx摘 要本文章设计了一个太阳能

2、水温智能控制系统。它以单片机为核心，配合传感器，报警装置，电动阀，显示装置，数字键盘等。 完成对太阳能热水器容器内的水位、水温测量、显示功能；自动上水功能，水溢报警功能；自动上水、自主温度设置功能。其中本文第一章主要说明了太阳能智能水温控制研究价值及研究现状，第二章对系统的整体结构作了简单介绍，第三章重点介绍了水位水温测量电路，第四章介绍了时钟电路，显示和键盘电路，其他电路作了介绍，对水位测量电路的硬件调试。第五章介绍了程序的软件电路设计和控制器的流程图。本系统电路简单、制造成本低。特别适用于对水位、水温要求不精确的场合关键词：太阳能 热水器 控制器intelligent solar ener

3、gyabstractthis article has designed a intelligence control system for solar-powered water heater. takes the scm as the core, with the sensor, alarm, electric valve, display device, digital keyboard.completion of the solar water heater water level within the container, temperature measurement, displa

4、y function; automatic sheung shui, water overflow alarm function; the manual water supply, independent temperature setting function.the first chapter mainly explains the solar intelligent temperature control research value and the research status, the second chapter of the whole structure of the sys

5、tem is briefly introduced, the third chapter introduced the water level and temperature measuring circuit, the fourth chapter of the clock circuit, display and keyboard circuit, another circuit was introduced, the water level measuring circuit of hardware debugging.the fifth chapter introduces the p

6、rocedure of software design and the flow chart of the circuit controller.this system has the advantages of simple circuit, low cost of manufacture.particularly applies to water level, water temperature requirements inaccurate occasions.key words：solar energy water heater controller目 录前 言1第1章课题研究的价值2

7、第1.1节课题的背景意义2第1.2节太阳能热水器目前发展状况2第1.3节研究目的与方法4第1.4节设计实现的功能4第2章控制系统的结构5第2.1节太阳能结构5第3章电路具体设计14第3.1节水位测量14第3.2节水温测量19第3.3节水位、水温测量整体电路23第3.4节上水电路25第3.5节键盘和显示电路28第3.6节时钟电路35第3.7节加热电路36第3.8节报警电路37第4章程序设计40第4.1节主程序设计40第4.2节显示子程序42结 论43附 录44参考文献47致 谢48v北京化工大学北方学院毕业设计(论文)前言随着城市化进程加快，世界能源危机告急，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能的

8、热潮，太阳能作为一种绿色可再生的资源，被充分利用到家庭热水，取暖领域，太阳能热水器无疑将会成为热水器行业的一个新星；与电热水器相比太阳能热水器有很多优点。其好处有一，是绿色可再生资源。二经济效益显著。三，可与其他资源配套使用。四，绿色安全。五使用寿命长。虽然其有诸多优点。当今社会人们的生活水平日益提高，同时也对生活质量提出了新的要求。现有电热型热水器安全性差，给人们生活安全带来巨大隐患。这为太阳能发展提供了良好的外部生存环境。太阳能热水器克服安全问题且使用简单、方便。太阳能热水器顺乎时代发展的要求，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。在太阳能

9、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。 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，因而尚未被人们大规模的使用，太阳能热水器水温控制还处于初级阶段,大多数热水器用起来不方便,水温难以控制，不具备自主调温，自动上水等功能。这些弊端给用户使用带来了种种的不便利。 第1章 课题研究的价值 第1.1节课题的背景意义随着太阳能热水器的迅速推广，广大消费者对太阳能热水器特别是太阳能热水器控制器的要求越来越高，太阳能热水器商家为使自己的产品能在市场上生存和发展，在不断提高太阳能热水器热水性能的同时

