单片机设计太阳能热水器

摘要
本文提出了一种以MCS—51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
Abstract
This paper presents a MCS - 51 series single chip microcomputer 8051 as main control chip, supplemented by other functions 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 external 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 temperature 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. Based 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 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 and software block diagram.
Key words: SCM, temperature control, water level control
目录
绪论 (4)
1.1 本课题研究的目的、意义 (4)
1.2国内外研究现状 (5)
1.3目前我国太阳能热水器的种类 (6)
1.4 研究的内容 (9)
第一章系统总体设计方案 (11)
1.1 设计思路 (11)
1.2 设计总框图 (12)
第二章系统硬件部分设计 (13)
2.1 数据采集 (13)
2.2 数据转换 (18)
2.3 MCS-51系列单片机8051 (21)
2.4 LED数码显示和键盘 (24)
2.5 输出驱动与执行机构 (27)
2.6 系统的硬件抗干扰设计 (29)
第三章系统软件部分设计 (31)
第三章系统软件部分设计 (31)
3.1 主程序流程图 (31)
3.2 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，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，故使用寿命很长。

缺点：
1、由于白天、晚上的温度不同，集热器易产生倒流。

2、在高温段效率偏低，表面热损大。

3、在冬季低于0℃时，因集热器中的水结冰膨胀，将管子胀裂。

4、流动阻力分布不均，抗冻性能差，所以使用范围局限在北方的夏天和南
方不结冻地区的冬天。

1.3.2全玻璃真空管式热水器
全玻璃真空管式太阳能热水器是在平板型太阳集热器的基础上发展的一种新型太阳能集热装置。

全玻璃真空管太阳集热器的核心元件是玻璃真空集热管，它采用了真空技术，消除了气体的对流与传导热损，并应用选择性吸收涂层，使真空集热管的辐射热损降到最低，这样真空管太阳集热器可以在中高温下运行，也能在寒冷地区的冬季及低日照与天气多变地区运行，扩大了应用领域。

