基于热电偶的太阳能热水器的设计.docx
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基于热电偶的太阳能热水器的设计
无锡机电高职
毕业论文
基于热电偶的太阳能热水器的设计
姓名：
颜冰
指导教师：
颜森道
专业名称：
所在系部：
二○一一年十月
毕业论文（设计）开题报告
学生姓名
颜冰
班级
指导教师
颜森道
学号
毕业论文（设计）题目
基于热电偶的太阳能热水器的设计
选题的意义：
目前太阳能热水器已在我国城乡开始推广使用，主要供应生活和洗浴热水，我国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和应用国。
太阳能热水器节能减排，实现能源替代，效果显著。
经过两年多的实践，人们认识到太阳能热利用是投资少、见效快、经济实用、节能减排，实现我国能源替代的一个好产业，国家也正大力扶持和支持，学校、宾馆、饭店、洗浴中心纷纷建设太阳能洗浴系统，太阳能热水器的市场存在扩大空间。
新农村建设与建筑节能也为太阳能热水器的应用推广带来机遇。
通过本论文课题的研究，预计达到:
开发出一种太阳能热水器智能控制系统，了解目前市面上太阳能热水器控制系统存在的问题。
具体安排进度：
指导教师评语
毕业论文（设计）成绩评定
指
导
教
师
意
见
答
辩
专
家
组
意
见
系
专
业
教
学
委
员
会
意
见
摘要
太阳能热水器很早就被人们所熟知了，广泛应用于人们的日常生活。
但是，目前太阳能热水器控制器还一直处于研究与开发阶段，市面在售的控制器绝大部分只具备温度和水位显示功能。
太阳能热水器控制系统的设计方案有很多种本设计以单片机为核心，以热电偶信号采样完成时间、温度、水位的显示。
基本显示目标为：
1.显示水温和水位，电加热水温可任意设定；
2.显示时间，可通过键盘设置时间参数；
3.设置温度参数后，自动控制电辅助设备加热；
关键词：
单片机，热电偶，太阳能热水器，自动控制
Abstract
Solarwaterheatershavelongbeenknown,andwidelyusedinpeople'sdailylives.However,therehasbeeninasolarwaterheatercontrolleralsoresearchanddevelopmentstage,mostofthemarketinthesaleofthecontrollershaveonlythetemperatureandwaterleveldisplay.Solarwaterheatercontrolsystemdesigntherearemanyofthedesignofamicrocontrollerasthecore,tocompletethethermocouplesignalsamplingtime,temperature,waterleveldisplay.Basicdisplayobjectivesare:
1.Showswatertemperatureandwaterlevel,electricheatingtemperaturecanbesetarbitrarily;
2.Showtime,timeparameterscanbesetviathekeyboard;
3.Setthetemperatureparameters,automaticcontrolequipment,electricauxiliaryheating;
Keywords:
microcontroller,thermocouples,solarwaterheater,automaticcontrol
目录
引言6
第一章设计目的与设计思路7
1.1设计目的7
1.2设计要求7
1.3设计思路8
1.4设计方案8
第二章太阳能控制系统的组成及工作原理9
2.1太阳能控制系统的组成9
2.2太阳能热水器的控制功能9
2.2.1早晨水温控制：
10
2.2.2循环水集热过程：
10
2.2.3冷水集热控制：
10
2.2.4水箱加热控制：
11
2.3太阳能控制装置的工作原理：
11
第三章硬件电路设计12
3.1检测电路设计12
3.1.1水温检测电路设计12
3.1.2水位检测电路设计13
3.2驱动电路设计14
3.3键盘电路和显示电路的设计14
3.3.1键盘电路的设计14