10、，也不断加大力度满足消费者对于太阳能使用方便的要求，于是太阳能热水器的智能化程度越来越高。本设计根据市场的需要，以及我国研究的成果。根据论文资料及市场现有产品模型，在加上自己的理解和创意，模仿出了一套太阳能水温智能控制系统。这样可以大大满足不同人群的需要，降低操作的难易程度。此系统根据太阳能热水器的程度。为太阳能热水器提供了一套程度高、性能良好、使用方便、经济实惠的配套控制系统。第1.2节 太阳能热水器目前发展的状况太阳能热利用是可再生能源技术领域商业化程度最高、推广应用最普遍的技术之一。1998年世界太阳能热 水器的总保有量约5400万平方米。按照人均使用太阳能热水器面积，塞浦路斯和以色列居

11、世界一、二位，分别为1平方米人和o7 平方米人。日本有2o的家庭使用太阳能热水器，以色列有80的家庭使用太阳能热水器。20多年来，太阳能热水器在我国得到了快速发展和推广应用。7o年代后期开始开发家用热水器。目前全国有5oo多个热水器生产厂家，1998年的产量约400万平方米，总安装量约1400万平方米，产量占世界第一位。我国太阳能热水器平均每平方米每年可节约1oo15o公斤标准煤。8o年代后期，我国开始研制高性能的真空管集热器。清华大学开发的全玻璃真空管集热器结构简单，类似拉长的暖水瓶，内管外表面上选择性吸收涂层是其关键技术。全玻璃真空管集热器已经实现了产业化，目前全国有6o多个全玻璃真空管集

12、热器生产厂，年产300多万只真空管。8o年代后期至9o年代初，北京市太 阳能研究所相继在我国政府、undp支持下，并与德国合作研制成功热管式真空管集热器，1996年与德国 dasa公司合资建立了热管式真空管集热器生产厂，实现了规模化生产，1998年生产了 11万只真空管，产品销往国内外。目前在市场上占主导地位的太阳能热水器主要有平板型和真空管型两种。平板型太阳能热水器国内市场份额约65；真空管热水器分全玻璃和热管式两种，国内市场份额约35。目前太阳能热水器主要用于家庭，其次是厂矿、机关、公共场所等。我国的太阳能热水器工业逐步走向成熟，除了技术不断改进、 产品质量不断提高外，几种热水器的国家标准

13、已经颁布并开始实施。如平板热水器热性能评价实验方法）（gb4271-84）、平板热水器产品技术指标）（gb6424-86）、家用热水器热性能实验方法）（gb12915一91）、全玻璃真空管集热器）（gbt17o49-1997）等。但同时应当看到，我国太阳能热水器市场还远没有开发出来，热水器的户用比例只有3，与日本的2o和以色列的80相比相差甚远，因此中国的市场容量还非常巨大。目前太阳能控制器的控制器基本实现数字化，以单片机为控制核心的控制系统占领太阳能热水器的主要市场。在市场调查中发现，太阳能控制单片机的型号较多，其中应用最多的是51系列和pic系列单片机。其基本框图如图1.1所示。 图1.1

14、 市场太阳能热水器基本框图太阳能热水器控制系统可以实现水位显示、水位控制、温度显示、防冻等多种功能，其中对水位的检测、控制，实现水位显示、自动上水、超限报警是太阳能热水器控制系统的核心。目前大多数太阳能热水器的水位传感器都采用分段式水位传感器，因为太阳能热水器对水位精确度的要求不高，并且分段式传感器的成本很低。图1.2是常用的一种分段式热水器传感器的基本原理。对于温度的检测便于用户的使用和控制电加热。目前，温度传感器的应用种类较为繁杂，有直接使用热电阻、热电偶的，也有使用数字温度变送器（如max6674）的。在显示方面多采用led显示或lcd液晶显示。图1.2 一种分段式水温传感器第1.3节

15、课题的研究内容本课题主要是对市场现有产品的仿制，要能够实现太阳能热水器的完整功能。本课题以89c52单片机为核心配合传感器、显示器件、电磁阀、电加热器、报警器等外围器件，采集热水器储水箱中的水位、水温信号，通过控制电动机的运转、电加热器加热来控制储水器的水位、温度，并完成水位、水温显示，时间显示，水溢报警等功能。另外配有键盘，可以实现手动上水、手动电加热、设置水位、设置温度等功能。第1.4节 设计要求和目的1.掌握太阳能热水器的工作原理及实现控制方法；2.太阳能热水器水位的检测和显示；3.太阳能热水器温度的检测和显示；4.太阳能热水器水温的设定和电加热器的控制；5.太阳能热水器上水水位的设定和

