电辅助-太阳能供热控制系统硬件设计

摘要现代社会要节俭,而太阳能是一种无穷无尽的环境友好的新能源，也是全世界能源研究的重点。是目前国内经济情况下采用的比较简单，经济，环保，可靠的采暖和供暖节能方法。太阳能是一种无污染的清洁能源，属于热辐射能源。所以，开发利用太阳能，已成为全球各国寻求和利用新能源，进行节能、环保的重要探索项目，而且已取得了很大的进步，并已进入到实用阶段。一个节俭的社会，其生活方式也应该是节俭的。而太阳能是一种无穷无尽的环境友好的新能源，也是全世界能源研究的重点。是目前国内经济情况下采用的比较简单，经济，环保，可靠的采暖和供暖节能方法。近年来，伴随着国家经济的高速发展，以及对环境的关注，在提出了建设节约型社会的政策之后，太阳能出现了，一种比较简单，经济，环保，可靠的改善室内环境的办法，一种非常符合我国当前经济条件的供暖和供暖方式，已在国内得到了大力推广和广泛应用。本论文以单片机为基础，对电辅助-太阳能供热系统的硬件进行了研究。本文介绍了一种由STC89C52单片机组成的太阳能供热系统，它依次完成了对光辐射探测及循环水泵的控制、防冻控制、压力控制、加热控制等功能。关键词：太阳能；供热；单片机；硬件设计ABSTRACTModern

society

needs

to

be

frugal,

and

solar

energy

is

an

endless

and

environmentally

friendly

new

energy

source,

which

is

also

a

focus

of

energy

research

worldwide.

It

is

a

relatively

simple,

economical,

environmentally

friendly,

and

reliable

heating

and

heating

energy-saving

method

currently

used

in

the

domestic

economy.

Solar

energy

belongs

to

a

type

of

thermal

radiation

energy,

which

is

a

pollution-free

and

clean

energy

source.

Therefore,

the

development

and

utilization

of

solar

energy

has

become

one

of

the

important

exploration

projects

for

various

countries

around

the

world

to

seek

and

utilize

new

energy

for

energy

conservation

and

environmental

protection,

and

has

made

significant

progress

and

entered

the

practical

stage.

A

frugal

society

should

also

have

a

frugal

lifestyle.

Solar

energy

is

an

endless

and

environmentally

friendly

new

energy

source,

and

it

is

also

a

focus

of

energy

research

worldwide.

It

is

a

relatively

simple,

economical,

environmentally

friendly,

and

reliable

heating

and

heating

energy-saving

method

currently

used

in

the

domestic

economy.

Therefore,

the

development

and

utilization

of

solar

energy

has

become

one

of

the

important

exploration

projects

for

various

countries

around

the

world

to

seek

and

utilize

new

energy

for

energy

conservation

and

environmental

protection,

and

has

made

significant

progress

and

entered

the

practical

stage.

In

recent

years,

with

the

rapid

development

of

the

national

economy

and

attention

to

the

environment,

solar

energy

has

been

regarded

as

an

inexhaustible

new

type

of

environmentally

friendly

energy

after

proposing

policies

to

build

a

conservation-oriented

society.

A

relatively

simple,

economical,

environmentally

friendly,

and

reliable

method

of

improving

indoor

environment,

a

heating

and

heating

method

that

is

very

suitable

for

the

current

economic

conditions

in

China,

has

been

vigorously

promoted

and

widely

applied

in

China.In

this

paper,

the

hardware

of

the

electric

auxiliary

solar

heating

system

is

studied

based

on

the

single-chip

microcomputer.

This

paper

introduces

a

solar

heating

system

which

is

composed

of

STC89C52

single

chip

microcomputer.

