【正文】 平板型太陽能熱水器、真空管太陽能熱水器 、無蓋板太陽能熱水器 。系統(tǒng)采用 4N26光電耦合器進(jìn)行光電隔離，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾功能，保證系統(tǒng)安穩(wěn)準(zhǔn)確運(yùn)行。畢 業(yè)設(shè)計(jì) 說明書（論文） 中文摘要 本系統(tǒng)是利用 AT89C52 為處理器，集合 DS1302 時(shí)鐘芯片、 DS18B20 溫度傳感器、水位傳感器等構(gòu)成的多功能太陽能熱水器控制系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)變換器部分的傳感器制作簡單，安裝方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。太陽能熱水器是太陽能利用技術(shù)的主要應(yīng)用產(chǎn)品，可供應(yīng)熱水和為建筑供暖。 2021 年全球太陽能熱水器提供的熱量相當(dāng)于 581 億千瓦時(shí)電力（ ），年減排 CO22540 萬噸。 中國太陽能熱水產(chǎn)業(yè)的發(fā)展始于上世紀(jì) 80 年代，當(dāng)時(shí)的市場定位是農(nóng)村或中小城鎮(zhèn)的低收入家庭，其主導(dǎo)產(chǎn)品以技術(shù)簡單、造價(jià)便宜的悶曬式太陽能熱水器為主。一批太陽能熱水器與建筑結(jié)合的試點(diǎn)項(xiàng)目，取得了良好的推廣效果。 2021年，太陽能熱水器年生產(chǎn)量為 1500 萬平方米，是 2021 年 640 萬平方米的 2 倍多。至 2021 年，全國有 1000 多家有一定規(guī)模的太陽能熱水器生產(chǎn)企業(yè)，年總產(chǎn)值達(dá) 150 多億元 ，出口創(chuàng)匯 2021 萬美元，全行業(yè)提供約 30 多萬個(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。 市場上 各類熱水器的 特 點(diǎn) 燃?xì)鉄?水器 ： 快速加熱，出水量大，不易結(jié)垢，體積小，價(jià)格比較實(shí)惠，對使用時(shí)間和人數(shù)沒太多要求。因功率大容易造成短路事故，使用電熱水器時(shí)電路電線發(fā)燙大大縮短線路壽命并有引發(fā)火災(zāi)的隱 患。 課題研究 的 目的和意義 在實(shí)際生活當(dāng)中仍然有許多的燃?xì)鉄崴鳎姛崴髟谑褂?，眾所周知，能源的消耗隨著科技的進(jìn)步也在不斷的超負(fù)荷消耗著，燃?xì)?、電都需要用到不可再生的石油和煤炭資源，而太陽能則是取之不盡用之不竭的，因此，使用太陽能熱水器不僅僅節(jié)省了生活開支也保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。 我們需要 做的就是 將現(xiàn)有的太陽能熱水器上水控制部分進(jìn)行改進(jìn)，達(dá)到 定時(shí) 上水，水滿自動(dòng)關(guān)閥的目的。 2 太陽能熱水器上水控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)原理 第 4 頁 共 32 頁 圖 太陽能熱水器單片機(jī)控制系統(tǒng)原理圖 該太陽能熱水器上水控制器系統(tǒng)采用 AT89C52 為 CPU，由水位傳感器和溫度傳感器將采集到的水位信息和溫度信息， 輸出到 單片機(jī) AT89C52 進(jìn)行處理 。 數(shù)據(jù)信息采集與轉(zhuǎn)換 水位信號采集 在該系統(tǒng)中，太陽能熱水 器上水控制是由單片機(jī)對水位信號的檢測和處理，然后經(jīng)由驅(qū)動(dòng)裝置，分別在顯示電路中顯示溫度和水位信息，并且控制上水電磁閥動(dòng)作。 本設(shè)計(jì)采用的自制電阻式水位傳感器，利用太陽能熱水器上水水滿，會(huì)有水從溢水位傳感器 單片機(jī) AT89C52 顯 示 光電隔離 驅(qū)動(dòng)裝置 執(zhí)行機(jī)構(gòu) DS1302 驅(qū)動(dòng) 電路 鍵 盤 報(bào)警電路 DS18B20 第 5 頁 共 32 頁 出管中溢出這樣的現(xiàn)象，可以將自制的電阻式傳感器安裝于溢出管上，在無水狀態(tài)下的電阻為無窮，有水溢出時(shí)接觸到傳感器，電阻可以降到 300 千歐左右。 DS18B20 的引腳以及封裝： 圖 DS18B20 封裝 及引腳 如圖 所示 DS18B20 的 1 腳接地， 2 腳接輸入 /輸出引腳， 3 腳為可選擇的 VDD引腳。 4） 每個(gè) DS18B20 器件上都有獨(dú)一無二的序列號，所以一條數(shù)據(jù)線上可以掛接很多該類型的傳感器 。 8） 警告搜索命令能識(shí)別和尋址溫度在編定的 極限之外的器件（溫度警告情況）。隨后若主機(jī)想寫 0，則繼續(xù)拉低電平最少 60微秒直至寫周期結(jié)束，然后釋放總線為高電平。