太阳能热水器智能控制系统的设计论文.docx

摘 要 如今，热水器成为人们生活中必不可少的一样居家用品，其中电热水器使用费用昂贵，燃气热水器使用不安全，都给人们带来了困扰，而太阳能热水器有效的解决了这些问题。同时绿色环保，使用方便，顺应了时代发展要求，满足了人们对环保产品的使用需求。目前，中国太阳能热水器产量为世界第一，有一百多家太阳能热水器生产产商，但是，相关配套设施功能并不完善，尚停留在温度水位显示层次，而本设计则做到了真正的控制，本设计基于STC89C51单片机采用LCD1602显示，DS18B20防水探头测温，不仅能在显示器上显示当前温度和设置的温度上下限，按键还可以设置水温的控制范围，并在超出温度范围时报警，做到安全与智能。本文第一章介绍了太阳能热水器的研究现状以及发展意义，第二章主要介绍了本系统的整体结构，第三章介绍硬件电路的方案选择以及设计，第四章为软件设计部分，第五章为调试。关键词：太阳能热水器；单片机；温度设置ABSTRACT Nowadays, the water heater as household products become indispensable in peoples life, the electric water heater is to expensive and gas water heater is unsafe,it has brought troubled to people , and the solar energy water heater solve these problems effectively. At the same time, the solar water is a environmental protection product and its easy to use,the solar water conform the development requirement of our life,it meet peoples using requirements of environmental protection product. At present, Chinas solar water heater production is the most of the world, there are more than one hundred solar water heater production, but the relevant supporting facilities is not complete, still stays in the water temperature display level, and this design is the real control can be achieved, but the design is based on STC89C51 microcontroller using LCD1602 display, DS18B20 waterproof probe temperature measurement, not only can display the current temperature and setting temperature on the display on the floor, the keys can also set the water temperature control, alarm and beyond the temperature range, security and intelligence. In this paper, the first chapter introduces the research status and development of solar water heater, the second chapter mainly introduces the overall structure of this system, the third chapter presents the scheme selection and design for hardware circuit, the fourth chapter is the part of software design, the fifth chapter is to debug the simulation.Keywords:Solar water heaters, microcontroller, temperature Settings目 录1 绪论11.1 太阳能热水器的背景意义11.2 太阳能热水器智能控制系统发展现状11.3 