太阳能热水器控制系统设计

1、111/112SKIPIF 1 5摄氏度，T2T1）为止。如若T1=N，那么循环水集热过程结束，进入冷水集热操纵过程。（3）冷水集热操纵现在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则将已加热的水送入热水箱，每天的操纵时段大概为中午太阳较强时。具体操纵过程如下：关闭循环水阀门F1，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并将保持一段时刻，若T3N阀门F3接着保持打开状态，否则关闭F3。可见，那个过程充分利用太阳光能转化为热能，方便快捷。（4）水箱加热操纵当光线专门弱或遇上阴雨天气，那个过程热水箱的加热系统将发挥

2、最大作用，设定热水箱温度为T1，将它和设定值N相比较，从而操纵是否打开电加热，操纵时段为全天，具体过程如下： 若T11000次）Flash ROM32个双向I/O口硬件看门狗WDT电路3个16位可编程定时/计数器时钟频率0-33MHz两个串行中断5128bit内部RAM2个外部中断源内置时钟振荡器中断激活睡眠模式3级加密位双重数据存储器软件设置睡眠和唤醒功能3.3.2数码管显示：由单片机的定时器To做16位计数器（为便于数据处理，那个地点只用低8位计数值，即寄存器TL0中的值）。一边记录脉冲数量，一边以厘米为单位由四位数码飞管显示出来。四位数码管采纳动态扫描方式显示。长度计量仪采纳0.5英寸共

3、阳极连接的LED数码管。 SKIPIF 1 0 LED数码管由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件。右图为LED数码管外形和引脚图，其中7只发光二极管分不对应a-g笔段，构成“日”字形，另一只发光二极管DP作为小数点，因此这种LED显示器称为八段数码管。（如图3-3所示） SKIPIF 1 0 图3-3 LED数码管共阳极型LED数码管，是将各段发光二极管的阳极连在一起，作为公共端com,应接高电平。a图3-3 LED数码管为了节约单片机I/O口的数量，将各位数码管的ag对应笔画并联起来分不与单片机的P2.0P2.7引脚连接。显示时，由P2口依次输出各位数字的笔段码，并依次由P1.0、P1.

4、1、P1.2、P1.3输出低电平位选信号接通数码管的公共端，轮流进行，循环不止，由于循环的频率较高（约50Hz），加上人眼的视觉暂留，既保障了各位数字的对应显示，又可不能出现闪耀现象，实现动态扫描显示。本系统需显示水温，测量范围为099 0C，用四个八位LED数码管显示。1）LED结构和显示原理。LED（Light Emitting Diode）显示器是由发光二极管作为显示字段的显示器件，最常见的是由7段型发光二极管（ag7段）和1个圆点型发光二极管（常以dp表示，要紧用来显示小数点）组成的LED显示器，其排列形状如下图所示。这种LED显示器也可称为7段数码显示器（或8段数码显示器）。LED显

5、示中的发光二极管依照其连接的方法有共阴极和共阳极两种结构。共阴极结构：把各段发光二极管的阴极连接在一起构成公共阴极，如图a所示。使用时，公共阴极接地，依照要求需点亮发光二极管的阳极输入高电平，不需点亮的发光二极管的阳极输入低电平。共阳极结构：把各段发光二极管的阳极连接在一起构成公共阳极，如图b 所示。使用时，公共阳极接+5V，依照要求需要点亮发光二极管的阴极输入低电平，不需点亮的发光二极管的阴极输入高电平。通过操纵7个段的发光二极管的亮暗的不同组合，能够显示多种数字、字母以及其他符号。2）字段码。为了显示各个数字或字符，就需要为LED提供相应的代码，因为这些代码是操纵各段的亮或灭，供显示器显示

6、字形的，因此称为字段码（也能够称为段选码或字形码）。七段发光二极管再加上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED显示器的字段码正好1个字节。各代码位的对应关系如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0DpGfedcba下图所示为共阴极LED所显示的不同字符的字段码，测量范围为099 0C，当温度超出范围时，显示器均显示F。显示字符共阴极字段码03FH106H25BH34FH466H56DH67DH707H87FH96FHF71H3）N位LED显示器。在单片机应用系统中，实际使用的LED显示器有多个，N位LED显示器的显示要从两个方面来操纵：其一是操纵N位的字段显示（即显示什么字符）；

