基于单片机的太阳能热水器控制系统的设计.docx
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基于单片机的太阳能热水器控制系统的设计
毕业设计（论文）
题目基于单片机的太阳能
热水器控制系统的设计
系别电力工程系
专业电气工程及其自动化
班级
姓名
指导教师
下达日期2012年2月20日
设计时间自2012年2月20日至2012年5月25日
毕业设计（论文）任务书
一、设计题目：
1、题目名称基于单片机的太阳能热水器控制系统的设计
2、题目来源自备
二、目的和意义
通过对一个基于单片机的能实现太阳能热水器控制系统的设计，从而达到学习、了解单片机的各方面的应用，太阳能热水器的工作原理及实现方法。
系统由主控制器AT89C51、时钟电路DS1302、显示电路、按键电路、和复位电路等部分构成，能实现时钟（时、分、秒）显示的功能及对温度的显示与控制等。
三、原始资料
太阳能热水器说明书
四、设计说明书应包括的内容
1、太阳能热水器的发展
2、太阳能热水器的组成及工作原理
3、控制系统的软、硬件实现
4、编写的控制程序等。
五、设计应完成的图纸
1、太阳能热水器控制系统的原理图
2、太阳能热水器控制系统的PCB图
六、主要参考资料
1、太阳能热水器说明书
2、《单片机原理、应用及c51程序设计》清华大学出版社
七、进度要求
1、设计阶段第1周（2月20日）至第14周（5月26日）共14周
2、答辩日期第14周（2012年5月26日）
3、实习阶段第15周（5月28日）至第18周（6月22日）共3周
八、其它要求
针对现场对太阳能热水器的要求进行控制系统方面的设计，主要包括水温显示、定时上水、防冻功能、恒温控制、时钟显示的功能等。
基于单片机的太阳能热水器控制系统的设计
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、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，提出了一种基于单片机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;实时时钟;单片机
DesignofcontrolsystemforSolarWaterHeater
basedonSCM
Abstract
SolarWaterHeaterispopularwithitsprettybenefits,Basedonauthor’srealexperienceonSolarWaterHeaterdesign,thisarticledescribestheworkingtheoryofthissolarwaterhearerafterintroducingthecharactersofsolar、SingleChipMicrocomputer（SCM）.AccordingtotherequestandcharacteristicofSolarWaterheaterforthecontroller.ProvidingadesignofIntelligentCon-trollerforSolarWaterheaterbasedonSCM.Sumupadesignwayofthesystem’shardwareandsoftware.Thisarticleisdividedinto3parts.PartOneisChapter1,includingtheuseandperspectiveofsolarenergy.PartTwo,includingChapter2,describingtheincludingandthetheoryofthissolarwaterheater.Partthree,includingChapter3,Chapter4:
thedesignofhardwareandsoftware、thetheoryofthecircuit.Separatelyintroducingcommonsolarwaterheaterandcyclesystem,thedevelopmentandtheoryofSingleChipMicrocomputer（SCM）,whicharethebasictheoryandnecessaryprecondition.
