【正文】 水器特別是太陽(yáng)能熱水器控制器的要求越來(lái)越高，太陽(yáng)能熱水器商家為使自己的產(chǎn)品能在市場(chǎng)上生存和發(fā)展，在不斷提高太陽(yáng)能熱水器熱水性能的同時(shí)，也不斷加大力度滿足消費(fèi)者對(duì)于太陽(yáng)能使用方便的要求，于是太陽(yáng)能熱水器的智能化程度越來(lái)越高。 本設(shè)計(jì)追蹤科技應(yīng)用前沿，跟蹤市場(chǎng)，根據(jù)論文資料及市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品模型，在加上自己的理解和創(chuàng)意，模仿出了一套智能化的太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)完全跟隨太陽(yáng)能熱水器本身智能化程度和 成本的要求，為太陽(yáng)能熱水器提供了一套智能化程度高、性能良好、使用方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的配套控制系統(tǒng)。 太陽(yáng)能熱水器和其控制器的發(fā)展現(xiàn)狀 中國(guó)太陽(yáng)能熱水產(chǎn)業(yè)的發(fā)展始于上世紀(jì) 80年代，當(dāng)時(shí)的市場(chǎng)定位是農(nóng)村或中小城鎮(zhèn)的低收入家庭。 90年代后期，住宅商品化的發(fā)展以及家庭對(duì)熱水需求的大幅度增長(zhǎng)為太陽(yáng)能熱水器的發(fā)展提供了市場(chǎng)空間 , 太陽(yáng)能熱水器的生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，形成了一些有一定知名度的產(chǎn)品和品牌 。 自上世紀(jì) 90年代以來(lái)，我國(guó)太陽(yáng)能熱水器行業(yè)保持了 10多年的快速增長(zhǎng) ,2021年 太陽(yáng)能熱水器年生產(chǎn)量為 1 500萬(wàn)平 方米，是 2021年 640萬(wàn)平方米的 2倍多，到 2021年底，我國(guó)太陽(yáng)能熱水器保有量超過(guò) 7500萬(wàn)平方米是 2021年 2600萬(wàn)平方米的近 3倍。目前，我國(guó)既是世界上最大的太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)國(guó)，同時(shí)也擁有世界上最大的太陽(yáng)能熱水器市場(chǎng)。至 2021年，全國(guó)有 1000多家有一定規(guī)模的太陽(yáng)熱水器生產(chǎn)企業(yè)，年總產(chǎn)值達(dá) 150多億元，出口創(chuàng)匯 2021萬(wàn)美元，全行業(yè)提供約 30多萬(wàn)個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益 [1]。到目前已有許多太陽(yáng)能品牌為大家耳熟能詳，如皇明、桑樂(lè)、四季牧歌、力諾等?？傊?，太陽(yáng)能熱水器已是一件和電視機(jī)、洗衣機(jī)一樣必不可少的家用電器。 進(jìn)步源于競(jìng)爭(zhēng)，在我國(guó)太陽(yáng)能擁有廣闊的市場(chǎng)，當(dāng)然也有更大的競(jìng)爭(zhēng)，各大商家為了使自己的產(chǎn)品在市場(chǎng)上立足并長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，不斷提高太陽(yáng)能熱水器的第一章 引 言 2 性能，其中太陽(yáng)能熱水器控制器以其靈活、貼近客戶成為商家競(jìng)爭(zhēng)的熱點(diǎn)。目前，各大商家紛紛提高太陽(yáng)能熱水器的智能化程度來(lái)滿足消費(fèi)者的需求。許多太陽(yáng)能熱水器的功能有： 開(kāi)機(jī)自檢 、 溫控上水 、 強(qiáng)制上水 、 水位預(yù)置 、 水質(zhì)設(shè)置 、 水溫指示 、 低水壓上水 、 水位顯示 、 防高溫空曬 、 缺水報(bào)警 、 自動(dòng)防溢流 、 缺水上水 、 手動(dòng)上水 、 故障提示 等許多貼近客戶需求的功能。 目前太陽(yáng)能控 制器的控制器基本實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，以單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)占領(lǐng)太陽(yáng)能熱水器的主要市場(chǎng)。