7、其二是操纵字位（即哪一位到哪一位亮）。由LED的显示原理可知，要使某N位LED显示器的某一位显示某个字符，就必须将此字符转换为对应的字段码来操纵该位的8个段，同时，该位的字位线也要操纵有效，这要通过一定接口来实现。LED显示器有两种显示方式，即静态显示方式和动态显示方式。N位LED显示器有N根字位选线（简称：“位选线”）和N*8根字段选线（简称：“段选线”）。依照显示方式不同，位选线和段选线的连接方式也不同。各种字符的字段码的猎取方法有两种：即软件译码和硬件译码法。目前通常所用的各种型号的单片机开发系统或实验装置普遍采纳软件译码。当单片机应用系统中的LED显示器位数较多时，为了简化电路降低成本

8、，本设计采纳动态显示的方式。动态显示方式的接口电路的连接方法是：将所有LED位的段选线（a dp）同名并联，即所有a段并联，所有b段并联。依次类推，然后由一个8位I/O接口来操纵各个段，而所有位的位选线则由另外一个相应的I/O接口线来操纵。如此用两个8位I/O接口就能操纵8位LED显示器。LED显示器是由电流型操纵器件，其工作电流为2mA20mA，使用时须加限流电阻。本设计中限流电阻选用1K。动态扫描显示操纵方式确实是逐个地循环点亮各位显示器，即在某一瞬间，只让某一位的位选线处于选通状态（共阳极的为高电平，共阴极的为低电平）其它各位的位选线处于段开状态，同时段选线上输出相应位要显示字符的字段码

9、。如此在每一个瞬间，8位LED中只有选通的那一位LED显示出字符，而其它7位则是熄灭的。同样，在下一瞬间，只显示下1位LED。如此接着下去，等8位LED都显示完毕后，在循环进行。尽管这些字符是在不同的瞬时轮流点亮的，但由于人眼的视觉残留效应，看到的是8位稳定显示的字符，与静态显示的效果完全一样。因此为了简化电路、降低成本，此系统中采纳动态显示方式。3.3.3数字温度传感器DS18B20要紧特性及测温原理一线式数字温度传感器DS18B20是DS1820的更新换代产品(由美国DA IIAS公司生产)。它具有体积小,分辨率高,转换快等优点。由于每片DS18B20 含有唯一的硅串行数, 因此在一条总线

10、上能够挂接多达248 2181014只DS18B20,再加上DS18B20 独特的单线总线结构,决定了DS18B20 特不适合于大型的多路温度实时测控系统的温度检测。温度实时测控集装箱的设计, 在实现测控系统的温度检测方面就较好地利用了DS18B20 的独到特点,使系统得到了极大的简化。（1）DS18B20的特性1）独特的单线接口方式。DS18B20 在I/O处理器连接时,仅需要一个I/O 口即可实现微处理器同DS18B20的双向通讯。2）DS18B20支持组网功能,多个DS18B20能够并联在唯一的单线上,实现多点测温。3）DS18B20 的测温范围为: - 55+125,在-10+ 85时

11、, 4）DS18B20的测温结果的数字量位数从912位,可编程进行选择。数字化温度传感器DS1820测温范围为- 55+125 ，增量值为0.5 (9位温度读数)，它要紧由4个数据部件部分组成：64位ROM;温度传感器;非易失性的温度告警触发器TH 和TL；高速便笺存储器64 位ROM用于存储序列号，其首字节固定为28H，表示产品类型码，后6个字节是每个器件的编码，最后1个字节是CRC 校验码. 温度告警触发器TH和TL 存储用户通过软件写入的报警上下限值，高速便笺存储器由9个字节组成，其中有2个字节RAM单元用来存放温度值前1个字节为温度值的补码低8位，后1个字节为符号位和温度值的补码高3位

12、。（2）DS18B20 测温原理DS18B20内部结构框图,如图3-4所示。 SKIPIF 1 0 图3-4 DS18B20内部结构框图DS18B20 的测温原理：DS18B20 测量温度采纳了特有的温度测量技术，它是通过计数时钟周期来实现的，内部计数器对一个受温度阻碍的振荡器的脉冲计数,低温时,振荡器的脉冲能够通过门电路。而当到达某一设置高温时, 振荡器的脉冲无法通过门电路。计数器设置为- 55。同时, 计数器复位在当前的温度值时, 电路对振荡器的温度系数进行补偿, 计数器重新开始计数直到回零。假如门电路仍未关闭, （3）DS18B20的操作协议DS18B20单纯通信功能是分时完成的。单线信