KeyWords：
SolarWaterHeater；Realclock；SingleChipMicrocomputer（SCM）
前言
随着微电子技术的高速发展，单片机在国民经济的个人领域得到了广泛的运用。
单片机以体积小、功能全、性价比高等诸多优点，在工业控制、家用电器、通信设备、信息处理、尖端武器等各种测控领域的应用中独占鳌头，单片机开发技术已成为电子信息、电气、通信、自动化、机电一体化等专业技术人员必须掌握的技术。
太阳能热水器是以太阳能作为能源进行加热的热水器。
一般家用太阳能热水器需要自动或半自动运行，控制系统是不可少的，常用的控制器是自动上水、水满断水并显示水温和水位，带电辅助加热的太阳能热水器还有漏电保护、防干烧等功能。
目前市场上有手机短信控制的智能化太阳能热水器，具有水位水位查询、故障报警、启动上水、关闭上水、启动电加热等功能，方便了用户。
其温度控制部分是单片机实验中一个很常用的题目。
因为它有很好的开放性和可发挥性，因此对作者的要求比较高，不仅考察了对单片机的掌握能力更加强调了对单片机扩展的应用。
而且在操作的设计上要力求简洁，功能上尽量齐全，显示界面也要出色。
所以，对其温度控制的设计是很有价值的。
王涛
二〇一二年五月
第1章绪论
1.1太阳能热水器的发展背景及意义
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，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浪费大量的电能。
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。
它主要由平板集热器、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。
太阳能热水器环保、无污染，人们用着安全放心。
利用太阳的能源，大量节约现有的能源，是以后能源发展的趋势。
原有的燃气热水器和电热水器虽然加热速度比较快，但是所用的煤和气都会对环境造成一定的污染，而且会使室内的空气变得不清新，电热水器的功率较大，对长期使用的一般家庭来说必定会带来一定的经济困难，是一笔相当大的开销。
太阳能热水器安全、环保、经济，带有辅助加热功能的热水器可在全年的任何时候使用，设计一个控制器来帮助人们了解水的温度和热水器中水位的高低，使人们清楚的使用。
先前国内外大多数家庭使用的太阳能热水器只是纯粹的太阳能加热问题，还没有其他的智能控制方面，在没有太阳的天气中没有足够的能源使水箱中的水加到最热。
其次对太阳能热水器中的水位没有记录，使人们不能及时知道水箱中的水量，以便补充，缺乏自动性。
如今大多数的家庭太阳能都装有水位监测和水温测量、显示的功能，使用更加方便。
近年来，利用太阳能和其它能源的结合，使得太阳能热水器更加的完善，在任何天气情况下都能使用到热水。
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。
当今社会发展日新月异，人们衣食住行也在不断的提高。
现有电热型热水器费用昂贵及燃气型的不安全性，且排放二氧化碳污染大气，北方用煤气取暖造成城市空气环境污染，这些都是太阳能热水器良好的外部生存环境。
太阳能热水器克服了上述缺点，他是绿色环保产品。
它使用简单、方便。
太阳能热水器顺着时代发展的要求，满足人们对环保绿色产品的需求。
在人类文明程度日益提高的今天，它是现代文明社会的最佳选择。
应该注意到，集体单位对太阳能热水器的需用量很大。
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、石油、天然气的存储量日益减少，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，因而尚未被人们大规模使用。
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，同时给人民提供低耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。
世界各国的太阳能热水器生产发展也很快。
例如：
澳大利亚政府规定，在北部地区新建房屋一定要设置太阳能热水器，已经有25％的新住宅安装了太阳能热水器。
日本现在每年安装太阳能热水器近50万台，计划今后普及率更高。
有些国家法令规定所有新建筑物必须配备太阳能热水器。
