1、南京工業大學畢業（設計）太陽能熱水器自動上水控制系統設計摘 要如何很好的節約和利用能源，特別是可持續能源，一直是人類所面臨的問題。所以研究智能化家庭住宅里的能源如何被更有效地節約和利用，也有著十分現實和長遠的意義。而家用太陽能熱水器就是一個節約能源，有效利用能源的典型。該太陽能熱水器智能控制系統主要是由AT89C51單片機控制、DS18B20溫度傳感器、獨立鍵盤、LED數碼管和報警系統五大部分組成。該系統能測量并顯示水溫、設置水溫的范圍，如果水溫不處于所設置水溫的范圍則報警。同時還能對水位進行設置及加水，預先設置好需要加水的水位段數，單片機會根據這個數來進行判別是否需要加水。通過Protues

2、軟件仿真以上所述的功能都能正常實現。關鍵詞: 太陽能熱水器，傳感器，溫度控制，水位控制Solar energy water- heater auto last water control the system designAbstractHow good economize and make use of energy, especially can keep on energy, have been the problem that the mankind face.So study intelligence to turn how the home energy in the reside

3、nce is be more availably economized and make use of, also have pretty much reality and farsighted meaning.But the household-use solar energy water- heater is an economy energy, effectively make use of the typical model of energy.The solar energy water- heater intelligence controls system mainly from

4、 the AT89 C51 list slice the machine control, the DS18 B20 temperatureses spread a feeling machine, independent keyboard, LED figures tube and report to the police system five greatest parts to constitute.The system can measure and show water temperature and establish the scope of water temperature,

5、 if the water temperature doesn't is placed in to then report to the police the scope of establishing the water temperature.Can also carry on a constitution and fill with water to the water level at the same time, in advance establish to need to add the water level number of water so much, list

6、slice the opportunity carry on if the discretion needs to fill with water according to this piece.It is normal to carry out to imitate through a Protues software really above the functions said all ability.Keyword: solar energy water- heater, spread a feeling machine, temperature control, the water

7、level controlsI目 錄摘 要-Abstract -第一章 緒 論 -1第二章 太陽能熱水器介紹 -22.1太陽能熱水器的概述 -22.2太陽能熱水器的分類 -22.3我國太陽能熱水器的發展歷史 -3第三章 系統方案設計 -43.1方案一-43.2方案二-43.3方案三-4第四章 硬件設計-64.1AT89C51介紹 -64.2測溫電路設計-84.3水溫監測的設計-114.4鍵盤電路設計-124.5顯示電路設計-174.6加熱和加水電路設計-194.7報警電路設計-224.8電源電路設計-22第五章軟件設計-245.1程序設計分析-245.2程序流程圖-24第六章仿真及調試-256

8、.1程序翻譯-256.1.1KEIL C51介紹-256.1.2編譯過程-256.2電路仿真-25結語 -27參考文獻-28致謝-291第一章 緒論隨著全球人口和經濟的不斷增長，能源使用帶來的環境問題及其誘因逐漸為人所認識，“低碳經濟”這一概念開始進入人們的視野。人們在大力發展太陽能產業。能源問題將更為突出：（1）從長遠來看，全球已探明石油儲量只能用到2020年，天然氣也只能延續到2040年左右，即使儲量豐富的煤炭資源也只能持續二三百年。（2）環境污染。（3）溫室效應引起全球氣候變化。因此，人類在解決上述能源問題，實現可持續發展，只能依靠科技進步，大規模開發利用可再生潔凈能源。太陽能具有：（1

9、）儲量的“無限性”。（2）太陽能對于地球上的絕大多數地區具有存在的普遍性，可就地取用。（3）開發利用時幾乎不產生任何污染。鑒于此，太陽能必將在世界能源結構轉換中擔綱重任，成為理想的替代能源。在世界范圍內，太陽能熱水器技術已經很成熟，并已形成行業，正在以優良的性能不斷的沖擊電熱水器市場和燃氣熱水器市場。2000年太陽能熱水器取代47000套家用電熱水器；2000年日本太陽能熱水器的擁有量將翻一番；以色列更是明文規定，所有新建房屋必須配備太陽能熱水器。目前，我國是世界上太陽能熱水器生產量和銷售量最大的國家。能源問題與安全問題是現代社會各界普遍關注的焦點之一。目前市場上存在三種樣式的熱水器：電熱水器

10、、燃氣熱水器和太陽能熱水器。近年來，在一氧化碳中毒事故中，由燃氣熱水器造成的約占1/3；電熱水器的大規模用電，并不能給人們的正常生活帶來便利，作為后來者的太陽能熱水器，因其安全性好、節能、綠色環保等優點，近幾年呈現出爆發式的發展趨勢。選擇太陽能熱水器這個課題，可以讓我更好的認知可持續發展問題，看清目前的能源現狀，以及各國在節能能源上的措施，在太陽能革新上運用的新技術。此外，太陽能熱水器已經走進千家萬戶，控制系統是太陽能的核心，可以盡可能做到節能環保，作這樣一個設計，不僅可以考察自己大學四年的專業課的理論與動手實踐能力，產品也具有一定的市場前景。I南京工業大學畢業（設計）第二章 太陽能熱水器介紹