讀時(shí)隙是從主機(jī)把單總線拉低之后，在 1 微秒之后就得釋放單總線為高電平，以讓 DS18B20 把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾慰偩€上。采樣期內(nèi)總線為高電平則確認(rèn)為 1。工作電壓寬達(dá) ～ 。當(dāng) Vcc2Vcc1+ 時(shí)，由 Vcc2 向 DS1302 供電，當(dāng) Vcc2 Vcc1 時(shí)，由 Vcc1 向 DS1302 供電； X X2： 外接晶振腳 一般接頻率為 的晶振 ； GND： 地 ； CE/RST： 復(fù)位腳 ； I/O： 數(shù)據(jù)輸入輸出口； SCLK： 串行時(shí)鐘輸入； Vcc1： 備用電池 接 入 端 。單片機(jī) AT89C52 有 40 個(gè)引腳，32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）端口，同時(shí)內(nèi)含 2 個(gè)外中斷口， 3 個(gè) 16 位可 編程 定時(shí)計(jì)數(shù)器 ,2 個(gè)全雙工串行 通信 口， 2 個(gè)讀寫口線， AT89C52 可以按照常規(guī)方法進(jìn)行編程 ,但不可以在線編程。功能包括對會(huì)聚主 IC 內(nèi)部寄存器、數(shù)據(jù) RAM 及外部接口等功能部件的初始化，會(huì)聚調(diào)整控制，會(huì)聚測試圖控制，紅外遙控信號 IR 的接收解碼及與主板 CPU 通信等。 P0～ P3 為可編程通用 I/O 腳，其功能用途由 軟件 定義 。 2）如果有鍵按下，決定是哪個(gè)被按下。彈跳會(huì)引起一次按鍵多次讀數(shù)。當(dāng)檢測到有鍵按下時(shí)，執(zhí)行一個(gè)數(shù)毫秒的延時(shí)子 程序，然后再判斷與該鍵對應(yīng)的電平信號是否仍然保持在閉合狀態(tài)， 如果是 ，則可確認(rèn)為有鍵按下。 非編碼鍵盤的控制方式 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中為了節(jié)省硬件，通常采用非編碼式鍵盤。接口電路中， 8155 的 PC 口接鍵盤的行， PA 口接鍵盤的列。 顯示設(shè)計(jì) 單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用中，常用的顯示器件就是 LED。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中通常用的是 7 段 LED。通常將控制發(fā)光二極管的 8 為字節(jié)數(shù)據(jù)稱為段選碼或字形選碼，公共極稱為位選線，共陽極和共陰極的段選碼互為補(bǔ)數(shù)。 光電隔離 光電隔離的作用是將電信號進(jìn)行隔離和傳輸，以 “ 電 光 電 ” 的形式工作。 4N26 光電耦合器內(nèi)部是由發(fā)光二極管和一個(gè)光敏三極管構(gòu)成的，當(dāng)發(fā) 光二極管有電流時(shí)，二極管發(fā)光照射到光敏三極管的基極，使光敏三極管導(dǎo)通，從而接通電路。分步直動(dòng)式電磁閥可以在零壓差或真空、高壓時(shí)動(dòng)作，但是功率較大，必須要水平安裝。其特點(diǎn)是流體壓力范圍上限較高，可以任意安裝但是必須滿足流體壓力差條件。 報(bào)警電路設(shè)計(jì) 給系統(tǒng)添加一個(gè)報(bào)警電路是為了在水上滿之后提示用戶水已經(jīng)上滿。蜂鳴器使用 5V 無源蜂鳴器。 電容式水位傳感器 我們使用的電容式水位傳感器是依 據(jù)電容原理自行 制作 的 ，采用兩塊耐腐蝕金屬電極 固定 于太陽能熱水器溢出管的 外側(cè) 作為 電容的兩個(gè)極板，在兩塊極板上分別焊上導(dǎo)線，便于接入電路，這樣就可以做成一個(gè)簡易的電容式傳感器。由于振蕩器的頻率受電容傳感器第 15 頁 共 32 頁 的電容調(diào)制，故稱調(diào)頻電路。當(dāng)傳感器的電容 Cx 發(fā)生變化時(shí)， 振蕩器的頻 率 f 也相應(yīng)地發(fā)生變化，即我們所說的頻率調(diào)制，由此實(shí)現(xiàn)了 Cx → f 的轉(zhuǎn)換，但該頻率信號是比較小的信號需要進(jìn)行放大，放大后的頻率信號進(jìn)一步通過鑒頻器轉(zhuǎn)化為電壓信號。而變壓器式電橋使用元件最少，橋路內(nèi)阻最小，因此目前較多采用。供電電壓是幅值為 177。 第 17 頁 共 32 頁 圖 雙 T 充放電網(wǎng)絡(luò)電路原理圖 （ a） 圖 雙 T 充放電網(wǎng)絡(luò)電路等效電路圖 (b) 根據(jù)一階電路時(shí)域分析的三要素法，可直接得到電容 C2 的電流 iC2 如下 ： 22e xpLEELCL LL LRUURR tiRR RRR RCRR RR?????? ?? ??? ????????? ?? 