太阳能热水器控制器的软硬件设计毕业论文.doc
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编号
本科生毕业设计（论文）
题目：
太阳能热水器控制器
的软硬件设计
物联网工程学院电子信息工程专业
学号0703090325
学生姓名于昆才
指导教师于凤芹教授
二〇一三年六月
设计总说明
在全世界能源都高度紧张的今天，传统的燃气和电热水器使用成本越来越高，太阳能热水器凭借着太阳能取之不尽的优点越来越受到人们的欢迎．但与太阳能热水器发展日趋成熟的现状不同，与之配套的热水器控制器还存在着很多问题．有些热水器控制器无法自动控制水温和水位，经常出现干烧、过烧或水温不适等情况．针对这个现状，设计一种单片机控制的太阳能热水器控制器．该控制器可以让热水器功能更加的完善，也使得热水器使用更加安全，因此这是一个具有实用价值的课题．
本课题以单片机控制为基础，提出了一种通过传感器实时检测温度和水位，再由单片机控制继电器驱动相应控制模块来实现温度和水位智能控制的系统方案，核心是设计出一个太阳能热水器控制器．该控制器在太阳能热水器原有的温度和水位显示功能基础上，新增了温度控制、水位控制、防干烧和过烧警报等功能．控制器的设计又分硬件部分和软件部分．硬件部分由STC89C52单片机主控模块、DS18B20温度传感器测温模块、干簧管水位传感器测水位模块、继电器驱动的温控和水位控制模块、键盘输入和液晶显示模块等部分组成．软件部分由单片机主控，通过程序分析传感器检测的当前温度和水位，再通过与预设值的比较来发出信号驱动相应的控制模块，实现对温度和水位的自动控制．此外本设计的程序也采用模块化结构，将整个程序设计分成若干功能模块．先将每个模块的功能实现，然后再组合到一起，使其逻辑关系更清晰易读，而且增强了程序的可移植性．
关键词：
热水器控制器；单片机；软件设计；硬件设计
Abstract
DESIGNSUMMARY
Todaytheworld'senergyarehighlystrained,Traditionalgasandelectricwaterheatersuseincreasinglyhighercosts.Withtheadvantagesofinexhaustiblesolarenergy,thesolarwaterheatersaremoreandmorepopular.However,differentfromtherapiddevelopmentofsolarwaterheaters,theresearchofwaterheatercontrollerhasbeenininfancy.Manywaterheatercontrollercannotautomaticallycontrolthetemperatureorwaterlevel,causethedry-burning,over-burningormakingthetemperatureofthewateruncomfortable.Forthissituation,designamicroprocessorcontrolledsolarwaterheatercontroller.Thecontrollernotonlymaketheheater’sfunctionmoreperfect,butalsomakeitmoresave.So,itisavaluableissue.
Theobjectisbasedonmicrocontroller,proposedasystemsolutionwhichmakethesensordetectthetemperatureandwaterlevelatreal-time,andMCUcontroltherelaystomakeitdrivethecorrespondingmodule．Thecoreistodesignasolarwaterheatercontroller.Itnotonlyhasthefunctionoftemperatureandwaterleveldisplay,butalsohastemperaturecontrol,waterlevelcontrolandalarmingthedry-burningorover-burning.Thedesignofthecontrollerisdividedintohardwarecomponentsandsoftwarecomponents.ThehardwarepartisconsistofSTC89C52MCUcontrolmodule,DS18B20temperaturesensortemperaturemeasurementmodule,waterlevelmeasuremodule,temperatureandwaterlevelcontrolmodule,keyboardinputandLCDdisplaymodule.ThesoftwarepartisdispatchedbyMCU.Throughprogramanalyzesthecurrenttemperatureandwaterleveldetectedbysensor,toachievetheautomaticcontroloftemperatureandwaterlevel.Inaddition,theprogramisalsodesignedwithmodularstructure,thewholeprogramdesignisdividedintoseveralfunctionalmodules.Realizingthefunctionofeachmodulefirst,andthengroupthemtogether.Makingitwiththeclearandunderstandablestructure,butalsoenhancingtheportabilityofprograms.