11、2.1 太陽能熱水器的概述太陽能熱水器把太陽光能轉化為熱能，將水從低溫度加熱到高溫度，以滿足人們在生活、生產中的熱水使用。太陽能熱水器是由全玻璃真空集熱管、儲水箱、支架及相關附件組成，把太陽能轉換成熱能主要依靠玻璃真空集熱管。集熱管受陽光照射面溫度高，集熱管背陽面溫度低，而管內水便產生溫差反應，利用熱水上浮冷水下沉的原理，使水產生微循環而達到所需熱水。2.2 太陽能熱水器的分類（1）從集熱部分來分：真空玻璃管太陽能熱水器：目前吸熱效率最高的集熱部分，優點在于不需要在集熱部分在增加保溫層，而且現在的真空玻璃管無論在抗高溫，抗打擊和保溫上，性能都是一流的，也被絕大部分太陽能熱水器生產廠家所采用。其

12、缺點在于體積比較龐大，管中容易集結水垢。金屬平板太陽能熱水器：是在傳熱性能極佳的金屬片上，覆蓋上吸熱涂層，利用金屬的傳熱性，將吸收的熱量傳于水箱中。其有點是 外觀美觀，安裝方便，可以做成平板，而且不容易損壞。缺點在于：保溫要花很大的代價，成本高，間接的就是增加消費者負擔。（2）從結構分：普通式太陽能熱水器：就是將真空玻璃管直接插入水箱中，利用加熱水的循環，使得水箱中的水溫升高，這是目前廠家都采用的。也是一只流行到現在的最常規的熱水器。一般改類熱水器只有頂層能用，除非頂層用戶和你樓下的關系特鐵，而且屋頂的面積是有限的。 分體式熱水器：分體式熱水器是為了解決不是頂層用戶也能使用太陽能熱水器而誕生的

13、。分體式循環有2種，一種是靠水的自然循環，這種熱水器熱交換效率很低，遠遠不能滿足用水要求；另一種是靠泵循環熱交換，這也是為了解決自然循環效率低的問題，使用泵循環，可以明顯改善水的熱交換。（3）從水箱受壓來來分：承壓式太陽能熱水器：目前，無論是哪一種分體式熱水器，都有一個致命的缺點，必須使用承壓式水箱，這是所有分體式熱水器的基本思路，這就直接考驗你的集熱部分的密封性能；還有制造承壓水箱成本極高，也存在安全性問題，一般要求耐壓7個大氣；而且循環效果不是很理想。雖然解決了水的循環問題和使用水時的方便性。 非承壓式太陽能熱水器：目前裝在屋頂的普通太陽能熱水器都是屬于非承壓式熱水器，它的水箱有一根管子與

14、大氣相通，是利用屋頂和家里的高度落差，使用水時產生壓力。其安全性，成本，使用壽命都比承壓式要顯著得多。2.3 我國太陽能熱水器發展歷史我國自78年引進全玻璃真空集熱管樣管以來，經過20多年努力，攻克了熱壓封等許多技術難關，已經建立了擁有自主知識產權的現代化全玻璃真空集熱管產業，用于生產集熱管的磁控濺射鍍膜機已有745臺，產品質量達到世界先進水平，產量雄居世界首位。 1978年中國誕生第一臺太陽能熱水器，到1986年臥式磁控濺射鍍膜機的設計制造，是在政策扶持下的研究開發階段。 1987年，我國制造了第一支全玻璃真空集熱管。在之后的幾年里，全玻璃和熱管式真空管集熱器實現了產業化，產業規模達到中試水

15、平，為下一階段產業的規模化奠定了良好的基礎，成為產業的孕育發展階段。 1993年太陽能產業進入初級發展階段：由于成果轉化需要很長一段時間的磨合，特別是受技術人員缺乏的影響，此階段的產品質量有待于進一步提高，整體來講，發展速度較為緩慢。這時候以山東力諾集團為主的真空管生產企業的產品占了真空管生產絕大部分市場。 1997-2001年太陽能產業得到高速發展，逐漸形成北京、魯東、泰安、揚州、海寧等5個產業基地，并以此向周圍不斷輻射，產能得以迅速提升。繼2004年，太陽雨將中國的真空管太陽能產品第一次帶出國門，到2008年上半年出口80個國家、銷量繼續以兩倍速增長，力諾瑞特、桑樂、皇明等中國太陽能光熱行