It

has

successively

completed

the

functions

of

light

radiation

detection,

circulating

water

pump

control,

antifreeze

control,

pressure

control,

heating

control,

etc.KeyWords:solarenergy;heataddition;singlechip;hardwaredesign-12-绪论1.1太阳能热水器的背景美国，瑞典，澳大利亚，日本等发达国家，都投入了大量的人力物力，致力于太阳能热泵的研发，并在各个地区，如酒店，住宅，学校，医院，图书馆，游泳池等，都有了很大的发展，并取得了很好的社会效果。现在，太阳能热水器已经成为一种很常见的方式，在国外，很多国家都会用政府的补贴来鼓励人们使用太阳能热水器，欧洲还将采用诸如“工程项目”之类的手段，以加强太阳能热水器的推广。虽然没有国家的补贴，但在华夏，太阳能热水器的销量，还是非常不错的。据资料显示，1999年，我们卖出的太阳能热水器约有三百万平米，是全球最多的。并且，所出售的产品均为国内生产的，并且主要集中在一些经济比较发达的地方，其中很多地方并不具备很好的太阳能资源。如果能够在全国范围内将太阳能热水器推广到所有的家庭，那么必将会产生巨大的节能减排效益和环境效益。随着科技的不断进步，太阳能热水器的种类和性能也将不断的提升，太阳能热水系统的性能也会不断的提升。太阳能发电技术的广泛应用，不仅节省了能源，而且还改善了环境，提高了人民的生活水平，对人类文明与进步做出了重大贡献。1.2太阳能热水器的研究现状近几年来，由于我国局部地区能源紧张，太阳能热水器的普及，这种既环保又节约能源的新产品，公司在市场上发展迅速，截至2002年底，公司规模已达一千万平方米，产值达一百一十亿元，占地面积达四千万平方米以上。根据相关专家预测，到2010年，我国太阳能热水器的年增长率将达到15%，这一数字已经接近日本、韩国等国的水平。从目前中国太阳能热水器品牌来看，大致可分为以下三种类型：一种是已经形成了全国性的营销网络，比如以皇明牌为首的一、二个品牌；二是处于从局域网到全国性网转型期的公司，其中包括华阳、青日等少数公司；第三种是规模较大、规模较小的小型太阳能热水器公司。有数据表明，像这种小型的太阳能热水器制造商在国内就有超过3000个。根据《中国太阳能产业年度报告（2011）》统计，全国在30个省市区均有太阳能热水器企业，其中仅江苏省就有300余家太阳能热水器企业。这不仅直接造成中国太阳能热水器产业总体技术水平相对较低，难以在国际市场上形成竞争优势，而且也严重影响了我国太阳能热水器产品的出口。再比如，据有关部门的数据，一个行业的百亿产值，如果当年出口只有一千万美元，这个行业就会变成无足轻重的“小作坊”。如果说，整个行业加在一起也不过是百分之一的产值。从总体上看，我国的太阳能热泵热水技术尚处于起步阶段，而我国的太阳能热水器在我国的推广和使用还存在着诸多问题。1.3本设计的主要任务及内容太阳能热水器是利用太阳的辐射能量来获得热能，通过热交换过程，使水达到加热要求的装置。它无污染、使用方便，长期使用成本低廉，是一种具有广泛应用前景的环保产品。在生活中，随着人们对环保意识的提高，太阳能热水器越来越受到人们的关注。本设计以单片机STC89C52为核心，主要由温度传感器LTC1820、单片机STC89C52、继电器及风机、显示模块等组成。当环境温度低时，当水温达到设定温度时，通过DS18B20检测到水温信息后经调理、A/D转换后送入单片机，一方面通过LCD显示当前的温度值；另一方面与温度设定值进行比较、运算，根据结果发出相应的加热指令，控制其温度。实现了太阳能集热循环控制、加热控制以及管道防冻保护。1.4系统的主要功能1.4.1太阳能集热循环控制太阳光循环系统的水泵在白天可以不间断的持续运转，夏天和晚上都可以停止运转，冬天的时候可以控制温度循环，防止结冰。1.4.2加热控制在此基础上，通过对用户侧供热状况的分析，实现了对电热器启动和关闭的控制。在日间日照时间较短，储水罐的水温未达到设定值时，控制装置会自动启动电热器进行加温，反之则会自动停止加温。1.4.3管道防冻保护在集热管的供水管道上装有一个温度传感器，在4摄氏度以下，水泵开始工作，在8摄氏度以上，水泵停止循环。太阳能控制系统2.1控制系统组成目前市面上的太阳能热水器，其结构比较复杂，但综合起来，大致可以分为三大部件：循环（热）水箱、集热器、连接管线。每一个部件的功能都不一样。2.1.1集热器在一个系统中收集热量的元素。它的作用就像是电热水壶里的电加热管一样。与电热水器、燃气热水器不同，太阳能热水器是以阳光为能源的，所以只有白天才能使用。