设计的主要工作22 设计思想与方案32.1 设计思想3 2.1.1 太阳能热水的工作原理3 2.1.2 太阳能热水器智能控制系统的设计要求32.2 设计方案4 2.2.1 太阳能热水器集热板的选择4 2.2.2 太阳能热水器水系统的选择5 2.2.3 太阳能辅助加热的选择6 2.2.4 单片机的选择7 2.2.5 温度传感器的选择7 2.2.6 水位监测的选择83 硬件系统的设计93.1 主要元器件的介绍9 3.1.1 STC89C519 3.1.2 DS18B20温度传感器9 3.1.3 水位检测器10 3.1.4 SMC1602A液晶显示器10 3.1.5 蜂鸣器11 3.1.6 LM39311 3.1.7 SRD-05VDC-SL-C继电器12 3.1.8 MAX485133.2 硬件电路的设计13 3.2.1 单片机最小系统13 3.2.2 蜂鸣器报警电路15 3.2.3 按键电路15 3.2.4 温度检测电路16 3.2.5 RS-485总线通讯16 3.2.6 水位检测电路17 3.2.7 指示灯电路17 3.2.8 显示屏电路174 软件系统的设计194.1 软件设计的描述194.2 系统软件的程序设计19 4.2.1 键盘模块程序设计19 4.2.2 显示器程序设计20 4.2.3 温度测量程序设计20 4.2.4 水位检测程序设计21 4.2.5 热水器加热程序21 4.2.6 热水器加水程序225 系统调试运行及结果分析15.1 系统使用说明15.2 系统运行结果1 5.2.1 开机显示1 5.2.2 设置各项参数2 5.2.3 加热加水指示25.3 设计课题的误差及缺陷分析35.4 设计体会4结束语4参考文献5致 谢7附 录8附录A 元件清单9附录B 实物图91 绪论1.1 太阳能热水器的背景意义 近年来，太阳能热水器推广迅速，许多潜在消费者对太阳能热水器的要求越来越高，特别是在太阳能热水器控制器的要求方面，许多太阳能热水器的厂家为了让自己的产品在市场上占领主导地位，在不断提高旗下太阳能热水器产品性能的同时，也在尽力满足着消费者对太阳能热水器日益增长的需求，所以太阳能热水器在不断更新，智能化程度在不断提高。本设计为了迎合广大消费者的需求，探寻科技应用前沿，追踪市场，以众多资料以及市面上已有的太阳能热水器产品为模型，再运用在大学所学的知识以及自己对太阳能热水器的理解和想法，仿制出了一套太阳能热水器的智能控制系统，本系统本着以科技为主的思路，贴合大众对太阳能热水器的智能需求，并以性价比较高的芯片组成，即符合了人们对科技的需求，也达到了较为经济实惠的价格，为大家提供了一套智能化程度较高、使用方便、性价比较高的太阳能智能控制系统。1.2 太阳能热水器智能控制系统发展现状现在，中国已经是全球第一的太阳能热水器生产国，一年的产量总量约为世界各国产量的总和，据不完全统计，国内现有超过100家太阳能热水器生产厂商。但是与之相关的太阳能热水器的智能控制却基本处在研发阶段。现在市场上较普遍的控制系统只具有显示温度和显示液位的功能，且这种显示为分段显示，温度显示误差为10%，水位显示误差为25%。这种显示器不仅没有温度控制功能，在天气而导致的光线强度不足时，还会给广大用户带来不便；即便热水器拥有额外的加热功能，也会因为加热的时间无法控制而干烧，导致大部分电能的浪费。此次设计的太阳能热水器控制系统基于STC89C51单片机，采用DS18B20温度传感器，在水位、温度等参数实时显示的同时还具有对时间、温度的设置、控制功能。对温度的控制实现了精准控制，此设计会由用户的设置情况来控制集热器，让水箱内的温度达到预定时间里预定的温度，以至于实现全天不限时供应热水的目标。太阳能热水器是利用太阳能的产品中最为普遍的一种产品，经济效果显著，在世界范围内迅速普及，这种热水器可以使太阳能转换为热能，为人们的生活甚至生产提供方便、廉价的热水。它的组成分为集热器、蓄水器以及连接管道等部件，拥有多种类型如循环式、闷晒式等。随着世界的不断发展，人们生活水平也随之不断提高。现在较为普遍的热水器分为电热水器和燃气热水器，电热水器的使用费用较高，燃气热水器在使用中安全有时候得不到保障，在使用时所排放的二氧化碳也污染着大气，以上两种热水器的缺点只有太阳能热水器可以弥补。太阳能热水器是一款环保的绿色产品。它操作起来简单、方便，能满足人们对于热水的需求。并且太阳能热水器符合当下可持续发展的要求，也符合人们对绿色产品的期望。在人类社会发展到如今的高度并逐渐关注环保时，太阳能热水器是人们当之无愧的最佳选择。本次设计的太阳能热水器拥有设置温度与自动补水的功能，根据用户的需求，将温度调制用户适宜的温度下，太阳能热水器会根据用户的设置而自动加热，在太阳能热水器水箱中水量不足时，也能自动补水，不会导致用户无水可用。且这次设计使用的是真空管集热器，能最大限度的利用太阳能。