【正文】 不但可以很好的實現(xiàn)對時間、 溫度和水位所有系統(tǒng)參數(shù)實時顯示和控制，還可以根據(jù)用戶需要自行實現(xiàn)時間、溫度的設定以及控制等強大功能。目前，太陽能熱水器是我們已知的最為常見，最為成熟的一種成熟型產品，他有著十分廣闊的市場前景和巨大的經濟效益， 現(xiàn)在已經得到了十分迅的推廣以及應用，太陽能熱水器所必須的熱能，為我們使用，方便快捷。 現(xiàn)在市場上用的電熱型熱水器雖然也應用很廣但是應為費用比較昂貴以及他在安全性的局限性遠無法和我們綠色低碳的太陽能熱水器比。因為太陽能熱水器并沒有上述缺點，他是綠色低碳環(huán)保型產品。在由于光照條件不足的情況下用電加熱它在無光照的情況下利用電輔助加熱。這就很好內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 2 的解決了現(xiàn)有市場熱水器的一些尷尬問題，方便了人們的日常生活。 隨著我們現(xiàn)在經濟以及科技的發(fā)張能源問題已經日益嚴重，目前我們擁有的傳統(tǒng)能源的儲量在迅速的減少，而且這一趨勢還將日益嚴重，這就迫使我們盡量開發(fā)新能源，而太陽能毫無疑問是一個絕佳的選擇，太陽能以其種種優(yōu)勢今后必將成為我們的主要能源。 相比較而言，在現(xiàn)有的太陽能技術的利用中，太陽能熱水器已經是最為成熟并且已經得到普遍推廣使用的成熟型技術。 我們國家很早就已經開始發(fā)展與推廣太陽能熱水器了，而且也取得了很好的成績，現(xiàn)在我國已經是全球從推廣、應用等最為成熟的國家。 我們擁有自己的學術中心，有我們自己的發(fā)展技術中心，可以說我們已經形成了一個體系，一個逐步完善與壯大的太陽能發(fā)展利用的體系。我們并不能放松，還需要繼續(xù)加大力度。該控制系統(tǒng)還能夠根據(jù)當?shù)貙嶋H的太陽光照條件利用輔助加熱器即我們通常的電加熱器來使蓄水箱里面的水可以達到用戶預先設定好的設定溫度，這樣就可以實現(xiàn)全天候不間斷的 24 小時熱水供應 。 圖 21 系統(tǒng)硬件結構框圖 關于 Proteus Proteus 這款軟件 是 由 英國 Labcenter electronics 公司出版的 一款 EDA 工具軟件 （該軟件 中國 總代理為廣州風標電子技術有限公司）。它 可以說 是目前 在單片機及其外圍器件的仿真工具中是最為方便快捷，MCS51 單片機 水箱 電源 鍵盤輸入 輔助加熱 LED 顯示 報警提示 溫度傳感器 電磁閥 液位傳感器 手動排水 手動上水 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 4 而且功能強大 的仿真 軟件 。 他之所以如此廣受好評與歡迎與其自身的強大功能密不可分。它的 處理器模型 可以說是 支持 目前市場上幾乎所有常見的那些單片機。 Proteus 軟件具有 原理布圖、 PCB 自動或人工布線及 SPICE 仿真這些 其它 EDA 工具軟件（例： multisim）的功能。在 配合 系統(tǒng)自身配置 的虛擬邏輯分析儀、示波器等， Proteus 就 建立了 一個十分完善 的 功能強大的 電子 產品的 設計 與 開發(fā) 的 環(huán)境。 （ 2） 完善的電路仿真功能（ Prospice） ProSPICE 混合仿真 ； 超過 27000 個仿真器件 還可以自行設計我們需要的仿真器件 ,Labcenter 也在不斷地發(fā)布 這各種 新的仿真器件， 他還可以導入 第三方發(fā)布的仿真器件 以供我們的方便使用 ； 多樣的激勵源 ； 各種 虛擬儀器： 有 13 種虛擬儀器，操作效果十分清晰逼真 ； 仿真顯示： 它的 引腳的數(shù)字電平 是用不同顏色的色點來顯示 ， 而且 導線以不同顏色 還可以 表示其對地電壓大小，結合 各種我們所需的 動態(tài)器內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 5 件（如電機、顯示器件、按鈕）的使用 那就使得我們的仿真效果更加清晰直觀 ； 高級圖形仿真功能（ ASF） ； （ 3）獨特的單片機協(xié)同仿真功能（ VSM） 支持主流的 CPU 類型 ， 而且 CPU 類型 將會 隨著 版的本升級繼續(xù)不斷的增加 ， 如即將支持 CORTEX、 DSP 處理器； 支持通用外設模型 ，其 COMPIM（ COM 口物理接口模型）還可以使仿真電路通過 PC 機串口和外部電路實現(xiàn)雙向 異步串行通訊 ； 實時仿真 ：支持幾乎所有的主流仿真 ； 編譯及 其 調試： 支持單片機 中最為原始普遍的 匯編語言仿真， 其 內 部本身就 帶有 8051 等 的匯編編譯器， 還 可以與 我們熟悉的 IAR， KEIL 