单片机的太阳能热水器智能控制器的设计
摘 要太阳能热水器因其绿色、环保无污染的特点受到了越来越多人的喜爱。设计中使用单片机作为主控制器，基于它的智能特性实现了太阳能热水器控制器的设计。整个电路由单片机构成的最小系统、报警电路、水位检测电路、加热及补水控制电路、按键控制电路等构成，能够通过按键设定水位和温度的上下限值；将按键预设定阀值与实际检测值比较达到自动补水及加热功能；整个检测过程的温度和水位数据使用数码管显示，无需人工干预。经过仿真与实物制作、功能测试证明，该控制器具有体积小，性能稳定，成本低的优势，具有一定得实用价值和推广意义。
目 录
一、 引言 1
（一） 研究的背景及意义 1
（二） 研究的主要内容 1
（三） 本文主要研究内容 2
二、 硬件设计 3
（一） 系统总设计结构图 3
（二） 核心元件简介 3
（三） 模块电路设计 8
（四） 总电路设计 14
三、 软件设计 15
（一） 软件设计整体流程图 15
四、 程序仿真调试 24
（一） 程序调试用到的软件及工具 24
（二） 仿真结果 24
五、 实物制作及演示 29
总结 34
致 谢 35
参考文献 36
附录一 电路原理图 37
附录二 元器件清单 38
附录三 源程序 39
附录四 实物图 54
引言
研究的背景及意义
随着社会发展步伐的加快，能源消耗问题成为焦点。因为在生活水平提高的同时涌现出大量的资源浪费现象。大家都知道，地球的资源是有限的，因此需要我们开发更多的未知能源，比如太阳能。因为它是一种清洁绿色的能源。目前市场上已经在销售利用太阳能的热水器，然而市场上的太阳能热水器控制器又具有很多的不完整性，比如操作界面及预设的功能,未能实现智能化控制等。而只能简单的显示热水温度及一些指示信息，热水器的缺水和自动加热都是需要人来控制。如果在无太阳的天气，比如晚上，我们还需要自己插电进行加热，如果加热温度到达一定时也不能报警提示，这样如果当人们不知道的时候系统一直
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加热，这个对能源是非常浪费的，同时长久加热对太阳能热水器也是一种损坏。
基于上述问题，本设计将单片机引进到热水器控制系统上，利用水位传感器和温度传感器来采集水位变化和温度的变化，通过按键可完成对水位和温度阀值的设定，设定完成后系统根据检测值自动控制热水器加热或者补水，整个过程不需要人工干预，真正实现其智能化。通过使用简单直观的数码管作为显示界面，使整个太阳能热水器控制系统检测的参数信息显示在上面。所以基于单片机的太阳能热水器智能控制器的研究是具有很大的市场经济利益和社会价值。
研究的主要内容
早期的热水器控制器完全采用数字逻辑及模拟电路来控制，也就是使用一大串逻辑电路，最后通过逻辑电路和模拟电路组合控制继电器闭合实现热水器的加热和保温。假如设备出现故障，那么对于一般的工程师维修的话难度是非常大的，因为整个系统的控制电路比较庞大。如果需要对产品进行更新的话，那么就需要把整个系统的电路都要改变，因此电路的可利用性是非常差的。然而使用单片机的话就大大解决了上述问题，因为单片机是可编程的，其内部已经将大量的数字逻辑电路和模拟电路都集成起来，所以使用一块单片机就可以替换掉很多的电路，对于系统的体积大大减小，同时由于单片机具有可编程性，因此如果需要对产品进行更新换代的话，只需要从新对新产品的功能编写对应的程序即可，对于系统的电路不需要多少改动。而且具有一般技术的工程师也是可以维修的，因为编程可以使用高级语言C编程，大大解决了售后维修问题。
因此本设计采用单片机作为主控芯片，结合温度、水位传感器进行检测控制，实现了当水位低于正常水位时及时补水，加到期望的最高水位时停止，整个过程伴有报警提示。当水温低于设定值时自动加热，水温高时可以自动关闭加热器，整个过程伴有报警提示。系统运行时可以通过控制按键设定加热的最高温度和最低温度，以及热水器水位的上限和下限，当热水器水温高于设定上限的时候报警并且关闭加热器使温度降低，当温度低于下限温度开始加热，同理水位的控制也是如此，当水位高于上限报警并且停止加水，低于下限开始加水。整个过程全自动控制，无需人工干预等功能。
本文主要研究内容
完成太阳能热水器控制系统的方案设计；
完成51最小系统、数码管电路、DS18B20传感器的硬件设计；