16、控制；第2章 控制系统整体结构介绍第2.1节 太阳能热水器的整体结构2.1.1 太阳能的简易结构太阳能的简易结构主要由集热器，下降水管，循环水管，补给水箱，上升水管，自来水管，热水出水管几部分构成如图2.1 图2.1 热水器装置简图1-集热器 2-下降水管 3-循环水管 4-补给水箱 5-上升水管 6-自来水管 7-热水出水管热水器主要由集热器、循环管道和水箱等组成，图中为典型的热水器装置图。图中集热器1按最佳倾角放置，下降水管2的一端与循环水箱3的下部相连，另一端与集热器1的下集管接通。上升水管5与循环水箱3上部相连，另一端与集热器1的上集管相接。补给水箱4供给循环水箱3所需的冷水。 当集热

17、器吸收太阳辐射后，集热器内温度上升，水温也随之升高。水温升高后，水的比重减轻，便经上升水管进入循环水箱上部。而循环水箱下部的冷水比重较大，就由水箱下流到集热器下方，在集热器内受热后又上升。这样不断对流循环，水温逐渐提高，直到集热器吸收的热量与散失的热量相平衡时，水温不再升高。这种热水利用循环加热的原理，因此又称循环热水器。集热器是一种利用温室效应，将太阳能辐射转换为热能的装置，该装置与一般热水交换器不一样，热交换器通常只是液体到液体，或是液体到气体的热交换过程，而平板行集热器时直接将太阳辐射传给液体或气体，是一个复杂的传热过程。平板型集热器结构形式很多，世界上已实用的集热器就有直管式、瓦楞式、

18、扁管式、铝翼式等二十多种。2.1.2系统结构图 图2.2 统结构图图2.2为系统设计的结构图，该图的系统控制原理图如下图2.3图2.3 系统控制原理图注释：t1：热水箱的温度传感器 t2：循环水管中的温度传感器t3：集热器中的温度传感器 f1：循环水阀门f2：冷水阀门 f3：热水阀门（1）早晨水温控制由于清晨太阳光较弱，所以太阳能热水器从系统发挥作用。为了提供温度不低于30摄氏度的水，热水器在清晨4-7点之间对水箱进行电加热，具体控制过程如下：首先，关闭冷水阀门f2和循环水阀门f1，然后微机开始进行水箱的温度采集，同时进行温度的比较，当水箱的温度小于30摄氏度时，电热器d接通进行加热，同时微机

19、继续对热水箱的温度进行采集。当温度加热到大于30摄氏度时电热器断开，如此反复循环保证了温度的稳定。（2）循环水集热过程早晨水温控制之后（79点），设定当日的水箱温度n（由两位bcd次齿轮开关设定），输入微机，再利用微机控制系统，通过太阳光能对热水箱加热以达到理想温度n。具体控制过程如下：打开循环阀门f1，关闭冷水进水阀门f2，热水阀门f3处于空控状态。然后开始比较温度，若（t3-t15摄氏度，t2t1）为止。如若t1=n，那么循环水集热过程结束，进入冷水集热控制过程。（3）冷水集热控制此时热水箱温度已达到了n，冷水要进入太阳能集热器，这时温度为t3，和当日的设定温度值相比较，若t3n则将已加热

20、的水送入热水箱，每天的控制时段大概为9点20点。具体控制过程如下：关闭循环水阀门f2，打开冷水阀门f2，热水阀门f3处于可控状态。若t3n，打开热水阀门f3并将保持一段时间，若t3n阀门f3继续保持打开状态，否则关闭f3。可见，这次过程充分利用太阳光能转化为热能，方便快捷。（4）水箱加热控制此时，也许你会问如果没有日照或者日照较弱时，到了晚上我们是否还能洗上热水澡吗？答案是肯定的，不要忘了这款热水器还有一个从系统，这时它就要发挥作用了。热水箱温度为t1，将它和设定值n相比较，从而控制是否打开电加热，控制时段为下午，具体过程如下： 若t1n，电加热接通；否则，电加热断开，而且，15点20点中的每

