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1、 扬 州 市 职 业 大 学毕 业 设 计（论 文）设计（论文）题目：太阳能热水器水位控制系统的研究与实践系 别：电子工程系专 业：通信技术班 级：09通信（3）姓 名：张威学 号：0906020338指导教师：杜洪林完成时间：2012.4.26目 录I引言3第1章 绪论4第2章 太阳能热水器介绍 52.1 太阳能热水器的概述52.2我国太阳能热水器发展历史5第3章 系统方案设计 63.1 方案一 63.2 方案二 63.3 方案比较7第4 章 硬件设计 74.1 测温电路设计 74.2水位监测电路设计124.3键盘电路设计134.4 显示电路设计174.5加热和加水电路的设计194.6报警电
2、路设计214.7电源电路设计21第5 章 软件设计235.1 程序设计分析235.2 程序流程图23结论24致谢25参考文献26附录A 电路仿真图27附录B 源程序28题目：太阳能热水器水位控制系统的研究与实践作者：张威I引言：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。世界上的媒、油、气的含量日益减少，能源危机越来越突出，环境污染也在威胁着生态平衡，太阳能开发的问题已摆在我们眼前。该太阳能热水器智能控制系统主要是由AT89C51单片机控制、DS18B20温度传感器、独立键盘、LED数码管和报警系统五大部分组成。此系统可以测量水温，并同时对水温进行控制，水温不处于预设的范围则报警
3、。同时还能对水位进行控制及自动加水，预先设置好需要加水的水位段数，单片机会根据这个数来进行判别是否需要加水。通过Protues软件仿真以上所述的功能都能正常实现。关键词： 太阳能热水器；传感器；AT89C51；温度控制；水位控制第1章 绪论随着经济发展，矿产能源的利用，世界上不可再生资源越来越少。世界经济的现代化，得益于石能源，如石油、天然气、煤炭与核裂变能的广泛投入使用。因而它是建筑在化石能源基础上的一种经济。然而由于这一经济的资源载体将在21世纪的上半叶迅速地接近枯竭。石油储量的综合计算，可支配化石能源的极限，大约为1180-1510亿吨，以1995年世界石油年开采量33.2亿吨计算，石油
4、储量大约在2050年左右宣告枯竭天然气储备估计在131800152900兆立方米。年开采量维持在2300兆立方米，将在5765年内枯竭。 煤的储量约为5600亿吨。1995年煤炭开采量为33亿吨，可以供应169年。 铀的年开采量目前为每年6万吨，根据1993年世界能源委员会的估计可维持到21世纪30年代中期。 核聚变到2050年还没有实现的希望。 化石能源与原料链条的中断，必将导致世界经济危机和冲突的加剧，最终葬送现代市场经济。 事实上，近10年来，中东及海湾地区与非洲的战争都是由化石能源的重新配置与分配而引发。这种军事冲突，今后还将更猛烈、更频繁；在国内，也可能出现由于能源基地工人下岗而引发
5、的许多新的矛盾和冲突。 总之，能源危机迟早会爆发；它的爆发将具有爆炸性！大力发展可再生能源 用可再生能源和原料全面取代生化资源，进行一场新的工业革命，不仅是出于生存的原因；与之相连的是世界经济可获得持续的发展。在这种世界经济中，高科技术和生态可以承载的区域性经济形式将得以发展。而太阳能既是一次能源，又是可再生能源。它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。第2 章 太阳能热水器介绍2.1 太阳能热水器的概述太阳能热水器把太阳光能转化为热能，将水从低温度加热到高温度，以满足人们在生活、生产中的热水使用。太阳能
6、热水器是由全玻璃真空集热管、储水箱、支架及相关附件组成，把太阳能转换成热能主要依靠玻璃真空集热管。集热管受阳光照射面温度高，集热管背阳面温度低，而管内水便产生温差反应，利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而达到所需热水。2.2 我国太阳能热水器发展历史我国自78年引进全玻璃真空集热管样管以来，经过20多年努力，攻克了热压封等许多技术难关，已经建立了拥有自主知识产权的现代化全玻璃真空集热管产业，用于生产集热管的磁控溅射镀膜机已有745台，产品质量达到世界先进水平，产量雄居世界首位。 1978年中国诞生第一台太阳能热水器，到1986年卧式磁控溅射镀膜机的设计制造，是在政策扶持下的研究开发阶段
