太阳能热水器水位温显示电路的设计

摘要摘要：近年来，随着常规能源紧缺的问题越来越严重，环保及可持续发展的呼声日趋高涨，太阳能的利用越来越引起人们的重视，太阳能产业的发展势头迅猛。

据中国家电市场联合调研课题组公布的《２００６~２００８年中国太阳能热水器市场竞争调查报告》显示，经过近２０年的快速发展，我国太阳能热水器行业将迎来高速发展的黄金时期。

本文给出了一种基于单片机的太阳能热水器智能控制方法，可以实现对水温和水位的自动和手动控制，配备显示屏和设置键盘，超出设置上限报警。

关键字：单片机；水温；水位；显示屏；智能控制；引言自动控制学科有自动控制技术和自动控制理论两部分组成。

近几十年来，自动控制技术迅猛发展，在工农业生产，交通运输，国防建设和航空，航天事业等领域中获得广泛的应用。

随着生产和科学技术的发展，自动控制技术至今已渗透到各种科学领域，成为促进当今生产发展和科学技术进步的重要因素。

比如在生活方面的温度调节、湿度调节、自动洗衣机、自动售货机、自动电梯、空气调节器、电冰箱、自动路灯、自动门、保安系统等。

在工业方面主要分为两大类：一类是气体、液体、粉体、石油化工制药、轻工食品、建材等行业。

需要对温度、压力、物位、流量、成分等参数进行控制。

另一类是对已成型材料的进一步加工或者对多种已成型材料的装配，主要控制位移、速度、角度等参数这些都需要应用自动控制学科的知识。

控制理论一般分为经典控制理论和现代控制理论两大部分。

经典控制理论最初称为自动调节原理，适用于较简单系统特定变量的调节。

随着后期现代控制理论的出现，故改称为经典控制理论。

经典控制理论以传递函数为数学工具研究单输入、单输出的自动控制系统的分析和设计方法。

主要研究方法有时域分析法、根轨迹法和频率特性法。

现代控制理论的产生：随着科学技术的突飞猛进，特别是空间技术和各类高速飞行器的发展，使各受控对象要求高速度、高精度，而系统的结构更加复杂，要求控制理论解决动态耦合的多输入多输出、非线形以及时变系统的设计问题。

OCCUPATION1352011 12太阳能热水器水温水位控制设计文/沈建汉太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，与常规能源有很大的区别，这就对太阳能的收集和利用提出了较高的要求。

在太阳能的利用中，有效控制水温和水位是需要解决的关键技术。

一、智能仪工作原理１．基本工作原理利用热敏电阻和液位传感器检测水温和水位，并加以显示。

根据水温水位情况进行控制。

当水位从高到低，出现缺水状态时，蜂鸣报警，缺水指示灯亮，延时15分钟，以免空晒后上水造成炸管，若温度不超过990℃，自动上水至预置水位；若温度高于1000℃，不上水。

太阳晒后，水温上升，当温度超过600℃且水未满时，打开电池阀上水至500℃，防止出现低水量、高水温的不合理现象。

晚上，若热水已用完，延时15分，进行缺水上水；若热水未用完，不上水，以保证热水充分利用；第二天太阳出来后，利用温控上水。

在上水的过程中，水压过低或停水，智能仪会自动进入低水压上水模式，低水压声光报警，间隔30分钟启动上水；若30分钟内不能使水位上升一挡，则停止30分钟，然后再启动，反复循环，以免电池阀长时间通电而烧毁。