21、个小时有下表2.1的关系：表 2.1 温度比较时间（时）温度比较加热值（度）15t135n 3516t140n 4017t145n 4518t150n 5019t155n 5520t160n 60最终热水箱的温度加热到设定值n。由此可见，即使没有日照我们照样可以洗上热水澡了。综上所述，太阳能供热控制系统不仅节约而且高度智能化，方便省事，不论日常家居，还是对宾馆、学校等都是最佳选择。2.1.3关于辅助电加热的部分1.系统组成 ： 如图2.4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的通断，

22、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：主要用来加热水箱中水，使

23、其达到用户所需要的温度。 太阳能热水器利用微机控制主要有以下几种控制功能：晨水加热控制、温水循环控制、冷水集热控制、水箱加热控制。图2.4 系统组成示意图装置的工作原理：本控制系统分为手动和自动两种控制方式，在系统处于自动状态下，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

24、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。 2.光电隔离与辅助加热电路设计如下图2.5图2.5 辅助加热电路图上图为太阳能热水器光电隔离与辅助加热电路设计。当室外光强不足（阴天、下雨）时，对水箱的水提前加热是很必要的，这一电路恰好能完成这一功能。工作原理：当单片机89c52p2.1口输出高电平时，三极管t1导通，致使发光二极管发光，同时光敏三极管t2导通，继电器闭合，电阻丝r1r4发热，这样

25、就完成了加热任务，此电路虽然简单，但在太阳能热水器中是必不可少的。2.1.4太阳能热水器总体水位、水温测量电路。这部分用于采集水位水温信号给单片机，是太阳能热水器控制器最关键的部位。时间、水位、温度显示和键盘电路。这部分用于系统和人的信息交互，有对太阳能热水器状态的直观显示，也有用于人对系统控制的键盘电路。时钟电路。给系统提供时间显示和参考时间。驱动电路。包括电加热、上水电磁阀、报警电路，是整个系统的执行部分。系统的整体结构图如图2.6所示。图2.6 控制系统整体结构图89c52引脚图如下图2.7：图2.7 89c52的引脚图vcc：供电电压。gnd：接地。p0口：p0口为一个8位漏级开路双向

26、i/o口，每脚可吸收8ttl门电流。当p0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在fiash编程时，p0 口作为原码输入口，当fiash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高。p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。 p2口：p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl

27、门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。p3口：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流（il

28、l）这是由于上拉的缘故。p3口作为at89c52的一些特殊功能口， 管脚 备选功能：p3.0 rxd（串行输入口）p3.1 txd（串行输出口）p3.2 /int0（外部中断0）p3.3 /int1（外部中断1）p3.4 t0（记时器0外部输入）p3.5 t1（记时器1外部输入）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）rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的频率周期

29、输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。此时， ale只有在执行movx，movc指令是ale才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ale禁止，置位无效。/psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/psen有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen信号将不出现。/ea / vpp：当/ea保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有

30、内部程序存储器。注意加密方式1时，/ea将内部锁定为reset；当/ea端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）。xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。xtal2：来自反向振荡器的输出。第3章 水位和水温测量电路第3.1节 水位测量电路3.1.1水位测量电路的选择水位测量可以有多种方法，需从性能和成本两方面进行考虑，选择合适的方案。1排阻分档键盘式水位传感器在许多资料中都介绍了一种类似键盘电路的分档水位传感器，其原理图如图3.1所示。图3.1 排阻式水位测试电路示意图它的工作原理类似于键盘的工作原理，用 4根不锈钢针

