基于单片机的太阳能热水器控制系统开题报告.docx

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基于单片机的太阳能热水器控制系统开题报告

合肥学院

2011届毕业设计（论文）

开题报告

设计（论文）题目

基于单片机的太阳能热水器控制系统的设计与实现

院系名称

计算机科学与技术系

专业（班级）

网络工程（07网络工程2班）

姓名（学号）

詹书保（0704032008）

指导教师

张向东教授

系负责人

一．毕业设计题目:

基于单片机的太阳能热水器控制系统的设计与实现

二．课题的背景与意义:

1、背景

随着全球人口和经济规模的不断增长，能源使用带来的环境问题及其诱因逐渐为人们所认识，“低碳经济”这一概念开始进入人们的视野。

人们在大力的发展太阳能产业。

能源问题将更为突出：

①从长远来看，全球已探明的石油储量只能用到2020年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。

②环境污染③温室效应引起全球气候变化。

因此，人类在解决上述能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。

太阳能具有：

①储量的“无限性”太阳每秒钟放射的能量大约是1.6×10的23次方kW，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1.892×10的13次方千亿t。

②太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。

③发利用时几乎不产生任何污染。

鉴于此，太阳能必将在世界能源结构转换中担纲重任，成为理想的替代能源。

在世界范围内，太阳能热水器技术已很成熟，并已形成行业，正在以优良的性能不断地冲击电热水器市场和燃气热水器市场。

2000年太阳能热水器取代47000套家用电热水器；2000年日本太阳能热水器的拥有量将翻一番；以色列更是明文规定，所有新建房屋必须配备太阳能热水器。

目前，我国是世界上太阳能热水器生产量和销售量最大的国家。

然而，目前市场上太阳能热水器的控制系统大多存在功能单一、操作复杂、控制不方便等问题，很多控制器具有温度和水位显示功能，却不具有温度控制功能，致使热水器阴天的时候不能方便使用。

即使热水器具有辅助加热功能，也可能由于加热时间不能控制而产生过烧，从而浪费电能。

2、意义

能源问题与安全问题是现代社会各界普遍关注的焦点之一。

目前市场上存在三种样式的热水器：

电热水器、燃气热水器和太阳能热水器。

近年来，在一氧化碳中毒事故中，由燃气热水器造成的约占1/3；电热水器的大规模用电，并不能给人们的正常生活带来便利，作为后来者的太阳能热水器，因其安全性好、节能、绿色环保等优点，近几年呈现出爆发式的发展趋势。

选择太阳能热水器这个课题，可以让我更好的认知可持续发展问题，看清目前的能源现状，以及各国在节约能源上的措施，在太阳能革新上运用的新技术。

此外，太阳能热水器已经走进千家万户,控制系统是太阳能的核心,可以尽可能做到节能环保,作这样一个设计,不仅可以考察自己大学四年的专业课的理论与动手实践能力，产品也具有一定的市场前景。

三、设计内容

1、设计工具

太阳能热水器控制系统的设计方式很多。

本设计采用MSC-51系列单片机AT89S52作为中央处理器，采用12864液晶显示模块，热电偶温度采集模块，4x4行列式键盘，水位采集模块，1302

时钟模块，电加热模块，以及电热温度参数设置模块。

2、设计目标

本课题设计的基于单片机的太阳能热水器在软件程序的控制下完成时间、温度和水位的实时显示功能，并能完成时间设定、温度设定等功能，具体实现的功能目标为：

（1）显示水温和水位，电加热水温可任意设定；

（2）显示时间，可通过键盘设置时间参数；

（3）设置温度参数后，自动控制电辅助设备加热；

四、设计方案

本设计以MSC-51系列单片机AT89C51作为中央处理器，采用由4x4行列键盘输入加热时间、水温设置等要求，利用温度采集模块和水位采集模块进行对热水器中的水位和水温的信息采集，这些信息经由数据处理模块处理后，一旦水温达不到预设的水温要求，便会启用电加热模块，对水进行加热，并将水温显示在显示模块上，而当水温达到设置要求时，便会触发报警模块，并同时停止加热。

而如果在这个过程中水位没有达到预设时的要求，加热器也会进行注水，直至预设时的水位后停止注水。

1、硬件设计

太阳能热水器控制系统的主体部分为单片机AT89C51芯片，其外围电路由键盘输入模块、显示模块、热电偶温度采集模块、温度和水位采集模块、光敏电阻测量光照强度模块、电加热模块、以及电热温度参数设置模块构成。

单片机部分主要用于控制和处理各功能模块的工作，实现时间设定、水位和温度显示、加热等功能。

硬件框图如图1所示。

（1）主控芯片模块电路

单片机系统由AT89C51和一定功能的外围电路组成，包括为单片机提供复位电压的复位电路，提供系统频率的晶振。

这部分电路主要负责程序的存储和运行。

对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、谐振器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。

晶体可在1.2MHz～12MHz之间任选，电容C1和C2的典型值在20pF～100pF之间选择，但在60pF～70pF时振荡器具有较高的频率稳定性。

典型值通常选择为30pF左右，但本电路采用30pF。

AT89C51的复位是由外部的复位电路来实现的。

复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。

本设计中所用到的是上电按钮复位，如图2所示。

图2单片机系统

（2）光敏电阻测量光照强度模块

本设计选用光敏来对光照强度进行测量，获取光能。

光敏电阻获取的是模拟信号，需通过ADC0809CCN将模拟信号转化为数字信号。

光明电阻及ADC0809CCN与单片机的连接电路如图3所示。

光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。

光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。

光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达1~10M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。