2.1.2保温水箱就像是电热水器里的保温桶，里面装的是热水。由于太阳能热水器只有在日间才能运行，而人们通常只会在夜间用热水，因此需要将收集器在日间生产的热水，用保温罐来存储。体积，是指每天的热量总和。同乐磁漆内胆承压式绝热水箱，采用的是同乐磁漆内胆承压式绝热水箱，采用了同乐磁漆内胆承压式绝热水箱，绝热性能更佳，不结垢，抗腐蚀，水质洁净，使用寿命长达20年。2.1.3连接管道(循环水管)在第一步中，热水从集热器输送到保温水箱，热水在保温水箱内被加热，并通过管道输送到太阳能热水器，在这一过程中，热水与冷水被分别放置在保温水箱的不同位置，因此整套系统形成了一个闭合的环路。一条合适的循环管的设计和适当的接线方式，对于太阳能发电系统能否实现最优的运行是非常重要的。热水管线一定要做好绝缘。管线必须具有高品质，并能确保超过20年的寿命。2.2系统实现方式2.2.1采用设备光辐射传感器、温度传感器、压力传感器；控制器（单片机和相应外围电路构成）、水泵等。2.2.2太阳能系统控制图太阳能控制系统工艺流程如图2-1所示:图2-1太阳能控制系统流程图2.2.3控制系统光辐射探测及循环水泵的控制：当没有光照的情况下，光辐射探测器探测到太阳光的时候，光辐射探测器将接收到的太阳电信号（0~20mA）通过光辐射探测器内部的信号放大器进行放大，经过单片机处理后输出给控制器。控制器根据接收到的电信号（0~20mA）启动循环泵进行循环。同时在管道上探测水流，当管道内无水时将信号送入控制器。防冻控制:在集热器的供水管上设置温度传感器，当温度小于4℃时，将相应电信号（0~20mA）输入控制器，循环泵启动，当温度大于8℃时，防冻循环停止。压力控制:将供水管网压力传感器检测到的电信号（0~20mA）输入控制器，利用变频器对末端压力实现定压控制。加热控制:在管网末端设有温度传感器，当储水箱温度达不到设定值时，控制器自动启动电加热器加热，否则加热停止。2.3系统选型论证2.3.1单片机芯片的选择方案一：采用89C51芯片作为硬件核心，使用FlashROM，其内部拥有4KB的ROM存储空间，可以在3V的超低压工作，并且与MCS-51系列单片机完全兼容。但是，在将其应用于电路设计中时，因为不具备ISP在线编程技术，在调试过程中，因为对软件的不恰当修改，或者为了增加一个新的功能，而频繁地拔插，都会对软件的性能造成一定的影响。方案二:采用STC89C521，该芯片内部存储器为8KBROM存储空间，它也拥有89C51的功能，并且还具有在线编程可擦除技术。当在对电路进行调试的时候，因为程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，由于不需要对芯片进行多次的拔出和插入，因此不会对芯片造成损害。此外，STC系列单片机的PO端口也不需要上拉电阻，这使得电路更为简单。综上所述，本设计选择采用STC89C52作为主控制系统。2.3.2温度传感器的选择方案一：以热敏电阻器为传感元件，将热敏电阻器与对应的阻值电阻器串联进行分压，利用该电阻器的阻值随温度的改变而改变的特点，获得两个电阻器之间的分压值。这种设计方法不仅增加了硬件的开销，还增加了热敏电阻器的感温特性曲线并不是绝对的线性，这就导致了测量误差很大。方案二:采用数字式温度传感器DS18B20，此类传感器为数字式传感器，仅需要一条数据线进行数据传输，易于与单片机连接，降低硬件成本和系统的复杂度。此外，数字式温度传感器具有精度高，测量范围广等优点，从电路简化和系统稳定性角度考虑，本设计采用DS18B20传感器。由于是测热水器水箱内的水温，所以选择防水型DS18B20。2.4系统总体结构框图本文所介绍的太阳能热水器是一种新型的太阳能热水器，它是在太阳能热水器的基础上，通过控制系统把温度、压力等参数信息传输给加热器，从而达到加热炉内介质的目的。本文以AT89C52单片机为核心，构成了一套用于加热炉的微控系统。该传感器采用了DS18B20单片集成式温度传感器，其主要功能是探测水温，并将其转化为模拟信号。接下来，我们将利用ADC0832模数转换器，将检测到的温度、电压信号转换成数字信号。我们可以通过软件或硬件方法，将检测到的温度、电压信号转化成数字信号。在此基础上，利用AT89C52单片机实现了对太阳能热水器控制器的控制。另外，利用液晶显示器将当前的温度值显示出来，然后将其与设置的温度值进行对比，进行计算，根据计算的结果，向用户发送上水和加热的命令，从而实现对热水器温度的控制。系统框图如图2-2所示。光敏电阻光照测量模块A/D转换模块数据处理光敏电阻光照测量模块A/D转换模块数据处理模块AT89C52LCD显示模块LCD显示模块DS18B20温度采集模块DS18B20温度采集模块按键模块按键模块电加热模块电加热模块图2-2系统框图硬件设计3.1主要元器件介绍3.1.1STC89C52单片机STC89C52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。