太陽能熱水器自動(dòng)上水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要

如何很好的節(jié)約和利用能源，特別是可持續(xù)能源，一直是人類所面臨的問題。所以研究智能化家庭住宅里的能源如何被更有效地節(jié)約和利用，也有著十分現(xiàn)實(shí)和長遠(yuǎn)的意義。而家用太陽能熱水器就是一個(gè)節(jié)約能源，有效利用能源的典型。

該太陽能熱水器智能控制系統(tǒng)主要是由ATC51單片機(jī)控制、DS18B20溫度傳感器、鍵盤、LED數(shù)碼管和報(bào)警系統(tǒng)五大部分組成。該系統(tǒng)能測(cè)量并顯示水溫、設(shè)置水溫的范圍，如果水溫不處于所設(shè)置水溫的范圍則報(bào)警。同時(shí)還能對(duì)水位進(jìn)行設(shè)置及加水，預(yù)先設(shè)置好需要加水的水位段數(shù)，單片機(jī)會(huì)根據(jù)這個(gè)數(shù)來進(jìn)行判別是否需要加水。通過Protues軟件仿真以上所述的功能都能正常實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞: 太陽能熱水器，傳感器，溫度控制，水位控制

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摘要

Solar energy water- heater auto last water control the system

design

Abstract

How good economize and make use of energy, especially can keep on energy, have been the problem that the mankind face.So study intelligence to turn how the home energy in the residence is be more availably economized and make use of, also have pretty much reality and farsighted meaning.But the household-use solar energy water- heater is an economy energy, effectively make use of the typical model of energy.

The solar energy water- heater intelligence controls system mainly from the AT C51 list slice the machine control, the DS18 B20 temperatureses spread a feeling machine, independent keyboard, LED figures tube and report to the police system five greatest parts to constitute.The system can measure and show water temperature and establish the scope of water temperature, if the water temperature doesn't is placed in to then report to the police the scope of establishing the water temperature.Can also carry on a constitution and fill with water to the water level at the same time, in advance establish to need to add the water level number of water so much, list slice the opportunity carry on if the discretion needs to fill with water according to this piece.It is normal to carry out to imitate through a Protues software really above the functions said all ability.

Keyword: solar energy water- heater, spread a feeling machine, temperature control, the water level controls

II

南京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)（設(shè)計(jì)）

目 錄

摘 要-------------------------------------------------------------Ⅰ Abstract ----------------------------------------------------------Ⅱ 第一章 緒 論 -----------------------------------------------------1 第二章 太陽能熱水器介紹 ----------------------------------------2

2.1太陽能熱水器的概述 -----------------------------------------2 2.2太陽能熱水器的分類 ------------------------------------------2 2.3我國太陽能熱水器的發(fā)展歷史 ----------------------------------3

第三章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) ---------------------------------------------4

3.1方案一-------------------------------------------------------4 3.2方案二-------------------------------------------------------4 3.3方案三-------------------------------------------------------4

第四章 硬件設(shè)計(jì)--------------------------------------------------6

4.1ATC51介紹 -------------------------------------------------6 4.2測(cè)溫電路設(shè)計(jì)-------------------------------------------------8 4.3水溫監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)----------------------------------------------11 4.4鍵盤電路設(shè)計(jì)------------------------------------------------12 4.5顯示電路設(shè)計(jì)------------------------------------------------17 4.6加熱和加水電路設(shè)計(jì)------------------------------------------19 4.7報(bào)警電路設(shè)計(jì)------------------------------------------------22 4.8電源電路設(shè)計(jì)------------------------------------------------22

第五章軟件設(shè)計(jì)----------------------------------------------------24

5.1程序設(shè)計(jì)分析------------------------------------------------24 5.2程序流程圖--------------------------------------------------24

第六章仿真及調(diào)試--------------------------------------------------25

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目錄

6.1程序翻譯----------------------------------------------------25

6.1.1KEIL C51介紹------------------------------------------25 6.1.2編譯過程----------------------------------------------25 6.2電路仿真----------------------------------------------------25

結(jié)語 ---------------------------------------------------------------27 參考文獻(xiàn)-----------------------------------------------------------28 致謝----------------------------------------------------------------29

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南京工業(yè)大學(xué)畢業(yè)（設(shè)計(jì)）

第一章 緒論

隨著全球人口和經(jīng)濟(jì)的不斷增長，能源使用帶來的環(huán)境問題及其誘因逐漸為人所認(rèn)識(shí)，“低碳經(jīng)濟(jì)”這一概念開始進(jìn)入人們的視野。人們?cè)诖罅Πl(fā)展太陽能產(chǎn)業(yè)。

能源問題將更為突出：（1）從長遠(yuǎn)來看，全球已探明石油儲(chǔ)量只能用到2020年，天然氣也只能延續(xù)到2040年左右，即使儲(chǔ)量豐富的煤炭資源也只能持續(xù)二三百年。（2）環(huán)境污染。（3）溫室效應(yīng)引起全球氣候變化。因此，人類在解決上述能源問題，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進(jìn)步，大規(guī)模開發(fā)利用可再生潔凈能源。

太陽能具有：（1）儲(chǔ)量的“無限性”。（2）太陽能對(duì)于地球上的絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。（3）開發(fā)利用時(shí)幾乎不產(chǎn)生任何污染。鑒于此，太陽能必將在世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換中擔(dān)綱重任，成為理想的替代能源。

在世界范圍內(nèi)，太陽能熱水器技術(shù)已經(jīng)很成熟，并已形成行業(yè)，正在以優(yōu)良的性能不斷的沖擊電熱水器市場(chǎng)和燃?xì)鉄崴魇袌?chǎng)。2000年太陽能熱水器取代47000套家用電熱水器；2000年日本太陽能熱水器的擁有量將翻一番；以色列更是明文規(guī)定，所有新建房屋必須配備太陽能熱水器。目前，我國是世界上太陽能熱水器生產(chǎn)量和銷售量最大的國家。

能源問題與安全問題是現(xiàn)代社會(huì)各界普遍關(guān)注的焦點(diǎn)之一。目前市場(chǎng)上存在三種樣式的熱水器：電熱水器、燃?xì)鉄崴骱吞柲軣崴?。近年來，在一氧化碳中毒事故中，由燃?xì)鉄崴髟斐傻募s占1/3；電熱水器的大規(guī)模用電，并不能給人們的正常生活帶來便利，作為后來者的太陽能熱水器，因其安全性好、節(jié)能、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，近幾年呈現(xiàn)出爆發(fā)式的發(fā)展趨勢(shì)。

選擇太陽能熱水器這個(gè)課題，可以讓我更好的認(rèn)知可持續(xù)發(fā)展問題，看清目前的能源現(xiàn)狀，以及各國在節(jié)能能源上的措施，在太陽能革新上運(yùn)用的新技術(shù)。此外，太陽能熱水器已經(jīng)走進(jìn)千家萬戶，控制系統(tǒng)是太陽能的核心，可以盡可能做到節(jié)能環(huán)保，作這樣一個(gè)設(shè)計(jì)，不僅可以考察自己大學(xué)四年的專業(yè)課的理論與動(dòng)手實(shí)踐能力，產(chǎn)品也具有一定的市場(chǎng)前景。

