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1、摘要本文提出了一种以MCS51系列单片机8051为主要控制芯片，辅之以其他功能芯片对太阳能热水器进行控制的设计方案，使太阳能热水器使用起来更加方便、安全。本设计采用的是8051单片机，其内部ROM容量为256B，对于本设计，无须外部扩展存储器。除了8051，本设计还用到一些重要的外部功能器件，如采用AD转换器0809来实现温度和水位信号的模数转换，还有可编程输入输出接口8255来实现键盘和显示器接口。键盘由四个按键来设置水温或水位，用六位LED显示器分别显示水温和水位。本设计充分利用8051单片机系统的三总线控制，即数据总线、地址总线、控制总线的设计方式，为应用系统功能的实现奠定了基础。通过对
2、8051单片机的外部功能扩展使系统具有自动上水与保温的功能，还能自动驱动加热及上水装置来满足系统的设置，使用起来安全可靠。此外，设计方案中还考虑了一些抗干扰措施，例如采用光电隔离器4N25使输入输出有效隔离，采用硬件去抖动措施解决按键抖动的问题等等。本文阐述了此应用系统的工作原理，并给出部分硬件及软件框图。关键字： 单片机，温度控制，水位控制AbstractThis paper presents a MCS - 51 series single chip microcomputer 8051 as main control chip, supplemented by other functio
3、ns of the solar water heater control chip design, make the solar water heater is more convenient in use, safe.This design uses the MCU 8051, its internal ROM capacity is 256B, for the design, without an external extended memory. In addition to the 8051, the design is also used in some important exte
4、rnal devices, such as the use of AD converter 0809 to achieve the temperature and the water level signal to the analog-to-digital conversion, and the programmable input / output interface 8255 to realize the keyboard and display interface. The keyboard consists of four buttons to set the water tempe
5、rature and water level, six LED display respectively display water temperature and water level. The design makes full use of 8051 single-chip microcomputer system three bus control, data bus, the address bus, control bus design, for the application of the system function realization foundation. Base
6、d on 8051 single-chip external extended function makes the system having automatic water and thermal insulation function, can automatically driven heating and water supply device to satisfy the needs of system settings, the use of safe and reliable. In addition, the design scheme is also considered
7、in some anti-jamming measures, such as the use of photoelectric isolator 4N25 so that the input / output effective isolation, use hardware to shake the measures to solve the key jitter problems etc.This article describes the application of the working principle of the system, and gives the hardware
8、and software block diagram.Key words: SCM, temperature control, water level control目 录绪论41.1 本课题研究的目的、意义41.2国内外研究现状51.3 目前我国太阳能热水器的种类61.4 研究的内容9第一章 系统总体设计方案111.1 设计思路111.2 设计总框图12第二章 系统硬件部分设计132.1 数据采集132.2 数据转换182.3 MCS-51系列单片机8051212.4 LED数码显示和键盘242.5 输出驱动与执行机构272.6 系统的硬件抗干扰设计29第三章 系统软件部分设计31第三章 系
