单片机毕业设计开题报告.docx
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单片机毕业设计开题报告
沈阳工业大学
本科生毕业设计（论文）开题报告
毕业设计（论文）题目：
基于MSP430的太阳能
热水器控制系统的设计
院系：
专业班级：
学生姓名：
指导教师：
开题时间：
2014年3月20日
1.课题的目的和意义
随着经济的发展，城市化进程的加快和人民生活水平的提高,我国各地的城
市建筑面积急剧增加,建筑面积的增加也导致供热与制冷所需能源的快速增长,目前我国的建筑能耗己占整体能耗的20%。
未来,我国的建筑能耗占整体能耗的比例将超过30%,因此建筑节能将是整个社会的节能重点。
为了解决这些问题,从20世纪70年代开始,科学家就开始研究可再生能源的利用,太阳能以其可再生、安全等优点,成为可再生能源开发中的重要组成部分。
如果说20世纪是石油世纪的话,那么,21世纪则是太阳能的世纪。
太阳能热水器是目前在太阳能利用领域中技术发展最成熟、经济上也具有竞争力的绿色能源技术。
这不仅由于太阳能热水器构造比较简单,价格相对来说不太高,同时还因为太阳能热水器一年四季均可发挥效益,设备利用率较高。
目前我国太阳能光热产业每年以30%的速度递增,不仅可供给家庭生活、企业生产所需的热水,同时也可供应房屋采暖，化工工艺干燥、蒸馏及热动力系统使用,为国家能源环保事业和改善人民群众生活做出了巨大的贡献。
推广利用太阳能技术,改善城市健康卫生和能源环境状况,服务社会主义现代化建设,己经成为当务之急。
鉴于国内太阳能热水器市场不断扩大,太阳能采暖的低廉、洁净、安全、环保效益好的背景,设计了这套太阳能热水器采暖控制系统。
2.国内、外现状及发展趋势
2.1国内外发展现状
图1太阳能热水器
太阳能热水器（系统）是太阳的光热利用装置,它是目前在太阳能利用领域中技术发展较成熟、经济上也具有竞争力的绿色能源技术。
当前在全世界范围内,各种太阳能热水器装置的生产已经成为一个新兴的产业,并在生活生产领域得到了普遍的推广应用。
其发展过程从总体上来讲大约可分为三个阶段,创造了三种产品。
第一种太阳能热水器产品是美国马里兰州的肯普于1891年发明的,当时他称其为“顶峰”热水器,也就是现在我们称为闷晒式的太阳能热水器。
在之后的半个多世纪里,人们创造了各式各样的闷晒式太阳能热水器,如开放式、塑料薄膜袋式、圆筒式、滴水式等。
20世纪70年代末期,随着世界性能源危机日趋严重,迫使人们对太阳能的利用更加重视起来,许多国家投人了不少物力和人力,用于大力研究和开发太阳能热利用技术,尤其是太阳能热水器。
第二种太阳能热水器—平板型集热器。
其后随着集热器设计不断向前发展,结构上从最早的翼管式,到扁盒式;材料上从最早的镀锌管板式、全铜管板、全铝翼管板到铜铝复合式等;表面吸收涂层从最早的无光黑漆,发展到了各种选择性吸收涂层,如阳极氧化、镀黑镍、镀黑铬等;透明盖板从普通平板玻璃发展到钢化玻璃。
第三种是全玻璃真空管太阳集热器,是由美国欧文斯·伊得诺依公司发明并于1975年率先推向市场的。
我国清华大学于1979年初,开始研制全玻璃真空管太阳集热器。
目前,我国的全玻璃真空管和热管式真空管太阳集热器主要技术己处于国际领先水平。
从全球的产品类型看,太阳能热水器包括无盖板太阳能热水器、平板型太阳能热水器、真空管太阳能热水器。
这3种产品在总保有量中的比例分别是23%、35%和42%.各种产品的地域性分布非常明显。
真空管太阳能热水器主要分布在我国（占全球总量的97%）,主要用于提供生活洗浴用热水;无盖板太阳能热水器主要分布在美国和澳大利亚（占全球总量的90%），主要用于游泳池的加热;平板型太阳能热水器的分布较广,广泛地分布在欧洲、亚洲、美洲和大洋洲。
2.2国内外发展趋势
图2平板型太阳能集热器
目前国外太阳能集热器的主要发展趋势是平板型太阳能集热器，国内集热器虽然仍以真空管集热器为主,但随着太阳能在建筑工程中的不断应用和平板集热器技术的进步以及节能减排指标的要求,真空管的弊端逐渐显露出来,而平板太阳能凭借其成熟的技术、较高效率、承压性强、便于实施太阳能建筑一体化等优点,在太阳能工程应用比例上逐渐增加。