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第二章 太陽能熱水器介紹

第二章 太陽能熱水器介紹

2.1 太陽能熱水器的概述

太陽能熱水器把太陽光能轉(zhuǎn)化為熱能，將水從低溫度加熱到高溫度，以滿足人們?cè)谏睢⑸a(chǎn)中的熱水使用。太陽能熱水器是由全玻璃真空集熱管、儲(chǔ)水箱、支架及相關(guān)附件組成，把太陽能轉(zhuǎn)換成熱能主要依靠玻璃真空集熱管。集熱管受陽光照射面溫度高，集熱管背陽面溫度低，而管內(nèi)水便產(chǎn)生溫差反應(yīng)，利用熱水上浮冷水下沉的原理，使水產(chǎn)生微循環(huán)而達(dá)到所需熱水。

2.2 太陽能熱水器的分類

（1）從集熱部分來分：真空玻璃管太陽能熱水器：目前吸熱效率最高的集熱部分，優(yōu)點(diǎn)在于不需要在集熱部分在增加保溫層，而且現(xiàn)在的真空玻璃管無論在抗高溫，抗打擊和保溫上，性能都是一流的，也被絕大部分太陽能熱水器生產(chǎn)廠家所采用。其缺點(diǎn)在于體積比較龐大，管中容易集結(jié)水垢。

金屬平板太陽能熱水器：是在傳熱性能極佳的金屬片上，覆蓋上吸熱涂層，利用金屬的傳熱性，將吸收的熱量傳于水箱中。其有點(diǎn)是 外觀美觀，安裝方便，可以做成平板，而且不容易損壞。缺點(diǎn)在于：保溫要花很大的代價(jià)，成本高，間接的就是增加消費(fèi)者負(fù)擔(dān)。

（2）從結(jié)構(gòu)分：普通式太陽能熱水器：就是將真空玻璃管直接插入水箱中，利用加熱水的循環(huán)，使得水箱中的水溫升高，這是目前廠家都采用的。也是一只流行到現(xiàn)在的最常規(guī)的熱水器。一般改類熱水器只有頂層能用，除非頂層用戶和你樓下的關(guān)系特鐵，而且屋頂?shù)拿娣e是有限的。

分體式熱水器：分體式熱水器是為了解決不是頂層用戶也能使用太陽能熱水器而誕生的。分體式循環(huán)有2種，一種是靠水的自然循環(huán)，這種熱水器熱交換效率很低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用水要求；另一種是靠泵循環(huán)熱交換，這也是為了解決自然循環(huán)效率低的問題，使用泵循環(huán)，可以明顯改善水的熱交換。

（3）從水箱受壓來來分：承壓式太陽能熱水器：目前，無論是哪一種分體式熱水器，都有一個(gè)致命的缺點(diǎn)，必須使用承壓式水箱，這是所有分體式熱水器的

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基本思路，這就直接考驗(yàn)?zāi)愕募療岵糠值拿芊庑阅?；還有制造承壓水箱成本極高，也存在安全性問題，一般要求耐壓7個(gè)大氣；而且循環(huán)效果不是很理想。雖然解決了水的循環(huán)問題和使用水時(shí)的方便性。

非承壓式太陽能熱水器：目前裝在屋頂?shù)钠胀ㄌ柲軣崴鞫际菍儆诜浅袎菏綗崴?，它的水箱有一根管子與大氣相通，是利用屋頂和家里的高度落差，使用水時(shí)產(chǎn)生壓力。其安全性，成本，使用壽命都比承壓式要顯著得多。

2.3 我國太陽能熱水器發(fā)展歷史

我國自78年引進(jìn)全玻璃真空集熱管樣管以來，經(jīng)過20多年努力，攻克了熱壓封等許多技術(shù)難關(guān)，已經(jīng)建立了擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)代化全玻璃真空集熱管產(chǎn)業(yè)，用于生產(chǎn)集熱管的磁控濺射鍍膜機(jī)已有745臺(tái)，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到世界先進(jìn)水平，產(chǎn)量雄居世界首位。

1978年中國誕生第一臺(tái)太陽能熱水器，到1986年臥式磁控濺射鍍膜機(jī)的設(shè)計(jì)制造，是在扶持下的研究開發(fā)階段。

1987年，我國制造了第一支全玻璃真空集熱管。在之后的幾年里，全玻璃和熱管式真空管集熱器實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到中試水平，為下一階段產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化奠定了良好的基礎(chǔ)，成為產(chǎn)業(yè)的孕育發(fā)展階段。

1993年太陽能產(chǎn)業(yè)進(jìn)入初級(jí)發(fā)展階段：由于成果轉(zhuǎn)化需要很長一段時(shí)間的磨合，特別是受技術(shù)人員缺乏的影響，此階段的產(chǎn)品質(zhì)量有待于進(jìn)一步提高，整體來講，發(fā)展速度較為緩慢。這時(shí)候以山東力諾集團(tuán)為主的真空管生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品占了真空管生產(chǎn)絕大部分市場(chǎng)。

1997-2001年太陽能產(chǎn)業(yè)得到高速發(fā)展，逐漸形成北京、魯東、泰安、揚(yáng)州、海寧等5個(gè)產(chǎn)業(yè)基地，并以此向周圍不斷輻射，產(chǎn)能得以迅速提升。繼2004年，太陽雨將中國的真空管太陽能產(chǎn)品第一次帶出國門，到2008年上半年出口80個(gè)國家、銷量繼續(xù)以兩倍速增長，力諾瑞特、桑樂、皇明等中國太陽能光熱行業(yè)的龍頭企業(yè)們也紛紛進(jìn)軍國際市場(chǎng)。除這些龍頭企業(yè)外，以生長于常州和浙江一帶為代表的部分中小企業(yè)，也在循著早年“浙商”闖蕩世界的模式，攜真空管產(chǎn)品的獨(dú)有優(yōu)勢(shì)和他們慣有的的低價(jià)思維，早已經(jīng)“漂洋過?！?，在國際太陽能光熱市場(chǎng)上形成了一定的沖擊力；還有一些原來只專注于國內(nèi)市場(chǎng)的企業(yè)，也開始參加廣交會(huì)或不惜成本參加國外的一些專業(yè)性展會(huì)，以尋求在國際市場(chǎng)分得一杯羹。

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第三章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

第三章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1 方案一

系統(tǒng)溫度采集選用PTl000鉑電阻溫度傳感器，PT100是鉑熱電阻，阻值隨溫度變化而改變。PT后的100表示它在0℃時(shí)阻值為100歐姆，在100℃時(shí)它阻值約為138.5歐姆。工業(yè)原理：當(dāng)PT100在0℃的時(shí)候他的阻值為100歐姆，阻值會(huì)隨著溫度上升成勻速增漲。采集的電壓信號(hào)經(jīng)集成運(yùn)放LM324放大到2.O一5.0伏，轉(zhuǎn)換結(jié)果由單片機(jī)處理。水位檢測(cè)采用XYC-1型壓力水位變送器進(jìn)行液位值連續(xù)采集。XYC-1型壓力式液位變送器內(nèi)部采用進(jìn)口高精度擴(kuò)散硅敏感元件作為測(cè)量元件，敏感測(cè)量元件封裝在全不銹鋼探頭里，通過高強(qiáng)度防水通氣電纜與外部放大電路連接，采用直接驅(qū)動(dòng)四位七段數(shù)碼管顯示，通過式鍵盤進(jìn)行溫度和水位控制，通過軟件手段實(shí)現(xiàn)按鍵消抖。報(bào)警熱部分采用光電隔離與輔助加熱電路。