完成51单片机驱动DS1B820以及继电器的软件设计；
完成实物制作及功能调试。
硬件设计
系统总设计结构图
在电路设计中，将单片机AT89C52和晶振电路、电源电路和复位电路构成一个最小系统，还有按键电路、蜂鸣器报警电路、数码管显示电路、加热加水控制电路、水位检测电路、测温电路组成一个控制系统。在这个框图中单片机AT89C52负责整个的控制。如图1：
图1 系统总设计图
要让系统能够正常工作，首先要确保单片机最小系统正常稳定，而最小系统是由复位电路和电源电路以及晶振电路构成。电源电路是为整个系统提供一个工作电压，如果没有一个稳定的电源系统，那么整个系统的工作也将不稳定。复位电路是当系统处于瘫痪或者是死机了的情况下才能发挥它的作用，按下复位电路中的按键即可重启系统。晶振电路是负责给单片机工作提供一个振荡周期，因为单片机每执行一条命令都需要靠振荡周期提供。
测温电路及水位检测电路是将温度及水位等数据发送给单片机进行处理，通过按键电路等控制，最后控制报警电路和加水加热控制电路。
数码管显示电路是由单片机将温度及水位等数据处理后发送到数码管上显示。
核心元件简介
主控芯片AT89C52单片机的简介
AT89C52是一种低电压、高性能的8位单片机，它的里面存在着Flash只读程序存储器和RAM，因为它很高的性价比，所以应用很广泛。
在单片机封装选择上，通常使用DIP封装也就是插件的封装。管脚图如图4：
图4 单片机管脚图
数码管的简介
数码管其实也叫做LED数码管，也是使用LED发光二极管构成，只不过是使用7个或者8个二极管组成了一个8字形的样子，这样就构成了一个数码管。由于使用到了多个LED，他们的接法可以采用共阴或者共阳，这也就使数码管具有2种选择了，要么是共阴数码管，要不是共阳数码管。共阴就是将LED的阴极全部接在一起作为一个管脚引出，共阳是将LED阳极全部接在一起作为一个管脚引出，然后内部的8个LED分别引出8个管脚，也就是8段。假如要在共阴数码管上显示一个数字1，那么8段数码管的B和C段需要为高电平其他段为低电平才能显示数字1，假如要在共阳数码管上显示数字1，那么只需要将B段和C段输出一个低电平，其他的为高电平。只要知道数码管共阴共阳控制这8段就可以让数码管在上面显示数字或者字母。数码管可以有4位一体和2位一体或者8位一体等，我们使用的是4位一体的共阴数码管。其具体的管脚如图5：
目 录
一、 引言 1
（一） 研究的背景及意义 1
（二） 研究的主要内容 1
（三） 本文主要研究内容 2
二、 硬件设计 3
（一） 系统总设计结构图 3
（二） 核心元件简介 3
（三） 模块电路设计 8
（四） 总电路设计 14
三、 软件设计 15
（一） 软件设计整体流程图 15
四、 程序仿真调试 24
（一） 程序调试用到的软件及工具 24
（二） 仿真结果 24
五、 实物制作及演示 29
总结 34
致 谢 35
参考文献 36
附录一 电路原理图 37
附录二 元器件清单 38
附录三 源程序 39
附录四 实物图 54
引言
研究的背景及意义
随着社会发展步伐的加快，能源消耗问题成为焦点。因为在生活水平提高的同时涌现出大量的资源浪费现象。大家都知道，地球的资源是有限的，因此需要我们开发更多的未知能源，比如太阳能。因为它是一种清洁绿色的能源。目前市场上已经在销售利用太阳能的热水器，然而市场上的太阳能热水器控制器又具有很多的不完整性，比如操作界面及预设的功能,未能实现智能化控制等。而只能简单的显示热水温度及一些指示信息，热水器的缺水和自动加热都是需要人来控制。如果在无太阳的天气，比如晚上，我们还需要自己插电进行加热，如果加热温度到达一定时也不能报警提示，这样如果当人们不知道的时候系统一直
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
加热，这个对能源是非常浪费的，同时长久加热对太阳能热水器也是一种损坏。
基于上述问题，本设计将单片机引进到热水器控制系统上，利用水位传感器和温度传感器来采集水位变化和温度的变化，通过按键可完成对水位和温度阀值的设定，设定完成后系统根据检测值自动控制热水器加热或者补水，整个过程不需要人工干预，真正实现其智能化。通过使用简单直观的数码管作为显示界面，使整个太阳能热水器控制系统检测的参数信息显示在上面。所以基于单片机的太阳能热水器智能控制器的研究是具有很大的市场经济利益和社会价值。
