【正文】 無(wú)到有，從規(guī)模較小到規(guī)模較大，隨著市場(chǎng)需求的迅速增長(zhǎng)和公眾意識(shí)的不斷加強(qiáng)而不斷發(fā)展。國(guó)家計(jì)委、國(guó)家科委也制定了“新能源和可再生能源 (太陽(yáng)能等 )發(fā)展綱要”。世 界環(huán)境發(fā)展大會(huì)之后，許多國(guó)家又開始重視太陽(yáng)能熱水器在節(jié)約常規(guī)能源的減少排放 CO2方面的潛力，僅據(jù)美國(guó)加利福尼亞州首府 Sacramento 的計(jì)劃，到 2021 年太陽(yáng)能熱水器將替代該州 47000 套家用電熱水器；到 2021 年日本太陽(yáng)能熱水器的擁有量將翻一番。 20 世紀(jì) 90 年代以來(lái)，聯(lián)合國(guó)召開了一系列各國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人高峰會(huì)議，討論制定了世界太陽(yáng)能戰(zhàn)略規(guī)劃、國(guó)際太陽(yáng)能公約、設(shè)立國(guó)際太陽(yáng)能 基金會(huì)等，推動(dòng)了全球?qū)μ?yáng)能的利用和研究開發(fā)。太陽(yáng)能熱水器順呼時(shí) 代發(fā)展的要求，滿足人們對(duì)環(huán)保綠色產(chǎn)品的需求。 當(dāng)今社會(huì)發(fā)展日新月異，人們衣食住行也在不斷的提高。太陽(yáng)能熱水器便是太陽(yáng)能成果應(yīng)用中的一大產(chǎn)業(yè)，它為百姓提供環(huán)保、安全節(jié)能、衛(wèi)生的新型熱水器產(chǎn)品，太陽(yáng)能熱水器就是吸收太陽(yáng)能的輻射熱能，加熱冷水提供給 人們?cè)谏睢⑸a(chǎn)中使用的節(jié)能設(shè)備。隨著世界上煤、油、氣的儲(chǔ)量日益減少，能源危機(jī)已日益增長(zhǎng)，環(huán)境污染的危機(jī)已威脅著生態(tài)平衡，太陽(yáng)能開發(fā)利用的 課題已提到人類的面前。 Sensor。 傳感器 。東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 摘要 I 摘 要 太陽(yáng)能熱水器作為三大熱水器之一，因其無(wú)污染、使用方便、長(zhǎng)期投入成本低等特點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的青睞，但與之配套的控制器卻還一直處于研究和開發(fā)階段，本文結(jié)合太陽(yáng)能熱水器的具體應(yīng)用，介紹利用 80C51 單片機(jī)設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能熱水器智能控制器的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)方案。 模糊控制 。 Vague control。 太陽(yáng)熱水器是利用太陽(yáng)的能量將水從低溫度加熱到高溫度的裝置，是一種熱能產(chǎn)品。 太陽(yáng)能熱水器作為三大熱水器之一，因其無(wú)污染、使用方便、長(zhǎng)期投入成本低等特點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的青睞，但與之配套的控制器卻還一直處于研究和開發(fā)階段，本文結(jié)合太陽(yáng)能熱水器的具體應(yīng)用，介紹利用 8051 單片機(jī)設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能熱水器智能控制器的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)方案?，F(xiàn)有電熱型熱水器費(fèi)用昂貴及燃?xì)庑偷牟话踩?，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(yáng)能熱水器良好的外部生存環(huán)境。在人類文明程度日益提高的今天，它是現(xiàn)代文明社會(huì)的最佳選擇。研究太陽(yáng)能的熱利用已成為國(guó)際社會(huì)的一大主題和共同行動(dòng)，成為各國(guó)制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。總之，世界各國(guó)早已將目光投向了太陽(yáng)能這個(gè)綠色環(huán)保能源之上 [1]。 經(jīng)過(guò)二十多年的研究與開發(fā)，我國(guó)太陽(yáng)能熱利用取得了很大成就，已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平。目前已形成真空管、平板型和悶曬型三大技術(shù)主流。 