家用太陽能熱水器智能控制系統(tǒng)

摘要如何很好的節(jié)約和利用能源，特殊是可持續(xù)能源，始終是人類所面臨的問題。所以探討智能化家庭住宅里的能源如何被更有效地節(jié)約和利用，也有著特別現(xiàn)實和長遠的意義。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限制系統(tǒng)主要是由AT89C51單片機限制、DS18B20溫度傳感器、獨立鍵盤、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，假如水溫不處于所設(shè)置水溫的范圍則報警。同時還能對水位進行設(shè)置及加水，預(yù)先設(shè)置好須要加水的水位段數(shù)，單片機會依據(jù)這個數(shù)來進行判別是否須要加水。通過Protues軟件仿真以上所述的功能都能正常實現(xiàn)。關(guān)鍵詞太陽能熱水器，傳感器，AT89C51，溫度限制，水位限制ABSTRACTToeconomizeandutilizeenergyresource,especiallythelastingenergyresource,isaproblemthathumankindhasfaced.Soitissorealisticandsignificanttoresearchhowtoeconomizeandutilizeenergyresourceishomeusing.AndtheSolarHeaterisagoodexampleineconomizingandutilizingenergyresource.Thedesignofsolarwaterheatersintelligentcontrolsystemismainlycomposedofsingle-chipAT89C51,DS18B20temperaturesensor,anindependentkeyboard,LEDandalarmsystem.Thesystemcanmeasureanddisplaywatertemperature,settherangeofwatertemperature,ifthewatertemperatureisnotintherangeofsettingtemperatureisalarming.Atthesametime,youcansetthewaterlevelandaddwater,first,needtosetupthewaterlevelabovethewater,single-chipwilldeterminewhetheraddthewaterornotaccordingtothenumber.TheusesofProtuessoftwarecanimitablecometruethefunctions.KeywordsSolarEnergyHeater,Sensor,AT89C51,TheTemperatureControl,TheControlofWaterL目錄摘要 IABSTRACT II1緒論 12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我國太陽能熱水器發(fā)展歷史 33系統(tǒng)方案設(shè)計 43.1方案一 43.2方案二 43.3方案比較 44硬件設(shè)計 64.1AT89C51介紹 64.2測溫電路設(shè)計 84.3水位監(jiān)測電路設(shè)計 124.4鍵盤電路設(shè)計 134.5顯示電路設(shè)計 174.6加熱和加水電路的設(shè)計 194.7報警電路設(shè)計 214.8電源電路設(shè)計 225軟件設(shè)計 235.1程序設(shè)計分析 235.2程序流程圖 236仿真及調(diào)試 276.1程序編譯 27KEILC51介紹 276.1.2編譯過程 276.2電路仿真 28結(jié)論 30參考文獻 29附錄A：電路仿真圖 30附錄B：源程序 30致謝 371緒論隨著全球人口和經(jīng)濟的不斷增長，能源運用帶來的環(huán)境問題及其誘因漸漸為人所相識，“低碳經(jīng)濟”這一概念起先進入人們的視野。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）從長遠來看，全球已探明石油儲量只能用到2020年，自然氣也只能持續(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)引起全球氣候變更。因此，人類在解決上述能源問題，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進步，大規(guī)模開發(fā)利用可再生干凈能源。太陽能具有：（1）儲量的“無限性”。（2）太陽能對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，成為志向的替代能源。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氣熱水器市場。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，全部新建房屋必需配備太陽能熱水器。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。能源問題與平安問題是現(xiàn)代社會各界普遍關(guān)注的焦點之一。目前市場上存在三種樣式的熱水器：電熱水器、燃氣熱水器和太陽能熱水器。近年來，在一氧化碳中毒事故中，由燃氣熱水器造成的約占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，因其平安性好、節(jié)能、綠色環(huán)保等優(yōu)點，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，在太陽能革新上運用的新技術(shù)。此外，太陽能熱水器已經(jīng)走進千家萬戶，限制系統(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，不僅可以考察自己高校四年的專業(yè)課的理論與動手實踐實力，產(chǎn)品也具有肯定的市場前景。2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，以滿意人們在生活、生產(chǎn)中的熱水運用。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。集熱管受陽光照耀面溫度高，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)點在于不須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)廠家所采納。其缺點在于體積比較浩大，管中簡潔集結(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，將汲取的熱量傳于水箱中。