31、分别置于水箱内的 四种不同高度的位置，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。它们的输出接至电子开关cd4069，经过cd4069反向并经74ls244驱动后分别接入89c52的 p10p13引脚。cpu对这些引脚进行判断后 ，送去显示相应的水位值。显示共分 4档 ，每档为满水位的25% 。这种方法简单，易实现，省去了传统的 ad转换器，成本低，虽然不精确但可以满足使用要求。2rc充放电式水位传感器测量电路这种电路资料较少，但我们在市场上购买的太阳能的水位和水温传感器就是基于这种原理。我们可以清楚的地知道传感器外形非常简单，一共只有4个端口，其中一个是防冻接口，没

32、有使用，使用的只有3个端口，在可用的三个端口上分别标有公共、水位、水温标志，由此可知测量水位、水温都只用了一个端口。观察传感器可知水位传感器有5个与水接触点，我们从上到下依次命名它们为15触点。我们分别测量了触点不同接法时公共和水位两端口之间的电阻，数据如表3.1所示。表 3 .1 输出电阻值表短接方式无短接1、21、2、31、2、3、41、2、3、4、5输出电阻值（k）极大25由上述测试结果的电阻值得出这样的规律，那就是电阻的并联短接，其原理如图3.3所示。它的工作原理是，水面每接触一个钢针就会多并联一个电阻，电阻随水位变化而规律的变化。利用单片机的一个口周期性的给电容电

33、路充放电，然后用单片机监测电容两端电压的变化，因为电容电压的上升或下降时间t=rc，所以用单片机记录这个时间就能判别电阻的变化，进而转化为水位的变化进行显示及其他动作。图3.3 rc充放电式水位传感器测量电路原理图3传感器选择rc充放电式水位传感器测量电路，明显优于排阻分档键盘式水位传感器的地方有：（1）接线简单，排阻分档键盘式水位传感器需要四根导线传输水位信号，而rc充放电式水位传感器仅需要两根就能完成，这对于线路较长的太阳能热水器传输信号电路来说能节省相当多的导线资源。（2）给水温测量电路设计带来方便，rc充放电式水位传感器的原理可以同样运用到热电阻温度测量电路中。（3）占用较少的i/o口

34、，仅需两个i/o口就能完成水位检测任务，极大地节约了单片机的i/o 口资源。综上比较可见选用第二种方案较为优越。3.1.2 水位测量电路的具体设计及优化1直接连接单片机i/o口检测单片机中的定时器可以提供电压变化时间的纪录，接下来就是如何将电压的变化传递给单片机。一种简单的方案是：用p1.0口给rc电路周期性的充放电，然后用p1.1口监测电容的电平变化，完成计时，这种方案看上去简单易实现，但实际则行不通。按刚才提到的方法接图如图3.4。这样做得到的结果是p1.1的电压一直保持高电平，即电容电压一直保持高电平。这与单片机内部电路有关。图3.4 直接用i/o检测电容电压测量水位电路原理图p1口只有

35、高电平和低电平两种状态，当p1.1口为高电平时，将电容端与p1.1连接，vcc会通过内部上拉电阻持续给电容充电，所以监测电容电压一直为高电平。而当将其置低电平时，p1口相当于接地，将会出现相反的情况，其通过地一直给电容放电，电容电压一直低电平。2采取与i/o隔离并用中断监测电容电压的电路这样需要将电容电压与单片机监测端口隔离，采取如图3.5所示电路。 图3.5 水位测量电路1.lm358的应用lm358的正向输入端接电容电压正端，反向输入端与输出端相连，构成电压跟随器。电压跟随器的显著特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧

36、姆，甚至更低，也就是说电压跟随器有较好的隔离作用，使输出对输入影响较小，正好满足我们的要求。lm358的输出电压幅度为0 至vcc-1.5v,而要跟随的电压范围为05v，所以应选用大于+6.5v的电源供电，这里选用+12v单电源供电2lm393的作用给比较器设置+3v的参考电压，将电容电压的指数曲线变成矩形波。将参考电压接同相输入端，比较电压接反相输入端，从而实现电容电压在上升到参考电压时比较器产生下降沿信号，作为单片机的外部中断信号。根据lm393的特性本设计电源电路提供的电压，选用+5v给其供电。由lm393的内部原理图可知lm393的输出为集电极开路，它的输出高电平与lm393的电源无关

