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1、 大学工程学院 毕业设计（论文）题 目 基于单片机的太阳能 热水器控制系统的设计系 别 电力工程系 专 业 电气工程与其自动化 班 级 电本0824 姓 名 指导教师 下达日期2012年 2月20日设计时间自2012年 2月20日 至2012年5月25日84 / 92毕业设计（论文）任务书一、设计题目：1、题目名称 基于单片机的太阳能热水器控制系统的设计2、题目来源 自备二、目的和意义通过对一个基于单片机的能实现太阳能热水器控制系统的设计，从而达到学习、了解单片机的各方面的应用，太阳能热水器的工作原理与实现方法。系统由主控制器AT89C51、时钟电路DS1302、显示电路、按键电路、和复位电路
2、等部分构成，能实现时钟（时、分、秒）显示的功能与对温度的显示与控制等。三、原始资料太阳能热水器说明书四、设计说明书应包括的容1、太阳能热水器的发展2、太阳能热水器的组成与工作原理3、控制系统的软、硬件实现4、编写的控制程序等。五、设计应完成的图纸1、太阳能热水器控制系统的原理图2、太阳能热水器控制系统的PCB图六、主要参考资料1、太阳能热水器说明书2、单片机原理、应用与c51程序设计 清华大学七、进度要求1、设计阶段 第 1 周（ 2 月 20 日）至第14 周（ 5 月 26 日）共 14 周2、答辩日期 第 14 周（ 2012 年 5 月 26 日） 3、实习阶段 第 15 周（ 5 月
3、 28 日）至第18 周（ 6 月 22 日）共 3 周八、其它要求针对现场对太阳能热水器的要求进行控制系统方面的设计，主要包括水温显示、定时上水、防冻功能、恒温控制、时钟显示的功能等。基于单片机的太阳能热水器控制系统的设计摘要太阳能热水器以其诸多的优点受到人们的欢迎。本文结合实际太阳能热水器的具体应用，在介绍太阳能、单片机的特点基础上，详细描述了太阳能热水器的工作原理和设计方案。这里根据太阳能热水器对控制器的要求与特点，提出了一种基于单片机的太阳能热水器智能控制器的设计方法，给出了系统硬件设计与软件实现方法。全文分三大部分。第一部分包括第一章，描述太阳能的利用和前景发展状况。第二部分包括第二
4、章，描述太阳能系统组成与工作原理。第三部分包括第三、四章硬件设计与电路原理和软件设计，分别介绍了一般的太阳能热水器与循环系统、单片机发展和原理，这也是此款太阳能热水器的理论基础和必要前提。关键词：太阳能热水器;实时时钟;单片机 Design of control system for Solar Water Heaterbased on SCMAbstractSolar Water Heater is popular with its pretty benefits, Based on authors real experience on Solar Water Heater design,
5、this article describes the working theory of this solar water hearer after introducing the characters of solar、Single Chip Microcomputer(SCM).According to the request and characteristic of Solar Water heater for the controller. Providing a design ofIntelligent Con- troller for Solar Water heater bas
6、ed on SCM. Sum up a design way of the systems hardware and software. This article is divided into 3 parts. Part One is Chapter 1,including the use and perspective of solar energy. Part Two, including Chapter 2, describing the including and the theory of this solar water heater. Part three, including
7、 Chapter 3,Chapter 4: the design of hardware and software、the theory of the circuit. Separately introducing common solar water heater and cycle system, the development and theory of Single ChipMicrocomputer(SCM),which are the basic theory and necessary precondition.Key Words：Solar Water Heater；Real