太陽(yáng)能熱水器的應(yīng)用及意義 一、太陽(yáng)能的廣泛利用可以部分解決化石能源帶來(lái)的問(wèn)題 (1)能源短缺 由于常規(guī)能源的有限性和分布的不均勻性，造成了世界大部分國(guó)家能源供應(yīng)不足，不能滿足其經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。這些間題最終將迫使人們改變能源結(jié)構(gòu)，而太陽(yáng)能是一種理想的潔凈能源。 二、太陽(yáng)能資源開發(fā)利用的特點(diǎn)決定其意義遠(yuǎn)大 (1)儲(chǔ)量的“無(wú)限性” 太陽(yáng)能是取之不盡的能源，可利用量巨大。相對(duì)于常規(guī)能源的有限性，太陽(yáng)能具有儲(chǔ)量的“無(wú)限性”。 (3)利用的清潔性 太陽(yáng)能像風(fēng)能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開發(fā)利用時(shí)幾乎不產(chǎn)生任何污染，是人類理想的替代能源 [2]。 排氣管 不銹鋼保溫水箱 溢流管 集熱管 支撐架 上、下水管 保溫水箱 淋浴噴頭 調(diào)節(jié)閥門 圖 21 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 太陽(yáng)能熱水器的組成及工作原理 6 太陽(yáng)能熱水器組成及原理 太陽(yáng)能熱水器就是利用溫室原理，把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，并向水傳遞熱量，從而獲得熱水的一種裝置。若是集熱器和蓄熱水箱結(jié)合為一體，一般稱為悶曬式熱水器；集熱器與蓄熱水箱分開，則為循環(huán)式 (包括自然循環(huán)和強(qiáng)迫循環(huán) )和直流熱水器。圖中集熱器按最佳傾角放置，下降水管的一端與循環(huán)水箱的下部相連，另一端與集熱器的下集管接通。水溫升高后，水的比重減輕，便經(jīng)上升水管進(jìn)入循環(huán)水箱上部。 集熱器是一種利用溫室效應(yīng)，將太陽(yáng)能輻射轉(zhuǎn)換為熱能的裝置 ，該裝置與一般熱水交換器不一樣，熱交換器通常只是液體到液體，或是液體到氣體的熱交換過(guò)程，而平板行集熱器時(shí)直接將太陽(yáng)輻射傳給液體或氣體，是一個(gè)復(fù)雜的傳熱過(guò)程。 一、單片機(jī)的組成 單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，它在一塊芯片上集成了各種功能部件：中央處理器（ CPU）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（ RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ ROM）、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、和各種輸入 /輸出（ I/O）接口（如并行 I/O口、串行 I/O口和 A/D轉(zhuǎn)換器）等。 電源引腳 VCC和 VSS。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端，這個(gè)放大器構(gòu)成了片內(nèi)振蕩器。采用外部振蕩器時(shí)，對(duì)CHMOS 單片機(jī)，該引腳懸浮。 VCC 掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保持內(nèi)部 RAM 的數(shù)據(jù)不丟失。因此，它可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘，或用于定時(shí)目的。 RSEN（ 29 腳）：此腳的輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀寫選通信號(hào)。對(duì)于 EPROM 型單片機(jī)，在 EPROM 編程期間，此引腳也用于施加 21 伏的編程電源（ VPP）。門口能驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4個(gè) LSTTL負(fù)載，對(duì) 805 8032， 引腳的第二功能為 T2 定時(shí) /計(jì)數(shù)器的外部輸入， 引腳的第二功能為 T2EX 捕捉、重裝觸發(fā)，即 T2 的外部控制端。 P2 可以驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4個(gè) LSTTL 負(fù)載。 DS12887 時(shí)鐘芯片簡(jiǎn)介 “千年蟲”問(wèn)題成為困擾當(dāng)今世界的一大難題。采用 DS12887 芯片設(shè)計(jì)的時(shí)鐘電路不需任何外圍電路和器件 ， 并具有良好的微機(jī)接口。此外 ， 片內(nèi)通用的 RAM 為 MC146818 的兩倍以上。 