智能型太阳能热水器控制器--附带原理图(已出PCB板)

淮 阴 工 学 院
毕业设计说明书（论文）
作者: 吴 健 学号：1101205122
系(院): 电子与电气工程学院
专业: 电气工程及其自动化
题目: 智能型太阳能热水器控制系统的设计
——硬件部分
张敏 讲 师
指导者：
(姓名) (专业技术职务)
评阅者：
(姓名) (专业技术职务)
2014 年06 月
目前，太阳能热水器已广泛应用，并正在向高效率、全天候、智能化、大型化和普遍化方向发展，因而，研制与其相应的太阳能热水器控制器就有着很强的迫切性和广阔的应用前景。

本设计以STC89C52RC单片机控制整个系统。

通过设置水位的上限和下限来实现自动上水、停水。

当水位高于上限，断开电磁开关，水位低于下限时闭合电磁开关；DS1302实时时钟用来设定每日自动上水的时间；独立按键用以设定想要控制的温度，并由温度传感器检测水温，单片机在内部比较当前温度，当水温低于预设温度，继电器闭合开始加热，高于预设温度断开电热丝；电热丝的加热功率由双向可控硅的导通角控制，从而控制电热丝的有效加热功率，出水可调恒温控制得到解决。

关键词自动控制，实时时钟，双向可控硅，过零检测
Title Design Of The Intelligent Control System Of Solar Water Heater
——Hardware Part
Abstract
At present, solar water heater has been applied extensively and it is stepping to the direction of high-efficiency, all daylong, intelligent, large-scale and generalization. For this reason, there is a great urgency and extensive application prospect to develop the controller of the solar water heater respectively.
This design uses the STC98C52RC MCU to control the whole system. We set the level of upper and lower limits to achieve the water supply and cut-off automatically. When the water level is higher than the upper limit, we cut off the electromagnetic switch and close that as the water level below the lower limit. DS1302 real-clock can set the automatic supple time; separate button can set the controlled temperature and detect the water temperature through the temperature sensor. At the same time, MCU internally compares the current temperature. When the water temperature is lower than the set temperature, the relay will cut off and heat until it higher than the set temperature. At this point, it will close the heater strip. TRIAC conduction angle controls the heating power of heater strip, thus it can control the effective heating power. And the issue of adjustable water temperature control can be solved.
Keywords automatic control, real-time clock, triac, zero-crossing detection
目录
1 绪论 (1)
1.1 课题研究的背景 (1)
1.2 智能型太阳能热水器控制器在国内外的发展情况 (2)
1.3 本文所做的工作 (3)
1.4 本章小结 (3)
2 太阳能热水器系统结构总体设计及工作原理 (4)
2.1 太阳能热水器系统总体结构 (4)
2.2 太阳能热水器原理 (5)
3 总体方案设计 (6)
3.1 方案论证 (6)
3.2 方案选择 (7)
4 主要芯片的特性 (7)
4.1 主控制器STC89C52 (7)
4.2 时钟电路DS1302 (10)
4.3 DS18B20简介 (12)
4.4 光电耦合器JC817 (13)
5 智能型太阳能热水器控制系统设计 (13)
5.1 太阳能控制器硬件结构图 (14)
5.2 水位检测电路 (14)
5.3 水位控制电路 (15)
5.4 定时进水电路 (16)
5.5 辅助加热控制电路 (17)
5.6 温度检测电路 (18)
5.7 报警电路 (19)
5.8 市电检测电路 (19)
5.9 电源供电模块 (20)
6 硬件制作 (20)
6.1 PCB板制作过程中所遇到的问题 (20)
6.2 焊接电路板步骤 (21)
6.3 测试电路板 (21)
6.4 电路板主要模块的测试 (22)
结论 (27)
致谢 (28)
参考文献 (29)
附录A 系统电路原理图 (30)
附录B 系统电路PCB图 (31)
附录C 系统电路实物图 (32)
附录D 元器件清单 (33)
图2-1 太阳能热水系统结构图 (5)
图2-2 太阳能热水器水循环原理图 (6)
图4-1 STC89C52引脚图 (8)
图4-2 DS1302引脚及内部结构 (11)
图4-3 DS1302的控制字 (11)
图4-4 DS1302数据读/写时序 (12)
图5-1 太阳能控制器硬件结构框图 (14)
图5-2 水位检测电路 (14)
图5-3 水位控制电路 (15)
图5-4 定时进水模块 (16)
图5-5 加热控制电路 (17)
图5-6 温度检测电路 (18)
图5-7 温度检测电路 (18)
图5-8 报警电路 (19)
图5-9 通过三极管进行过零检测 (19)
图5-10 电源及电源指示灯 (20)
图6-1 前期温度显示 (22)
图6-2 后期温度显示 (23)
图6-3 加热部分测试 (24)
图6-4 定时模块的测试前期 (24)
图6-5 定时模块的测试后期 (25)
图6-6 整流波形 (25)
图6-7 非门端输出波形 (26)
表4-1 P1.0和P1.1引脚复用功能 (9)
表4-2 P3口引脚复用功能 (9)
表4-3 DS1302引脚功能 (11)
表4-4 内部寄存器地址和内容 (12)
1 绪论
1.1 课题研究的背景
众所周知，太阳能是大自然馈赠给我们源源不断的能源。

