摘要太阳能热水器以其诸多的优点受到人们的欢迎。

本文结合实际太阳能热水器的具体应用，在介绍太阳能、传感器、单片机的特点基础上，详细描述了太阳能热水器的工作原理和设计方案。

这里根据太阳能热水器对控制器的要求与特点，提出了一种基于DS12887的太阳能热水器智能控制器的设计方法，给出了系统硬件设计及软件实现方法。

全文分三大部分。

第一部分包括第一章，描述太阳能的利用和前景发展状况。

第二部分包括第二章，描述太阳能系统组成及工作原理。

第三部分包括第三、四章硬件设计及电路原理和软件设计，分别介绍了传感器的特点及应用、一般的太阳能热水器及循环系统、单片机发展和原理，这也是此款太阳能热水器的理论基础和必要前提。

关键词：太阳能热水器;传感器; 模糊控制; 实时时钟;单片机1绪论1.1太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析目前，中国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国，年产量约为世界各国之和，已有一百多家太阳能热水器生产厂。

但是与之配套的太阳能热水器控制器却一直处在研究与开发阶段。

这种控制器只具有温度和液位显示功能，而且为分段显示，温度显示误差为10%，水位显示误差为25%。

这种显示器(还称不上控制器)不具有温度控制功能，当由于天气原因而光强不足时，就会给热水器用户带来不便；即使热水器具有辅助加热功能，由于加热时间不能控制而产生过烧，从而浪费大量的电能。

本文设计的太阳能热水器控制器以80C51单片机为检测控制核心，采用DS12887 实时时钟，不仅实现了时间、温度和水位三种参数实时显示和FUZZY控制功能，而且具有时间设定、温度设定与控制功能。

温度控制采用模糊控制，控制器可以根据天气情况利用辅助加热装置使蓄水箱内的水温在设定时间达到预先设定的温度，从而达到24小时供应热水的目的。

太阳能热水器是太阳能利用中最常见的一种装置，经济效益明显，正在迅速的推广应用，太阳能热水器能够将太阳辐射能转换热能，供生产和生活使用。

他主要由平板集热器、蓄水器和连接管道等部件组成，可分循环式、直流式和闷晒式。

此款热水器包括主、从两大系统：主系统的特点是在晴好的天气利用太阳光能为热水器加热；从系统相当于电热水器，它在无光照的情况下利用电辅助加热。

它充分利用太阳能的丰富的免费的资源的优势，同时考虑到在阴天及夜间无法利用太阳能的缺点，充分发挥太阳能热水器和电热水器的各自优势，这是世面上大部分热水器所不能比拟的。

1.2太阳能热水器的应用及意义众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭，没有污染的巨大能源。

随着世界上煤、油、气的储量日益减少，能源危机已日益增长，环境污染的危机已威胁着生态平衡，太阳能开发利用的课题已提到人类的面前。

有人预测：二十一世纪太阳能将由辅助能源上升为主要能源。

但由于太阳能的分散性、季节性和地区性又给太阳能利用带来重重困难，有些技术难点尚未突破，产品造价偏高（如光电池）。

因而尚未被人们大规模的使用。

在太阳能热利用技术中，太阳能热水器是技术上比较成熟、造价比较低廉的产品，同时给人民提供不耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。

太阳能热水器是以太阳能光热转换，利用温室效应和虹吸原理使水加热的装置，此装置分为两个不同的概念：1.太阳能热水工程系统，这种系统由太阳能集热器、储水箱管线、补水箱组成不同形式的热水系统，包括自然循环式、定温放水式等等，可构成提供热水10吨到100吨的装置，大多提供集体单位使用。

2.太阳能热水器是指将上述各种不见组装成一个小系统，提供家庭或需要产热水1吨以下的单位使用，此种装置算为太阳能热水器。

太阳能热水器（或系统）均以其采光面积作为计量单位，一般1平方米光面积可产热水100升，采光面积每种型号不同，一般在1.5～2.0平方米。

国内外太阳能热水器使用量增长如此之快，其根本原因是：能源问题、环保问题是当今世界各国面临的主要问题之一。

太阳能热水器是节能、环保产品，故受到广泛重视，发展极快，预计今后每年将以15%～20%的速度发展。

2太阳能热水器的组成及工作原理2.1 系统总体结构设计排气管不锈钢保温水箱图2-1系统结构图图2-1为系统设计的结构图，该图的系统控制原理图如下图2-2：T3T2F 3热集水热太阳光F1箱器T1D自来水F2图2-2 系统控制原理图注释：T1：热水箱的温度传感器T2：循环水管中的温度传感器T3：集热器中的温度传感器F1：循环水阀门F2：冷水阀门F3：热水阀门此款热水器利用微机控制主要有以下几种控制功能：晨水加热控制、温水循环控制、冷水集热控制、水箱加热控制。

2.3 主要芯片的结构与特点1.主要技术特点DS12887/DS12C887 具有下列主要技术特点：(1) 具有完备的时钟、闹钟及到2100年的日历功能，可选择12小时制或24小时制计时，有AM和PM、星期、夏令时间操作，闰年自动补偿等功能。