STC89C52,在一颗芯片上，集成了8位CPU、32KB的可编程Flash、完善的外围接口和丰富的外围资源，使得它在嵌入式控制应用系统中有着广阔的应用空间，也为众多的嵌入式控制应用系统提供了高灵活性、高效率的解决方案。它的主要特点是：8K位的闪存、512位的随机存取存储器、32位的I/O端口、6位的矢量、2层的中断结构、全双工的串行接口。支持二线制的STC格式，使软件的下载更加便捷；对6T方式的支持（其中6个时钟循环即为一个机器循环）；集成在芯片中的4kB的电子可编程只读存储器；配有P4接口，可提供更多输入输出；该程序存储具有较长的擦写寿命（STC名义上可进行100,000次的擦写）。此外，STC89C52还能降低到0HZ的静态逻辑运行，并能支持两种不同的节能方式，供用户选择。在闲置状态，CPU将停止运行，内存，计数器，串口，中断将继续运行。在掉电保护模式下，存储RAM的内容，冻结振荡器，在下一次中断或硬件重置之前，单片机的所有工作都会停止。最大工作频率35兆赫，6吨/12吨。以STC89C52为主要控制单元，设计了一种基于STC89C52的微处理器。其中单片机接口原理图如图3-1所示。图3-1单片机接口原理图3.1.2ADC0832转换器ADC0832为美国NationalSemiconductor公司出品，具有8位解析度，双路模数转换器。以其尺寸小、兼容性好、性能价格比高等特点，受到了单片机爱好者和各大公司的青睐，其普及程度已经相当高。通过对ADC0832的学习和应用，我们可以对A/D转换器的原理有更多的了解，这对我们单片机的技术水平有很大的提高。下面就对ADC0832的主要功能做一个简单介绍。ADC0832是一款8比特的解析度，两路模数转换器，它的输入和输出级别是相容的。在5伏电源提供电力时，其输入电压为0至5伏。它具有250KHz的工作频率，并且具有32ps的切换时间。在许多应用中，ADC0832通常只消耗15毫瓦的功率。它可以用8P,14P,DIP,PICC等多种封装形式进行使用;商业芯片的温宽从0℃到+70℃不等，而工业芯片的温宽从-40℃到+85℃不等。该程序所使用的资源包括：A累加装置、R7工作装置、B一般装置以及CY专用装置。信道函数寄存器与变换值共享寄存器B。在使用转化子程序前，需要先将“MOVB,#data”（00H-03H）分配到转化子程序后得到的转化值输入到B中，再将转化子程序的转化值输入到B中。当该子程序结束时，就可以对B的数据进行处理了。原理图如3-2所示。图3-2ADC0832原理图3.1.3LCD液晶显示器液晶是一种介于固态和液态之间的有机化合物，它是一种介于液体和固体之间的物质。当分子处在一定的空间位置时，它们会沿着一个方向有序排列，而在另一方向上则会无序排列。这些分子在空间上的排列具有周期性，形成了液晶的结构。其中，向列型液晶是一种长、宽为1纳米至10纳米的拉长杆状液晶。当液晶分子在不同的电流电场作用下，会做一定的规律地旋转90度，那么，当其处于ON/OFF状态时，液晶分子的旋转就会有明显的差异。那么在ON/OFF状态下，由于液晶分子处于旋转状态，所以就会有明暗的区别。而根据这个原理，对每一个像素进行控制，那么就能够形成所需要的图像了。液晶显示器（LCD/LiquidCrystalDisplay）的显像原理，是将液晶置于两块导电玻璃之间，依靠两个电极间的电场来进行驱动，通过使液晶分子发生向列的扭曲，来控制光源的透射或遮蔽功能，在断电后，会产生一种明暗的效果，并将图像显示出来，若配合颜色滤光镜，则可显示出彩色图像。两块玻璃基板上都有一层反光膜，这样液晶就会沿沟槽排列，由于反光膜与玻璃基板的反光膜之间的角度是90度，所以液晶分子就会发生扭曲，而在没有外加电场的情况下，光线就会通过偏光膜，随着液晶的90度扭曲。透过下方的偏振片，液晶屏就会显示为白色。当在玻璃衬底上加有电场时，液晶分子会产生配列变化，光线通过液晶分子的缝隙而维持其原有的方向，但是会被下面的偏光板所遮挡，光线会被吸收而不能透射出去，从而使液晶面板呈现出黑色。LCD就是依据这种电压的存在与否，来实现面板的显示效果。由于液晶显示器（LCD）具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等诸多其他显示器所无法相比的优势，所以它在由单片机控制的智能仪器、仪表和低功耗电子产品中得到了广泛的应用。LCD智能显示模组，不仅可显示各种文字、汉字及图形，更可提供各种不同的文字、文字及图形。同时具有可编程能力，且与单片机接口比较方便。本设计基于89C52单片机和LCD显示模块组成的液晶显示系统的硬件设计方法。