随着全球人口和经济规模的不断增长，再加上世界上煤，石油，天然气和其他不可再生能源储量的日益减少，资源紧张持续威胁人类，环保概念逐步深入人心。

太阳能作为一种新型清洁无公害能源，已经逐步被世界各个国家所注意，各大国家纷纷意识到这一财富的宝贵，越来越重视太阳能。

可想而知，如果一个社会要坚持走可持续发展道路，那它必须要满足社会人民的需要、不能过度开采不可再生能源以免危及后人的前途[1]。

因此，节约自然能源，提高能源的利用率，并且多可能利用新能源[2]，符合我国的国情。

太阳能热水器—一种新型环保能源，缓解了当代社会越来越紧张的资源利用不足的情况。

今天，越来越多的人知晓这种产品的好处，绝大多数用户接受并安装这一类产品，千家万户用上了太阳能热水器。

可以说，纵观国内外最近的发展情况，太阳能热水器实用技术迅速发展，迫使它成为第三能源市场的最大需求的产品之一。

目前，市场上普遍销售着4类热水器产品。

首先是燃气热水器，其特点是加热速度飞快，但是所用的燃料会污染环境，污浊室内空气；其次是电热水器，它的特色是加热功率较大，长期使用会产生相当大的开销[3]；再者是太阳能热水器，其特点就是安全、可靠、无污染，最后就是空气能热水器，它的特色是适应范围较广，能够满足用户的用水需求，但是相对于前三者价格要高出很多，普及较慢。

如今，在太阳能热利用的所有技术中，如果要满足造价低廉且技术成熟这两个特点的话，那么这种产品要非太阳能热水器莫属了。

它不消耗不可再生能源，不会产生废水废气，对环境不会造成破坏或者多坏的影响，更重要的是它给广大民众创造了绝对安全的热水，因此受到广大用户的欢迎。

对于太阳能热水器来说，在它运转时，水位检测和温度检测是占据很大的作用的。

如果发生一些突发状况，比如说水箱内水不足，当用户需求热水时就不能使用；再者比如说冬天，如果水箱内温度太低的话，用户用水明显感到水温太低，针对以上两种情况，与太阳能配对的智能控制器存在着非凡的意义。

因为控制器能够实现水位水温的实时监测，它能够控制储水箱的液位来满足用户需求，严格控制温度直到用户满足为止。

当然现在的控制器也实现了时间，日期显示，这样方便用户自行设定每日加水的时间以及适合用户使用的水温。

对于以上的条件，该系统有主从两个系统：当太阳光照足够时不需要开启加热装置，此时用户
只需要把太阳能热水和自来水管冷水适当混合就可，这个是主系统；辅助加热系统属于从系统，因为天气可能阴天下雨或者阳光不足，这时候，电热丝开始工作对水箱内水进行加热，当温度达到用户所设定值时，断开加热装置，热水能够全天供应的目的就达到了[4]。