太阳能热水器的推广应用及经济效益据不完全统计，迄今全国太阳能热水器累计安装使用总量已达到300万平方米以上。
所以该控制器具有使用方便、性价比高、工作可靠、精度高等特点，为太阳能热水器的进一步推广具有积极的推动作用。
本设计主要利用单片机为核心，选择热敏电阻NTC10K，将检测的模拟信号经过A/D转换后送入单片机处理。
通过LED数码管来显示温度和水位。
要经过几部分的设计来完成：
（1）LED数码管显示部分设计
（2）A/D转换部分设计
（3）温度采集部分设计
（4）控制加热和上水电路设计
从系统需要和研究内容可以看出，本设计需要做的主要工作有：
查阅相关资料，了解各部分功能原理。
查阅元器件资料，掌握器件工作原理和硬件实现方法。
1.2太阳能热水器的主要功能
图1-1运行图
（1）数码管水温水位显示：
集热器顶部温度处显示集热器顶部温度T1，集热器底部温度处显示集热器底部温度T2，集热器底部温度处显示储热水箱温度T3，水箱温度处显示恒温水箱温度T4，水箱温度处显示用户管路温度T5，按向下键一次集热器顶部温度处显示温度T6，时钟处显示实时时钟，定时时间处显示定时加热时间和定时上水时间，状态显示区显示各种外接负载的运行状态。
（2）温差循环：
当集热器顶部温度与储热水箱温度之差T1-T3>7℃（可调）时，水泵P1打开，进行循环，当T1-T3<3℃（可调）时，水泵P1关闭，停止循环。
（3）恒温水箱定温上水：
当恒温水箱温度T4大于定温出水设定温度且水位小于6格时，电磁阀E1打开，定温补水；恒温水箱温度T4小于定温出水设定温度或水位达到6格时，电磁阀E1关闭，停止上水。
（4）储热水箱向恒温水箱定温上水：
当储热水箱温度T3>40℃（可调）水位小于6格，且电磁阀E1不启动时，启动泵P3，当T3<40℃（同上）或水位达到6格或电磁阀E1启动时，停止P3。
（5）恒温水箱手动上水：
在电磁阀E1不启动时，手动启动泵P3上水到设定的水位自动停止。
（6）恒温水箱定时上水：
在电磁阀E1不启动时，自动在设定的时间启动P3上水到设定的水位，并自动停止。
（7）恒温水箱自动上水：
在电磁阀E1不启动时，通过自动上水键启动循环上水功能，当水箱水位低于设定下限水位时自动启动泵P3，上水到设定上限水位值时，停止P3停止上水。
（8）恒温水箱手动加热：
手动启动辅助加热，把恒温水箱内的水加热到设定温度后停止加热。
（9）恒温水箱定时加热：
可任意设定辅助加热定时启动时间（建议设定在下午3时到5时之间）。
当恒温水箱温度T4在设定时间前达到设定温度时，辅助加热自动取消；而当恒温水箱温度在设定时间前未达到设定温度时，辅助加热自动启动，直到水箱温度T4大于设定值时停止加热。
真正做到光电互补，既节电又保证全天候使用。
（10）恒温水箱自动加热：
可用辅助加热反复循环加热，使水箱温度恒定在设定温度附近。
当水箱温度T4低于设定温度时，自动启动辅助加热，到水箱温度高于设定温度后停止。
（11）定时间段管路循环：
在设定时间段内，如果管路温度T5低于设定值，水箱温度T4高于设定值+5℃，启动管路循环泵P2，当T5高于设定温度+3℃或T4低于设定温度+3℃，停止P2。
（12）防冻循环功能：
当集热器底部温度T2小于防冻设定温度时，水泵P1启动，进行循环防冻；当集热器底部温度T2大于设定温度+3℃，延时2分钟后防冻循环停止。
（13）防冻电热带功能：
当温度T6小于防冻设定温度时，电加热带H1启动；当温度T6大于防冻设定温度+3时，电加热带H1停止。
（14）高温度保护：
当集热器顶部温度T1>90℃（可调）时，P1不启动（按泵循环按键可启动P1，5分钟后停）；当T1<90℃（同上）时，恢复启动P1。
（15）定时循环：
每天7：
00，启动P1，延时5分钟关闭。
（16）自动锁键盘：
开机默认键盘锁定，键盘锁指示灯亮（原防冻）：
按向上键5秒，键盘指示灯灭，键盘解锁，蜂鸣器响1声，30分钟后锁定。
（17）低水位保护：
当水位为0格时，E2，P2不启动。
（18）停电保持：
停电时，控制器内置电池可以维持系统时钟继续运行，可以连续运行1年以上，系统运行参数可以永久保存。
（19）故障报警：
将可能发生的故障显示在屏幕上，便于故障确认及维修。
（20）宽电压工作：
可以承受较宽的电压波动，耐高压、耐低压幅度较大。
（21）安全防护：
设有短路、过流、漏电、过温断电四种安全防护功能。
第2章：
太阳能热水器的组成及工作原理
2.1太阳能热水器组成及原理
2-1热水器装置简图
1-集热器2-下降水管3-储热水箱