1.3 设计的主要工作太阳能智能控制系统的主要任务是，将太阳能热水器与智能控制系统相结合，智能控制系统中硬件配合软件，将各个硬件模块进行软件设计，使控制系统达到控制热水器的功能。太阳能热水器采用的是太阳能真空管当集热器，为水加热，运用水直流循环系统来进行加热，再配合基于STC89C51单片机的控制系统工作，控制系统由单片机、蜂鸣器、SMC1602液晶显示器、SD18B20温度传感器、Water sensor水位传感器、LM393等原件组成，把上述模块通过电路连接在一起，设计原理图，再进行焊接，制作实物。实物制作完成后，利用KELL软件对智能控制系统进行程序开发，并编译成单片机能识别的程序，通过下载口，下载到单片机中，进行调试，并记录下结果。2 设计思想与方案2.1 设计思想2.1.1 太阳能热水的工作原理太阳能热水器是将太阳能转换为热能，来为水加热。冷水从底端进入太阳能热水器的集热版，热水器将太阳能转化为热能后，在集热管加热进入的冷水。因为冷水密度比热水大，所以热水将从上端出口进入水箱，若未达到预设温度，则继续从底端进入集热管进行加热。其原理图如图1所示。 图1 太阳能热水器工作原理若想实现太阳能热水器的智能控制，如水温不够及时加热，水量不够及时加水，则需要利用单片进行设计，在水温不够时，继电器启动，水泵工作，开始加热，水位不够时，继电器启动，开始加水。实现真正的太阳能热水器智能控制。2.1.2 太阳能热水器智能控制系统的设计要求为了实现太阳能热水器智能控制系统的实际使用，使太阳能热水器达到真正的智能，根据大学期间所学习的知识，以及自己的能力对太阳能智能控制系统具有以下几点要求：（1） 能设置水温、温度设置的上下限以及预热时间；（2） 水温的检测范围为099，精度为1；（3） 温度上下限预设值达到099，在温度没有达到预设下限时开始加热，在检测温度高于预设上限时，停止加热；（4）设置加键、减键、设置按键、确定4个按键。2.2 设计方案 随着社会的发展，科技的更新也日新月异，太阳能热水器在不断的更新换代，太阳能热水器智能控制系统性能也在不断的提升，所以本次设计分为太阳能热水器和智能控制系统2各部分，太阳能热水器包括集热器及水循环系统；在控制系统方面，由于单片机领域的不断成熟，所以智能控制系统采用单片机为系统核心，并且具备显示模块，温度测量模块以及水位测量模块。2.2.1 太阳能热水器集热板的选择太阳能热水器的采集器分为两种，其中一种太阳能热水器加热采用平板型集热器进行加热，平板型集热器由吸热板、隔热层、透明盖板等组成，由于平板型集热器是一块大板，所以对于太阳能的热量收集效率比较高，全球范围内欧美等发达国家在太阳能的集热器选择上，有90%均选用的是平板型集热器，因为国外的太阳能设计理念不同，一般采用的为分体式系统和闭式承压系统，所以基本选用承压能力强、吸热面积大的平板型集热器，并且采用平板型集热器的系统均比较可靠，后期维护保养成本不高，使用寿命比较长，但是采用平板型集热器初期投资成本过高，并且，在冬季的使用之比较麻烦。其实物图如图2所示。图2 平板型集热器另外一种采用太阳能全玻璃真空管，也就是俗称的三高管，其构造由6各部分组成，分别是内玻璃管、太阳选择性吸收涂层、真空夹层、罩玻璃管、支承件、吸气剂。相对于平板型集热器来说，真空管体积更小，安装位置更灵活，并且在冬季时能使用，其耐冻性能良好，在零下50时也不会冻裂，并且启动较快，在太阳下晒几分钟便可加热冷水，在太阳关照条件一般时，也能提供热量，为热水器加热。其实物图如下图3所示。图3 太阳能热水器真空管综合上面2中集热器，为了保证太阳能热水器在冬天的使用性以及经济性，采用方案二的全玻璃真空管作为太阳能热水器的集热器。2.2.2 太阳能热水器水系统的选择太阳能的水循环是一个至关重要的部分，分为自然循环和直流循环，自然循环是指太阳能热水器的水箱与集热器由管道相连接，在集热器进行加热后，由于水的物理特性，热水的密度小于冷水，热水便会上升，冷水下沉，从而，水箱中的水将会出现上面热下面凉的情况，集热器中热水的上升将会为水循环提供一个动力，将水箱底部的凉水抽入集热器加热，加热的水又回到水箱上部，从而达到水循环的目的，用这种自然循环的方式运行可靠，结构简单易于开发，且运行过程中无需动力，减少了系统运行中的成本。但是这种循环模式的太阳能热水器不能实现智能控制，由于他的加热是无法控制的，水箱里的水也会一直加热，并且用户在使用时，每次使用热水管供应的温度将会不一致，从而导致每次使用时都要先用水龙头调制合适位置，才能使用，其方便程度不佳，其原理如下图4所示。