13、号包括复位脉冲,响应脉冲,写“0”,写“1”,读“1”。它们有严格的时隙概念。系统对DS18B20的操作以ROM命令(5个)和存储器命令(6个)形式出现。对它的操作协议是： 初始化DS18B20发复位脉冲)发ROM功能命令DS18B20在使用时，一般都采纳单片机来实现数据采集。只需将DS18B20 信号线与单片机1位I/O线相连，且单片机的1位I/O线可挂接多个DS18B20，就可实现单点或多点温度检测。DS18B20传感器精度高、互换性好;它直接将温度数据进行编码，能够只使用一根电缆传输温度数据，通信方便，传输距离远且抗干扰性好：与用传统温度传感器组成的多点测温系统相比可节约大量电缆，而且系

14、统得以简化，系统扩充维护十分方便。DS18B20 能够广泛用于工厂工业过程、大型粮仓、酿酒厂，食品加工厂的温度检测以及宾馆、仪器仪表室等处的温度检测和操纵。3.3.4ADC0832转换器ADC0832引脚图（图3-5）:ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前差不多有专门高的普及率。学习并使用ADC0832 但是使我们了解A/D转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。ADC0832 具有以下特点： 8位分辨率； 双通道A/D转换； 输入输出电平与TTL/CMOS相兼容； 5V电源

15、供电时输入电压在05V之间； 工作频率为250KHZ，转换时刻为32S； 一般功耗仅为15mW； 8P、14PDIP（双列直插）、PICC 多种封装； 商用级芯片温宽为0C to +70C，工业级芯片温宽为40C to +85C；芯片图：图3-5 ADC0832程序:程序占用资源有累加器A，工作寄存器R7,通用寄存器B 和专门寄存器CY。通道功能寄存器和转换值共用寄存器B。在使用转换子程序之前必须确定通道功能寄存器B 的值，其赋值语句为“MOV B,#data”（00H03H）。运行转换子程序后的转换数据值被放入B 中。子程序退出后即能够对B 中数据处理。 3.3.5继电器（relay）的工作

16、原理和特性 当输入量(如电压、电流、温度等)达到规定值时，使被操纵的输出电路导通或断开的电器。可分为电气量(如电流、电压、频率、功率等)继电器及非电量(如温度、压力、速度等)继电器两大类。具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力爱护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。继电器是一种电子操纵器件，它具有操纵系统（又称输入回路）和被操纵系统（又称输出回路），通常应用于自动操纵电路中，它实际上是用较小的电流去操纵较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全爱护、转换电路等作用。1、电磁继电器的工作原理和特性电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只

17、要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消逝，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。如此吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。关于继电器的“常开、常闭”触点，能够如此来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。2、热敏干簧继电器的工作原理和特性热敏干簧继电器是一种利用热敏磁性材料检测和操纵温度的新型热敏开关。它由感温磁环

18、、恒磁环、干簧管、导热安装片、塑料衬底及其他一些附件组成。热敏干簧继电器不用线圈励磁，而由恒磁环产生的磁力驱动开关动作。恒磁环能否向干簧管提供磁力是由感温磁环的温控特性决定的。 3、固态继电器（SSR）的工作原理和特性固态继电器是一种两个接线端为输入端，另两个接线端为输出端的四端器件，中间采纳隔离器件实现输入输出的电隔离。固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型。按开关型式可分为常开型和常闭型。按隔离型式可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型，以光电隔离型为最多。 继电器要紧产品技术参数1、额定工作电压是指继电器正常工作时线圈所需要的电压。依照继电器的型号不同，能够是交流电压，也能够是直流

19、电压。2、直流电阻是指继电器中线圈的直流电阻，能够通过万能表测量。3、吸合电流是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，如此继电器才能稳定地工作。而关于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。4、释放电流是指继电器产生释放动作的最大电流。当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。这时的电流远远小于吸合电流 5、触点切换电压和电流是指继电器同意加载的电压和电流。它决定了继电器能操纵电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则专门容易损坏继电器的触点。继电器的电符号和触点形式 3