8、clock；Single Chip Microcomputer(SCM)目 录摘要IABSTRACTII前言V第1章绪论11.1 太阳能热水器的发展背景与意义11.2 太阳能热水器的主要功能2第2章：太阳能热水器的组成与工作原理42.1 太阳能热水器组成与原理42.2 主要芯片的结构与特点52.2.1 AT89C51单片机结构特点52.2.2 74HC595与74HC138介绍72.2.3 DS1302实时时钟芯片简介8第3章：太阳能热水器硬件设计113.1 太阳能控制器硬件结构113.2 控制器实时时钟接口电路113.3 温度检测与A/D转换123.4 看门狗和复位接口电路的设计143.5
9、键盘和显示接口电路的设计153.5.1 键盘电路153.5.2 显示接口电路的设计163.6 水位传感器18第4章：控制器的软件设计204.1 主程序设计20结论21参考文献22附录一 PCB元件材料23附录二程序24附录三 NTC103F3950 温度阻值对照表32附录四原理图与PCB图35英文文献37中文翻译43指导教师评语表47前 言随着微电子技术的高速发展，单片机在国民经济的个人领域得到了广泛的运用。单片机以体积小、功能全、性价比高等诸多优点，在工业控制、家用电器、通信设备、信息处理、尖端武器等各种测控领域的应用中独占鳌头，单片机开发技术已成为电子信息、电气、通信、自动化、机电一体化等
10、专业技术人员必须掌握的技术。太阳能热水器是以太阳能作为能源进行加热的热水器。一般家用太阳能热水器需要自动或半自动运行，控制系统是不可少的，常用的控制器是自动上水、水满断水并显示水温和水位，带电辅助加热的太阳能热水器还有漏电保护、防干烧等功能。目前市场上有手机短信控制的智能化太阳能热水器，具有水位水位查询、故障报警、启动上水、关闭上水、启动电加热等功能，方便了用户。其温度控制部分是单片机实验中一个很常用的题目。因为它有很好的开放性和可发挥性，因此对作者的要求比较高，不仅考察了对单片机的掌握能力更加强调了对单片机扩展的应用。而且在操作的设计上要力求简洁，功能上尽量齐全，显示界面也要出色。所以，对其
11、温度控制的设计是很有价值的。王涛二一二年五月第1章 绪论1.1 太阳能热水器的发展背景与意义目前，中国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国，年产量约为世界各国之和，已有一百多家太阳能热水器生产厂。但是与之配套的太阳能热水器控制器却一直处在研究与开发阶段，当由于天气原因而光强不足时，就会给热水器用户带来不便；即使热水器具有辅助加热功能，由于加热时间不能控制而浪费大量的电能。温度控制采用模糊控制，控制器可以根据天气情况利用辅助加热装置使蓄水箱的水温在设定时间达到预先设定的温度，从而达到24小时供应热水的目的。太阳能热水器是太阳能利用中最常见的一种装置，经济效益明显，正在迅速的推广应用，太阳能热水器
12、能够将太阳辐射能转换热能，供生产和生活使用。它主要由平板集热器、蓄水器和连接管道等部件组成，可分循环式、直流式和闷晒式。太阳能热水器环保、无污染，人们用着安全放心。利用太阳的能源，大量节约现有的能源，是以后能源发展的趋势。原有的燃气热水器和电热水器虽然加热速度比较快，但是所用的煤和气都会对环境造成一定的污染，而且会使室的空气变得不清新，电热水器的功率较大，对长期使用的一般家庭来说必定会带来一定的经济困难，是一笔相当大的开销。太阳能热水器安全、环保、经济，带有辅助加热功能的热水器可在全年的任何时候使用，设计一个控制器来帮助人们了解水的温度和热水器中水位的高低，使人们清楚的使用。先前国外大多数家庭
13、使用的太阳能热水器只是纯粹的太阳能加热问题，还没有其他的智能控制方面，在没有太阳的天气中没有足够的能源使水箱中的水加到最热。其次对太阳能热水器中的水位没有记录，使人们不能与时知道水箱中的水量，以便补充，缺乏自动性。如今大多数的家庭太阳能都装有水位监测和水温测量、显示的功能，使用更加方便。近年来，利用太阳能和其它能源的结合，使得太阳能热水器更加的完善，在任何天气情况下都能使用到热水。此款热水器包括主、从两大系统：主系统的特点是在晴好的天气利用太能为热水器加热；从系统相当于电热水器，它在无光照的情况下利用电辅助加热。它充分利用太阳能的丰富的免费的资源的优势，同时考虑到在阴天与夜间无法利用太阳能的缺