3.2 方案二

系統(tǒng)的溫度采集選用采用溫度傳感器DS18B20，它是美國Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20，它支持“一線總線”接口的溫度傳感器，全部傳感元件及轉(zhuǎn)化電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。我們可以采用DS18B20采集溫度，再進(jìn)行溫度數(shù)值轉(zhuǎn)化，再在顯示電路上顯示。

外圍電路只需通過DS18B20進(jìn)行接收溫度，一個(gè)顯示電路，一個(gè)報(bào)警電路。軟件部分只需要采集溫度，對(duì)溫度進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再用顯示電路將其顯示出來。很明顯，環(huán)境對(duì)DS18B20影響不是很大，同時(shí)DS18B20的測(cè)量精度穩(wěn)定并可用軟件設(shè)置，接線簡單，大大的為單片機(jī)節(jié)省了數(shù)據(jù)口。

3.3 方案比較

本設(shè)計(jì)主要是從溫度傳感器進(jìn)行考慮。傳統(tǒng)的測(cè)溫元件有熱電偶和熱電阻，但它們測(cè)出的一般都是電壓，再轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的溫度，需要較多的外部硬件，電路及軟件的調(diào)試較為復(fù)雜，制作難度高。

從以上兩種方案中，采用一種智能溫度傳感器DS18B20作為檢測(cè)元器件，測(cè)溫范圍-55℃~125℃，分辨率最大可達(dá)0.0625℃。DS18B20可以直接讀出被測(cè)溫度

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值。采用3線制與單片機(jī)相連，減少了外部硬件電路，具有低成本和易使用的特點(diǎn)。

容易看出采用方案二所設(shè)計(jì)的電路相對(duì)來說較為簡單，

本設(shè)計(jì)對(duì)水位檢測(cè)要求不高，只須知道大概水位就可以了，因此從功能、材料、價(jià)格多方面考慮，只需用水位傳感器檢測(cè)出水位段即可。

綜上所述，最終決定采用方案二作為設(shè)計(jì)方案。

本設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)可由主控制器（ATC51）、顯示電路、測(cè)溫器件（DS18B20）、抽水電動(dòng)機(jī)、發(fā)光二極管報(bào)警、按鍵、水位顯示組成?？傮w結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示：

圖3.1 總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖

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第四章 硬件設(shè)計(jì)

第四章 硬件設(shè)計(jì)

4.1 ATC51介紹

ATC51是帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（EPEROM）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器（俗稱單片機(jī)）。該單片機(jī)與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51型機(jī)的指令集和輸出引腳兼容。ATC51將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，為很多嵌入式控制提供了靈活性高且價(jià)格低廉的方案。

ATC51的主要特性如下： （1）壽命達(dá)1000寫/擦循環(huán)； （2）數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年； （3）全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz； （4）三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定； （5）128 * 8位內(nèi)部RAM； （6）32可編程I/O線； （7）2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器； （8）5個(gè)中斷源； （9）可編程串行通道； （10）低功耗閑置和掉電模式； （11）片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路；

4.2 測(cè)溫電路設(shè)計(jì)

（1）DS18B20的引腳圖及方框圖

DS18B20的外形及管腳排列圖如下圖4.2所示。 ①GND 地信號(hào)。

②DQ 數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。用在寄生電源下，可向器件提供電源。 ③VDD 可選擇的VDD引腳。當(dāng)工作于寄生電源時(shí)，此引腳必須接地。

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圖4.2 DS18B20外形及引腳排列

DS18B20的方框圖如圖4.3所示:

圖4.3 DS18B20方框圖

（2）DS18B20主要性能和功能特性描述 1）DS18B20主要性能

①獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。

②測(cè)溫范圍 －55℃～＋125℃，固有測(cè)溫分辨率0.5℃。

③支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián)8個(gè)，如果數(shù)量過多，會(huì)使供電電源電壓過低，從而造成信號(hào)傳輸?shù)牟环€(wěn)定，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫。 ④工作電源: 3-5V/DC。

⑤在使用中不需要任何外圍元件。

⑥測(cè)量結(jié)果以9-12位數(shù)字量方式串行傳送。

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第四章 硬件設(shè)計(jì)

⑦不銹鋼保護(hù)管直徑Φ6。

⑧用于DN15-25，DN40-DN250各種介質(zhì)工業(yè)管道、小空間設(shè)備測(cè)溫。 ⑨標(biāo)準(zhǔn)安裝螺紋M10X1，M12X1.5，G1/2任選。

⑩PVC電纜直接出線或德式球型接線盒出線，便于與其它設(shè)備連接。 2）DS18B20功能特性描述

DS18B20溫度傳感器內(nèi)部存儲(chǔ)器還包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性可電擦除的EERAM。高速暫存RAM結(jié)構(gòu)為9字節(jié)存儲(chǔ)器，結(jié)構(gòu)如表4.1所示。頭2個(gè)字節(jié)包含測(cè)得溫度信息，第3、4字節(jié)TH和TL的拷貝，是易失的，每次上電復(fù)位時(shí)被刷新。高速暫存RAM的第6、7、8字節(jié)保留未用，表現(xiàn)為全邏輯第9字節(jié)讀出前面所有8字節(jié)CRC碼，可用來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而保證通信數(shù)據(jù)的正確性。第5字節(jié)為配置寄存器，它的內(nèi)容用于確定溫度值的數(shù)字轉(zhuǎn)換分辨率。DS18B20工作時(shí)寄存器中的分辨率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)精度的溫度數(shù)值。該字節(jié)各位的定義如表4.2所示。低5位都為1，TM是工作模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測(cè)試模式，DS18B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶可改動(dòng)，R1和R0決定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置分辨率。如表4.3所示:

表4.1 高速暫存RAM

字節(jié)數(shù) 存儲(chǔ)信息

1

溫度LSB

2

溫度MSB

3

TH用戶字節(jié)1

4

TL用戶字節(jié)2

5

配置寄存器

6

保留

7

保留

8

保留

9

CRC

表4.2 第5寄存器

R1 0 0 1 1 TM

R1

R0 0 1 0 1 R0

分辨率/位

9 10 11 12

表4.3 DS18B20溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間表

1

1

1

1

1

溫度最大轉(zhuǎn)向時(shí)間/ms

93.75 187.5 375 750

8

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由表4.2、4.3可見，DS18B20分辨率越高，所需要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間越長。當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后，溫度值就以16位帶符號(hào)的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的第1、2字節(jié)。單片機(jī)可以通過單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時(shí)低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625℃／LSB形式表示。DS18B20中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以12位轉(zhuǎn)化為例。其中S為符號(hào)位。DS18B20的溫度值格式如表4.4所示：

表4.4 DS18B20溫度值格式表

LSByte MSByte

Bit7 Bit15 S

Bit6

Bit5

Bit4

Bit3

Bit2

Bit1

Bit0

23

22

Bit14 S

21

Bit13 S

20

Bit12 S

2?1

Bit11 S

2?2

Bit10

2?3

Bit9

2?4

Bit8

26 25 24

當(dāng)符號(hào)位S＝0時(shí)，表示測(cè)得的溫度值為正值，可以直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)符號(hào)位S＝1時(shí)，表示測(cè)得的溫度值為負(fù)值。表4.5是部分溫度值對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制度數(shù)據(jù)。