(2) 具有可编程选择的周期性中断方式和多频率输出的方波发生器功能。

(3) DS12887内部有14个时钟控制寄存器，包括10个时标寄存器，4个状态寄存器和114bit作掉电保护用的低功耗RAM。

(4) 由于该芯片具有多种周期中断速率时钟中断功能，因此可以满足各种不同的待机要求，最长可达24小时，使用非常方便。

(5) 时标可选择二进制或BCD码表示。

(6) 工作电压： + 4. 5～5. 5V、工作电流：7～15mA。

(7) 工作温度范围：0～70°C。

2.3.2 80C51单片机结构特点微型计算机的出现与发展已广泛应用到各行各业中，使人们的日常生活工作都发生了重大变化，如果没有微型计算机，人们的工作生活的质量都受到很大的损失。

单片微型计算机是微型计算机发展中的一个重要分支，其独特的结构与性能，越来越普及地应用于国民经济的各个领域，以下主要介绍80C51单片机，它与微型计算机的区别是什么，单片机发展概况；它的特点和应用，通过对本节的学习，使大家对单片微型计算机有个初步的认识和了解。

一、单片机的组成单片微型计算机简称单片机，它在一块芯片上集成了各种功能部件：中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时器/计数器、和各种输入/输出（I/O）接口（如并行I/O口、串行I/O口和A/D 转换器）等。

他们之间相互连接图如2-6图，构成一个完整的微型计算机。

图2-6 单片机结构框图二、80C51单片机的引脚描述及片外总线结构1.芯片的引脚描述CHMOS制造工艺的80C51单片机采用40引脚的双列直插封装（DIP方式），在单片机的40条引脚中有2条专用于主电源的引脚，2条外接晶体的引脚，4条控制与其它电源复用的引脚，32条输入/输出（I/O）引脚。

下面按其引脚功能为四部分叙述这40条引脚功能。

（1）电源引脚VCC和VSS。

其中：VCC（40脚）接+5V电压。

VSS（20脚）接地。

（2）接晶体引脚XTAL1和XTAL2。

XTAL1（19脚）接外部晶体的一个引脚。

在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。

当采用外部振荡器时，对CHMOS单片机，此引脚作为驱动端。

XTAL2（18脚）接外部晶体的另一端。

在单片机内部，接至上述振荡器的反相放大器的输出端。

采用外部振荡器时，对CHMOS单片机，该引脚悬浮。

（3）控制或与其他电源复用引脚RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP。

ST/VPD（9脚）：当振荡器运行时，在此引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。

推荐在此引脚与VSS引脚接一个约8.2K的下拉电阻，与VCC引脚之间连接一个约10uf的电容，以保证可靠地复位。

（4）VCC掉电期间，此引脚可接上备用电源，以保持内部RAM的数据不丢失。

当VCC主电源下掉到低于规定的电平，而VPD在其规定的电压范围内，VPD就向内部RAM提供备用电源。

（5）ALE/PROG（30脚）：当访问外部存储器时，ALE（允许地址锁存）的输出用于锁存地址的低位字节。

即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率周期性地出现正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此，它可用作对外输出的时钟，或用于定时目的。

然而要注意的是，每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

ALE端可以驱动（吸收或输出电流）8个LS型的TTL输入电路。

对于EPROM型的单片机，在EPROM编程期间，此引脚用于输入编程脉冲（PROG）。

（6）RSEN（29脚）：此脚的输出是外部程序存储器的读写选通信号。

在从外部程序存储器取令（或常数）期间，每个机器周期两次PESN有效。

但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现，PSEN同样可以驱动（吸收或输出）8个LS型的TTL输入。

（7）EA/VPP：当EA端保持高电平时，访问内部程序存储器，但在PC（程序计数器）值超过0FFFH时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序，当EA保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部程序存储器，对于常用的80C51来说，无内部程序存储器，所以EA脚必须常接地，这样才能只选择外部程序存储器。

对于EPROM型单片机，在EPROM编程期间，此引脚也用于施加21伏的编程电源（VPP）。

输入/输出I/O引脚P0、P1、P2、P3共32根。

a)P0口（39脚～32脚）：是双向8位三态I/O口，外接存储器时，与地址总线的低8位及数据总线复用，能以吸收电流的方式驱动8个LSTTL 负载。

b)P1口（1脚～8脚）：是8位准双向I/O口由于这种接口输出没有高阻状态，输入也不能琐存，故不是真正的I/O口。

门口能驱动（吸收或输出电流）4个LSTTL负载，对8052、8032，P1.0引脚的第二功能为T2定时/计数器的外部输入，P1.1引脚的第二功能为T2EX捕捉、重装触发，即T2的外部控制端。

对EPROM编程和程序验证时，它的接收低8位地址。

c)P2口（21脚～28脚）：是8位准双向I/O口。

在访问外部存储器时，它可以作为扩展电路高8位地址总线送出高8位地址，在对EPROM编程和程序验证期间，它的接收高8位地址。

P2可以驱动（吸收或输出电流）4个LSTTL负载。

d)P3口（10脚～17脚）：是8位准双向I/O口，在80c51中，这8个引脚还用于专门功能，是复用双功能口，P3能驱动（吸收或输出电流）4个LSTTL负载。

作为第一功能用时，就作为普通的I/O口用，功能和操作方法与P1口相同。

2.3.3 数字温度传感器DS18B20主要特性及测温原理一线式数字温度传感器DS18B20是DS1820的更新换代产品(由美国DA IIAS公司生产)。

它具有体积小,分辨率高,转换快等优点。

由于每片DS18B20 含有唯一的硅串行数, 所以在一条总线上可以挂接多达248≈ 218×1014只DS18B20,再加上DS18B20 独特的单线总线结构,决定了DS18B20 特别适合于大型的多路温度实时测控系统的温度检测。