其有點是外觀美觀，安裝便利，可以做成平板，而且不簡潔損壞。缺點在于：保溫要花很大的代價，成本高，間接的就是增加消費者負擔(dān)。（2）從結(jié)構(gòu)分：一般式太陽能熱水器：就是將真空玻璃管干脆插入水箱中，利用加熱水的循環(huán)，使得水箱中的水溫上升，這是目前廠家都采納的。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運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，遠遠不能滿意用水要求；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，運用泵循環(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，必需運用承壓式水箱，這是全部分體式熱水器的基本思路，這就干脆考驗?zāi)愕募療岵糠值拿芊庑阅埽贿€有制造承壓水箱成本極高，也存在平安性問題，一般要求耐壓7個大氣；而且循環(huán)效果不是很志向。雖然解決了水的循環(huán)問題和運用水時的便利性。非承壓式太陽能熱水器：目前裝在屋頂?shù)囊话闾柲軣崴鞫际菍儆诜浅袎菏綗崴鳎乃溆幸桓茏优c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。其平安性，成本，運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，攻克了熱壓封等很多技術(shù)難關(guān)，已經(jīng)建立了擁有自主學(xué)問產(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已有745臺，產(chǎn)品質(zhì)量達到世界先進水平，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的設(shè)計制造，是在政策扶持下的探討開發(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現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)業(yè)規(guī)模達到中試水平，為下一階段產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；於肆己玫幕A(chǔ)，成為產(chǎn)業(yè)的孕育發(fā)展階段。1993年太陽能產(chǎn)業(yè)進入初級發(fā)展階段：由于成果轉(zhuǎn)化須要很長一段時間的磨合，特殊是受技術(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，漸漸形成北京、魯東、泰安、揚州、海寧等5個產(chǎn)業(yè)基地，并以此向四周不斷輻射，產(chǎn)能得以快速提升。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、銷量接著以兩倍速增長，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)們也紛紛進軍國際市場。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肯定的沖擊力；還有一些原來只專注于國內(nèi)市場的企業(yè)，也起先參與廣交會或不惜成本參與國外的一些專業(yè)性展會，以尋求在國際市場分得一杯羹。3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，阻值隨溫度變更而變更。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)集成運放LM324放大到2.O一5.0伏，轉(zhuǎn)換結(jié)果由單片機處理。水位檢測采納XYC-1型壓力水位變送器進行液位值連續(xù)采集。XYC-1型壓力式液位變送器內(nèi)部采納進口高精度擴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，通過高強度防水通氣電纜與外部放大電路連接，采納干脆驅(qū)動四位七段數(shù)碼管顯示，通過獨立式鍵盤進行溫度和水位限制，通過軟件手段實現(xiàn)按鍵消抖。報警電路由一個蜂鳴器構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡潔。加熱部分采納光電隔離與協(xié)助加熱電路。3.2方案二系統(tǒng)的溫度采集選用采納溫度傳感器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)。我們可以采納DS18B20采集溫度，再進行溫度數(shù)值轉(zhuǎn)化，再在顯示電路上顯示。外圍電路只需通過DS18B20進行接收溫度，一個顯示電路，一個報警電路。軟件部分只須要采集溫度，對溫度進行轉(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，接線簡潔，大大的為單片機節(jié)約了數(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，須要較多的外部硬件，電路及軟件的調(diào)試較為困難，制作難度高。從以上兩種方案中，很簡潔看出采納方案二所設(shè)計的電路相對來說較為簡潔，采納一種智能溫度傳感器DS18B20作為檢測元器件，測溫范圍-55℃~125℃，辨別率最大可達本設(shè)計對水位檢測要求不高，只須知道也許水位就可以了，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，最終確定采納方案二作為設(shè)計方案。本設(shè)計方案系統(tǒng)可由主限制器（AT89C51）、顯示電路、測溫器件（DS18B20）、抽水電動機、發(fā)光二極管報警、按鍵、水位顯示組成。總體結(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4硬件設(shè)計4.1AT89C51介紹AT89C51是帶4K字節(jié)閃耀可編程可擦除只讀存儲器（EPEROM）的低電壓、高性能CMOS8位微處理器（俗稱單片機）。該單片機與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51型機的指令集和輸出引腳兼容。AT89C51將多功能8位CPU和閃耀存儲器組合在單個芯片中，為很多嵌入式限制供應(yīng)了敏捷性高且價格低廉的方案。AT89C51的主要特性如下：（1）壽命達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）低功耗閑置和掉電模式；（11）片內(nèi)振蕩器和時鐘電路；AT89C51引腳排列如圖4.1所示：圖4.1AT89C51引腳圖VCC(40):+5V.GND(20):接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可汲取8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必需被拉高。

