陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 2

环保绿色产品的需求。在人类文明程度日益提高的今天，它是现代文明社会的最佳选择。应该注意到，集体单位对太阳能热水器的用量很大。

众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭，没有污染的巨大能源。随着世界上煤、石油、天然气的存储量日益减少，能源危机已日益增长，环境污染的危机已威胁着生态平衡，太阳能开发利用的课题已提到人类的面前。有人预测：二十一世纪太阳能将由辅助能源上升为主要能源。但由于太阳能的分散性、季节性和地区性又给太阳能利用带来重重困难，有些技术难点尚未突破，产品造价偏高，因而尚未被人们大规模使用。

在太阳能热利用技术中，太阳能热水器是技术上比较成熟、造价比较低廉的产品，同时给人民提供低耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。世界各国的太阳能热水器生产发展也很快。例如：澳大利亚政府规定，在北部地区新建房屋一定要设置太阳能热水器，已经有25％的新住宅安装了太阳能热水器。日本现在每年安装太阳能热水器近50万台，计划今后普及率更高。有些国家法令规定所有新建筑物必须配备太阳能热水器。

太阳能热水器的推广应用及经济效益据不完全统计，迄今全国太阳能热水器累计安装使用总量已达到300万平方米以上。所以该控制器具有使用方便、性价比高、工作可靠、精度高等特点，为太阳能热水器的进一步推广具有积极的推动作用。

1.2 本课题研究内容与主要工作

本设计主要利用单片机为核心，选择适当的传感器作为信号的采集来源，温度传感器选择数字式的DS18B20。水位信号的检测选择PTJ204/205/206/207压力传感器，将检测的模拟信号经过A/D转换后送入单片机处理。通过LED数码管来显示温度和水位。要经过几部分的设计来完成：

（a）LED数码管显示部分设计 （b）A/D转换部分设计 （c）温度采集部分设计 （d）控制加热和上水电路设计

从系统需要和研究内容可以看出，本设计需要做的主要工作有：查阅相关资料，了解各部分功能原理。查阅元器件资料，掌握器件工作原理和硬件实现方法。利用电脑仿真，对设计的电路进行模拟检测。

1.3 本课题的研究预期成果

设计出太阳能热水器控制器，编写出稳定简洁的程序，调试成功，并在硬件电路上进行仿真达到预期的目的，完成设计任务。

太阳能热水器控制器的设计 3

2 总体系统设计

总体设计之前，根据该系统所要达到的功能，选择适当的元器件和合适的芯片来设计系统，了解各器件的原理和功能。太阳能热水器控制器设计，就要有温度采集器件，根据相关参数范围选择了DS18B20数字温度传感器，采集到的数据为数字量，可以直接送入单片机处理，电路简单，数字温度传感器比模拟温度传感器测量结果精确。要显示水位量就要有单片机能处理的水位量，这个量就要由传感器来测量，这里的水位检测传感器选择模拟的传感器，模拟量不能直接进入单片机进行处理，要变成二进制的数字量才能送入单片机进行处理，这就要进行A/D转换，把采集到的水位信号转换成为数字量。A/D转换的器件选择为ADC0832转换芯片，它是一个两路模拟量输入，转换完的数字量串行输出，ADC0832转换芯片引脚少，能达到相同的功能，而且电路简单，方便。显示所测量的结果要用到LED数码管，用LED数码管来显示结果比较清楚，防水和磨损，是比较好的显示方式。要实现温度稳定控制，就需要设定温度的标准量，是和当前水的温度进行比较的，看当前水的温度有没有达到或者大于标准的温度，然后加以控制，要设置给定的温度就要有输入装置，采用简单的按键作为输入是很简便的，不会带来复杂的问题。控制装置要采用电磁开关控制，这样就不用人为的操作，电磁开关在闭合或打开的时候在电磁线圈上会产生电流，为了防止这样的电流对前面的电路产生不良效果，与线圈并联一个二极管，利用二极管的单项导通性就能阻止电流流回电路，保证电路的安全。为了保证单片机输出的控制信号稳定而且有足够大的电流，在单片机输出信号后加上正向驱动器来增大信号强度，再在电磁开关之前加上光电隔离，会阻隔掉不必要的干扰，通过光电隔离的电压信号是稳定的，这样的控制系统才能稳定可靠的工作。

