太阳能热水器水位和电加热温度控制系统大学论文.docx
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太阳能热水器水位和电加热温度控制系统大学论文
密级：
科学技术学院
NANCHANGUNIVERSITYCOLLEGEOF
SCIENCEANDTECHNOLOGY
学士学位论文
THESISOFBACHELOR
（2012—2016年）
题目太阳能热水器水位和电加热温度控制系统
学科部：
信息学科部
专业：
自动化
班级：
自动化121
学号：
学生姓名：
指导教师：
起讫日期：
2015年12月—2016年6月2日
目录
摘要I
AbstractII
第一章引言1
1.1选题的依据及意义1
1.2国内外研究现状及发展趋势1
第二章论证设计方案3
2.1课题的任务3
2.2选择设计方案3
第三章系统主要硬件设计4
3.1超声波测距系统原理4
3.3水温检测原理6
3.3.1传感器的确定6
3.3.2DS18B20简介6
3.3.3DS18B20工作原理6
3.4液晶显示器16027
图3.9系统整体电路图8
图4.1系统控制流程框图9
第五章系统的调试10
结论11
参考文献（References）12
致谢13
太阳能热水器水位和电加热温度控制系统
专业：
自动化121学号：
7021311051学生姓名：
郑朋涛指导教师；何尚平
摘要：
温度控制的精细在设计高性能的控制是个重要的参考指标，还经常会影响到产品的生产质量因此在工业生产领域中，经常需要对温度进行监控。
高性能的计算机和电子设备、家用电器（如热水器，空调，冰箱等）也会用到温度控制系统，可以说它几乎处处可见。
这个系统能在热水器系统、饮水机的控制温度电路中使用。
AT89S52单片机是它的控制核心。
DS18B20用来实现它对温度的收集和监控，并将相应的数据最终显示在1602这个液晶屏上面。
此外，此系统还有LED通过亮暗进行标识，从而方便人们判断系统所处的各种工作情况。
初始温度和水位的值，可以通过几个按键在启动的初始阶段被人为的设定，满足实际中的需求。
关键词：
单片机，液晶显示器，温度传感器
Solar-poweredwaterheaterwaterlevelandelectricheatingtemperaturecontrolsystem
Abstract：
Inthefieldofindustrialcontrol,temperaturecontrolisusedwidely,thecontrolprecisionwilldirectlyaffectthequalityofproductsandservice,researchanddesignofhighperformanceofthetemperaturecontrolsystemhasveryimportantsignificance.ThecontrolsystemofTemperaturecanbesaidtobeomnipresent,waterheatersystem,airconditioningsystem,refrigerator,electriccooker,electricblankettemperaturecontrolsystemandotherhouseholdelectricalappliancesaswellasahighperformancecomputerandelectronicequipment,arerequiredtoprovidetemperaturecontrolfunction.Thedesignofthissystemcanbeusedforwaterheatertemperaturecontrolsystemanddrinkingfountainsandvariouselectricalcircuits.ItusessinglechipcomputerofAT89S52asthecore,throughtheLCD1602LCDdisplaytemperatureand3keystoachievethesettemperature,theuseofsinglebustemperatureconversionchipDS18B20realtimecollectingtemperaturebyliquidcrystaldisplay,andprovidingLEDrunningindicatinglampisusedtoindicatetheoperatingstateofthesystem,thewholesystemthroughthethreebuttonstosettheheatingtemperatureandcontroltheoperationmode,convenientandpractical.
Keywords:
MCU,liquidcrystaldisplay,temperaturesensor.