P1口：P1口是一個內(nèi)部供應(yīng)上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平常，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的原因。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。

P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的原因。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和限制信號。

P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的原因。

RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平常間。

ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平常，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要留意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。假如微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。

/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。

/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平常，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。留意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平常，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。

XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。

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。=1\*GB3①GND地信號。=2\*GB3②DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。用在寄生電源下，可向器件供應(yīng)電源。=3\*GB3③VDD可選擇的VDD引腳。當(dāng)工作于寄生電源時，此引腳必需接地。圖4.2DS18B20外形及引腳排列DS18B20的方框圖如圖4.3所示:圖4.3DS18B20方框圖（2）DS18B20主要性能和功能特性描述1）DS18B20主要性能=1\*GB3①獨特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅須要一條口線即可實現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。=2\*GB3②測溫范圍－55℃～＋125℃，固有測溫辨別率0.5℃。=3\*GB3③支持多點組網(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，假如數(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，實現(xiàn)多點測溫。=4\*GB3④工作電源:3-5V/DC。=5\*GB3⑤在運用中不須要任何外圍元件。=6\*GB3⑥測量結(jié)果以9-12位數(shù)字量方式串行傳送。=7\*GB3⑦不銹鋼愛護管直徑Φ6。=8\*GB3⑧用于DN15-25，DN40-DN250各種介質(zhì)工業(yè)管道、小空間設(shè)備測溫。=9\*GB3⑨標(biāo)準(zhǔn)安裝螺紋M10X1，M12X1.5，G1/2任選。=10\*GB3⑩PVC電纜干脆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)讀出前面全部8字節(jié)CRC碼，可用來檢驗數(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)換辨別率。DS18B20工作時寄存器中的辨別率轉(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R0確定溫度轉(zhuǎn)換的精度位數(shù)，來設(shè)置辨別率。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辨別率/位溫度最大轉(zhuǎn)向時間/ms00993.750110187.510113751112750表4.3DS18B20溫度轉(zhuǎn)換時辰表TMR1R011111由表4.2、4.3可見，DS18B20辨別率越高，所須要的溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時間越長。當(dāng)DS18B20接收到溫度轉(zhuǎn)換吩咐后，起先啟動轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后，溫度值就以16位帶符號的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第1、2字節(jié)。單片機可以通過單線接口讀出該數(shù)據(jù)，讀數(shù)據(jù)時低位在先，高位在后，數(shù)據(jù)格式以0.0625℃／LSB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4.4DS18B20溫度值格式表LSByteBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0MSByteBit15Bit14Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8SSSSS當(dāng)符號位S＝0時，表示測得的溫度值為正值，可以干脆將二進制位轉(zhuǎn)換為十進制；當(dāng)符號位S＝1時，表示測得的溫度值為負值。表4.5是部分溫度值對應(yīng)的二進制度數(shù)據(jù)。