【基于單片機(jī)的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)12000字（論文）】

緒論1.1課題背景及研究意義對于現(xiàn)代家庭來說，熱水器已經(jīng)是人們?nèi)粘Ｉ钪斜夭豢缮俚募矣秒娖鳌Ｄ壳笆忻嫔鲜圪u的家用熱水器主要以電力、天然氣或太陽能作為能源。然而，電熱水器大規(guī)模用電，不僅費(fèi)用高昂，而且加劇了能源消耗；燃?xì)庑蜔崴鞔嬖诎踩[患，容易因燃燒不充分而產(chǎn)生一氧化碳，易引發(fā)中毒的安全事故，且使用中排放溫室氣體，污染環(huán)境；相比之下，擁有安全、綠色、低碳、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)的太陽能熱水器具有較大的市場應(yīng)用前景。我國作為人口大國，能源緊張和環(huán)境問題長期存在，倡導(dǎo)綠色低碳、安全環(huán)保的生活方式已經(jīng)深入人心，太陽能屬于清潔、可再生能源，不僅滿足了人們綠色低碳生活的追求，而且順應(yīng)了新時代發(fā)展趨勢，它是現(xiàn)代文明社會的最佳選擇。然而目前市場上太陽能熱水器的控制系統(tǒng)大多都存在著功能單一、操作步驟繁瑣、控制不便捷等問題。并且當(dāng)長時間處于陰雨天氣或光照不足的工作環(huán)境中時，無法充分加熱儲水，給日常生活帶來不便。在科技發(fā)展日新月異的今天，這樣相對落后的控制系統(tǒng)已經(jīng)越發(fā)無法滿足現(xiàn)代人們的日常生活需求。因此，應(yīng)當(dāng)開發(fā)一種功能多樣，操作靈活，控制方便，更加智能化的，可在惡劣條件下工作的新型太陽能熱水器控制系統(tǒng)，以滿足千家萬戶日常生活需求，提升生活質(zhì)量。本設(shè)計以單片機(jī)為控制系統(tǒng)核心，結(jié)合太陽能熱水器和電熱型熱水器的特點(diǎn)，配合溫度傳感器、水位傳感器和液晶顯示器件直觀地顯示儲水箱內(nèi)水溫、水位信息，同時通過繼電器驅(qū)動加熱、加水電路實(shí)現(xiàn)水溫、水位可控；擁有定時加熱功能，提升用戶體驗，而且添加了聲光報警模塊，安全性得以進(jìn)一步提高?？勺杂汕袚Q自動控制和手動控制模式，方便用戶使用。本設(shè)計外圍電路簡單、控制靈活、性價比高、信息顯示直觀醒目，適合用于日常家庭生活對太陽能熱水器控制系統(tǒng)功能的需求。1.2課題發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢太陽能熱水器的是利用集熱管將水加熱，整個過程綠色低碳、安全環(huán)保。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，每平方米太陽能集熱管每天可產(chǎn)生2.5千瓦時的熱量，工作一年產(chǎn)能相當(dāng)于120公斤煤炭所產(chǎn)生的能量，而且產(chǎn)能過程綠色、無污染。即使化石燃料可產(chǎn)生相同的能量，但缺需向大氣排放700公斤以上的二氧化碳。普及太陽能熱水器，不僅緩解了日益緊張的能源消耗問題，而且減輕了環(huán)境壓力。國外對太陽能熱水器的研究從20世紀(jì)50年代就開始進(jìn)行研究，并為此投入了大量人力、物力。在住宅、賓館、學(xué)校、醫(yī)院等場所投入使用，并且取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。許多國家通過政府補(bǔ)貼的形式鼓勵居民安裝使用太陽能熱水器，以緩解能源緊張的問題。雖然我國對太陽能熱水器的研究起步較晚，上世紀(jì)80年代才開始研究和推廣，但是發(fā)展卻十分迅速。國家“六五”和“七五”期間將太陽能熱水器列為重點(diǎn)科研項目，主攻方向為平板太陽集熱器和真空集熱管的研究。并在90年代真空集熱管這一科研成果經(jīng)一系列試驗開始轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)力，形成了以真空集熱管為核心，并輔以其他外圍設(shè)備的太陽能熱水器生產(chǎn)線，邁出了太陽能相關(guān)行業(yè)的第一步。自此，我國太陽能熱水器行業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展階段。直到今天，中國太陽能相關(guān)產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為世界第一位，國內(nèi)太陽能產(chǎn)品在世界同類產(chǎn)品中也占有較大的市場份。目前，生活熱水在在家庭日常生活中的作用越來越突出，尤其是冬季天氣嚴(yán)寒，普通家庭使用熱水十分不便，太陽能熱水器的使用解決了普通家庭無法儲存大量生活熱水的問題，儲水箱安裝于室外不占用住宅空間，且儲水量大。尤其是在農(nóng)村和偏遠(yuǎn)地區(qū)，電力和燃?xì)怆y以全面覆蓋，且使用成本較高，相比之下，太陽能熱水器以其低碳節(jié)能、經(jīng)濟(jì)和可再生性而越來越受到消費(fèi)者青睞。這樣看來，太陽能熱水器市場有著良好的發(fā)展前景。盡管太陽能熱水器行業(yè)發(fā)展前景良好，但太陽能熱水器控制器功能卻并不完善，技術(shù)也不成熟。目前市面上常見的太陽能熱水器控制系統(tǒng)大多存在功能單一、不全面，操作步驟繁瑣，控制不便的問題，只有水溫、水位顯示功能。因此，越來越迫切地需要推廣和應(yīng)用更加智能的產(chǎn)品，設(shè)計一款成本低、功能多、性價比高、智能化的新型控制器具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.3課題研究的主要內(nèi)容本設(shè)計主要是將市面上的太陽能熱水器與電熱型熱水器相結(jié)合，使太陽能熱水器具有更加完善的功能，即使在不利條件下也可以正常工作。