在［ R＋（ RRL） /（ R＋ RL）］ C2T/2 時(shí) , 電流 iC2 的平均值 IC2 可以寫成下式： 22 2 2 200 21 1 1T LC c c ELRRI i d t i d t U CT T T R R? ?? ? ? ??? 同理， 負(fù)半周時(shí)電容 C1 的平均電流 : 1121 LCELRRI U CT R R?? ? 故在負(fù)載 RL上產(chǎn)生的電壓為： ? ? ? ? ? ?0 1 2 1 222()LLLECCLL R R R RR R UU I I C CR R R R T?? ? ? ??? 電路特點(diǎn)： C2 UE C1 C1 C2 UE RL RL R R R + + + + iC1 iC2 i’C1 i’C2 R U0 R R RL C2 C1 VD1 VD2 iC1 iC2 + + － ＋ 177。 圖 運(yùn)算放大器電路原理圖 圖中 U 是交流電源電壓， C 是固定電容， Cx 是傳感器電容， U0 是輸出信號電壓。 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路 差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路也稱為脈沖調(diào)制電路，它是利用對傳感器電容的充放電使電路輸出脈沖的寬度隨電容式傳感器的電容量變化而變化，然后通過低通濾波器就能得到A ～ uo C Cx u ∑ 第 19 頁 共 32 頁 對應(yīng)被測量變化的直流信號。此時(shí) F 點(diǎn)電位 Ur經(jīng)二極管 VD1迅速放 電至 0，同時(shí) B 點(diǎn)高電位經(jīng) R2向 C2充電，當(dāng) G 點(diǎn)電位充至 Ur時(shí)，比較器 A2輸出脈沖，是雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器再一次翻轉(zhuǎn)， Q 端又變?yōu)楦唠娢弧?UAB經(jīng)低通濾波后，就可以得到一直流電壓 U0為 ： 1 2 1 20 1 1 11 2 1 2 1 2AB T T T TU U U U U UT T T T T T?? ? ? ? ?? ? ? 式中： UA， UB—— A點(diǎn)和 B點(diǎn)矩形脈沖的直流分量； T1 ， T2—— C1和 C2的充放電時(shí)間； R2 雙穩(wěn) 態(tài)觸 發(fā)器 VD1 VD2 A1 A2 A B R1 C1 C2 uAB F Q Q Ur G 比較 器 U0 第 20 頁 共 32 頁 U1—— 觸發(fā)器輸出的高電位。雖然對直流電源的電壓穩(wěn)定度要求比較高，但對高穩(wěn)定度的穩(wěn)頻穩(wěn)幅交流電源易于做到。 將兩個(gè)電容置于脈沖調(diào)制電路中，設(shè)參考電容為固定值 C1，溢出管上的電容為可變電容 C2，當(dāng)水沒有滿時(shí)，即溢出管電容和 C1 的電容值相等，根據(jù)計(jì)算公式可以知道電路輸出電壓為 0；當(dāng)水滿，有水從溢出管流出時(shí)，溢出管上的電容值就會(huì)改變，根據(jù)計(jì)算公式可以得出輸出的直流電壓與傳感器兩電容差值成正比，因此，根據(jù)電壓的改變可以 判斷出是否有水溢出，進(jìn)而得到太陽能熱水器上水已滿的結(jié)論。 在反向器后面接入 4 個(gè)發(fā)光二極管顯示電路，當(dāng)有水沒過水位電阻的時(shí)候，經(jīng)CD4069 反向輸出高電平驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管點(diǎn)亮，就可以顯示所到水位。用膠將其固定好，然后將管外銅絲用導(dǎo)線焊接，接到右邊的電路中。 測量電路 圖 水位傳感器測量電路 如圖 所示為自制式電阻式水位傳感器測量電路， R2 和 LED 構(gòu)成電源上水指示，在通電電磁閥打開上水的時(shí)候指示燈亮，表示電源接通，電磁閥打開正在上水；指示燈滅，表示水滿，電磁閥關(guān)閉，電路失電，上水結(jié)束。由于電路所用電壓為 12V 左右，所以選擇了電壓范圍較寬的 CMOS 系列 CD4011，而不選用 74LS00。最后 ，我和指導(dǎo) 老師研究決定使用自己制作電阻式傳感器做成上水控制電路 的方案 。 我們 在 7812 后面接 上一個(gè) 7805 進(jìn)行 5V 直流電壓的穩(wěn)壓輸出 ， 為單片機(jī)AT89C5 數(shù)字時(shí)鐘 DS1302 和報(bào)警電路 進(jìn)行供電。 按圖 接好電路， 打開電源， 觀察電源指示燈是否點(diǎn)亮， 用示波器接至傳感器測量電路的輸出端，觀察有水和無水狀態(tài)下電平輸出是否正確。這樣就能夠保證電磁閥的正常打開，系統(tǒng)穩(wěn)定正常的工作。經(jīng)過調(diào)試，變換器部分的電路工作穩(wěn)定，達(dá)到了任務(wù)書規(guī)定的要