现在液晶显示器件已在欧美各国发展到相当的高度，主要广泛的应用于我们的日常生活之中。液晶显示技术在国外从七十年代开始已有四十年的历史，我国的液晶显示技术也在逐渐的走向成熟，估计在未来的十至二十年时间我国的液晶技术也将达到一个新的高度。原理图如图3-3所示。图3-3LCD液晶显示屏原理图3.1.4上拉电阻上拉电阻器只是一个来自高电平的电阻器，连接到一个输出。在与上拉电阻器相连的线路上，当外部元件不被激活时，它会“微弱地”“拉高”一个输入的电压信号。如果没有连接到外部元件，则外部元件“看上去”对于输入而言为高阻抗。在这种情况下，在输入端的电压可被上拉电阻器拉至高电平。若开启了外部元件，则会解除由上拉电阻器设定的高电平。如此一来，当没有与外部元件相连时，一个上拉式电阻器就能让管脚维持一个确定的逻辑电平。排阻是由八个电阻器和所有的一端相连构成，即103是八个10K电阻器。它们在线路中扮演“上拉”的角色，也称为上拉型电阻器。这种电阻的特点就是它在电路中起着限制电流的作用，并以此为依据来选择电路结构。上拉法是把不确定的信号嵌入到高电平中，而该电阻同时作为限制电流的一部分。上拉是将电流注入到器件中，其强度与强度并无本质区别，然而，对于非集电极（漏极）的开路输出型电路（如普通门电路），其提升电压和电流的能力有限，其功能仅为其提供一个电流通道。上拉，就是将电位拉高，例如，拉到VCC下拉，就是把电压拉低，拉到GND通常是指在刚上电的时候，端口电压不稳定，为了使其稳定为高或低，就会用到上拉或下拉电阻。有的晶片内有上拉电阻器（例如MCU的P1,2,3端口），因此不需要外接上拉电阻器。但有些电路是有漏电的（比如MCU的PO口），需要在外部加一个拉电阻。其原理图如图3-4所示。图3-4上拉电阻原理图3.1.5DS18B20温度传感器DS18B20是目前应用最广泛的一种数字式测温装置，它以数字方式输出，因此，它具有体积小、硬件消耗小、抗干扰性好、测量精度高等优点。DS18B20型数位温敏元件，配线简单，包装好后，可以用于各种不同的工作环境，包括管子、螺丝、磁性吸收型、不锈钢包装等。DS18B20经过封装后，可以应用于多种非限温应用中。本产品具有良好的耐磨性和耐磨性，具有结构紧凑、操作简便、包装形式多样等特点，适合于在密闭空间内的各类仪器的数字化测温、控制等场合。DS18B20具有独具特色的单线路接口，只需一根口线就能与微处理器进行双向通信。温度传感器测量范围为-55℃至+125℃，其在这个温度范围内进行测量，都存在一定的误差。DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在一条三线上，最多可以并联8个，实现多点测温。若DS18B20数量过多，则会导致电源电压偏低，从而影响DS18B20信号的稳定性。在不使用任何外部设备的情况下，这种方法可以将温度值以9-12比特的数字格式进行串行传输，可以应用在DN15-25、DN40-DN250等各种介质的工业管道和密闭空间中的设备上，可采用PVC电缆直接穿出，也可采用德式球形接线盒穿出，方便与其他电气装置的联接。其原理图如图3-5所示。图3-5DS18B20原理图3.1.6HX711压力传感器与其他同类芯片比较，HX711压敏元件集成了其他同类芯片所需的电压稳定电源和时钟振荡器，因此，HX711压敏元件的集成度高，响应速度快，抗干扰能力强。在此基础上，提出了一种新的电子衡器设计方案。本设计实现了与后端单片机的连接，实现了与后端单片机的直接连接，不需要对芯片中的寄存器进行编程。输入选择开关可以在A、B两个信道中任意选择，并连接到其内置的低噪音程控放大器上。信道A具有128或64的可编程增益，相应的全指标差动输入信号幅度分别是±20毫伏或±40毫伏。于是，B信道是一个固定的32个增益，可以用来探测系统的参数。本设计所设计之稳压电源，可直接供给外置感应器及片上之A/D转换器，而不需另设模拟电源。在该芯片中的时钟振荡器无需附加设备。该装置具有上电自重置功能，使启动时的初始化工作变得简单。压力感应器是一种能够感应到压力讯号，并且能够将其转化为可供使用之电讯号的设备。压力传感器通常由压力敏感元件和信号处理单元组成。其原理图如3-6所示。图3-6压力传感器原理图3.1.716108FP变频器16108FP变频器主要作用是提供驱动信号、脉宽控制、过压过流保护功能，直接驱动高频变压器完成对电源的运行功能。是一种利用变频技术与微电子技术，通过改变电机工作电源频率来控制交流电动机的控制设备。主要依靠内部IGBT的开断来调节输出电源的电压和频率，按照电机的实际需求来提供其所需的电源电压，从而达到节能、调速的目的。此外，它还具有许多保护功能，例如过电流，过电压，过载等。支持ARM的各种单精度的数据处理指令，以及一套完整的DSP指令系统。内核集成了MPU单元，同时叠加DMAC专用MPU单元，保障系统运行的安全性。