【正文】 for people gradually recognized, lowcarbon economy this concept began to enter into people39。因而，隨著世界性能源短缺和環(huán)境污染的日益嚴重，節(jié)約能源和尋找新的可再生無污染的能源就擺在了人們的面前。早在 1973年，美國就制定了政府級的陽光發(fā)電計劃。充分開發(fā)利用太陽能也就成為世界各國政府可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策，一方面可以廣泛地應用于熱水、發(fā)電、制冷、采暖等諸多方面，另一方面可以大量節(jié)省石油煤 碳等不可再生資源，將大大緩解能源匾乏而帶來的嚴重后果 [10]。當前我國自主開發(fā)的全玻璃真空管太陽能熱水器在世界上處于領(lǐng)先水平，并出口到日本、美國等發(fā)達國家。開發(fā)太陽能這種益于環(huán)境，益于社會，益于公眾的新能源，在能源日趨缺乏的當今世界，有著特殊的意義和廣闊前景 [2]?，F(xiàn)有電熱型熱水器費用昂貴及燃氣型的不安全性，且排放二氧化碳污染大氣，北方用煤氣取暖造成城市空氣環(huán)境污染，這些都是 太陽能熱水器良好的外部生存環(huán)境。還可節(jié)省許多電費。 （ 5） 實用 太陽能熱水器終將會取代傳統(tǒng)的煤氣熱水器或電熱水器，現(xiàn)在使用，說明您注重環(huán)保，懂得享受生活 [3]。絕大多數(shù)用戶對水位 (進水 )的控制仍然依賴于觀察溢流管有無溢流。太陽能水溫升高時，探頭上會產(chǎn)生水垢，影響了探頭與水之間的導電性能，整套水位顯示系統(tǒng)也就失去了作用，控制儀也就不能正常使用。以 MCS51 單片機為核心 ，利用數(shù)字溫度傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬探頭，解決了升溫結(jié)垢問題；同 時實現(xiàn)對太陽能熱水器的水位、補水方式、補水時間的程序化控制，提高了系統(tǒng)的智能化，同時提高了對太陽能的利用率 。 4 第 2 章 總體方案的設計 目前市場上的太陽能熱水器控制器具有功能齊全、智能化強、操作簡單方便、人機交互界面良好等諸多功能： （ 1） 太陽能熱水器水位測定：通過霍爾雙向流量計可較精確的測定目前太陽能熱水器的水量，解決了長期困擾太陽能控制器可靠性的難點，并在液晶上通過數(shù)值來顯示，直觀、簡潔。 （ 4） 系統(tǒng)時間顯示與調(diào)整：用戶可以 在液晶上知道系統(tǒng)時間，并可以對時間進行調(diào)整。如，自動切斷電磁閥 (防止用戶補水時，自來水公司突然停水 )；當電加熱啟動著時，用戶如果用水，則切斷電加熱，直到用戶用水完畢，再重新開啟電加熱。普通的太陽能熱水器用來完成基本功能，而微機系統(tǒng)則用來對各類信息進行分析綜合，完成太陽能熱水器相應部分正常運行的控制功能和對運行的太陽能熱水器進行實時監(jiān)測，檢測故障，自身維護及自動操作等功能。 主體硬件電路的設計及指導思想 主體硬件電路是整個設計的基礎(chǔ)和著手點。它由硬件部分和軟件部分組成。所以必須設計一個 單片機應用系統(tǒng) ，即 以單片機為核心，配以一定的外圍電路和軟件， 用來 實現(xiàn) 電路實時監(jiān)測等 功能的應用系統(tǒng)。 總體設計方案 硬件結(jié)構(gòu)設計圖 在本次設計中要得到的是一個智能化的太陽能熱水器。太陽能熱水器控制器硬件電路主要 由 幾大部分組成 ： ① 水位傳感及控制電路； ② 溫度傳感及控制電路； ③ 鍵盤輸入電路； ④ 液晶顯示電路； ⑤ 時鐘電路； ⑥ 報警電路等部分組成。具有集成度高、速率高、功耗低的特點。 DS12887 時 鐘芯片 為了簡化軟件設計，系統(tǒng)采用了時鐘芯片 DS12887。能記秒、分、時、日、月、年及星期，還有閏年補償功能。 水位監(jiān)測電路及其工作原理 由于傳統(tǒng)的太陽能熱水器水位傳感裝置采用直流水介質(zhì)電接點型水位傳感器，因電解效應，電極易腐蝕而導致接觸不良，可靠性低，電極壽命短。 水箱水位分 8級，由干簧管采樣，每變動一級水位，電壓將變動 1V。 Vo=8IR，現(xiàn)取豫 =1V，則 Vn= 8V。當水位低至最低水位時單片機控制繼電器上水，直到預先設定水位。 溫度監(jiān)測電路及控制原理 實現(xiàn)溫度測量和控制的關(guān)鍵是選擇合適的溫度傳感器。 0． 5℃之內(nèi)。 