【正文】 無到有，從規(guī)模較小到規(guī)模較大，隨著市場需求的迅速增長和公眾意識的不斷加強而不斷發(fā)展。國家計委、國家科委也制定了“新能源和可再生能源 (太陽能等 )發(fā)展綱要”。世 界環(huán)境發(fā)展大會之后，許多國家又開始重視太陽能熱水器在節(jié)約常規(guī)能源的減少排放 CO2方面的潛力，僅據美國加利福尼亞州首府 Sacramento 的計劃，到 2021 年太陽能熱水器將替代該州 47000 套家用電熱水器；到 2021 年日本太陽能熱水器的擁有量將翻一番。 20 世紀 90 年代以來，聯合國召開了一系列各國領導人高峰會議，討論制定了世界太陽能戰(zhàn)略規(guī)劃、國際太陽能公約、設立國際太陽能 基金會等，推動了全球對太陽能的利用和研究開發(fā)。太陽能熱水器順呼時 代發(fā)展的要求，滿足人們對環(huán)保綠色產品的需求。 當今社會發(fā)展日新月異，人們衣食住行也在不斷的提高。太陽能熱水器便是太陽能成果應用中的一大產業(yè)，它為百姓提供環(huán)保、安全節(jié)能、衛(wèi)生的新型熱水器產品，太陽能熱水器就是吸收太陽能的輻射熱能，加熱冷水提供給 人們在生活、生產中使用的節(jié)能設備。隨著世界上煤、油、氣的儲量日益減少，能源危機已日益增長，環(huán)境污染的危機已威脅著生態(tài)平衡，太陽能開發(fā)利用的 課題已提到人類的面前。 Sensor。 傳感器 。東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 摘要 I 摘 要 太陽能熱水器作為三大熱水器之一，因其無污染、使用方便、長期投入成本低等特點，越來越受到人們的青睞，但與之配套的控制器卻還一直處于研究和開發(fā)階段，本文結合太陽能熱水器的具體應用，介紹利用 80C51 單片機設計的太陽能熱水器智能控制器的硬件設計和軟件設計方案。 模糊控制 。 Vague control。 太陽熱水器是利用太陽的能量將水從低溫度加熱到高溫度的裝置，是一種熱能產品。 太陽能熱水器作為三大熱水器之一，因其無污染、使用方便、長期投入成本低等特點，越來越受到人們的青睞，但與之配套的控制器卻還一直處于研究和開發(fā)階段，本文結合太陽能熱水器的具體應用，介紹利用 8051 單片機設計的太陽能熱水器智能控制器的硬件設計和軟件設計方案?，F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。在人類文明程度日益提高的今天，它是現代文明社會的最佳選擇。研究太陽能的熱利用已成為國際社會的一大主題和共同行動，成為各國制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內容?？傊?，世界各國早已將目光投向了太陽能這個綠色環(huán)保能源之上 [1]。 經過二十多年的研究與開發(fā)，我國太陽能熱利用取得了很大成就，已經達到世界領先水平。目前已形成真空管、平板型和悶曬型三大技術主流。 太陽能熱水器的應用及意義 一、太陽能的廣泛利用可以部分解決化石能源帶來的問題 (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家能源供應不足，不能滿足其經濟發(fā)展的需要。這些間題最終將迫使人們改變能源結構，而太陽能是一種理想的潔凈能源。 二、太陽能資源開發(fā)利用的特點決定其意義遠大 (1)儲量的“無限性” 太陽能是取之不盡的能源，可利用量巨大。相對于常規(guī)能源的有限性，太陽能具有儲量的“無限性”。 (3)利用的清潔性 太陽能像風能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開發(fā)利用時幾乎不產生任何污染，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 調節(jié)閥門 圖 21 系統(tǒng)結構圖 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 太陽能熱水器的組成及工作原理 6 太陽能熱水器組成及原理 太陽能熱水器就是利用溫室原理，把太陽能轉變?yōu)闊崮埽⑾蛩畟鬟f熱量，從而獲得熱水的一種裝置。