图4 自然循环还有一种采用直流式水系统来实现水太阳能热水器的循环加热，这种循环方式与方案一不同，在集热器的下端有一个水泵供水，在需要加热时，由水泵工作，将底端的水抽入集热器进行加热，这样可以增加集热管的利用率，水的循环也会加快，水的加热速度相对于方案一也会加快，采用这种方法就能够对太阳能热水器进行智能控制，当水温传感器在测量到水箱温度以后，根据用户需要，若水箱温度达不到设置温度，水泵便开使运转，将水循环加热，若水箱温度达到用户所设置的温度值时，水泵便停止工作。而且，用户在使用时可直接采用水箱中的热水，无需用水龙头额外调节水温，使用起来较为方便。其原理如下图所示。图5 直流式水系统根据以上2中循环方式，虽然自然循环结构更为简单，更具有经济性，但是其智能程度不够，用户使用起来有诸多不便，而直流循环则更加智能，能为用户提供更方便智能的体验，所以在水的循环方式上选择直流循环。2.2.3 太阳能辅助加热的选择太阳能热水器在阳光充足时，能够有效的发挥其功效，利用太阳能来对水进行加热，但是，生活中难免出现持续的阴雨天气，这时候太阳能集热器所能吸收的热量就有限，导致用户所使用时水温达不到标准，此时就需要对太阳能热水器水箱中的水进行辅助加热。现在市面上辅助加热的方法有非常多，其中一种为在室内出水管处串一个即热式电热水器，这种方式的辅助加热测温芯片需要放置在用户的出水口处，在太阳能热水器的集热器发挥作用不大时，打开电源，及时进行加热，保证用户的用水质量。这种方法使用起来比较方便，但在没有进行辅助加热时也可能会有些误差，由于此种方法的测温芯片是放在下端，在没有进行辅助加热时，测温芯片与太阳能水箱相隔较远，而由于热水与冷水的密度不同，所以水箱中的水温与芯片处的水温不同，测温芯片测得都是下端的冷水水温，而水箱中的水温则会高于用户设置值，导致使用情况偏热。另一种为在水箱中进行辅助加热，即在水箱中安装一个电加热棒，在冬天或者光照条件不佳的情况下，打开电源，电加热棒则开始工作，对水箱内的水开始加热，若干分钟后，观察若达到用户所想要的温度值关闭，即可用水。永此种辅助加热方式就不会出现上述情况，由于测温芯片与辅助加热装置同在水箱内部，测用户家中所显示的温度即为水箱温度，使用时，温度不会有偏差，所以在太阳能热水器辅助加热方式上选择在水箱中安装电加热棒。2.2.4 单片机的选择 单片机有着非常广阔的运用，并且有许多单片机芯片可供选择，其中一种采用PIC16C72单片机为控制器件，PIC16C72是美国微芯(Microchip)公司推出的8/11位单片机，运用宽字节单周期指令，哈佛双总线和RISC结构，数据吞吐量最高可达6MIPS，这几乎是其它大多数8位微控制器速度的4倍128脚封装的PIC16C72单片机内集成了以下主要功能：2KB片内ROM程序存储器，128KB数据存储器；22位I/O线；5路8位A/D转换器，2个8位，1个16位多功能计数器/定时器，1个捕捉/比较/脉宽调制(CCP)部件。第二种采用STC89C51单片机，STC89C51RC是采用8051核的ISP（In System Programming）在系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，片内含8K Bytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。 综合上述2种单片机，虽然PIC16C72单片机功能强大，但是存在一些美中不足的地方：中断的现场保护是中断应用中一个很重要的部分由PIC16C72的指令系统中没有专门的PUSH(入栈)和POP(出栈)指令，所以要用一段程序来实现该功能。对可能用到的W寄存器和STATUS寄存器内容进行现场保护1然后在中断服务程序中对马达，继电器进行控制1漏电检测报警在中断里给出，而每50ms进入一次中断，所以发生漏电时最多50ms即可切断电源1入口中断保护控制马达控制继电器如果用直流对电机进行控制，其转速太快，过调量太大，容易引起震荡。而STC89C51单片机结构简单、控制能力强、可靠性高、体积小、价格低等优点，在许多行业都得到了广泛的应用。所以采用STC89C51单片机。2.2.5 温度传感器的选择温度的监测有两种方法，其中一种是热电偶温差温度测量，其原理为将两个不同的导体或半导体相连接，并置于不同温度下，此时会因温度不同而产生不同的电动势，且该电动势的大小与方向取决于材料的温度差，而此时，为了能够使所测量的温度能由单片机处理，还需加入A/D转换模块，以便于单片机能接受到数字信号。另外一种采用DS18B20温度传感器，此传感器在测量温度以后，输出的为数字信号，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高，等特点，而且DS18B20传感器不需要额外的A/D转换模块，使用极为方便。 根据上述2种测温原理，DS18B20相对于热电偶温差温度测量来说，不仅体积更小，而且不用额外的信号转换模块，也更具经济效益，所以在温度传感器上使用DS18B20。