7、。 1987年，我国制造了第一支全玻璃真空集热管。在之后的几年里，全玻璃和热管式真空管集热器实现了产业化，产业规模达到中试水平，为下一阶段产业的规模化奠定了良好的基础，成为产业的孕育发展阶段。 1993年太阳能产业进入初级发展阶段：由于成果转化需要很长一段时间的磨合，特别是受技术人员缺乏的影响，此阶段的产品质量有待于进一步提高，整体来讲，发展速度较为缓慢。这时候以山东力诺集团为主的真空管生产企业的产品占了真空管生产绝大部分市场。 1997-2001年太阳能产业得到高速发展，逐渐形成北京、鲁东、泰安、扬州、海宁等5个产业基地，并以此向周围不断辐射，产能得以迅速提升。继2004年，太阳雨将中国的真
8、空管太阳能产品第一次带出国门，到2008年上半年出口80个国家、销量继续以两倍速增长，力诺瑞特、桑乐、皇明等中国太阳能光热行业的龙头企业们也纷纷进军国际市场。除这些龙头企业外，以生长于常州和浙江一带为代表的部分中小企业，也在循着早年“浙商”闯荡世界的模式，携真空管产品的独有优势和他们惯有的的低价思维，早已经“漂洋过海”，在国际太阳能光热市场上形成了一定的冲击力；还有一些原来只专注于国内市场的企业，也开始参加广交会或不惜成本参加国外的一些专业性展会，以寻求在国际市场分得一杯羹。第3 章 系统方案设计3.1 方案一系统温度采集选用PTl00铂电阻温度传感器，PT100是铂热电阻，阻值随温度变化而改
9、变。PT后的100表示它在0时阻值为100欧姆，在100时它阻值约为138.5欧姆。工业原理：当PT100在0的时候他的阻值为100欧姆，阻值会随着温度上升成匀速增涨。采集的电压信号经集成运放LM324放大到2.O一5.0伏，转换结果由单片机处理。水位检测采用XYC-1型压力水位变送器进行液位值连续采集。XYC-1型压力式液位变送器内部采用进口高精度扩散硅敏感元件作为测量元件，敏感测量元件封装在全不锈钢探头里，通过高强度防水通气电缆与外部放大电路连接，采用直接驱动四位七段数码管显示，通过独立式键盘进行温度和水位控制，通过软件手段实现按键消抖。报警电路由一个蜂鸣器构成，结构简单。加热部分采用光电
10、隔离与辅助加热电路。3.2 方案二系统的温度采集选用采用温度传感器DS18B20，它是美国Dallas半导体公司生产的数字化温度传感器DS18B20，它支持“一线总线”接口的温度传感器，全部传感元件及转化电路集成在形如一只三极管的集成电路内。我们可以采用DS18B20采集温度，再进行温度数值转化，再在显示电路上显示。外围电路只需通过DS18B20进行接收温度，一个显示电路，一个报警电路。软件部分只需要采集温度，对温度进行转换，再用显示电路将其显示出来。很明显，环境对DS18B20影响不是很大，同时DS18B20的测量精度稳定并可用软件设置，接线简单，大大的为单片机节省了数据口。3.3 方案比较
11、本设计主要是从温度传感器进行考虑。传统的测温元件有热电偶和热电阻，但它们测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要较多的外部硬件，电路及软件的调试较为复杂，制作难度高。从以上两种方案中，很容易看出采用方案二所设计的电路相对来说较为简单， 采用一种智能温度传感器DS18B20作为检测元器件，测温范围-55125，分辨率最大可达0.0625。DS18B20可以直接读出被测温度值。采用3线制与单片机相连，减少了外部硬件电路，具有低成本和易使用的特点。本设计对水位检测要求不高，只须知道大概水位就可以了，因此从功能、材料、价格多方面考虑，只需用水位传感器检测出水位段即可。综上所述，最终决定采用方案二作
12、为设计方案。本设计方案系统可由主控制器（AT89C51）、显示电路、测温器件（DS18B20）、抽水电动机、发光二极管报警、按键、水位显示组成。总体结构框图如图3.1所示：图3.1 总体设计结构框图第4章 硬件设计4.1 测温电路设计（1）DS18B20的引脚图及方框图DS18B20的外形及管脚排列图如下图4.1所示。GND 地信号。DQ 数据输入/输出引脚。用在寄生电源下，可向器件提供电源。VDD 可选择的VDD引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。图4.1 DS18B20外形及引脚排列 DS18B20的方框图如图4.2所示:图4.2 DS18B20方框图（2）DS18B20主要性能和功