14、点，充分发挥太阳能热水器和电热水器的各自优势，这是世面上大部分热水器所不能比拟的。当今社会发展日新月异，人们衣食住行也在不断的提高。现有电热型热水器费用昂贵与燃气型的不安全性，且排放二氧化碳污染大气，北方用煤气取暖造成城市空气环境污染，这些都是太阳能热水器良好的外部生存环境。太阳能热水器克服了上述缺点，他是绿色环保产品。它使用简单、方便。太阳能热水器顺着时代发展的要求，满足人们对环保绿色产品的需求。在人类文明程度日益提高的今天，它是现代文明社会的最佳选择。应该注意到，集体单位对太阳能热水器的需用量很大。众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭，没有污染的巨大能源。随着世界上煤、石油、天然气的存储量
15、日益减少，能源危机已日益增长，环境污染的危机已威胁着生态平衡，太阳能开发利用的课题已提到人类的面前。有人预测：二十一世纪太阳能将由辅助能源上升为主要能源。但由于太阳能的分散性、季节性和地区性又给太阳能利用带来重重困难，有些技术难点尚未突破，产品造价偏高，因而尚未被人们大规模使用。在太阳能热利用技术中，太阳能热水器是技术上比较成熟、造价比较低廉的产品，同时给人民提供低耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。世界各国的太阳能热水器生产发展也很快。例如：澳大利亚政府规定，在北部地区新建房屋一定要设置太阳能热水器，已经有25的新住宅安装了太阳能热水器。日本现在每年安装太阳能热水器近50万台，
16、计划今后普与率更高。有些国家法令规定所有新建筑物必须配备太阳能热水器。太阳能热水器的推广应用与经济效益据不完全统计，迄今全国太阳能热水器累计安装使用总量已达到300万平方米以上。所以该控制器具有使用方便、性价比高、工作可靠、精度高等特点，为太阳能热水器的进一步推广具有积极的推动作用。本设计主要利用单片机为核心，选择热敏电阻NTC10K，将检测的模拟信号经过A/D转换后送入单片机处理。通过LED数码管来显示温度和水位。要经过几部分的设计来完成：（1）LED数码管显示部分设计 （2）A/D转换部分设计（3）温度采集部分设计（4）控制加热和上水电路设计从系统需要和研究容可以看出，本设计需要做的主要工
17、作有：查阅相关资料，了解各部分功能原理。查阅元器件资料，掌握器件工作原理和硬件实现方法。1.2 太阳能热水器的主要功能图1-1 运行图（1）数码管水温水位显示：集热器顶部温度处显示集热器顶部温度T1，集热器底部温度处显示集热器底部温度T2，集热器底部温度处显示储热水箱温度T3，水箱温度处显示恒温水箱温度T4，水箱温度处显示用户管路温度T5，按向下键一次集热器顶部温度处显示温度T6，时钟处显示实时时钟，定时时间处显示定时加热时间和定时上水时间，状态显示区显示各种外接负载的运行状态。（2）温差循环：当集热器顶部温度与储热水箱温度之差T1-T37（可调）时，水泵P1打开，进行循环，当T1-T340（
18、可调）水位小于6格，且电磁阀E1不启动时，启动泵P3，当T390（可调）时，P1不启动（按泵循环按键可启动P1，5分钟后停）；当T125MHz；标准串行（ SPI ）接口；CMOS 串行输出，可用于多个设备的级联；低功耗： TA =25 时， Icc=4 A （ MAX ）三、管脚定义、说明图2-4 74HC595管脚图表2-3 75C595管脚说明管脚编号管脚名说明1、2、3、4、5、6、7、15O0O7三态输出管脚8 GND电源地9QH清零端10SRCLR移位寄存器清零端11SRCLK数据输入时钟线12RCLK输出存储器锁存时钟线13OE输出使能14SER数据线16VCC电源端74HC13
19、8介绍一、 概述与特点74HC138是一款高速CMOS器件，74HC138引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。74HC138译码器可接受3位二进制加权地址输入（A0, A1和A2），并当使能时，提供8个互斥的低有效输出（Y0至Y7）。74HC138特有3个使能输入端：两个低有效（E1和E2）和一个高有效（E3）。除非E1和E2置低且E3置高，否则74HC138将保持所有输出为高。利用这种复合使能特性，仅需4片74HC138芯片和1个反相器，即可轻松实现并行扩展，组合成为一个1-32（5线到32线）译码器。任选一个低有效使能输入端作为数据输入，而把其余的使能输入端作为选通端，则74HC
