太阳能热水器的智能控制器毕业设计论文.docx
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太阳能热水器的智能控制器毕业设计论文
1绪论
1.1太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析
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。
这种控制器只具有温度和液位显示功能，而且为分段显示，温度显示误差为10%，水位显示误差为25%。
这种显示器（还称不上控制器）不具有温度控制功能，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产生过烧，从而浪费大量的电能。
本文设计的太阳能热水器控制器以80C51单片机为检测控制核心，采用DS12887实时时钟，不仅实现了时间、温度和水位三种参数实时显示和FUZZY控制功能，而且具有时间设定、温度设定与控制功能。
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。
他主要由平板集热器、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。
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。
太阳能热水器顺呼时代发展的要求，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用量很大。
新建商住楼安装热水器，已是房屋开发公司计划之内的事，配套热水器的商品房销势更好[5]。
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。
1.2太阳能热水器的应用及意义
当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。
太阳能作为一种可再生的新能源，越来越引起人们的关注。
中国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔。
太阳能（SolarEnergy），一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。
自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。
但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。
太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。
太阳能发电一种新兴的可再生能源。
广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等。
利用太阳能的优缺点
优点：
（1）没有地域的限制无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且无须开采和运输。
（2）开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。
（3）每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。
（4）根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。
缺点：
（1）分散性：
到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。
在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。
（2）不稳定性：
由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。
（3）效率低和成本高：
目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。
但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。
2系统组成及工作原理
本系统功能由硬件和软件两大部份协调完成，硬件部分主要完成信号的采集、转换及各种信息的显示等；软件主要完成功能计算和控制功能等。
2.1系统设计要求
本课题以51单片机为检测控制核心，采用实时时钟，不仅实现了时间﹑温度﹑
水位三种参数实时显示，而且具有时间设定，温度设定与控制功能。
系统要求：
1.采用传感器对信号进行采集，温度误差≤0.1℃
水位显示误差≤5%
2.有数据和状态显示功能。
2.2系统总体结构设计
排气管
不锈钢保温水箱
图2.1系统结构图
图2.1为系统设计的结构图，该图的系统控制原理图如下图2.2：
C3
C2
F3
热集
水热太阳光
F1
箱器
C1
D
自来水
F2
图2.2系统控制原理图
注释：
C1：
热水箱的温度传感器
C2：
循环水管中的温度传感器
C3：
集热器中的温度传感器
F1：
循环水阀门
F2：
冷水阀门
F3：
热水阀门
此款热水器利用微机控制主要有以下几种控制功能：
晨水加热控制、温水循环控制、冷水集热控制、水箱加热控制。
1.早晨水温控制
由于清晨太阳光较弱，所以太阳能热水器从系统发挥作用。
为了提供温度不低于30摄氏度的水，热水器在清晨4-7点之间对水箱进行电加热，具体控制过程如下：
首先，关闭冷水阀门F2和循环水阀门F1，然后微机开始进行水箱的温
度采集，同时进行温度的比较，当水箱的温度小于30摄氏度时，电热器D接通进行加热，同时微机继续对热水箱的温度进行采集。
当温度加热到大于30摄氏度时电热器断开，如此反复循环保证了温度的稳定。
2.循环水集热过程