表4.5部分溫度對應(yīng)值表溫度℃二進制表示十六進制表示+12507D0H+850550H+25.062500000001100100000191H+10.125000000001010000100A2H+0.500000000000000100008H000000000000010000000H-0.5FFF8H-10.125FF5EH-25.025FE6FH3）DS18B20供電方式=1\*GB3①DS18B20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進行精確的溫度轉(zhuǎn)換，I/O線必需保證在溫度轉(zhuǎn)換期間供應(yīng)足夠的能量，由于每個DS18B20在溫度轉(zhuǎn)換期間工作電流達到1mA，當(dāng)幾個溫度傳感器掛在同一根I/O線上進行多點測溫時，靠上拉電阻是無法供應(yīng)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，也不宜采納電池供電系統(tǒng)，并且電源電壓必需保證是5V。當(dāng)電源電壓下降時，會使測量的誤差變大。圖4.4DS18B20寄生電源供電電路=2\*GB3②DS18B20的外部電源供電方式DS18B20外部供電有單點測溫電路和多點測溫電路，單點測溫電路如圖4.5所示。此時I/O線不須要強上拉電壓，同時在總線上可以掛接多個DS18B20傳感器，組成多點測溫系統(tǒng)。但要留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4.5DS18B20外部供電單點測溫電路比較上述兩種供電方式后認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)計中采納外部電源供電方式供電單點測溫電路。（3）測溫電路的總成DS18B20是智能溫度傳感器，它的輸入/輸出采納數(shù)字量，以單總線技術(shù)，接收主機發(fā)送的吩咐，依據(jù)DS18B20內(nèi)部的協(xié)議進行相應(yīng)的處理，將轉(zhuǎn)換的溫度以串口發(fā)送給主機。主機依據(jù)通信協(xié)議用一個IO口模擬DS18B20的時序，發(fā)送吩咐（初始化吩咐、ROM吩咐、功能吩咐）給DS18B20，并讀取溫度值，在內(nèi)部進行相應(yīng)的數(shù)值處理，用圖形液晶模塊顯示各點的溫度。當(dāng)某點溫度超過設(shè)置值時，報警器起先報警，從而實現(xiàn)了對各點溫度的實時監(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)計水位限制器是指通過機械式或電子式的方法來進行凹凸水位的限制，可以限制電磁閥、水泵等，成為水位自動限制器或水位報警器，從而來實現(xiàn)半自動化或者全自動化，方法有多種，依據(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行處理,當(dāng)被測液體到達動作點時，芯片輸出高或低電平信號，再協(xié)作水位限制器，實現(xiàn)對液位限制。不需浮球和干簧管,外部無機械動作,耐污耐用,不怕漂移物影響，隨意角度安裝,豎向安裝有肯定防波浪功能，相宜長時間浸在水中,工作電壓是直流5-24V，很平安。這種方式較好用，耐污，壽命長，平安。浮球限制開關(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，可以限制兩個水位，比如水滿了，浮球因為浮力而上升，帶動球閥運動，使閥門關(guān)閉，停止進水，當(dāng)水少了，浮球下降，閥門打開，又再進水，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，從而限制水位，多數(shù)應(yīng)用在清水的水位限制，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。其次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、水池水位凹凸的自動限制和缺水愛護，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到浮筒間的電線長度，確定水位的凹凸。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，有肯定耐污實力。但存在這樣的問題：浮球易受外界雜物影響其穩(wěn)定性，特殊是纖維狀的雜物纏繞而有失誤，同一小水箱里不宜運用多個，否則會相纏繞。運用壽命相對短些，而且多數(shù)干脆接220V，存在肯定的平安隱患，終有一天因為電線破損而漏電電人。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)覺電線受損，本裝置應(yīng)被替換，不準(zhǔn)對電線進行修理。綜上所述，由于是家用熱水器，對水位限制不要求那么精確，因此確定采納浮球限制開關(guān)。在此設(shè)計中有兩個水位段，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)簡潔明白，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（獨立式）鍵盤和編碼（矩陣式）鍵盤。=1\*GB3①矩陣式按鍵單片機系統(tǒng)中，若使按鍵較多時，通常采納矩陣式（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，此時行線電平將由與此行線相連的列線電平確定。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，必需將行線、列線信號協(xié)作起來作適當(dāng)處理，才能確定閉合鍵的位置。=2\*GB3②獨立式按鍵單片機限制系統(tǒng)中，往往只須要幾個功能鍵，此時，可采納獨立式按鍵結(jié)構(gòu)。獨立式按鍵是干脆用I/O口線構(gòu)成的單個按鍵電路，其特點是每個按鍵單獨占用一根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)。獨立式按鍵電路配置敏捷，軟件結(jié)構(gòu)簡潔，但每個按鍵必需占用一根I/O口線，因此，在按鍵較多時，I/O口線奢侈較大，不宜采納。獨立式按鍵軟件常采納查詢式結(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，故采納獨立式鍵盤。（2）鍵盤限制程序鍵盤限制程序應(yīng)具備以下功能：=1\*GB3①檢測有無按鍵按下，并實行硬件或軟件措施，消退鍵盤按鍵機械觸點抖動的影響。=2\*GB3②有牢靠的邏輯處理方法。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。=3\*GB3③精確輸出按鍵值（或鍵號），以滿意跳轉(zhuǎn)指令要求。