第一章引言
1.1选题的依据及意义
（一）选题依据
太阳能作为一种清洁能源，它以零成本，分布广泛，无需运输等诸多优点具有无限的开发潜力。
科技迅猛发展的今天，像光伏电池、太阳能热水器等利用太阳能的技术日趋成熟，极大地便利了人们日常生产生活。
中国作为一个人口大国，也面临着资源匮乏的窘境。
工业长期发展伴随着资源的过度消耗，开发利用可再生的清洁能源成为国人必须的面临的课题。
增加能源供应量，改善能源结构，切实关系到可持续发展道路的落实。
“低碳”“环保”理念的日渐深入人心，人们把眼光投向风能、潮汐、太阳能等清洁能源。
太阳能作为绿色能源，节能环保。
中国拥有最大的生产地和最大的太阳能市场，太阳产业的发展迅速，规模逐渐增大。
太阳能产业也作为一个朝阳产业，支持着国民经济的蓬勃增长。
于是，我选择这个课题进行研究，更好的推动新能源的开发与利用。
（二）选题意义
目前，热水器的种类有四种：
电热水器、燃气热水器、太阳能热水器和新兴起的空气能热水器。
燃气热水器由于安全性低，易发生事故而导致使用率下降；电热水器使用电能加热，能源消耗量大；空气能热水器由于受环境温度的限制，在北方寒冷地域无法大面积推广使用；反观太阳能热水器因光照分布普遍，安全节能而受到人们的一致好评。
对这个课题进行设计研究，能让我充分利用大学所学电子知识，深入了解太阳能控制原理。
通过这次理论结合实际的实践，加强巩固所学理论知识，练习动手能力，提高创新能力，增强自己发现并解决问题的能力，为以后走向社会迈向工作岗位积累宝贵的经验。
另外，由于太阳能热水器的使用性得到了市场大众的认可，而改善控制系统，提高控制的精确性和可靠性将能更好地做到环保节能。
本设计以太阳能加热为主，以电热器加热为辅助，将太阳能热水器和电热水器有效结合，既能弥补太阳能光照不足时水温过低的缺陷，又能节省大量能源。
1.2国内外研究现状及发展趋势
在全球内，太阳能以清洁可再生能源，一直是解决能源危机的关注焦点。
像光伏电池、太阳能热水等以太阳能为能源的技术的利用，为走能源可持续发展道路提出来一条解决方案，也正逐渐改变人们的生产生活。
西方欧美等国家在太阳热水器研究方面发展较早，普及率很高，科学技术含量也较高。
随着巴黎气候大会的举行，全球变暖和能源问题等又被世界各国人们更加关注。
更多的国家又将进一步重视有节约常规能源和减少排放CO2方面潜力太阳能热水器的开发和利用，甚至部分西方国家倡导并规定，正在建设的民居应该包含的配套设备中一定要含有太阳能热水器。
在太阳能热水器研究开发的领域中，我国起步较晚，但在国家政策的大力扶持下发展迅速，我国已经成为世界上最大的热水器生产国。
我国幅员辽阔，地大物博，拥有最多的人口，太阳能热水器的推广应用潜力很大，将会成为最大的太阳能热水器销售场地。
世界范围内，太阳能产业作为新能源行业蓬勃发展，推动着经济增长。
虽然如此，但国内热水器市场依然面临一些问题。
目前，我国热水器的发展全在于销售量的提升，用产销来推动产业经济的增长，大多数企业只是瞄准利润，并不太注意产品的性能。
他们往往通过大力推广产品来保持经济的增长，与此同时，技术层面却显得有些发展滞后，以至于渐渐不能满足广大消费者的各种需求，这种现象更是造成生产研发的停滞，市场人才匮乏。
热水器生产厂家多如牛毛，产品却大同小异，而且面临结构功能单一、操作不便等问题。
作为行业持续发展的重要因素——专业人才的缺乏更进一步导致创新能力低下，限制企业的发展。
一些中小企业面临窘境，销售增长量停滞。
一些品牌企业迫不得已开始加大产品创新力度，设计更多产品满足消费者不同需求，改变营销策略，拓宽销售渠道，培养后续储备人才，逐渐成为市场主导品牌。
与此同时，受到新一代热水器——空气能热水器的冲击，太阳热水器销量有点波动。
空气能热水器将空气中的热量吸收，传导给中间介质冷媒，在冷凝器中将冷媒的热量传导给水箱中的水，从而达到加热保温箱中水的目的。
然而由于技术的不太成熟，空气能热水器在大众面前依旧不太被认可，市场占有率远远不能和太阳能热水器相提并论。
目前，在世界范围内。
太阳能热水器依旧是主流热水器。
太阳能热水器以其节能绿色环保的理念深受广大群众的喜爱。
太阳能市场上售卖的热水器多半有水位控制、水温控制和自动控制功能，更为便利的方便百姓生活。
市场上的太阳能热水器按照集热方式的不同，大致分为两种类型。
一种是采用真空玻璃管收集光能的热水器。
这种热水器能吸收大量的光照辐射，并将其转化的热量用来加热水箱中热水。