在市場(chǎng)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)能控制單片機(jī)的型號(hào)較多，其中應(yīng)用最多的是 51系列和 PIC系列單片機(jī)。其基本框圖如圖 11所示。 AT 89 C 51LED 顯示接口溫度與水量數(shù)據(jù)采集控制加熱電平轉(zhuǎn)換鍵盤輸入繼電器電磁閥蜂鳴器控制上水IN 0IN 1控制線位選控制線+ 12 V+ 5 VP 1 口 P 0 口T 0R X TT 1 圖 11 市場(chǎng)太陽(yáng)能熱水器基本框圖 [2] 太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水位顯示、水位控制、溫度顯示、防凍等多種功能，其中對(duì)水位的檢測(cè)、控制，實(shí)現(xiàn)水位顯示、自動(dòng)上水、超限報(bào)警是太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)的核心。 目前大多數(shù)太陽(yáng)能熱水器的水位傳感器都采用分段式 水位傳感器，因?yàn)樘?yáng)能熱水器對(duì)水位精確度的要求不高，并且分段式傳感器的成本很低。圖 12是常第一章 引 言 3 用的一種分段式熱水器傳感器的基本原理。 對(duì)于溫度的檢測(cè)便于用戶的使用和控制電加熱。目前 ， 溫度傳感器的應(yīng)用種類較為繁雜，有直接使用熱電阻、熱電偶的，也有使用數(shù)字溫度變送器（如MAX6674）的。在顯示方面多采用 LED顯示或 LCD液晶顯示。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS i z eBD a t e : 9 J un 2021 S he e t of F i l e : C : \ D oc um e nt s a nd S e t t i ngs \ us e r \桌面 \畢業(yè)論文 \ M y D e s i r a w n B y :430k10k430k430k430k10k10k10k2k2k2k2k2k2kD1LEDD2LEDD3LEDD4LED+ 12 V C CV C CV C CV C CV C CO S E AO S E BO S E CO S E D2k2kW 1 0W 1 1W 1 2W 1 3 圖 12 一種分段式水溫傳感器 [3] 課題的研究?jī)?nèi)容 本課題主要是對(duì)市場(chǎng)現(xiàn)有產(chǎn)品的仿制，要能夠?qū)崿F(xiàn)太陽(yáng)能熱水器的完整功能。本課題以 89C52 單片機(jī)為核心配合傳感器、顯示器 件、電磁閥、電加熱器、報(bào)警器等外圍器件，采集熱水器儲(chǔ)水箱中的水位、水溫信號(hào)，通過(guò)控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)、電加熱器加熱來(lái)控制儲(chǔ)水器的水位、溫度，并完成水位、水溫顯示，時(shí)間顯示，水溢報(bào)警等功能。另外配有鍵盤，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)上水、手動(dòng)電加熱、設(shè)置水位、設(shè)置溫度等功能。第二章 太陽(yáng)能熱水器智能水位控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)介紹 4 第二章 太陽(yáng)能熱水器智能水位控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)介紹 太陽(yáng)能熱水器整體結(jié)構(gòu)大致可以分為四大部分： 1． 水位、水溫測(cè)量電路。這部分用于采集水位水溫信號(hào)給單片機(jī)，是太陽(yáng)能熱水器控制器最關(guān)鍵的部位。 2． 時(shí)間、水位、溫度顯示和鍵盤電路。這部分用于系統(tǒng)和人的信息交互， 有對(duì)太陽(yáng)能熱水器狀態(tài)的直觀顯示，也有用于人對(duì)系統(tǒng)控制的鍵盤電路。 3． 時(shí)鐘電路。給系統(tǒng)提供時(shí)間顯示和參考時(shí)間。 4． 驅(qū)動(dòng)電路。包括電加熱、上水電磁閥、報(bào)警電路，是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行部分。 