其他 第三方集成編譯環(huán)境（如 IAR、 Keil 和 Hitech） 相互結合 ，進行高級語言 像 C 語言， C++等 的源碼級仿真 以及 調試 的工作 ； （ 4）實用的 PCB 設計平臺 原理圖到 PCB 的快速通道： 當我們把自己的 原理圖設計 好 后， 我們非常方便的就可以 一鍵可進入 ARES 的 PCB 設計環(huán)境， 這樣我們就能夠完美的 實現(xiàn) 各個產品的概念及實際產品的設計 ； 強大的布線 功能： 無需我們自己動手不僅支持自動布局還支持器件自動布線 ；支持 各個不同引腳之間的交換或者不同門之間的交換，這樣就使的 PCB 的設計更加的合理更清晰 ； PCB 設計功能： 最多可設 計 16 個銅箔層， 2 個絲印層， 4 個機械層（含板邊），靈活的布線策略供用戶設置，自動設計規(guī)則檢查， 3D 可視化預覽； 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 6 Proteus 有著豐富的資源： 1． Proteus 給我們 提供 了的元器件資源十分豐富，有超過三十個可供我們選擇的元件庫，除此之外更有遠超過幾千種的豐富元件來支持我們設計中 的 不同選擇數(shù)字模擬，交流直流可謂是應有盡有，給我們的設計帶來了極大的方便 。 我們實現(xiàn)了同一儀器可以方便的在同一電路中隨便的移動調換使用 。 所有 這些虛擬儀器儀表 都很完美的 具有 了我們 理想的參數(shù)指標，例如極高的輸入阻抗、極低 的輸出阻抗。 4． Proteus 可提供的調試手段 Proteus 在電路的信號測試中擁有這非常豐富的測試信號 。 電路仿真 在 PROTEUS 繪制好原理圖后，調入已編譯好的目標代碼文件： *.HEX， 我們可以在 PROTEUS 的原理圖中 非常直觀的 看到 我們所 模擬 出的那些實際物體的 運行狀態(tài)和過程。 PROTEUS 不 但把一些非?？菰餆o聊的單片機實例改變的非常形象，而且還把內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 7 許多 實力運行的過程更加直觀的呈現(xiàn)在我們面前，是我們更加容易接受。 他雖然提供很多新的東西但是 它的元器件 包括它的 連接線路等卻和 我們以前常見的 傳統(tǒng) 意義 的單片機實驗硬件 還能狗非常好的一一 對應。 我們現(xiàn)在的學生為了在將來很好的走向就業(yè)，我們就要提高我們的實際動手能力， 課程設計 或者是 畢業(yè)設計 這就是我們 提高我們實際能力的一個十分重要平臺或者是環(huán)節(jié)。 現(xiàn)今科學技術發(fā)展十分迅猛 ， 我們改變很多與以往不同的想法，以便能更好的利用科技進步所帶來的便捷， “計算機仿真技術 ”或許以前我們并不熟悉，但是在今天他或許已經是我們必不可少的做產品開發(fā)設計的一個強大工具 。這樣就最大限度的縮短了我們的設計時間，提高了效率，同時也降低了過程中的損耗，甚至很大 程度的降低了我們設計中或制造中的風險。 基本操作 選擇元件： P 按鈕 選擇要使用的元件 在 Pick Device 窗口雙擊相應元件名稱，即可將元件添加到主界面左側的列表中 放置元件到繪圖區(qū) 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 8 單擊列表中的元件，然后在右側的繪圖區(qū)單擊，即可將元件放置到繪圖區(qū)。 移動元件 右擊選中，然后用左鍵拖動。 刪除連線 同刪除元件 繪制電源和地 單擊工具欄上的左起第 8 個工具（ InterSheet Terminal），左側工具欄顯示TERMINALS，可在其中選擇 POWER 或 GROUND，像放置元件一樣放置到繪圖區(qū)。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 9 第三章 太陽能熱水器 控制系統(tǒng) 硬 件設計 在本章節(jié)中主要解決太陽能熱水器硬件各單元模塊的功能以及要用到的元件。 基于 AT89C51 單片機及其外圍電路單元 單片機系統(tǒng)由 AT89C51 和一定功能的外圍電路組成，包括為單片機提供復位的復位電路，提供單片機工作時所必須的時鐘信號的時鐘電路，如圖 31 所示。 復位電路極性電容 C3 的大小直接影響復位時間， 一般采用 10 至 30uF， 容值越大需要的復位時間越短， 在本設計中， 使用的是約為 12MH z 的石英晶體振蕩器，這時電容 C3 的大小選取 10uF,R1 和 R2 的大小分別是 200 和 和 1K，這樣就能進行可靠的上電復位和手動復位操作，時鐘是單片機運行的基礎，因此，時鐘的速度和穩(wěn)定性都直接影響單片機的工作。