20、.3.6电磁阀与晶闸管电磁阀是操纵元件，要紧用来操纵气缸。也有分析仪器或者不的喷枪用来直接操纵气体。电磁阀分为气动、液压两种，工作方式差不多上一样的，只是介质不一样。工作原理确实是在一个阀体上开几个孔，然后用电磁感应操纵阀杆的运动来操纵堵哪个孔，或者让哪个孔出气。以此达到操纵的目的晶闸管可控的导电开关，与二极管相比，不同之处是正向导通首操纵极电流操纵 OP07低噪声单运放：OP07功能简介:Op07芯片是一种低噪声，非斩波稳零的单运算放大器集成电路。由于OP07具有特不低的输入失调电压（关于OP07A最大为25V），因此OP07在专门多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流

21、低（OP07A为2nA）和开环增益高（关于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特不适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。 OP07特点：超低偏移： 150V最大 。 低输入偏置电流： 1.8nA 。 低失调电压漂移： 0.5V/ 。 超稳定，时刻： 2V/month最大 高电源电压范围： 3V至22V晶振：为给单片机提供工作所需要的时钟信号，本设计中采纳了6MHZ的晶振。故系统中CPU执行的每一个机器周期为2us.3.4 AT89S51单片机的最小系统 ：4. 4.74. 4.7F620pf+5V Vcc EA GNDAT89S51 RST

22、 XTAL1 XTAL220pf+5V图3-6 AT89S51单片机最小系统图3-6中，晶体振荡器的频率选6MHZ，复位电路采纳上电复位，电路参数如图中所示，以满足系统复位时两个机器周期的高电平的要求。由于CPU的内部已含有程序存储器，因此EA引脚接高电平。图3-7时钟电路3.5 AT89S51单片机时钟电路图3-7时钟电路该水位自动显示操纵器采纳AT89C51单片机，机内有一高增益反相放大器，构成自激振荡电路，振荡频率取6MHz,外接6MHz晶振，两个电容C1、C2取20pF，以便于起振荡的作用。 右图中XTAL1为内部时钟工作电路的输入，XTAL2为来自反向振荡器的输出。3.6 AT89S

23、51单片机复位电路该水位自动显示操纵器采纳上电复位电路，由R14、C3构成复位电路，在上电瞬间，产生一个脉冲，AT89S51将复位。为保证可靠复位，脉冲宽度应大于两个机器周期，这取决于R、C时刻长数。取电容C=10uF，电阻R=10K。图3-9水位检测电路3.7水位检测电路的硬件设计图3-9水位检测电路实验证明，纯净水几乎是不导电的，但自然界存在的以及人们日常使用的水都会含有一定的Mg2+、Ca2+等离子，它们的存在使水导电。本操纵装置确实是利用水的导电性来完成的。我们把储水箱大致分为四个等份，水位由潜入太阳能热水器的储水箱不同深度的水位电极和潜入储水箱底部的公共电极（导线）进行检测；由单片机

24、依次使各水位电极呈现高电平，由公共电极所接的三极管进行电位转换，水位到达的电极，转换电位为低（0）；水位没有到达的电极，转换电位为高（1）；每检测一位便得到一位数据，5个电极检测一遍以后便得到了5个串行数据，然后把这5个数据转化为字节一路送发光二极管；在那个地点我们能够用发光二极管亮的盏数来显示水位的高低。（若没有发光二极管亮则表示箱内没有水或者只有少量的水，若有一个发光二极管灯亮则表示箱内有四分之一箱的水，以此类推，若有四个发光二极管亮，则表示水箱水是满的。）当水位未达到a时，即ha时、这时传感器的总阻值为4R，对应，系统处于缺水状态。当ahb时，传感器电阻阻值为3R，对应，系统处于20%水

25、位。当bhc时，传感器电阻阻值为2R，对应，系统处于50%水位。当ch设定5否N设定5 是 液位是否最高 液位是否最高否N设定5NM，且r中含有s，则图像标准误差函数为:假如r(m，n)与9相对应，则有E(m，n)=伍否则E(m，n)0。某一闽值，就能够认为找到了匹配点，即此坐标为目标位置。本系统所跟踪的对象为由图像传感器采集的太阳光斑图像。程图如图9.3所示。实际上只要E(m，n)小于比较法定位子程序的流就目标看，它的灰度值高能于背景专门好区分，且占图像整风光积小。上述的跟踪算法关于本系统来讲就显得专门繁琐，且需要较大存储空间。基于目标物体的特点，本系统在对所采集图像的像素点灰度值逐个比较，