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖 21所示。 圖 21 太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖結(jié) 論 5 第三章 水位和水溫測(cè)量電路硬件設(shè)計(jì) 水位測(cè)量和水溫測(cè)量是太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)的最重要部分，是實(shí)現(xiàn)其他功能的基礎(chǔ)，此部分性能好壞將關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)良程度，所以設(shè)計(jì)一個(gè)性能良好的水位、水溫測(cè)量系統(tǒng)是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。 水位測(cè)量電路 水位測(cè)量可以有 多種方法，需從性能和成本兩方面進(jìn)行考慮，選擇合適的方案。 方案比較選擇 1． 排阻分檔鍵盤式水位傳感器 在許多資料中都介紹了一種類似鍵盤電路的分檔水位傳感器，其原理圖如圖 31 所示。 R 5 10 k+ 5 VCD 406974 LS 24489 c 52P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 3P 1 . 2圖 31 排阻式水位測(cè)試電路示意圖 [4] 它的工作原理類似于鍵盤的工作原理，用 5 根不銹鋼針?lè)謩e置于水箱內(nèi)的 四種不同高度的位置，當(dāng)某個(gè)鋼針不接觸水面時(shí)，其輸出為高電平；當(dāng)其與水面接觸時(shí)則輸出低電平。它們的輸出接至電子開(kāi)關(guān) CD4069，經(jīng)過(guò) CD4069 反向結(jié) 論 6 并經(jīng) 74LS244 驅(qū)動(dòng)后分別接入 89C52 的 P1． 0~P1． 3 引腳。 CPU 對(duì)這些引腳進(jìn)行判斷后 ，送去顯示相應(yīng)的水位值。顯示共分 4 檔 ，每檔為滿水位的 25% 。這種方法簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，省去了傳統(tǒng)的 A／ D 轉(zhuǎn)換器，成本低，雖然不精確但可以滿足使用要求 [4]。 2． RC 充放電式水位傳感器測(cè)量電路 這種電路資料較少，但我們?cè)谑袌?chǎng)上購(gòu)買的桑樂(lè)太陽(yáng)能的水位和水溫傳感器就是基于這種原理，其基本形狀如圖 32 所示。 公 共 水 位 防 凍溫 度NTC 圖 32 桑樂(lè)太陽(yáng)能水位水溫傳感器外形圖 從圖 32中我們可以清楚的地看到傳感器外形非常簡(jiǎn)單，一共只有 4個(gè)端口，其中一個(gè)是防凍接口，沒(méi)有使用，使用的只有 3 個(gè)端口，在可用的三個(gè)端口上分別標(biāo)有公共、水位、水溫標(biāo)志，由此可知測(cè)量水位、水溫都只用了一個(gè)端口。觀察傳感器可知水位傳感器有 5 個(gè)與水接觸點(diǎn)，我們從上到下依次命名它們?yōu)?1— 5 觸點(diǎn)。 我們分別測(cè)量了觸點(diǎn)不同接法時(shí)公共和水位兩端口之間的電阻，數(shù)據(jù)如 表 31 所示。 由上述測(cè)試結(jié)果的電阻值得出這樣的規(guī)律，那就是電阻的并聯(lián)短接，其原理如圖 33 所示。 結(jié) 論 7 表 31 輸出電阻值表 短接方式 無(wú)短接 2 3 4 5 輸出電阻值（ kΩ） 極大 25 儲(chǔ)水箱公共 水位4 25 kR 圖 33 桑樂(lè)太陽(yáng)能水位傳感器原理 它的工作原理是，水面每接觸一個(gè)鋼針就會(huì)多并聯(lián)一個(gè)電阻，電阻 隨水位變化而規(guī)律的變化。利用單片機(jī)的一個(gè)口周期性的給電容電路 充放電， 然后用 公共 水位4 25 KR儲(chǔ)水箱充放電口 檢測(cè)口 圖 34 RC 充放電式水位傳感器測(cè)量電路原理圖 結(jié) 論 8 單片機(jī)監(jiān)測(cè)電容兩端電壓的變化，因?yàn)殡娙蓦妷旱纳仙蛳陆禃r(shí)間 t=RC，所以用單片 機(jī)記錄這個(gè)時(shí)間就能判別電阻的變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為水位的變化進(jìn)行顯示及其他動(dòng)作。 