Keywords:
waterheatercontroller;MCU;softwaredesign；hardwaredesign
目录
目录
第1章绪论 1
1.1课题背景 1
1.2太阳能热水器控制器国内外现状 1
1.3本论文研究内容 2
第2章需求分析及总体设计 5
2.1需求分析 5
2.2总体设计方案 5
2.3芯片选择方案论证 6
2.3.1单片机芯片的选择方案和论证 6
2.3.2温度传感器的选择方案和论证 6
2.3.3水位传感器的选择方案和论证 6
2.4太阳能热水器的组成及工作原理简介 7
第3章硬件电路设计 9
3.1总述 9
3.2温度传感器模块设计 10
3.2.1DS18B20简介 10
3.2.2DS18B20工作原理 10
3.3水位传感器模块设计 11
3.4LCD显示模块设计 12
3.4.11602液晶显示器工作原理 12
3.4.2显示模块电路连接 14
3.5温度控制模块设计 15
3.5.1继电器驱动电路 15
3.5.2继电器驱动温控模块 15
3.6水位控制模块设计 16
3.6.1电磁阀简介 16
3.6.2水位控制模块 16
3.7电源模块设计 17
3.8按键模块设计 17
3.9报警模块设计 17
3.10单片机辅助电路 18
3.10.1时钟电路 18
3.10.2复位电路 18
第4章系统软件设计 19
4.1主程序流程图 19
4.2温度测控部分流程图 21
4.3水位测控部分流程图 22
4.4液晶显示部分流程图 24
4.5按键部分流程图 25
第5章结论与展望 27
5.1设计小结 27
5.2不足之处及未来展望 27
参考文献 28
致谢 29
附录A：
作者在校期间发表的论文 30
附录B：
作者在校期间项目成果物 31
附录C：
部分模块汇编程序 33
附录D：
硬件总原理图 37
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太阳能热水器控制器的软硬件设计
第1章绪论
1.1课题背景
我们所处的时代堪称“能源时代”．人们从来没有像今天这样重视能源，世界上的大多数国家都在极力的在寻求新的廉价的可再生能源，以求得可持续发展和在日后的竞争中获取优势地位．太阳能则以其巨大、长久、广泛、无害等显著优势得到的广泛的关注．
在众多的太阳能产品中，太阳能热水器无疑是技术最成熟的也是与人们日常生活最密切相关的．太阳能热水器将太阳能转化为热能，利用太阳的光和热使水温升高，以满足人们日常需求．它不但有效利用了太阳能，节约了能源，而且相比传统的用煤炭或者电力对水进行加热的方式，更具有环保无污染的优点．所以太阳能热水器一经产生便受到广大人民的青睐．
前几年的热水器市场上，太阳能、电、燃气三种加热方式的热水器三分天下．但是随着世界能源危机的日益加重，有着可再生优势的太阳能加热方式逐渐打破了这一平衡，取代了传统的电能和燃气加热方式的热水器．2008年，太阳能热水器市场占有率首次超过了电热水器和燃气热水器之和，到2009年，其占有率达到56.7%．如表1-1所示为2001-2009年三种热水器市场占有率[1]．
表1-12001-2009年三种热水器市场占有率
年份
电热水器（%）
燃气热水器（%）
太阳能热水器（%）
2001
30
54.8
15.2
2003
44.23
37.57
22.2
2005
45.2
26.57
28.23
2007
42.3
19.2
38.5
2008
49.2
50.8
2009
43.3
56.7
1.2太阳能热水器控制器国内外现状
我国太阳能热水器产业发展迅速，目前已经成为世界上最大的太阳能热水器生产国，但与热水器配套的控制器却一直处于研究和开发阶段[2]．近几年来，市场上陆续出现了一些太阳能热水器控制器产品，但是大多数存在着诸如性能不稳定，容易产生误操作，温度、水位可以检测但是无法自动控制，数码管显示器经常出现乱码等问题，严重影响了用户使用．更有甚者，有些控制器质量较差，会经常发生故障，如加热温度过高时无法自动停止加热或者水箱内已经没水了但是还在加热，形成了过烧和干烧的情况，安全性无法保证．基于上述原因，太阳能热水器控制器这个有着广阔发展前景的产品，由于产品开发投入的较少，一直没有得到广泛的推广，从而也影响了太阳能热水器使用的用户体验．因此，在太阳能热水器控制器方面，应该引起足够的重视，要加大人力和财力的投入，开发出一款高质量高性能的控制器．
国外的太阳能热水器起步很
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