太阳能热水器温度控制系统的设计.docx
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太阳能热水器温度控制系统的设计
课程设计任务书
学生姓名：
黎德刚专业班级：
自动化0801
指导教师：
张锐工作单位：
自动化学院
题目:
太阳能热水器温度控制系统的设计
初始条件：
设计一个太阳能热水器温度控制系统，实现水温的自动检测及低于某一温度时自动启动辅助加热装置。
同时用户可以自定义加热温度。
要求完成的主要任务:
（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求）
1.构建计算机控制系统的硬件、软件框架，并详细说明理由及思路；
2.显示水温，电加热水温可任意设定；
3.设置温度参数后，自动启动电辅助设备加热；
4.说明书撰写格式应符合《课程设计说明书统一书写格式》。
时间安排：
1.系统框架、控制方案设计，2天；
2.硬件系统设计，3天；
3.软件系统设计，3天；
4.编写设计报告，3天。
指导教师签名：
年月日
系主任（或责任教师）签名：
年月日
摘要
在太阳能热利用技术中，太阳能热水器是技术上比较成熟、造价比较低廉的产品，同时给人们提供不耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。
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,不具备温度水位的自动控制功能。
虽然有的控制器配有电加热辅助装置,但都不是全智能型的,给用户使用带来许多不便。
单片机控制系统是对其水温与水位的不同进行检测和控制。
本文设计了一个基于集成温度传感器AD590的温度测试仪设计（LCD），它的主要功能是利用集成温度传感器AD590作为传感元件，集成放大器作为放大电路，A/D转换器作为数据采集器件，单片机作为数据处理器件，数码管作为显示器件。
设计最终目的为了要实现一个能对重量信息进行实时数据采集、处理及显示，并可用键盘设定阈值。
关键词：
单片机太阳能热水器温控系统
引言
在世界范围内，太阳能热水器技术已很成熟，并已形成行业，正在以优良的性能不断地冲击电热水器市场和燃气热水器市场。
2000年太阳能热水器取代47000套家用电热水器；2000年日本太阳能热水器的拥有量将翻一番；以色列更是明文规定，所有新建房屋必须配备太阳能热水器。
目前，我国是世界上太阳能热水器生产量和销售量最大的国家。
然而，目前市场上太阳能热水器的控制系统大多存在功能单一、操作复杂、控制不方便等问题，很多控制器具有温度和水位显示功能，却不具有温度控制功能，致使热水器阴天的时候不能方便使用。
即使热水器具有辅助加热功能，也可能由于加热时间不能控制而产生过烧，从而浪费电能。
目前市场上存在三种样式的热水器：
电热水器、燃气热水器和太阳能热水器。
近年来，在一氧化碳中毒事故中，由燃气热水器造成的约占1/3；电热水器的大规模用电，并不能给人们的正常生活带来便利，作为后来者的太阳能热水器，因其安全性好、节能、绿色环保等优点，近几年呈现出爆发式的发展趋势。
选择太阳能热水器这个课题，可以让我更好的认知可持续发展问题，看清目前的能源现状，以及各国在节约能源上的措施，在太阳能革新上运用的新技术。
太阳能热水器温度控制系统的设计
1设计目的与要求
1.1设计目的
通过本次课程设计使学生初步了解计算机控制技术在生产生活中的应用领域，了解如何将计算机技术和自动控制理论应用于工业生产过程，并设计出所需要的计算机控制系统。
这是对学生学习《计算机控制技术》基本功的综合训练。
本课程设计以太阳能热水器温度控制系统的设计为例，运用课程所学内容，进行一次计算机控制系统的设计演习，使学生具备一定的开发计算机控制系统的能力。
设计过程中会涉及到一些检测，数据转换，数据处理显示等模块，如何选择元器件以及熟练掌握这些器件的使用也是课程设计的一个目的。
1.2设计要求
本课题设计的基于单片机的太阳能热水器在软件程序的控制下完成温度实时显示功能，并能完成温度设定等功能，具体实现的功能目标为：
（1）显示水温，电加热水温可任意设定；
（2）设置温度参数后，自动控制电辅助设备加热。
2设计思路
为保证一天24小时都能提供热水，系统设计思路如下：
当日照条件比较好的时候由太阳能对水进行加热，水自动升温，当用户用水时发现水温过高时可以利用冷热水出水阀来调节从而降低水温到适宜温度；若日照条件比较差（比如夜晚或者阴雨天）时，CPU根据数据采集系统采集的数据,当发现水温低于30℃时,自动启动电加热并通过自动控制使水温恒定。
如果当用户用水时觉得30℃不理想，想要更高的水温，这时可以启动手动加热，设定需要的温度,系统启动电加热装置加热到设定温度并保持恒定。
设定温度的范围控制为在30℃至65℃。
其中水温采集模块用到AD590集成温度传感器；
电加热模块用电阻丝加热，通过继电器控制器开通与关断；
水温由两个LED数码管显示，水温有效值最多可显示为99℃。
3硬件设计
3.1传感器的选择
本此次课设选用的传感器型号是AD590温度传感器。
AD590是单片集成两端感温电流源。
它的主要特性有：
1、AD590的输出电流I=（273+T）μA（T为摄氏温度），因此量测的电压V为（273+T）μA×10K=（2.73+T/100）V，即流过器件的电流（uA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数。
式中：
I—流过器件（AD590）的电流，单位为uA；T—热力学温度，单位为K；
2、AD590的测温范围为-55℃～+150℃；
3、AD590的电源电压范围为4V～30V。
电源电压可在4V~6V范围变化，电流变化1uA，相当于温度变化1K。
AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。
3.2放大电路
本设计利用集成温度传感器AD590，因为其输出电流是以绝对温度零度（-273℃）为基准，每增加1℃，它会增加1μA输出电流，因此在室温25℃时，其输出电流Iout=（273+25）=298μA。