9、统软件部分设计313.1 主程序流程图313.2 部分中断服务程序33结 论39参考文献41绪论1.1 本课题研究的目的、意义用太阳能解决我国家庭热水是最有希望的、最有效可行的途径。太阳能光热应用市场前景广阔，除家庭用热水外，还可用于工业热水、采暖、空调、干燥、农业种植、水产养殖、海水淡化等领域。从发展角度看，城市家庭生活热水的供给不应由业主考虑，而应与建筑设计开发同时进行。在此基础上设计出了全玻璃真空管式热水器的自动控制系统。在电子技术飞速发展的今天，有必要而且有可能采用新技术对原电气控制系统进行改造，以提高可靠性，并实现系统的自动控制，提高太阳能热水器稳定性。可编程控制器由于可提供使用的时
10、间继电器和中间继电器相当多，而且其常开常闭触点可多次重复使用，使得我们在编程中可以随心所欲。用内部编程“软元件”取代继电器逻辑控制电路中大量的时间继电器和中间继电器，简化控制线路、有效提高系统的可靠性，是PLC的突出特点。目前，我国大部分太阳能热水器控制部分，往往需要大量的中间继电器和时间继电器来满足生产工艺要求，结果使电路设计复杂、繁琐，故障时有发生，给使用和日常维护带来了很大的不便。太阳能热水器是太阳能热利用中商业化程度最高 、应用最普遍的技术 。但是在热水器自动控制系统中大多采用单片机控制 ，单片机开发价格较高，而PLC开发价格便宜。选用PLC控制，它具有速度快，可靠性高，体积小，功能全
11、，编程简单的特点。通过改进或完善已有太阳能热水器控制系统的不足，设计开发新型太阳能热水控制系统基于PLC的太阳能热水器自动控制系统。1.2国内外研究现状1.2.1 国内研究现状我国太阳能热水器产业发展迅速，目前已成为世界上最大的太阳热水器生产国，但与太阳热水器配套的控制器却一直处于研究和开发阶段，尤其是与太阳能热水器系统匹配的控制器，至今尚未检索到相关报道。近几年来，市场上陆续出现了一些太阳能热水器控制器，但大多数控制器存在着诸如性能不稳定，容易产生误操作；温度、水位检测、控制误差大；显示器有时出现乱码；与电辅助加热装置不能很好配合；太阳能利用率较低等问题，影响了用户的使用。更有甚者，有些控制
12、器质量较差，经常发生故障，给用户带来诸多不便，严重影响了用户的使用，从而影响到太阳热水器的销售。太阳热水器，尤其是太阳热水系统及其控制器有着广阔的发展前景，但现有的技术研究和产品开发投入较少。因此，在太阳热水器、太阳热水系统的测量控制方面，应引起足够重视，加大投入一定力量研究开发高质量、性能好的测控产品1。1.2.2 国外研究现状太阳能热水器是利用太阳辐射能和热水的装置。世界上第一台热水器是美国马里兰州的肯普于 1891 年发明的。到第二次世界大战结束，人们创造了各式各样被统称为“闷晒式”的太阳能热水器。第二次世界大战结束后，人们的注意力又开始转向发展经济。一些缺少常规能源的国家，如日本，开始
13、投入人力物力开发利用太阳能，经过人们的努力，各种简易的平板太阳集热器已开始在市场中出现。到 20 世界 70 年代，随着世界性能源危机日益严重，迫使人们对太阳能的开发利用又重新重视起来，许多国家花了不少人力物力，用于大力研究和开发太阳能利用技术，尤其是太阳能热水器。到上世纪 70 年代末，太阳热水器的开发利用在美国、澳大利亚、日本、德国、以色列等国家得到了很大的发展.在随后的十几年里，平板集热器型太阳热水器的推广应用在一些国家得到了较快的发展。1975 年美国欧文斯伊利诺依（OWens-llinois）公司发明了全玻璃真空管太阳集热器并推向市场。当时，集热管的选择性吸收涂层的平场阳光吸收率约为
14、83%，但由于采用了高真空技术，使集热器的热损失比普通平板式太阳集热器的热损失降低了两个数量级，从而将太阳能热利用技术水平大大提高了一大步。在随后的十几年内，全玻璃真空管太阳热水器性能通过完善、提高，并逐步降低成本，因而得到了快速发展，到上世纪90年代，这种新型太阳能热水器已成为推广应用的主流产品。在全玻璃真空管太阳能热水器的基础，为进一步提高效率，提高性能，德国研制出热管式真空管太阳热水器，一些国家研制出了一些高质量的太阳热水器专用零部件，另一些国家为优化设计专门开发了用于太阳能热水器的应用软件。还有一些国家，开发出功能完善，能全天候使用太阳热水器系统。在西方先进国家，在太阳能热水器方面的研
15、发和推广应用一直比较活跃2。1.3 目前我国太阳能热水器的种类1.3.1 平板式太阳热水器平板式太阳能热水器又叫“平板集热器”，它是太阳热水器的基本型之一。由它可以派生出许多同类热水器，如翅翼型、波纹板型、塑料压制型等等，但它们的集热基本原理都一样。水的循环靠温差比重不同。热水轻，向上升。冷水密度大，只能从底部慢慢向上顶。水箱中的水通过集热器的循环加温，逐步达到平衡，则不再流动。事实上水箱中的水总是源源不断进入集热器的底部，而热水也不断流入水箱的上部。平板型太阳集热器以其简单、价廉和安装方便在全世界都获得了广泛的应用。普通平板型太阳集热器由吸热体、壳体、透明盖板和隔热材料等组成。当太阳照射到集
16、热器时，集热器板上水道中的水被加热而发生膨胀、变轻、产生“水往高处流”的现象，就像热烟气从烟囱中冒出一样，这就是所谓的“热虹吸”现象，系统中水流的循环运动完全依靠自身各部位温度不同而形成自然循环，即只要有太阳照射，就能实现这种循环。水在集热器中受热变轻，由集热器底部上升至顶部。再经循环管流入保温水箱，水箱下部的冷水由下循环管流入集热器底部。如此循环，使整个水箱中是水温升高3。这种集热器的优点是：1、工艺不复杂，加工成本低。2、水流的循环和加热全部依靠集热器的吸热作用，不需要泵和其它能源，运行成本低，确实是一次投资，长期受益。3、水流系统常压运行，无需带压设备，没有任何安全隐患。4、整个系统没有运转设备，水对吸热板没有腐蚀作用
