太阳能热水器水位温显示电路的设计
太阳能热水器水位温度测试系统设计
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。
太阳能热水器水位报警器.
3.水位报警器的实物制作与实现
3.3水位报警电路的焊接与测 （1）水位较低时，红灯亮： 试 在将所需元器件购买齐全后， 开始电路布局，进行手动焊 接，焊接完成后利用keil软件 进行程序的编写，以完成水 位报警的功能，相关程序可 见论文附件，在此只展示硬 件电路的图片，如右图所示：
3.水位报警器的实物制作与实现
太阳能热水器水位报警器的设计
姓
名：**
指导老师： ***
专业：计算机通信工程
水位报警器设计的主要步骤
确定水位报警器设计的基本方案 进行水位报警器的仿真与实现
进行水位报警器的实物制作与实现
本设计在未来的发展趋势及扩展
1.水位报警器设计的基本方案
完成水位报警器的原理分析及电路初步设计 完成水位报警器的仿真 完成水位报警器的实物制作
（3）声光报警模块模
2.水位报警器的仿真与实现
2.2水位报警器仿真电路调试与 实现
水位报警仿真电路各个模块设计好后， 整体电路就如图C-14所示：仿真电 路制作好并确认无误后，根据B2 B1
B0不同的三种状态利用WAVE6000
软件编写相应程序（先关程序见论 文附件）来模拟完成水位报警功能。
2.水位报警器的仿真与实现
3.3水位报警电路的焊接与测 试 （2）水位居中时，绿灯亮 :
(3)水位较高时，黄灯亮：
4.本设计在未来的发展趋势及扩展
本次设计是一次普通的电子实验，没有太多的更好更新的科技元 素在里面，但我想随着科技的日新月异，此报警器一定大有发展 前途，并且会随人们的意愿向着智能化方向发展。 现在的报警器已不是一个单纯的报警装置，它已演变成一个集自 动上水与自动控温等智能化功能于一身的电气系统。在这种报警 系统中变压及整流系统更加完美，电压更加稳定，不受供电线路 电压不稳定的影响。所使用的元器件则更加精良，有更好的抗疲 劳强度，增长了系统的使用寿命。系统所使用的传感器已不再是 传统的石墨电极做成的电导式传感器，它装备了传感更加灵敏的 红外传感器。使得系统的性能更加优越。在系统的声光报警系统 中，报警器设计的更为人性化与智能化，比如声音报警的音乐是 可以随意控制的，能随着用户的要求而做出改变。这一系列的智 能化装置离不开科技的飞速发展。相信随着科技的不断发展，报 警系统以后必将更加人性化与智能化。
太阳能热水器水温水位控制设计
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。
太阳能热水器水位控制电路设计
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]。
《EDA技术》 学习情境1太阳能热水器水位温度显示电路的设计 概要
同时它还包含一个具有专业水准的 PCB 信 号完整性分析工具、功能强大的打印管理系 统、一个先进的PCB三维视图预览工具。 此外，Protel 99 SE还包含一个功能强大 的基于SPICE 3f5的模/数混合信号仿真器， 使设计者可以方便地在设计中对一组混合信 号进行仿真分析。 同时，它还提供了一个高效、通用的可编 程逻辑器件设计工具。
1.3.3 印制电路板设计环境
1．丰富的设计规则
2．易用的编辑环境 3．智能化的交互式手工布线
4．丰富的封装元件库及便简的元件库编辑和组织
操作
5．智能化的基于形状的自动布线功能 6．可靠的设计校验
1.4 电路板设计的基本步骤
一般而言，设计电路板最基本的过程可以
分为以下3大步骤。
1．电路原理图的设计
1.2 Protel 99 SE的运行环境
1．运行Protel 99 SE的推荐配置 CPU：≥Pentium II 400及以上PC机 内存：≥64M 显卡：支持800×600×16位色以上显示 光驱：≥24倍速
2．运行环境
Windows NT/95/98 及以上版本操作系 统。 由于系统在运行过程中要进行大量的运算 和存储，所以对机器的性能要求也比较高，
1．原理图设计系统
这是一个易于使用的具有大量元件库的原理 图编辑器，主要用于原理图的设计。它可以 为印制电路板设计提供网络表。该编辑器除 了具有强大的原理图编辑功能以外，其分层 组织设计功能、设计同步器、丰富的电气设 计检验功能及强大而完善的打印输出功能， 使用户可以轻松完成所需的设计任务。