3.3.2显示电路的设计15
3.451系列单片机简介17
3.5数字温度传感器DS18B20主要特性及测温原理18
第四章系统软件设计19
第五章结束语23
第六章谢辞24
参考文献25
附录：
25
目录
引言
太阳能热水器的应用及前景太阳能热水器应用较好的国家有西班牙、以色列、意大利、希腊、德国、荷兰、澳大利亚、日本、美国等国家。
一些国家利用太阳能热水器除了提供家庭热水外，还用于采暖、空调及泳池加热等领域，其中美国的太阳能热利用主要用于泳池加热。
目前太阳能热水器已在我国城乡开始推广使用，主要供应生活和洗浴热水，我国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和应用国。
太阳能热水器节能减排，实现能源替代，效果显著。
经过两年多的实践，人们认识到太阳能热利用是投资少、见效快、经济实用、节能减排，实现我国能源替代的一个好产业，国家也正大力扶持和支持，学校、宾馆、饭店、洗浴中心纷纷建设太阳能洗浴系统，太阳能热水器的市场存在扩大空间。
新农村建设与建筑节能也为太阳能热水器的应用推广带来机遇。
但是市面上绝大多数的控制器结构简单，功能单一，智能化程度低下，用户界面不人性化，只具有水位显示功能，不具有温度显示功能。
并且当水位加到一定的程度的时候也没什么措施，只能通过手动的方法来控制水位的高度。
因此根据以上要求为核心，开发出一种太阳能热水器智能控制系统，了目前市面上太阳能热水器控制系统存在的问题。
第一章设计目的与设计思路
1.1设计目的
现代科技飞速发展,拥有渊博的知识是今后一展鸿图的基础.实践也同知识一样重要,如果不在学生的实践技能的锻炼上下功夫，单凭课堂理论课学习，势必出现理论与实践脱节，学习与应用脱节的局面。
本设计具有很强的实用性，用成本低廉的电阻式传感器以及电极配以单片机技术对生产实际中的太阳能的水位的控制以及水位的显示。
本装置电路简单、实用性强、性价比高、水位控制灵活，水位显示直观醒目。
可广泛应用于家庭生活对太阳能热水器的水位显示与水温控制。
具有良好的市场前景。
同时使学生得到较全面的锻炼和提高，为今后能够独立进行某些单片机应用系统的开发设计工作打下一定的基础。
1.2设计要求
1、能够根据水位和水温两个条件控制是否进水，每次只进整个水箱的四分之一水量，也可以在手动状态下自由进水（上满时自由停止）或停止进水。
2、控制系统具有手动和自动切换功能；
3、具有水温和水位显示功能；
4、具有进水超水位和水温报警指示；
5、用水时若水温达不到设置时，可手动起动加热装置，这样可在很大程度上节约电能；
6、用水时可自由调节水温；
7、控制系统具有管道排空功能，这样防止冬天时因水管内有积水而在夜间冻裂水管。
1.3设计思路
水位由潜入储水容器不同深度的水位电极和潜入容器底部的公共电极（导线）检测；并由四个绿色LED发光二极管显示；若无水则绿灯不亮；若有四分之一储水箱的水亮一盏绿灯；通过观察绿灯点亮的数量可识别水位的高低，这里取5段显示，也可根据需要进行增减。
水温由四个LED数码管显示，前三个数码管显示的为温度最后一个数码管我们只用到了四个四段码显示为温度的符合℃，水温有效值最多可显示为99.9℃。
1.4设计方案
本文介绍了用51单片机设计的一种多功能热水控制器,具有自动和手动加水、设置水温、实时显示水量及温度和报警功能，并且具有结构简单、可靠性高、成本低等特点。
当前市场上的热水控制器基本上采用双金属片温控，控温精度低、可靠性差、功能单一。
随着微电子技术的发展，单片微处理器功能日益增强，价格低廉，在各方面得到广泛应用。
在热水控制器中应用单片机，具有设计简单、可靠性高、功能易扩展等优点。
热水控制器主要实现对水温的控制，并满足不同用户的个性需求。
因此一个较完善的控制器应具有以下功能：
水温的测量与显示；水量的测量与显示；用户设定功能（如水温设定，定时设定等）；对电加热管的控制功能；一些功能键（如定时自动加水，恒温控制，手动加水，手动加热等）。
图1原理框图
第二章太阳能控制系统的组成及工作原理
2.1太阳能控制系统的组成
①系统组成：
本系统主要由控制器、自动控制阀、手动控制阀、水位检测电极、水温检测传感器、电阻加热丝、储水箱等组成。
②控制器：
主要通过里面的电磁阀控制YV1和YV2的通断，控制水温检测传感器检测水温、控制水位检测传感器检测水在水箱的位置以及控制电阻加热线加热。