13、能特性描述1）DS18B20主要性能 独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。 测温范围 55125，固有测温分辨率0.5。 支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定，实现多点测温。 工作电源: 3-5V/DC。 在使用中不需要任何外围元件。 测量结果以9-12位数字量方式串行传送。 不锈钢保护管直径6。 用于DN15-25，DN40-DN250各种介质工业管道、小空间设备测温。 标准安装螺纹M10X1，M12X1.5，G1/2
14、任选。 PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线，便于与其它设备连接。2）DS18B20功能特性描述 DS18B20温度传感器内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性可电擦除的EERAM。高速暂存RAM结构为9字节存储器，结构如表4.1所示。头2个字节包含测得温度信息，第3、4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑第9字节读出前面所有8字节CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。第5字节为配置寄存器，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率。DS18B20工作时寄存器中的分辨率转换为相应精度的温度数值。该字节
15、各位的定义如表4.2所示。低5位都为1，TM是工作模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式，DS18B20出厂时该位被设置为0，用户可改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，来设置分辨率。如表4.3所示:表4.1 高速暂存RAM字节数123456789存储信息温度LSB温度MSBTH用户字节1TL用户字节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/位温度最大转向时间/ms00993.750110187.510113751112750表4.3 DS18B20温度转换时间表TMR1R011111由表4.2、4.3可见，DS18B20分辨率越高，所需要的温度数据转
16、换时间越长。当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换后，温度值就以16位带符号的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1、2字节。单片机可以通过单线接口读出该数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625LSB形式表示。DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例。其中S为符号位。DS18B20的温度值格式如表4.4所示：表4.4 DS18B20温度值格式表LSByteBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0MSByteBit15Bit14Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8SSSSS当符号位S0时，表示
17、测得的温度值为正值，可以直接将二进制位转换为十进制；当符号位S1时，表示测得的温度值为负值。表4.5是部分温度值对应的二进制度数据。表4.5 部分温度对应值表温度二进制表示十六进制表示+125000001111101000007D0H+8500000101010100000550H+25.062500000001100100000191H+10.125000000001010000100A2H+0.500000000000000100008H000000000000010000000H-0.51111111111110000FFF8H-10.1251111111101011110FF5EH-2
18、5.0251111111001101111FE6FH3）DS18B20供电方式DS18B20寄生电源供电方式电路DS18B20寄生电源供电电路，如图4.3所示，要想使DS18B20进行精确的温度转换，I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量，由于每个DS18B20在温度转换期间工作电流达到1mA，当几个温度传感器挂在同一根I/O线上进行多点测温时，靠上拉电阻是无法提供足够的能量，会造成无法转换温度或温度误差极大。因此，只适用于单一温度传感器测温，也不宜采用电池供电系统，并且电源电压必须保证是5V。当电源电压下降时，会使测量的误差变大。 图4.3 DS18B20 寄生电源供电电路 DS18B