這種控制器綜合太陽能熱水器和電熱型熱水器的特點(diǎn)，一般情況下，太陽能加熱儲水，滿足用戶日常生活需求；當(dāng)遇到長期陰雨天氣而造成光照不足，無法充分加熱儲水時，利用電能加熱，這樣就不會影響到使用效果；同時，控制器還具有低水位自動加水功能，避免發(fā)生需要時無水可用的問題；而且，添加了聲光報警模塊，進(jìn)一步提高安全性。此外，還要具備自動和手動控制兩種工作模式，方便用戶使用。本設(shè)計以單片機(jī)為控制系統(tǒng)核心，以太陽能為主，再輔以電能，通過溫度傳感器、水位傳感器采集水溫、水位信息，并使用顯示屏直觀地向用戶展示相關(guān)信息；同時，繼電器驅(qū)動加熱裝置和加水裝置，實(shí)現(xiàn)水溫、水位可控；另外配有溫度設(shè)置模塊用以設(shè)定水溫上、下限，不僅可以滿足用戶要求，而且避免了過度加熱，導(dǎo)致不必要的能源浪費(fèi)；定時加熱和聲光報警模塊可以改善用戶體驗，提高安全性。以此設(shè)計出更加節(jié)能、高效、智能的太陽能熱水器控制系統(tǒng)，不僅可以大大減少能源消耗，而且可以提高千家萬戶的生活品質(zhì)。主要研究內(nèi)容包括：（1）元器件選型（2）溫度采集電路設(shè)計（2）水位采集電路設(shè)計（3）LCD顯示電路設(shè)計（4）繼電器驅(qū)動電路設(shè)計（5）聲光報警電路設(shè)計（6）Proteus電路仿真設(shè)計和實(shí)物焊接在基于所學(xué)知識與參考相關(guān)書籍后，進(jìn)行了此次太陽能熱水器控制系統(tǒng)的設(shè)計與調(diào)試，直至最終成果的完成。2系統(tǒng)總體方案設(shè)計2.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)對本次設(shè)計的控制系統(tǒng)的要求實(shí)現(xiàn)功能進(jìn)行分析，得出系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖2-1，溫度檢測功能由溫度傳感器實(shí)現(xiàn)，水位檢測功能由液位傳感器實(shí)現(xiàn)，按鍵設(shè)置用于設(shè)定水溫加熱的上限與下限，加水、加熱模塊由繼電器電路實(shí)現(xiàn)，顯示模塊指顯示水溫信息，聲光報警模塊可提升安全性。圖2-1系統(tǒng)硬件圖該系統(tǒng)的工作原理為：以單片機(jī)為控制系統(tǒng)核心，通過溫度傳感器和水位傳感器采集儲水箱內(nèi)的實(shí)時水溫、水位信息，并發(fā)送給單片機(jī)處理，后經(jīng)顯示器件將相應(yīng)信息反饋給用戶；用戶可通過按鍵設(shè)置預(yù)定水溫的上、下限，當(dāng)水溫低于下限時，啟動繼電器加熱模塊，將水溫加熱至上限后，加熱模塊關(guān)閉；加水模塊同理，不過與溫度設(shè)置不同，水位上、下限由水位傳感器的安裝位置決定，不能通過按鍵調(diào)節(jié)；當(dāng)溫度超出限定值時蜂鳴器報警，水位低于下限時，缺水指示燈亮。此外，按鍵模塊還可以設(shè)置定時加熱，給用戶更好的體驗。2.2主控模塊選擇方案一STC89C51：STC89C51是一款低功耗、高性能CMOS8位微控制器，與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)兼容，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元，具有在系統(tǒng)可編程特性，可在電腦上編寫相關(guān)程序指令后燒錄燒錄到單片機(jī)中，速度相較于同類型產(chǎn)品更快，為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高度靈活和超級有效的解決方案。方案二AT89C51：AT89C51是一款低電壓，高性能CMOS8位微控制器。該器件采用高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，并與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)兼容，內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲單元，該器件可以按常規(guī)方法進(jìn)行編程，并且其將通用的微處理器和Flash存儲器結(jié)合在一起，也可以在線編程。內(nèi)置功能強(qiáng)大的微型計算機(jī)AT89C51提供了高性價比的解決方案，特別是可反復(fù)擦寫的Flash存儲器可有效地降低開發(fā)成本。對于主控模塊，本設(shè)計選用AT89C51，性價比高，外圍電路簡單，硬件設(shè)計方便，指令簡單，易學(xué)易懂，性價比高，可實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能要求。并且AT89C51常用在教學(xué)中使用，相較于其他單片機(jī)，對AT89C51編程更為熟練，容易上手。2.3溫度檢測模塊選擇方案一DS18B20：DS18B20是美國DALLAS公司生產(chǎn)的可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器，具有耐磨耐碰，體積小，精度高，抗干擾能力強(qiáng)，使用方便，封裝形式多樣，無需轉(zhuǎn)換電路等特點(diǎn)，適用于狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。DS18B20具有獨(dú)特的單線接口方式，僅需要一條口線便可實(shí)現(xiàn)DS18B20與微處理器之間的雙向通訊，具有經(jīng)濟(jì)性好，抗干擾能力強(qiáng)，適合于惡劣環(huán)境的溫度測量；同時支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能，多個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的單線上，即可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測溫，但最多只能并聯(lián)8個器件；其測溫范圍-55℃—＋125℃，精度為±0.5℃。