2.2.6 水位监测的选择水位监测也有着非常多的传感器，其中运用比较多的是使用超声波当液位传感器，在太阳能热水器的水箱上方放置一个超声波传感器，发出超声波，当发出的超声波到达液面以后，开始返回，再由传感器接受，利用超声波发出到接受的时间，来计算出当前水位的高度，利用超声波传感器来检测水位准确性高，且灵敏度非常的高，与非常耐用，但是超声波传感器的价格较高。还有一种是采用Water sensor水位传感器，Water sensor是一种常见的传感器，主要部分由电子连接器、1M电阻和几行裸露的导线组成，若将它置于太阳能热水器的水箱当中，当水位达到裸露的导线，便会将信号传递出去，从而达到水温检测的效果，Water sensor水位传感器在实际应用中非常的广泛，可应用于下雨量的检测，液位检测甚至熔融泄露，并且相对于超声波传感器来说，价格比较便宜。综合上述两种水位监测方案，超声波水位传感器虽然准确性和灵敏度非常的高，但是价格非常的昂贵，相对于超声波水位传感器来说，Water sensor水位传感器则现在更适合当做太阳能热水器的水位监测传感器，所以，水位监测采用Water sensor水位传感器。3 硬件系统的设计3.1 主要元器件的介绍3.1.1 STC89C51本次设计的太阳能智能控制系统采用的是STC公司制造STC89C51单片机。STC89C51是一款8位单片机，STC89C51RC是采用8051核的ISP（In System Programming）系统可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，片内含8K Bytes的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，具有在系统可编程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可将用户的程序代码下载进单片机内部，省去了购买通用编程器，而且速度更快。除此之外STC89C51RC系列单片机是单时钟/机器周期(1T)的兼容8051内核单片机，是高速/低功耗的新一代8051单片机，全新的流水线/精简指令集结构,内部集成MAX810专用复位电路。其引脚图如图6所示。图6 STC89C51单片机引脚图3.1.2 DS18B20温度传感器DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，具有3引脚TO92小体积封装形式，DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是温度测量的精准度由于分辨率不同而不同，且延时由DS1820的2秒减少为750毫秒。 DS18B20测温原理如图7所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。图7 DS18B20工作原理3.1.3 水位检测器本设计所使用的水位传感器为市面上比较常见的Water Sensor水位传感器，这是一款简单易用，性价比较高的产品，其工作原理是通过具有10跟平行导线线迹测量水位大小，从而判断水位。轻松完成水量到模拟信号的转换，输出的模拟值可以直接被STC89C51单片机所读取，达到水位报警的功效。Water Sensor的工作电压为5V，工作电流小于20mA，检测面积640平方毫米，能够充分检测水位值，其实物图如图8所示。图8 Water Sensor水位监测器实物图3.1.4 SMC1602A液晶显示器 液晶显示器能够将太阳能热水器智能控制系统中所检测的水温很直观的显示出来，是智能系统中不可或缺的器件。液晶屏在两块玻璃中加入液晶等材料，通过两个电极产生电场，使液晶分子在电场的效应下产生不规则的运动。通过对不同光源进行实效控制，产生明暗的图像显示。所以控制两级之间的电压就能把所需要的信息显现出来1太阳能热水器智能控制系统采用的是SMC1602A液晶屏，通过此液晶屏，可以直观的显示水温，水温设置的上限、下限以及加热预留时间。在太阳能热水器智能控制系统中，SMC1602A采用的是单片机串行口的连接方式，这样不仅方便焊接，还能有效的节省单片机I/O口的资源。其引脚功能如表1所示。表1 SMC1602A引脚功能引脚编号符号引脚说明1VSS电源地2VDD电源正极3VL液晶显示偏压信号4RS数据/命令选择端（H/L）5R/W读/写选择端(H/L)6E使能信号714D0D7Data I/O15BLA背光源正极16BLK背光源负极3.1.5 蜂鸣器蜂鸣器在按下太阳能热水器智能控制系统的设置按键时，会发出嘀嘀的声音，以此来告知用户按键成功，从而不会导致用户在设置太阳能热水器时因不知按键成功与否而导致按键过多，达不到所预想的温度。