早晨水温控制之后（7～9点），设定当日的水箱温度N（由两位BCD次齿轮开关设定），输入微机，再利用微机控制系统，通过太阳光能对热水箱加热以达到理想温度N。
具体控制过程如下：
打开循环阀门F1，关闭冷水进水阀门F2，热水阀门F3处于空控状态。
然后开始比较温度，若（T3-T1>5摄氏度，T2>T1）为止。
如若T1=N，那么循环水集热过程结束，进入冷水集热控制过程。
3.冷水集热控制
此时热水箱温度已达到了N，冷水要进入太阳能集热器，这时温度为T3，和当日的设定温度值相比较，若T3>N则将已加热的水送入热水箱，每天的控制时段大概为9点～20点。
具体控制过程如下：
关闭循环水阀门F2，打开冷水阀门F2，热水阀门F3处于可控状态。
若T3>N，打开热水阀门F3并将保持一段时间，若T3N阀门F3继续保持打开状态，否则关闭F3。
可见，次过程充分利用太阳光能转化为热能，方便快捷。
4.水箱加热控制
此时，也许你会问如果没有日照或者日照较弱时，到了晚上我们是否还能洗上热水澡吗？
答案是肯定的，不要忘了这款热水器还有一个从系统，这时它就要发挥作用了。
热水箱温度为T1，将它和设定值N相比较，从而控制是否打开电加热，控制时段为下午。
2.3太阳能热水器组成及原理
56
4
7
2
1
3
图2.3热水器装置简图
注释：
1-集热器；2-下降水管；3-循环水管；4-补给水箱；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的一端与循环水箱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与循环水箱3上部相连，另一端与集热器1的上集管相接。
补给水箱4供给循环水箱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，便经上升水管进入循环水箱上部。
而循环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。
2.4系统的组成框图
本次太阳能热水器系统是一种新型的智能温控系统系统，该系统的设计以AT89C51为核心，将传感器检测技术、智能控制相结合，整个系统可分为单片机最小系统模块、DS18B20检测温度模块，报警模块、检测水位模块、控制水位模块和7279键盘显示模块。
1.具体原理框图如图2.2
图2.4硬件原理框图
3硬件设计
根据控制要求，采用80C51单片机的智能控制器结构框图如图所示。
由于本系统运算量不是很大，没有太多的中间数据需要处理、保存，因此不再外扩数据存储器。
仅使用STC80C51内部RAM已完全能够满足要求。
系统的硬件接口电路包括：
控制器实时时钟接口电路，蓄水箱温度和水位检测接口电路、设定键和串行显示接口电路、看门狗和复位接口电路以及继电器输出接口电路等。
3.1最小系统板设计
根据本次毕业设计的技术要求和总体设计方案,设计中用了最小系统板。
最小系统板的主要芯片为STC89C52单片机和HD7279A，STC89C52单片机是主要程序控制芯片，HD7279A是显示电路的主要芯片。
STC89C52单片机是E2PROM型单片机，可寻址64KB字节的程序存储器和64KB字节的外部数据存储器。
以单片机为核心，配以一定的外围电路和软件，实现某些功能，就组成了单片机应用系统。
STC89C5单片机是一个低功耗、高性能、带FLASH存储器的8位微处理器。
由于STC89C52带有FLASH闪烁存储器，可以进行多次的程序写入和修改，方便、实用。
本系统用一片STC89C52单片机代替了8031单片机和2764程序存储器两块芯片，达到了简化电路的效果。
图3.1单片机最小系统
3.1.1复位电路
图3.1.1复位电路图
3.1.2时钟振荡电路
时钟电路是为系统产生所需要的时钟信号，是计算机的心脏，控制着计算机的工作节奏。
其电路图如下图3.5所示，片内电路与片外器件构成一个时钟发生电路，CPU的所有操作均在时钟脉冲同步下进行，片内振荡器的震荡频率f0非常接近晶振频率，一般多在1.2MHz～12MHz之间选取，这次毕设用的时钟频率是12MHz。
STC89C52内部都有一个反相放大器，XTAL1、XTAL2分别是反相放大器输入和输出端，外接定时反馈元件就组成震荡器产生时钟送至单片机内部的各个部件。
图3.2中C1、C2是反馈电容，其值在5pF～30pF之间选择，典型值是30Pf。
作用有两个：
其一是使振荡器起振，其二是对振荡器的频率f起微调（C1、C2大，f变小）。
图3.1.2时钟振荡电路
3.2按键及显示电路
图3.27279按键显示电路
最小系统板采用HD7279A芯片来控制数据的数码管的显示。
数码管的作用是显示检测的温度和水位，共用8个数码管来显示温度和水位，前三位显示温度值，后三位显示水位值，超过所设定的最大温度值或水位值时将触发报警电路。
本模块由按键和显示器两部分组成，是人机对话的窗口，主要作用是输入操作命令和观察系统的工作状态。
由于系统自动化程度高，所以本系统的人机对话并不是很多，大部分功能都是系统按照软件设置进行。
共有16个按键，一个是确定按键、一个温度阈值的上翻键和下翻键，一个是时间的校时键，一个是页面的切换键，其余十个是0-9数字按键。
具体电路图如图3.2所示。
3.3温度采集模块电路设计
3.3.1温度采集方案设计比较
在设计温度采集电路时，主要是通过一个温度传感器，将采集到的温度信号经过一系列的处理之后，最终送入单片机内进行处理，从而达到显示的目的。
方案一：
利用PT-100温度传感器通过电桥电路把温度转换成模拟电压，经由放大电路，模数转换电路，最终将数字量送入单片机内进行处理。
方案二：
采用集成数字化温度传感器DS18B20，将数字温度信号直接送入单片机内进行处理。
分析：
考虑到PT-100价格比较昂贵，硬件设计较为复杂，并且很容易受到外界的干扰，适合反应较慢的测温场合，而集成数字化温度传感器DS18B20具有很多优点：