全玻璃真空太阳集热管通常采用单端开口的形式，在一端将内、罩玻璃管环形熔封在一起。

真空集热器内装有吸气剂[4]。

这种集热器的优点是：
1、结构简单、制造方便、可靠性强。

2、集热效率高，保温性能好。

3、可以在中高温下运行，也能在寒冷地区的冬季运行。

4、使用寿命长，一年四季都可使用。

缺点：
1、管内存水过多，管内水温上升缓慢，而且对于真空管南北放置的热水装
置，管中的热水无法全部取出，致使系统热水利用率降低。

2、不能承压，易在玻璃管内结垢，管子易炸裂，而且在严寒地区使用会冻结。

3、价格昂贵。

1.3.3热管式太阳能热水器
热管式热水器也是一种可以常年使用的太阳能设备，基本原理同热管式太阳灶差不多。

但是，由于一般提供洗浴用的热水温度不太高，所以对热管的要求也比太阳灶要低。

甚至从满足生活热水的单项要求来说，这种热管在技术上和经济
上均优于真空集热管。

我国大连生产的热管式热水器虽然初始投资高于平板式集热器，但是低于真空管集热器，而使用效果也不差。

国外同类热管式热水器的产量和型号正在不断增加。

此种热水器的热管，结构简单，工质易得，抗冻性和热效率均好，使用寿命也长。

热管式热水器在外形结构上很象管板式热水器，只不过把普通排管变成了热管，少个或省去了一个集水管，热管上同样可装翅片吸收太阳能。

当热管收集到太阳的热之后，立刻把它输送到集热管，并在水箱中进行换热，于是得到热水。

由于热量是由热管输送、选择合适的工质与管材、管芯，就能保证其化学相容性，避免一般管板式热水器的腐蚀性。

同时，因为热管内的工质很少，不像管板式热水器里面充满着水，所以热损较低，起动也较快。

而且热管式热水器的工作温度范围也比管板式热水器宽得多，不用担心00C时水会结冰，也不怕高于100℃时水会沸腾。

1.3.4热管—真空管式太阳能热水器
热管—真空管式集热器是一种新型的太阳能集热装置，集中热管式和真空管式集热器二者的优点，克服彼此的缺点。

例如，利用热管起动快，一通过不同工质可以控制热水器的工作温度，而真空管集热器在无负荷闷晒时，往往会出现超过200℃的高温，使水的压力增大，造成使用中的不便等。

但真空管集热器的优点在于绝热性好，热效率高。

其原理是太阳辐射穿过真空管玻璃外壳，投射在金属吸热板上，吸热板将太阳辐射能转化为热能，使热管蒸发段内的传热介质汽化。

蒸汽上升到热管冷凝段后，通过导热块将热量传递给集热管内的工质，而自身又凝结成液体，依靠重力流回蒸发段。

上述过程重复循环，使集热管内的工质不断升温。

由于运用了真空技术，大幅度降低了集热器的热损失，因而使其在高工质温度或低环境温度的运行条件下仍具有良好的热性能，同时运用了热管技术，被加热工质不直接流经真空管，因而跟普通平板式集热器和真空管集热器比较，热管式真空集热器除了工作温度高，承压能力大和耐热冲击性能好等优点，还有其显著特点[5]。

这种集热器的优点：
1、耐冰冻。

热管由特殊的材料和工艺保证，即使在冬季长时间无晴天及夜
间的严寒条件下，真空管也不会冻裂。

2、启动快。

热管的热容量很小，受热后立即启动，因而在瞬变的太阳辐射
条件下能提高集热器的输出能量，而且在多云间晴的低日照天气也能将
水加热。

3、保温好。

热管具有单向传热的特点，即白天由太阳能转换的热量可沿热
管向上传输去加热水，而夜间被加热的水的热量不会沿热管向下散发到
周围环境。

4、安装维修方便。

安装方便，操作简单，易于固定，运行可靠。

缺点:
1、生产成本。

2、技术要求高。

上面介绍了目前我国太阳能热水器的种类，并讨论了它们各自的优缺点。

最后，在此基础上提出了本文研究的主要内容为全玻璃真空管太阳能热水器的自动控制系统的设计。

1.4 研究的内容
目前，单片机已进入人类生活的各个领域，如家用电器的冰箱、洗衣机、空调等，由于配上了单片机，增加了功能，实现了智能化，使人类生活更加方便。

近几年来，MCS—51系列单片机的开发应用深受各个应用领域的关注和重视，应用十分广泛，发展极快，特别是8051，在国内是应用最多、影响最大的单片机。

本设计就是以8051单片机为主要控制芯片，辅之以其他外设及功能部件，对太阳能热水器工作进行控制。

目前，太阳能热水器以其安全、节能、无污染等优点受到越来越多的消费者的欢迎。

但太阳能热水器也存在一些缺点，如阴雨天无法使用，不能显示水温水位，无法自动上水，不能根据用户的要求设置水温水位等，通常须采用太阳能加热和电加热相结合的方式来解决阴雨天的使用问题。

这就需要设计一套控制系统来实现自动电加热，同时用这套系统实现自动上水、保温和水温水位的检测和显示。

本设计的目的是设计适于日常应用的能自动上水的太阳能热水器，要求能自动检测水的温度和水位；当水位低于30L自动上水；水温未达到设定值而又长时间无变化，系统自动启动电加热器将水加热到设定温度，当用户按下加热键时系统也可启动电加热器将水加热到设定温度，水温达到设定值后系统自动进入保温状态。

本设计的技术要求是利用LED显示水温水位；四个按键设置水温/水位；
A/D转换模块；上水装置，电加热装置；要求本系统具有较高的抗干扰性、实时性、能根据检测数据迅速做出处理，本设计要采用的是MCS—51系列单片机8051，其内部ROM为4KB，内部RAM为256B（包括特殊功能寄存器），要接A/D转换器，以实现温度和水位信号的模数转换。