16、業的龍頭企業們也紛紛進軍國際市場。除這些龍頭企業外，以生長于常州和浙江一帶為代表的部分中小企業，也在循著早年“浙商”闖蕩世界的模式，攜真空管產品的獨有優勢和他們慣有的的低價思維，早已經“漂洋過海”，在國際太陽能光熱市場上形成了一定的沖擊力；還有一些原來只專注于國內市場的企業，也開始參加廣交會或不惜成本參加國外的一些專業性展會，以尋求在國際市場分得一杯羹。3南京工業大學畢業（設計）第三章 系統方案設計3.1 方案一系統溫度采集選用PTl000鉑電阻溫度傳感器，PT100是鉑熱電阻，阻值隨溫度變化而改變。PT后的100表示它在0時阻值為100歐姆，在100時它阻值約為138.5歐姆。工業原理：當P

17、T100在0的時候他的阻值為100歐姆，阻值會隨著溫度上升成勻速增漲。采集的電壓信號經集成運放LM324放大到2.O一5.0伏，轉換結果由單片機處理。水位檢測采用XYC-1型壓力水位變送器進行液位值連續采集。XYC-1型壓力式液位變送器內部采用進口高精度擴散硅敏感元件作為測量元件，敏感測量元件封裝在全不銹鋼探頭里，通過高強度防水通氣電纜與外部放大電路連接，采用直接驅動四位七段數碼管顯示，通過獨立式鍵盤進行溫度和水位控制，通過軟件手段實現按鍵消抖。報警熱部分采用光電隔離與輔助加熱電路。3.2 方案二系統的溫度采集選用采用溫度傳感器DS18B20，它是美國Dallas半導體公司生產的數字化溫度傳感

18、器DS18B20，它支持“一線總線”接口的溫度傳感器，全部傳感元件及轉化電路集成在形如一只三極管的集成電路內。我們可以采用DS18B20采集溫度，再進行溫度數值轉化，再在顯示電路上顯示。外圍電路只需通過DS18B20進行接收溫度，一個顯示電路，一個報警電路。軟件部分只需要采集溫度，對溫度進行轉換，再用顯示電路將其顯示出來。很明顯，環境對DS18B20影響不是很大，同時DS18B20的測量精度穩定并可用軟件設置，接線簡單，大大的為單片機節省了數據口。3.3 方案比較本設計主要是從溫度傳感器進行考慮。傳統的測溫元件有熱電偶和熱電阻，但它們測出的一般都是電壓，再轉換成對應的溫度，需要較多的外部硬件，

19、電路及軟件的調試較為復雜，制作難度高。從以上兩種方案中，采用一種智能溫度傳感器DS18B20作為檢測元器件，測溫范圍-55125，分辨率最大可達0.0625。DS18B20可以直接讀出被測溫度5值。采用3線制與單片機相連，減少了外部硬件電路，具有低成本和易使用的特點。容易看出采用方案二所設計的電路相對來說較為簡單， 本設計對水位檢測要求不高，只須知道大概水位就可以了，因此從功能、材料、價格多方面考慮，只需用水位傳感器檢測出水位段即可。綜上所述，最終決定采用方案二作為設計方案。本設計方案系統可由主控制器（AT89C51）、顯示電路、測溫器件（DS18B20）、抽水電動機、發光二極管報警、按鍵、水

20、位顯示組成。總體結構框圖如圖3.1所示：圖3.1 總體設計結構框圖V南京工業大學畢業（設計）第四章 硬件設計4.1 AT89C51介紹AT89C51是帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（EPEROM）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器（俗稱單片機）。該單片機與工業標準的MCS-51型機的指令集和輸出引腳兼容。AT89C51將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，為很多嵌入式控制提供了靈活性高且價格低廉的方案。AT89C51的主要特性如下：（1）壽命達1000寫/擦循環；（2）數據保留時間：10年；（3）全靜態工作：0Hz-24MHz；（4）三級程序存儲器鎖定；（5）128 * 8

21、位內部RAM；（6）32可編程I/O線；（7）2個16位定時器/計數器；（8）5個中斷源；（9）可編程串行通道；（10）低功耗閑置和掉電模式；（11）片內振蕩器和時鐘電路；4.2 測溫電路設計（1）DS18B20的引腳圖及方框圖DS18B20的外形及管腳排列圖如下圖4.2所示。GND 地信號。DQ 數據輸入/輸出引腳。用在寄生電源下，可向器件提供電源。VDD 可選擇的VDD引腳。當工作于寄生電源時，此引腳必須接地。圖4.2 DS18B20外形及引腳排列 DS18B20的方框圖如圖4.3所示:圖4.3 DS18B20方框圖（2）DS18B20主要性能和功能特性描述1）DS18B20主要性能 獨特