HC32F460系列集成了高速片上存储器，包括最大512KB的Flash，最大192KB的SRAM。集成了Flash访问加速单元，实现CPU在Flash上的单周期程序执行。轮询式总线矩阵支持多个总线主机同时访问存储器和外设，提高运行性能。总线主机包括CPU，DMA，USB专用DMA等。除总线矩阵外，支持外设间数据传递，基本算术运算和事件相互触发，可以显著降低CPU的事务处理负荷。其原理图如3-7所示。图3-7变频器原理图3.2单片机最小系统硬件设计MCU最小系统是由MCU中的最小单元构成的MCU系统。MCU最小化系统的特征：系统的资源是完全公开的；通过与其他模块板或自己制作的用户线路相结合，可以实现任何的试验功能。STC89C52单片机最小系统是在STC89C52的基础上，加复位电路、时钟电路、EA引脚信号及电源即可。复位电路:在自动水位显示器中，使用了一种由R,C组成的一种复位电路，当一种复位的时刻，就会产生一种脉冲，使STC89C52复位。为了确保重置的可靠性，根据R和C的长度，脉宽应该超过2个机周期。这里有一个电容C=10μF和电阻R=10k。时钟电路:这个水位自动显示控制器使用了STC89C52单片机，在机器中有一个高增益的反相放大器，组成了一个自激振荡电路，振荡频率取11.0592MHz,外接晶振，两个电容取22pF,以便于起振荡的作用。原理图如3-8所示。图3-8单片机最小系统图3.3电源电路硬件设计电路中的电源通常为低压直流电，因此，要将220伏交流电转换为低压交流电，通过整流电路转换为脉动的直流电。有的电子设备对电源的质量要求很高，所以有时还需要再增加一个稳压电路。本设计主要由电源接口，开关和滤波电容组成，并联有消除高频干扰，流通交流阻断直流的作用，电容应用于电源电路中，实现旁路、去藕、滤波和储能方面的作用。对于电源模块的作用是：设计用于控制外部电源向主板提供电力的开关键；将外接的电压转换为自己系统主控芯片、各种模块芯片所需的电压（5V、3.3V或2.5V等）；热过载保护、减少纹波、降低高频噪声的等作用。其步骤是：外接电源输入电路；设计电源隔离电路；设计电压转换电路，将电压转换成板子所需的电路。原理图如图3-9所示。图3-9电源电路设计图3.4水泵及压力传感器硬件设计如果直接用单片机I/O端口的输出，它的输出为5V，加一个中间继电器，再通过中间继电器对接触器进行控制，实现对水泵开关的控制。单片机是一种集成电路芯片，是将具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能结合在一起的一种集成电路芯片。形成一个高度集成的、具有简单机械结构的、能完成特定任务的小型计算机系统。泵是一种用来传输或提升流体压力的机器。该装置可将动力装置中的机械能或其它外界能源转化为液体，从而提高液体的能量，适用于水，油，酸，碱，乳化液，悬乳液，液态金属等液体的输送。水泵性能的技术参数有流量、吸程、扬程、轴功率、水功率、效率等。一个处理系统，要确保水流的及时运输，最好是将水泵压力传感器与系统联接。这种压力传感器工作原理基于流量测量原理。当水泵加压时，系统中的水流开始流动。在这个过程中，水泵压力传感器会检测到增加的压力，然后将这些信息传输给系统控制器。控制器会使用此数据来调节水泵的速度和压力，以确保良好的水流量。同时，水泵压力传感器还可以用于监测管道堵塞等情况，从而更好地维护系统并延长水泵的寿命。然而水泵属于感性负载，断电时会产生较大感应电流，需要进行电路的保护，在阻容电路中加上一个三极管可以消除直流和交流负载电路中的感性电流尖峰，加在电路上的感性尖峰会促使电阻的阻值降到很小，进行电路的保护。原理图如图3-10所示。图3-10水泵硬件设计图3.5DS18B20测温硬件设计DS18B20与单片机连接一个I0口就够,只需要满足相应的时序就能读到温度数据。温度感应器是一种感应器，它可以感受到温度，并将感受到的温度以讯号的形式输出。在测温仪器中，最重要的组成部分就是温度传感器。至于显示,只要能读到温度数据,将数据转为字符串发送就可以。DS18B20温度传感器与单片机相连接。温度传感器是将非电量转换成电量，即温度转换成电压（一般电压值较小，为毫伏级的）。因此，温度传感器需要加一级运算放大电路。这里用到的运放是运算放大器。该运放有两个输入端，分别为负输入端和正输入端。该运放的放大倍数可以通过调节电阻来改变。当运放的增益在一定范围内变化时，该运放的输出电压会发生相应变化。将代表温度的电压(0~5V)经过A/D转换器转换成8位或16位数字量。本设计使用两个温度传感器，一个用来模拟水管出水口温度，温度传感器为外接。温度传感器是将非电量转换成电量，即温度转换成电压（一般电压值较小，为毫伏级的）。因此，温度传感器需要加一级运算放大电路。这里用到的运放是运算放大器。