方案二AD590:AD590是美國ANALOGDEVICES公司的單芯片集成兩端溫度電流源，其輸出電流與絕對溫度成正比，溫度每增加1℃，其輸出電流增加1uA。其抗干擾能力強(qiáng)、功率要求低，無需支持電路，高阻抗電流輸出，適合遠(yuǎn)距離測量的特點(diǎn)，使得AD590適合于許多需要測溫的場合。對溫度檢測模塊，本設(shè)計選用DS18B20。AD590的輸出量是電流，無法直接傳送給單片機(jī)處理，需要搭配A/D轉(zhuǎn)換電路，這樣使得外圍電路復(fù)雜化，而DS18B20的輸出為數(shù)字信號，可直接發(fā)送給單片機(jī)，不僅節(jié)省了接口使用數(shù)量，且電路簡單、測量精度高，封裝形式多樣。并且，DS18B20單總線可連接多個測溫點(diǎn)，可以拓展設(shè)計更多的功能，2.4水位檢測模塊選擇方案一ADC0832配合浮子式液位傳感器：ADC0832是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換速度快，且穩(wěn)定性能強(qiáng)，屬于串行ADC，雖然轉(zhuǎn)換速度相對并行ADC較為緩慢，但對于檢測變化緩慢的信號非常有利，十分適合用來測量液位變化。浮子式傳感器類似于滑動變阻器，浮子隨水位變化上下浮動，相當(dāng)于滑片，可通過電阻值的大小來判斷水箱水位的高低，與ADC0832組合使用，可實(shí)時、直觀的反映水箱內(nèi)的液位變化。方案二LM393配合導(dǎo)電式液位傳感器：LM393是雙電壓比較器集成電路，擁有2個輸入端和2個輸出端，1個基準(zhǔn)電壓端，輸入端電壓低于基準(zhǔn)電壓時輸出端為高電平，輸入端電壓高于基準(zhǔn)電壓時輸出端為低電平。導(dǎo)電式液位傳感器是利用液體的導(dǎo)電性來判斷傳感器所處液面是否有水，與LM393組合使用，液位傳感器和比較器基準(zhǔn)電壓比較，當(dāng)水位傳感器檢測到水位，LM393比較器輸出低電平，單片機(jī)檢測到低電平判斷水位，可分段布置液位傳感器。對于水位檢測模塊，本設(shè)計選用LM393配合導(dǎo)電式液位傳感器。ADC0832配合浮子式液位傳感器可反映連續(xù)的水位變化，而LM393配合導(dǎo)電式液位傳感器反映的是水位的階段性變化。對于家用太陽能而言，無需太過精確的顯示水位信息，只要有水可用就可以了?？刂葡到y(tǒng)可實(shí)現(xiàn)低水位自動加水至高水位停止，2個導(dǎo)電式液位傳感器完全可以滿足要求，且無需在顯示屏占用空間。2.5顯示模塊選擇方案一LCD12864：LCD12864是一款低電壓、低功耗的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊，由128×64個液晶顯示點(diǎn)組成的顯示陣列，具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫。界面顯示方式直觀易懂，操作指令簡潔，可顯示豐富的字符、漢字、圖像信息。方案二LCD1602：工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16×02即32個字符，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣型液晶模塊，它由若干個5×7或者5×11等點(diǎn)陣字符位組成。每個點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個字符，并且每個字符位之間有一個點(diǎn)的間隔，兩行之間也被分割開，但卻因此不能很好地顯示圖形。對于顯示模塊，本設(shè)計選用LCD1602。LCD12864不但能夠顯示字符，還可以示漢字、圖像類信息，相比之下LCD1602適合顯示少量的、豐富的字符類信息。本設(shè)計要求顯示當(dāng)前溫度、定時時間，水溫上、下限，設(shè)置時的光標(biāo)移動等相關(guān)內(nèi)容，全部都是字符類信息，對圖像信息的顯示沒有要求，因此顯示模塊采用LCD1602完全可滿足使用要求。3系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路單片機(jī)最小系統(tǒng)包括單片機(jī)及其所需的必要的電源、時鐘、復(fù)位等部件，能使單片機(jī)始終處于正常的運(yùn)行狀態(tài)，是使單片機(jī)能運(yùn)行的必要條件。使用時，最小系統(tǒng)為控制系統(tǒng)的核心，通過對單片機(jī)引腳的連接可實(shí)現(xiàn)對外部電路的擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的功能。最小系統(tǒng)電路如圖3-1所示。圖3-1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路3.1.1時鐘電路時鐘電路用來產(chǎn)生時鐘信號供單片機(jī)工作。在單片機(jī)的XTAL1和XTAL2引腳之間增加一個晶振電路，單片機(jī)就可以得到時鐘信號。簡單的說時鐘電路就是一個振蕩器，給單片機(jī)提供一個節(jié)拍，單片機(jī)執(zhí)行各種操作必須在這個節(jié)拍的控制下才能進(jìn)行，沒有時鐘電路的單片機(jī)無法正常工作。而且晶振頻率越高，單片機(jī)運(yùn)行速度越快，但功耗和噪聲也會增大，應(yīng)當(dāng)合理設(shè)計時鐘電路。在本設(shè)計中，單片機(jī)的時鐘頻率設(shè)置為12MHz。