19、20的外部电源供电方式DS18B20外部供电有单点测温电路和多点测温电路，单点测温电路如图4.4所示。此时I/O线不需要强上拉电压，同时在总线上可以挂接多个DS18B20传感器，组成多点测温系统。但要注意在外部供电的方式下DS18B20的GND引脚不能悬空，否则读取的温度总是85。 图4.4 DS18B20 外部供电单点测温电路比较上述两种供电方式后认为外部电源供电方式对电源要求比电源供电方式优越些且稳定性好，由于是家用，温度精度不需太过精准，故在此设计中采用外部电源供电方式供电单点测温电路。（3）测温电路的总成DS18B20是智能温度传感器，它的输入/输出采用数字量，以单总线技术，接收主机发
20、送的命令，根据DS18B20内部的协议进行相应的处理，将转换的温度以串口发送给主机。主机按照通信协议用一个IO口模拟DS18B20的时序，发送命令（初始化命令、ROM命令、功能命令）给DS18B20，并读取温度值，在内部进行相应的数值处理，用图形液晶模块显示各点的温度。当某点温度超过设置值时，报警器开始报警，从而实现了对各点温度的实时监控。如图4.5所示：图4.5 测温电路的设计4.2水位监测电路设计水位控制器是指通过机械式或电子式的方法来进行高低水位的控制，可以控制电磁阀、水泵等，成为水位自动控制器或水位报警器，从而来实现半自动化或者全自动化，方法有多种，根据选用不同的产品而不同。下面对电子
21、式水位开关加以介绍。电子式水位开关原理是通过电子探头对水位检测，再由水位检测专用芯片对检测到信号进行处理,当被测液体到达动作点时，芯片输出高或低电平信号，再配合水位控制器，实现对液位控制。不需浮球和干簧管,外部无机械动作,耐污耐用,不怕漂浮物影响，任意角度安装,竖向安装有一定防波浪功能，适宜长时间浸在水中,工作电压是直流5-24V，很安全。这种方式较实用，耐污，寿命长，安全。4.3 键盘电路设计键盘是若干个按键的集合，它是单片机系统中极常见的输入设备。（1）键盘分类键盘可以分为非编码（独立式）键盘和编码（矩阵式）键盘。矩阵式按键单片机系统中，若使按键较多时，通常采用矩阵式（也称行列式）键盘。矩
22、阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列线的交叉点上。矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关两端，行线通过上拉电阻接到5V上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这是识别按键是否按下关键。然而，矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。独立式按键单片机控制系统中，往往只需要几个功能键，此时，可采用独立式按键结构。 独立式按键是直接用I/O口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根I/O
23、 口线，每个按键的工作不会影响其它I/O口线的状态。 独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，因此，在按键较多时，I/O口线浪费较大，不宜采用。独立式按键软件常采用查询式结构。先逐位查询每根I/O口线的输入状态，如某一根I/O口线输入为低电平，则可确认该I/O口线所对应的按键已按下，然后，再转向该键的功能处理程序。本设计所用到的按键极少，故采用独立式键盘。（2）键盘控制程序键盘控制程序应具备以下功能： 检测有无按键按下，并采取硬件或软件措施，消除键盘按键机械触点抖动的影响。 有可靠的逻辑处理办法。每次只处理一个按键，其间对任何按键的操作对系统不产生影响，且无论一
24、次按键时间有多长，系统仅执行一次按键功能程序。 准确输出按键值（或键号），以满足跳转指令要求。机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间的触点机械 抖动，然后其触点才稳定下来。抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为510ms。在触点抖动期间检测按键的通与断状态，可能导致判断出错。即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判，必须采取去抖动措施，可从硬件、软件两方面予以考虑。在键数较少时，可采用硬件去抖，而当键数较多时，采用软件去抖。（3）按键消抖通常按键所用开关为机械弹性开关，当机械触点断开、闭合时，电