機械式按鍵再按下或釋放時，由于機械彈性作用的影響，通常伴隨有肯定時間的觸點機械抖動，然后其觸點才穩(wěn)定下來。抖動時間的長短與開關(guān)的機械特性有關(guān)，一般為5—10ms。在觸點抖動期間檢測按鍵的通與斷狀態(tài)，可能導(dǎo)致推斷出錯。即按鍵一次按下或釋放被錯誤地認為是多次操作，這種狀況是不允許出現(xiàn)的。為了克服按鍵觸點機械抖動所致的檢測誤判，必需實行去抖動措施，可從硬件、軟件兩方面予以考慮。在鍵數(shù)較少時，可采納硬件去抖，而當(dāng)鍵數(shù)較多時，采納軟件去抖。（3）按鍵消抖通常按鍵所用開關(guān)為機械彈性開關(guān)，當(dāng)機械觸點斷開、閉合時，電壓信號小型如下圖。由于機械觸點彈性作用，一個按鍵開關(guān)在閉合時不會立刻穩(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械特性確定，一般為5ms～10ms。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確定的，一般為零點幾秒至數(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，必需去除鍵抖動。在鍵閉合穩(wěn)定時讀取鍵的狀態(tài)，并且必需判別到鍵釋放穩(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，所以采納硬件消抖。在鍵數(shù)較少時可用硬件方法消退鍵抖動。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。此時即運用按鍵的機械性能，使按鍵因彈性抖動而產(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)不變更，輸出保持為0，不會產(chǎn)生抖動的波形。也就是說，即使B點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。這一點通過分析RS觸發(fā)器的工作過程很簡潔得到驗證。在單片機應(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)依據(jù)實際應(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能剛好響應(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：=1\*GB3①判別有無鍵按下。=2\*GB3②鍵盤掃描取得閉合鍵的行、列值。=3\*GB3③用計算法或查表法得到鍵值。=4\*GB3④推斷閉合鍵是否釋放，如沒釋放則接著等待。=5\*GB3⑤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，它利用單片機內(nèi)部的定時器產(chǎn)生肯定時間（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）中斷掃描方式采納上述兩種鍵盤掃描方式時，無論是否按鍵，CPU都要定時掃描鍵盤，而單片機應(yīng)用系統(tǒng)工作時，并特別常須要鍵盤輸入，因此，CPU常常處于空掃描狀態(tài)，為提高CPU工作效率，可采納中斷掃描工作方式。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)生中斷懇求，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，采納并聯(lián)電容法，也可以實現(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，采納浮子式開關(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，它可以干脆把電轉(zhuǎn)化為光。LED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。而光的波長確定光的顏色，是由形成P-N結(jié)材料的禁帶寬度確定的。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。用于顯示文字和簡潔圖片，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。其次階段是1995年到1999年，出現(xiàn)了64級、256級灰度的雙基色視頻屏。視頻限制技術(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顯示屏限制專用大規(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年起先，紅、純綠、純藍LED管大量涌入中國，同時國內(nèi)企業(yè)進行了深化的研發(fā)工作，運用紅、綠、藍三原色LED生產(chǎn)的全彩色顯示屏被廣泛應(yīng)用，大量進入體育場館、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年面世，主要用在室內(nèi)全彩屏，并且以其亮度高、色調(diào)艷麗、溫度低的特性，可隨意調(diào)整的點間距，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乎其微。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。實際中，各個型號的7段LED的管腳配置可能不會是一樣的，在實際應(yīng)用中要先測試一下各個管腳的配置，再進行電路原理圖的設(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)顯示雖然有編程簡潔、管理簡潔等優(yōu)點，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點較多的狀況下，一般都采納動態(tài)顯示方式。在多位7段LED顯示中，為了簡化電路，降低成本，則將全部位的段選線并聯(lián)在一起，剛好由8個I/O口來限制8個段。而公共端（共陽極/共陰極）則分別由相應(yīng)的I/O口限制，以實現(xiàn)各個位的分時選通。本設(shè)計中須要顯示預(yù)設(shè)溫度和實際溫度，故采納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)境中存在著很多不小的瞬變脈沖，這些瞬變脈沖會影響到數(shù)據(jù)的傳輸，甚至損害互連的設(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行處理，通常會運用具有絕緣隔離功能的光電耦合器來維持數(shù)據(jù)的完整性并愛護互連設(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：光的放射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅(qū)動發(fā)光二極管，使之發(fā)出肯定波長的光，被光探測器接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出。