22、的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS18B20的雙向通訊。 測溫范圍 55125，固有測溫分辨率0.5。 支持多點組網功能，多個DS18B20可以并聯在唯一的三線上，最多只能并聯8個，如果數量過多，會使供電電源電壓過低，從而造成信號傳輸的不穩定，實現多點測溫。 工作電源: 3-5V/DC。 在使用中不需要任何外圍元件。 測量結果以9-12位數字量方式串行傳送。 不銹鋼保護管直徑6。 用于DN15-25，DN40-DN250各種介質工業管道、小空間設備測溫。 標準安裝螺紋M10X1，M12X1.5，G1/2任選。 PVC電纜直接出線或德式球型接線盒

23、出線，便于與其它設備連接。2）DS18B20功能特性描述 DS18B20溫度傳感器內部存儲器還包括一個高速暫存RAM和一個非易失性可電擦除的EERAM。高速暫存RAM結構為9字節存儲器，結構如表4.1所示。頭2個字節包含測得溫度信息，第3、4字節TH和TL的拷貝，是易失的，每次上電復位時被刷新。高速暫存RAM的第6、7、8字節保留未用，表現為全邏輯第9字節讀出前面所有8字節CRC碼，可用來檢驗數據，從而保證通信數據的正確性。第5字節為配置寄存器，它的內容用于確定溫度值的數字轉換分辨率。DS18B20工作時寄存器中的分辨率轉換為相應精度的溫度數值。該字節各位的定義如表4.2所示。低5位都為1，T

24、M是工作模式位，用于設置DS18B20在工作模式還是在測試模式，DS18B20出廠時該位被設置為0，用戶可改動，R1和R0決定溫度轉換的精度位數，來設置分辨率。如表4.3所示:表4.1 高速暫存RAM字節數123456789存儲信息溫度LSB溫度MSBTH用戶字節1TL用戶字節2配置寄存器保留保留保留CRC表4.2 第5寄存器R1R0分辨率/位溫度最大轉向時間/ms00993.750110187.510113751112750表4.3 DS18B20溫度轉換時間表TMR1R01111123由表4.2、4.3可見，DS18B20分辨率越高，所需要的溫度數據轉換時間越長。當DS18B20接收到溫度

25、轉換命令后，開始啟動轉換。轉換后，溫度值就以16位帶符號的二進制補碼形式存儲在高速暫存存儲器的第1、2字節。單片機可以通過單線接口讀出該數據，讀數據時低位在先，高位在后，數據格式以0.0625LSB形式表示。DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉化為例。其中S為符號位。DS18B20的溫度值格式如表4.4所示：表4.4 DS18B20溫度值格式表LSByteBit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0MSByteBit15Bit14Bit13Bit12Bit11Bit10Bit9Bit8SSSSS當符號位S0時，表示測得的溫度值為正值，可以直接將二進制位

26、轉換為十進制；當符號位S1時，表示測得的溫度值為負值。表4.5是部分溫度值對應的二進制度數據。表4.5 部分溫度對應值表溫度二進制表示十六進制表示+12507D0H+850550H+25.062500000001100100000191H+10.125000000001010000100A2H+0.500000000000000100008H000000000000010000000H-0.5FFF8H-10.125FF5EH-25.025FE6FH3）DS18B20供電方式DS18B20寄生電源供電方式電路DS18B20寄生電源供電電路，如圖4.4所示，要想使DS18B20進行精確的溫度轉換

27、，I/O線必須保證在溫度轉換期間提供足夠的能量，由于每個DS18B20在溫度轉換期間工作電流達到1mA，當幾個溫度傳感器掛在同一根I/O線上進行多點測溫時，靠上拉電阻是無法提供足夠的能量，會造成無法轉換溫度或溫度誤差極大。因此，只適用于單一溫度傳感器測溫，也不宜采用電池供電系統，并且電源電壓必須保證是5V。當電源電壓下降時，會使測量的誤差變大。 圖4.4 DS18B20 寄生電源供電電路 DS18B20的外部電源供電方式DS18B20外部供電有單點測溫電路和多點測溫電路，單點測溫電路如圖4.5所示。此時I/O線不需要強上拉電壓，同時在總線上可以掛接多個DS18B20傳感器，組成多點測溫系統。但

28、要注意在外部供電的方式下DS18B20的GND引腳不能懸空，否則讀取的溫度總是85。 圖4.5 DS18B20 外部供電單點測溫電路比較上述兩種供電方式后認為外部電源供電方式對電源要求比電源供電方式優越些且穩定性好，由于是家用，溫度精度不需太過精準，故在此設計中采用外部電源供電方式供電單點測溫電路。（3）測溫電路的總成DS18B20是智能溫度傳感器，它的輸入/輸出采用數字量，以單總線技術，接收主機發送的命令，根據DS18B20內部的協議進行相應的處理，將轉換的溫度以串口發送給主機。主機按照通信協議用一個IO口模擬DS18B20的時序，發送命令（初始化命令、ROM命令、功能命令）給DS18B20