25、压信号小型如下图。由于机械触点弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定接通，在断开时也不会一下断开。因而在闭合及断开瞬间均伴随有一连串抖动，如下图。抖动时间的长短由按键的机械特性决定，一般为5ms10ms。这是一个很重要的时间参数，在很多场合都要用到。按键抖动如如图4.6所示： 图4.6 按键抖动按键稳定闭合时间的长短则是由操作人员的按键动作决定的，一般为零点几秒至数秒。键抖动会引起一次按键被误读多次。为确保CPU对键的一次闭合仅作一次处理，必须去除键抖动。在键闭合稳定时读取键的状态，并且必须判别到键释放稳定后再作处理。按键的抖动，可用硬件或软件两种方法。由于本次设计按键极少，所以采用硬件消
26、抖。在键数较少时可用硬件方法消除键抖动。图4.7所示的RS触发器为常用的硬件去抖。图中两个“与非”门构成一个RS触发器。当按键未按下时，输出为1;当键按下时，输出为0。此时即使用按键的机械性能，使按键因弹性抖动而产生瞬时断开（抖动跳开B），中要按键不返回原始状态A，双稳态电路的状态不改变，输出保持为0，不会产生抖动的波形。也就是说，即使B点的电压波形是抖动的，但经双稳态电路之后，其输出为正规的矩形波。这一点通过分析RS触发器的工作过程很容易得到验证。在单片机应用系统中，键盘扫描只是CPU的工作内容之一。CPU对键盘的响应取决于键盘的工作方式，键盘的工作方式应根据实际应用系统中CPU的工作状况而
27、定，其选取的原则是既要保证CPU能及时响应按键操作，又不要过多占用CPU的工作时间。通常，键盘的工作方式有三种，即编程扫描、定时扫描和中断扫描。 1）编程扫描方式 编程扫描方式是利用CPU完成其它工作的空余调用键盘扫描子程序来响应键盘输入的要求。在执行键功能程序时，CPU不再响应键输入要求，直到CPU重新扫描键盘为止。 键盘扫描程序一般应包括以下内容： 判别有无键按下。 键盘扫描取得闭合键的行、列值。 用计算法或查表法得到键值。 判断闭合键是否释放，如没释放则继续等待。 将闭合键键号保存，同时转去执行该闭合键的功能。2）定时扫描方式： 定时扫描方式就是每隔一段时间对键盘扫描一次，它利用单片机内
28、部的定时器产生一定时间（例如10ms）的定时，当定时时间到就产生定时器溢出中断，CPU响应中断后对键盘进行扫描，并在有键按下时识别出该键，再执行该键的功能程序。3）中断扫描方式 采用上述两种键盘扫描方式时，无论是否按键，CPU都要定时扫描键盘，而单片机应用系统工作时，并非经常需要键盘输入，因此，CPU经常处于空扫描状态，为提高CPU工作效率，可采用中断扫描工作方式。其工作过程如下：当无键按下时，CPU处理自己的工作，当有键按下时，产生中断请求，CPU转去执行键盘扫描子程序，并识别键号。图4.7 硬件消抖利用电容的放电延时，采用并联电容法，也可以实现硬件消抖。如图4.8所示：图4.8 硬件消抖（
29、4）键盘电路总成综上所述，采用浮子式开关和硬件消抖电路设计出的键盘电路如图4.9所示：图4.9 键盘电路的设计4.4显示电路设计LED发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个“P-N结”。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是
30、LED发光的原理。而光的波长决定光的颜色，是由形成P-N结材料的禁带宽度决定的。LED显示屏的发展可分为以下几个阶段：第一阶段为1990年到1995年，主要是单色和16级双色图文屏。用于显示文字和简单图片，主要用在车站、金融证券、银行、邮局等公共场所，作为公共信息显示工具。 第二阶段是1995年到1999年，出现了64级、256级灰度的双基色视频屏。视频控制技术、图像处理技术、光纤通信技术等的应用将LED显示屏提升到了一个新的台阶。LED显示屏控制专用大规模集成电路芯片也在此时由国内企业开发出来并得以应用。 第三阶段从1999年开始，红、纯绿、纯蓝LED管大量涌入中国，同时国内企业进行了深入的