37、，但须接外部电源和上拉电阻。在图3.5所示的水位测量电路中并未有这样的上拉电压电路，是因为单片机内部int0、int1口已经具备了这样的电路。int0、int1的内部电路类似于p1口。另外lm393的同相输入端输入和反相输入端输入之间有相互嵌位作用，+5v电源和分压电阻提供的+3v参考带电平对反相输入端输入有嵌位作用，如果不接lm358 电源跟随器而与电容直接相连，显然会影响电容电压的变化，这就是要加电压跟随器进行隔离的原因。3充电时间的设定和电容的选择电容充电时间的计算公式为： （31）t即位电容电压上升时间。编程使p1.0口输出周期性的方波，给电容充放电，方波半周期（充电或放电时间）为，应

38、使方波半周期大于电容电压上升时间，即： （32）如果使用单片机主程序一直循环给p1.4口输出方波，方波的周期可以很大，超过几秒甚至几十秒，但是这样主程序就只能干这一项工作，影响单片机的其他工作。所以要用定时器来实现方波输出。这样用定时器就可以用定时中断使p1.4口输出方波，又不影响单片机的其他工作。这样方波的周期就受定时器定时时间的限制。89c52单片机定时器共有4种定时方式，其中定时时间最长的为定时方式1。当定时器/计数器在方式1下做定时器用时，其定时时间计算公式为： （33）采用12m的晶振，晶振周期为s，因为采取定时器终端方式，所以n=0xffff=65536。所以： （34）那么当t=

39、30ms,计数初值为0x8ad0=35536。如图3.6，这里用int0 中断来监视记录电容变化，内部编程实现计时器对电容电压上升时间的记录，所以可以通过将计时器寄存器里的值显示出来的方式直观显示电容电压结果，来确定合适的电容。由表格数据可见当选用2uf电容时，应需较大的充放电时间，充放电不够充分，所以计数器寄存器中的值大而不准；而当取0.22uf电容式计数寄存器th0的值仅为1或2，非常不利用区分；当取1uf电容时，数据大小合适，分段明显，所以应选用1uf电容。另外，电容两端的最高电压为+5v，最低电压为0v，所以所选电容的耐压留有一定裕量为最大电压的3倍，所以应选取耐压为15v以上的电容。

40、表 3. 2 不同电容大小时计数器寄存器中的值一水位二水位三水位四水位th0tl0th0tl0th0tl0th0tl02ufa0b48598708360651uf64704950384032340.22uf2180a31728016472 （35）又由式3.8得： （36）这样由公式3.5、3.6得到。因此取充电和放电时间为30ms。4、编程即可实现水位处理由于水电阻的波动性和电容的不稳定性等原因，计数器中的数值会有一定的波动，所以需要对数据进行相应的处理显示水位。第3.2节 水温测量电路水温测量电路的设计包括传感器的选择和测量电路的选择。考虑到性价比等原因，市场上大部分太阳能热水器的温度传感

41、器都选用ntc负温度系数热电阻，本系统也选用这种。下面主要论述测量电路。3.2.1方案比较选择温度测量方案很多，下面通过比较选择合适的测量方法。1 热电阻a/d转换式水温传感器图3.6 热电阻a/d转换电路原理图a/d转换式水温传感器的原理是，利用热敏电阻的阻值随温度变化的特性，将随温度变化的电阻信号转化为变化的电压信号，然后将这个电压信号经运放放大处理成05v的电压信号，电压信号经a/d转换变成数字信号送给单片机。这种电路测量比较精确，但需用a/d转换器，而a/d转换的价格较贵，会加大成本，另外a/d转换需占用8个数据口和两个片选口及两个控制口共12个i/o口。2rc充放电式热电阻水温传感器