若是集熱器和蓄熱水箱結合為一體，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，便經上升水管進入循環(huán)水箱上部。 集熱器是一種利用溫室效應，將太陽能輻射轉換為熱能的裝置 ，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程，而平板行集熱器時直接將太陽輻射傳給液體或氣體，是一個復雜的傳熱過程。 一、單片機的組成 單片微型計算機簡稱單片機，它在一塊芯片上集成了各種功能部件：中央處理器（ CPU）、隨機存取存儲器（ RAM）、只讀存儲器（ ROM）、定時器 /計數器、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轉換器）等。 電源引腳 VCC和 VSS。在單片機內部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構成了片內振蕩器。采用外部振蕩器時，對CHMOS 單片機，該引腳懸浮。 VCC 掉電期間，此引腳可接上備用電源，以保持內部 RAM 的數據不丟失。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。 RSEN（ 29 腳）：此腳的輸出是外部程序存儲器的讀寫選通信號。對于 EPROM 型單片機，在 EPROM 編程期間，此引腳也用于施加 21 伏的編程電源（ VPP）。門口能驅動（吸收或輸出電流） 4個 LSTTL負載，對 805 8032， 引腳的第二功能為 T2 定時 /計數器的外部輸入， 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 可以驅動（吸收或輸出電流） 4個 LSTTL 負載。 DS12887 時鐘芯片簡介 “千年蟲”問題成為困擾當今世界的一大難題。采用 DS12887 芯片設計的時鐘電路不需任何外圍電路和器件 ， 并具有良好的微機接口。此外 ， 片內通用的 RAM 為 MC146818 的兩倍以上。 C 二、 DS12887 芯片結構 DS12887/DS12C887 為 24 引腳芯 片，其結構如下圖。當 5V 電壓在正常范圍內時 ， 數據可讀寫 ； 當 VCC低于 ， 讀寫被禁止 ， 計時功能仍繼續(xù) ； 當 VCC 下降到 3V 以下時， RAM 和計時器供電被切換到內部鋰電池。 AS (地址選通輸入 )： 用于實現信號分離 ， 在 AD/ ALE 的下降沿把地址鎖入DS12887。選 MOTOROLA 時序時 ， R/W 是一電平信號 ， 指示當前周期是讀或寫周期 ， DS 為高電平時 ， R/ W 高電平指示讀周期 ， R/W 信號是一低電平信號 ， 稱為 WR。沒有中斷的條件滿足時 ， IRQ 處于高阻態(tài)。其 114bit 非易失性靜態(tài) RAM 可供用戶使用 ， 對于沒有 RAM 的單片機應用系統(tǒng) ， 可在主機掉電時來保存一些重要的數據。該位為“ 1”時 ， 表示芯片正處于或即將開始更新周期 ， 此時程序不準讀寫時標寄存器；該位為“ 0”時 ， 表示至少在 244μ s 后才開 始更新周期 ， 此時程序可讀芯片內時標寄存器。因此 ， 在程序 初始化時可用這三位精確地使芯片在設定的時間開始工作。程序可以通過設置寄存器 B的 SQWF 和 PIE 位控制是否允許周期中斷和方波輸出。 東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 太陽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 ： 當該位為“ 0”時 ， 芯片處于正常工作狀態(tài) ， 每秒產生一個更新周期來更新時標寄存器為“ 1”時 ， 芯片停止工作 ， 程序在此期間可初始化芯片的各個時標寄存器。 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 ， 為 24 小時工作模式 ； 24/ 12 位 =“ 0”時 ， 為 12 小時工作模式。該寄存器的特點是程序訪問讀該寄存器后 ， 該寄存器的內容將自動清零 ， 從而使 IRQF 標志位變?yōu)楦唠娖?， 否則 ， 芯 片將無法向 CPU 申請下一次中斷。 