31、研发工作，使用红、绿、蓝三原色LED生产的全彩色显示屏被广泛应用，大量进入体育场馆、会展中心、广场等公共场所，从而将国内的大屏幕带入全彩时代。 随着LED原材料市场迅猛发展，表面贴装器件从2001年面世，主要用在室内全彩屏，并且以其亮度高、色彩鲜艳、温度低的特性，可随意调整的点间距，被不同价位需求者所接受，在短短两年多时间内，产品销售额已超过3亿元，表面贴装全彩色LED显示屏应用市场进入新世纪。目前，LED显示屏的主要制造厂商集中在日本、北美等地，我国LED制造厂商出口的份额在其中微不足道。据不完全统计，世界上目前至少有150家厂商生产全彩屏，其中产品齐全，规模较大的公司约有30家左右。单片机
32、中常用7段LED显示数字，7段LED分共阴级和共阳极两种，共阴级7段LED的原理图和管脚配置图如图 4.10所示，共阳级7段LED的原理图和管脚配置图如图4.11所示。实际中，各个型号的7段LED的管脚配置可能不会是一样的，在实际应用中要先测试一下各个管脚的配置，再进行电路原理图的设计。图4.10 共阴极数码管 图4.11 共阳极数码管LED的静态显示虽然有编程容易、管理简单等优点，但是静态显示所要占的 I/O口资源很多，所以在显示的LED点较多的情况下，一般都采用动态显示方式。 在多位7段LED显示中，为了简化电路，降低成本，则将所有位的段选线并联在一起，刚好由8个I/O口来控制8个段。而公
33、共端（共阳极/共阴极）则分别由相应的 I/O口控制，以实现各个位的分时选通。 本设计中需要显示预设温度和实际温度，故采用2个2位7段LED显示，一个用于显示预设温度，另一个用于显示实际温度。这样就便于形象直观的表示出水温来。 综上所述，温度显示电路的设计如图4.12所示。图4.12 显示电路的设计4.5加热和加水电路的设计工业应用环境中存在着许多不小的瞬变脉冲，这些瞬变脉冲会影响到数据的传输，甚至伤害互连的设备，为了能够在高速现场总线通信得到无错误的数据传输，工业系统设计工程师必须要对这些干扰进行处理，通常会使用具有绝缘隔离功能的光电耦合器来维持数据的完整性并保护互连设备。光电隔离器亦称光电耦
34、合器、光耦合器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。 光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管，使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实
35、时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。 光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(SSR)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。光电隔离电路的作用是在电隔离的情况
36、下，以光为煤介传送信号，对输入和输出电路可以进行隔离。因而能有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰，有响应速度较快、寿命长、体积小耐冲击等好处，使其在强-弱电接口，特别是在微机系统的前向和后向通道中获得广泛应用。光电耦合器如图4.13所示，图中1/2是红外线发光管，4/5/6是光电三极管。加水电路部分的主要思路是通过单片机的端口控制电磁阀的通断从而控制流量以达到控制水位的目的。电磁阀是用来控制流体方向自动化基础元件，属于执行器；通常用于机械控制和工业阀门上，对介质方向进行控制，从而达到对阀门开关的控制。电磁阀工作原理：电磁阀里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，
37、两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来挡住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置动。这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动。电磁阀从原理上分为三大类： （1）直动式电磁阀原理：通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。 特点：在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm。 （2）分步直动式电磁阀 原理：它是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口没有压差时，通电后，电