C 二、 DS12887 芯片結(jié)構(gòu) DS12887/DS12C887 為 24 引腳芯 片，其結(jié)構(gòu)如下圖。當(dāng) 5V 電壓在正常范圍內(nèi)時(shí) ， 數(shù)據(jù)可讀寫 ； 當(dāng) VCC低于 ， 讀寫被禁止 ， 計(jì)時(shí)功能仍繼續(xù) ； 當(dāng) VCC 下降到 3V 以下時(shí)， RAM 和計(jì)時(shí)器供電被切換到內(nèi)部鋰電池。 AS (地址選通輸入 )： 用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)分離 ， 在 AD/ ALE 的下降沿把地址鎖入DS12887。選 MOTOROLA 時(shí)序時(shí) ， R/W 是一電平信號(hào) ， 指示當(dāng)前周期是讀或?qū)懼芷?， DS 為高電平時(shí) ， R/ W 高電平指示讀周期 ， R/W 信號(hào)是一低電平信號(hào) ， 稱為 WR。沒(méi)有中斷的條件滿足時(shí) ， IRQ 處于高阻態(tài)。其 114bit 非易失性靜態(tài) RAM 可供用戶使用 ， 對(duì)于沒(méi)有 RAM 的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng) ， 可在主機(jī)掉電時(shí)來(lái)保存一些重要的數(shù)據(jù)。該位為“ 1”時(shí) ， 表示芯片正處于或即將開始更新周期 ， 此時(shí)程序不準(zhǔn)讀寫時(shí)標(biāo)寄存器；該位為“ 0”時(shí) ， 表示至少在 244μ s 后才開 始更新周期 ， 此時(shí)程序可讀芯片內(nèi)時(shí)標(biāo)寄存器。因此 ， 在程序 初始化時(shí)可用這三位精確地使芯片在設(shè)定的時(shí)間開始工作。程序可以通過(guò)設(shè)置寄存器 B的 SQWF 和 PIE 位控制是否允許周期中斷和方波輸出。 東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 太陽(yáng)能熱水器的組成及工作原理 15 BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0 SET PIE AIE UIE SQWE DM 24/12 DSE 表四 DS12887 控制寄存器 B各布爾位定義 DS12887 控制寄存器 B各布爾位定義的功能如下： (1) SET 位 ： 當(dāng)該位為“ 0”時(shí) ， 芯片處于正常工作狀態(tài) ， 每秒產(chǎn)生一個(gè)更新周期來(lái)更新時(shí)標(biāo)寄存器為“ 1”時(shí) ， 芯片停止工作 ， 程序在此期間可初始化芯片的各個(gè)時(shí)標(biāo)寄存器。 SQWE“ 1” ， 按寄存器 A 輸出速率選擇位所確定的頻率輸出方波 ； SQWE =“ 0” ， 腳 SQW 保持低電平。 24/12 位 =“ 1”時(shí) ， 為 24 小時(shí)工作模式 ； 24/ 12 位 =“ 0”時(shí) ， 為 12 小時(shí)工作模式。該寄存器的特點(diǎn)是程序訪問(wèn)讀該寄存器后 ， 該寄存器的內(nèi)容將自動(dòng)清零 ， 從而使 IRQF 標(biāo)志位變?yōu)楦唠娖?， 否則 ， 芯 片將無(wú)法向 CPU 申請(qǐng)下一次中斷。 AIE+UF只要滿足各中斷的條件 ， 相應(yīng)的中斷標(biāo)志位將置“ 1”。寄存器 D的控制字的格式如表六所示。 (2) BIT6～ BIT0 位 ： 保留位。更新周期的基本功能主要是刷新各個(gè)時(shí)標(biāo)寄存器中的內(nèi)容 ， 同時(shí)秒時(shí)標(biāo)寄存器內(nèi)容加 1， 并檢查其他時(shí)標(biāo)寄存器內(nèi)容是否有溢出 ， 如有溢出則相應(yīng)進(jìn)位日、月、年。它可以編程允許在每次更新周期結(jié)束后發(fā)生中斷申請(qǐng) ， 提醒 CPU將有 998ms 左右的時(shí)間去獲取有效的數(shù)據(jù) ， 在中斷之后的 998ms 時(shí)間內(nèi) ， 程序可先將時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)讀到芯片內(nèi)部的不掉電靜態(tài) RAM 中。如檢測(cè)到 UIP 位為“ 1” ， 則可暫緩讀數(shù)據(jù) ， 等到 UIP 變成低電平后再去讀數(shù)據(jù) [7]。溫度實(shí)時(shí)測(cè)控集裝箱的設(shè)計(jì) ,在實(shí)現(xiàn)測(cè)控系統(tǒng)的溫度檢測(cè)方面就較好地利用了 DS18B20 的獨(dú)到特點(diǎn) ,使系統(tǒng)得到了極大的簡(jiǎn)化。而當(dāng)?shù)竭_(dá)某一設(shè)置高溫時(shí) , 振蕩器的脈沖無(wú)法通過(guò)門電路。 