2011年平板式太阳能热水器在城市工程市场呈增长趋势,全国同比增长50%以上。
3.课题的主要工作
本课题主要研究的是基于MSP430F449单片机的太阳能热水器采暖控制系统，包括硬件设计和软件设计。
通过编制C语言程序实现太阳能热水器采暖控制系统的正常运行，系统实现的功能包括温差跟踪循环控制、光热电热智能互补、管道防冻、采暖控制、定时加热。
利用触摸屏实现人机交换数据，实现参数设置、手动控制和显示功能。
通过系统的调试仿真实现对系统动态过程的模拟，提高系统的可靠性。
3.1控制系统的硬件设计
图1太阳能热水器采暖控制系统硬件
温度、水位采集模块是将温度、水位信号采集放大，送到控制器MSP430F449单片机中，经A/D转换和处理，之后送采暖、洗浴控制模块，通过继电器来控制集热器循环泵B1、采暖泵B2、加热器以及伴热带的启停，同时也将采集处理后
的温度水位信息和执行器的状态信息送给中文液晶显示模块显示。
另一方面，触摸屏采集到触摸信息，可以改变参数设置，还可以通过执行器来进行手动操作。
3.2控制系统硬件介绍
3.2.1MSP430单片机
本设计要求系统达到体积小、功耗低等优点,所以系统采用MSP430F449单片机作为系统CPU。
MSP430F449单片机是美国德州仪器公司（TI）推出的一种16位超低
功耗FLASH型精简指令集（RISC）单片机,适合各种功率要求相对较低的场合。
（1）超低功耗
MSP430F449单片机的电源电压采用1.8～3.6V低电压,RAM数据保持方式下耗电仅0.luA,活动模式耗电250uA/MIPS（MIPS:
每秒百万条指令）,I/O输入端口的漏电流最大值仅50nA。
用户可以根据CPU和外围模块对时钟的需求,通过软件控制MSP430F449时钟系统,合理的利用系统资源,实现整个应用系统的超低功耗。
该系列单片机提供了5种低功耗工作模式和1种活动模式,这些工作模式只依靠对状态寄存器SR的低功耗控制位和时钟的控制来实现。
（2）强大的处理能力
16位MSP430F449单片机采用精简指令集（RISC）结构,一个时钟周期可以执行一条指令（传统的MCS51单片机要12个时钟周期才可执行一条指令）,在8MHZ晶振下工作时,指令速度可达8MIPS。
MSP430F449单片机采用了16位多功能硬件乘法器加强了单片机的功能并提供了软硬件相兼容的范围,提高了数据处理能力和运算能
力,可以有效地实现一些数字信号处理的算法（如FFT、DTMF等）。
（3）丰富的片内外围模块
MSP430F449单片机片内集成了丰富的功能模块:
看门狗定时器（WDT）可以在程
序失效时迅速复位；模拟比较器A为精确的比较测量而设计,结合定时器可实现精确的A/D转换功能；16位定时器Timer＿A和Timer＿B具有捕获和比较功能；多功能串口USART可实现异步、同步串行通信；6个8位I/O口线Pl～P6,其中Pl、P2口具有中断功能；8路外部通道和4路内部通都的12位A/D转换模块,最大转换速率可达200KsPs；LCD驱动模块可直接驱动液晶多达160段。
（4）系统工作稳定
上点复位后,默认时钟是DCO数字振荡器,由其启动CPU保证程序从正确位置执行并且保证晶体振荡器有足够时间起振及稳定时间,再由软件设置相应寄存器的控制位来确定最后的系统时钟。
如果晶振在用做CPU时钟时MCLK发生故障,DCO会自动启动。
另外,MSP43O单片机运行环境温度-40～+85℃,运行稳定,可靠性高,所设计的产品适合各种民用和工业环境。
（5）方便高效的开发环境
MSP43OF449是Flash型器件,片内有JTAG调试接口和电可擦写的Flash存储器,可以先下载程序到Flash内,再在器件内通过软件控制程序的运行、读取片内信息供设计师调试,整个开发（编译、调试）都可以在同一个软件集成环境中进行。
这种方式不需要仿真器和编程器,调试十分方便。
3.2.2LCD液晶显示器