２．原理实现方案通过“水位设置”键可进行水位设置，可设置加水水位20%、50%、80%、100%（本仪预置水位50%）。

通过“上水”键，可实现手动上水。

若水位低于预置水位，可上水至预置水位；若水位已达到预置水位，则在原水位基础上再加一挡；若水位已加满，则停止手动加水。

在上水过程中，按“上水”键，可停止上水（见图1）。

二、仪器中的硬件配置１．仪器直流电源可采用集成三端稳压器，只要加上一些外围元件即可实现，如图2所示。

２．输入接口电路的连接接口电路是一组电路，是中央处理器与存储器、输入/输出设备等外设之间协调动作的控制电路。

接口电路的作用就是将来自外部设备的数据信号传送给微处理器，微处理器对数据进行适当加工，再通过接口电路传回外部设备。

所以，接口电路的基本功能就是对数据传送实现控制，具体包括5种功能：地址译码、数据缓冲、信息转换、提供命令译码和状态信息、定时和控制。

毕业设计开题报告电子信息工程太阳能热水器水位控制电路设计一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义随着现代科技的发展，人们对于能源的利用率越来越高，太阳能就是其中最无偿且最环保的一种，怎么样合理、高效、最大范围地利用太阳能已经成为21 世纪最炙手可热的研究之一。

太阳能热水器是其中应用范围最广的一种途径[1]。

但随着太阳能热水器的迅速推广，太阳能热水器环保、省电、安全等优势深受消费者喜爱，广大消费者对太阳能热水器特别是太阳能热水器控制系统的要求也越来越高了，很多国内外太阳能热水器商家为了使自己的产品能在市场上有一席之地，在不断提高太阳能热水器性能的同时，也不断加大力度满足消费者对于太阳能使用方便的要求，于是太阳能热水器的智能化程度也一年比一年高。

但是大部分太阳能热水器还是存在着使用不便和小毛病多等问题，归根到底还是技术水平低同时厂家为了以低成本创造高效益的目的下造成的。

目前，我国已经成为世界上最大的热水器生产国年产量差不多是全世界其他地方生产的总和，而现在太阳能热水器在全部热水器生产数量上占据半壁江山，并且增长速度非常迅猛，因为电热水器以节能、安全、无污染、卫生等优势迅速在世界各地普及和应用在各个家庭和单位[2]。

近几年来，我国太阳能热水器的技术也突飞猛进，“真空集热管” 在世界上已经处于领先地位，所以成为政府大力提倡使用的产品之一。

但我国的太阳能热水器控制器水平一直不高，尚且处于研究和开发阶段。

这种太阳能热水器只有温度和液位的显示功能且误差很大，当天气原因导致光不足时就会给用户带来很大的不便，既而浪费大量的电能[3]。

正是因为现在太阳能热水器存在着那么多问题，而太阳能热水器又是生活中需要用到的，所以我觉得在这方面如果能设计出更廉价、更耐用、更安全的太阳能热水器的水位控制系统将是一件很有意义的事[5]。

国内外研究动态我国在太阳能热水器的发展迅猛，已经一跃成为太阳热水器第一生产大国，但现状是我国很多企业生产的太阳热水器仍然有着功能单一、数字化低、智能化低的不足近几年来，市场上陆续出现了一些太阳能热水器监测系统的性能不稳定：比如检测误差大、显示器乱码，还有的与电辅助加热装置不能很好配合和太阳能利用率较低等问题，严重影响了用户的日常使用也从而影响到太阳热水器的销售业绩惨淡[7]。

太阳能热水器水位温度显示电路项目任务书任务一设计任务受理（含原理图输入）1. 需求分析需求分析活动是和客户交流，正确引导客户能够将自己的实际需求用较为适当的技术语言进行表达（或者由相关技术人员帮助表达）以明确项目目的的过程。

这个过程中包含了对要设计的印刷电路板基本电路功能和模块电路的确立和设计制作活动。

填写需求分析表，表1 太阳能热水器水位温度显示电路印刷电路板需求分析表2. 印刷电路板设计申请（含原理图输入）《PCB设计投板申请表》中提出投板申请，申请表包含的资料：（1）经过评审的，完全正确的原理图，包括纸质文件和电子文件；原理图输入包含对硬件设计人员的原理图的导入或者草图的重新绘制。

本项目中要求应用Protel DXP软件绘制由图1、图2、图3组成的太阳能热水器水位温度显示电路原理图，通过绘制过程了解该软件设计文档管理方法及原理图编辑器各类菜单及工具的简单操作方法。