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相互隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣實力和抗干擾實力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制實力。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。在計算機數(shù)字通信及實時限制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計算機工作的牢靠性。光耦合器的主要優(yōu)點是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現(xiàn)了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾實力強，工作穩(wěn)定，無觸點，運用壽命長，傳輸效率高。光耦合器是70年頭發(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)整限制端電流來變更占空比，達到精密穩(wěn)壓目的。光電隔離電路的作用是在電隔離的狀況下，以光為煤介傳送信號，對輸入和輸出電路可以進行隔離。因而能有效地抑制系統(tǒng)噪聲，消退接地回路的干擾，有響應(yīng)速度較快、壽命長、體積小耐沖擊等好處，使其在強-弱電接口，特殊是在微機系統(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的端口限制電磁閥的通斷從而限制流量以達到限制水位的目的。電磁閥是用來限制流體方向自動化基礎(chǔ)元件，屬于執(zhí)行器；通常用于機械限制和工業(yè)閥門上，對介質(zhì)方向進行限制，從而達到對閥門開關(guān)的限制。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，通過限制閥體的移動來攔住或漏出不同的排油的孔，而進油孔是常開的，液壓油就會進入不同的排油管，然后通過油的壓力來推動油缸的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞桿帶動機械裝置動。這樣通過限制電磁鐵的電流通斷就限制了機械運動。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，電磁力消逝，彈簧把關(guān)閉件壓在閥座上，閥門關(guān)閉。特點：在真空、負壓、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，電磁力干脆把先導(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)壓力推動關(guān)閉件，向下移動，使閥門關(guān)閉。特點：在零壓差或真空、高壓時亦能工作，但功率較大，要求必需水平安裝。（3）先導(dǎo)式電磁閥原理：通電時，電磁力把先導(dǎo)孔打開，上腔室壓力快速下降，在關(guān)閉件四周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快速腔室在關(guān)閥件四周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：流體壓力范圍上限較高，可隨意安裝，但必需滿意流體壓差條件。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，故采納發(fā)光二極管報警，相較蜂鳴器而言，既降低了成本，也使設(shè)計簡潔化。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)動實力。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，就是緩沖單片機的承受實力，假如，沒有7407，那么單片機承受的電流能實力很小，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加，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，均采納DC5V電源，因此只須要設(shè)計5V電源即可。該電路輸入家用220v溝通電，經(jīng)過全橋整流，穩(wěn)壓后輸出穩(wěn)定的5v直流電。電源電路采納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0.1U電容進一步濾除紋波，得到5V穩(wěn)壓電源。電路設(shè)計如圖4.17所示：圖4.175V直流電源設(shè)計5軟件設(shè)計5.1程序設(shè)計分析該太陽能熱水器的工作流程是：開機進行溫度水溫設(shè)定，并在數(shù)碼管上進行顯示，然后通過浮子式水位計采集的實際水位與設(shè)定水位進行比較，假如水位較設(shè)定的水位低的話，進行加水，假如水位超過高水位或過低水位，進行水位的報警，接下來通過DS18B20采集到實際水溫柔設(shè)定的水溫進行比較，當(dāng)實際水溫小于設(shè)定的水溫的時候，進行加熱，直至水溫達到設(shè)定值。5.2程序流程圖本設(shè)計系統(tǒng)整體流程圖如圖5.1所示：起先起先對LED進行初始化掃描鍵盤執(zhí)行鍵盤操作顯示溫度水位是否低于預(yù)設(shè)值打開電磁閥關(guān)閉電磁閥YESNO圖5.1程序流程圖6仿真及調(diào)試6.1程序編譯單片機的開發(fā)除了須要硬件支持以外，同樣離不開軟件。CPU真正可執(zhí)行的是機器代碼，匯編語言或C語言等高級語言通過轉(zhuǎn)換成機器碼才能被執(zhí)行。本設(shè)計采納的是C語言在Keil軟件上編程，然后將源代碼轉(zhuǎn)換成機器碼，再與Protues仿真軟件上的電路圖相連接，從而實現(xiàn)太陽能熱水器智能限制的電路仿真。本設(shè)計采納的是KeilC51來編譯程序。KeilC51是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機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、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。用過匯編語言后再運用C來開發(fā)，體會更加深刻。