表4.5 部分溫度對(duì)應(yīng)值表

溫度℃ +125 +85 +25.0625 +10.125 +0.5 0 -0.5 -10.125 -25.025

二進(jìn)制表示 0000011111010000 0000010101010000 0000000110010000 0000000010100001 0000000000000010 0000000000001000 1111111111110000 1111111101011110 1111111001101111

十六進(jìn)制表示

07D0H 0550H 0191H 00A2H 0008H 0000H FFF8H FF5EH FE6FH

3）DS18B20供電方式

①DS18B20寄生電源供電方式電路

DS18B20寄生電源供電電路，如圖4.4所示，要想使DS18B20進(jìn)行精確的溫度轉(zhuǎn)換，I/O線必須保證在溫度轉(zhuǎn)換期間提供足夠的能量，由于每個(gè)DS18B20在溫度轉(zhuǎn)換期間工作電流達(dá)到1mA，當(dāng)幾個(gè)溫度傳感器掛在同一根I/O線上進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫時(shí)，靠上拉電阻是無法提供足夠的能量，會(huì)造成無法轉(zhuǎn)換溫度或溫度誤差極大。因此，只適用于單一溫度傳感器測(cè)溫，也不宜采

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第四章 硬件設(shè)計(jì)

用電池供電系統(tǒng)，并且電源電壓必須保證是5V。當(dāng)電源電壓下降時(shí)，會(huì)使測(cè)量的誤差變大。

圖4.4 DS18B20 寄生電源供電電路

②DS18B20的外部電源供電方式

DS18B20外部供電有單點(diǎn)測(cè)溫電路和多點(diǎn)測(cè)溫電路，單點(diǎn)測(cè)溫電路如圖4.5所示。此時(shí)I/O線不需要強(qiáng)上拉電壓，同時(shí)在總線上可以掛接多個(gè)DS18B20傳感器，組成多點(diǎn)測(cè)溫系統(tǒng)。但要注意在外部供電的方式下DS18B20的GND引腳不能懸空，否則讀取的溫度總是85℃。

圖4.5 DS18B20 外部供電單點(diǎn)測(cè)溫電路

比較上述兩種供電方式后認(rèn)為外部電源供電方式對(duì)電源要求比電源供電方式優(yōu)越些且穩(wěn)定性好，由于是家用，溫度精度不需太過精準(zhǔn)，故在此設(shè)計(jì)中采用外部電源供電方式供電單點(diǎn)測(cè)溫電路。

（3）測(cè)溫電路的總成

DS18B20是智能溫度傳感器，它的輸入/輸出采用數(shù)字量，以單總線技術(shù)，接收主機(jī)發(fā)送的命令，根據(jù)DS18B20內(nèi)部的協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)的處理，將轉(zhuǎn)換的溫度以串口發(fā)送給主機(jī)。主機(jī)按照通信協(xié)議用一個(gè)IO口模擬DS18B20的時(shí)序，發(fā)送命令（初始化命令、ROM命令、功能命令）給DS18B20，并讀取溫度值，在內(nèi)部進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值處理，用圖形液晶模塊顯示各點(diǎn)的溫度。當(dāng)某點(diǎn)溫度

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超過設(shè)置值時(shí)，報(bào)警器開始報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)各點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。如圖4.6所示：

圖4.6 測(cè)溫電路的設(shè)計(jì)

4.3水位監(jiān)測(cè)電路設(shè)計(jì)

水位控制器是指通過機(jī)械式或電子式的方法來進(jìn)行高低水位的控制，可以控制電磁閥、水泵等，成為水位自動(dòng)控制器或水位報(bào)警器，從而來實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化或者全自動(dòng)化，方法有多種，根據(jù)選用不同的產(chǎn)品而不同。

下面對(duì)電子式水位開關(guān)和浮球開關(guān)加以介紹。

電子式水位開關(guān)原理是通過電子探頭對(duì)水位檢測(cè)，再由水位檢測(cè)專用芯片對(duì)檢測(cè)到信號(hào)進(jìn)行處理,當(dāng)被測(cè)液體到達(dá)動(dòng)作點(diǎn)時(shí)，芯片輸出高或低電平信號(hào)，再配合水位控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)液位控制。不需浮球和干簧管,外部無機(jī)械動(dòng)作,耐污耐用,不怕漂浮物影響，任意角度安裝,豎向安裝有一定防波浪功能，適宜長時(shí)間浸在水中,工作電壓是直流5-24V，很安全。這種方式較實(shí)用，耐污，壽命長，安全。

浮球控制開關(guān)基本上有兩種方式：一種是浮球開關(guān)帶著一個(gè)大的金屬球，浸在水中時(shí)浮力大，可以控制兩個(gè)水位，比如水滿了，浮球因?yàn)楦×Χ仙?，帶?dòng)球閥運(yùn)動(dòng)，使閥門關(guān)閉，停止進(jìn)水，當(dāng)水少了，浮球下降，閥門打開，又再進(jìn)水，如此循環(huán)。這種方式較多應(yīng)用在煮開水器和衛(wèi)生間的沖水器上。

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第四章 硬件設(shè)計(jì)

還有一種是帶干簧管的微型浮球開關(guān)，由外面帶有磁性小浮球使桿里面的干簧管閉合，從而控制水位，多數(shù)應(yīng)用在清水的水位控制，一般十幾塊錢就有交易了，但易受污物影響，不適用在污水上。第二種是電纜式浮球開關(guān)，該裝置通過一彈性電線與水泵連接，可用于水塔、水池水位高低的自動(dòng)控制和缺水保護(hù)，允許接的用電器是220V，10A左右，平衡錘或彈性電線的某一固定點(diǎn)到浮筒間的電線長度，決定水位的高低。這種水位開關(guān)價(jià)格便宜，對(duì)于一些要求不太嚴(yán)格的場(chǎng)合適用，有一定耐污能力。但存在這樣的問題：浮球易受外界雜物影響其穩(wěn)定性，特別是纖維狀的雜物纏繞而有失誤，同一小水箱里不宜使用多個(gè)，否則會(huì)相纏繞。使用壽命相對(duì)短些，而且多數(shù)直接接220V，存在一定的安全隱患，終有一天因?yàn)殡娋€破損而漏電電人。所以電纜式浮球開關(guān)一般有這樣的警告：電源線是本裝置的完整部分，一經(jīng)發(fā)現(xiàn)電線受損，本裝置應(yīng)被替換，不準(zhǔn)對(duì)電線進(jìn)行修理。

綜上所述，由于是家用熱水器，對(duì)水位控制不要求那么精確，因此決定采用浮球控制開關(guān)。在此設(shè)計(jì)中有兩個(gè)水位段，分別是低水位、高水位。其中水位的檢測(cè)是通過兩個(gè)單刀單擲開關(guān)的閉合得知的并且同時(shí)用兩個(gè)數(shù)碼管表示出來，其結(jié)構(gòu)簡單明了，如圖4.7所示：

圖4.7 水位監(jiān)測(cè)電路的設(shè)計(jì)

4.4 鍵盤電路設(shè)計(jì)

鍵盤是若干個(gè)按鍵的集合，它是單片機(jī)系統(tǒng)中極常見的輸入設(shè)備。

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（1）鍵盤分類

鍵盤可以分為非編碼（式）鍵盤和編碼（矩陣式）鍵盤。 ①矩陣式按鍵

單片機(jī)系統(tǒng)中，若使按鍵較多時(shí)，通常采用矩陣式（也稱行列式）鍵盤。矩陣式鍵盤由行線和列線組成，按鍵位于行、列線的交叉點(diǎn)上。

