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摘 要

本设计针对在太阳能热水器在阴雨天气里无法正常使用的问题。结合实际太阳能热水器的具体应用，利用AT89C51 单片机,DS18B20温度传感器,设计了一款太阳能热水器控制器，实现了温度测量，水位控制，自动上水和水温加热等功能。达到在各种天气下都能够使用太阳能热水器的目的。

关键词：单片机、DS18B20传感器、太阳能热水器、温控系统

Abstract：This design for the question that solar energy water heater can"t normally be used in the rainy days. Combined with the actual application of the solar water heater, using AT89C51 and DS18B20 sensors designed a solar water heater controller, realized the temperature measurement, water level control, automatic heating water and water temperature. Reached in all kinds of weather can use the purpose of the solar water heater.

Keywords：SCM, DS18B20 sensors, solar water heaters, temperature control system

目 录

1 引言 6

1.1 研究背景 6

1.2 太阳能热水器的应用及意义 7

2 系统方案设计 7

2.1 温度控制模块的设计方案 8

2.2 水位控制模块的设计方案 8

2.3 数据显示模块的设计方案 8

3 各个模块工作的原理 8

3.1水温控制模块 8

3.2 水位控制模块 8

3.3水温水位显示模块 9

3.4报警模块 9

4 系统主要元器件 9

4.1 AT89C51单片机 9

4.2 DS18B20传感器介绍 10

4.5 LED数码管介绍 13

5 硬件电路设计 15

5.1单片机最小系统电路 15

5.2 DS18B20测温电路 16

5.3报警电路 16

5.3 四位数码管显示电路 17

5.4 报警温度设定按键电路 17

5.5 水位检测电路 18

5.6 水位报警电路 19

5.7 继电器控制电路 19

5.8 系统硬件电路原理图 20

5.9 本章小结 21

6 系统的软件设计 21

6.1 系统硬件开机自检程序设计 21

6.2 控制按键设计子程序流程图 22

6.3 读温度子程序流程图 23

6.4 本章小结 24

7 系统仿真调试 24

7.1 系统软件的调试与仿真 24

7.2 程序调试过程中遇到的问题及解决办法 24

7.3 仿真结果 24

结 论 26

参 考 文 献 27

致 谢 28

附录 源程序清单 29

引言

1.1 研究背景

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。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，太阳能热水器能够将太阳辐射能转换热能，供生产和生活使用。

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及燃气型的不安全性，并且排放二氧化碳污染大气层，北方用传统的煤气取暖造成城市空气环境严重污染，这些都是太阳能热水器生存的良好外部环境。太阳能热水器克服了上述缺点，它是绿色产品，使用简单、方便。太阳能热水器顺应了时代发展要求，满足了人们对环保绿色产品的需求。在人类文明程度日益增强的今天，它是现代和谐社会的最优选择。应该注意到，集体单位对太阳能热水器的需求量很大。新建的商住楼安装热水器，已是房屋开发公司计划之内的事，配套热水器的商品房销势更加好。

1.2 太阳能热水器的应用及意义

众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭，没有环境污染的巨大能源。随着世界上煤、油、气的储量日渐减少，能源危机日渐增长，环境污染严重威胁着生态的平衡，太阳能的开发利用课题已提到人们的面前。21世纪太阳能将会由辅助型能源上升成为主要能源。但由于太阳能又具有分散性、季节性和地区性的特点，使得太阳能的利用变得困难重重，尚有一些技术未能突破，产品的造价过高（如光电池）。因此太阳能一直没能够被人们大规模的利用。在太阳能的热利用技术里，太阳能热水器是技术上比较成熟、造价比较低廉的产品，同时给人民提供不耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。

2 系统方案设计

为了能够在各种天气里利用太阳能热水器，实现系统的水温水位控制，根据系统的设计功能要求，构造总体方框图如图2-1所示。

图2-1系统的整体框图

本设计采用89C51单片机作为系统的CPU进行控制系统工作，由数字传感器DS18B20和水位传感器进行数据采集，89C51对采集到的数据进行处理，得到各种信号。而这些信号将分别控制数码管的信号输入、温度设定的信号输入、水位设定信号的输入、辅助加热设备和报警系统。

2.1 温度控制模块的设计方案

如果温度检测采用热电阻，则电路需接A/D转换电路，再由单片机换计算出实际温度，电路结构复杂，而且也精度不高，而DS18B20温度传感器可以直接与单片机的1位I/O相连接，电路结构简单，占用单片机的接口资源少，精度高，成本低。温度误差可控制在0.5°C，测温范围为-55°C至 125°C，所以测温系统以DS18B20为主要元器件进行设计。

2.2 水位控制模块的设计方案

蓄水箱水位和温度检测部分是实现温度智能控制的重要环节，只有准确地检测出水

位和温度，才能通过软件计算开始辅助加热。查阅资料可知水位的传感器是通过压力传感器变换过来的，最多的是浮球式液位传感器，而且此传感器的适用温度范围和测试精度也适合本系统，但此方案的缺点是价格非常昂贵。考虑系统成本，本设计采用分段式液位传感器，在水位显示上也仍采用分段显示。检测原理:3根线将水箱中的液位分成了3个水位挡，通过和电源正极的结合，利用水导电的特性，通过由9012三极管等元件构成的驱动电路的电平转换，将液位数据输入P3口，通过单片机换算转换成液位数据存入一个存储器单元，随时读取。

2.3 数据显示模块的设计方案

在诸多的显示器件中数码管的液晶字符性显示器非常适合运用于此控制系统当中的，它的功能特性也完全适用于此设计系统的功能要求，不会造成资源的浪费，所以就确定数码管作为本此设计系统的显示器件。为了配合显示器件，就需设置按键，根据系统的功能要求和单片机的口线资源，为系统配制了3个独立式键盘，用来调节温度报警值。

3 各个模块工作的原理

3.1水温控制模块

该子系统利用低功耗单线数字温度传感器DS18B20实现温度采样，将采样的温度值通过单片机的P3.3口送入单片机处理，然后实现水温的控制,利用按键对水温的值进行设置，当温度高于上限或者低于下限后蜂鸣器报警，使之保持温度在一定范围内的稳定。

3.2 水位控制模块

该子系统要求能够能进行水位的控制，设计时利用3根导线对水位的信息进行采集，并通过单片机的P3口送入给单片机处理加工，通过显示器显示，共有3个水位挡，没水或者系统出错后，蜂鸣器都报警，使系统的水位保持在一定的范围内。

3.3水温水位显示模块

该子系统采用3个LED数码管显示水温水位的信息。

3.4报警模块

该系统利用蜂鸣器报警，系统故障报警和水温水位信息报警，以便及时掌握水温水位控制系统的工作状况，系统自己不能处理的就可以人工辅助处理，这样能让系统更好的运行在稳定状况下。

4 系统主要元器件

4.1 AT89C51单片机

AT89C51 具有以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节的内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级的中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器和时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。

AT89C51的性能及特点：

• 4kB可反复擦写(大于1000次）Flash ROM；
• 32个I/O口；
• 128x8bit内部RAM；
• 2个16位可编程定时/计数器中断；
• 时钟频率0-24MHz；
• 5个中断源；
• 可编程串行通道；
• 空闲维持低功耗和掉电状态保护存储数据。

VCC: 5V电源输入

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