另一种热水器是平板集热式热水器，正如其名，它外形就是平板。
提到这两种热水器，就不得不说现在太阳能热水器技术面临的三个问题。
热水器的用途是利用光照用来给水进行加热，因此如何提高效率是首先第一个需要考虑的问题。
真空管集热的热水器因其构造和材料，集热效率远远高于平板式热水器。
除去效率问题，安全性也是一个必须要重视的问题。
在这个方面，可以说二者有着相同缺陷。
在寒冷地区（或者冬季严寒时），集热管中的水倘若不能及时被完全排出，往往会存在着“炸管”的隐患。
最后我们还需要考虑实际生活应用中的一个问题，那就是城市容量的问题。
在乡村，地广人稀，各家各户可以在房顶上安装热水器。
然而，城市里，一栋楼房能安装的热水器的数目是被受到限制的，完全不能满足所有住户的需求。
这将是一个制约热水器使用率的问题，开发设计热水器时不得不进行考虑。
目前，欧洲国家广泛采用平板热水器。
平板式热水器能和建筑物在空间上完美契合，使用条件限制小。
但中国市场却截然不同，真空管热水器在太阳能热水器中占有很大比例。
个人认为，一旦技术问题被攻克，平板热水器在中国也将会拥有广泛的使用率。
国外生产商通过使用较高性能的吸热板提高集热能力。
对于“炸管”问题，他们设计热量的循环交替，使用泵驱动防冻液在平板太阳能集热器及储热水箱的换热器间循环换热，解决了安全性的隐患。
现如今，我国太阳能热水器的研发更加趋于成熟化，多样化，控制智能化。
太阳能热水器的蓬勃发展同时也冲击着电热水市场和燃气热水器市场，促进了热水器行业的变革。
随着整体行业技术的发展，太阳能利用技术也将向更为节能、更为绿色、更为便利的方向发展。
个人认为，可以设计电辅助加热，也能从一定程度上解决“炸管”的隐患，另外电加热还能缓解集热效率低下时的热水供求不足的问题。
为此设计这种太阳能-8电热器智能加热的热水器，并增加水温控制功能，以实现太阳能热水24小时不间断，更为智能化的控制。
第二章论证设计方案
2.1课题的任务
针对太阳能热水器，设计构成一个控制系统，控制水位高低和水温的大小。
日常使用时，可通过人工进行水温的预设，及水量的大小调控。
本设计用水桶作为容器来表示热水器水箱，用电机代替水泵进行上水的操作，用电热器进行补偿加热来达到需求的温度。
当水位小于安全界限（或者预设水温值）时，电机被启动用来注水提升水箱的水位值；电加热部分电路会在水温小于设定值时被启动，此时通过加热设备进行调节，使水箱中水温得到控制，使得热水器中的水温与设定水温的±0.5℃范围内保持大致相同。
本次设计的温度被控值可以在设定值的±0.5℃范围内保持基本不变。
2.2选择设计方案
本次研究对水位的检测可以使用压力传感器，超声波测距等一些方法，对水温的检测可以采用DS18B20。
经过查阅相关文献资料，由于设计热水器需要对水温水位进行有效监控，则要使用传感器对水位水温进行测量，并将水位水温这样的物理量转化为能被单片机识别的数字信号，进而编写程序进行控制。
因此对水位水温测控十分重要，水箱中水位和温度检测信号将被用来作为被判断的数值，而确保得到这些检测值的准确性和快速性，将是控制设计中一个必须重视的关键部分。
及时准确地对水位和温度这两个变量进行测控,就能通过利用程序开始辅助加热和水位调节。
对水位水温测控中温度监控相对较简单，水位测控初步确定是有下列几种方案：
方案一：
用分段式液位传感器检测水位，使水位分段显示，测控水位有点像阶梯形变化，并不是太平滑。
用温度传感器DS18B20构建电路测控温度。
方案二：
采用超声波测距，由超声波反射时间差计算探头到水面距离，从而知道水位的高度。
方案三：
利用压力传感器测量液体底部压力的大小，将压力值转化，从而知晓水位的实际高度。
综合以上的论述，我们可以选用超声波测距，省去了中间A/D转换，而且测量简单。
本系统采用AT89S52作为热水器控制核心处理器，当水位低于设定时，水泵电机被启动，开始注水；温度小于设定要求时，启动电热器进加热升温。
单片机具有多个中断系统，配合外部电路，能很好的控制水泵和电热器，从而担任本次课题的控制核心部件，可以对其进行编程，从而达到控制的要求。
作为本系统设计的控制器，AT89S52担当的主控制器是控制的中心。
它不仅仅是构成本系统的硬件部分，更是利用软件设计程序对被控模块运行进行控制，因此它将决定着整个系统能否正常运行。
单片机的成本也相对低廉，但应用范围却相当广泛，能够用以解决一些比较复杂的控制环节。