此外，本設(shè)計的定時預(yù)約加熱功能是基于時鐘電路實(shí)現(xiàn)的。3.1.2復(fù)位電路復(fù)位電路在系統(tǒng)上電或運(yùn)行過程中對單片機(jī)進(jìn)行初始化操作，使單片機(jī)或系統(tǒng)中的其他部件處于某種確定的初始狀態(tài)。AT89C51的上電復(fù)位電路只要在RST復(fù)位輸入引腳上接一電容至VCC端，下接一個電阻到地即可，當(dāng)RST加高電平復(fù)位信號時，單片機(jī)內(nèi)部執(zhí)行復(fù)位操作，復(fù)位信號變低電平時，單片機(jī)開始執(zhí)行程序。單片機(jī)的復(fù)位引腳設(shè)置有相應(yīng)的復(fù)位按鈕，必要時重啟單片機(jī)。3.2溫度檢測電路3.2.1DS18B20簡介DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器，具有耐磨耐碰，體積小，精度高，抗干擾能力強(qiáng)，使用方便，封裝形式多樣，無需轉(zhuǎn)換電路等特點(diǎn)，適用于狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。其獨(dú)特的單線接口方式，僅需要一條口線便可實(shí)現(xiàn)DS18B20與微處理器之間的雙向通訊，其數(shù)字信號輸出可直接發(fā)送給單片機(jī)，不僅節(jié)省了接口使用數(shù)量，且電路簡單、測量精度高，封裝形式多樣，其測溫范圍-55℃—+125℃,精度為±0.5℃。并且，DS18B20單總線可連接多個測溫點(diǎn)，可以拓展設(shè)計更多的功能。圖3-2DS18B20工作原理框圖圖3-2中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率受溫度影響很小，用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶振隨溫度變化其振蕩頻率明顯改變，所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器2的脈沖輸入。計數(shù)器1和溫度寄存器被預(yù)置在-55℃所對應(yīng)的基數(shù)值。計數(shù)器1對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計數(shù)，當(dāng)計數(shù)器1的預(yù)置值減到0時，溫度寄存器的值將加1，計數(shù)器1的預(yù)置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器1計數(shù)到0時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。斜率累加器用于補(bǔ)償、修正測溫過程中的非線性誤差，其輸出作用于修正計數(shù)器1預(yù)置值。3.2.2DS18B20測溫電路DS18B20的GND端接地，DS18B20的VCC端外接電源和串入1個10K電阻，再將VCC與DQ串接入P2.3端口，DS18B20實(shí)時采取當(dāng)時溫度輸送到單片機(jī)，并將其轉(zhuǎn)化成輸出信號發(fā)送LCD屏上顯示。電路圖如圖3-3所示。圖3-3溫度檢測電路3.3液位檢測電路3.3.1液位測量原理家用太陽能熱水器水位檢測不需要精確測量,因此測量精度要求較低。可選用導(dǎo)電式傳感器，其檢測電路結(jié)構(gòu)簡單，其精度也足夠控制系統(tǒng)的使用。工作原理是利用液體導(dǎo)電的原理，適用于單片機(jī)等邏輯控制器。當(dāng)水浸沒電極，電路接通，比較器電平發(fā)生改變，主控芯片依靠電平的狀態(tài)判斷液位。工作原理如圖3-4所示，用兩路液位傳感器1、2按一定高低間隔將液位分為三段,當(dāng)兩路傳感器都浸入水中時，即液位1以上時,水位為高水位;當(dāng)上方傳感器未浸入水中，而下方傳感器浸入水中時，即液位1、液位3之間時,水位為正常水位;當(dāng)兩路傳感器均未浸入水中時，即液位3以下時，水位為低水位。采用電極式液位檢測電路控制了成本，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，也方便自主選擇安裝位置。圖3-4液位傳感器工作示意圖3.3.2液位檢測電路本設(shè)計中LM393芯片的OUTA端和OUTB端接到了單片機(jī)的P3.6和P3.7端口，同時串接電阻連接電源；2端口和6端口為反向輸入端，分別連接到兩個水位傳感器；3端口和5端口為同向輸入端，輸入基準(zhǔn)電壓，通過電位器調(diào)節(jié)大小；VCC端外接電源，GND端接地。LM393是雙電壓比較器，反向輸入端電壓低于基準(zhǔn)電壓時輸出端為高電平，反向輸入端電壓高于基準(zhǔn)電壓時輸出端為低電平。液位傳感器和比較器基準(zhǔn)電壓比較，當(dāng)水位傳感器檢測到水位，LM393比較器輸出低電平，單片機(jī)檢測到低電平判斷水位，可通過分段布置液位傳感器來模擬水位的高低。如圖3-5所示。圖3-5液位檢測電路3.4顯示電路3.4.1LCD1602簡介LCD1602顯示分為字段進(jìn)行顯示和字符進(jìn)行顯示兩種。其中字段進(jìn)行顯示與LED顯示原理大致相似，只需要把信號送到相應(yīng)的管腳就能進(jìn)行顯示。而字符進(jìn)行顯示是根據(jù)需要顯示的字符送到LCD上顯示。其中顯示數(shù)據(jù)包括數(shù)字、字母以及ASCII碼，提供各種控制命令，如清屏、字符閃爍、光標(biāo)閃爍、顯示移位等多種功能。本設(shè)計采用的是字符型顯示，內(nèi)含復(fù)位電路，能夠同時顯示2行16列即32個字符，且對比度可通過調(diào)連接電阻阻值大小進(jìn)行調(diào)節(jié)。