29、，并讀取溫度值，在內部進行相應的數值處理，用圖形液晶模塊顯示各點的溫度。當某點溫度超過設置值時，報警器開始報警，從而實現了對各點溫度的實時監控。如圖4.6所示：圖4.6 測溫電路的設計4.3水位監測電路設計水位控制器是指通過機械式或電子式的方法來進行高低水位的控制，可以控制電磁閥、水泵等，成為水位自動控制器或水位報警器，從而來實現半自動化或者全自動化，方法有多種，根據選用不同的產品而不同。下面對電子式水位開關和浮球開關加以介紹。電子式水位開關原理是通過電子探頭對水位檢測，再由水位檢測專用芯片對檢測到信號進行處理,當被測液體到達動作點時，芯片輸出高或低電平信號，再配合水位控制器，實現對液位控制。

30、不需浮球和干簧管,外部無機械動作,耐污耐用,不怕漂浮物影響，任意角度安裝,豎向安裝有一定防波浪功能，適宜長時間浸在水中,工作電壓是直流5-24V，很安全。這種方式較實用，耐污，壽命長，安全。浮球控制開關基本上有兩種方式：一種是浮球開關帶著一個大的金屬球，浸在水中時浮力大，可以控制兩個水位，比如水滿了，浮球因為浮力而上升，帶動球閥運動，使閥門關閉，停止進水，當水少了，浮球下降，閥門打開，又再進水，如此循環。這種方式較多應用在煮開水器和衛生間的沖水器上。還有一種是帶干簧管的微型浮球開關，由外面帶有磁性小浮球使桿里面的干簧管閉合，從而控制水位，多數應用在清水的水位控制，一般十幾塊錢就有交易了，但易受

31、污物影響，不適用在污水上。第二種是電纜式浮球開關，該裝置通過一彈性電線與水泵連接，可用于水塔、水池水位高低的自動控制和缺水保護，允許接的用電器是220V，10A左右，平衡錘或彈性電線的某一固定點到浮筒間的電線長度，決定水位的高低。這種水位開關價格便宜，對于一些要求不太嚴格的場合適用，有一定耐污能力。但存在這樣的問題：浮球易受外界雜物影響其穩定性，特別是纖維狀的雜物纏繞而有失誤，同一小水箱里不宜使用多個，否則會相纏繞。使用壽命相對短些，而且多數直接接220V，存在一定的安全隱患，終有一天因為電線破損而漏電電人。所以電纜式浮球開關一般有這樣的警告：電源線是本裝置的完整部分，一經發現電線受損，本裝置

32、應被替換，不準對電線進行修理。綜上所述，由于是家用熱水器，對水位控制不要求那么精確，因此決定采用浮球控制開關。在此設計中有兩個水位段，分別是低水位、高水位。其中水位的檢測是通過兩個單刀單擲開關的閉合得知的并且同時用兩個數碼管表示出來，其結構簡單明了，如圖4.7所示：圖4.7 水位監測電路的設計4.4 鍵盤電路設計鍵盤是若干個按鍵的集合，它是單片機系統中極常見的輸入設備。（1）鍵盤分類鍵盤可以分為非編碼（獨立式）鍵盤和編碼（矩陣式）鍵盤。矩陣式按鍵單片機系統中，若使按鍵較多時，通常采用矩陣式（也稱行列式）鍵盤。矩陣式鍵盤由行線和列線組成，按鍵位于行、列線的交叉點上。矩陣式鍵盤中，行、列線分別連接

33、到按鍵開關兩端，行線通過上拉電阻接到5V上。當無鍵按下時，行線處于高電平狀態；當有鍵按下時，行、列線將導通，此時行線電平將由與此行線相連的列線電平決定。這是識別按鍵是否按下關鍵。然而，矩陣鍵盤中的行線、列線和多個鍵相連，各按鍵按下與否均影響該鍵所在行線和列線的電平，各按鍵間將相互影響，因此，必須將行線、列線信號配合起來作適當處理，才能確定閉合鍵的位置。獨立式按鍵單片機控制系統中，往往只需要幾個功能鍵，此時，可采用獨立式按鍵結構。 獨立式按鍵是直接用I/O口線構成的單個按鍵電路，其特點是每個按鍵單獨占用一根I/O 口線，每個按鍵的工作不會影響其它I/O口線的狀態。 獨立式按鍵電路配置靈活，軟件結