38、磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。当入口与出口达到启动压差时，通电后，电磁力先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。 特点：在零压差或真空、高压时亦能工作，但功率较大，要求必须水平安装。 （3）先导式电磁阀 原理：通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭件周围形成上低下高的压差，流体压力推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，流体压力推动关闭件向下移动，关闭阀门。 特点：流体压力范围上限较
39、高，可任意安装，但必须满足流体压差条件。综上所述，加热和加水电路设计如图4.13所示：图4.13加热和加水电路的设计4.6报警电路设计本设计中由于是用于家用热水器，考虑到成本问题，故采用发光二极管报警，相较蜂鸣器而言，既降低了成本，也使设计简单化。图4.14中7407是六正向高压缓冲器/驱动器。它具有缓冲功能，同时也可以提高电流的驱动能力。7407有两种接法：（1）当电路共阳接法时，7407主要起着缓冲的作用，就是缓冲单片机的承受能力，如果，没有7407，那么单片机承受的电流能能力很小，那么的工作电流就受到了限制，亮度不够亮，而加上7407就可以缓冲单片机的灌电流，从而，可以减小限流电阻的值，
40、是流过二极管的电流增强，从而灯变的更亮。（2）当电路共阴极接法时，即将电源变成接地，二极管反接过来，这是单片机上拉电流被7407放大，来驱动灯。综上所述，报警电路如图4.14所示：图4.14 报警电路图4.7 电源电路设计本设计中除了市电AC220V外，均采用DC5V电源，因此只需要设计5V电源即可。该电路输入家用220v交流电，经过全桥整流，稳压后输出稳定的5v直流电。电源电路采用LM7805集成稳压器作为稳压器件，用典型接法，220V电源整流滤波后送入LM7805稳压，在输出端接一个470U和0.1U电容进一步滤除纹波，得到5V稳压电源。电路设计如图4.15所示：图4.15 5V直流电源设
41、计第5章 软件设计5.1 程序设计分析该太阳能热水器的工作流程是：开机进行温度水温设定，并在数码管上进行显示，然后通过浮子式水位计采集的实际水位与设定水位进行比较，如果水位较设定的水位低的话，进行加水，如果水位超过高水位或过低水位，进行水位的报警，接下来通过DS18B20采集到实际水温和设定的水温进行比较，当实际水温小于设定的水温的时候，进行加热，直至水温达到设定值。5.2 程序流程图本设计系统整体流程图如图5.1所示：开始对LED进行初始化扫描键盘执行键盘操作显示温度水位是否低于预设值打开电磁阀关闭电磁阀YESNO图5.1 程序流程图结论该控制器和以往显示仪相比具有性能价格比高、温度控制与显
42、示精度高、使用方便和性能稳定等优点。单片机控制系统具有低价、智能的优势，能够根据需求的不同而作相应的调整，更加个性化。同时，使用单片机控制系统能够节约能源，保护设备，延长设备的使用时间。该热水器具备以下特点：（1）结构简单、运行可靠、操作维护简便。（2）热源取之不尽用之不竭，不需要运输，节省燃料。（3）无污染，不会对周围环境造成任何影响。（4）热水产量受季节、地区纬度、采热面积、环境温度、供水温度。（5）风速、日照实际等因素影响较大。（6）该系统加装减压阀后可与锅炉配套使用，解决冬季用水。（7）不用考虑玻璃盖的防冻装置。在本次设计过程中，有一些可行的地方，当然也有一些不足的地方。在对于水位监测
43、部分做的不是很好，只设置了低水位和高水位，致使检测不是很精准。但这样大致上也不会影响设计的要求。可行的地方是，它在报警部分采用的是发光二极管，大大降低了制作成本，更适用于家庭。总之，无论从市场或技术抑或价格的角度来说，此款热水器具有很大的优势。它市场前景广阔、技术先进、价格合理、高度智能化，方便省事，是当前市面上热水器的升级产品。它不但适合于城乡民宅需求，还适用于写字楼、餐饮、娱乐、商业服务浴室、理发店、旅馆、招待所、托儿所、敬老院及外贸出口等各种需求。致谢 本课题在选题及研究过程中得到杜老师的悉心指导。杜老师多次询问研究进程，并为我指点迷津，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。杜老师一丝不苟的作风，严谨求实的态度，踏踏实实的精神，不仅授我以文，而且教我做人，虽历时
