系统分析及设计报告

一．系统分析

图 1 热水器装置简图

1-集热器 2-下降水管 3-循环水箱 4-补给水箱 5-上升水管 6-自来水管 7-热水出水管

热水器主要由集热器、循环管道和水箱等组成，图中为典型的热水器装置

图。图中集热器 1 按最佳倾角放置，下降水管 2 的一端与循环水箱 3 的下部相 连，另一端与集热器 1 的下集管接通。上升水管 5 与循环水箱 3 上部相连，另 一端与集热器 1 的上集管相接。补给水箱 4 供给循环水箱 3 所需的冷水。

集热器吸收太阳辐射后，集热器内温度上升，水温也随之升高。水温升高 后，水的比重减轻，便经上升水管进入循环水箱上部。而循环水箱下部的冷水 比重较大，就由水箱下流到集热器下方，在集热器内受热后又上升。这样不断 对流循环，水温逐渐提高，直到集热器吸收的热量与散失的热量相平衡时，水 温不再升高。这种热水利用循环加热的原理，因此又称循环热水器。

集热器是一种利用温室效应，将太阳能辐射转换为热能的装置，该装置与 一般热水交换器不一样，热交换器通常只是液体到液体，或是液体到气体的热 交换过程，而平板行集热器是直接将太阳辐射传给液体或气体，是一个复杂的 传热过程。

热水器不论在什么样的天气里，都能够在设定的时间向用户提供设定温度 的热水，从而给用户带来便利。当控制器在设定的时间使水温达到设定温度时， 将通过声光报警提醒用户。

二．设计方案

本设计以 MSC-51 系列单片机 AT89C51 作为中央处理器，采用由 4 x4 行 列键盘输入加热时间、水温设置等要求，利用温度采集模块和水温采集模块进 行对热水器中的水位和水温的信息采集，这些信息经由数据处理模块处理后， 一旦水温达不到预设的水温要求，便会启用电加热模块，对水进行加热，并将 水温显示在显示模块上，而当水温达到设置要求时，便会触发报警模块，并同 时停止加热。而如果在这个过程中水位没有达到预设时的要求，加热器也会进 行注水，直至预设时的水位后停止注水。 1．硬件设计

太阳能热水器控制系统的主体部分为单片机 AT89C51 芯片，其外围电路 由键盘输入模块、显示模块、热电偶温度采集模块、温度和水位采集模块、光 敏电阻测量光照强度模块、电加热模块、以及电热温度参数设置模块构成。单 片机部分主要用于控制和处理各功能模块的工作，实现时间设定、水位和温度 显示、加热等功能。硬件框图如图 2 所示。

图 2 系统组成框图

（1）主控芯片模块电路

单片机系统由 AT89C51 和一定功能的外围电路组成，包括为单片机提供复 位电压的复位电路，提供系统频率的晶振。这部分电路主要负责程序的存储和

运行。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率 的高低、谐振器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。晶体可在

1.2MHz～12MHz 之间任选，电容 C1 和 C2 的典型值在 20pF～100pF 之间选择， 但在 60pF～70pF 时振荡器具有较高的频率稳定性。典型值通常选择为 30pF 左 右，但本电路采用 30pF。AT89C51 的复位是由外部的复位电路来实现的。复位 电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。本设计中所用到的是上电按 钮复位，如图 3 所示。

图 3 单片机系统

（2）光敏电阻测量光照强度模块

本设计选用光敏来对光照强度进行测量，获取光能。光敏电阻获取的是模 拟信号，需通过 ADC0809CCN 将模拟信号转化为数字信号。光明电阻及 ADC0809CCN 与单片机的连接电路如图 3 所示。光敏电阻器是利用 半导体 的光 电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器 ，入射光强，电 阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和 光电转换（将光的变化转换为电的变化） 。光敏电阻器的阻值随入射光线 （可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达 1~10M 欧,在强光条件（ 100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。 光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（ 0.4~0.76）μm 的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。 在本设计