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 ,如圖所示。系統(tǒng)對(duì) DS18B20 的操作以 ROM 命令 (5 個(gè) )和存儲(chǔ)器命令 (6 個(gè) )形式出現(xiàn)。只需將 DS18B20 信號(hào)線與單片機(jī) 1位 I/O 線相連 ， 且單片機(jī)的 1位 I/O線可掛接多個(gè) DS18B20，就可實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)或多點(diǎn)溫度檢測(cè)。這種組合降低了系統(tǒng)成本并減少了對(duì)電路板空間的要求。利用 X25045 低 Vcc 檢測(cè)電路，可以保護(hù)系統(tǒng)使之免受低電壓狀況的影響。 X25045 的特點(diǎn)是具有允許簡(jiǎn)單的三線總線工作的串行外設(shè)接口（ SerialPerpheral Interface,SPI）和軟件協(xié)議 [12]。系統(tǒng)的硬件接口電路包括：控制器實(shí)時(shí)時(shí)鐘接口電路，蓄水箱溫度和水位檢測(cè)接口電路、自動(dòng)加水控制電路、設(shè)定鍵和串行顯示接口電路、復(fù)位接口電路以及輔助加熱接口電路等。在 UIP 位從低變高 244μ s 后 ，芯片將開始其更新周期 ， 所以檢測(cè)到 UIP 位為低電平時(shí) ， 則利用 244μ s 的間隔時(shí)間去讀取時(shí)標(biāo)信息。 DS12887 芯片具有微功耗、外圍接口簡(jiǎn)單、精度高，工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。 圖 32 DS12887與單片機(jī)接口電路 水位檢測(cè)和自動(dòng)加水電路 原太陽(yáng)能熱水器的控制面板只作為水箱的溫度顯示和水位顯示的作用，沒(méi)有自動(dòng)上水和停水、手動(dòng)調(diào)溫的功能，屬于一種開環(huán)控制。 LED 依次點(diǎn)亮。 自動(dòng)加水原理如下：當(dāng) A點(diǎn)水位 (即高水位燈閃光時(shí) )信號(hào)低于 0． 5V時(shí)， RS 觸發(fā)器為“ 0”，電阻 R54端為低電平，發(fā)光二極管 D11 熄滅，三極管截止，二位二通閥關(guān)斷，停止上水。 圖 33水位監(jiān)測(cè)及顯示接口電路 看門狗和復(fù)位接口電路的設(shè)計(jì) 在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，單片機(jī)由于受到各種干擾而不能可靠上電復(fù)位，甚至在東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 24 程序運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)死機(jī)是普遍存在的問(wèn)題。電路中，CPU的復(fù)位信號(hào)共有 2個(gè)：人工復(fù)位 (K R R3)和 Watchdog 復(fù)位 (C R1)，通過(guò)與 門綜合后加到 RESET 端。鍵盤實(shí)質(zhì)上是一組按鍵開關(guān)集合， 通常選用機(jī)械彈性開關(guān)，它們利用了機(jī)械觸點(diǎn)的合、斷作用。在本系統(tǒng)中，鍵盤輸東華理工大學(xué)長(zhǎng)江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 25 人部分主要用于顯示設(shè)定溫度、時(shí)間；重設(shè)溫度、時(shí)間及時(shí)間的調(diào)整。 圖 35鍵盤電路 顯示接口電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī) 8051， 2片 74HC164， 8個(gè) LED 數(shù)碼管， 8個(gè) 200 歐姆左右的限流電阻。 利用兩片 74HC164 其中一片作為段碼驅(qū)動(dòng) U6，另一片作為位碼驅(qū)動(dòng) U5， 2 片 74HC164 采用級(jí)聯(lián)方式連接，只占用單片機(jī) 8051 的 2 個(gè) I/O端口硬件電路圖如 36 所示。工作原理：當(dāng)單片機(jī) 8051 口輸出低電平時(shí)，三極管T1導(dǎo)通，光電耦合器導(dǎo)通，繼電器閉合，電阻絲 L1 發(fā)熱，這樣就完成了加熱任務(wù)，此電路雖然簡(jiǎn)單，但在太陽(yáng)能熱水器中是必 不可少的。當(dāng) 4N25 中的發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，繼電器線圈中將有電流流過(guò)，使常開觸點(diǎn)動(dòng)作，接通輔助加熱器開始加熱。同時(shí)使光藕