它能直接将温度转化为数字量，测量精度较高，集成度高，外围电路少，所以最终选择DS18B20。
3.3.2DS18B20的介绍及其主要特性
数字化温度传感器DS18B20，是美国DALLAS半导体公司生产的可组网数字温度传感器芯片，在其内部使用了在板（ON-BOARD）专利技术。
全部传感元件及转换电路集成在形如一支三极管的集成电路内，支持“一线总线”的数字方式传输，具有较强的抗干扰性，适合于恶劣环境的现场温度测量。
1）适应电压范围更宽，电压范围：
3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。
2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯
3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温
4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一支三极管的集成电路内
5）温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃
6）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
7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度值转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。
8）测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力
9）负压特性：
电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
3.3.3DS18B20的引脚定义及内部结构
图3.3.3DS18B20的引脚图
DS18B20引脚定义：
●DQ为数字信号输入/输出端
●GND为电源地端
●VDD为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）
DS18B20内部结构：
主要由64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器四部分组成。
3.3.4DS18B20的工作原理
DS18B20测温原理如图所示。
图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。
高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。
计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值。
计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。
图中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。
图3.3.4DS18B20测温原理图
3.3.5DS18B20与单片机的接口电路设计
图3.3.5DS18B20与单片机接口电路图
如图采用外接电源供电方式，在外接电源供电方式下，DS18B20从单线信号线上吸取能量,在信号线DQ处于高电平期间把能量储存在内部电容里，在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能来继续工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。
独特的寄生电源方式有三个好处，分别是在进行远距离测温时，无需本地电源；可以在没有常规电源的条件下读取ROM；电路更加简洁，仅用一根I/O口实现测温。
要想使DS18B20进行精确的温度转换，I/O线必须保证在温度转换期间获得足够的能量。
该电路只适应于单一温度传感器测温情况下，不适宜于电池供电系统中工作，并且工作电源VCC必须保证在5V，当电源电压下降时，寄生电源能够汲取的能量也降低，会使温度误差变大。
单片机的P1.4口接DQ,当DS18B20处于写存储器操作和温度A/D转换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10us。
由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三态的。
主机控制DS18B20完成温度转换必须经过3个步骤：
初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。
本次单片机系统所用的晶振频率为11.0592 MHz，根据DS18B20的初始化时序、写时序和读时序，分别编写3个子程序：
初始化子程序、写（命令或数据）子程序、读数据子程序，所有的数据读写均由最低位开始。
注意事项：
DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用P口线较少等优点，但在实际应用中也应注意以下几个方面的问题：
●较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。
在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。
●在DS1820的有关资料中均未提及单总线上所挂DS1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS1820，在实际应用中并非如此。
当单总线上所挂DS1820超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。