图1 电源开关电路原理图温度模拟指示图2 温度显示电路原理图图4 LM3914内部框图关于原理图的输入是任务一的重点与难点，涉及大量设计软件Protel DXP的操作，具体方法在第二部分项目学习指导中有详细介绍。

（2）带有元件编码的正式的BOM（Bill of Material,物料清单），如下表为例；表2 太阳能热水器水位温度显示电路物料清单（3）PCB结构图，应标明外形尺寸、安装孔大小及定位尺寸、接插件定位尺寸、禁止布线区等相关尺寸，以图5为例；图5 太阳能热水器水位温度显示电路PCB结构图（4）对于新器件，需要提供封装资料；LM3914为18脚双列直插式封装形式；4069为六反相器，14脚双列直插式封装。

详见有关PDF资料。

以上资料经指定的PCB设计部门审批合格并指定PCB设计者后方可开始PCB设计。

3. 理解设计要求并制定设计计划（1）仔细审读原理图，理解电路的工作条件。

（2）理解板上的高速器件及其布线要求。

（3）对原理图进行规范性审查。

关于太阳能热水器控制系统部分硬件电路的设计【摘要】该太阳能热水器智能控制系统主要是由AT89C51单片机控制、DS18B20温度传感器、独立键盘、LED数码管和报警系统等五大部分组成。

该系统能测量并显示水温、设置水温的范围，如果水温不处于所设置水温的范围则报警。

以下主要对控制系统部分硬件电路的测温电路和水位监测电路分别进行设计。

【关键词】测温电路；水位监测电路一、测温电路设计1.DS18B20的引脚图及方框图DS18B20的外形及管脚排列图如图1所示。

①GND：地信号。

②DQ：数据输入/输出引脚。

用在寄生电源下，可向器件提供电源。

③VDD：可选择的VDD引脚。

当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。

2.DS18B20主要性能和功能特性描述（1）DS18B20主要性能①独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

②测温范围-55℃～+125℃，固有测温分辨率0.5℃。

③支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定，实现多点测温。

④工作电源：3-5V/DC。

⑤在使用中不需要任何外围元件。

⑥测量结果以9-12位数字量方式串行传送。

⑦不锈钢保护管直径Φ6。

⑧用于DN15-25，DN40-DN250各种介质工业管道、小空间设备测温。

⑨标准安装螺纹M10X1，M12X1.5，G1/2任选。

⑩PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线，便于与其它设备连接。

（2）DS18B20功能特性描述DS18B20温度传感器内部存储器还包括一个高速暂存RAM和一个非易失性可电擦除的EERAM。

高速暂存RAM结构为9字节存储器，结构如表3.1所示。

头2个字节包含测得温度信息，第3、4字节TH和TL的拷贝，是易失的，每次上电复位时被刷新。

高速暂存RAM的第6、7、8字节保留未用，表现为全逻辑第9字节读出前面所有8字节CRC码，可用来检验数据，从而保证通信数据的正确性。

太阳能热水器控制电路设计一、系统设计1.设计原理太阳能热水器自动控制电路采用AT89S52单片机作为控制核心，外围加蜂鸣器控制电路、数码显示电路、水位检测电路、电机控制电路、按键电路、温度检测电路等。

数码管实时切换显示当前温度与当前液位，当液位过高时，蜂鸣器报警，并且电机反转模拟排水过程；当液位过低时，蜂鸣器报警，并且电机正转模拟进水过程。

本系统设计简单，成本低，性能优良，具有一定的稳定性和实用性。

三、硬件电路设计1.基本原理框图图一：原理框图（1）太阳能热水器控制装置主要组成由CPU、显示电路、按键电路、蜂鸣器电路、电机电路、液位检测电路、温度检测电路、电源电路组成，如图一。