③自动控制阀：
主要通过控制器控制，当水箱的水的实际温度大于所设置的温度时，自动阀就自动打开往上一个目标水位为止。
④手动控制阀：
当自动阀损坏时，可以通过手动阀进行上下水。
⑤水位检测电极：
主要用来检测水箱中水的位置，主要把水箱分成四等分，一共有五个电极，接地的电极放在水箱的最底下，其余分别放在四等分点上，比如当水箱的水在第一等分和第二等分之间，则显示水箱中有四分之一的水，当超过第二等分，则显示二分之一的水。
⑥水温检测传感器：
主要用来检测水箱中水的实际温度。
⑦电阻加热丝：
主要用来加热水箱中水，使其达到用户所需要的温度。
2.2太阳能热水器的控制功能
太阳能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。
图2系统组成原理图
2.2.1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，具有控制过程如下：
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。
当温度加热大于30摄氏度时电热器断开，比如反复循环保证了温度的稳定。
2.2.2循环水集热过程：
早晨水温控制之后（7-9），设定当日得水箱温度N（由两位BCD次齿轮开关设定），输人微机，再利用·微机控制系统，通过太阳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TI=N，那么循环水集热过程结束，进入冷水集热控制过程。
2.2.3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则将已加热的水送人热水箱，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F3并将保持一段时间，若T3>N，关闭F3继续给太阳能集热器加热，知道温度答应N，当打开F3时此时比较水管水温T2与N的值，若T2>N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能转化为热能，方便快捷。
2.2.4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，讲它和设定值N相比较，从而控制是否打开电加热，控制时段为下午，具体过程如下：
若T1表一温度比较
时间（时）
温度比较
加热值（度）
15
TI<3535
16
T1<4040
17
T1<4545
18
T1<5050
19
T1<5555
20
T1<6060
最终热水箱的温度加热到设定值N。
由此可见，即使没有日照我们照样可以洗上热水澡了。
综上所述，太阳能供热控制系统不及节约而且高度只能化，方便省事，不论日常家居，还是对宾馆、学校等都是最佳选择。
2.3太阳能控制装置的工作原理：
本控制系统分为手动和自动两种控制方式，在系统处于自动状态下，当检查温度高于设置温度，且水位未达到最高时，控制器打开电磁水阀YV1和YV2进行上水，同时点亮上水指示灯，当水位至上一目标时，自动停止进水（即关闭电磁水阀YV1和YV2）,若水箱内无水，则自动上水至最低水位处。
在系统处于手动状态下，可自由上水或停止进水（上水时水箱水位必须未满），若水位达到最高则自动停止进水；若需要启动加热器则必须先设定加热温度，然后按下加热键进行加热；若需洗浴时，则需打开手动阀YV4，系统自动打开电磁水阀YV2，可通过YV5自由调节水温；当电磁水阀YV1和YV2损坏或停电时，可通过打开YV5和YV6进行上下水解决燃眉之急；此系统设置YV3是为了防止冬天气温过低引起水管因内有积水而冻裂（即手动打开此阀放完水管中的积水）
第三章硬件电路设计
3.1检测电路设计
3.1.1水温检测电路设计
图3水温检测电路图
本设计温度传感器选用AD590。
AD590属于半导体集成电路温度传感器，测温度范围-55℃-+150℃，在其二端加上一定的工作电压，其输出电流与温度变化成线性，1uA/°K，误差有几种等级：
±1、±0.5、±0.3℃，本设计中选取±0.5℃品种。
OP07为高精度运算放大器，AD590电流流经R1、RP1转换为电压信号，R2、RP2为运算负反馈电阻，成反相比例放大器，将温度信号转换成0-5V的电压信号，ADC0832再将其转换为数字信号，输入CPU。
控制器的操作使用方式自然合理。