42、测量电路rc充放电式热电阻水温传感器测量电路的原理与前面提到的rc充放电式水位传感器测量电路原理完全相同，只要把水位电阻换成热电阻就可以了。其缺点是不够精确，但成本很低，对于对温度要求不算精确的太阳能热水器系统，完全可以满足我们的需要。另外与a/d转换式温度传感器相比，其优势还是十分突出的：（1）仅需2个i/o口就能完成对温度的检测，节约了单片机的i/o，有利于降低成本。 （2）实现起来也十分简单。3.2.2水温测量电路的设计及温度计算方法1水温测量电路图3.7 水温测量电路原理图对太阳能热水器中水的温度进行控制及显示，需对热水器水温与出水温度进行检测。对于热水器来说温度控制与显示的精度要求并

43、不高，因此本设计采用负温度系数ntc 热敏电阻作为测温元件，利用ntc 热敏电阻阻值随温度变化而改变的特性实现测温。2水温计算方法ntc 热敏电阻的阻值与温度的准确关系为: （37） 式中r0 为温度为t0 时的电阻值，t0 为基准温度298.15k， 即25 。为材料系数。r0 与由热敏电阻生产厂家给出。由式3.7可得: （38）由式3.3和式3.4可得； （39）经测试t0=25的计数器寄存器中的值=16384。将t0 、值代入上式并用摄氏温度表示时水胆温度为； （310）因为89c52单片机无法进行直接的对数运算，按上述公式计算温度值将是十分困难的。在这里查表法是一种经常采用的解决办法，

44、即事先计算出所有可能的计时结果所对应的温度值以表格形式写入控制程序，每次转换完毕后查表得出所对应的温度值。但此种方法需占用较多的程序储存空间本设计采用一次线性插值法对温度与a/d 转换结果之间的关系进行分段线性化，以少量单片机能直接进行的运算的组合去逼近目标函数。图3.8为温度t 与计时器计时结果n之间的关系曲线。图3.8 计时寄存器值n与温度t的关系曲线其中圆滑曲线为实际的t-n关系曲线设计中根据使用要求将曲线在0 -90 范围内分3 段采用图中的3 段直线断代替实际曲线。曲线按式3.10 计算出图中各线段端点坐标值为：n1=1000，t1=90()； n2=7549，t2=43()； n3

45、=20000，t3=20()； n4=56450，t4=0()；分段线性化后温度t 的近似计算公式：，() （311），() （312），() （313）为了能在单片机上进行计算，将以上三式进一步变换成如下形式（其中int为取整函数） t=97-int(n*8/1000), （314）t=50-int(n/1000), （315） t=30-int(n*5/10000), （316）式3.12、 3.13 和3.14 的计算过程仅需通过简单的几步移位与加减法操作即可实现，与通过式3-10 计算并进行四舍五入圆整的结果相比较单片机通过式3.12、 3.13 和3.14计算出的温度值在020 范围

46、内误差不超过2,在20 90 范围内误差不超过1,并且计算出的温度值与a/d 转结果之间保持良好的单调递增关系。3程序实现测量水温程序与水位程序类似，由单片机口给电容发矩形波充放电，然后检测中断计时，根据计数器中的值来判断当前温度。也就是水温测量程序包含中断计时和数据处理两部分。定时器0和1已经被水位测量电路，和充电定时占用，所以这里需可以编程序实现水位和水温中断轮流开关，来轮流使用定时器0,计算温度传感器的上升时间。数据处理公式已在上面列出。第3.3节 水位、水温测量电路的整体设计由上面的分析知道，两者的电路原理一样，都是用p1口给电容充电，用中断检测电容电压变化。作为充电口p1口的作用相当

47、于电源（充电时）或地（放电时），所以可以用同一个口为两个冲放电回路充电，两个回路是独立的。lm393和lm358 都是双运放、8脚dip封装，恰好用于水位和水温检测两路。下面图3.9是实际的水位和水温测量电路图。图3.9 水位和水温测量电路实际电路图以p1.3口作为水位和水温电路的公共充放电口，以into作为水位测量电路的中断检测口，以int1作为水温测量电路的中断检测第3.4节 时钟电路3.4.1芯片选择太阳能热水器虽然节能环保，但它也有自身的许多缺点，例如受天气状况的影响太大，如果某天因阴雨天气等原因日照不足，水温偏低，使用者就无法正常使用热水。为了解决这个问题需要为控制系统提供电加热装置