然而，现今市场上控制器系统功能多半不够完善，操作不方便等诸多问题。

很多控制器虽然加了水位显示和温度显示，但广泛的控制器欠缺良好的温度控制，结果就是下雨天或者光照不足等恶劣天气使用极其不便。

当然现今的太阳能热水器把辅助加热这一独特功能加上了，却不能及时把握好加热的时间，以至于这种问题得不到解决，实水温已经达到用户的设定值，但是加热装置还未断开，如果说电热丝的功率非常大，那么多出来的时间就会多用一部分电力，那么从节约电能来说，产品是不太好的。

作为一名大学生，选择智能型太阳能热水器控制器这个课题，能够更好的让我们甚至更多人认识到可持续发展这一概念，更能够看清目前的能源危机，这对于世界各国应对能源问题，并且采取有效措施具有一定的现实意义。

1.2 智能型太阳能热水器控制器在国内外的发展情况
太阳能热水器具有这些特点，比如说它清洁、节约电能、安全可靠等等，所以受到广泛民众的欢迎，随着太阳能热水器快速发展的过程中，一个慢慢崛起的行业—太阳能热水器智能控制器行业逐步浮出水面，推动了太阳能热利用技术行业[5]。

智能控制器的核心技术主要包括以下两个方面：一个是控制器功能的完善方面，另一个是自身安全可靠性方面。

在功能上，方便实用是个重点；在可靠性上，把硬件和软件结合，并且注意用水用电安全。

早期用户只是通过数码管直观显示当前热水器的水温，水位显示则用简单直观的发光二极管来表示。

如果LED亮了，那么表示当前水位已达百分之多少；后来设计者换成了液晶显示屏或彩色发光屏幕。

使得用户更能方便直观看到热水器的工作状态，通常显示器上有温度显示、液位显示、时间显示、出故障报警提示、工作状态等。

单片机为整个系统的主控部分。

在这种技术发展的前期，技术人员常常利用RC 震荡技术，通过这种方式来测量太阳能水位水温。

后来随着市场的需求变大，全球芯片数量需求也变大，那么价格想当然就降低了不少。

后来，太阳能热水器行业开始提倡模数转换技术，这种技术的最大的优点是：“采样精确度高，控制更加精准”。

当今社会，任何技术发展越来越快，太阳能热利用技术也包括其中，目前市场上出现专门为太阳能热水器控制器定制的单片机（例如SR868C8单片机），使用诸如SR868C8
单片机时太阳能热水器会变得更加适合、稳定、可靠。

当然，光是硬件的升级还不够，软件方面也有着越来越大的突破技术，比如水位自动适应（记录每天用户的用水量，经过控制器的运算可以自动实现每天适度上水，避免了浪费）、人机交互（用户可以很直观的设置自己的要求，而且方便可靠）、电压电流过载切断电路（因为存在加热器件，当电路中电流过大时，熔断丝断开切断加热装置，保护控制器主控部分）等。

水温传感器：目前普遍使用的是NTC热敏电阻。

水位传感器：普遍使用在太阳能热水器上的是电极式传感器，在这些技术发展过程中，水位传感器面临更大的挑战，要保证水位传感器绝对不能进水、不可结水垢，而且要保持良好的导电性能。

当代，随着技术人员的不断对技术的探索和改进，已逐步解决以上的困难。

如果按照数据传输方式分类的话，主要分为有线和无线传感器，根据实际情况以及用户需要，有线传感器线的个数主要有2～4根。

展望未来社会，模块化、系统化的智能控制器会走向盛世。

利用诸如燃气、热泵、地热采暖等其它设备；结合手机、PAD、电脑等智能产品，基于网络平台组成系统化模块，应用于各个领域。

广大用户在家里打开水龙头就有调节好的水可用，不需用户做任何操作，真正实现了智能化。

全新智能触屏产品，不仅实现了以上种种功能，还实现了红外感应技术在太阳能热水器行业内的使用。

设计上，充分考虑到太阳能热水器作为家电的一部分，风格逐步融入家居，在外观上更加雅致。

全新一代产品，可实现基于无线2G或3G网络的远程控制，也可以通过无线局域网连接实现基于广域网络的远程控制。

1.3 本文所做工作
根据设计要求，本课题具体实现的功能主要有：
(1) 自动上水、停水
(2) 定时进水控制
(3) 定量进水控制
(4) 电加热恒温控制
(5) 出水可调恒温控制
1.4 本章小结
本章通过对太阳能热水器的发展背景作研究，了解了目前太阳能热水器和控制器的发展现状。

