太陽能熱水器自動上水控制系統(tǒng)設(shè)計

1、太陽能熱水器自動上水控制系統(tǒng)設(shè)計摘 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AT89C51單片機(jī)控制、DS18B20溫度傳感器、獨(dú)立鍵盤、LED數(shù)碼管和報警系統(tǒng)五大部分組成。該系統(tǒng)能測量并顯示水溫、設(shè)置水溫的范圍，如果水溫不處于所設(shè)置水溫的范圍則報警。同時還能對水位進(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)會根據(jù)這個數(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

2、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Solar energy water- heater auto last water control the system designAbstractHow 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 mo

3、re 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 AT89 C5

4、1 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 wate

5、r temperature doesnt 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 opportu

6、nity 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目 錄

7、摘 要-Abstract -第一章 緒 論 -1第二章 太陽能熱水器介紹 -22.1太陽能熱水器的概述 -22.2太陽能熱水器的分類 -22.3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 -43.1方案一-43.2方案二-43.3方案三-4第四章 硬件設(shè)計-64.1AT89C51介紹 -64.2測溫電路設(shè)計-84.3水溫監(jiān)測的設(shè)計-114.4鍵盤電路設(shè)計-124.5顯示電路設(shè)計-174.6加熱和加水電路設(shè)計-194.7報警電路設(shè)計-224.8電源電路設(shè)計-22第五章軟件設(shè)計-245.1程序設(shè)計分析-245.2程序流程圖-24第六章仿真及調(diào)試-256.1程序翻譯-256.1.1KEIL

8、 C51介紹-256.1.2編譯過程-256.2電路仿真-25結(jié)語 -27參考文獻(xiàn)-28致謝-29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，“低碳經(jīng)濟(jì)”這一概念開始進(jìn)入人們的視野。人們在大力發(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，全球已探明石油儲量只能用到2020年，天然氣也只能延續(xù)到2040年左右，即使儲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）儲量的“無限性”。（2）太陽能對于地

9、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和燃?xì)鉄崴魇袌觥?000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)代社會各界普遍關(guān)注的焦點(diǎn)之一。目前市場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，?/p>

10、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。選擇太陽能熱水器這個課題，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，作這樣一個設(shè)計，不僅可以考察自己大學(xué)四年的專業(yè)課的理論與動手實(shí)踐能力，產(chǎn)品也具有一定的市場前景。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

11、從低溫度加熱到高溫度，以滿足人們在生活、生產(chǎn)中的熱水使用。太陽能熱水器是由全玻璃真空集熱管、儲水箱、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

12、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，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

13、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基本思路，這就直接考驗(yàn)?zāi)愕募療岵糠值拿芊庑阅埽贿€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，使用水時產(chǎn)生壓力。其安全性

14、，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，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年中國誕生第一臺太陽能熱水器，到1986年臥式磁控濺射鍍膜機(jī)的設(shè)計制造，是在政策扶持下的研究開發(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

15、段。 1993年太陽能產(chǎn)業(yè)進(jìn)入初級發(fā)展階段：由于成果轉(zhuǎn)化需要很長一段時間的磨合，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。 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。除這些龍頭企業(yè)外，以生長于常州

16、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)勢和他們慣有的的低價思維，早已經(jīng)“漂洋過?！?，在國際太陽能光熱市場上形成了一定的沖擊力；還有一些原來只專注于國內(nèi)市場的企業(yè)，也開始參加廣交會或不惜成本參加國外的一些專業(yè)性展會，以尋求在國際市場分得一杯羹。第三章 系統(tǒng)方案設(shè)計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時阻值為100歐姆，在100時它阻值約為138.5歐姆。工業(yè)原理：當(dāng)PT100在0的時候他的阻值為100歐姆，阻值會隨著溫度上升成勻速增漲。采集的電壓信號經(jīng)集成

17、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量元件，敏感測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)動四位七段數(shù)碼管顯示，通過獨(dú)立式鍵盤進(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

18、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，一個顯示電路，一個報警電路。軟件部分只需要采集溫度，對溫度進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再用顯示電路將其顯示出來。很明顯，環(huán)境對DS18B20影響不是很大，同時DS18B20的測量精度穩(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)計主要是從溫度傳感器進(jìn)行考慮。傳統(tǒng)的測溫元件有熱電偶和熱電阻，但它們測出的一般都是電壓，再轉(zhuǎn)換成對應(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DS18B2