●在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820接触不好或断线，当程序读该DS1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。
这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。
测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。
温度传感器DS18B20汇编程序，采用器件默认的12位转化,最大转化时间750毫秒；可以将检测到的温度直接显示到STC89C52开发实验板的两个数码管上；显示温度00到99度，很准确无需校正。
●连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。
试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。
当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。
这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。
因此，在用DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。
3.5报警电路模块
方案一：
9011的基极为高电平且两个三极管均导通，驱动扬声器工作，即报警。
否则输出低电平，不报警。
报警电路如图所示：
图3.5.1报警电路图
方案二：
该方案中采用简单的放大电路，信号通过7407驱动器后即送给蜂鸣器，且报警声音响亮，适合于报警，所以也实现了设计要求。
报警电路如图所示。
图3.5.2报警电路二
两种方案都各有优势，此次设计采用方案一。
3.6继电器控制加热电路
图3.6继电器加热电路
加热控制电路由单片机P1口的P1.4控制。
通过单片机送给加热执行机构进行加热，电路驱动电磁锁吸合与打开，从而达到加热的目的。
光耦可以隔离输入量与输出量，在本设计中起到隔离单片机与电磁继电器的作用。
当单片机发出开锁信号时，P1.4口为低电平，此时光耦内部的的发光二极管导通，接收三极管吸收光而导通，因此使继电器处于常开端即加热。
当输入密码错误时，输入端为高电平，电磁继电器的中心抽头由“常开”接到“常闭”，此时不加热。
加热电路如图3.6所示：
3.7水位检测接口电路
蓄水箱水位和温度检测部分是实现温度智能控制的重要环节，只有准
确地检测出水位和温度，才能通过软件计算提前开始辅助加热的预加热时间。
要实现辅助加热提前时间的精确计算，最好是采用连续液位传感器，但考虑系统成本，本设计仍采用分段式液位传感器（通过软件来提高精度），在水位显示上也仍采用分段显示。
水位检测部分的硬件连接如图所示。
图3.7水位检测电路图
检测原理如下：
当水箱中无水时，8个非门均由1M欧姆电阻上拉成高电平，所以图中各“非”门（CD4069）输出均为低电平，LED1～LED8均不亮。
当水位高于“非”门1的输入探针时，由于水的导电作用，使“非”门1的输入变为低电平，所以其输出变为高电平，LED点亮，依此类推。
随着水位的上升，各“非”门输出相继为高电平，LED依次点亮。
这里要注意的是上拉电阻不能选择太小，因为水的电阻在100k8左右，所以上拉电阻选择太小的话，将在水位升高时，无法把“非”门输入端拉成低电平。
实验表明，上拉电阻选择在500k～1M欧姆左右能很好地满足电路的工作要求。
为了使80C51随时能够读出当前的水位情况，这里选用74LS244作为状态输入缓冲器。
蓄水箱温度检测电路采用DS18B20芯片使其换成脉冲信号，送到80C51的I/O口（编程为计数器工作模式），通过测量输出脉冲频率的大小
来换算成水温高低信号。
3.8水位控制电路
该水位控制电路是控制水阀的打开与闭合来实现放水和停止放水，本次设计采用一个发光二极管的亮与灭来模拟水阀的开与合。
具体原理图如下：
图3.8水位控制电路图
4系统软件设计
4.1软件设计分析
软件是系统的指挥中心，由它来配合控制完成各种预定功能。
为了充分发挥STC89C52优越的性能价格比，在设计上尽量做到硬件“软化”，进一步体现软件编程的灵活性，使系统硬件设计得到简化。
系统软件采用MCS-51单片机汇编语言编写，采用了模块化结构设计。
为增强系统的实时性，对那些偶然事件采用中断方式处理，主程序主要用于系统的控制和管理。
软件设计时，首先是做好准备工作，即读出每个按键的键值，并检查数码管是否可以正确显示所有数字。
电路设计时是按模块设计的，软件设计也一样，采用中断子程序方式，首先编写大概的主程序，然后理出所需设计的子程序并逐个分析和设计子程序，编写出子程序后应给予编译检查错误，若有错误再更正直到通过编译即没有语法错误，等每个子程序编写完以后，再修改主程序完成整体的程序编写，最后在将程序进行调试。
4.2软件程序设计要求
热水器不论在什么样的天气里，都能够在设定的时间向用户提供设定温度的热水，从而给用户带来便利。
当控制器在设定的时间使水温达到设定温度时，将通过声光报警提醒用户。
根据这一要求，控制器软件设计采用模块化结构，包括主程序、键盘子程序、T0中断子程序、LED显示子程、温度检测子程序等。
系统主程序主要完成温度和水位的检测和一些初始化功能。
4.2.1HD7279串行接口
HD7279采用串行方式与微处理器通信，串行数据从DATA引脚送入芯片，并由CLK端同步。
当片选信号变为低电平后，DATA引脚上的数据在CLK的上升沿被写入HD7279的缓冲寄存器中。
HD7279的指令结构有三种类型：
1、不带数据的纯指令，指令的宽度为8个bit，即微处理器需发送8个CLK脉冲
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