DS18B20 測溫原理 DS18B20 的測溫原理如圖 所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度的影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給減法計數(shù)器 1，高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其震蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為減法計數(shù)器 2的脈沖輸入，圖中還隱含著計數(shù)門，11 當計數(shù) 門打開時， DS18B20 就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進行計數(shù)，進而完成溫度測量。 溫度監(jiān)測電路 本次設計采用 DS18B20 數(shù)字溫度傳感器來對溫度信號進行采集。 圖 DS18B20 與單片機連線圖 液晶顯示器及接口電路 液晶顯示器 (LCD)由于體積小、質(zhì)量輕、功耗微等特點。液晶顯示器的基本結(jié)構(gòu)是由兩片玻璃組成的很薄的盒子。 。液晶顯示沒有蔭罩限制，像素 可以做得很小。電場效應類又可分為扭曲向列 (TN)類、賓主效應 (GH)類和超扭曲效應 (STN)類等等。 液晶顯示器與單片機 接口電路 本系統(tǒng)中使用 MDLS20265 模塊與單片機相連，它為字符型模塊，兩行顯示。在設計中采用看門狗電路，監(jiān)測智能 太陽能熱水器 的工作情況，一旦系統(tǒng)執(zhí)行超時，立刻發(fā)出復位信號，使程序重新執(zhí)行。 R是限流電阻。 本次設計，按鍵的數(shù)量較多，因此采用行列方式，其與 單片機 的接口電路也比較簡單。上電瞬間 RST端的電位與 CCV 相同，隨著電容充電電流的減小， RST端的電位逐漸下降。 圖 。當輸入端加上電信號時，發(fā)光器便發(fā)出光線，受光器因受到光照而產(chǎn)生光電流，并從輸出端輸出，這即實現(xiàn)了“電 光 電”的轉(zhuǎn)換。光電耦合起的發(fā)光器屬于電流驅(qū)動器件，具有抗干擾能力強，共模抑制 比高，不受磁場影響，不需磁屏蔽的優(yōu)點 [14]。它是在單向晶閘管的基礎(chǔ)上發(fā)展而成的新型器件。雙向晶閘管的突出特點是可以雙向?qū)ㄇ揖哂腥鐖D 。光電隔離和 TRIAC驅(qū)動部分電路如圖 。先設計主體程序然后調(diào)用各個模塊實現(xiàn)對應的功能。 內(nèi)存地址的分配 表 這部分主要是分 配內(nèi)存地址，以便進行數(shù)據(jù)的顯示、存儲和運算，在本系統(tǒng)中其分配表 如下： 表 內(nèi)存地址分配表 內(nèi)存地址 用途 000BH 定時器 T0中斷入口地址 0013H 外部 中斷 0 入口地址 0030H 系統(tǒng)程序起始地址 22H— 27H 年、月、日、時、分、秒數(shù)值存儲單元 28H、 29H 分別為預設水溫、水位存儲單元 2AH 檢測水溫值 2BH 檢測水位值 30H— 5FH LCD 顯示緩存區(qū) 60— 7FH 設置為堆棧地址 主程序的初始化內(nèi)容 所謂初始化，是對將要用到的 MCS～ 51 系列單片機內(nèi)部部件或擴展芯片進行初始工作狀態(tài)的設定。 同時還要初始化顯示緩存區(qū)域及對地址清零，具體情況參看主程序。為后一步的數(shù)據(jù)存儲提供數(shù)據(jù)信息。 ? ? 0 6 2 ~ ??? DT （ 41） ?? DT （ 42） T為轉(zhuǎn)換后的實際溫度值， D是 DS18B20轉(zhuǎn)換送入單片機的數(shù)字量， ~代表按位取反。其初始化子程序如下： TIMEINT:MOV DPTR,7F0BH MOV A,86H MOVX DPTR,A ；禁止芯片更新， BCD 碼， 24小時制 MOV DPTR,7F0AH MOV A,20H MOVX DPTR,A ； ；設定秒 MOV DPTR,7F00H MOV A,00H MOVX DPTR,A ； ；設定分 MOV DPTR,7F02H MOV A,00H MOVX DPTR,A ? 依次類推 ? ； ；啟動芯片正常工作 MOV DPTR,37F0BH MOV A,06H MOVX DPTR,A RET 讀當前時間子程序 用查詢方式讀出 DS12887 當前時鐘值， 分別將年的十位、個位存入 32H、 33H；將月的十位、個位存入 35H、 36H；將日的十位、個位存入 38H、 39H；將時的十位、個位存入 3DH、 3EH；將 分的十位、個位存入 40H、 41H；將秒的十位、個位存入 43H、 44H。