图3-3ZJM12864BSBD液晶显示器
本设计中采用的是点阵液晶显示器ZJM12864BSBD。
带中文字库的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,利用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。
ZJM12864BSBD可以显示8×4行16×16点阵的汉字也可完成图形显示,低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。
3.2.3键盘电路
图3-4键盘电路
本设计采用四个独立键盘，名称分别是PAG、INC、DEC、CON，起到翻页、设置加、设置减、确认的作用。
3.2.4时钟芯片
图3-5DS1302时钟芯片
本设计中时钟部分选用DS1302芯片,DS1302是DALLAS公司推出涓流充电时钟芯片,内含一个实时时钟/日历和31字节静态RAM,可以通过串行接口与单片机进行
通信。
实时时钟旧历电路提供秒、分、时、日、日期、月、年的信息,对于小于31天的月,月末的日期可自动进行调整,还包括闰年的校正功能。
时钟操作可通过AMPM标志位决定采用24或12小时时间格式。
Ds1302与单片机之间简单地采用同步串行的方式进行通信,仅需用到3根口线:
RST（复位）、I/O数据线、SCLK（串行时钟）。
数据可以以每次1字节或多达31字节的多字节形式传至时钟RAM,同时还传出
给上位机。
3.2.5温度检测
图3-6DS18B20芯片
本设计采用5个DS18B20数字温度传感器，分别检测集热器温度T1、回水温度T2、水箱温度T3、室温T4、伴热带温度T5。
DSl8B20是美国DALLAS公司推出的一线制数字温度传感器,其器件内部集成了温敏元件、数据转换芯片、存储器芯片和计算机接口芯片等多功能模块,该器件可将温度信号直接转换成16位串行数字信号,并通过串行输出方式与单片机通讯。
测温范围一40℃～+l20℃,可编程的分辨率
为9～12位,对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃,可实现高精度测温。
适应电压范围：
3.0～5.5V,工作电压既可以远端引入,也可以采用寄生电源的方式提供。
本设计采用DS18B20是3引脚小体积封装形式。
3.2.6水位检测
图3-12水位检测电路
首先将水箱分为五档水位:
20%、40%、60%、80%、100%,采用电极点的方式来
测量水位。
当某个电极浸没在水中,则该电极点相当于接地。
测量时,电极上通有电源电压,当水位下降到只接触20%档的电极点时,电极间就有电流流过从而产生液面信号,控制板接收到液面信号后,进行处理后,继电器闭合控制电磁阀上水;当液位上升接触到80%档的电极时,电极间有电流流过,控制板接收到液面信号,经控制板处理,继电器又恢复成释放状态。
因此通过液体与电极接触与不接触,继电器吸合与断开,就能正确测量出液位高低位置,实现液位的自动控制。
五档水
位开关分别接单片机接口P2.2、P2.1、P2.0、P1.7和P1.6。
3.2.7执行机构
图3-13执行机构电路
温差跟踪循环方式是本系统所具有的重要特征之一,该方式既实现了太阳能加热的目的,又充分利用了太阳能并且降低了系统无用消耗。
在控制电路中使用NPN管驱动5V继电器，用一对常开常闭触点控制继电器工作和LED亮灭。
其中,继电器J1控制电加热器,继电器J2控制上水阀,继电器J3控制采暖循环泵,继电器J4控制伴热带,继电器J5控制集热器循环泵,指示灯和继电器依次对应,标志着各个执行器的状态。
单片机采集温度水位信号之后,进行内部处理,通过P5.0～P5.4来控制继电器J1～J5和LED。
3.3控制系统的软件设计
图2太阳能热水器采暖控制系统程序流程图
3.4控制系统实现的功能
（l）温差跟踪循环控制与光热电热智能互补功能
当集热器温度T1达到其上限温度50℃,才允许启动温差跟踪循环;否则,不允许启动温差跟踪循环。