KEILC51介紹（1）系統(tǒng)概述KeilC51軟件供應(yīng)豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到KeilC51生成的目標(biāo)代碼效率特別之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，簡潔理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。下面具體介紹KeilC51開發(fā)系統(tǒng)各部分功能和運用。（2）KeilC51單片機軟件開發(fā)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)C51工具包的整體結(jié)構(gòu)，uVision與Ishell分別是C51forWindows和forDos的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個開發(fā)流程。開發(fā)人員可用IDE本身或其它編譯器編輯C或匯編源文件。然后分別由C51及C51編譯器編譯生成目標(biāo)文件(.OBJ)。目標(biāo)文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經(jīng)L51連接定位生成肯定目標(biāo)文件(.ABS)。ABS文件由OH51轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的Hex文件，以供調(diào)試器dScope51或tScope51運用進行源代碼級調(diào)試，也可由仿真器運用干脆對目標(biāo)板進行調(diào)試，也可以干脆寫入程序存貯器如EPROM中。編譯過程（1）在Windows下運行KeiluVisiion2軟件，進入KeiluVisiion2開發(fā)環(huán)境。（2）在KeiluVisiion2選擇Project/NewPreject…，建立一個新的項目工程，給工程項目取名為TYN，然后保存。（3）緊接著自動彈出器件選擇窗，選擇Atmel公司的AT89C51。（4）在KeiluVisiion2中選擇File/New，打開程序編輯器，輸入程序，檢查無誤后保存文件（擴展名.asm）在工程項目相同的書目中。保存后匯編指令中的關(guān)鍵字以藍色顯示。（5）在PrejectWorkspace窗口中，選擇SourceGroup1條目并單擊右鍵，在彈出的菜單選擇AddFilestoGroup‘SourceGroup1’，加入剛才保存的匯編程序文件TYN.asm。選完后單擊Close退出。（6）在ProjectWorkspace窗口中，選擇Target1條目并單擊右鍵，在彈出的菜單中選擇OptionforTarget‘Target1’，打算為Target1配置編譯環(huán)境。在Output頁為CreatHEXFile項打勾，以便輸出單片機燒寫用HEX格式文件。（7）選項配置好后，在KeiluVisiion2中選擇Project/Buildtarget，編譯工程項目。編譯結(jié)果顯示在OutputWindows中，如圖6.1所示。若有錯，可單擊錯誤提示行，然后定位到源程序中修改；若無誤則可以導(dǎo)入單片機進行電路的仿真了。圖6.1編譯結(jié)果6.2電路仿真打開Proteus仿真軟件，在左邊方框欄找出所須要的元器件，然后按電路圖連接起來。須要修改參數(shù)的元器件，雙擊即可，在彈出的對話框中修改即可。最終雙擊單片機將上述編譯好的TYN.HEX文件導(dǎo)入單片機，然后運行整個電路即可。電路圖仿真圖見附錄A。運行步驟介紹：接通電源溫度傳感器DS18B20起先工作，數(shù)碼管顯示出實際溫度，然后點擊按鍵設(shè)置預(yù)設(shè)溫度，便進入設(shè)置水溫上限狀態(tài)，“+”“-”是設(shè)置值時對數(shù)據(jù)調(diào)整的。當(dāng)水位較低時，限制電機運轉(zhuǎn)，從而對其進行加水。當(dāng)水溫持續(xù)增加，直到達到所預(yù)設(shè)溫度時，就停止對其加熱。若溫度超過了預(yù)設(shè)溫度時，則發(fā)光二極管發(fā)光報警。然后對電路進行復(fù)位，以此循環(huán)運行整個工作流程。將這些步驟循環(huán)進行就能夠?qū)崿F(xiàn)對太陽能熱水器智能限制了。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?？梢渣c擊傳感器上的“+”“-”來變更溫度。當(dāng)須要加水時，電動機轉(zhuǎn)動。相反，不須要加水或水夠時，電動機不轉(zhuǎn)。當(dāng)水位達到高水位時，發(fā)光二極管發(fā)光報警如圖6.5所示。通過一系列的檢測說明本系統(tǒng)可行。仿真結(jié)果分析：在該設(shè)計中，由于種種緣由，設(shè)計并沒有達到預(yù)期的要求。設(shè)計中出現(xiàn)的一些錯誤，導(dǎo)致設(shè)計沒能完備的表達出當(dāng)時設(shè)計該設(shè)計的初衷。設(shè)計原本須要達到的的是，接通電源后，數(shù)碼管顯示溫度傳感器的實際溫度，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，電機轉(zhuǎn)動并且加水，直到達到高水位時，電機停止轉(zhuǎn)動，停止加水，發(fā)光二極管發(fā)光報警。然后加熱變更溫度傳感器溫度，使實際溫度達到預(yù)設(shè)溫度，然后停止加熱。若溫度超過預(yù)設(shè)溫度，則報警。以此便達到該設(shè)計的初衷。但是，設(shè)計并不如預(yù)期完備，在設(shè)計中水溫監(jiān)測部分，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)碼管顯示出實際溫度來。但是當(dāng)實際溫度超過預(yù)設(shè)溫度時，卻不報警。導(dǎo)致這種緣由可能是程序在編寫的時候有錯誤，也可能是電路圖中元器件的選擇出現(xiàn)了錯，以至于出現(xiàn)這種狀況。由于時間緊迫，無法完善該設(shè)計，是一次缺憾。結(jié)論該限制器和以往顯示儀相比具有性能價格比高、溫度限制與顯示精度高、運用便利和性能穩(wěn)定等優(yōu)點。單片機限制系統(tǒng)具有低價、智能的優(yōu)勢，能夠依據(jù)需求的不同而作相應(yīng)的調(diào)整，更加特性化。同時，運用單片機限制系統(tǒng)能夠節(jié)約能源，愛護設(shè)備，延長設(shè)備的運用時間。該熱水器具備以下特點：（1）結(jié)構(gòu)簡潔、運行牢靠、操作維護簡便。（2）熱源取之不盡用之不竭，不須要運輸，節(jié)約燃料。（3）無污染，不會對四周環(huán)境造成任何影響。（4）熱水產(chǎn)量受季節(jié)、地區(qū)緯度、采熱面積、環(huán)境溫度、供水溫度。（5）風(fēng)速、日照實際等因素影響較大。