太阳能热水器水温水位测控仪的设计大学毕业设计.docx
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太阳能热水器水温水位测控仪的设计大学毕业设计
密级：
NANCHANGUNIVERSITY
学士学位论文
THESISOFBACHELOR
（2011—2015年）
题目太阳能热水器水温水位测控仪的设计
学院：
信息工程学院系电气与自动化工程系
专业班级：
测控技术与仪器
学生姓名：
学号：
指导教师：
职称：
起讫日期：
2015年3月至2015年6月
南昌大学学士学位论文原创性申明
本人郑重申明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果。
对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。
本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
南昌大学学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
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保密□，在年解密后适用本授权书。
本学位论文属于
不保密□。
（请在以上相应方框内打“√”）
作者签名：
日期：
导师签名：
日期：
太阳能热水器水温水位测控仪的设计
专业：
测控技术与仪器学号：
5801211040
学生姓名：
白金成指导教师：
谢建宏
摘要
随着人类社会的不断发展，环境污染、能源危机已经日渐明显，因此清洁能源、可再生能源已经成为人们关注的焦点。
太阳能作为一种清洁的可再生能源受到人们的青睐，近年来太阳能在各领域也得到了广泛的应用，太阳能热水器就是太阳能利用的一个典型例子。
随着人们生活水平的提高，近些年太阳能热水器已经走进了千家万户成为人们生活中必不可少的家用设备。
本设计是以STC89C52单片机为核心部件，采用单片机最小系统加外围设备构成的一个整体系统。
单片机最小系统接受温度传感器DS18B20、水位传感器和一体化红外接收器送来的信号，并把其中的模拟信号通过ADC0809转换器转换成数字信号后经过单片机处理并通过输出端口将输出信号送到电磁继电器、液晶显示器、蜂鸣器，以控制这些执行部件，电磁继电器用以控制自动上水和加热的开关闭合，蜂鸣器用以缺水报警等，液晶显示器用以显示当前的工作情况，时钟芯片DS1302提供精准时间，红外遥控可以进行时间调节、自动上水和辅助加热等功能。
软件部分采用C语言对整个系统进行模块化编程，并通过Proteus对系统进行仿真、调试。
经仿真、调试后，系统各部分运行正常，能达到预期效果。
关键字：
STC89C52；ADC0809；红外遥控；DS18B20；模块化编程
Abstract
Withthecontinuousdevelopmentofhumansociety,environmentalpollution,energycrisishasbecomeincreasinglyobvious,socleanenergy,renewableenergyhasbecomethefocusofattention.Solarenergyasacleanrenewableenergyfavoredbypeople,inrecentyears,thesolarenergyinvariousfieldshasbeenwidelyused,atypicalexampleistheuseofsolarenergysolarwaterheater.Withtheimprovementoflivingstandards,inrecentyears,thesolarwaterheaterhasenteredthousandsofhouseholdsandbecomeanindispensablehouseholdequipmentinpeople'slives.
ThisdesignisbasedonthemicrocomputerofSTC89C52asthecorecomponent,usinganintegratedsystemwithmicrocomputersystemcomposedofperipheralequipment..Thesmallestsingle-chipsystemreceivessignalsofDS18B20temperaturesensor,waterlevelsensorandintegratedinfraredreceiversent,andputtheanalogsignalsintodigitalsignalsbyADC0832converterthroughthesingle-chipprocessingandthroughtheoutputporttotheoutputsignaltotheelectromagneticrelay,liquidcrystaldisplay,buzzer,tocontroltheexecutivecomponentofelectromagneticrelaytocontrolautomaticswitchwatersupplyandheatingclosedtowater,buzzeralarm,liquidcrystaldisplayisusedtodisplaythecurrentsituationofthework,theclockchipDS1302providesprecisetime.Infraredremotecontrolcanadjusttime,automaticwatersupplyandauxiliaryheatingfunction.
ThesoftwareadoptsClanguagemodularprogrammingofthewholesystem,andthroughProteussimulation,thesystemdebugging.Aftersimulationanddebugging,thesystemrunsnormally,andcanachievetheexpectedresults.