矩陣式鍵盤中，行、列線分別連接到按鍵開關(guān)兩端，行線通過上拉電阻接到＋5V上。當(dāng)無鍵按下時(shí)，行線處于高電平狀態(tài)；當(dāng)有鍵按下時(shí)，行、列線將導(dǎo)通，此時(shí)行線電平將由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。這是識(shí)別按鍵是否按下關(guān)鍵。然而，矩陣鍵盤中的行線、列線和多個(gè)鍵相連，各按鍵按下與否均影響該鍵所在行線和列線的電平，各按鍵間將相互影響，因此，必須將行線、列線信號(hào)配合起來作適當(dāng)處理，才能確定閉合鍵的位置。

②式按鍵

單片機(jī)控制系統(tǒng)中，往往只需要幾個(gè)功能鍵，此時(shí)，可采用式按鍵結(jié)構(gòu)。

式按鍵是直接用I/O口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路，其特點(diǎn)是每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根I/O 口線，每個(gè)按鍵的工作不會(huì)影響其它I/O口線的狀態(tài)。

式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但每個(gè)按鍵必須占用一根I/O口線，因此，在按鍵較多時(shí)，I/O口線浪費(fèi)較大，不宜采用。式按鍵軟件常采用查詢式結(jié)構(gòu)。先逐位查詢每根I/O口線的輸入狀態(tài)，如某一根I/O口線輸入為低電平，則可確認(rèn)該I/O口線所對(duì)應(yīng)的按鍵已按下，然后，再轉(zhuǎn)向該鍵的功能處理程序。本設(shè)計(jì)所用到的按鍵極少，故采用式鍵盤。

（2）鍵盤控制程序

鍵盤控制程序應(yīng)具備以下功能：

①檢測(cè)有無按鍵按下，并采取硬件或軟件措施，消除鍵盤按鍵機(jī)械觸點(diǎn)抖動(dòng)的影響。

②有可靠的邏輯處理辦法。每次只處理一個(gè)按鍵，其間對(duì)任何按鍵的操作對(duì)系統(tǒng)不產(chǎn)生影響，且無論一次按鍵時(shí)間有多長，系統(tǒng)僅執(zhí)行一次按鍵功能程序。

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第四章 硬件設(shè)計(jì)

③準(zhǔn)確輸出按鍵值（或鍵號(hào)），以滿足跳轉(zhuǎn)指令要求。機(jī)械式按鍵再按

下或釋放時(shí)，由于機(jī)械彈性作用的影響，通常伴隨有一定時(shí)間的觸點(diǎn)機(jī)械 抖動(dòng)，然后其觸點(diǎn)才穩(wěn)定下來。抖動(dòng)時(shí)間的長短與開關(guān)的機(jī)械特性有關(guān)，一般為5—10ms。

在觸點(diǎn)抖動(dòng)期間檢測(cè)按鍵的通與斷狀態(tài)，可能導(dǎo)致判斷出錯(cuò)。即按鍵一次按下或釋放被錯(cuò)誤地認(rèn)為是多次操作，這種情況是不允許出現(xiàn)的。為了克服按鍵觸點(diǎn)機(jī)械抖動(dòng)所致的檢測(cè)誤判，必須采取去抖動(dòng)措施，可從硬件、軟件兩方面予以考慮。在鍵數(shù)較少時(shí)，可采用硬件去抖，而當(dāng)鍵數(shù)較多時(shí)，采用軟件去抖。

（3）按鍵消抖

通常按鍵所用開關(guān)為機(jī)械彈性開關(guān)，當(dāng)機(jī)械觸點(diǎn)斷開、閉合時(shí)，電壓信號(hào)小型如下圖。由于機(jī)械觸點(diǎn)彈性作用，一個(gè)按鍵開關(guān)在閉合時(shí)不會(huì)馬上穩(wěn)定接通，在斷開時(shí)也不會(huì)一下斷開。因而在閉合及斷開瞬間均伴隨有一連串抖動(dòng)，如下圖。抖動(dòng)時(shí)間的長短由按鍵的機(jī)械特性決定，一般為5ms～10ms。這是一個(gè)很重要的時(shí)間參數(shù)，在很多場(chǎng)合都要用到。按鍵抖動(dòng)如如圖4.8所示：

圖4.8 按鍵抖動(dòng)

按鍵穩(wěn)定閉合時(shí)間的長短則是由操作人員的按鍵動(dòng)作決定的，一般為零點(diǎn)幾秒至數(shù)秒。鍵抖動(dòng)會(huì)引起一次按鍵被誤讀多次。為確保CPU對(duì)鍵的一次閉合僅作一次處理，必須去除鍵抖動(dòng)。在鍵閉合穩(wěn)定時(shí)讀取鍵的狀態(tài)，并且必須判別到鍵釋放穩(wěn)定后再作處理。按鍵的抖動(dòng)，可用硬件或軟件兩種方法。由于本次設(shè)計(jì)按鍵極少，所以采用硬件消抖。

在鍵數(shù)較少時(shí)可用硬件方法消除鍵抖動(dòng)。圖4.9所示的RS觸發(fā)器為常用的硬件去抖。

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圖中兩個(gè)“與非”門構(gòu)成一個(gè)RS觸發(fā)器。當(dāng)按鍵未按下時(shí)，輸出為1;當(dāng)鍵按下時(shí)，輸出為0。此時(shí)即使用按鍵的機(jī)械性能，使按鍵因彈性抖動(dòng)而產(chǎn)生瞬時(shí)斷開（抖動(dòng)跳開B），中要按鍵不返回原始狀態(tài)A，雙穩(wěn)態(tài)電路的狀態(tài)不改變，輸出保持為0，不會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)的波形。也就是說，即使B點(diǎn)的電壓波形是抖動(dòng)的，但經(jīng)雙穩(wěn)態(tài)電路之后，其輸出為正規(guī)的矩形波。這一點(diǎn)通過分析RS觸發(fā)器的工作過程很容易得到驗(yàn)證。

在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，鍵盤掃描只是CPU的工作內(nèi)容之一。CPU對(duì)鍵盤的響應(yīng)取決于鍵盤的工作方式，鍵盤的工作方式應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中CPU的工作狀況而定，其選取的原則是既要保證CPU能及時(shí)響應(yīng)按鍵操作，又不要過多占用CPU的工作時(shí)間。通常，鍵盤的工作方式有三種，即編程掃描、定時(shí)掃描和中斷掃描。

1）編程掃描方式

編程掃描方式是利用CPU完成其它工作的空余調(diào)用鍵盤掃描子程序來響應(yīng)鍵盤輸入的要求。在執(zhí)行鍵功能程序時(shí)，CPU不再響應(yīng)鍵輸入要求，直到CPU重新掃描鍵盤為止。

鍵盤掃描程序一般應(yīng)包括以下內(nèi)容： ①判別有無鍵按下。

②鍵盤掃描取得閉合鍵的行、列值。 ③用計(jì)算法或查表法得到鍵值。

④判斷閉合鍵是否釋放，如沒釋放則繼續(xù)等待。 ⑤將閉合鍵鍵號(hào)保存，同時(shí)轉(zhuǎn)去執(zhí)行該閉合鍵的功能。 2）定時(shí)掃描方式：