AIE+UF只要滿足各中斷的條件 ， 相應的中斷標志位將置“ 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時標寄存器中的內容 ， 同時秒時標寄存器內容加 1， 并檢查其他時標寄存器內容是否有溢出 ， 如有溢出則相應進位日、月、年。它可以編程允許在每次更新周期結束后發(fā)生中斷申請 ， 提醒 CPU將有 998ms 左右的時間去獲取有效的數據 ， 在中斷之后的 998ms 時間內 ， 程序可先將時標數據讀到芯片內部的不掉電靜態(tài) RAM 中。如檢測到 UIP 位為“ 1” ， 則可暫緩讀數據 ， 等到 UIP 變成低電平后再去讀數據 [7]。溫度實時測控集裝箱的設計 ,在實現測控系統(tǒng)的溫度檢測方面就較好地利用了 DS18B20 的獨到特點 ,使系統(tǒng)得到了極大的簡化。而當到達某一設置高溫時 , 振蕩器的脈沖無法通過門電路。 DS18B20 內部結構框圖 ,如圖所示。系統(tǒng)對 DS18B20 的操作以 ROM 命令 (5 個 )和存儲器命令 (6 個 )形式出現。只需將 DS18B20 信號線與單片機 1位 I/O 線相連 ， 且單片機的 1位 I/O線可掛接多個 DS18B20，就可實現單點或多點溫度檢測。這種組合降低了系統(tǒng)成本并減少了對電路板空間的要求。利用 X25045 低 Vcc 檢測電路，可以保護系統(tǒng)使之免受低電壓狀況的影響。 X25045 的特點是具有允許簡單的三線總線工作的串行外設接口（ SerialPerpheral Interface,SPI）和軟件協(xié)議 [12]。系統(tǒng)的硬件接口電路包括：控制器實時時鐘接口電路，蓄水箱溫度和水位檢測接口電路、自動加水控制電路、設定鍵和串行顯示接口電路、復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 ， 所以檢測到 UIP 位為低電平時 ， 則利用 244μ s 的間隔時間去讀取時標信息。 DS12887 芯片具有微功耗、外圍接口簡單、精度高，工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點。 圖 32 DS12887與單片機接口電路 水位檢測和自動加水電路 原太陽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，沒有自動上水和停水、手動調溫的功能，屬于一種開環(huán)控制。 LED 依次點亮。 自動加水原理如下：當 A點水位 (即高水位燈閃光時 )信號低于 0． 5V時， 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，二位二通閥關斷，停止上水。 圖 33水位監(jiān)測及顯示接口電路 看門狗和復位接口電路的設計 在單片機控制系統(tǒng)中，單片機由于受到各種干擾而不能可靠上電復位，甚至在東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 太陽能熱水器系統(tǒng)硬件設計 24 程序運行過程中出現死機是普遍存在的問題。電路中，CPU的復位信號共有 2個：人工復位 (K R R3)和 Watchdog 復位 (C R1)，通過與 門綜合后加到 RESET 端。鍵盤實質上是一組按鍵開關集合， 通常選用機械彈性開關，它們利用了機械觸點的合、斷作用。在本系統(tǒng)中，鍵盤輸東華理工大學長江學院畢業(yè)設計（論文） 太陽能熱水器系統(tǒng)硬件設計 25 人部分主要用于顯示設定溫度、時間；重設溫度、時間及時間的調整。 圖 35鍵盤電路 顯示接口電路的設計 單片機 8051， 2片 74HC164， 8個 LED 數碼管， 8個 200 歐姆左右的限流電阻。 利用兩片 74HC164 其中一片作為段碼驅動 U6，另一片作為位碼驅動 U5， 2 片 74HC164 采用級聯方式連接，只占用單片機 8051 的 2 個 I/O端口硬件電路圖如 36 所示。工作原理：當單片機 8051 口輸出低電平時，三極管T1導通，光電耦合器導通，繼電器閉合，電阻絲 L1 發(fā)熱，這樣就完成了加熱任務，此電路雖然簡單，但在太陽能熱水器中是必 不可少的。當 4N25 中的發(fā)光二極管導通時，繼電器線圈中將有電流流過，使常開觸點動作，接通輔助加熱器開始加熱。同時使光藕