本設計我們采用其更為常見的內部振蕩方式，在其引腳 XTAL1 和引腳 XTAL2 之間外接一個晶振和微調電 C C2， 這樣 與 AT89C51 單片機本身自帶一個高增益的反相放大器就可以順利的一起來構成常見且很有用的自激振蕩器 ， 以此來產 生振蕩時鐘脈沖。晶振頻率的典型值為 6MHz、 12MHz 和 24MHz,，高可達到40MHz 。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 10 單片機是按照一定的時序為基 準來工作的，其基準就是時鐘的振蕩的頻率，所有操作都是以時鐘頻率的倍數(shù)為最小單位來進行的。機器周期是 CPU 完成一個基本操作所需要的時間。單片機以每 12 振蕩周期為一個機器周期，晶振頻率為 12MHz 時，機器周期為 12/12us=1us。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 11 圖 32 AT89c51 單片機外圍電路仿真圖 水位檢測和溫度檢測接口電路 熱水器都有一個蓄水箱，而我們要對其水位和溫度這兩個重要參數(shù)進行相關檢測和控制，這是這一設計的重點，我們只有能夠準確的檢測出這兩個參數(shù)才能對其進行相關控制，才能通過單片機的軟件部分計算什么時候需要進行輔助加熱。水位檢測部分的硬件連接如圖 33 所示。向水箱注水當水位高出非門 1 那個時候由于水的導電作用使得非門 1 的輸入探針導電這就使得，使其輸入端很容易的變?yōu)榱说碗娖?，所以自然而然其輸出端就變?yōu)榱烁唠娖剑? LED 就 點亮了，其他的都是一個道理就不一一舉例。 因為水 是有電阻的這就提醒我們所選的上拉電阻不可以太小，要足夠大，以保證在水位升高的過程中能把非門的輸入端絕對的上啦成為低電平。這部分電路單元在proteus 里的仿真圖如 34 所示。 如圖所示， 假設水位到達第一個水位段， 則開關 1 閉合， LED 1 亮，依此類推。蓄水箱溫度檢測電路采用 DS18B20 芯片使其換成脈沖信號， 與 P2. 0 相連送到 AT89C51 的 的 I/O 口，通過測量輸出脈沖頻率的大小來換算成水溫高低信號，其在 來換算成水溫高低信號，在 proteus 里的仿真圖如圖 35 所示。其結構圖如圖 36 所示。 在單片機里設定用內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 14 水時間及溫度 后， 由于各地日照時間不一樣， 因此預加熱時間通常是在用水時間前 1 小時通過單片機查詢得來， 預加熱時間到達后開啟輔助 加熱電路， 輔助加熱電路如圖37 所示， 其余部分時間都是有日照來使水溫上升的。在實際生活中，要保持干凈衛(wèi)生，太陽能熱水器里的水每隔一段時間是要定期換水，這一部分功能通過手動控制裝置來控制，就不與單片機相連增加其復雜度。 圖 37 輔助加熱電路圖 4X4 矩陣鍵盤設計 在我們常見的一些單片機系統(tǒng)中，如果所需要設定的按鍵數(shù)量比較多的時候，我們內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 15 就可以考慮矩陣式鍵盤，這種鍵盤通常也被稱作行列式鍵盤，這種鍵盤與那種獨立式按鍵鍵盤相比較能夠節(jié)省出很多的 I/0 口。 通常， 鍵盤的工作方式有三種， 即編程掃 描、 定時掃描和中斷掃描。 為能夠更好的提高CPU 的 工作效率，在本設計中我們選擇中斷掃描的這樣一種工作方式。 圖 38 中， 鍵盤的行線與 P1 口的低四位相連，鍵盤的列線與 P1 口的高四位相連，因此， ～ 是鍵輸出線， ～ 是掃描輸入線。 電路工作過程如下： 當鍵盤無鍵按下時， 與門各輸入端均為高電平， 保持輸出端為高電平； 當有鍵按下時， 輸出端為低電平， 向 CPU 申請中斷， 若 CPU 開放外部中斷， 則會響應中斷請求，轉去執(zhí)行鍵盤掃描子程序。 圖 38 AT89C51 P1 口構成的 4 4 中斷方式鍵盤 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書（畢業(yè)論文） 16 這部分電路在 proteus 里的仿真圖如圖 39 所示。 按鍵按下，那么和這個鍵相連的兩條行線、列線就會導通， 行線在沒 有任何鍵按下的時候是處于高電平的。 這時 CPU 就會 根據(jù)這一行電平的變化，來判定相應行的到底是否有鍵按下。 在“ 8” 號鍵按下時的整個工作過程， 當?shù)?0 列處于低電平時，第 2 行處于低電平，而第 2 列處于低電平時，第 2 行卻處于高電平，由此可判定按下的鍵應是第 2 行與第 0 列的交叉點， 即 8 號鍵。 E 定義為清除鍵。數(shù)碼管根據(jù)公共端不同，分為共陰極和共陽極兩種形式。