另外，由于本设计要用到6位LED显示器及四个功能按键，故采用一片可编程输入输出接口芯片8255来实现这部分的设计。

此外，本设计方案还考虑了抗干扰措施，如光电隔离、键盘消抖等，将在后面详细阐述。

本系统充分利用了8051单片机的各种资源，使系统使用方便，安全可靠，克服了太阳能热水器的一些缺点，实现了其运行的自动化。

第一章系统总体设计方案
1.1 设计思路
本次设计的目的是设计一个太阳能热水器单片机控制系统。

现在一般的太阳能热水器虽然有着不少优点，如节能、无污染、安全方便等，但在实际应用中也存在着一些缺点，如阴雨天无法使用、无自动上水功能、不显示水温水位等等。

为了解决上述存在的问题，比较理想的方案就是采用单片机作为应用系统的主控芯片，利用其强大的控制能力和丰富的资源，通过连接各种功能外设，使系统能正确、有效地完成服务。

在此，我将系统的设计分为两大部分，即硬件设计部分和软件设计部分。

在硬件部分中，主要解决系统的硬件连接与各功能的分配，各部分的地址分配也被分到硬件部分里。

在软件部分中，则具体分析系统的工作流程，编出部分子程序和中断服务程序。

1.2 设计总框图
系统总体设计框图如下：
图1-1 系统总体框图
由图可知，本系统采用MCS-51系列单片机8051作为系统的主要控制芯片。

根据本应用系统的设计任务，输入通道部分需由传感器采样温度和水位信号，经A/D转换器转换，将模拟量信号转换为数字量信号后送入8051，再由8051外接的8255送LED数码管显示。

键盘有四个按键来设置水温和水位，当8051扫描到有按键按下时，就输出控制信号驱动相应的执行机构，或控制加热器改变水温，或控制上水阀改变水位。

系统相应的功能由编程来具体实现。

第二章系统硬件部分设计
2.1 数据采集
2.1.1 温度传感器AD590
1．温度传感器AD590的工作原理
AD590集成温度传感器，内部含有放大电路，是一种两端器件。

其工作电压为+4~+30V，测温范围是-55~150摄氏度，对应于热力学温度T每变化1K，输出电流就变化1μA。

在298.15K（对应于25.15摄氏度）时输出电流恰好等于298.15μA。

这表明，其输出电流I（μA）与热力学温度T（K）严格成正比。

AD590的电路符号为：
AD590作为一种高阻电流源，不存在反馈线上的电压信号损失和噪声干扰问题，其等效于一个高阻抗的恒流源，其输出阻抗大于10MΩ，能大大减小因电源电压波动而产生的测温误差。

例如，当电源电压从5V变化到10V时，所引起的电流最大变化量仅为1μA，等价于1摄氏度的测温误差。

2．AD590在本系统设计中的应用
由AD590构成的温度检测电路如图2-1所示：
从图中可知，由MC1403型带隙基准电压源输出的+2.5V 基准电压，经可调电阻R1接AD590的正极，并且还经过CD4051型八选一模拟开关接LM324型四运放中的一个运算放大器反向输入端。

AD590的负极接-5V 电源。

设通过R1、R2的电流分别为I 0、I 1，则AD590的电流表达式为
I O =I 0+I 1 （2-1）
因为LM324的电压增益A VO >>1,所以图2-1中的M 点为虚地，即U M 为零伏。

只要在0℃以下调整R1，使I 0等于AD590在该温度下的工作电流值（此时I 1=0，I O =I 0），I 0即为恒定值，在测温过程中I 1仅随I O 变化。

显然，温度上升t ℃时，
I 1必须增加到t ·1μA ，使LM324的输出电压U O （V ）为
t R A t R I R U ∙∙=∙∙=∙=-262120101μ （2-2）
由于0U 与被测温度t 成正比，从而实现了t/U 转换，这就是利用AD590测量摄氏温度的原理。