Keywords:
STC89C52;ADC0809;Infraredremotecontrol;DS18B20;Modularprogramming
第一章绪论
1.1选题背景及意义
随着人类社会的高速发展，能源危机、环境污染日渐明显，已经成了全球性的危机，清洁能源、可再生能源已经成了人们关注的焦点。
太阳能是一种可再生的清洁能源，其能源丰富，即可免费使用，又不需要运输，而且对环境无污染。
在倡导节能减排的二十一世纪，开发和利用太阳能这样的绿色能源有着重要的意义。
因此太阳能热水器的使用对促进可再生能源的开发利用、改善能源结构、促进节能减排、实现经济社会的的可持续发展起到积极的作用[1]。
随着我国经济的高速发展，人们的生活水平有了很大的提高，太阳能热水器也成了家家户户必备的家用设备。
人们已经开始对太阳能热水器的功能产生更高的要求，人们更渴望它的便捷性、智能化。
基于此关于太阳能热水器的智能化控制的研究具有十分重要的意义。
1.2国内外研究现状
太阳能热利用，以其易于实现而在世界各地得到迅速发展，应用规模越来越大[2]。
近年来太阳能热利用的发展较为迅速，利用太阳能发热产生能量已经推翻了传统的加热方式，并且随着太阳能热水器不断的研究，已经出现了多种加热技术。
从过去的选择性涂层为集成加热到现在的利用真空管集热器，太阳能热水器的发展不断的进行改革创新，太阳能热水器行业已经保持了十年的快速发展[3]。
我国太阳能热水控制器经历了燃气热水器、电热水器和今天的太阳能热水器三个阶段，太阳能控制器经历了很长时间历史的转变才达到了今天的技术。
中国的太阳能热水器市场发展很快，2005年，我国太阳热水器年生产量已经突破1500万，居世界第一[2]。
我国的家用太阳能热水器的研发始于20世纪70年代后期，到20世纪90年，它不单可以为家庭和各事业单位等供给洗澡、洗衣等所需的热水同时还可用于空调、海水淡化等[4]。
随着科学技术的进步，太阳能热水器也在不断的进行改进，通过收集和储存热作为一个整体，逐步变为独立的传热和蓄热，并且采用先进的太阳能集热器，先进的保温材料和冬季防冻技术及其他辅助设备等[5]。
如今我国生产的先进的太阳能热水器基本已经实现了全年运行，极大的提高了太阳能热水器的热效率。
现在我国的太阳能热水器生产和研究能力在世界上已经具有领先水平。
太阳能产业将成为21世纪的新兴产业。
国际上也对太阳能热水器技术非常重视。
各国纷纷制定太阳能热水器技术产业的发展规划，大大加快了该行业的发展[6]。
美国的“百万太阳能屋顶计划”实施将带动大批相关工业的发展。
欧盟提出到2010年安装1亿m2太阳能热水器的规划，欧洲太阳能学会预算2020年欧洲太阳能热水器应用高达14亿m2[2]。
英国政府推行“绿色住宅”方案，以色列的民用建筑太阳能利用率是最高的，达到了90%以上，人均太阳能使用面积位于世界之首[3]。
韩国，东南亚国家都制定了相关的优惠政策，支持太阳能热水器的发展，积极吸收外商投资来支持国内太阳能企业。
目前太阳能热水器产品处于生命周期的成长期，市场需求量大和用户群体不断增加[7]，又符合世界上所倡导的环保理念，加之各国又出台了相关的法律政策[8]，将会大幅度的提高太阳能技术，这样看来，太阳能热水器将会有更为广阔的发展空间。
1.3课题的设计内容及目标
本课题是设计并制作一个太阳能热水器水位、水温的测控系统，该系统以STC89C52单片机作为控制器的核心部件，采用C语言编程控制软件，对太阳能热水器的水位、温度进行监测和控制。
1.系统具有水位测定与控制功能，水位显示为5档水位显示，分别为0水位、25%水位、50%水位、75%水位、100%水位。
当水位低于25%水位时能够自动报警，同时能够自动上水至预置水位或最高水位；
2.系统具有水温测定与控制功能，水温显示：
0－99℃，分辨率1℃，可以实现45－80℃水温自动控制；
3.具有防干烧保护、实时时钟显示等功能；
4.具有非接触式红外短距离遥控功能。
利用红外遥控可实现时间设定、手动上水、辅助加热等功能；
1.4本章小结