图2.2单片机最小系统图
第三章系统主要硬件设计
本课题的硬件主要有两个部分组成：
水温监控模块，水位监控模块。
现拟定对水位利用超声测距模块对其进行测量，对水温利用DS18B20芯片进行测量，最后利用单片机结合一些其他的外围电路进行控制。
现对硬件设计中用到的模块以及核心元件的工作原理和性能进行初步介绍。
详细电路图将在了解主要硬件后，在下一章节逐一进行介绍。
整体框图见图3.1。
图3.1系统整体框图
3.1超声波测距系统原理
超声波测距原理：
在超声波在空气中传播速度已知的前提下，模块内部输出一列稳定的方波到超声波发射探头，发射探头产生的声波在遇到障碍物后被反射回来，测量从发射到返回到接受探头的时间，根据这个时间就可以计算发射点到障碍物的距离。
超声探测工作时，发射稳定方波。
测量产生超声波的输出端脉冲的宽度，可知发射超声波与接收超声波的时间间隔t，便可由公式S=1／2vt得知被测距离。
实际过程中，超声波的声速会受到温度影响，而且探测角度也会造成测量值产生系统误差。
当温度几乎不变，且测量角度也相对较小时，就可认为声波以匀速垂直到达水面，而且匀速垂直发射回来。
倘若要求很高的测距精度时，就需要考虑温度补偿来校正被测数值。
相对来说，超声波测距在测量中长距离时还是有比较高的精度。
在空气中，超声波的传播速度一般取定值340米/秒。
单片机内部计时器负责计时，本设计采用12.0M的晶振，所以本设计中超声模块在理论上应该到了毫米级的测量精度。
超声波测距的算法设计:
声速取340米/秒计算，声波从发射探头发出时刻是
，接受声波时刻是
得到传播时间差，假定
=0.05S，则声波传出距离有
m探测模块到反射物的距离
图3.2超声波测距原理简图
单片机采用外部中断的方法进行控制，声波返回将引发的电位上升，用上升沿作为产生中断请求的依据，能更好的确声波测距结果值的准确性。
3.2超声测距模块
对于水位的控制，本次设计采用超声测距模块HC-SR04进行对水位的测控。
HC-SR04模块接口少，使用方便简单,测量距离范围2—400cm，其精确值能达到3mm,足以满足本次设计指标。
超声测距模块中自带超声发射探头、接受探头、内部控制电路。
模块外形见图3.3。
图3.3HC-SR04模块外形图
基本工作原理：
VCC和GND分别接高低电位；TRIG是触发引脚，需要给一个10us以上的高电平信号触发；ECHO是一个反馈脚，当接受探头接受到声波回返时，ECHO呈现转变成高电位，并持续一段时间T，这个持续时间T的大小在数值上等于超声波从发射到返回的时间t。
图3.4HC-SR04构成的测量水位电路图
图3.5水温控制电路
水位控制的电路部分，采用了L298N驱动电机，此处的电机用来代表抽水的水泵，单片机利用控制L298N的5、7脚来控制电机的运转，从而进行上水操作。
测距电路中，传感器利用声波测量，单片机分析处理后，决定是否进行启动电机的操作。
3.3水温检测原理
3.3.1传感器的确定
工业生产时，温度常常是关乎产品质量的重要的被控数据量，温度被控精细程度有时还关系到某些化工生产的安全程度系数。
在现有的工业生产过程中，检测温度是能热电偶检测，将微弱的电流表化转化成温度差值，得到温度的修正值，再经过A/D转换把检测值转化成数字信号，用来被处理器识别并进行相关处置。
本设计采用单片机作为设计的核心控制芯片，最好采用一种具有将物理量转化成数字功能的传感器，这样，传感器可以直接的得到完全能被单片机能识别数字信号，从而省去了A/D转换，综合选择来说，DS18B20芯片可以完美符合本课题所有要求条件。
3.3.2DS18B20简介
数量种类繁多的温度传感器中，DS18B2传感器因其体积小、精度高、抗干扰性强等特点拥有其他传感器不可相比的优势。
另外，它独特的单总线接口方式，和它支持多组网并联的特性都比其他传感器使用提供更多便利，且其内部更是有温度上下限报警设置。
内部的9个字节暂存器如图3.6所示。
3.3.3DS18B20工作原理
（1）DS18B20测温原理
DS18B20温度传感器主要由斜率累加器、温度系数震荡器、减法计数器、温度寄存器等功能模块组成。
DS18B20内部对计算的温度值提供了0.5度的分辨率。
它以带符号位的16位二进制补码的形式将检测到的温度表示出来。
温度计算算法：