34、構簡單，但每個按鍵必須占用一根I/O口線，因此，在按鍵較多時，I/O口線浪費較大，不宜采用。獨立式按鍵軟件常采用查詢式結構。先逐位查詢每根I/O口線的輸入狀態，如某一根I/O口線輸入為低電平，則可確認該I/O口線所對應的按鍵已按下，然后，再轉向該鍵的功能處理程序。本設計所用到的按鍵極少，故采用獨立式鍵盤。（2）鍵盤控制程序鍵盤控制程序應具備以下功能： 檢測有無按鍵按下，并采取硬件或軟件措施，消除鍵盤按鍵機械觸點抖動的影響。 有可靠的邏輯處理辦法。每次只處理一個按鍵，其間對任何按鍵的操作對系統不產生影響，且無論一次按鍵時間有多長，系統僅執行一次按鍵功能程序。 準確輸出按鍵值（或鍵號），以滿足跳轉

35、指令要求。機械式按鍵再按下或釋放時，由于機械彈性作用的影響，通常伴隨有一定時間的觸點機械 抖動，然后其觸點才穩定下來。抖動時間的長短與開關的機械特性有關，一般為510ms。在觸點抖動期間檢測按鍵的通與斷狀態，可能導致判斷出錯。即按鍵一次按下或釋放被錯誤地認為是多次操作，這種情況是不允許出現的。為了克服按鍵觸點機械抖動所致的檢測誤判，必須采取去抖動措施，可從硬件、軟件兩方面予以考慮。在鍵數較少時，可采用硬件去抖，而當鍵數較多時，采用軟件去抖。（3）按鍵消抖通常按鍵所用開關為機械彈性開關，當機械觸點斷開、閉合時，電壓信號小型如下圖。由于機械觸點彈性作用，一個按鍵開關在閉合時不會馬上穩定接通，在斷開

36、時也不會一下斷開。因而在閉合及斷開瞬間均伴隨有一連串抖動，如下圖。抖動時間的長短由按鍵的機械特性決定，一般為5ms10ms。這是一個很重要的時間參數，在很多場合都要用到。按鍵抖動如如圖4.8所示： 圖4.8 按鍵抖動按鍵穩定閉合時間的長短則是由操作人員的按鍵動作決定的，一般為零點幾秒至數秒。鍵抖動會引起一次按鍵被誤讀多次。為確保CPU對鍵的一次閉合僅作一次處理，必須去除鍵抖動。在鍵閉合穩定時讀取鍵的狀態，并且必須判別到鍵釋放穩定后再作處理。按鍵的抖動，可用硬件或軟件兩種方法。由于本次設計按鍵極少，所以采用硬件消抖。在鍵數較少時可用硬件方法消除鍵抖動。圖4.9所示的RS觸發器為常用的硬件去抖。圖

37、中兩個“與非”門構成一個RS觸發器。當按鍵未按下時，輸出為1;當鍵按下時，輸出為0。此時即使用按鍵的機械性能，使按鍵因彈性抖動而產生瞬時斷開（抖動跳開B），中要按鍵不返回原始狀態A，雙穩態電路的狀態不改變，輸出保持為0，不會產生抖動的波形。也就是說，即使B點的電壓波形是抖動的，但經雙穩態電路之后，其輸出為正規的矩形波。這一點通過分析RS觸發器的工作過程很容易得到驗證。在單片機應用系統中，鍵盤掃描只是CPU的工作內容之一。CPU對鍵盤的響應取決于鍵盤的工作方式，鍵盤的工作方式應根據實際應用系統中CPU的工作狀況而定，其選取的原則是既要保證CPU能及時響應按鍵操作，又不要過多占用CPU的工作時間。

38、通常，鍵盤的工作方式有三種，即編程掃描、定時掃描和中斷掃描。 1）編程掃描方式 編程掃描方式是利用CPU完成其它工作的空余調用鍵盤掃描子程序來響應鍵盤輸入的要求。在執行鍵功能程序時，CPU不再響應鍵輸入要求，直到CPU重新掃描鍵盤為止。 鍵盤掃描程序一般應包括以下內容： 判別有無鍵按下。 鍵盤掃描取得閉合鍵的行、列值。 用計算法或查表法得到鍵值。 判斷閉合鍵是否釋放，如沒釋放則繼續等待。 將閉合鍵鍵號保存，同時轉去執行該閉合鍵的功能。2）定時掃描方式： 定時掃描方式就是每隔一段時間對鍵盤掃描一次，它利用單片機內部的定時器產生一定時間（例如10ms）的定時，當定時時間到就產生定時器溢出中斷，CP

39、U響應中斷后對鍵盤進行掃描，并在有鍵按下時識別出該鍵，再執行該鍵的功能程序。3）中斷掃描方式 采用上述兩種鍵盤掃描方式時，無論是否按鍵，CPU都要定時掃描鍵盤，而單片機應用系統工作時，并非經常需要鍵盤輸入，因此，CPU經常處于空掃描狀態，為提高CPU工作效率，可采用中斷掃描工作方式。其工作過程如下：當無鍵按下時，CPU處理自己的工作，當有鍵按下時，產生中斷請求，CPU轉去執行鍵盤掃描子程序，并識別鍵號。圖4.9 硬件消抖利用電容的放電延時，采用并聯電容法，也可以實現硬件消抖。如圖4.10所示：圖4.10 硬件消抖（4）鍵盤電路總成綜上所述，采用浮子式開關和硬件消抖電路設計出的鍵盤電路如圖4.1