48、。为了实现自动加热的功能，需要使用一个适用本系统得时钟芯片，下面通过对两种芯片的性能比较来选择芯片。1ds12b887性能特点：在没有外部电源的情况下可工作10年，自带晶体振荡器及电池，可计算到2100年前的秒、分、小时、星期、日期、月、年七种日历信息并带闰年补偿，用二进制码或bcd码代表日历和闹钟信息，有12和24小时两种制式，12小时制时有am和pm提示，可选用夏令时模式，可以应用于motorola和intel两种总线，数据/地址总线复用，内建128字节ram 14 字节时钟控制寄存器 114 字节通用 ram，可编程方波输出，三种可编程中断 时间性中断 可产生每秒一次直到每天一次中断 周

49、期性中断122 ms 到 500 ms时钟更新结束中断。管脚功能描述:图4.1是ds12b887时钟芯片管脚图。管脚名称和功能：ad0ad7 地址/数据复用总线；nc 空脚；mot 总线类型选择(motorola/intel)；cs 片选；as ale；r/ w 在intel总线下作为 /wr；ds 在intel总线下作为 /rd；reset 复位信号；irq 中断请求输出；sqw 方波输出；vcc +5 电源；gnd 电源地；图4.1 ds12b887时钟芯片管脚图2 .ds1302串行时钟芯片ds1302芯片的性能特点：实时时钟具有能计算2100 年之前的秒分时日日期星期月年的能力还有闰年

50、调整的能力，318 位暂存数据存储ram，串行i/o 口方式使得管脚数量最少， 宽范围工作电压2.0 5.5v， 工作电流2.0v 时,小于300na，读/写时钟或ram 数据时有两种传送方式单字节传送和多字节传送字符组方式， 8 脚dip 封装或可选的8 脚soic 封装根据表面装配， 简单3 线接口，与ttl 兼容vcc=5v。管脚功能描述:图4.2为ds13028脚封装管脚图。图4.2 ds13028脚封装管脚图管脚描述：x1 、x2 32.768khz 晶振管脚；gnd 地；rst 复位脚；i/o 数据输入/输出引脚；sclk 串行时钟；vcc1,vcc2 电源供电管脚；3 .比较选择

51、ds12b887的计时功能基本相同，它们的最大区别是ds1302是串行i/o方式，而ds12b887是并行i/o口方式，ds12b887编程实现要容易些，而ds1302要占用较少的i/o资源。可见使用ds1302串行时钟芯片能够节省单片机的硬件资源，并能充分发挥单片机的软件优势，所以应使用串行芯片ds1302来完成时钟信号的提供。3.4.2时钟电路的应用设计1. ds1302 内部寄存器ch: 时钟停止位 寄存器2的第7 位12/24 小时标志ch=0 振荡器工作允许； bit7=1,12 小时模式；ch=1 振荡器停止； bit7=0,24 小时模式；wp: 写保护位 寄存器2 的第5 位:

52、am/pm 定义wp=0 寄存器数据能够写入； ap=1 下午模式；wp=1 寄存器数据不能写入； ap=0 上午模式tcs: 涓流充电选择 ds: 二极管选择位tcs=1010 使能涓流充电； ds=01 选择一个二极管;tcs=其它 禁止涓流充电； ds=10 选择两个二极管;ds=00 或11, 即使tcs=1010, 充电功能也被禁止表 4.1 rs位功能表rs位电阻典型位00没有没有01r12 k10r24 k11r328k2. ds1302与单片机的连接及时间读取方法ds1302的管脚按前面的说明进行连接，sclk同步时钟口接p1.5口，i/o数据输入输出口接p1.6口，ret复位引脚接p1.7口，vcc2接+5v电源，vcc1接+5v备用电池，x1、x2接32.768mhz晶振。单片机与ds1302的连接方式如图4.3所示。读取ds1302的时钟时间是主程序的一部分，首先要定义日期时间等全局变量，然后在主程序中调用时间读取程序，时间程序编程如下。ds