19、0作為檢測元器件，測溫范圍-55125，分辨率最大可達(dá)0.0625。DS18B20可以直接讀出被測溫度值。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)計的電路相對來說較為簡單， 本設(shè)計對水位檢測要求不高，只須知道大概水位就可以了，因此從功能、材料、價格多方面考慮，只需用水位傳感器檢測出水位段即可。綜上所述，最終決定采用方案二作為設(shè)計方案。本設(shè)計方案系統(tǒng)可由主控制器（AT89C51）、顯示電路、測溫器件（DS18B20）、抽水電動機(jī)、發(fā)光二極管報警、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)計結(jié)構(gòu)框圖第四章 硬件設(shè)計4.1 A

20、T89C51介紹AT89C51是帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（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。AT89C51將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，為很多嵌入式控制提供了靈活性高且價格低廉的方案。AT89C51的主要特性如下：（1）壽命達(dá)1000寫/擦循環(huán)；（2）數(shù)據(jù)保留時間：10年；（3）全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz；（4）三級程序存儲器鎖定；（5）128 * 8位內(nèi)部RAM；（6）32可編程I/O線；（7）2個16位定時器/計數(shù)器；（8）5個中斷源；（9）可編程串行通道；（10

21、）低功耗閑置和掉電模式；（11）片內(nèi)振蕩器和時鐘電路；4.2 測溫電路設(shè)計（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。GND 地信號。DQ 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。VDD 可選擇的VDD引腳。當(dāng)工作于寄生電源時，此引腳必須接地。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 獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。 測溫范圍

22、55125，固有測溫分辨率0.5。 支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，最多只能并聯(lián)8個，如果數(shù)量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸?shù)牟环€(wěn)定，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫。 工作電源: 3-5V/DC。 在使用中不需要任何外圍元件。 測量結(jié)果以9-12位數(shù)字量方式串行傳送。 不銹鋼保護(hù)管直徑6。 用于DN15-25，DN40-DN250各種介質(zhì)工業(yè)管道、小空間設(shè)備測溫。 標(biāo)準(zhǔn)安裝螺紋M10X1，M12X1.5，G1/2任選。 PVC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)部存儲器還包括一個高速暫存RAM和

23、一個非易失性可電擦除的EERAM。高速暫存RAM結(jié)構(gòu)為9字節(jié)存儲器，結(jié)構(gòu)如表4.1所示。頭2個字節(jié)包含測得溫度信息，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試模式，DS18B20出廠時該位被設(shè)置為0，用戶可改動，R1和

24、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)123456789存儲信息溫度LSB溫度MSBTH用戶字節(jié)1TL用戶字節(jié)2配置寄存器保留保留保留CRC表4.2 第5寄存器R1R0分辨率/位溫度最大轉(zhuǎn)向時間/ms00993.750110187.510113751112750表4.3 DS18B20溫度轉(zhuǎn)換時間表TMR1R011111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)換時間越長。當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換命令后，開始啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后，溫度值就以16位帶符號的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲在高速暫存存儲器的第1、2字節(jié)。單片機(jī)可以通過

25、單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625LSB形式表示。DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉(zhuǎn)化為例。其中S為符號位。DS18B20的溫度值格式如表4.4所示：表4.4 DS18B20溫度值格式表LSByteBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0MSByteBit15Bit14Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8SSSSS當(dāng)符號位S0時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進(jìn)制位轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制；當(dāng)符號位S1時，表示測得的溫度值為負(fù)值。表4.5是部分溫度值對應(yīng)的二進(jìn)制度數(shù)據(jù)。表4.5 部分溫度對應(yīng)值表溫

26、度二進(jìn)制表示十六進(jìn)制表示+12507D0H+850550H+25.062500000001100100000191H+10.125000000001010000100A2H+0.500000000000000100008H000000000000010000000H-0.5FFF8H-10.125FF5EH-25.025FE6FH3）DS18B20供電方式DS18B20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DS18B20在溫度轉(zhuǎn)換期間工作電流達(dá)到1mA，當(dāng)幾個溫度傳感器掛