3.4.2LCD1602顯示電路本設(shè)計選用字符型液晶LCD1602，引腳1、2均接到了電路的VCC，引腳3通過可變電阻連接到地端，可通過調(diào)節(jié)電阻大小來調(diào)節(jié)液晶的灰度。引腳4是寄存器控制腳，接到了單片機(jī)的P1.1端口。引腳5是讀寫控制腳，接地。引腳6是使能腳，接到了單片機(jī)的P1.2端口。引腳7—14是數(shù)據(jù)/地址8位總線，接到了單片機(jī)的P0端口上，即P0.0—P0.7端口，同時結(jié)合上拉電阻提供充足的高電平輸入電流，提高信號穩(wěn)定程度。引腳15、16為背光電源，背光地，電路圖如圖3-6所示。圖3-6顯示電路3.5按鍵電路按鍵一端接地，按下按鍵后可將按鍵與單片機(jī)的接口電平拉低。按鍵SET接到單片機(jī)P1.4口，按下按鍵，進(jìn)入設(shè)置模式，每按一次，依次切換到定時設(shè)置、水溫上限設(shè)置、水溫下限設(shè)置；按鍵ADD接到單片機(jī)P1.5口，按下按鍵，設(shè)置數(shù)值增加；按鍵SUB接到單片機(jī)P1.6口，按下按鍵，設(shè)置數(shù)值減少；按鍵OK接到單片機(jī)P1.7口，按下按鍵，設(shè)置完成。電路圖如圖3-7所示。圖3-7按鍵電路3.6聲光報警電路LED3為缺水警報燈，由P3.6端口控制，當(dāng)下水位傳感器未被水浸沒時，說明水位低于下限水位，為缺水狀態(tài)。聲音報警由P2.7端口控制，通過三極管控制蜂鳴器所在電路通斷，當(dāng)水位低于下限、水溫低于下限、水溫經(jīng)加熱后超出上限時均會報警，提示用戶。電路圖如圖3-8所示。圖3-8聲光報警電路3.7繼電器驅(qū)動電路本設(shè)計的驅(qū)動模塊主要包括水泵控制電路的驅(qū)動、加熱電路的驅(qū)動的設(shè)計。其每個驅(qū)動電路分別由單片機(jī)的Ｐ1.0、Ｐ1.3口進(jìn)行控制，因為驅(qū)動設(shè)備的電流和電壓都較高，單片機(jī)輸出能力不足，所以水泵控制電路、加熱電路由繼電器進(jìn)行控制，并由PNP三極管對單片機(jī)的信號進(jìn)行放大。原理圖中水泵和加熱器由電阻代替。在本設(shè)計中，加熱模塊和上水模塊都具有自動控制和手動控制兩種方式。自動控制：當(dāng)加熱按鍵KEY1、上水按鍵KEY2斷開時，為自動控制模式。當(dāng)溫度、水位未超出上、下限時，與單片機(jī)接口的輸出為高電平，三極管關(guān)斷，繼電器輸入電流為零，LED指示燈不亮，繼電器常開觸點(diǎn)沒有動作，電磁閥所在電路開路;當(dāng)溫度、水位超出限定值時，與單片機(jī)接口的輸出為低電平，三極管導(dǎo)通，繼電器輸入端通過三極管和電源、地相連，電流輸入繼電器，LED指示燈亮，繼電器常開觸點(diǎn)閉合，電磁閥所在電路導(dǎo)通，開始加熱/上水。手動控制:當(dāng)加熱按鍵KEY1、上水按鍵KEY2閉合時，為手動控制模式。KEY1、KEY2閉合時，無需繼電器動作，電磁閥與電源電路導(dǎo)通，電磁閥開始工作。此外，為了防止洗浴時水位降低可能會自動上水，加水模塊加了狀態(tài)開關(guān)KEY3，當(dāng)KEY3斷開時，直接斷開電路連接，此時無論水位多么低都不會上水；當(dāng)KEY6閉合時，可正常使用上水功能。電路圖如圖3-9所示。圖3-9繼電器驅(qū)動電路4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1軟件介紹uVision是美國Keil軟件公司生產(chǎn)的集成開發(fā)軟件，它集編輯、編譯、仿真調(diào)試功能于一體。具有當(dāng)代典型嵌入式處理器開發(fā)的典型界面?？梢杂脜R編程序及C51語言編程。與匯編語言相比，C語言不僅易學(xué)易用，即使是初學(xué)者，也可以快速上手，而且大大提高了工作效率，縮短了項目開發(fā)周期。同時，它還能嵌入?yún)R編，保留了匯編代碼高效、快速的特點(diǎn)。軟件擁有豐富的庫函數(shù)，生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼簡潔易懂，在開發(fā)大型軟件時，可以體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢，是一種強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具。整個集成開發(fā)環(huán)境包括編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和仿真調(diào)試器。軟件界面如圖4-1所示。圖4-1軟件界面其工作步驟大體可分為5步：（1）創(chuàng)建工程（2）建立原程序文件并加入工程（3）工程參數(shù)設(shè)置（4）編譯源文件（5）調(diào)試程序4.2軟件設(shè)計任務(wù)與要求4.2.1主程序設(shè)計本設(shè)計主控模塊為AT89C51單片機(jī)，以AT89C51為核心控制整個控制系統(tǒng)的運(yùn)行，再利用單片機(jī)上各個引腳連接其他模塊，從而分別控制其他模塊，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。系統(tǒng)正常工作時，集熱管利用太陽能將儲水箱內(nèi)的水加熱到一定的溫度。此時，單片機(jī)控制系統(tǒng)初始化，開始工作。首先，水箱內(nèi)的溫度傳感采集溫度信息發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)將信號處理發(fā)送至液晶顯示屏，顯示當(dāng)前水溫、定時時間等信息。通過按鍵設(shè)定水溫上、下限與定時時間。單片機(jī)先將測量水位與水位下限進(jìn)行比較，若測量水位低于下限水位，缺水指示燈亮起，單片機(jī)將改變輸出電平來驅(qū)動加水繼電器觸頭閉合，使加水裝置所在電路閉合，開始向水箱內(nèi)注水，缺水指示燈滅，直到水位達(dá)到上限水位，回路斷開；若測量水位高于下限水位單片機(jī)不發(fā)送指令。