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3 总体硬件设计

3.1 系统总体硬件框图与工作原理

经过对所要设计的控制系统的功能要求进行分析，可以得道系统的总体硬件设计框图，如图3-1所示。

由系统的总框图可以看出该系统的工作原理为：单片机89S52作为控制核心并协调整个系统的工作，通过数字温度传感器检测当前水的温度，由于数数字信号就直接送入单片机89S52内，通过单片机的处理在LED数码管上显示当前的温度值。另外一路是在水箱中的水压传感器测水的压力从而得到水位的高低，水压传感器输出的是0～5V的模拟量，要经过A/D转换成为数字量再送入单片机89S52进行处理，在LED数码管上显示水位值。按键用来设定想要的温度值，单片机在内部通过比较设定的温度和当前温度，当前温度小于设定值时就会闭合电磁开关，开启加热装置。自动上水方面是设置水位的上下限，水位小于下限时就会闭合电磁开关，就会开始上水，水位到达上线时就会自动断开电磁开关，停止上水。温度和水位值在时时检测，达到控制目的[1]。

温度传感器温度显示单片机89S52水压传感器A/D转换水位显示上水控制电磁开关加热控制电磁开关图3-1 系统总体硬件框图

按键 3.2 温度传感器

3.2.1 温度传感器DS18B20

温度传感器选择DS1820数字温度计，它以9位数字量的形式反映器件的温度值。DS1820通过一个单线接口发送或接收信息，因此在中央微处理器和DS1820之间仅需一条连接线（加上地线）。用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源。因为每个DS1820都有一个独特的片序列号，所以多只DS1820可以同时连在一根

太阳能热水器控制器的设计 5

单线总线上，这样就可以把温度传感器放在许多不同的地方。这一特性在HVAC环境控制、探测建筑物、仪器或机器的温度以及过程监测和控制等方面非常有用。

图3-2 DS18B20引脚排列与封装形式 表3-1 DS18B20引脚说明 引脚 1 2 3 符号 GND DQ VDD 接地 数据输入/输出脚。对于单线操作：漏极开路 可选的VDD引脚。 说明 DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口少等优点，但在实际应用中也应注意一下问题：

（a）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行连接补偿，DS18B20与微处理器间采用穿行数据传送，编程时要严格保证读写时序，否则将无法读取测温结果。

（b）连接DS18B20的总线电缆长度是有长度限制的。当采用普通信号电缆传输长度不能超过50m，采用双绞线带屏蔽电缆时可达到150m。

（c）在DS18B20测温程序中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，要保持接触良好，否则会进入死循环。

DS18B20的特性：

（a）独特的单总线接口方式。DS18B20在I/O处理器连接时，仅需要一个I/O口即可实现微处理器同DS18B20的双向通讯。

（b）DS18B20支持组网功能，多个DS18B20多个DS18B20可以并联在唯一的单线上，实现多点测温。

（c）DS18B20的测温范围为：－55℃～＋125℃，在－10℃～＋85℃时，其精度

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为＋0.15℃。

（d）DS18B20的测量结果的数字量位数从9～12位，可编程进行选择。 （e）DS18B20内部寄生电源，器件既可以由单线总线供电，也可以用外部电源供电。

DS18B290测温原理：DS18B20测量温度采用了特有的温度测量技术，它是通过计数时钟周期来实现的，内部计数器对一个受温度影响的振荡器的脉冲计数，低温时，振荡器的脉冲无法通过门电路。计数器设置为－55℃。同时，计数器复位在当前的温度值时，电路对振荡器的温度系数进行补偿，计数器重新开始计数直到回零。如果门电路仍未关闭，则系统重复上述过程[2]。 3.2.2 DS18B20的结构

DS18B20有三个主要数字部件： 1. 64位激光ROM， 2. 温度传感器，

3. 非易失性温度报警触发器TH和TL。

器件用如下方式从单线通讯线上汲取能量：在信号线处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。DS1820也可用外部5V电源供电。

DQ存储器和控制逻辑温度传感器64位ROM和单线端口暂存器上限触发VCC电源检测8位CRC产生器下限触发 图3-3 DS18B20的内部结构

DS18B20单纯通信功能是分时完成的。单线信号包括复位脉冲，响应脉冲，写“0”，写“1”，读“1”。它们有严格的时隙概念。系统对DS18B20的操作以ROM命令（5个）和存储器命令（6个）形式出现。对它的操作协议是：初始化DS18B20发复位脉冲－发ROM功能命令－处理数据－发存储器命令处理数据，各种操作都有相应的时序图[2]。

DS18B20在使用时，一般都采用单片机来实现数据采集。只需将DS18B20信号线与单片机1位I/O线相连，且单片机的1位I/O线可挂接多个DS18B20，就可实现单点或多点温度测量。DS18B20传感器的精度高、互换性好；它直接将温度数据进行编码，