S1用来切换操作状态。
控制器有“直接控制”和“参数修改”两种工作状态。
按S1键显示“00”，控制器进入“直接控制”状态，显示“01”，“02”、“03”、“04”分别表示“设定水位上限”、“设定定时上水时间”、“设定定时加热时间”、“设定加热温度”。
进入“参数修改”状态后，S2、S3用来修改规定的参数，S1接受本次修改，并切换到下一个参数，S4取消本次修改。
进入“直接控制”后，S2用来手动上水，S3用来手动加热，S4用来停止加热或上水；若水位已经超过设定水位上限，或水温已经超过设定温度，“直接控制”将不起作用。
设定水位上限：
控制器可以检测6个水位，上限水位可以由用户设置，水位上限设置范围为位置3、4、5、6。
设定定时上水时间：
每天在规定时间检查水位，并上满。
若设定时间为00或大于等于24，则取消自动定时上水。
设定定时加热时间：
每天在规定时间检查水温，若水温低于设定温度，则接通电加热器，将水温加热到设定温度。
若设定时间为00或大于等于24，则取消自动定时加热。
设定加热温度：
定时加热温度也可以由用户设定，可设定范围为20℃～6℃。
3.1.2水位检测电路设计
图4水位检测电路
实验证明，纯净水几乎是不导电的，但自然界存在的以及人们日常使用的水都会含有一定的等离子，它们的存在使水导电。
本控制装置就是利用水的导电性来完成的。
我们把储水箱大致分为四个等份，水位由潜入太阳能热水器的储水箱不同深度的水位电极和潜入储水箱底部的公共电极（导线）进行检测；由单片机依次使各水位电极呈现高电平，由公共电极所接的三极管进行典韦转换，水位到达的电极，转换电位为低（0）；水位没有到达的电极，转换电位为高
（1）；每检测一位便得到一位数据，5个电极检测一遍以后便得到了5个串行数据，然后把这5个数据转换化为字节一路送发光二极管，在这里我们可以用发光二极管亮的盏数来显示水位的高低。
（若没有发光二极管亮则表示箱内没有水或者只有少量的水，若有一个发光二极管灯亮则表示箱内有四分之一箱的水，以此类推，若有四个发光二极管亮，则表示水箱水是满的。
）
当水位未达到a时，即h当ah当bh当ch当h=d传感器的总阻值为0对应，系统处于100%水位。
其中，环形振荡器产生的方波周期T（或f）可通过单片机P87LPC744BN的两个定时/计数器（T0、T1）来确定，T1用来计数，T0用来定时。
3.2驱动电路设计
在单片机控制系统中，需要用开关量去控制和驱动一些执行元件，如发光二极管、继电器、电磁阀、晶闸管等。
但AT89C51单片机驱动能力有限，而且高电平比低电平驱动低。
一般情况下，需要加驱动接口电路，且用低电平驱动。
如图所示：
图5驱动电路图
3.3键盘电路和显示电路的设计
3.3.1键盘电路的设计
P1.0-P1.7口作为按键的信号输入端，键按下，就执行该键的功能。
其电路如图所示。
（为了编程简单、方面，采用独立式键盘电路）
当按键按下后，电路与地接通时，I/U口与地面相连为低电平。
按键没有按下时，电路不与地面接通时，I/U口与电压高端相连为高电平。
本设计中采用了共阴极接法，对于显示水温水位的程序作如下说明：
1在动态扫描过程中，调用延时子程序Dell，其延时时间为1ms，这是为了使扫描到哪位显示器稳定的点亮一段时间，犹如扫描过程中每一位显示器上都有一段驻留时间，以保证其显示亮度。
2本设计接口电路是软件为主的接口电路，对显示数据以查表方法得到其字形代码，为此在程序中有字形代码Table，从0开始依次写入十六进制数的字形代码。
为了进行查表操作，使用查表指令MOVCA,@+DPTR,由DPTR提供16位基址，由A提供变址数据送A后，在由A送P0.1-P0.6输出给显示器。
图6键盘电路图
3.3.2显示电路的设计
本设计采用共阳型数码管，8个LED灯如图中接法，灯的负极依次接到数码管的a-f段，采用动态扫描电路，并把显示程序作为主程序。
数码管的段用P0口控制，P2.0口、P2.3口作为数码管的位控制，P2.4作为指示灯的控制。
系统输入信号有：
6个液位信号、一个温度信号、4个触摸键；输出信号有：
4位LED数码管分时显示当前温度和液位，3个喂输出控制继电器分别控制上水位磁阀、加热泵、增压泵，1个位输出控制蜂鸣器作为水位报警信号和其他异常情况报警，2个位输出指示上水、加热状态。
用户设定项目有水位上限、热水温度、上水定时、加热定时。