把表3.1中将由DS18B20温度采集并转化后的16位数据，分别存储到俩8位的RAM中，符号位占据着数据的前5位，如果检测到的温度大于或者等于0时，符号位为0，将数据输出的16进制转化为十进制，就是16进制数值乘0.625得到；假如实际温度处于0度以下，符号位全都被置1，需要把输出的16进制数值先进行取反操作，加1后再乘0.625，便可以得到实际十进制温度。
图3.6内部寄存器
3.4液晶显示器1602
图3.7LCD1602实物图
1602液晶显示器是具备显示符号、数字以及字符的一种液晶模块。
显示屏上有一定数目的点阵字符位，当每显示一个字符时，就会被占用一个点阵字符位。
位与位、行与行之间都预留了间隔控线，以便于人们辨认和识别。
然而，它并不能很好胜任显示图形的工作。
1602LCD是指可以分两行显示，且每行最多16个字符或数字的显示屏。
它的16个脚中，1和2脚负责接通电源，3脚被用来接电位器调整对比度，4脚负责寄存器的选择，5脚控制数据的读写，而6脚是使能控制脚，1516脚闲置，其他的7个脚用来进行数据的传送。
图3.8温度测控及显示电路
图3.9水温控制模块
水温控制相对较简单，只要继电器吸合，就能进行加热，是水温上升。
该系统利用继电器控制电加热的开通与关断，其常开触点连接加热器。
当有电流流经线圈中时,常开触点将会被吸合,辅助加热器开始被接通，开始加热。
与此同时，点亮一个发光二极管，用以指示当前工作状态。
加热结束后，继电器恢复，电热丝断开。
系统整体电路图如图3.10所示。
图3.10系统整体电路图
第四章软件控制的设计
本设计中的传感器负责进行数据的时时监控，并对数据进行采集送往单片机进行处理。
单片机是系统的CPU。
单片机对温度和水位显示及控制，都是通过内部烧录的程序进行完成处理工作的。
可以这样说：
外部电路就像是一座坚固房子，而程序就是房子内的装饰和家具。
房子决定了你的活动空间，而各种家具和设施让决定了生活的舒适程度。
脱离了内部程序的控制，外部电路将毫无意义。
现在对程序的设计思路和控制流程进行阐述。
最开始启动系统时，假定水箱中完全没有水。
通电后，可以进行按键设置初始水位和水温。
当设置完成时，此时，测水位的模块开始检测水位，水位未达到设定值，开始启动电机，向热水箱中一直注水，与此同时，水位的检测也仍在进行。
水位未到设定值将一直进行持续监测，直到水位和设定值持平。
水位达到定值时，系统启动水温的检测。
水位低于预设值，开始接通继电器，并点亮一个LED用来显示加热的状态。
和水位的测控有些相似，水温未满时，检测水温的动作将一直持续，知道水位上升到设置的温度附近。
停止加热后，单片机调用延时程序，延时5min后继续启动水位的检测，构成一个循环。
流程框图如图4.1.。
图4.1系统控制流程框图
第五章系统的调试
在硬件和软件都按照系统电路和控制流程设计完好后，还有一件十分重要的工作进行——系统的调试。
系统的调试是必不可少的工作过程。
硬件和软件都要进行调试，对硬件需要用万能表对每一个元件进行测试，测试是否有无虚焊，有无断点，以及元件的接线是否正确。
软件的测试需要在硬件确保正常的情况后才可以进行。
利用单片机下载设定，并编译通过后生成的HEX文件进行软件测试。
本次调试中，硬件焊接制作良好，完全按照电路原理图的设计进行制作，并正确制作成功。
在软件调试中，利用4个按键进行设定了温度和水位后，开始调试。
调试过程中，注水、加热等过程中点亮的不同LED，这种情况与预定的工作状况相符合；在水温加热停止时，我用水银温度计对水温进行测试，在误差的允许范围内，可以认为两者基本一致。
经过初步调试，初步确定了设计课题的完成情况。
结论
本系统施行了水温水位的检测控制，采用单片机设计了控制电路。
让传感器来对水位和水温进行信号采集，进行LED显示信号，精度高，简化了硬件系统设计，提高运行性能，无需人工操作，即可实现热水供应。
利用超声测距模块进行的液位控制的检测，能够时时的进行运作达到控制水位的目的，而且测控迅速，能让单片机及时反应，明显改善控制环节，同时，使用抗干扰能力较强的传感器，保证了系统稳定长时间运行。
本设计完成水位和水温的控制目的，每当水位偏低时，单片机操作水泵电机，使其完成上水的工作；温度偏低时，单片机控制启动电热丝，使其加热。
本系统，只需开始时设定水位水温，就可以让它稳定工作，满足人们在日常生活中对热水的需求。
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