本章主要阐述了太阳能热水器研究的背景及意义，介绍了太阳能研究的国内外现状和本课题的设计内容和目标。
第二章系统设计的相关技术
2.1水位检测技术
水位检测的方法有很多种，具体如表2.1所示
表2.1水位检测传感器种类
电子类液位传感器
雷达液位传感器
超声波液位传感器
液压类液位传感器
电阻式水位传感器
雷达探测器
超声波探测器
压力传感器
方便且便宜
价格较贵
价格贵
有点贵
雷达、超声波、压力传感器与电阻传感器相比价格比较昂贵，而且由于太阳能热水器水箱不是较大没有必要采用雷达、超声波、压力这类传感器，压力传感器在测量水位较低时容易引起误差，所以选择电阻式传感器性价比更高，因此本设计选用电阻式水位传感器。
电阻式水位传感器[9]结构简单、使用方便。
将电阻串联起来并把串联节点处的引线引出置于水箱的水位检测处，在水箱底部放一根探针，当水位没过一个位置时，由于水的导电性就会将水箱底部的探针与水位节点处导通，从而引起总的电阻阻值的变化，传感器总的电阻阻值的变化与没入水的高度有关系，会引起电压的不同，我们可以根据电压的变化来推测水的位置，从而得到水位信息。
考虑到电阻探针长时间放置在水里会有大量的水垢，为了防止这种情况，我们用石墨将探针包起来就起到防护的作用，因为石墨在水里导电且不生锈。
利用电阻式水位传感器能够很大程度的节约成本、降低了复杂性、易于更换维护。
2.2温度检测技术
根据测温原理的不同，测温技术如表2.2所示
表2.2温度检测技术种类
热电式
膨胀式
热阻式
数字式
热偶式和PN结式如AD590
水银、玻璃温度计、双金属温度计
金属和半导体热阻式如热敏电阻
如DS18B20
由于DS18B20温度传感器为数字式传感器，它输出的是数字信号，故可与单片机直接相连进行信号传输，而其他温度传感器大多都是输出模拟信号，要经过转换之后才能与单片机进行通讯，而且后续电路复杂、易受到干扰。
DS18B20抗干扰性好、功能可靠。
因此本系统采用DS18B20温度传感器。
DS18B20是美国达拉斯半导体公司最新推出的一种智能温度传感器，它可将温度信号直接转换成数字信号，实现了与单片机的直接接口，从而省去了信号调理和A/D转换复杂模/数转换电路。
DS18B20连接电路简单、测温效率高，与传统测温方法相比具有集成度高、抗干扰性好、测温温差小等优点，可广泛用于测控系统的温度测量。
采用DS18B20可为整体电路设计带来很大方便，又能满足系统温度测量的要求。
2.3红外遥控技术
红外遥控技术就是以红外线为载体进行传输的一种方式，无需实体连接，简单实用方便快捷。
红外遥控波长较短，穿透能力较差，故不同房间的电器可用通用的遥控器而不发生干扰，且红外遥控不影响周边环境、不会对其他电子设备造成干扰。
其电路简单，按照设定的电路连接无误，一般不用调试即可工作，编解码容易，可进行多路遥控。
红外遥控技术所需要传输数据量较小，非常适合家庭室内使用。
目前红外遥控技术已经普遍应用于家电和其它电子领域。
表2.3红外遥控组成
红
外
遥
控
红外发射设备
矩阵键盘、红外发射二极管等器件
红外接收设备
红外接收二极管
遥控处理系统
基于单片机的编程系统
目前大多数红外遥控器都是利用红外线产生一定频率的载波，再用信息对载波进行调制，接收端再去掉载波，取到信息[10]。
红外遥控为了增强抗干扰性和降低电源消耗，红外线一般用二进制码作为载波进行传输。
通常的红外遥控器是将遥控信号（二进制脉冲码）调制在38KHz的载波上，经缓冲放大后送至红外发光二极管，转化为红外信号发射出去的[19]。
要想具体了解红外遥控技术还需进一步了解红外遥控具体的编码方式和具体的载波方式。
2.4自动上水和辅助加热技术
由于本设计要实现水温、水位的自动控制，所以在系统中就要引进自动上水、辅助加热技术来实现温度、水位的自动控制。
自动上水技术和辅助加热技术类似，都是主要由单片机根据水位或温度情况自动输出一个高低电平，通过驱动芯片来控制电磁继电器的导通，从而控制上水电磁阀的开关来实现自动上水功能或是加热。