（2）太阳能热水器控制装置的工作原理接通电源后，显示当前水位，水位被分为16个点。

并且显示当前温度。

液位显示与温度的显示切换进行。

当水位显示低于或等于1时，蜂鸣器报警，并且电机正转，表示进水；当水位显示高于或等于15时，蜂鸣器报警，并且电机反转，表示排水。

液位检测利用CD40512.各部分电路原理（1）最小系统最小系统电路如图二所示。

P10/TP11/T P12 P13P14 P15 P16 P1712 INT114 T1 VCCEA/VP X1 X2 RXD 10 ALE/P 30TXD VCC 14 VCC 14 A A Q7 13 h1 Q7 13 h2 B VCC B Q6 12 g1 Q6 12 g2 Q0 Q0 Q5 11 f1 Q5 11 f2 Q1 Q1 6 Q4 10 e1 VCC 6 Q4 10 e2 VCC Q2 Q2 Q3 CLEAR 9 Q3 CLEAR 9 CLK 8 74164-CLK CLK 874164-CLK GND GND 164B VCC 14A Q7 13 h3VCC VCC B Q6 12 g3 Q0 Q5 11 f3 Q16 Q4 10 e3VCCQ2 Q3 CLEAR9 CLK8 74164-CLKGND VCC 14 AQ7 13 h4 BQ6 12 g4 Q0Q5 11 f4Q16 Q4 10 e4VCCQ2 Q3 CLEAR9 CLK 8 74164-CLKGND VCC h4a5 VCC 14 AQ7 13 h5 BQ6 12 g5 Q0Q5 11 f5 Q1 6 Q4 10 e5VCCQ2Q3 CLEAR 9 CLK8 74164-CLKGND VCCS1C1 10uF+RSTR2 1KCY130p Y11 2 3 4 5 MOSI 6 MISO 7 SCK 813 1531 19 18 U2INT0 T0A T89S52P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28CY2 11.0592M RES 9 17 30p16RESET R D WR11 PSEN 29图二：最小系统（2）显示电路采用 LED 数码管显示，该方案具有实现容易、发光亮度大、驱动电路简单等优点，其可靠性也优 于 LCD 的显示。

太阳能热水器控制装置的设计一、设计目的目前在洗浴与采暖系统中广泛采用集热器与水箱相结合的方法，达到节能的目的。

为此需要设计一种控制装置，以实现太阳能热水器水位、水温自动检测、根据需要自动控制。

装置为现有太阳能热水器配套相应控制器，达到方便用户，环保节能的效果。

二、太阳能热水器控制系统组成以洗浴系统为例，图为太阳能热水器控制系统组成框图。

在热水器储热水箱底部和顶部，在集热器入口和出口，各安放一只铂电阻温度传感器，负责检测4点温度，在水箱顶部安装连杆浮球电接点液位开关，检测水位。

在水箱内部插入三组电加热器，在集热器进水管道绕保温加热丝，在集热器进水管接循环泵。

水箱上水采用浮球自动上水（即始终使水位处于满水位）。

控制器以PIC单片机PIC16F877为核心芯片，扩展接口电路。

由温度传感器、液位开关实现各点信号的提取。

温度信号经过电桥电路、放大电路变为标准信号送入单片机，A/D转换后变为数字量，由单片机计算各点温度。

水位信号直接送入单片机I/O口。

单片机进行数据处理，各点温度由数码管显示器显示，水位由阵列LED指示。

水位上下限和各点水温及温差上下限由键盘设定。

当水位低于下限值时，自动开启电磁阀上水，直到上水至上限值关闭电磁阀；当水温低于下限时，接通电加热器加热，直到加热到设定上限温度停止；当管道温度过低时，接通电加热带保温，直到温度达到设定温度；当集热器出口温度与水箱温度温差超过设定上限值时，开启循环泵，水循环。

由于水箱电加热器功率达到40～60KW，需要380V供电，供电电流达到100A以上，需要3组电加热器加热。

控制器采用大功率固态继电器或大功率交流接触器。

可利用谷时电（夜晚）对水箱进行加热，控制器可定时设置加热时间，也可定时上水。

加日历时钟芯片，设定时间与日历时钟芯片读出时间比较，到时，加热或上水。

三、设计要求室外控制器负责检测水温、水位，并按控制要求进行控制。

将水温、水位等传送（无线）给室内控制器。