水位檢測后，檢查是否達(dá)到預(yù)約時間，若未達(dá)到預(yù)約時間，將不執(zhí)行加熱程序；若達(dá)到預(yù)約時間，將進(jìn)入下一步進(jìn)程。未設(shè)定預(yù)約時間的，默認(rèn)達(dá)到預(yù)約時間。預(yù)約時間達(dá)到后，將測量水溫與水溫下限進(jìn)行比較，若測量溫度低于下限溫度，蜂鳴器報警，單片機(jī)將改變輸出電平來驅(qū)動加熱繼電器觸頭閉合，使加熱裝置所在電路閉合，將水箱內(nèi)的水加熱到上限溫度后，蜂鳴器報警，回路斷開；若測量溫度高于下限溫度、低于上限溫度，單片機(jī)不發(fā)送指令；若測量溫度高于上限溫度，蜂鳴器報警。應(yīng)當(dāng)注意，先進(jìn)行水位檢測后再進(jìn)行溫度檢測，防止熱水器干燒而發(fā)生危險。這樣無論在哪種天氣條件下，都能給用戶提供達(dá)到預(yù)期的使用體驗。程序流程如圖4-2。圖4-2主程序流程圖4.2.2溫度檢測子程序設(shè)計溫度檢測功能由DS18B20實(shí)現(xiàn)，包括對DS18B20的初始化、讀取溫度、溫度轉(zhuǎn)換等操作。流程如圖4-3。圖4-3溫度檢測子程序流程圖4.2.3加熱子程序設(shè)計檢測DS18B20測得的溫度是否達(dá)到限定值，以此來判斷是否開啟輔助加熱裝置。流程如圖4-4。圖4-4加熱子程序流程圖4.2.4上水子程序設(shè)計檢測液位傳感器測得的液位是否達(dá)到限定值，以此來判斷是否開啟加水裝置。流程如圖4-5。圖4-5上水子程序流程圖4.2.5顯示子程序設(shè)計采用液晶顯示器LCD1602顯示檢測得到的水溫、上、下限水溫，定時時間。流程如圖4-6。圖4-6顯示子程序流程圖5仿真與調(diào)試5.1仿真軟件Proteus軟件是由英國LabCenterElectronics公司開發(fā)的EDA工具軟件。Proteus軟件的功能強(qiáng)大，它集電路設(shè)計、制版及仿真等多種功能于一身，具有原理布圖、PCB自動或人工布線、電路仿真等功能，不僅可以設(shè)計和分析涉及電氣和電子技術(shù)學(xué)科的電路，還能夠?qū)ξ⑻幚砥鬟M(jìn)行設(shè)計和仿真。Proteus軟件界面如圖5-1所示：圖5-1Proteus軟件界面仿真調(diào)試方法原則有兩種。第一種是邊安裝邊調(diào)試的方法，它是把復(fù)雜的電路按原理框圖上的功能分成單元進(jìn)行安裝和調(diào)試，在單元調(diào)試的基礎(chǔ)上逐步擴(kuò)大安裝和調(diào)試的范圍，最后完成整機(jī)調(diào)試，這種方法在新設(shè)計的電路中比較常用，可以及時糾正錯誤，避免造成更大的失誤。第二種整體測試的方法，即整個電路系統(tǒng)全部安裝完畢后，進(jìn)一次性調(diào)試，這種方法節(jié)約時間，縮短工期，比較適用于電路相對來說比較簡單，系統(tǒng)不復(fù)雜的電路調(diào)試。5.2系統(tǒng)仿真與設(shè)置系統(tǒng)硬件上主要是用AT89C51芯片，用以控制整個控制系統(tǒng)的運(yùn)行，再利用單片機(jī)上各個引腳連接其他模塊，從而分別控制其他模塊，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能需要。從DS18B20溫度傳感器中讀入溫度，在LCD1602液晶屏上實(shí)時顯示；以但單刀雙擲開關(guān)模擬導(dǎo)電式液位傳感器在水箱內(nèi)的浸沒狀態(tài)，以此反映水位高低。同時，可以通過四個按鍵設(shè)置水溫上、下限，預(yù)約時間。當(dāng)溫度、水位超出限定值時，繼電器驅(qū)動模塊啟動，繼電器觸頭閉合，二極管模擬的上水、加熱電路導(dǎo)通，達(dá)到預(yù)值后繼電器復(fù)位斷開，電路斷開。仿真電路圖如圖5-2所示。圖5-2仿真電路圖5.2.1按鍵設(shè)置圖5-3按鍵設(shè)置電路圖圖5-3是按鍵設(shè)置電路，四個按鍵用以設(shè)定水溫上、下限，定時時間。SET按下一次，進(jìn)入設(shè)置模式，每按一次，分別進(jìn)入定時時間設(shè)置、水溫上限設(shè)置、水溫下限設(shè)置，并通過ADD“+”數(shù)值，SUB“-”數(shù)值；OK確認(rèn)設(shè)置并返回到工作界面。5.2.2溫度調(diào)試圖5-4溫度調(diào)試電路圖圖5-4是溫度調(diào)試電路，其中系統(tǒng)溫度上限為35℃，下限為29℃，數(shù)值可通過按鍵模塊調(diào)節(jié)。當(dāng)調(diào)節(jié)DS18B20降低溫度為27℃，此時，測量溫度超出溫度下限，蜂鳴器報警一次，單片機(jī)P1.0端口輸出為低電平，三極管導(dǎo)通，繼電器得電，吸引常開觸頭閉合，D2模擬加熱裝置所在電路導(dǎo)通，開始加熱水箱；當(dāng)加熱一段時間后，水箱水溫達(dá)到溫度上限，蜂鳴器報警一次，單片機(jī)P1.0端口輸出為高電平，三極管關(guān)斷，繼電器觸頭復(fù)位，加熱電路斷開，停止加熱，此時溫度為35℃。這樣可以避免過度燃燒而造成浪費(fèi)。當(dāng)調(diào)節(jié)DS18B20溫度高于溫度下限時，加熱模塊不啟動。設(shè)計時，規(guī)定上限溫度始終大于下限溫度，若強(qiáng)行設(shè)置，按鍵模塊不執(zhí)行相關(guān)操作。5.2.2水位調(diào)試圖5-5水位調(diào)試電路圖圖5-5是水位調(diào)試電路，其中水位上、下限是由液位傳感器的安裝位置決定的。上、下液位傳感器將儲水箱分為三個部分，低水位、正常水位和高水位，通過分析傳感器是否浸沒在水中來判斷水位高低。