定時(shí)掃描方式就是每隔一段時(shí)間對(duì)鍵盤掃描一次，它利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生一定時(shí)間（例如10ms）的定時(shí)，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到就產(chǎn)生定時(shí)器溢出中斷，CPU響應(yīng)中斷后對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，并在有鍵按下時(shí)識(shí)別出該鍵，再執(zhí)行該鍵的功能程序。

3）中斷掃描方式

采用上述兩種鍵盤掃描方式時(shí)，無論是否按鍵，CPU都要定時(shí)掃描鍵盤，而單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作時(shí)，并非經(jīng)常需要鍵盤輸入，因此，CPU經(jīng)常處于空

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第四章 硬件設(shè)計(jì)

掃描狀態(tài)，為提高CPU工作效率，可采用中斷掃描工作方式。其工作過程如下：當(dāng)無鍵按下時(shí)，CPU處理自己的工作，當(dāng)有鍵按下時(shí)，產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，CPU轉(zhuǎn)去執(zhí)行鍵盤掃描子程序，并識(shí)別鍵號(hào)。

圖4.9 硬件消抖

利用電容的放電延時(shí)，采用并聯(lián)電容法，也可以實(shí)現(xiàn)硬件消抖。如圖4.10所示：

圖4.10 硬件消抖

（4）鍵盤電路總成

綜上所述，采用浮子式開關(guān)和硬件消抖電路設(shè)計(jì)出的鍵盤電路如圖4.11所示：

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圖4.11 鍵盤電路的設(shè)計(jì)

4.5 顯示電路設(shè)計(jì)

LED發(fā)光二極管，是一種固態(tài)的半導(dǎo)體器件，它可以直接把電轉(zhuǎn)化為光。LED的心臟是一個(gè)半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個(gè)支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個(gè)晶片被環(huán)氧樹脂封裝起來。半導(dǎo)體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導(dǎo)體，在它里面空穴占主導(dǎo)地位，另一端是N型半導(dǎo)體，在這邊主要是電子。但這兩種半導(dǎo)體連接起來的時(shí)候，它們之間就形成一個(gè)“P-N結(jié)”。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個(gè)晶片的時(shí)候，電子就會(huì)被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會(huì)以光子的形式發(fā)出能量，這就是LED發(fā)光的原理。而光的波長決定光的顏色，是由形成P-N結(jié)材料的禁帶寬度決定的。

LED顯示屏的發(fā)展可分為以下幾個(gè)階段：第一階段為1990年到1995年，主要是單色和16級(jí)雙色圖文屏。用于顯示文字和簡單圖片，主要用在車站、金融證券、銀行、郵局等公共場(chǎng)所，作為公共信息顯示工具。

第二階段是1995年到1999年，出現(xiàn)了級(jí)、256級(jí)灰度的雙基色視頻屏。視頻控制技術(shù)、圖像處理技術(shù)、光纖通信技術(shù)等的應(yīng)用將LED顯示屏提升到了一個(gè)新的臺(tái)階。LED顯示屏控制專用大規(guī)模集成電路芯片也在此時(shí)由國內(nèi)企業(yè)開發(fā)出來并得以應(yīng)用。

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第四章 硬件設(shè)計(jì)

第三階段從1999年開始，紅、純綠、純藍(lán)LED管大量涌入中國，同時(shí)國內(nèi)企業(yè)進(jìn)行了深入的研發(fā)工作，使用紅、綠、藍(lán)三原色LED生產(chǎn)的全彩色顯示屏被廣泛應(yīng)用，大量進(jìn)入體育場(chǎng)館、會(huì)展中心、廣場(chǎng)等公共場(chǎng)所，從而將國內(nèi)的大屏幕帶入全彩時(shí)代。

隨著LED原材料市場(chǎng)迅猛發(fā)展，表面貼裝器件從2001年面世，主要用在室內(nèi)全彩屏，并且以其亮度高、色彩鮮艷、溫度低的特性，可隨意調(diào)整的點(diǎn)間距，被不同價(jià)位需求者所接受，在短短兩年多時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)品銷售額已超過3億元，表面貼裝全彩色LED顯示屏應(yīng)用市場(chǎng)進(jìn)入新世紀(jì)。

目前，LED顯示屏的主要制造廠商集中在日本、北美等地，我國LED制造廠商出口的份額在其中微不足道。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，世界上目前至少有150家廠商生產(chǎn)全彩屏，其中產(chǎn)品齊全，規(guī)模較大的公司約有30家左右。

單片機(jī)中常用7段LED顯示數(shù)字，7段LED分共陰級(jí)和共陽極兩種，共陰級(jí)7段LED的原理圖和管腳配置圖如圖 4.12所示，共陽級(jí)7段LED的原理圖和管腳配置圖如圖4.13所示。實(shí)際中，各個(gè)型號(hào)的7段LED的管腳配置可能不會(huì)是一樣的，在實(shí)際應(yīng)用中要先測(cè)試一下各個(gè)管腳的配置，再進(jìn)行電路原理圖的設(shè)計(jì)。

圖4.12 共陰極數(shù)碼管 圖4.13 共陽極數(shù)碼管

LED的靜態(tài)顯示雖然有編程容易、管理簡單等優(yōu)點(diǎn)，但是靜態(tài)顯示所要占的 I/O口資源很多，所以在顯示的LED點(diǎn)較多的情況下，一般都采用動(dòng)態(tài)顯示方式。 在多位7段LED顯示中，為了簡化電路，降低成本，則將所有位的段選線并聯(lián)在一起，剛好由8個(gè)I/O口來控制8個(gè)段。而公共端（共陽極/共陰極）則分別由相應(yīng)的 I/O口控制，以實(shí)現(xiàn)各個(gè)位的分時(shí)選通。

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本設(shè)計(jì)中需要顯示預(yù)設(shè)溫度和實(shí)際溫度，故采用2個(gè)2位7段LED顯示，一個(gè)用于顯示預(yù)設(shè)溫度，另一個(gè)用于顯示實(shí)際溫度。這樣就便于形象直觀的表示出水溫來。

綜上所述，溫度顯示電路的設(shè)計(jì)如圖4.14所示。

圖4.14 顯示電路的設(shè)計(jì)

4.6加熱和加水電路的設(shè)計(jì)

工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中存在著許多不小的瞬變脈沖，這些瞬變脈沖會(huì)影響到數(shù)據(jù)的傳輸，甚至傷害互連的設(shè)備，為了能夠在高速現(xiàn)場(chǎng)總線通信得到無錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師必須要對(duì)這些干擾進(jìn)行處理，通常會(huì)使用具有絕緣隔離功能的光電耦合器來維持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性并保護(hù)互連設(shè)備。

光電隔離器亦稱光電耦合器、光耦合器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號(hào)。它對(duì)輸入、輸出電信號(hào)有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應(yīng)用。

光耦合器一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管，使之發(fā)出一定波長的光，被光探測(cè)器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出。這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號(hào)傳輸具有單向性等特點(diǎn)，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦

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第四章 硬件設(shè)計(jì)

合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強(qiáng)的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計(jì)算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時(shí)控制中作為信號(hào)隔離的接口器件，可以大大增加計(jì)算機(jī)工作的可靠性。

光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號(hào)單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號(hào)對(duì)輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無觸點(diǎn)，使用壽命長，傳輸效率高。光耦合器是70年代發(fā)展起來產(chǎn)新型器件，現(xiàn)已廣泛用于電氣絕緣、電平轉(zhuǎn)換、級(jí)間耦合、驅(qū)動(dòng)電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號(hào)隔離、級(jí)間隔離 、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸、脈沖放大、固態(tài)繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設(shè)備及微機(jī)接口中。在單片開關(guān)電源中，利用線性光耦合器可構(gòu)成光耦反饋電路，通過調(diào)節(jié)控制端電流來改變占空比，達(dá)到精密穩(wěn)壓目的。