蜂鸣器在市面上分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型，本次设计采用的是电磁式的，其原理为：通电时吸附金属震动膜，不通电时依振动膜的弹力弹回，由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。其实物图如图9所示。图9 蜂鸣器实物图3.1.6 LM393LM393这个芯片用来比较水位上限传感器和水位下限传感器的电压，将水位上下限电压值比较后将结果发送给单片机。LM393是高增益,宽频带器件，与其他比较器相似，若是输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡。这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时，输出电压过渡的间隙，电源加旁路滤波并不能解决这个问题，标准PC板的设计对减小输入输出寄生电容耦合是有助的。减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号，而且增加甚至很小的正反馈量(滞回1.010mV)能导致快速转换,使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡，除非利用滞后，否则直接插入IC(集成电路板integrated circuit，缩写：IC) 并在引脚上加上电阻将引起输入输出在很短的转换周期内振荡，如果输入信号是脉冲波形，并且上升和下降时间相当快，则滞回将不需要。其引脚功能如表2所示。表2 LM393引脚功能引脚编号符号引脚说明1OUT1输出端121N-(1)反向输入端131N+(1)正向输入端14GND电源地51N+(2)正向输入端261N-(2)反向输入端2 7OUT2输出端28VCC电源3.1.7 SRD-05VDC-SL-C继电器再太阳能热水器智能控制系统中，若水位传感器或者温度传感器像单片机发送的数据达不到用户设置标准时，单片机便会给出+5V电压，使得继电器工作，从而控制太阳能热水器水循环系统中的水泵和水箱加水。SRD-05VDC-SL-C继电器在本次设计中的应用相当于一个开关，一共有5各引脚，其中2个为线圈引脚，连接单片机，另外2个一个为常开，一个为常闭，最后一个为公共端，SRD-05VDC-SL-C继电器体积较小，其最大转换电流为15A，最小负载为100mA、5V，最大转换电压为250V/30V，最大转换功率为2770VA/240W。其实物图如图10所示。图10 SRD-05VDC-SL-C继电器3.1.8 MAX485本次设计中，由于主控芯片与测温芯片不在同一位置，且DS18B20与单片机的有效通讯只有5米，所以需要利用RS-485总线通讯技术，来实现单片机与DS18B20的通讯。RS-485总线通信靠的是MAX485通信芯片当做总线的收发器，MAX485芯片是Maxim公司的一款芯片，工作电源为+5V，额定电流为300A，采用的是半双工通讯方式，内部含有一个驱动器和一个接收器，连接非常简单，只需与单片机的TXD、RXD连接。由于实现DS18B20与单片机通讯需要两个MAX485芯片，一块当接收器，一块当发送器，所以DS18B20端需要一个额外的电源来供电，这个电源采用直接供电方式，接220V交流电，再进降压、整流、滤波后进行供电。其实物图如下图所示。图11 MAX4853.2 硬件电路的设计3.2.1 单片机最小系统什么为单片机最小系统？仅仅一块单片机芯片，并不能正常工作，能使单片机正常工作的最小的硬件电路称为单片机最小系统。而构成单片机最小系统的包括一块单片机，晶振电路，复位电路以及电源的设置，所以要设计太阳能控制系统，最先设计的为单片机最小系统。（1） 电源电路要想实现太阳能热水器的各个功能，必须引入+5V的电源，驱动单片机从而驱动各个模块。为了能使太阳能热水器智能控制系统正常使用，需要采用变压器将通用的220V电压降压为12V交流电，再通过整流、稳压、滤波后，为系统提供+5V的直流点，详见图12电源电路原理图。图12 电源电路原理图（2） 晶振电路单片机内部有一个高增益反向放大器，输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。而在芯片外部XTAL1和 XTAL2之间跨接晶体震荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。外接晶体（石英或陶瓷，陶瓷的精度不高，但价格便宜）振荡器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中， C1和C2的大小会对振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度特性有一定影响，所以，两个电容根据经验一般取30PF。