27、在同一根I/O線上進(jìn)行多點(diǎn)測溫時，靠上拉電阻是無法提供足夠的能量，會造成無法轉(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溫，也不宜采用電池供電系統(tǒng)，并且電源電壓必須保證是5V。當(dāng)電源電壓下降時，會使測量的誤差變大。 圖4.4 DS18B20 寄生電源供電電路 DS18B20的外部電源供電方式DS18B20外部供電有單點(diǎn)測溫電路和多點(diǎn)測溫電路，單點(diǎn)測溫電路如圖4.5所示。此時I/O線不需要強(qiáng)上拉電壓，同時在總線上可以掛接多個DS18B20傳感器，組成多點(diǎn)測溫系統(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

28、點(diǎn)測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)計中采用外部電源供電方式供電單點(diǎn)測溫電路。（3）測溫電路的總成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IO口模擬DS18B20的時序，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)溫度超過設(shè)置值時，報警器開始報警，從而實(shí)現(xiàn)了

29、對各點(diǎn)溫度的實(shí)時監(jiān)控。如圖4.6所示：圖4.6 測溫電路的設(shè)計4.3水位監(jiān)測電路設(shè)計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，成為水位自動控制器或水位報警器，從而來實(shí)現(xiàn)半自動化或者全自動化，方法有多種，根據(jù)選用不同的產(chǎn)品而不同。下面對電子式水位開關(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水位檢測，再由水位檢測專用芯片對檢測到信號進(jìn)行處理,當(dāng)被測液體到達(dá)動作點(diǎn)時，芯片輸出高或低電平信號，再配合水位控制器，實(shí)現(xiàn)對液位控制。不需浮球和干簧管,外部無機(jī)械動作,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，適宜長時間浸在水中,工

30、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)帶著一個大的金屬球，浸在水中時浮力大，可以控制兩個水位，比如水滿了，浮球因?yàn)楦×Χ仙?，帶動球閥運(yùn)動，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。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控制和缺水

31、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)價格便宜，對于一些要求不太嚴(yán)格的場合適用，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，否則會相纏繞。使用壽命相對短些，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)對電線進(jìn)行修理。綜上所述，由于是家用熱水器，對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)計中有

32、兩個水位段，分別是低水位、高水位。其中水位的檢測是通過兩個單刀單擲開關(guān)的閉合得知的并且同時用兩個數(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)測電路的設(shè)計4.4 鍵盤電路設(shè)計鍵盤是若干個按鍵的集合，它是單片機(jī)系統(tǒng)中極常見的輸入設(shè)備。（1）鍵盤分類鍵盤可以分為非編碼（獨(dú)立式）鍵盤和編碼（矩陣式）鍵盤。矩陣式按鍵單片機(jī)系統(tǒng)中，若使按鍵較多時，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，行線處于高電平狀態(tài)；當(dāng)有鍵按下時，行、列線將導(dǎo)通，此時行線電平將

33、由與此行線相連的列線電平?jīng)Q定。這是識別按鍵是否按下關(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、列線信號配合起來作適當(dāng)處理，才能確定閉合鍵的位置。獨(dú)立式按鍵單片機(jī)控制系統(tǒng)中，往往只需要幾個功能鍵，此時，可采用獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)。 獨(dú)立式按鍵是直接用I/O口線構(gòu)成的單個按鍵電路，其特點(diǎn)是每個按鍵單獨(dú)占用一根I/O 口線，每個按鍵的工作不會影響其它I/O口線的狀態(tài)。 獨(dú)立式按鍵電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但每個按鍵必須占用一根I/O口線，因此，在按鍵較多時，I/O口線浪費(fèi)較大，不宜采用。獨(dú)立式按鍵軟件常采用查詢式結(jié)構(gòu)

34、。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)計所用到的按鍵極少，故采用獨(dú)立式鍵盤。（2）鍵盤控制程序鍵盤控制程序應(yīng)具備以下功能： 檢測有無按鍵按下，并采取硬件或軟件措施，消除鍵盤按鍵機(jī)械觸點(diǎn)抖動的影響。 有可靠的邏輯處理辦法。每次只處理一個按鍵，其間對任何按鍵的操作對系統(tǒng)不產(chǎn)生影響，且無論一次按鍵時間有多長，系統(tǒng)僅執(zhí)行一次按鍵功能程序。 準(zhǔn)確輸出按鍵值（或鍵號），以滿足跳轉(zhuǎn)指令要求。機(jī)械式按鍵再按下或釋放時，由于機(jī)械彈性作用的影響，通常伴隨有一定時間的觸點(diǎn)機(jī)械 抖動，然后其觸點(diǎn)才穩(wěn)定下來。抖動