此时,集热器温度T1与回水温度T2满足T1－T2＞8℃,同时水箱出水温度T3小于上限温度75℃时,启动集热循环泵进行温差循环;而当集热器温度T1与回水温度T2满足T1－T2＜4℃,或者水箱出水温度T3小于下限温度45℃时,则关闭集热循环泵,通过太阳能对循环水继续进行加热。
如此往复循环,利用太阳能加热循环水,将热量贮存的到保温水箱中。
而在连续阴雨天的情况下,集热器温度Tl达不到设定的集热器上限温度50℃,就不能启动温差循环。
这时,如果水箱出水温度T3低于设定的加热下限温度40℃时,就会启动电加热器给水箱加热;直到水箱出水温度T3达到设定的加热上限温度50℃,就会通过继电器断开电加热器,保证了光热和电热的智能互补,实现了采暖和洗浴的正常进行。
（2）管道防冻功能
在寒冷的冬季,室外温度达到零下几度,而太阳能热水器的集热器和管道一般放置在室外,就存在着管道冻坏问题。
因此,我们在管道上安装温度传感器,当管道温度T5低于设定的下限温度4O℃,就启动伴热带加热;当管道温度T5达到设定好的上限温度8℃,伴热带就不必加热了,起到了保护管道防冻的作用。
（3）采暖控制功能
在采暖系统中,中央控制系统控制采暖循环泵。
二次侧安装采暖循环泵,在室内安装温度传感器。
当室内温度T4低于16℃,启动采暖循环泵,将保温水箱内的热水通过供暖管道输送到室内散热器,利用散热器将热量散发出来实现对房屋的供暖;当室内温度T4高于18℃时,停止循环,始终保持室温在16℃～18℃范围内。
（4）定时加热功能
为了满足用户正常用水的需求,我们特意设置了定时加热功能。
用户可以根据自己的需要，自行安排控制系统的加热时间。
这样设计一方面可以节省电能，另一方面用户可以避开用电高峰期，提高用电效率。
（5）参数设置、手动控制与显示功能
单片机将采集到的水温、水位信息传送给人机界面的中文液晶显示模块上显示,用户可以直观的看到采集的水温、水位信息;同时,用键盘可以修改参数的设定值,将新的值存储到存储器中,还可以控制继电器执行手动功能。
4.完成课题所需的条件
（1）MSP430F449单片机技术资料。
（2）Protel99SE绘图软件。
（3）IAREmbeddedWorkbench及C－SPY。
5.课题的进度安排（或课题的实施计划）
周次
课题安排
1
熟悉设计任务，查阅相关资料，进行总体方案设计，英文资料翻译
2
查阅相关资料，进行开题报告的撰写
3
熟悉MSP430F449的工作原理，了解输入输出及接线方式
4
查阅相关的资料，选定各模块所用芯片，对其进行深入了解。
5
依靠对各模块芯片的进一步认识，完成MSP430F449控制器与芯片的接线，并且上交外文翻译
6
利用Protel99SE完成系统硬件原理图的绘制，并上交开题报告
7
利用IAREmbeddedWorkbench完成主程序的程序设计
8
利用IAREmbeddedWorkbench完成LCD液晶和时钟驱动程序的子程序设计
9
利用IAREmbeddedWorkbench完成温差跟踪循环和光热电热智能互补功能的子程序设计
10
利用IAREmbeddedWorkbench完成管道防冻和采暖控制的子程序设计
11
利用IAREmbeddedWorkbench完成定时加热、参数设置、手动控制和显示功能的子程序设计
12
利用MSP430F449实验装置完成各芯片的组装
13
通过JTAG下载接口把实验装置连接到PC机上
14
通过IAREmbeddedWorkbench下载程序到MSP430F449单片机中
15
现场联机调试
16
撰写毕业设计论文
17
整体审查论文,上交材料，准备答辩
18
答辩
参考文献
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北京航空航天大学出版社，2010.7
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指导教师评阅意见
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