晶振电路如图13所示。图13 晶振电路原理图（3）复位电路 在单片机运行的过程中，有可能会出现死机的现象，这时就需要复位电路对单片机进行复原。单片机复位分为电复位以及按键复位两种，本次设计使用的是按键复位。若要使STC单片机复位，需在RST管脚上产生2个个周期的高电平，并通过电容产生信号，使单片机复位，其原理图如图14所示。 图14 复位电路原理图3.2.2 蜂鸣器报警电路在太阳能热水器水箱中，温度超过预设上限时，蜂鸣器就会报警，他发出的滴滴声能让用户知道水温已经达到上限值，并且在用户按下设置键时，蜂鸣器也会发出声音，提示用户按键成功，从而不会导致用户误按或多按。本次系统中的蜂鸣器报警电路由单片机的I/O口连接一个三极管以及一个电阻，其中三极管采用PNP型，电阻采用2.2K电阻。蜂鸣器连接的为单片机的P26引脚，以P26作为蜂鸣器输出端口，当输出高电平时，蜂鸣器工作，低电平是停止工作，其原理图如图15所示。 图15 蜂鸣器报警电路3.2.3 按键电路本次设计采用的是独立式按键，每个按键单独连接一个I/O口，这样就不会影响其他I/O口的正常工作。本次设计一共有4个按键分别为设置键（P14）、加键（P15）、减键(P16)以及确认键(P17)，4个键共阴极，低电平有效，当按下按键时，单片机扫描到 P14P17为低电平时，通过消抖，做出相应的回应。其连接方式如图16所示。图16 按键电路原理图3.2.4 温度检测电路温度测量是太阳能热水器一个关键部分，DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温度传感器，在测量到温度数据之后，数据通过P22口传达给单片机，再输出显示到液晶屏上，DS18B20具有3引脚TO92小体积封装形式，其1脚GND为电源地，2脚DQ为数字信号输入/输出端，3脚VDD为外接供电电源输入端。又为了使其正常使用，防止输入端与外供电源端短路，还需在3脚上加入一个10K的电阻，其连接方式如图17所示。图17 温度检测电路原理图3.2.5 RS-485总线通讯由于太阳能热水器一般应用于农村的独立建筑，太阳能热水器放置于楼顶，主控系统放置于用户家中的卫生间，这样就导致了DS18B20温度传感器以及水位传感器需要于主控系统分离。由于DS18B20采用的是寄生电源，而单片机的逻辑电平理论上超过5米信号就非常的弱了，所以本次实物不能再实际运用中使用，若要在实际运用中使用，则需要保证有效的通讯。其中一端接DS18B20，另一端接单片机，实现长距离通讯。其中MAX485的DI脚接单片机TXD脚，R0接RXD,RE、DE接P1口。 其原理图如图18所示。图18 MAX-485原理图3.2.6 水位检测电路水位检测在太阳能热水器使用中不可或缺，在检测到水位以后，将数据传回单片机，由单片机决定水够不够，是否需要加水。在2个Water Sensor的输出端接上LM393，比较2个水位检测器的电压，将结果输出给单片机，由此来判断水位是否低于下限，需要加水，或者高于上限，停止加水，并且，COMS电路驱动力较弱，所以在LM393的一端，需要加上10K的上拉电阻，以确保正常稳定的低点平输出。其原理图如图19所示。图19 水位检测电路原理图3.2.7 指示灯电路在系统开机、加水，加热时都需要指示灯，用来告知用户此刻太阳能热水器的状态，以便更好的使用。LED指示灯采用共阴极接法，另一端接入P36，在单片机发出高电平时，指示灯点亮，所以指示灯的链接方式如图20所示。 图20 LED指示灯电路原理图3.2.8 显示屏电路显示器是显示实时数据最直观的方式，用户能及时准确的了解到太阳能热水器此时的工作状态以及所设温度的上限、下限值。在SMC1602A显示器中，VSS接地，VCC接+5V电源，V0为了保证显示器不出现“鬼影”，接一个10K电阻来调整显示器对比度，RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。RW为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和RW共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW为低电平时可以写入数据。E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。D0D7为8位双向数据线接单片机P0口。其原理图如图21所示。图21 显示器电路原理图4 软件系统的设计4.1 软件设计的描述 太阳能热水器智能控制系统所需要的程序分为众多模块，如在按键时单片机扫片按键的键盘程序模块，当单片机处理好数据后输出给显示器的显示器程序模块，DS18B20以及Water Sensor采集的水温以及