35、時間的長短與開關(guān)的機(jī)械特性有關(guān)，一般為510ms。在觸點(diǎn)抖動期間檢測按鍵的通與斷狀態(tài)，可能導(dǎo)致判斷出錯。即按鍵一次按下或釋放被錯誤地認(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)械抖動所致的檢測誤判，必須采取去抖動措施，可從硬件、軟件兩方面予以考慮。在鍵數(shù)較少時，可采用硬件去抖，而當(dāng)鍵數(shù)較多時，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，電壓信號小型如下圖。由于機(jī)械觸點(diǎn)彈性作用，一個按鍵開關(guān)在閉合時不會馬上穩(wěn)定接通，在斷開時也不會一下斷開。因而在閉合及斷開瞬間均伴隨有一連串抖動，如下圖。抖動時間的長短由按鍵的機(jī)械特性決定，一般為5ms10ms

36、。這是一個很重要的時間參數(shù)，在很多場合都要用到。按鍵抖動如如圖4.8所示： 圖4.8 按鍵抖動按鍵穩(wěn)定閉合時間的長短則是由操作人員的按鍵動作決定的，一般為零點(diǎn)幾秒至數(shù)秒。鍵抖動會引起一次按鍵被誤讀多次。為確保CPU對鍵的一次閉合僅作一次處理，必須去除鍵抖動。在鍵閉合穩(wěn)定時讀取鍵的狀態(tài)，并且必須判別到鍵釋放穩(wěn)定后再作處理。按鍵的抖動，可用硬件或軟件兩種方法。由于本次設(shè)計按鍵極少，所以采用硬件消抖。在鍵數(shù)較少時可用硬件方法消除鍵抖動。圖4.9所示的RS觸發(fā)器為常用的硬件去抖。圖中兩個“與非”門構(gòu)成一個RS觸發(fā)器。當(dāng)按鍵未按下時，輸出為1;當(dāng)鍵按下時，輸出為0。此時即使用按鍵的機(jī)械性能，使按鍵因彈性

37、抖動而產(chǎn)生瞬時斷開（抖動跳開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，不會產(chǎn)生抖動的波形。也就是說，即使B點(diǎn)的電壓波形是抖動的，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能及時響應(yīng)按鍵操作，又不要過多占用CPU的工作時間。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。 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

38、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，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： 判別有無鍵按下。 鍵盤掃描取得閉合鍵的行、列值。 用計算法或查表法得到鍵值。 判斷閉合鍵是否釋放，如沒釋放則繼續(xù)等待。 將閉合鍵鍵號保存，同時轉(zhuǎn)去執(zhí)行該閉合鍵的功能。2）定時掃描方式： 定時掃描方式就是每隔一段時間對鍵盤掃描一次，它利用單片機(jī)內(nèi)部的定時器產(chǎn)生一定時間（例如10ms）的定時，當(dāng)定時時間到就產(chǎn)生定時器溢出中斷，CPU響應(yīng)中斷后對鍵盤進(jìn)行掃描，并在有鍵按下時識別出該鍵，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，

39、無論是否按鍵，CPU都要定時掃描鍵盤，而單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)工作時，并非經(jīng)常需要鍵盤輸入，因此，CPU經(jīng)常處于空掃描狀態(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，CPU處理自己的工作，當(dāng)有鍵按下時，產(chǎn)生中斷請求，CPU轉(zhuǎn)去執(zhí)行鍵盤掃描子程序，并識別鍵號。圖4.9 硬件消抖利用電容的放電延時，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)計出的鍵盤電路如圖4.11所示：圖4.11 鍵盤電路的設(shè)計4.5 顯示電路設(shè)計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。L