SW1和SW2均斷開表示上、下液位傳感器均未浸入水中，此時為低水位，測量水位超出下限水位，單片機(jī)P1.3端口輸出為低電平，D1缺水指示燈亮，三極管導(dǎo)通，繼電器得電，吸引常開觸頭閉合，D3模擬上水裝置所在電路導(dǎo)通，開始上水；當(dāng)注水一段時間后，SW2閉合，水箱水位達(dá)到上限水位，單片機(jī)P1.3端口輸出為高電平，三極管關(guān)斷，繼電器觸頭復(fù)位，上水電路斷開，停止注水。當(dāng)SW1閉合時，水位正常，加水模塊不啟動。設(shè)計時，不允許SW1斷開的同時SW2閉合，否則蜂鳴器報警，提示錯誤。總結(jié)與展望本設(shè)計以AT89C51單片機(jī)為核心部件，DS18B20溫度傳感器、導(dǎo)電式液位傳感器完成對水位、水溫信號的采集、處理等；LCD1602液晶顯示屏完成了對儲水箱內(nèi)的水溫、溫度上、下限以及定時時間的顯示；繼電器驅(qū)動模塊完成低水位自動上水，水溫過低電加熱功能的實(shí)現(xiàn)；按鍵模塊完成了溫度、定時時間的設(shè)定；聲光報警模塊完成了對溫度超出限值、低液位等情況的警報。本次畢業(yè)設(shè)計耗時三個月完成，包括前期搜集資料、參考文獻(xiàn)，構(gòu)建設(shè)計框架、確定系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，確定元器件選型、搭建電路、設(shè)計軟件，進(jìn)行調(diào)試、完善設(shè)計，以及后期完成對論文的撰寫。在整個設(shè)計的過程，不僅鞏固了大學(xué)期間所學(xué)的理論知識，而且還自主學(xué)習(xí)了許多課外的專業(yè)知識。并且學(xué)會了熟練使用AD、Proteus、Visio、Keil等專業(yè)相關(guān)軟件，對未來走上工作崗位大有幫助。同時我也了解到理論聯(lián)系實(shí)際的重要性，切忌眼高手低。就傳感器來說：由于此系統(tǒng)依賴傳感器，因此對傳感器的穩(wěn)定性、抗干擾能力和線性度等方面有嚴(yán)格的要求，但是傳感器的性能越好，其價格也就越高。所以不能一味的追求高性能，要結(jié)合實(shí)際，選擇最為合適傳感器，以性價比高為原則，用最小的代價設(shè)計出最優(yōu)的系統(tǒng)。大學(xué)四年的學(xué)習(xí)生活隨著畢業(yè)設(shè)計的完成也接近尾聲了 ，回首這人生中最為璀璨的時光，將曾經(jīng)的懵懂學(xué)子雕琢成朝氣蓬勃、蓄勢待發(fā)的青年，這四年所學(xué)習(xí)的知識和美好的回憶將化為我前進(jìn)的動力，破除萬難，砥礪前行。

參考文獻(xiàn)[1]汪東霞,李沙沙,千志科.基于單片機(jī)的太陽能電熱水器控制系統(tǒng)[J].湖北農(nóng)機(jī)化,2020(15):105-107.[2]葉凡鵬.太陽能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計[J].輕工科技,2020,36(07):103-104+106.[3]黃旭東,鄭穎.基于單片機(jī)的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計[J].時代農(nóng)機(jī),2020,47(04):88+93.[4]孫浩文.智能家居太陽能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計[J].微型電腦應(yīng)用,2019,35(10):86-89.[5]鐘衛(wèi)連.基于單片機(jī)的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子世界,2019(12):191-192.[6]劉鑫海,夏清華.基于51單片機(jī)的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2018(35):94-97.[7]沈凱.基于單片機(jī)的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計[J].山東工業(yè)技術(shù),2017(09):59-60.[8]禹國剛.基于單片機(jī)的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計[J].設(shè)備管理與維修,2017(04):29-31.[9]周雪林.基于單片機(jī)和傳感器的太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)[J].電子世界,2018(10):172-173.[10]孫濱,姜傳林,陳元勇.基于STC單片機(jī)的太陽能熱水器智能節(jié)水控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電子技術(shù),2015,44(02):52-54+51.[11]張明華.基于單片機(jī)的熱水器智能控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子制作,2015(06):8.附錄A電氣原理圖附錄B仿真圖附錄C程序//程序頭函數(shù)#include<reg52.h>//顯示函數(shù)#include<display.h>//宏定義#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar//管腳聲明sbitjdq=P1^0; //加熱繼電器sbitshui=P1^3;//加水繼電器sbitFeng=P2^6;//蜂鳴器//按鍵sbitKey1=P1^4; //設(shè)置sbitKey2=P1^5; //加sbitKey3=P1^6; //減sbitKey4=P1^7; //確定 