光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.4~0.76）μm的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。

在本设计中使用光敏电阻的好处在于，可选取用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。

图3光敏电阻测量光照强度与单片机的连接电路

（3）温度传感器模块

DS18B20是智能温度传感器，它的输入/输出采用数字量，以单总线技术，接收主机发送的命令，根据DS18B20内部的协议进行相应的处理，将转换的温度以串口发送给主机。

主机按照通信协议用一个IO口模拟DS18B20的时序，发送命令（初始化命令、ROM命令、功能命令）给DS18B20，并读取温度值，在内部进行相应的数值处理，用图形液晶模块显示各点的温度。

在系统启动之时，可以通过4×4键盘设置各点温度的上限值，当某点温度超过设置值时，报警器开始报警，从而实现了对各点温度的实时监控。

每个DS18B20有自己的序列号，因此本系统可以在一根总线上挂接了4个DS18B20，通过CRC校验，对各个DS18B20的ROM进行寻址，地址符合的DS18B20才作出响应，接收主机的命令，向主机发送转换的温度。

采用这种DS18B20寻址技术，使系统硬件电路更加简单，图4所示。

图418B20与单片机的连接电路

（4）液晶显示模块

液晶显示模块以其微功耗、体积小、显示内容丰富、模块化、接口电路简单等诸多优点得到广泛应用。

液晶显示模块分字符型和点阵型两种，前者只能显示常用的字符，点阵型液晶显示模块除显示字符外还能显示各种图形和汉字。

如图5所示，为液晶显示屏与单片机的连接电路图。

12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集。

该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面，可以显示8×4行16×16点阵的汉字，可完成图形显示。

电压低功耗是其又一显著特点。

由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。

图5液晶显示屏与单片机的连接电路

（5）键盘输入模块

下图为AT89C51单片机与4*4键盘和LED显示的连接电路。

键盘和显示电路是人机交互的重要手段。

控制键是用户干预系统运行的唯一接口，也是用户比较关心的问题。

为了实现控制器对时间与温度的设定及显示功能，本设计采用芯片8279配合SN74LS138N和SN74LS240P驱动4位数码管和LED管实现时间与温度的设定与静态显示。

数码管的段选码由B口和C口输出，经74LS240驱动后送给共阴极LED。

数码管的位扫描信号经74LS138译码驱动后提供给LED的公共极。

RL0~RL7提供了键盘列扫描接口，SL0~SL2盘的行扫描接口。

图6键盘接口电路

（6）电加热模块

图7为太阳能热水器电加热电路设计。

当室外光强不足（阴天、下雨）时，对水箱的水提前加热是很必要的，这一电路恰好能完成这一功能。

图7电加热电路

2、软件设计

太阳能热水器控制系统的最大特点是所有功能模块均由软件控制以完成各自功能。

本系统软件包括主程序模块、键盘扫描模块、显示模块、温度水位采集、时钟模块、电加热模块等模块。

显示模块由12864液晶屏显示，键盘处理子程序包括温度的设置和控制加热以及时间的设置等。

软件流程图如图8所示。

图8软件流程图

（1）初始化程序

太阳能热水器控制系统在接通电源后，首先要对系统进行初始化。

初始化的过程包括启动DS1302，启动12864，对12864进行清屏。

（2）按键检测及处理程序

在太阳能热水器初始化完成之后，系统便会进入键盘扫描状态，此状态下，主控芯片AT89S52会不断扫描是否有键按下，即等待用户输入。

在检测到有键按下后，根据按下的次数（按一下设置“分”，按两下设置“时”，三下设置“星期”，以此类推），在运用“加”“减”分别设置。

（3）读取温度的程序

本设计采用while循环，在没有键按下时，跳出while循环，进行下边的语句，即读取温度，并将其显示在12864上。

在读取的过程中，要注意温度的正负。

五、关键问题

1、在软件程序的控制下如何实现时间、温度和水位的实时显示功能，并实现时间设定、水温设定等功能。

2、如何实现对按键值的读取及处理。

3、自动模式下如何实现对通道的切换及对其内温度的数码管动态显示。

4、整个系统共分为主程序、键盘扫描、显示、温度水位采集、时钟和电加热等模块，各个模块的功能如何编程实现。

六、毕业设计完成进度及预测进展

第1周至第2周：

搜集并阅读相关的资料和文献，阅读有关温度采集方面的知识，对单片机、DS18B20和显示器方面有较深刻的理解，达到对本课题有个整体的思路并拟定开题报告；

第3周至第9周：

通过方案的确定和整体思路的把握进实验室做本课题；

第10周至第14周：

对本次毕业设计整个过程进行总结，完成毕业设计论文；

第15周：

毕业设计答辩。

指导教师评语：

（建议填写内容：

对学生提出的方案给出评语，明确是否同意开题，提出学生完成上述任务的建议、注意事项等）

　　　　　　　　指导教师签名：

年月日

开题检查组意见：

（　　）　　　　A、同意开题B、修订后重审

检查组负责人（签字）：

年月日