通过分析研究得出：太阳能将会成为第二十一世纪清洁能源的主导地位，
后续更加得到用户的重视。

太阳能热水器智能控制器的技术也会不断提高，太阳能热水器的需求量也会越来越大[6]，所以市场空间很大。

我国两会重大主题之一就是新兴产业的投资，而且在这里面，节能环保和新能源占据了主要地位。

同时国家政策也影响这类投资，“十二五”期间，国家将规划50个亿来补贴这类投资，全力支持以太阳能为主的新能源。

所做的这些都推动了整个太阳能热水器系统技术的发展。

如今中国环境污染日益严重，虽然国家意识到这一问题并开始逐步加紧治污，但是效果不明显且慢速。

因此开发类似太阳能热水器这一类无污染、无公害、节约能源的新能源，对解决中国日益缺乏资源的现况具有重大意义。

太阳能技术的应用已成为其推广发展智能太阳能热水器控制器的主要原因，因此我们需要走可持续发展的道路。

2 太阳能热水器系统结构总体设计及工作原理
2.1 太阳能热水器系统总体结构
目前中国市场太阳能热水器厂家鱼龙混杂，所生产的太阳能热水器的结构也复杂繁多，但是总体上都含有3个部分：保温储水箱、集热板、循环水管，各个部分具有不同的功能。

（1）集热板：吸热原理等同于其它类型的热水器。

但是又不同于其它类型的热水器，比如电加热水器等，集热板只能在光照充足的时间发挥其最大作用。

（2）保温储水箱：顾名思义，用以保存白天加热好的热水，这样用户能够在晚上甚至第二天还能使用热水。

目前的市场上有较好的材质来保温热水，而且保温效果佳、耐腐蚀、寿命能达到10年以上。

（3）循环水管：冷水从保温储水箱自动流到集热板的通道，而热水从集热板流到保温储水箱，形成供水系统。

循环管道的设计对整个保温系统的工作效率起关键作用，因此，热水传输管需要加保温装置，另外管道的可靠性也要保证，至少15年的使用寿命。

图2-1 太阳能热水系统结构图
在这里加了一个冷水补给箱，从而保证冷水的正常连续供应。

图2-1所示为太阳能热水系统结构框图示意图。

2.2 太阳能热水器原理
太阳能热水器主要有这几类工作原理：吸收热量、循环温水、保温热水三大结构原理，下面是太阳能热水器原理解释。

（1）集热板吸热原理：集热板表面安装了一种特殊的加热层，该层可以吸收大量不同波长的太阳光。

集热板能够收集足够多的热量，而且在这种涂层降低了太阳光波的发射率，换句话说，集热板留存了大量的太阳能热量，从而使得水温更快上升。

（2）循环原理：我们都知道ρ冷水>ρ热水，冷水敷在水箱底部吸收热量变成热水，热水上浮到水箱上部，整个水箱内水自然对流、来来回回，直到用户的设定值。

如果太阳光照强度不足，不能满足水流循环，这时候我们可以利用一个水泵，实现强制循环。

图2-2为太阳能热水器水循环原理图。

图2-2 太阳能热水器水循环原理图
（3）保温原理：白天加热好热水，然后储存到该容器中。

在白天，太阳能热水器才能有效地工作。

根据我们日常的生活习惯，用户到晚上才会使用热水。

我们必须通过保温水箱才能存贮热水，这样用户才能在晚上甚至隔天还能使用热水。

3 总体方案设计
3.1 方案论证
方案一：基于单片机的太阳能热水器控制系统的设计
单片机89C51控制整个系统的核心，水位传感器实时检测储水箱水位高低，温度传感器实时检测水温的合适度，所有的这些部分结合成一个整体，太阳能热水器控制系统形成。

单片机实时处理两个传感器发来的数据，根据预先设定值，及时控制热水器的工作状态。

该系统可以更加安全稳定、可靠、智能控制热水器的状态，并且有着良好的人机交互体验。

方案二：基于EDA的太阳能热水器控制系统的设计
目前，科技水平不断推进，民众的生活水平越来越好，越来越多的智能家电走进老百姓的家里，普通家庭也能体验到智能化家庭住宅。