而一般的字符型液晶只有兩行，24 面積小，只能顯示字符和一些很簡單的圖形，簡單易控制且成本低。內(nèi)部初始化內(nèi)容包括：功能設定，清屏，設置輸入方式，設置顯示方式 [1]。 （ 3）輸入方式設定： ID=1， S=0。指令代碼： 00001111B=0FH。 按照這一過程的不同，鍵盤的工作方式可分為程序掃描方式和中斷掃描方式。微機鍵盤有兩種：一種是全編碼鍵盤，其鍵碼全由軟件提供，但是這種方式硬件結(jié)構(gòu)簡單，但需要使用軟件編程來補償 在單片機應用系統(tǒng)中，編碼鍵盤由 CPU 通過鍵盤處理程序完成整個工作過程。 （ 4）顯示狀態(tài)設置。 DL=1（即數(shù)據(jù)位線為 8 位）， N=1（表示模塊字符行為 2 行），F(xiàn)=0（表示字符體為 5*7 的點陣），指令代碼： 00111000B=38H； （ 2）清屏。 HD44780 液晶 芯片在電源建立時能自動復位，并對 LCD 模塊進行初始化。液晶顯示器通常可分為兩大類，一類是點陣型，另一類是字符型。 跳過 ROM 匹配 開始 發(fā)溫度轉(zhuǎn)換命令 讀溫度前先復位 跳過 ROM 匹配 圖 DS18B20 操作流程圖 返 回 DS18B20 存在？ 發(fā)讀溫度命令 保存數(shù)據(jù) N Y 22 圖 溫度采集數(shù)據(jù)處理流程圖 水位測量模塊 此設計中水位傳感采用干簧管傳感器，采集的信號為模擬信號，將此信號接ADC0809，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到單片機中，在將此數(shù)據(jù)經(jīng)過處理送液晶顯示。 21 數(shù)據(jù)處理子程序 DS18B20將模擬溫度信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入到單片機，所得到的并不是溫度的實際值，所以需要根據(jù)不同 分辨率時的溫度和數(shù)字輸出之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系 進行轉(zhuǎn)換得到實際溫度值，本設計設置的分 辨率為 12位 ，所以得出以下轉(zhuǎn)換公式 [15]。對 DS18B20 進行讀寫操作時一定要遵循數(shù)字溫度傳感器的時序，因為數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 硬件結(jié)構(gòu)簡單，要用軟件進行補償，所以 DS18B20 的讀寫時序相對較為復雜，如果讀寫時不遵守其電氣特性將得不到正確的溫度測量值。 在本次的設計中，使 用了 2 個中斷： （ 1） T0 中斷：采用外部中斷工作方式，完成定時功能，因此需設定定時器初值。最后的效果圖大致如下： 圖 顯示器和按鍵效果圖 各數(shù)字鍵還有附加功能如下： 1號鍵：年加 1； 2號鍵：年減 1； 3 號鍵：月加 1； 4號鍵：日加 1； 5號鍵：時加 1； 6號鍵：分加 1； 7 號鍵：秒加 1. 以下為各模塊設計思路及相應程序。與雙向晶閘管并聯(lián)的 RC回路用于降低雙向晶閘管的沖擊電壓，保護雙向晶閘管及 MOC3020[10]。并且其觸發(fā)電流16 小，通態(tài)平均電流大，作電壓高，也是理想的交流開關(guān)器件。 雙向可控硅屬于一種 NPNPN五層器件，有三個極，分別為 G,T1和 T2。其中，三極管型光電耦合器的電流傳輸比較小，若要得到較大的電流傳輸比可選用達林頓型 (復合管型 )光電耦合器；若采用光電藕合器在電路中作為開關(guān)用，要求其飽和壓降低，可選用低通導光電藕合器：在高壓電子線路中，如在高壓穩(wěn)壓電路中，取樣放大管的信號經(jīng)過光電耦合器禍合到調(diào)整管，就要求光電耦合器輸出邊與輸入邊之間有很高的耐壓，此時應選用高壓型光電耦合器 [9]。并且響應速度快，失真小，電氣隔離性能優(yōu)良。 單片機 3*1KΩ +5V (b)按鍵電平復位 +5V R2 +5V R1 RST 8051 R1 RST 8051 (a) 上電復位 C1 C1 圖 15 電加熱、電磁閥控制電路 對電磁閥以及電加熱的控制，由于是通過微信號控制大電流，大功率，所以必須在開關(guān)和單片機之間進行很好的隔離，以免大電流信號影響單片機正常工作。上電復位所需的最短時間是震蕩器建立時間加上 2 個機器周期。 80C51 單片機的復位電路有上電復位和按鈕復位兩種形式，最簡單的復位電路如圖 所示。當 =0 時， VT導通時使蜂鳴器的兩個管腳之間獲得將近 5V的直流電壓，蜂