sbitshang=P3^7;//上限sbitxia=P3^6;//下限sbitDQ=P2^2; //定義DS18B20總線I/Osignedcharw,bj,bjx,bjd; //溫度值全局變量uintc; //溫度值全局變量bitbdataflag=0,flag_BJ,flag_off=1,que;//設(shè)置變量ucharxx=29;//下限ucharsx=35;//上限intds=0;ucharMode=0;voiddelay(uintz){ uinti,j; for(i=0;i<z;i++) for(j=0;j<121;j++);}/*****延時子程序*****/voidDelay_DS18B20(intnum){while(num--);}/*****初始化DS18B20*****/voidInit_DS18B20(void){unsignedcharx=0;DQ=1;//DQ復(fù)位Delay_DS18B20(8);//稍做延時DQ=0;//單片機(jī)將DQ拉低Delay_DS18B20(80);//精確延時，大于480usDQ=1;//拉高總線Delay_DS18B20(14);x=DQ;//稍做延時后，如果x=0則初始化成功，x=1則初始化失敗Delay_DS18B20(20);}/*****讀一個字節(jié)*****/unsignedcharReadOneChar(void){unsignedchari=0;unsignedchardat=0;for(i=8;i>0;i--){DQ=0;//給脈沖信號dat>>=1;DQ=1;//給脈沖信號if(DQ)dat|=0x80;Delay_DS18B20(4);}return(dat);}/*****寫一個字節(jié)*****/voidWriteOneChar(unsignedchardat){unsignedchari=0;for(i=8;i>0;i--){DQ=0;DQ=dat&0x01;Delay_DS18B20(5);DQ=1;dat>>=1;}}/*****讀取溫度*****/unsignedintReadTemperature(void){unsignedchara=0;unsignedcharb=0;unsignedintt=0;floattt=0;Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC);//跳過讀序號列號的操作WriteOneChar(0x44);//啟動溫度轉(zhuǎn)換Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC);//跳過讀序號列號的操作WriteOneChar(0xBE);//讀取溫度寄存器a=ReadOneChar();//讀低8位b=ReadOneChar();//讀高8位t=b;t<<=8;t=t|a;tt=t*0.0625;t=tt*10+0.5;//放大10倍輸出并四舍五入return(t);}/*****讀取溫度*****/voidcheck_wendu(void){ c=ReadTemperature()-5; //獲取溫度值并減去DS18B20的溫漂誤差 w=c/10; //計算得到整數(shù)位 if(w<0){w=0;} //設(shè)置溫度顯示上限 if(w>99){w=99;} //設(shè)置溫度顯示上限}voidKey(){ //模式選擇 if(Key1==0) { while(Key1==0); Feng=0; Mode++; Display_wd(); if(Mode==4) { Mode=1; Feng=1; } write_com(0x38);//屏幕初始化 write_com(0x0d);//打開顯示無光標(biāo)光標(biāo)閃爍 write_com(0x06);//當(dāng)讀或?qū)懸粋€字符是指針后一一位 switch(Mode) { case1: { write_com(0x80+15);//位置 Feng=1; break; } case2: { write_com(0x80+0x40+5);//位置 Feng=1; break; } case3: { write_com(0x80+0x40+14);//位置 Feng=1; break; } } } if(Key2==0&&Mode!=0) { while(Key2==0); Feng=0; switch(Mode) { case1: { if(ds<999) { ds++; write_com(0x80+13); write_data('0'+ds/100); write_data('0'+ds/10%10); write_data('0'+ds%10); write_com(0x80+15);//位置 } Feng=1; break; } case2: { if(sx<99-1) { sx++; write_com(0x80+0x40+4); write_data('0'+sx/10%10); write_data('0'+sx%10); write_com(0x80+0x40+5);//位置 } Feng=1; break; } case3: { if(xx<sx-1) { xx++; write_com(0x80+0x40+13); write_data('0'+xx/10%10); write_data('0'+xx%10); write_com(0x80+0x40+14);//位置 } Feng=1; break; } } } if(Key3==0&&Mode!=0) { while(Key3==0); Feng=0; switch(Mode) { case1: { if(ds>0) { ds--; write_com(0x80+13); write_data('0'+ds/100); write_data('0'+ds/10%10); write_data('0'+ds%10); write_com(0x80+15);//位置 } Feng=1; break; } case2: { if(sx>xx+1) { sx--; write_com(0x80+0x40+4); write_data('0'+sx/10%10); write_data('0'+sx%10); write_com(0x8