40、1所示：圖4.11 鍵盤電路的設計4.5 顯示電路設計LED發光二極管，是一種固態的半導體器件，它可以直接把電轉化為光。LED的心臟是一個半導體的晶片，晶片的一端附在一個支架上，一端是負極，另一端連接電源的正極，使整個晶片被環氧樹脂封裝起來。半導體晶片由兩部分組成，一部分是P型半導體，在它里面空穴占主導地位，另一端是N型半導體，在這邊主要是電子。但這兩種半導體連接起來的時候，它們之間就形成一個“P-N結”。當電流通過導線作用于這個晶片的時候，電子就會被推向P區，在P區里電子跟空穴復合，然后就會以光子的形式發出能量，這就是LED發光的原理。而光的波長決定光的顏色，是由形成P-N結材料的禁帶寬度決

41、定的。LED顯示屏的發展可分為以下幾個階段：第一階段為1990年到1995年，主要是單色和16級雙色圖文屏。用于顯示文字和簡單圖片，主要用在車站、金融證券、銀行、郵局等公共場所，作為公共信息顯示工具。 第二階段是1995年到1999年，出現了64級、256級灰度的雙基色視頻屏。視頻控制技術、圖像處理技術、光纖通信技術等的應用將LED顯示屏提升到了一個新的臺階。LED顯示屏控制專用大規模集成電路芯片也在此時由國內企業開發出來并得以應用。 第三階段從1999年開始，紅、純綠、純藍LED管大量涌入中國，同時國內企業進行了深入的研發工作，使用紅、綠、藍三原色LED生產的全彩色顯示屏被廣泛應用，大量進入

42、體育場館、會展中心、廣場等公共場所，從而將國內的大屏幕帶入全彩時代。 隨著LED原材料市場迅猛發展，表面貼裝器件從2001年面世，主要用在室內全彩屏，并且以其亮度高、色彩鮮艷、溫度低的特性，可隨意調整的點間距，被不同價位需求者所接受，在短短兩年多時間內，產品銷售額已超過3億元，表面貼裝全彩色LED顯示屏應用市場進入新世紀。目前，LED顯示屏的主要制造廠商集中在日本、北美等地，我國LED制造廠商出口的份額在其中微不足道。據不完全統計，世界上目前至少有150家廠商生產全彩屏，其中產品齊全，規模較大的公司約有30家左右。單片機中常用7段LED顯示數字，7段LED分共陰級和共陽極兩種，共陰級7段LED

43、的原理圖和管腳配置圖如圖 4.12所示，共陽級7段LED的原理圖和管腳配置圖如圖4.13所示。實際中，各個型號的7段LED的管腳配置可能不會是一樣的，在實際應用中要先測試一下各個管腳的配置，再進行電路原理圖的設計。圖4.12 共陰極數碼管 圖4.13 共陽極數碼管LED的靜態顯示雖然有編程容易、管理簡單等優點，但是靜態顯示所要占的 I/O口資源很多，所以在顯示的LED點較多的情況下，一般都采用動態顯示方式。 在多位7段LED顯示中，為了簡化電路，降低成本，則將所有位的段選線并聯在一起，剛好由8個I/O口來控制8個段。而公共端（共陽極/共陰極）則分別由相應的 I/O口控制，以實現各個位的分時選通

44、。 本設計中需要顯示預設溫度和實際溫度，故采用2個2位7段LED顯示，一個用于顯示預設溫度，另一個用于顯示實際溫度。這樣就便于形象直觀的表示出水溫來。 綜上所述，溫度顯示電路的設計如圖4.14所示。圖4.14 顯示電路的設計4.6加熱和加水電路的設計工業應用環境中存在著許多不小的瞬變脈沖，這些瞬變脈沖會影響到數據的傳輸，甚至傷害互連的設備，為了能夠在高速現場總線通信得到無錯誤的數據傳輸，工業系統設計工程師必須要對這些干擾進行處理，通常會使用具有絕緣隔離功能的光電耦合器來維持數據的完整性并保護互連設備。光電隔離器亦稱光電耦合器、光耦合器，簡稱光耦。光耦合器以光為媒介傳輸電信號。它對輸入、輸出電信

45、號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應用。 光耦合器一般由三部分組成：光的發射、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發光二極管，使之發出一定波長的光，被光探測器接收而產生光電流，再經過進一步放大后輸出。這就完成了電光電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。由于光耦合器輸入輸出間互相隔離，電信號傳輸具有單向性等特點，因而具有良好的電絕緣能力和抗干擾能力。又由于光耦合器的輸入端屬于電流型工作的低阻元件，因而具有很強的共模抑制能力。所以，它在長線傳輸信息中作為終端隔離元件可以大大提高信噪比。在計算機數字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計算機工作的可靠性。 光耦合器