21,R R 分别用于校准0℃和100℃。

硅二极管VD （1N4001）可防止LM324进入饱和状态。

多路模拟开关CD4051的通断状态受单片微机的控制。

2.1.2 水位传感器
1．压差式液位传感器的工作原理
压差式液位传感器是根据液面的高度与液压成比例的原理制成的。

如果液体的密度恒定，则液体加在测量基准面上的压力与液面到基准面的高度成正比，因此通过压力的测定便可得知液面的高度。

如图2-2所示，其基准面上的压力由下式确定，即 ()21h h h p +∙=∙=ρρ （2-3）
式2-3中，p 为测量基准面的压力；ρ为液体的密度；h 为液面距测量基准面的高度；1h 为所控最高液面与最小液面之间的高度；2h 为最小液面距测量基准面的高度。

由于需要测定的是1h 高度，因此移动压力传感器的零点，把零点提高2h ρ，就可以得到压力与液面高度成比例的输出。

当储液罐为密封型时（见图2-3）
压差、液位高度及零点的移动关系如下：
高压侧的压力1p 为
()2101h h p p +∙+=ρ （2-4）
低压侧的压力2p 为
()32002h h p p +∙+=ρ （2-5）
压力差p ∆为
21p p p -=∆ （2-6）
式2-4至2-6中，ρ为液体的密度；1h 为所控最高液面与最低液面之间的高度；2h 为最小控制液面距测量基准面的高度；0ρ为填充液体密度；0p 为罐内压力；3h 为填充液面距最小液位的高度。

同样，只要移动压差式传感器的零点，就可以得到压差与液面高度1h 成比例的输出。

图2-4是压差式液位传感器的结构原理图。

它由压差传感器和电路两部分组成。

压差传感器实际上是一个差动电容式压力传感器，它由动电极感压膜片、固定电极隔液膜片等组成。

当被测的压力差加在高压侧和低压侧的输入口时，该压力差经隔液膜片的传递作用于感压膜片上，感压膜片便产生位移，从而使动电极与固定电极之间的电容量发生变化。

用电路将这种变化进行转换及放大，便可获得与压力差成比例的直流电压输出。

这种传感器具有可靠性高、性能稳定、体积小和重量轻等特点，因此，广泛应用于液面测量和液面自动控制。

2．液位变送器CB900
本系统采用液位变送器CB900作为采样水位信号的传感器，现简单介绍一下CB900。

CB900系列液位变送器是采用高性能扩散硅膜片差压传感技术，将液位压差转换为4~20mA或1~5V标准直流信号，可作液位传感器。

其工作电压为12V。

CB900的工作原理：加于变送器的压力（或差压）使变送器内膜片变形，从变形的扩散硅膜片上检出与差压或成线形变化的电信号，并转换为标准信号输出。

具体工作原理见上一节，这里不再累述。

2.1.3 采样保持器
在对模拟信号进行A/D转换时，从启动变换到变换结束，需要一定的时间，即AD转换器的孔径时间。

当输入信号频率较高时，由于孔径时间的存在，会造成较大的孔径误差。

要防止这种误差的产生，必须在A/D转换开始时将信号电平保持不变，而在A/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化，即输入信号处于取样状态。

能完成上述功能的器件称为取样保持器。

由上述分析可知，取样保持器在保持阶段相当于一个“模拟信号存储器”。

在A/D转换过程中，取样保持对保证A/D转换的精确度具有重要作用。

取样保持电路的基本原理如图2-1所示。

主要由保持电容C，输入、输出缓冲放大器以及控制开关S组成。

图中，两个放大器均接成跟随形式，取样期间，开关闭合，输入跟随器的输出给电容器C快速充电；保持期间，开关断开，由于输出缓冲放大器的输入阻抗极高，电容器上存储的电荷基本维持不变，保持充电时的最终值供A/D转换。

取样保持器工作状态由外部控制信号控制，由于开关状态的切换需要一定的。