3． 傳感器選擇 RC 充放電式水位傳感器測(cè)量電路，明顯優(yōu)于 排阻分檔鍵盤式水位傳感器的地方有： （ 1）接線簡(jiǎn)單，排阻分檔鍵盤式水位傳感器需要四根導(dǎo)線傳輸水位信號(hào)，而RC 充放電式水位傳感器僅需要兩根就能完成，這對(duì)于線路較長(zhǎng)的太陽(yáng)能熱水器傳輸信號(hào)電路來(lái)說(shuō)能節(jié)省相當(dāng)多的導(dǎo)線資源。 （ 2）給水溫測(cè)量電路設(shè)計(jì)帶來(lái)方便， RC 充放電式水位傳感器的原理可以同樣運(yùn)用到熱電阻溫度測(cè)量電路中。 （ 3）占用較少的 I/O 口，僅需兩個(gè) I/O 口就能完成水位檢測(cè)任務(wù)， 極大地節(jié)約了單片機(jī)的 I/O 口資源。 綜上比較可見(jiàn)選用第二種方案較為優(yōu)越。 水位測(cè)量電路的具體設(shè)計(jì)及優(yōu)化 1． 直接接單片機(jī) I/O 口檢測(cè) 單片機(jī)中的定時(shí)器可以提供電壓變化時(shí)間的紀(jì)錄，接下來(lái)就是如何將電壓的變化傳遞給單片機(jī)。一種簡(jiǎn)單的方案是：用 口給 RC 電路周期性的充放電，然后用 口監(jiān)測(cè)電容的電平變化，完成計(jì)時(shí)，這種方案看上去簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但實(shí)際則行不通。按剛才提到的方法接圖如圖 35。 這樣做得到的結(jié)果是 的電壓一直保持高電平，即電容電壓一直保持高點(diǎn)平。這與單片機(jī)內(nèi)部電路有關(guān)，單片 機(jī)的內(nèi)部電路如圖 36 所示。 結(jié) 論 9 P 1 . 0P 1 . 1儲(chǔ)水箱公共 水位4 25 kR 圖 35 直接用 I/O 檢測(cè)電容電壓測(cè)量水位電路原理圖 v c c讀 鎖 存 器寫 入讀 引 腳地 址 / 控 制M U X內(nèi) 部 總 線鎖 存 器D QC P Q | 圖 36 P1 口的位結(jié)構(gòu) [5] 從圖中可見(jiàn)， P1 口只有高電平和低電平兩種狀態(tài)，當(dāng) 口為高電平時(shí)，將電容端與 連接， VCC 會(huì)通過(guò)內(nèi)部上拉電阻 持續(xù)給電容充電，所以監(jiān)測(cè)電容電壓一直為高電平。而當(dāng)將其置低電平時(shí) ， P1 口相當(dāng)于接地，將會(huì)出現(xiàn)相反的情況，其通過(guò)地一直給電容放電，電容電壓一直低電平。 2． 采取 與 I/O 隔離并用中斷監(jiān)測(cè)電容電壓的電路 這樣需要將電容電壓與單片機(jī)監(jiān)測(cè)端口隔離，采取如圖 37 所示電路。 結(jié) 論 10 + 5 VR 1 R 23 K 2 K水位電阻C 1 uF89 C 52LM 358P 1 . 0INT 0LM 393+ 12 V + 5 V++比較器跟隨器 圖 37 水位測(cè)量電路 1． LM358 的應(yīng)用 LM358 的正向輸入端接電容電 壓 正端，反向輸入端與輸出端相連，構(gòu)成電壓跟隨器。電 壓跟隨器的顯著特點(diǎn)就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來(lái)說(shuō)，輸入阻抗要達(dá)到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通?？梢缘綆讱W姆，甚至更低 ，也就是說(shuō)電壓跟隨器有較好的隔離作用，使輸出對(duì)輸入影像較小，正好滿足我們的 要求 [6]。 LM358 的輸出電壓幅度為 0 至 ,而要跟隨的電壓范圍為 0— 5V，所以應(yīng)選用大于 + 的電源供電，這里選用 +12V 單電源供電 2． LM393 的作用 給比較器設(shè)置 +3V 的參考電壓，將電容電壓的指數(shù)曲線變成矩形波， 波形圖 如圖 38 所示。將參考電壓接同相輸入端，比較電壓接反相輸入端，從而實(shí)現(xiàn)電容電壓在上升到參考電壓時(shí)比較器產(chǎn)生下降沿信號(hào)，作為單片機(jī)的外部中斷信號(hào)。如圖 38 所示。 根據(jù) LM393 的特性本設(shè)計(jì)電源電路提供的電壓，選用 +5v 給其供電。由LM393 的內(nèi)部原理圖可知 L