本技术的关键在于单片机如何自动控制电磁继电器的开关，由于单片机输出的电压不足以驱动继电器工作，所以采用了驱动芯片来驱动电磁继电器工作，至如何实现自动控制则具体由软件来控制实现。
2.5本章小结
本章主要介绍了系统设计采用的相关技术，包括水位测量技术、温度测量技术、红外遥控技术和自动上水、辅助加热技术。
第三章系统硬件设计
3.1系统总体方案
本系统硬件设计选用STC89C52作为控制芯片，其硬件部分如图3.1所示，主要包括以下几个部分：
水位模拟电路、温度传感器信息采集电路、AD转换电路、报警电路、时钟显示电路、驱动执行电路及红外遥控接收电路。
水位模拟电路模拟水位变化信息，温度传感器采集温度信息，AD转换电路负责将水位模拟电路采集的水位信息模拟信号转化为数字信号传给单片机进行处理，时钟芯片提供精准时间，显示电路负责将水位、温度和时间等信息通过液晶显示出来，蜂鸣器报警水电路用以缺水报警，单片机将处理后的信息送往执行部分以驱动执行部件实现自动上水和辅助加热，红外遥控可以进行时间调节、自动上水、辅助加热等。
图3.1系统总框图
3.2采集电路
3.2.1水位采集电路
图3.2中标有各种颜色水位点的地方为导电触电，将电阻串深入到水里，并计算水箱的深度，分别标好25%、50%、75%水位的位置，并将导电触电放到对应的位置上，利用水的导电性就会将不同触电导通，改变接入电路总的电阻值。
当水位低于黄色水位时显示为0，当水位高于黄色水位低于蓝色水位时，将显示25%，当水位高于蓝色水位低于绿色水位时，将显示50%，当水位高于绿色水位低于白色水位时，将显示75%水位，当水位高于白色水位时显示100%。
图3.2水位采集电路图
IN0触电接入到ADC0809的一个输入端，当水箱内的水到达不同的高度时就会改变电阻值，从而改变水位传感器输出的电压值。
根据输出电压值的变化就可以检测到不同的水位变化。
表3.1为各水位的电压值。
表3.1分段式水位的电压值
0水位
25%水位
50%水位
75%水位
100%水位
4.00V
3.75V
3.33V
2.50V
0V
3.2.2温度采集电路
温度采集选用的是DS18B20温度传感器，其数据通讯口与单片机P2.3口相连，电路图如图3.2所示
图3.3温度采集电路图
DS18B20温度传感器的精度为用户可编程的9、10、11或12位，分别以0.5oC、0.25oC、0.125oC和0.0625oC增量递增。
在上电状态下默认的精度为12位，本设计采用的精度也为12位，以便于可以完全满足系统温度精度要求。
DS18B20启动后保持低功耗状态，当DS18B20接到单片机发出的温度转化指令后，开始执行温度测量和AD转换，转换完成后的温度数据以两个字节的形式被存储到高速暂存器的温度寄存器中，DS18B20继续保持等待状态，当DS18B20接到读数据指令时，单片机可以通过单线接口P2.3读出数据，读数据时低位在先，高位在后，数据格式以0.0625oC/LSB形式表示。
温度格式如表3.2所示。
表3.2温度数据格式
LSByte
23
22
21
20
2-1
2-2
2-3
2-4
MSByte
S
S
S
S
S
26
25
24
温度数据关系如表3.3所示。
表3.3温度/数据关系
温度oC
数据输出（二进制）
数据输出（十六进制）
+125
0000011111010000
07D0h
+85
0000010101010000
0550h
+25.0625
0000000110010001
0191h
+10.125
0000000010100010
00A2h
+0.5
0000000000001000
0008h
0
0000000000000000
0000h
-0.5
1111111111111000
FFF8h
-10.125
1111111101011110
FF5Eh
-25.0625
1111111001101111
FF6Eh
-55
1111110010010000
FC90h
3.2.3AD转换电路
本系统采用经济实用的ADC0809[11]来完成模数转换。