研究的主要内容
早期的热水器控制器完全采用数字逻辑及模拟电路来控制，也就是使用一大串逻辑电路，最后通过逻辑电路和模拟电路组合控制继电器闭合实现热水器的加热和保温。假如设备出现故障，那么对于一般的工程师维修的话难度是非常大的，因为整个系统的控制电路比较庞大。如果需要对产品进行更新的话，那么就需要把整个系统的电路都要改变，因此电路的可利用性是非常差的。然而使用单片机的话就大大解决了上述问题，因为单片机是可编程的，其内部已经将大量的数字逻辑电路和模拟电路都集成起来，所以使用一块单片机就可以替换掉很多的电路，对于系统的体积大大减小，同时由于单片机具有可编程性，因此如果需要对产品进行更新换代的话，只需要从新对新产品的功能编写对应的程序即可，对于系统的电路不需要多少改动。而且具有一般技术的工程师也是可以维修的，因为编程可以使用高级语言C编程，大大解决了售后维修问题。
因此本设计采用单片机作为主控芯片，结合温度、水位传感器进行检测控制，实现了当水位低于正常水位时及时补水，加到期望的最高水位时停止，整个过程伴有报警提示。当水温低于设定值时自动加热，水温高时可以自动关闭加热器，整个过程伴有报警提示。系统运行时可以通过控制按键设定加热的最高温度和最低温度，以及热水器水位的上限和下限，当热水器水温高于设定上限的时候报警并且关闭加热器使温度降低，当温度低于下限温度开始加热，同理水位的控制也是如此，当水位高于上限报警并且停止加水，低于下限开始加水。整个过程全自动控制，无需人工干预等功能。
本文主要研究内容
完成太阳能热水器控制系统的方案设计；
完成51最小系统、数码管电路、DS18B20传感器的硬件设计；
完成51单片机驱动DS1B820以及继电器的软件设计；
完成实物制作及功能调试。
硬件设计
系统总设计结构图
在电路设计中，将单片机AT89C52和晶振电路、电源电路和复位电路构成一个最小系统，还有按键电路、蜂鸣器报警电路、数码管显示电路、加热加水控制电路、水位检测电路、测温电路组成一个控制系统。在这个框图中单片机AT89C52负责整个的控制。如图1：
图1 系统总设计图
要让系统能够正常工作，首先要确保单片机最小系统正常稳定，而最小系统是由复位电路和电源电路以及晶振电路构成。电源电路是为整个系统提供一个工作电压，如果没有一个稳定的电源系统，那么整个系统的工作也将不稳定。复位电路是当系统处于瘫痪或者是死机了的情况下才能发挥它的作用，按下复位电路中的按键即可重启系统。晶振电路是负责给单片机工作提供一个振荡周期，因为单片机每执行一条命令都需要靠振荡周期提供。
测温电路及水位检测电路是将温度及水位等数据发送给单片机进行处理，通过按键电路等控制，最后控制报警电路和加水加热控制电路。
数码管显示电路是由单片机将温度及水位等数据处理后发送到数码管上显示。
核心元件简介
主控芯片AT89C52单片机的简介
AT89C52是一种低电压、高性能的8位单片机，它的里面存在着Flash只读程序存储器和RAM，因为它很高的性价比，所以应用很广泛。
在单片机封装选择上，通常使用DIP封装也就是插件的封装。管脚图如图4：
图4 单片机管脚图
数码管的简介
数码管其实也叫做LED数码管，也是使用LED发光二极管构成，只不过是使用7个或者8个二极管组成了一个8字形的样子，这样就构成了一个数码管。由于使用到了多个LED，他们的接法可以采用共阴或者共阳，这也就使数码管具有2种选择了，要么是共阴数码管，要不是共阳数码管。共阴就是将LED的阴极全部接在一起作为一个管脚引出，共阳是将LED阳极全部接在一起作为一个管脚引出，然后内部的8个LED分别引出8个管脚，也就是8段。假如要在共阴数码管上显示一个数字1，那么8段数码管的B和C段需要为高电平其他段为低电平才能显示数字1，假如要在共阳数码管上显示数字1，那么只需要将B段和C段输出一个低电平，其他的为高电平。只要知道数码管共阴共阳控制这8段就可以让数码管在上面显示数字或者字母。数码管可以有4位一体和2位一体或者8位一体等，我们使用的是4位一体的共阴数码管。其具体的管脚如图5：
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