4-恒温水箱5-上升水管6-自来水管7-热水出水管
热水器主要由集热器、循环管道和水箱等组成，图中为典型的热水器装置图。
图中集热器1按最佳倾角放置，下降水管2的一端与储热水箱3的下部相连，另一端与集热器1的下集管接通。
上升水管5与储热水箱3上部相连，另一端与集热器1的上集管相接。
恒温水箱4供给储热水箱3所需的冷水。
当集热器吸收太阳辐射后，集热器内温度上升，水温也随之升高。
水温升高后，水的比重减轻，便经上升水管进入储热水箱上部。
而储热水箱下部的冷水比重较大，就由水箱下流到集热器下方，在集热器内受热后又上升。
这样不断对流循环，水温逐渐提高，直到集热器吸收的热量与散失的热量相平衡时，水温不再升高。
这种热水利用循环加热的原理，因此又称循环热水器。
集热器是一种利用温室效应，将太阳能辐射转换为热能的装置，该装置与一般热水交换器不一样，热交换器通常只是液体到液体，或是液体到气体的热交换过程，而平板行集热器时直接将太阳辐射传给液体或气体，是一个复杂的传热过程。
平板型集热器结构形式很多，世界上已实用的集热器就有直管式、瓦楞式、扁管式、铝翼式等二十多种。
2.2主要芯片的结构与特点
2.2.1AT89C51单片机结构特点
AT89C51是MCS-51单片机的基础上精心设计，由美国ATMEL公司生产的高性能八位单片机。
内置2KBEPROM的20脚AT89C2051以及内置1KBEPROM的20脚AT89C1051。
AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，片内有4K字节的在线可重复编程快擦快写程度存储器，能重复写入擦除解1000次，数据保存时间为十年。
它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。
AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低了系统成本。
只要程序长度小于4KB，四个I/O口全部提供给用户。
可用5V电压编程，而且擦写时间仅需10ms，仅为87C51的擦除时间的百分之一，与87C51的12V电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。
工作电压范围宽2.7V～6V，全静态工作，工作频率宽，在0Hz～24MHz内，比8751及87C51等51系列的6MHz～12MHz更具有灵活性，系统能快能慢。
AT89C51芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。
另外，AT89C51还具有MCS51系列单片机的所有优点。
128×8位内部RAM，32位双向输入输出线，两个十六位定时/计时器，5个中断源，两级中断优先级，一个全双工异步串行口及时钟发生器等。
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2-2图，构成一个完整的微型计算机。
图2-2单片机结构框图
二、AT89C51结构和功能
（1）特点：
·AT89C51与MCS51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；
·片内有4K字节在线可重复编程快擦写程序存储器；
·全静态工作，工作范围：
0Hz～24MHz；
·三级程序存储器加密；
·128×8位内部RAM；
·32位双向输入输出线；
·两个十六位定时器/计数器；
·五个中断源，两级中断优先级；
·一个全双工的异步串行口；
·间歇和掉电工作方式。
（2）管脚功能：
AT89C51单片机为40引脚芯片，如图2-3所示。
图2-3AT89C51管脚图
1）I/O口线：
P0、P1、P2、P3共四个口P0口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作。
P0口也用以输出外部存储器的低8位地址。
由于是分时输出，故应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址锁存信号用ALE的P1口是专门供用户使用的I/O口，是准双向口。
P2口是从系统扩展时作高8位地址线用。
不扩展外部存储器时，P2口也可以作为用户I/O口线使用，P2口也是准双向口。
P3口是双功能口，该口的每一位均可独立地定义为第一I/O功能或第二I/O功能。
作为第一功能使用时操作同P1口。
P3口的第二功能如表2-1所示。