该运放有两个输入端，分别为负输入端和正输入端。该运放的放大倍数可以通过调节电阻来改变。当运放的增益在一定范围内变化时，该运放的输出电压会发生相应变化。另一个用来模拟水管进水口温度。根据管子出水口温度和入水口温度的差值对水管进行防冻保护。原理图如3-11所示。图3-11测温设计图3.6接收光线硬件设计光敏电阻器是一种特殊的电阻器，它是一种利用内部光电效应来实现光信号的传感器件，具有很好的应用前景。光照愈强，其阻值愈小，且随光照愈强，其阻值迅速降低，亮温电阻可低于1KΩ。光敏电阻对光线十分灵敏，不需照明时，其电阻值极高，在暗处，一般可达1.5兆欧姆。光敏电阻因其特有的性能，在将来的科技开发上有很大的发展空间。光敏电阻器是利用半导体材料的光电导电特性，使其电阻随入射光线的强弱而改变的一种电阻器，又叫光电导电探测器。光强愈强，其电阻愈低，反之亦然。也有可能是在入射光较弱时，电阻较小，反之，在入射光较强时，电阻较大。光敏电阻在许多领域都有广泛的应用，包括光学测量、光学控制以及光电变换（将光的改变转变成电的改变）。光敏电阻具有类似于人类眼睛对于可见光（0.4-0.76）的灵敏度，当光线被人类感知到时，其电阻就会发生改变。光敏电阻器在接受脉冲光照射后，其光电流需要一定的时间才会达到一个恒定的数值，而当其停止照明后，它的光电流并没有立刻变成0，这就是光敏电阻的延迟特性。原理图如图3-12所示。图3-12接收光线设计图3.7加热控制硬件设计本设计的发热系统以PTC发热片为主。PTC发热体是由PTC陶瓷发热体和瓦楞铝条通过高温粘合而成。PTC加热器具有较低的热阻和较高的传热率，可实现自动恒温和节能。其最显著的特点是其安全性，在任何使用条件下，都不会像电加热管类那样，出现表面“发红”的现象，进而造成灼伤、起火等危险。PTC加热片是一种节能的发热元件，它的功率可以根据需要进行调节，而且它可以在高温下使用，可以持久使用，使用寿命也比较长。在没有专用温控器、热电阻热电偶等温度传感器的情况下，就可以实现对加热器的加热控制，其温度的调节是依靠其本身的材质特点，所以，本产品的使用寿命远高于同类产品。PTC加热器是一种安全环保的产品。加热炉主体可承受200摄氏度以下的多种温度，且在各种情况下加热炉主体不会发红。而且还有一层保护隔离层，在任何应用场合都不需要像石棉这样的保温材料来降低温度，所以可以放心地使用，不会造成人体的灼伤，也不会引起火灾。PTC发热片，可以节约电力。与电热管和电阻丝加热产品进行对比，该产品依托于材料自身的特性，可以根据环境温度的变化，来调节自己的热功率输出。因此可以最大限度地降低加热器的能耗，并且采用高热效率的材料，极大地提高了电能的利用率，并且可以快速地升温，即使出现故障，也可以自动地控制温度。原理图如图3-13所示。图3-13加热系统设计图3.8按键电路硬件设计本设计中有四个按键，分别接单片机的P32、P33、P34、P35三个IO口，另外一端都接地。这四个键分别是设置键、增加键、减少键、确定开关键，当第一次按下设置键时，LCD上切换到温度上限设置界面，再次按下切换到温度下限设置界面，第三次按下时返回1到正常显示界面，加键和减键分别调节温度增加和减少，确定键按一下打开，再按一下时关闭。如图3-14所示。图3-14按键电路设计图系统调试4.1系统能实现的功能本系统通过单片机控制各个电路模块以实现对温度，光度的检测，以及对整个热水器的智能化控制。4.2系统功能分析与以前的控制器比较，新的控制器的性价比高，控温和显示精度高，使用方便，工作稳定。单片机控制系统具有价格低廉，智能化等优点，可以按照用户的要求进行调节，具有较强的个性化。同时，采用单片机对系统进行控制，可以达到节能、保护设备、延长其寿命的目的。本设计的热水设备具有如下特征：1.结构简单、运行可靠、操作维护简便。2.无污染，不会对周围环境造成任何影响。3.加热控制受季节、日照实际等因素影响较大。4.安装泄压阀后，可与锅炉配合使用，有效地解决了冬天的用水问题。4.3系统功能测试设计前期通过KEIL软件和PROTES仿真软件的联调，对设计功能进行估真。均达到了预期的设计效果，设计后期，硬件制作完毕后，将伤真成功后的程序通过单片机下载程序，写入单片机，再根据显示模块的各个端口连接方式，正确地将单片机限显示模块述接，最后都实现了设计的功能。4.4系统硬件调试在调试过程中，先做静态调试，找出存在的硬件问题。静态调试主要有两个步骤，一是在上电前，使用万用表等仪器，按照硬件建辑的设计图，认真检查各电路的接线，并核对各元件的型号、规格、安装情况，尤其是对供电系统的检测，避免出现短路，避免出现故障，尤其是对各总线（地址总线，数据总线，控制总线）的检测，看有没有短路，或者与其它的信号线发生短路。第二个步骤就是在电源接通后，对每个晶片插口的相关管脚进行检测。认真地测试每一点的电压，特别是CPU输出端的电压，如果电压过高，则会对在线模拟器造成损坏。