现在千家万户用水越来越多，自然热水需求也越多，因此太阳能热水器更成为广大用户不可缺少的家电之一。

想当然的，与太阳能热水器配对的智能控制系统迅速崛起，消费者也更加青睐智能产品。

基于HIS的发展，基于FPGA芯片为载体，利用VHDL语言设计了一种智能型太阳能热水器控制系统。

控制器可以结合太阳能主控系统与辅助加热模块、协调各个模块无误运转。

这些功能包括水位自动适应水位、恒温加热出水可调等。

方案三：基于PLC的太阳能热水器控制系统的设计
市场上的热水器系统普遍存在着很多问题，比如说热水器水温不稳定、有限的加水量。

通过与其它太阳能热水器控制系统比较后重新设计了系统，有效的解决了传统太阳能热水器所存在的问题，详细阐述了系统的硬件和软件设计部分。

当然也总结出了此系统的优势和不足，提出了改进系统方案，在后面更是展望了太阳能热水器的发展前景。

3.2 方案选择
考虑到本人的经济条件和对专业知识的掌握程度，最终确定选用第一种方案。

在这里根据课题的要求要实现5个功能的正常运行，所采用方案一，那么硬件电路大概划分为8个模块：温度实时检测模块、辅助加热电路、蜂鸣器模块、市电检测电路、水位检测电路、自动供水模块、时钟计时电路、电源供电模块。

每个电路模块可以独立设计，电路相对简单可靠，再加上PROTEUS的仿真，达到预期的效果。

当各个模块的成功率提高时，这样才能提高整体的成功概率。

4 主要芯片的特性
4.1 主控制器STC89C52
4.1.1 STC89C52主要特性如下：
1. 增强型8051单片机，指令代码完全兼容传统8051
2. 工作电压：
3.3V～5.5V
3. 工作频率范围：0～40MHZ
4. 用户应用程序空间为8K字节
5. 片上集成512字节RAM
6. 通用I/O口32个，复位后：4个I/O口是准双向口/弱上拉。

P0当被用作总线扩展时，不需要上拉电阻；当被用作I/O口时需要加上拉电阻
7. ISP或IAP，不需要特殊的编程器，不需要专用模拟仿真，直接下载编程好的程序，几乎1秒内可完成下载工作
8. 具有EEPROM功能
9. 具有看门狗功能
10. 16位定时计数器T0、T1、T2
11. 通用异步串行口，只需要通过定时器软件实现多个UART
12. 工作温度范围：-40～+85℃
13. PDIP封装
4.1.2 STC89C52RC单片机的工作模式
ⅰ掉电模式：典型功耗小于1/10mA，通过外部中断唤醒，中断返回，继续执行原程序
ⅱ空闲模式：典型功耗：2mA
ⅲ正常工作模式：典型的功率消耗：4～7mA
ⅳ掉电模式可由外部中断唤醒
4.1.3 STC89C52RC引脚功能说明
图4-1 STC89C52RC引脚图
VCC（40引脚）：电源
GND（20引脚）：接地
P0端口（P0.0～P0.7，39～32引脚）：当它被用作输出端，8个管脚分别驱动8个TTL负载；想要让端口为高阻抗输入，只需要对端口P0赋高电平信号。

如果需要访问外部程序时，P0口则提供低8位地址；访问数据存储器时，该口供应8位数据的
复用。

此时，P0口内部上拉电阻才可以起作用。

存储器编程时，该端口接收指令字节；如果它需要检查程序，则输出指令字节。

当然如果需要被验证时，则需要外接上拉电阻。

P1端口（P1.0～P1.7引脚）：该8个端口内部自带上拉电阻，是双向I/O口。

它的输出缓冲器迫使4个TTL处于输入工作状态。

作为输入时，赋值1给端口，端口通过上拉电阻拉到高电位。

正因为P1口内部有上拉电阻的存在，致使P1口被用作输入状态时，输出一个电流，引脚会被外部拉低。

此外，P1.0和P1.1还有如下功能，具体见表4-1。

如果需要编程，或者校验Flash ROM时，这8个端口接收低8位地址
引脚号功能特性
P1.0 T2（定时器/计数器2的外部技术输入），时钟输出
P1.1 T2EX（定时器/计数器2捕获/重装触发和方向控制）
表4-1 P1.0和P1.1引脚复用功能
P2端口（P2.0～P2.7引脚）：P2端口的说明同P1端口。