（6）該系統(tǒng)加裝減壓閥后可與鍋爐配套運用，解決冬季用水。（7）不用考慮玻璃蓋的防凍裝置。在本次設(shè)計過程中，有一些可行的地方，當(dāng)然也有一些不足的地方。在對于水位監(jiān)測部分做的不是很好，只設(shè)置了低水位和高水位，致使檢測不是很精準(zhǔn)。但這樣大致上也不會影響設(shè)計的要求。可行的地方是，它在報警部分采納的是發(fā)光二極管，大大降低了制作成本，更適用于家庭?？傊瑹o論從市場或技術(shù)抑或價格的角度來說，此款熱水器具有很大的優(yōu)勢。它市場前景廣袤、技術(shù)先進、價格合理、高度智能化，便利省事，是當(dāng)前市面上熱水器的升級產(chǎn)品。它不但適合于城鄉(xiāng)民宅需求，還適用于寫字樓、餐飲、消遣、商業(yè)服務(wù)浴室、理發(fā)店、旅館、款待所、托兒所、敬老院及外貿(mào)出口等各種需求。參考文獻[1]趙文博，劉文濤．單片機語言C51程序設(shè)計[M]．北京：人民郵電出版社2006.[2]張振榮，晉明武,王投平．MCS-51單片機原理及好用技術(shù)[M]．北京：人民郵電出版社,2000.[3]孫育才．MCS-51系列單片微型計算機及其應(yīng)用[M]．南京：東南高校出版社,1997：52-55.[4]王長胤，文軍．單片單板機原理及應(yīng)用[M]．武漢：武漢高校出版社,1993：45-56.[5]李念強.單片機原理及應(yīng)用[M]．北京：機械工業(yè)出版社,2007：30-40.[6]王青．溫度傳感器DS18B20和51單片機的接口及應(yīng)用[J]．電子制作，2006（1）.[7]吳漢清．單片機溫度限制器[J]．電子制作，2006（7）.[8]張濤，王金崗．單片機原理與接口技術(shù)[M]．北京：冶金工業(yè)出版社,2007：72-80.[9]殷為民．太陽能水溫水位儀[J]．家用電子,1999,5(1)：37-38.[10]徐龍坤.協(xié)助加熱式太陽能熱水器[J]．家用電器,1997,15(2)：9-10.[11]王俊杰．基于89C51單片機的太陽能熱水器智能限制器的設(shè)計[J]．鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報：自然科學(xué)版,2005(8)：67-68.[12]TomFox．BuildtheIntelligentThermometer[J]．Computer&Electronics，1983，2．[13]DAndresciani，F(xiàn)Curti，F(xiàn)atera．etal.Measurementofthegroup-delaydifferencebetweentheprincipalststesofpolarizationonalow-birefingenceterrestrialfibercable[J]．OpticsLetters，1987，12：884-846．[14]JungJH，ShineSY，LeeCH．Effectsofpre-chirpingontherepeaterlessdispersionmanagedtransmissionsystem[J]．ElectronLett，1996，32(9)：831-83．附錄A：電路仿真圖附錄B：源程序S_SET BIT P1.0; 數(shù)字鐘秒限制位M_SET BIT P1.1; 分鐘限制位GJBITP1.2SJBITP1.3FLAG BIT00HP_SWITCHBITP1.4TSET_G EQU 30HTSET_S EQU 31HTEMPER_LEQU29H;用于保存讀出溫度的低8位TEMPER_HEQU28H;用于保存讀出溫度的高8位FLAG1EQU38H;是否檢測到DS18B20標(biāo)記位A_BITEQU20H;數(shù)碼管個位數(shù)存放內(nèi)存位置B_BITEQU21H;數(shù)碼管十位數(shù)存放內(nèi)存位置 ORG 0000H LJMP START ORG0100HSTART:MOV DPTR,#TABLE;初始化 MOV TSET_G,#0 MOV TSET_S,#0;****************************************************;推斷是否有限制鍵按下,是哪一個鍵按下A1: LCALL DISPLAYLJMPMAINGO: JNB S_SET,S1 JNB M_SET,S2 AJMPSHUIWEI AJMPSWITCH LJMP A1 S1: LCALL DELAY ;去抖動 JB S_SET,A1 INC TSET_G;秒值加1 MOV A,TSET_G CJNE A,#10,J0;推斷是否加到10 MOV TSET_G,#0 LJMP K1 S2: LCALL DELAY JB M_SET,A1 K1: INC TSET_S ;分鐘值加1 MOV A,TSET_S CJNE A,#10,J1;推斷是否加到10 MOV TSET_S,#0 LJMP K2 K2: MOV TSET_S,#0 MOV TSET_G,#0 LJMP A1;****************************************************;等待按鍵抬起J0: JB S_SET,A1 LCALL DISPLAY SJMP J0J1: JB M_SET,A1 LCALL DISPLAY SJMP J1;***********************************************SHUIWEI:ANLP3,#03HJNBP3.0,ONEJBP3.1,TWOONE:JNBP3.1,THREE CLRP1.3SETBP1.2 AJMPA1THREE:CLRP1.2SETBP1.3 AJMPSHUIWEITWO:SETBP1.2CLRP1.3AJMPA1;******************************************;溫度計MAIN:MOVSP,#70HPUSHACCMOVP2,#0FFHLCALLGET_TEMPER;調(diào)用讀溫度子程序MOVA,29HMOVC,40H;將28H中的最低位移入CRRCAMOVC,41HRRCAMOVC,42HRRCAMOVC,43HRRCAMOV29H,ALCALLDISPLAY;調(diào)用數(shù)碼管顯示子程序POPACCLJMPGO;這是DS18B20復(fù)位初始化子程序INIT_1820:SETBP1.7NOPCLRP1.7;主機發(fā)出延時537微秒的復(fù)位低脈沖MOVR1,#3TSR1:MOVR0,#107DJNZR0,$DJNZR1,TSR1SETBP1.7;然后拉高數(shù)據(jù)線NOPNOPNOPMOVR0,#25HTSR2:JNBP1.7,TSR3;等待DS18B20回應(yīng)DJNZR0,TSR2LJMPTSR4;延時TSR3:SETBFLAG1;置標(biāo)記位,表示DS1820存在LJMPTSR5TSR4:CLR