设定参数用EEPROM保存，停电后参数无需重新设定。
系统具有故障自检功能，电磁阀、加压泵在停水时会自动切断，水位传感器有故障时禁止上水，以免上水时溢出。
温度传感器采用负温度型通用热敏电阻，整个控制器的硬件及对资源的要求降到最低。
通过软件进行数值计算和逻辑运算，以实现要求的控制功能。
图7时钟显示图
本系统中，有四个功能按键：
定时加水、恒温控制、手动加水和手动加热；三个七段码显示与四个LED灯指示。
（1）按下定时加水按钮时，定时LED变亮，并以当前时间为定时时标，每24小时自动加水至设定水量；若长按此钮超过5秒，定时LED灭，并听到“嘟”一声进行水量设定，此后每按一下钮，水量显示加一档，1~4档循环显示，不按此钮超过5秒，再次听到“嘟”一声，水量设定完毕。
系统的定时功能主要通过软件完成。
（2）按下恒温控制钮，恒温LED变亮，表示进行恒温控制，再按一下LED灭，取消恒温控制。
与水量设定类似，长按后，进行温度设定。
（3）按下手动加热钮时，加热LED变亮，加热至65℃，如水量少于1档，则先加水到1档，再按一次取消加热。
（4）按下手动加水钮时，加水至设定水量值，长按可设定水量。
手动加水过程中，再次按下取消加水。
正常情况下，两个七段码显示当前水温，另一个显示当前水位。
显示电路如图所示，温度采用二位七段码显示，显示范围0℃~99℃。
水量采用一位七段显示，显示1、2、3、4，四档水位。
对温度和水量进行循环扫描显示。
四个LED用于当前按键功能设定。
设置按键两个，一个十位按键，一个个位按键。
图8LED显示电路图
3.451系列单片机简介
单片机种类繁多，而且还在不断推出新的更高性能的单片机品种。
从使用情况来看，MCS-51型系列单片机的应用最为广泛。
MCS-51型单片机系列共有十几种芯片。
可分为51和52两个子系统，并以芯片型号的最末位数字作为标志。
其中8X51片内集成有8位CPU，4KBROM（8031片内无ROM，128BRAM,两个16位定时/计数器，一个全双工串行通信接口（UART），拥有乘除运算指令和位处理指令。
采用CHMOS工艺的基本型8XC51，由种功耗控制方式，能有效降低功耗。
增强型8X52，于8X51不同的是片内ROM增加到8KB，RAM增加到256B，定时/计数器增加到3个，串行接口的通信速率快了6倍。
）MCS-51系列单片机片内的程序存储器由多种配置形式，没有ROM、EPROM和FPEROM。
不同配置形式分别对应不同的芯片，使用时可根据需要进行选择。
MCS-51型系列单片机芯片主要特性
子系列
片内ROM形式
片内存储容量
片外寻址能力
I/O特性
中断源
无
ROM
EPROM
ROM
RAM
EPROM
RAM
计数器
并行口
串行口
551
803
8051
8751
4KB
128B
64KB
64KB
2×16位
4×8位
1
5
80C31
80C51
87C51
4KB
128B
64KB
64KB
2×16位
4×8位
1
5
552
8032
8052
8752
8KB
256B
64KB
64KB
3×16位
4×8位
1
5
80C32
80C52
87C52
8KB
256B
64KB
64KB
3×16位
4×8位
1
5
3.5数字温度传感器DS18B20主要特性及测温原理
一线式数字温度传感器DS18B20是DS1820的更新换代产品（由美国DAIIAS公司生产）。
它具有体积小，分辨率高，转换快等优点。
由于每片DS18B20含有唯一的硅串行数，所以在一条总线上可以挂接多达248≈218×1014只DS18B20，再加上DS18B20独特的单线总线结构，决定了DS18B20特别适合于大型的多路温度实时测控系统的温度检测。
温度实时测控集装箱的设计，在实现测控系统的温度检测方面就较好地利用DS18B20的独到特点，使系统得到了极大的简化。
DS18B20的特性
独特的单线接口方式。
DS18B20支持组网功能，实现多点测温。
DS18B20的测温范围为：
-55℃～+125℃在-10℃～+85℃时，其精密为+01℃.
DS18B20的测温结果的数字量位数从9～12位，可编程进行选择。
DS18B20测温原理
DS18B20内部结构框图，如图所示：
图9DS18B20内部结构框图
DS18
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