26、就能够求出整幅图像的最大值点及其坐标值，那个点既是真正的光点，通过对其位置的调整就能够实现系统对太阳光线的自动跟踪。在系统调试时期，在微处理器外部扩展了数据存储器，能够保存一幅图像数据，所以采纳质心跟踪算法。其流程图如图9.4所示。9.2.6系统主程序系统主程序如图9.5所示。首先对微处理器初始化，分配存储空间，初始化其各个功能寄存器使其正常工作;再按照设计要求初始化图像传感器。N幅图像后，图像传感器采集接收屏的图像数据，并输出到微处理器处理;为了避免图像传感器中电子噪声的干扰，首先对采集到的图像进行中值滤波，去除其中的电子噪声，并推断是否有光斑，若没有光斑则接着采集图像，若存在光斑则由定位子

27、程序得到光斑的位置坐标;得到光斑位置坐标后，显示坐标值并推断其是否在接收屏的中心，若不在中心，微操纵器操纵执行机构依照得到的坐标值调整成像机构位置，使成像机构与入射光线垂直，否则接着采集接收屏的图像。第五章.系统调试5.1软件调试 软件的调试要紧通过Keil uVision3软件进行操作，对程序编写过程中的错误进行查找，找出错误，进行修改，然后再进行编译直至编译成功，生成HEX文件，才能下载到单片机里，继而实现相应功能。第六章.系统功能6.1系统能实现的功能本系统通过单片机操纵各个电路模块以实现对温度，水位的检测，以及对整个热水器的智能化操纵。6.2系统功能测试 设计前期通过KEIL软件和PR

28、OTEUS仿真软件的联调，对设计功能进行仿真，均达到了预期的设计效果，设计后期，硬件制作完毕后，将仿真成功后的程序通过单片机下载程序，写入单片机，再依照显示模块的各个端口连接方式，正确地将单片机跟显示模块连接，最后都实现了设计的功能。6.3系统功能分析该操纵器和以往显示仪相比具有性能价格比高、温度操纵与显示精度高、使用方便和性能稳定等优点。单片机操纵系统具有低价、智能的优势，能够依照需求的不同而作相应的调整，更加个性化。同时，使用单片机操纵系统能够节约能源，爱护设备，延长设备的使用时刻。该热水器具备以下特点：结构简单、运行可靠、操作维护简便。热源取之不尽用之不竭，不需要运输，节约燃料。无污染，

29、可不能对周围环境造成任何阻碍。热水产量受季节、地区纬度、采热面积、采热器类型、环境温度、供水温度、风速、日照实际等因素阻碍较大。该系统加装减压阀后可与锅炉配套使用，解决冬季用水。不用考虑玻璃盖的防冻装置。该系统加装减压阀后可与锅炉配套使用，解决冬季用水。不用考虑玻璃盖的防冻装置。该热水器装置置于浴室屋订占地面积较大，同时增加了建筑物的载荷。在试制和安装过程中我们体会到只有注意以下几个方面才能保证热水器的正常运行，第一是循环管道水流方向不同意有反坡现象，拐弯要和缓，管道内要清洁无堵塞。第二是冷水箱、热水箱、集热器及热水保温的相对位置及标高合理，符合水流规律，第三是补充给热水箱的水流不同意冲击，第

30、四是电磁阀的选择及安装位置要合理，保证动作灵敏可靠。总之，不管从市场或技术抑或价格的角度来讲，此款热水器具有专门大的优势。它市场前景宽敞、技术先进、价格合理、高度智能化，方便省事，是当前市面上热水器的升级产品。它不但适合于城乡民宅需求，还适用于写字楼、餐饮、娱乐、商业服务浴室、理发店、旅馆、招待所、托儿所、敬老院及外贸出口等各种需求。第七章.参考文献1刘福才、刘丰、刘立伟 AVR单片机在太阳能热水器智能操纵器中的应用。微计算机信息，1999，4。2 王长胤、 文军 单片单板机原理及应用M 武汉大学出版社， 1993。3 向奇汝 多功能温度操纵器J 自动化与仪器仪表，1999 4 何立民 单片机中、高级教程 北京航空航天出版社 19995 郭廷玮 太阳能利用和前景 科学普及出版社 19866万福君、潘松峰 单片机原理系统设计与应用 科学技术大学出版社 20017 潘永雄、沙河、刘向河 电子线路CAD有用教程 西安电子科技出版社20018 何克忠、李伟 计算机操纵系统 清华大学出版社 19989 周政新 电子设