46、的主要優點是：信號單向傳輸，輸入端與輸出端完全實現了電氣隔離，輸出信號對輸入端無影響，抗干擾能力強，工作穩定，無觸點，使用壽命長，傳輸效率高。光耦合器是70年代發展起來產新型器件，現已廣泛用于電氣絕緣、電平轉換、級間耦合、驅動電路、開關電路、斬波器、多諧振蕩器、信號隔離、級間隔離 、脈沖放大電路、數字儀表、遠距離信號傳輸、脈沖放大、固態繼電器(SSR)、儀器儀表、通信設備及微機接口中。在單片開關電源中，利用線性光耦合器可構成光耦反饋電路，通過調節控制端電流來改變占空比，達到精密穩壓目的。光電隔離電路的作用是在電隔離的情況下，以光為煤介傳送信號，對輸入和輸出電路可以進行隔離。因而能有效地抑制系統

47、噪聲，消除接地回路的干擾，有響應速度較快、壽命長、體積小耐沖擊等好處，使其在強-弱電接口，特別是在微機系統的前向和后向通道中獲得廣泛應用。光電耦合器如圖4.15所示，圖中1/2是紅外線發光管，4/5/6是光電三極管。加水電路部分的主要思路是通過單片機的端口控制電磁閥的通斷從而控制流量以達到控制水位的目的。電磁閥是用來控制流體方向自動化基礎元件，屬于執行器；通常用于機械控制和工業閥門上，對介質方向進行控制，從而達到對閥門開關的控制。電磁閥工作原理：電磁閥里有密閉的腔，在不同位置開有通孔，每個孔都通向不同的油管，腔中間是閥，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會被吸引到哪邊，通過控制閥體的移

48、動來擋住或漏出不同的排油的孔，而進油孔是常開的，液壓油就會進入不同的排油管，然后通過油的壓力來推動油缸的活塞，活塞又帶動活塞桿，活塞桿帶動機械裝置動。這樣通過控制電磁鐵的電流通斷就控制了機械運動。電磁閥從原理上分為三大類： （1）直動式電磁閥原理：通電時，電磁線圈產生電磁力把關閉件從閥座上提起，閥門打開；斷電時，電磁力消失，彈簧把關閉件壓在閥座上，閥門關閉。 特點：在真空、負壓、零壓時能正常工作，但通徑一般不超過25mm。 （2）分步直動式電磁閥 原理：它是一種直動和先導式相結合的原理，當入口與出口沒有壓差時，通電后，電磁力直接把先導小閥和主閥關閉件依次向上提起，閥門打開。當入口與出口達到啟動

49、壓差時，通電后，電磁力先導小閥，主閥下腔壓力上升，上腔壓力下降，從而利用壓差把主閥向上推開；斷電時，先導閥利用彈簧力或介質壓力推動關閉件，向下移動，使閥門關閉。 特點：在零壓差或真空、高壓時亦能工作，但功率較大，要求必須水平安裝。 （3）先導式電磁閥 原理：通電時，電磁力把先導孔打開，上腔室壓力迅速下降，在關閉件周圍形成上低下高的壓差，流體壓力推動關閉件向上移動，閥門打開；斷電時，彈簧力把先導孔關閉，入口壓力通過旁通孔迅速腔室在關閥件周圍形成下低上高的壓差，流體壓力推動關閉件向下移動，關閉閥門。 特點：流體壓力范圍上限較高，可任意安裝，但必須滿足流體壓差條件。綜上所述，加熱和加水電路設計如圖4

50、.15所示：圖4.15 加熱和加水電路的設計4.7 報警電路設計本設計中由于是用于家用熱水器，考慮到成本問題，故采用發光二極管報警，相較蜂鳴器而言，既降低了成本，也使設計簡單化。圖4.16中7407是六正向高壓緩沖器/驅動器。它具有緩沖功能，同時也可以提高電流的驅動能力。7407有兩種接法：（1）當電路共陽接法時，7407主要起著緩沖的作用，就是緩沖單片機的承受能力，如果，沒有7407，那么單片機承受的電流能能力很小，那么的工作電流就受到了限制，亮度不夠亮，而加上7407就可以緩沖單片機的灌電流，從而，可以減小限流電阻的值，是流過二極管的電流增強，從而燈變的更亮。（2）當電路共陰極接法時，即將電源變成接地，二極管反接過來，這是單片機上拉電流被7407放大，來驅動燈。綜上所述，報警電路如圖4.16所示：圖4.16 報警電路圖4.8 電源電路設計本設計中除了市電AC220V外，均采用DC5V電源，因此只需要設計5V電源即可。該電路輸入家用220v交流電，經過全