20、138亦可充当一个8输出多路分配器，未使用的使能输入端必须保持绑定在各自合适的高有效或低有效状态。74HC138与74HC238逻辑功能一致，只不过74HC138为反相输出。CD74HC138 ，CD74HC238和CD74HCT138 ，CD74HCT238是高速硅栅CMOS解码器，适合存地址解码或数据路由应用。74HC138 作用原理于高性能的存贮译码或要求传输延迟时间短的数据传输系统，在高性能存贮器系统中，用这种译码器可以提高译码系统的效率。将快速赋能电路用于高速存贮器时，译码器的延迟时间和存贮器的赋能时间通常小于存贮器的典型存取时间，这就是说由肖特基钳位的系统译码器所引起的有效系统延迟
21、可以忽略不计。HC138 按照三位二进制输入码和赋能输入条件，从8 个输出端中译出一个低电平输出。两个低电平有效的赋能输入端和一个高电平有效的赋能输入端减少了扩展所需要的外接门或倒相器，扩展成24 线译码器不需外接门；扩展成32 线译码器，只需要接一个外接倒相器。在解调器应用中，赋能输入端可用作数据输入端。二、主要特性电压 2.06.0V ；驱动电流 5.2mA ；传输延迟 12ns5V；逻辑电平 CMOS；功耗考量 低功耗或电池供电应用 ；封装与引脚 SO16、SSOP16、DIP16、TSSOP16表2-4 74HC138管脚说明三、 管脚定义、说明管脚编号管脚名说明7、9、10、11、1
22、2、13、14、15Y0Y7输出管脚1、2、3 A0A2输入管脚4、5、6E1E3使能端8GND电源地16VCC电源图2-5 74HC138管脚图2.2.3 DS1302实时时钟芯片简介实时时钟电路DS1302是DALLAS公司的一种具有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通32.768kHz晶振。一、 DS1302的结构与工作原理DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。采用三
23、线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302部有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。 二、 引脚功能与结构表2-5 DS1302引脚功能表管脚编号管脚名说明1Vcc2主电源2、3 X1、X2震荡源，外接32768Hz晶振4GND电源地5RST复位/片选线6I/O串行数据输入/输出端（双向）7SCLK串行数据输入端8Vcc1后备电源图2-6 DS1302引脚图DS1302的引脚排列,其中Vcc1为后
24、备电源，Vcc2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。当Vcc2大于Vcc1+0.2V时，Vcc2给DS1302供电。当Vcc2小于Vcc1时，DS1302由Vcc1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线，通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，
25、则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在Vcc2.0V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)，后面有详细说明。SCLK为时钟输入端。 三、 DS1302的控制字节DS1302 的控制字如图2-7所示。控制字节的最高有效位(位7)必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入DS1302中，位6如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据；位5至位1指示操作单元的地址；最低有效位(位0)如为0表示要进行写操作，为1表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。 图2-7 DS1302控制字节图四、
26、 数据输入输出(I/O)在控制指令字输入后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302，数据输入从低位即位0开始。同样，在紧跟8位的控制指令字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据，读出数据时从低位0位到高位7。 五、 DS1302的寄存器DS1302有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历、时钟相关，存放的数据位为BCD码形式,其日历、时间寄存器与其控制字见表2-6。 表2-6 日历、时间寄存器与其控制字寄存器名称命令字取值围各位容写操作 读操作7 6 5 4 3 2 1 0 秒寄存器 80H 81H0059 CH 10SFC SEC 分寄存器 82H 83H0059