光電隔離電路的作用是在電隔離的情況下，以光為煤介傳送信號(hào)，對(duì)輸入和輸出電路可以進(jìn)行隔離。因而能有效地抑制系統(tǒng)噪聲，消除接地回路的干擾，有響應(yīng)速度較快、壽命長、體積小耐沖擊等好處，使其在強(qiáng)-弱電接口，特別是在微機(jī)系統(tǒng)的前向和后向通道中獲得廣泛應(yīng)用。

光電耦合器如圖4.15所示，圖中1/2是紅外線發(fā)光管，4/5/6是光電三極管。

加水電路部分的主要思路是通過單片機(jī)的端口控制電磁閥的通斷從而控制流量以達(dá)到控制水位的目的。

電磁閥是用來控制流體方向自動(dòng)化基礎(chǔ)元件，屬于執(zhí)行器；通常用于機(jī)械控制和工業(yè)閥門上，對(duì)介質(zhì)方向進(jìn)行控制，從而達(dá)到對(duì)閥門開關(guān)的控制。

電磁閥工作原理：電磁閥里有密閉的腔，在不同位置開有通孔，每個(gè)孔都通向不同的，腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會(huì)被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動(dòng)來擋住或漏出不同的排油的孔，而進(jìn)油孔是常開的，液壓油就會(huì)進(jìn)入不同的排，然后通過油的壓力來推動(dòng)油缸的活塞，活塞又帶動(dòng)活塞桿，活塞桿帶動(dòng)機(jī)械裝置動(dòng)。這樣通過控制電磁鐵的電流通斷就控制了機(jī)械運(yùn)動(dòng)。

電磁閥從原理上分為三大類：

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（1）直動(dòng)式電磁閥

原理：通電時(shí)，電磁線圈產(chǎn)生電磁力把關(guān)閉件從閥座上提起，閥門打開；斷電時(shí)，電磁力消失，彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上，閥門關(guān)閉。

特點(diǎn)：在真空、負(fù)壓、零壓時(shí)能正常工作，但通徑一般不超過25mm。 （2）分步直動(dòng)式電磁閥

原理：它是一種直動(dòng)和先導(dǎo)式相結(jié)合的原理，當(dāng)入口與出口沒有壓差時(shí)，通電后，電磁力直接把先導(dǎo)小閥和主閥關(guān)閉件依次向上提起，閥門打開。當(dāng)入口與出口達(dá)到啟動(dòng)壓差時(shí)，通電后，電磁力先導(dǎo)小閥，主閥下腔壓力上升，上腔壓力下降，從而利用壓差把主閥向上推開；斷電時(shí)，先導(dǎo)閥利用彈簧力或介質(zhì)壓力推動(dòng)關(guān)閉件，向下移動(dòng)，使閥門關(guān)閉。

特點(diǎn)：在零壓差或真空、高壓時(shí)亦能工作，但功率較大，要求必須水平安裝。

（3）先導(dǎo)式電磁閥

原理：通電時(shí)，電磁力把先導(dǎo)孔打開，上腔室壓力迅速下降，在關(guān)閉件周圍形成上低下高的壓差，流體壓力推動(dòng)關(guān)閉件向上移動(dòng)，閥門打開；斷電時(shí)，彈簧力把先導(dǎo)孔關(guān)閉，入口壓力通過旁通孔迅速腔室在關(guān)閥件周圍形成下低上高的壓差，流體壓力推動(dòng)關(guān)閉件向下移動(dòng)，關(guān)閉閥門。

特點(diǎn)：流體壓力范圍上限較高，可任意安裝，但必須滿足流體壓差條件。 綜上所述，加熱和加水電路設(shè)計(jì)如圖4.15所示：

圖4.15 加熱和加水電路的設(shè)計(jì)

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第四章 硬件設(shè)計(jì)

4.7 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中由于是用于家用熱水器，考慮到成本問題，故采用發(fā)光二極管報(bào)警，相較蜂鳴器而言，既降低了成本，也使設(shè)計(jì)簡單化。

圖4.16中7407是六正向高壓緩沖器/驅(qū)動(dòng)器。它具有緩沖功能，同時(shí)也可以提高電流的驅(qū)動(dòng)能力。7407有兩種接法：（1）當(dāng)電路共陽接法時(shí)，7407主要起著緩沖的作用，就是緩沖單片機(jī)的承受能力，如果，沒有7407，那么單片機(jī)承受的電流能能力很小，那么的工作電流就受到了，亮度不夠亮，而加上7407就可以緩沖單片機(jī)的灌電流，從而，可以減小限流電阻的值，是流過二極管的電流增強(qiáng)，從而燈變的更亮。（2）當(dāng)電路共陰極接法時(shí)，即將電源變成接地，二極管反接過來，這是單片機(jī)上拉電流被7407放大，來驅(qū)動(dòng)燈。綜上所述，報(bào)警電路如圖4.16所示：

圖4.16 報(bào)警電路圖

4.8 電源電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中除了市電AC220V外，均采用DC5V電源，因此只需要設(shè)計(jì)5V電源即可。該電路輸入家用220v交流電，經(jīng)過全橋整流，穩(wěn)壓后輸出穩(wěn)定的5v直流電。電源電路采用LM7805集成穩(wěn)壓器作為穩(wěn)壓器件，用典型接法，220V電源整流濾波后送入LM7805穩(wěn)壓，在輸出端接一個(gè)470U和0.1U電容進(jìn)一步濾除紋波，得到5V穩(wěn)壓電源。電路設(shè)計(jì)如圖4.17所示：

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圖4.17 5V直流電源設(shè)計(jì)

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第五章 軟件設(shè)計(jì)

第五章 軟件設(shè)計(jì)

5.1 程序設(shè)計(jì)分析

該太陽能熱水器的工作流程是：開機(jī)進(jìn)行溫度水溫設(shè)定，并在數(shù)碼管上進(jìn)行顯示，然后通過浮子式水位計(jì)采集的實(shí)際水位與設(shè)定水位進(jìn)行比較，如果水位較設(shè)定的水位低的話，進(jìn)行加水，如果水位超過高水位或過低水位，進(jìn)行水位的報(bào)警，接下來通過DS18B20采集到實(shí)際水溫和設(shè)定的水溫進(jìn)行比較，當(dāng)實(shí)際水溫小于設(shè)定的水溫的時(shí)候，進(jìn)行加熱，直至水溫達(dá)到設(shè)定值。

5.2 程序流程圖

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體流程圖如圖5.1所示：

開始 對(duì)LED進(jìn)行初始化 掃描鍵盤 執(zhí)行鍵盤操作 顯示溫度 NO 關(guān)閉電磁閥 水位是否低于預(yù)設(shè)值 YES 打開電磁閥 圖5.1 程序流程圖

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第六章 仿真及調(diào)試

6.1 程序編譯

單片機(jī)的開發(fā)除了需要硬件支持以外，同樣離不開軟件。CPU真正可執(zhí)行的是機(jī)器代碼，匯編語言或C語言等高級(jí)語言通過轉(zhuǎn)換成機(jī)器碼才能被執(zhí)行。本設(shè)計(jì)采用的是C語言在Keil軟件上編程，然后將源代碼轉(zhuǎn)換成機(jī)器碼，再與Protues仿真軟件上的電路圖相連接，從而實(shí)現(xiàn)太陽能熱水器智能控制的電路仿真。