在静态调试方面，主要是对系统的硬件进行了初步的调试，仅解决了几个比较突出的静态问题。通过在线模拟，解决了系统硬件故障。在停电时，将各元件插入，将联机模拟器连接到系统，开启联机模拟器，启动联机模拟器，进行联机模拟调试。4.4.1电源调试当电路板通电或者焊好后，一定要先接通电源，然后再进行下一步操作。在这里，我用的是+5V的直流电源，当然你也可以用220V交流电源。使用万用表的电压档，来测试各个元件插座上对应的电源引脚的电压值，以及它们的极性是否一致。为了避免出现差错，及时进行检查，排除，使每一个功率管脚的值都满足要求。4.4.2各元器件电源调试切断电源，将元件插入正确的方向。将它们分别插入，分别通电，并逐个地对每个元器件上的电源进行检查，直到最后将所有的元器件都插好，将电源接通后，每个元器件上的电源都是正确的。4.4.3相应芯片的逻辑关系调试使用静电平检测方法来检测对应的芯片建辑关系。也就是在某一片的信号的输入上加上对应的电平，然后再对其输出进行检验。单片机系统大部分都是数字逻辑电路，采用电平检查法，可以先检查出其逻辑设计的正确性，所选择的元件是否与要求相符，逻辑关系是否相匹配，元件之间的连接关系是否达到要求等。4.4.4测温模块调试接通电源后，温度值显示在LCD液晶显示屏上，本设计使用两个温度传感器，一个用来模拟水箱温度，温度传感器为外接。将温度传感器握在手里，温度值发生变化，此外接温度传感器调试成功。一个用来模拟水管温度，用手指轻按温度传感器，温度值发生变化，此内接温度传感器调试成功。4.4.5接收光线模块调试接通电源后，亮度值显示在LCD液晶显示屏上，用手电筒照射，增强光照强度后，亮度值改变，接收光线模块调试成功。4.5总体设计图4.5.1系统原理图4.5.2系统PCB图4.5.3实物图总结与展望5.1总结本次课程设计是对所学知识的一次综合性运用。其中包括对模拟电子技术基础、和数字电子技术基础、单片机等知识的运用。从而完成了本次设计。在设计的过程中，我发现了自己的知识是多么的匮乏，同时我也意识到，除了专业的基础知识，我们还需要有更多的知识，这样才能将一个合格的产品设计出来。这次课程设计收获很多，体会也很深刻，并且对我们所学的东西也产生了浓厚的兴趣。在设计过程中，对于一些硬件设计有了更加深入的理解，PROTEL软件绘制电路原理图和PCB图，以及一些仿真软件的应用，最典型的就是PROTEUS软件的应用，以及与KEIL软件的联合使用功能。当然，最主要的还是学习到了基础电子设计的一些基本方法，并且对一些常见的电子元器件以及它们的基本应用有了更深层次的了解。本设计使用了STC89C52系列单片机，STC89C52是一个低功耗、高性能的51内核的CMOS8位单片机，它还具备在线编程功能，不需要像AT89C51那样的12V的VPP编程高压，使用简单，成本也非常低廉。基于STC89C52系列单片机，分别实现了光辐射探测及循环水泵的控制：在光辐射探测器探测到太阳光的时候，将相应的电气信号（0~20mA）输入到控制器中，控制器的输出信号会启动循环泵，从而完成循环，同时在管道上探测水流，当无水时将信号送入控制器并报警。防冻控制：在集热器的供水管上设置温度传感器，当温度小于4℃时，将相应电信号（0~20mA）输入控制器，开始循环水泵，在气温超过8摄氏度的情况下，自动停止防冻。压力控制：将供水管网压力传感器检测到的电信号（0~20mA）输入控制器，利用变频器对末端压力实现定压控制。加热控制：在系统的一端设置了一个温度传感器，在储水罐的水温低于设定数值时，控制装置会自动启动电热器进行加热，反之，则会停止加热。主要采用了DS18B20温度传感器，DS18B20与单片机连接一个1O口就够,只需要满足相应的时序就能读到温度数据。这个温度传感器属于数字传感器，内部含有一个处理器芯片，它可以直接地输出一个温度数字信号，单片机使用查询的方式来回读数据，然后进行转换输出。DS18B20温度传感器用于水箱温度和水管温度。采用了LCD液晶显示屏，其工作原理就是利用液晶的物理特性：接通电源后，排列就会有条理，这样光线就会轻易地穿过；在没有电源的情况下，液晶的排列会变得杂乱无章，阻碍光的传输，简单来说，就是将光的传输限制在了液晶屏幕上。相对于CRT显示，液晶显示器具有无辐射，低功耗，低辐射，小尺寸，准确，清晰，清晰等优势。LCDLCD主要用于对温度、光照等进行显示。PTC加热器具有低热阻，高传热效率，自动恒温，节能节能等特点。PTC加热片省，使用寿命长。其温控是依靠其材质本身的特点，因此，本产品比其他加热器的寿命长得多，而且PTC加热片安全、环保。主要用来系统的加热处理。还采用了光敏电阻，用来接收光线，区别白天和黑夜。该系统的主要功能包括：太阳光循环系统的水泵在白天可以不间断的持续运转，夏天和晚上都可以停止运转，冬天