ADC0809是8位逐次逼近式A/D转换器，可以直接单片机相连。
ADC0809芯片内部结构如图3.4所示
图3.4ADC0809内部逻辑结构图
由图3.4可知，ADC0809片内有一个8路模拟开关，可对八路模拟电压通过A/D转换器进行分时转换；一个地址锁存与译码器，用来选择8路模拟量中的一路进行转换；一个三态输出锁存器，用于锁存A/D转换完的数字量。
引脚结构如图3.5所示
图3.5ADC0809引脚结构
由图3.5知芯片共有8路模拟量输入通道为IN0-IN7，当地址锁存允许输入线ALE为高电平时，通过A，B和C三条地址输入线来选通一路进行转换，由于本系统只需要一路转换通道，所以将A、B、C直接接地，始终选通IN0通道。
对于模拟量的输入，ADC0809对其有一定的要求，一般信号电压为0－5V，当信号电压太小时必须进行放大之后才能进行转换，输入的模拟量若是变化太快，应该在输入之前增加样采保持电路，以保证输入的模拟量在转换过程中能够保持不变。
通道选择表如表3.5。
表3.5通道选择
C
B
A
选择的通道
0
0
0
IN0
0
0
1
IN1
0
1
0
IN2
0
1
1
IN3
1
0
0
IN4
1
0
1
IN5
1
1
0
IN6
1
1
1
IN7
ADC0809与单片机引脚连接电路如图3.6所示。
图3.6ADC0809接线图
由图3.6知，本系统通过单片机的P3.0引脚来控制启动转换引脚ST，ST在A/D转换期间应保持低电平。
P3.1引脚与转换结束信号EOC连接，用以检测转换结束是否结束，当EOC为高电平时表示转换结束，否则，则表示正在进行A/D转换。
P3.4引脚与输出允许信号OE相连，当OE为高电平时，输出转换得到的数据；当OE为低电平时，输出数据线呈高阻状态。
D0－D7为数字量输出线，与单片机P1.0-P1.7相连。
P3.3引脚与时钟输入信号线相连，ADC0809本身内部没有时钟电路，所以本系统通过单片机定时器来提供时钟信号，频率为500KHZ。
3.3主控电路
3.3.1STC89C52芯片简介
STC89C52是一个低功耗、高性能COMS的8位单片机。
片内含有40个引脚（如图3.7所示），4KB程序存储器FlashROM，256字节的数据存储器（RAM），4个8位并行I/O端口，两个16位的定时器/计数器，5个中断源，2个中断优先级，一个全双工串行通信口和片内时钟振荡器。
图3.7STC89C52引脚图
3.3.2接口电路
复位电路
本设计采用按键电平复位方式，结构如图3.8所示。
图3.8复位电路
时钟产生电路
STC89C52芯片内部有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。
反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2，两端跨接石英晶体及两个电容就可以构成稳定的自激振荡器[12]，电路如图3.9所示。
图3.9晶振电路
电源指示电路
本设计的电源指示电路由开关、LED灯、和电阻组成。
具体电路图如图3.10所示。
图3.10电源指示电路
3.4液晶显示电路
液晶是一种高分子材料，由于其材料的特殊性，20世纪开始应用于波形显示器上，液晶显示屏的原理主要是通过电流促发液晶分子产生点、线、面，并配合灯管使用[3]。
1602液晶也叫1602字符型液晶，是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
1602可以显示的内容为16*2，即可以显示两行，每行16个字符。
1602液晶显示器的驱动电压为5伏，内置128个ASCII字符集字库，只有并行，无串行。
1602端口分配，具体连接电路如图3.11所示。
图3.11液晶显示屏接线电路
1602液晶显示器共有16个引脚，每个引脚都有其特定的功能。
具体各引脚功能如表3.6所示。
表3.6液晶端口分配
1
2
3
4
5
6
7-14
15-16
GND
VCC
调节对比度
数据/命令
升级会员 