本設(shè)計(jì)采用的是Keil C51來編譯程序。Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會(huì)更加深刻。

6.2 電路仿真

打開Proteus仿真軟件，在左邊方框欄找出所需要的元器件，然后按電路圖連接起來。需要修改參數(shù)的元器件，雙擊即可，在彈出的對(duì)話框中修改即可。最后雙擊單片機(jī)將上述編譯好的TYN.HEX文件導(dǎo)入單片機(jī)，然后運(yùn)行整個(gè)電路即可。

電路圖仿真圖見附錄A。 運(yùn)行步驟介紹：

接通電源溫度傳感器DS18B20開始工作，數(shù)碼管顯示出實(shí)際溫度，然后點(diǎn)擊按鍵設(shè)置預(yù)設(shè)溫度，便進(jìn)入設(shè)置水溫上限狀態(tài)，“+”“-”是設(shè)置值時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)調(diào)整的。當(dāng)水位較低時(shí)，控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而對(duì)其進(jìn)行加水。當(dāng)水溫持續(xù)增加，直到達(dá)到所預(yù)設(shè)溫度時(shí)，就停止對(duì)其加熱。若溫度超過了預(yù)設(shè)溫度時(shí)，則發(fā)光二極管發(fā)光報(bào)警。然后對(duì)電路進(jìn)行復(fù)位，以此循環(huán)運(yùn)行整個(gè)工作流程。將這些步驟循環(huán)進(jìn)行就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)太陽能熱水器智能控制了。

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第六章 仿真及調(diào)試

圖6.2 接通電源數(shù)碼管顯示溫度 圖6.3 預(yù)設(shè)溫度

圖6.4 溫度傳感器溫度 圖6.5 發(fā)光二極管報(bào)警

仿真結(jié)果：接通電源后，數(shù)碼管顯示溫度如圖6.2示；按以下設(shè)置鍵，進(jìn)入設(shè)置水溫上限狀態(tài)如圖6.3所示，并且通過“+”“-”來調(diào)整值的大小直到想設(shè)置的值為止。在仿真中，溫度傳感器所設(shè)置的溫度先是40℃，如圖6.4所示。可以點(diǎn)擊傳感器上的“+”“-”來改變溫度。當(dāng)需要加水時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。相反，不需要加水或水夠時(shí)，電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)。當(dāng)水位達(dá)到高水位時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光報(bào)警如圖6.5所示。通過一系列的檢測(cè)說明本系統(tǒng)可行。

仿真結(jié)果分析：在該設(shè)計(jì)中，由于種種原因，設(shè)計(jì)并沒有達(dá)到預(yù)期的要求。設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的一些錯(cuò)誤，導(dǎo)致設(shè)計(jì)沒能完美的表達(dá)出當(dāng)初設(shè)計(jì)該設(shè)計(jì)的初衷。設(shè)計(jì)原本需要達(dá)到的的是，接通電源后，數(shù)碼管顯示溫度傳感器的實(shí)際溫度，然后通過按鍵設(shè)置預(yù)設(shè)溫度。通過浮子開關(guān)來感應(yīng)水位，當(dāng)水位處于低水位時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并且加水，直到達(dá)到高水位時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，停止加水，發(fā)光二極管發(fā)光報(bào)警。然后加熱改變溫度傳感器溫度，使實(shí)際溫度達(dá)到預(yù)設(shè)溫度，然后停止加熱。若溫度超過預(yù)設(shè)溫度，則報(bào)警。以此便達(dá)到該設(shè)計(jì)的初衷。但是，設(shè)計(jì)并不如預(yù)期完美，在設(shè)計(jì)中水溫監(jiān)測(cè)部分，預(yù)設(shè)溫度可自由設(shè)置，然后加熱，經(jīng)溫度傳感器，通過數(shù)碼管顯示出實(shí)際溫度來。但是當(dāng)實(shí)際溫度超過預(yù)設(shè)溫度時(shí)，卻不報(bào)警。導(dǎo)致這種原因可能是程序在編寫的時(shí)候有錯(cuò)誤，也可能是電路圖中元器件的選擇出現(xiàn)了錯(cuò)，以至于出現(xiàn)這種情況。由于時(shí)間緊迫，無法完善該設(shè)計(jì)，是一次遺憾。

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結(jié)語

此次畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們從大學(xué)畢業(yè)生走向工作崗位的重要一步.從最初的選題,直至到完成設(shè)計(jì)期間查找資料,經(jīng)過老師的指導(dǎo),與同學(xué)的交流,反復(fù)修改,每一個(gè)過程都是對(duì)自己能力的一次檢查與充實(shí).

在劉大宇老師的精心指導(dǎo)下，我查閱了各種資料，最終順利的完成了該設(shè)計(jì)。經(jīng)過一個(gè)月的不懈努力，我終于的完成了在開題報(bào)告中原定的基本任務(wù)，我們?cè)趯?shí)際的設(shè)計(jì)過程中首先對(duì)課題進(jìn)行了系統(tǒng)的討論與論證，繼而對(duì)電路圖進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究，然后進(jìn)行元器件參數(shù)的修改與論證做到理論聯(lián)系實(shí)際。

電路滿足了我們基本設(shè)想的功能，當(dāng)電路接通電源時(shí)，主電路有相應(yīng)的電源指示燈點(diǎn)亮，指示電源正常。當(dāng)太陽能熱水器水箱缺水，電路指示燈能發(fā)出光亮，告知人們應(yīng)向水箱中送水，當(dāng)水箱中的水上升到需要的高度時(shí)，電路指示燈發(fā)出光亮，應(yīng)停止向水箱中送水。

太陽能熱水器的自動(dòng)送水裝置是非常有發(fā)展前途的，隨著人們生活水平的不斷提高，我相信太陽能熱水器的水位報(bào)警器一定會(huì)向著更加完美的智能化邁進(jìn)。

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南京工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

致 謝

兩個(gè)月的精心準(zhǔn)備，畢業(yè)設(shè)計(jì)終于到了劃句號(hào)的時(shí)候。畢業(yè)設(shè)計(jì)創(chuàng)作的過程并不輕松，壓力時(shí)常伴隨左右，知識(shí)的積累不夠，使我一次次埋頭于書本中，了解知識(shí)，然后應(yīng)用于本次設(shè)計(jì)中。第一次花費(fèi)如此長的時(shí)間和如此多的精力，完成一套設(shè)計(jì)作品，其中的艱辛與困難難以訴說，但曲終幕落后留下的滋味，是值得我一生慢慢品嘗的。在這里需要的感謝的人很多，是他們讓我有了一個(gè)全新的改變。

感謝我的指導(dǎo)老師劉玳煒劉大宇老師，能夠順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，離不開他的悉心指導(dǎo)，他對(duì)我的設(shè)計(jì)從確定題目、修改直到完成，給予了我許多的指點(diǎn)和幫助。在結(jié)尾階段總會(huì)遇到這樣那樣的問題，致使我經(jīng)常找老師詢問，他總是在繁忙的工作之余，擠出時(shí)間對(duì)設(shè)計(jì)提出精辟的修改意見。再次對(duì)所有關(guān)心、幫助我的人說一聲“謝謝”。

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