表2-1P3双功能口功能表
端口
第一功能标记
第二功能
P3.0
RXD
串行输入口
P3.1
TXD
串行输出口
P3.2
INT0
外部中断0输入
P3.3
INT1
外部中断1输入
P3.4
T0
定时/计时器0外部输入
P3.5
T1
定时/计时器0外部输入
P3.6
WD
外部数据存储器写选通
P3.7
RD
外部数据存储器读选通
2）控制口线：
PSEN（片外取控制）、ALE（地址锁存控制）、EA（片外储器选择）、RESET（复位控制）。
3）电源及时钟:
VCC、GND、XTAL1、XTAL2。
AT89C51有间歇和掉电两种工作模式。
间歇模式是由软件来设置的，当外围器件仍然处于工作状态时，CPU可根据工作情况适时地进入睡眠状态，内部RAM和所有特殊的寄存器值将保持不变。
这种状态可被任何一个中断所终止或通过硬件复位。
掉电模式是VCC电压低于电源下限，振荡器停振，CPU停止执行指令。
该芯片内RAM和特殊功能寄存器值保持不变，直到掉电模式被终止。
只有VCC电压恢复到正常工作范围而且在振荡器稳定振荡后，通过硬件复位掉电模式可被终止。
AT89C51单片机的中断系统有5个中断请求源，用户可以用软件屏蔽所有的中断请求，也可以用软件使CPU接收中断请求，每一中断源可用软件独立地控制为开中断或关中断。
当所有中断源设为开中断时，AT89C51中的中断源优先级如表2-2所示：
表2-2中断优先级及入口地址
中断源
优先级
人口地址
外部中断0
1
0003H
定时器/计数器T0
2
000BH
外部中断1
3
0013H
定时器/计数器T0
4
001BH
串行口中断
5
0023H
2.2.274HC595及74HC138介绍
74HC595介绍
一、概述与特点
74HC595是一个8位串并转换和串行传输的控制芯片。
具有8位移位、存储和三态输出。
数据在SRCLK的上升沿输入和串行输出，在RCLK的上升沿存储。
当使能端OE为低电平，存储寄存器的数据输出到8位总线。
74HC595是硅结构的CMOS器件，兼容低电压TTL电路，遵守JEDEC标准。
74HC595是具有8位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。
移位寄存器和存储器是分别的时钟。
如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。
移位寄存器有一个串行移位输入、一个串行输出和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能端OE为低电平时，存储寄存器的数据输出到总线。
8位串行输入/输出或者并行输出移位寄存器，具有高阻关断状态。
将串行输入的8位数字，转变为并行输出的8位数字，例如控制一个8位数码管，将不会有闪烁。
二、主要特性
高速移位时钟频率Fmax>25MHz；
标准串行（SPI）接口；CMOS串行输出，可用于多个设备的级联；
低功耗：
TA=25℃时，Icc=4μA（MAX）
三、管脚定义、说明
图2-474HC595管脚图
表2-375C595管脚说明
管脚编号
管脚名
说明
1、2、3、4、5、6、7、15
O0—O7
三态输出管脚
8
GND
电源地
9
Q'H
清零端
10
SRCLR
移位寄存器清零端
11
SRCLK
数据输入时钟线
12
RCLK
输出存储器锁存时钟线
13
OE
输出使能
14
SER
数据线
16
VCC
电源端
74HC138介绍
1、概述与特点
74HC138是一款高速CMOS器件，74HC138引脚兼容低功耗肖特基TTL（LSTTL）系列。
74HC138译码器可接受3位二进制加权地址输入（A0,A1和A2），并当使能时，提供8个互斥的低有效输出（Y0至Y7）。
74HC138特有3个使能输入端：
两个低有效（E1和E2）和一个高有效（E3）。
除非E1和E2置低且E3置高，否则74HC138将保持所有输出为高。
利用这种复合使能特性，仅需4片74HC138芯片和1个反相器，即可轻松实现并行扩展，组合成为一个1-32（5线到32线）译码器。
任选一个低有效使能输入端作为数据输入，而把其余的使能输入端作为选通端，则74HC138亦可充当一个8输出多路分配器，未使用的使能输入端必须保持绑定在各自合适的高有效或低有效状态。
74HC138与7
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