2．印制电路板设计系统
《EDA技术》
学习情境1:太阳能热水器水位温度显示
电路的设计
任务1：电源开关电路原理图设计
太阳能热水器水位温显示电路的设计
决策
分析采用什么样的方式方法了解学习本课程 的基本知识，了解Protel软件的组成、功能、 安装卸载及相关操作技巧等，通过什么样的途 径学会使用Protel软件来绘制PCB图。初步确 定工作任务方案 小组讨论并完善工作任务方案。
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计划
制定实施工作任务的计划书。 根据分析，需要通过实物认识、图片搜集、视 频播放、查找资料等形式完成本次任务。
• 盲孔（Bu第1r4i页e/共d59）页 ：只在中间 层之间导通，而没有穿透到
单面板：电路板一面敷铜， 另一面没有敷铜，敷铜的一 面用来布线及焊接，另一面 放置元件。单面板成本低， 但只适用于比较简单的电路 设计。
双面板：电路板的两面都敷 铜 ， 所 以 两 面 都 第15页/共59页 可 以 布 线 和 放置元件，顶面和底面之间
下面介绍各工作层面的功能。
1．信号层（Signal layers）
信号层主要是用来放置元 件（顶层和底层）和导线的。
2．内部电源/接地层（Internal plane layers）
内部电源/接地层主要用来 放置电源线第和19页/地共59页线。
3．机械层（Mechanical layers）
机械层一般用于放置有关 制板和装配方法的信息。
在原理图编辑器中执行菜 单命令【Design】/【Update
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PCB】，出现如图5-17所示的
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二、利用原理图生成的网络表文件装入网络
表和元件。
生成网络表的方法，可以在原理图的设 计的工作环境下，执行菜单命令【Design】/ 【Create Netlist…】，可以看到随后会出现网 络表文件“*.net”。
项目5 太阳能热水器水位温度显示电路
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
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。
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学习目标
进一步掌握Protel软件的操作方法 掌握印制电路板的设计步骤 能够创建PCB图文件并加载元件封装 库 能够设置并修改PCB图文件的属性 掌握PCB图绘制工具的使用方法 能够使用和规划电路板文件
知识准备
印制电路板的设计(一)
5.1 印制电路板的设计步骤 5.2 创建PCB图文件 5.3 装载元件库 5.4 设置电路板工作层面 5.5 规划电路板 5.6 装入网络表与元件
多层板：不但可以在电路板的顶层和底层 布线，还可以在顶层和底层之间设置多个 可以布线的中间工作层面。用多层板可以 设计更加复杂的电路。
长度单位及换算：Protel 99 SE 的PCB 编辑器支持英制（mil）和公制（mm）两 种长度计量单位。它们的换算关系是： 100mils=2.54mm（其中 1000mils=1Inches）。
5.1 印制电路板的设计步骤
图
设ห้องสมุดไป่ตู้印制电路板的
5
-
1
大致步骤可以用下面
印
制
电
的流程图右图来表示。
路
板
的
设
计
步
骤
开始 先期准备工作
环境设置 电路板设置 引入网络表、修改封装
元件布局 自动布线 手工调整布线 整体编辑 输出打印
结束
5.2 创建PCB图文件
新建一个PCB图文件可以进入设计文件夹 “【Document】”，执行菜单命令【File】 /【New】或在工作区内单击鼠标右键，选 择【New】选项，会弹出如图5-2所示的选 择文件类型的对话框。
4．阻焊层（Solder mask layers）
阻焊层有2个Top Solder Mask（顶层 阻焊层）和Bottom Solder（底层阻焊 层），用于在设计过程中匹配焊盘，并且 是自动产生的。