27、0 10MIN MIN时寄存器 84H 85H0112或002312/24 0 10 HR HR日寄存器 86H 87H0128，29，30，31 0 0 10 DATE DATE月寄存器 88H 89H0112 0 0 0 10M MONTH周寄存器 8AH 8BH0107 0 0 0 0 0 DAY年寄存器 8CH 8DH0099 10YEAR YEAR此外，DS1302 还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器与与RAM相关的寄存器等。时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器容。 DS1302与RAM相关的寄存器分为两类：一类是单个RAM单元，共31个，每个
28、单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为C0HFDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；另一类为突发方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字为FEH(写)、FFH(读)。第3章：太阳能热水器硬件设计3.1 太阳能控制器硬件结构图3-1 系统总体硬件框图系统总体硬件框图与工作原理：经过对所要设计的控制系统的功能要求进行分析，可以得到系统的总体硬件设计框图，如图3-1所示。由系统的总框图可以看出该系统的工作原理为：单片机89C51作为控制核心并协调整个系统的工作，通过数字温度传感器检测当前水的温度，数字信号直接送入单片机89C51，通过单片机的处理在LED数码管
29、上显示当前的温度值。另外一路是在水箱中的水位传感器测水的压力从而得到水位的高低，水位传感器输出的是05V的模拟量，要经过A/D转换成为数字量再送入单片机89C51进行处理，在LED数码管上显示水位值。3.2 控制器实时时钟接口电路为实现热水器24小时供应热水的目的，控制器必须有一个实时时钟来为系统提供准确的基准时间；在软件设计上则要实时地读出当前时间，同设定时间比较，以决定系统工作状态。本系统采用美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路DS1302。它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。采用三线接口与CPU进行同
30、步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302部有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。3.3 温度检测与A/D转换温度检测主要采用热敏电阻NTC10K，并结合单片机的A/D转换功能，通过对电路中热敏电阻两端电压的计算，求出其对应的电阻阻值，通过NTC10K的温度与对应阻值表格（0-99）找出温度。一、 热敏电阻NTC10K的测温原理NTC（Negative Temperature CoeffiCient）是指随温度上升
31、电阻呈指数关系减小、具有负温度系数的热敏电阻现象和材料。该材料是利用锰、铜、硅、钴、铁、镍、锌等两种或两种以上的金属氧化物进行充分混合、成型、烧结等工艺而成的半导体瓷，可制成具有负温度系数（NTC）的热敏电阻。其电阻率和材料常数随材料成分比例、烧结气氛、烧结温度和结构状态不同而变化。现在还出现了以碳化硅、硒化锡、氮化钽等为代表的非氧化物系NTC热敏电阻材料。 NTC热敏半导瓷大多是尖晶石结构或其他结构的氧化物瓷，具有负的温度系数，电阻值可近似表示为： Rt = RT *EXP(Bn*（1/T-1/T0) 式中RT、RT0分别为温度T、T0时的电阻值，Bn为材料常数瓷晶粒本身由于温度变化而使电阻
32、率发生变化，这是由半导体特性决定的。 NTC的特性曲线如下图3-2所示：图3-2 NTC特性曲线图二、单片机的A/D转换 单片机的A/D转换口在P1口（P1.7-P1.0），有8路10位高速A/D转换器，速度可达250KHz（25万次/秒）。8路电压输入型A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D试用的口可继续作为I/O口使用。单片机A/D转换器的结构如下图3-3所示：图3-3 单片机A/D转换器的结构图当AUXR.1/ADRJ=0时，A/D转换结果寄存器格式如下：当AUXR.1/ADRJ=1时，A/D转换结果寄存器格式如下： ADC