编程和校验存储器期间，P2也将获得高的地址信号和控制信号。

P3端口（P3.0～P3.7引脚）：P3端口说明同P1端口。

编程和校验存储器期间，P3也将获得高的地址信号和控制信号。

除去那些作为一般I/O口使用的功能，P3口还有其他一些功能，如表4-2所示
表4-2 P3口引脚复用功能
RST（9引脚）：复位输入。

若要使单片机复位，完成初始化操作，就需要给单片机第9管脚赋值高电平，同时时间必须为连续两个机器周期以上才能有效。

XTAL1（19引脚）：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端
XTAL2（18引脚）：振荡器反相放大器输入端
4.2 时钟电路DS1302
4.2.1 DS1302的性能特性
1. 实时时钟，可计数年、月、周、日、时、分、秒
2. 31×8位的RAM，可以用于高速数据暂存；
3. 最少引脚的串行I/O；
4. 2.5～
5.5V电压工作范围；
5. 2.5V工作状态时耗电小于300nA；
6. 简单的三线借口；
7. 可选的慢速充电（至Vcc1）的能力
DS1302通过串口实现通信，在和微处理器之间。

DS1302N能够提供年月周等详细信息。

该芯片可以自动调整少于31天这个月月底，还能够纠正一个闰年。

时钟的运行格式分类成两种格式：24小时的格式、12小时的格式。

因为DS1302可以用两个电源供电：主电源/后备电源；VCC1提供低电源给时钟，并以低功率进行数据的备份；VCC2提供主电源给时钟DS1302。

处于这样的工作状态下，后备电源接3V纽扣电池供电，当主机没电时，系统瞬时保存时间数据。

DS1302由主要电源和后备电源中较大者供电。

当VCC2–VCC1>0.2V电压时，VCC2给DS1302供电；当电压VCC2低于电压VCC1时，DS1302由后备电压供电。

4.2.2 DS1302数据操作原理
如果DS1302需要传送任何数据之前，都需要把芯片初始化，即赋高电平给RST 端口，完成复位。

移位寄存器装入8位地址，也把命令字装入移位寄存器。

当信号源处于上升沿的状态下，数据被输入。

在传递过程中，定义逻辑0给RST端口，终结本次数据传送，使得端口变为高阻态。

在芯片上电时，该引脚必须保持低电平信号。

在SCLK为低，该端口被定义为高电平“1”。

DS1302的引脚如图4-2所示。

表4-3所列为各个引脚的功能。

图4-2 DS1302引脚及内部结构
表4-3 DS1302引脚功能
DS1302的控制字如图4-3所示。

必须使控制字节的第七位为逻辑1，如果它不是逻辑1而是逻辑0，则DS1302不能接受数据即不能把数据写到DS1302中。

赋”0”给第6位，访问日历时钟芯片的数据；为逻辑1表明数据访问RAM芯片。

位5～1是操作单元地址。

位0如果为低，操作“写“；为1，操作”读“。

控制字节的输入/输出位总是从0位开始。

图4-3 DS1302的控制字
DS1302数据读/写时序如图4-4所示。

图4-4 DS1302数据读/写时序
DS1302共有12个寄存器。

其日历、时间寄存器及其控制字如表4-4所列，其中奇数为读操作，偶数为写操作。

表4-4 内部寄存器地址和内容
DS1302选用32.768KHZ的晶振，可加可不加6PF的瓷片电容，对计时精度影响不大。

4.3 DS18B20简介
4.3.1 说明
DS18B20能够实现9位到12位测温，它有一个通过高低电平可实现触发的功能—报警。

方便用户编程，即使在掉电的情况下也不会变化。

DS18B20含单线接口，通过该接口就能实现发送或接受信息，只需要在CPU和DS18B20之间接地。

测温范围为负的55到正的125度，并在负的10度到正的85度之间精度为正负5度。

除了这些，DS18B20能够从单线通讯线上吸收能量，不需要另加电源。

因为每个DS18B20传感器都有自己独特的64位序列号，所以它们可以同时连接。