5．锡膏防护层 （Paste mask layers）
锡膏防护层的作用与阻焊层相似， 但在使用“hot re-flow”（热对流） 技术安装SMD元件时，锡膏防护层用 来建立阻焊层的丝印。
之间有连接关系，是一种形式上的连接，并不具 备实质性的电气连接关系。飞线在手工布线时可 起引导作用，从而方便手工布线。飞线是在引入 网络表后生成的，而飞线所指的焊盘间一旦完成 实质性的电气连接，则飞线自动消失。当同一网 络中，部分电气连接断开导致网络不能完全连通 时，系统就又会自动产生飞线提示电路不通。利 用飞线的这一特点，可以根据电路板中有无飞线 来大致判断电路板是否已完成布线。
6．丝印层（Silkscreen layers）
丝印层主要用于绘制元件的轮廓、放置 元件的编号或其他文本信息。
7．钻孔层（Drill layer）
钻孔层主要是为制造电路板提供钻孔信 息，该层是自动计算的。Protel 99 SE提 供Drill guide和Drill drawing两个钻孔 层。
下面介绍各工作层面的功能。
1．信号层（Signal layers）
信号层主要是用来放置元件（顶层和底 层）和导线的。
2．内部电源/接地层（Internal plane layers）
内部电源/接地层主要用来放置电源线 和地线。
3．机械层（Mechanical layers）
机械层一般用于放置有关制板和装配方 法的信息。
5.4.2 工作层面的类型
Protel 99 SE提供了若干不同类型的工作 层面，包括信号层（Signal layers）、内 部 电 源 / 接 地 层 （ Internal plane layers ） 、 机 械 层 （ Mechanical layers ） 、 阻 焊 层 （ Solder mask layers ） 、 锡 膏 防 护 层 （ Paste mask layers）、丝印层（Silkscreen layers）、 钻孔位置层（Drill Layers）和其他工作 层面（Others）。
焊盘、过孔：焊盘（Pad）的作用是放置、 连接导线和元件引脚。过孔（Via）的主 要作用是实现不同板层间的电气连接。过 孔主要有3种。 • 穿透式过孔（Through）：从顶层 一直打到底层的过孔。
• 半盲孔（Blind）：从顶层遇到某个中间 层的过孔，或者是从某个中间层通到底 层的过孔。
• 盲孔（Buried）：只在中间层之间导通， 而没有穿透到顶层或底层的过孔。
用鼠标左键单击【Add/Remove】按钮， 将出现如图5-5所示的关于引入库文件的对 话框。
5.4 设置电路板工作层面
5.4.1 有关电路板的几个基本概念
铜膜线：简称导线，是敷铜经腐蚀后形成的 用于连接各个焊点的导线。印刷电路板的设 计都是围绕如何布置导线来完成的。
飞线：用来表示连接关系的线。它只表示焊盘
执行菜单命令【View】/【Toggle Units】 就能实现这两种单位之间的相互转换。也 可以按快捷键Q进行转换。转换后工作区 坐标的单位和其他长度信息的单位都会转 换为mm（或mil）。
安全间距：进行印刷电路板的设计时，为 了避免导线、过孔、焊点及元件的相互干 扰，必须使它们之间留出一定的距离，这 个距离称之为安全间距（Clearance）。
8．禁止布线层 （Keep Out Layer）
禁止布线层用于定义放置元件和布线区 域的。
9．多层（Multi layers）
多层代表信号层，任何放置在多层上的 元件会自动添加到所在信号层上，所以可 以通过多层，将焊盘或穿透式过孔快速地 放置到所有的信号层上。
单面板：电路板一面敷铜，另一面没有敷 铜，敷铜的一面用来布线及焊接，另一面 放置元件。单面板成本低，但只适用于比 较简单的电路设计。
双面板：电路板的两面都敷铜，所以两面 都可以布线和放置元件，顶面和底面之间 的电气连接是靠过孔实现的。由于两面都 可以布线，所以双面板适合设计比较复杂 的电路，应用也最为广泛。
双击该对话框中的【PCB Document】 图标，即可创建一个新的印制板电路图文 件，默认的文件名为“PCB1.PCB”。在工 作窗口中该文件的图标上单击、或在设计 浏览器中该文件的文件名上双击鼠标左键， 即可进入如图5-3所示的印制电路板编辑 器。
5.3 装载元件库
在浏览器的组合框中，选择库 【Libraries】，如图5-4所示。