40、ED的心臟是一個半導(dǎo)體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負(fù)極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環(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)體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P-N結(jié)”。當(dāng)電流通過導(dǎo)線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區(qū)，在P區(qū)里電子跟空穴復(fù)合，然后就會以光子的形式發(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)展可分為以下幾個階段：第一階段為1990年到1995年，主要是單色和16級雙色圖文屏。用于顯示文字和

41、簡單圖片，主要用在車站、金融證券、銀行、郵局等公共場所，作為公共信息顯示工具。 第二階段是1995年到1999年，出現(xiàn)了64級、256級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新的臺階。LED顯示屏控制專用大規(guī)模集成電路芯片也在此時由國內(nèi)企業(yè)開發(fā)出來并得以應(yīng)用。 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)入體育場館、會展中心、廣場等公共場所，從而將國內(nèi)的大屏幕帶入全彩時代。 隨著LED原材料市場迅猛發(fā)展，表面貼裝器件從2001

42、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，被不同價位需求者所接受，在短短兩年多時間內(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，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分共陰級和共陽極兩種，共陰級7段LED的原理圖和管腳配置圖如圖 4.12所示，共陽級7段LED的原理圖和管腳配置圖如圖4.13所示。實(shí)際中，各個型號的7段LED

43、的管腳配置可能不會是一樣的，在實(shí)際應(yīng)用中要先測試一下各個管腳的配置，再進(jìn)行電路原理圖的設(shè)計。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I/O口來控制8個段。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)各個位的分時選通。 本設(shè)計中需要顯示預(yù)設(shè)溫度和實(shí)際溫度，故采用2個2位7段LED顯示，一個用于顯示預(yù)設(shè)溫度，另一個用于顯示實(shí)際溫度。這樣就

44、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)計如圖4.14所示。圖4.14 顯示電路的設(shè)計4.6加熱和加水電路的設(shè)計工業(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)場總線通信得到無錯誤的數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計工程師必須要對這些干擾進(jìn)行處理，通常會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。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，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、光的接收及信號放大。輸入的電

45、信號驅(qū)動發(fā)光二極管，使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器接收而產(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。在計算機(jī)數(shù)字通信及實(shí)時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計算機(jī)工作的可靠性。 光耦合器的主要優(yōu)點(diǎn)是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，無觸點(diǎn)，使用

46、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、級間耦合、驅(qū)動電路、開關(guān)電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離 、脈沖放大電路、數(shù)字儀表、遠(yuǎn)距離信號傳輸、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，對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

47、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，對介質(zhì)方向進(jìn)行控制，從而達(dá)到對閥門開關(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，每個孔都通向不同的油管，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被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動來擋住或漏出不同的排油的孔，而進(jìn)油孔是常開的，液壓油就會進(jìn)入不同的排油管，然后通過油的壓力來推動油缸的活塞，活塞又帶動活

48、塞桿，活塞桿帶動機(jī)械裝置動。這樣通過控制電磁鐵的電流通斷就控制了機(jī)械運(yùn)動。電磁閥從原理上分為三大類： （1）直動式電磁閥原理：通電時，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，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、零壓時能正常工作，但通徑一般不超過25mm。 （2）分步直動式電磁閥 原理：它是一種直動和先導(dǎo)式相結(jié)合的原理，當(dāng)入口與出口沒有壓差時，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)到啟動壓差時，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，先導(dǎo)閥利用彈簧力或介質(zhì)

49、壓力推動關(guān)閉件，向下移動，使閥門關(guān)閉。 特點(diǎn)：在零壓差或真空、高壓時亦能工作，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，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，流體壓力推動關(guān)閉件向上移動，閥門打開；斷電時，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，流體壓力推動關(guān)閉件向下移動，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)計如圖4.15所示：圖4.15 加熱和加水電路的設(shè)計4.7 報警電路設(shè)計本設(shè)計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

50、極管報警，相較蜂鳴器而言，既降低了成本，也使設(shè)計簡單化。圖4.16中7407是六正向高壓緩沖器/驅(qū)動器。它具有緩沖功能，同時也可以提高電流的驅(qū)動能力。7407有兩種接法：（1）當(dāng)電路共陽接法時，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限制，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，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)動燈。綜上所述，報警電路如圖4.16所示：圖4.16 報警電路圖4.8 電源電路設(shè)計本設(shè)計中除了市電AC220V外，均采用DC5V電源，因此只需要設(shè)計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470U和0.