由于一般电源供应教多器件之后，电源是带杂波的，因此我们使用齐纳二极管作为稳压元件，再利用可变电阻分压，其输出电压V1需调整至2.73V，接下来我们使用差动放大器其输出Vo为（100K/10K）×（V2-V1）=T/10，如果现在为摄氏28℃，输出电压为2.8V，输出电压接AD转换器，那么AD转换输出的数字量就和摄氏温度成线形比例关系。
温度传感器放大电路图如图3.1。
图3.1温度传感器的放大电路
3.3数据采集电路
ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。
它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。
ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。
多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。
三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。
在此实验中我们用0到5V变化的滑动变阻器代替温度传感器的0到5V电压。
实验电路图如图3.2所示。
模拟的电信号由ADC0809的IN0口进入，进行模数转换得到的A/D转换结果D为：
D=Vo×255/5（3-1）
图3.2模数转换电路
3.4显示电路
显示部分为两个八段数码管，分时显示当前温度和用户设定的温度值。
当用户未设定温度值时，数码管不闪烁，始终显示当前温度，当用户设定了温度值时，数码管闪烁并分时显示当前温度值和设定的值。
LED数码管由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件。
右图为LED数码管外形和引脚图，其中7只发光二极管分别对应a-g笔段，构成“日”字形，另一只发光二极管DP作为小数点，因此这种LED显示器称为八段数码管。
（如图3.3所示）
表3.1所示为共阴极LED所显示的不同字符的字段码，测量范围为0~990C，当温度超出范围时，显示器均显示F。
表3.1共阴极LED字符段码
显示字符
共阴极字段码
0
3FH
1
06H
2
5BH
3
4FH
4
66H
5
6DH
6
7DH
7
07H
8
7FH
9
6FH
F
71H
当单片机应用系统中的LED显示器位数较多时，为了简化电路降低成本，本设计采用动态显示的方式。
其接线图如图3.4。
动态扫描显示控制方式就是逐个地循环点亮各位显示器，即在某一瞬间，只让某一位的位选线处于选通状态（共阳极的为高电平，共阴极的为低电平）其它各位的位选线处于段开状态，同时段选线上输出相应位要显示字符的字段码。
这样在每一个瞬间，8位LED中只有选通的那一位LED显示出字符，而其它7位则是熄灭的。
同样，在下一瞬间，只显示下1位LED。
如此继续下去，等8位LED都显示完毕后，在循环进行。
虽然这些字符是在不同的瞬时轮流点亮的，但由于人眼的视觉残留效应，看到的是8位稳定显示的字符，与静态显示的效果完全一样。
所以为了简化电路、降低成本，此系统中采用动态显示方式。
图3.4数码管显示电路
3.5按键部分
采用矩阵键盘方式输入设计键盘控制电路部分，分别定义按键名称为数字0到9，以及“设置”、“取消”、“确定”，其键盘结构图3.5所示：
图3.5矩阵键盘
3.6加热部分
加热部分采用三极管控制继电器，通过继电器控制电热丝加热。
此加热方式可以通过软件设计控制电热丝的加热时间。
继电器的选择要考虑到电热丝的功率。
其电路原理如图3.6所示：
图3.6加热电路图
4软件设计
4.1总程序流程设计
图4.1总流程图
4.2监控子程序的设计
数据采样子程序是将调理过的传感器采样数据通过IN0通道把模拟量通过A/D转换成数字量然后暂存起来。
采样的流程框图如图4.2：
图4.2数据采样的流程图
4.3显示子程序的设计
显示部分主要是显示当前温度值和用户设定的温度值。
显示程序嵌入在主程序中，当基本数值显示过程如图4.3：
图4.3显示子程序流程
4.4键盘扫描子程序的设计
键盘扫描子程序是用与阈值的输入和设定。
开始设定阈值，按两次数字键，输入阈值，如果输入三次则重新输入，输入结束后按D键确定。
N
图4.4键盘扫描的流程图
总结体会
本次课程设计是对所学知识的一次综合性运用。
其中包括对模拟电子技术基础、数字电子技术基础、单片机等知识的运用。
在设计的过程中我发现了自身知识的不足，也发现我们必须具备专业基础知识，才能成功的设计出一件合格的东西。
这次课程设计收获很多，体会也很深刻，并且对我们所学的东西也产生了浓厚的兴趣。
设计过程中，学到了很多新的东西，PROTEL软件绘制电路原理图，以及一些仿真软件的应用。
当然最重要的是学到了关于基本电子设计的一些基本方法，同时也加深了对一些常用的电子元件的理解及其基本用法的掌握。
除此之外，我觉得在这次设计的过程中，我发现团队精神的重要性，很多时候一个人的力量是有限的，一个人不可能什么都会，什么都能自己解决，还是有需要他人帮助的时候，我觉得人与人之间的相互帮助很有必要，这样不仅能帮助大家很快的解决问题，不仅能提高我们每个人的实际水平，还能培养我们的团队合作精神，这些能力对于我们今后的学习和工作都很有帮助。
由于时间关系，本次设计中还有不尽完善之处。
希望在以后的学习生涯中不断的完善和改进。
参考文献
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机械工业出版社,2007
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[4]阎石主编.数字电子技术基础[M].高等教育出版社.1997
[5]王长胤，文军主编.单片单板机原理及应用[M].武汉大学出版社,1993
[6]王俊杰主编.基于89C51单片机的太阳能热水器智能控制器的设计[J].郑州轻工业学院学报:
自然科学版,2005（8）:
67-68
附录1：
总电路图
姓名
黎德刚
性别
男
专业、班级
自动化0801班
课程设计题目：
太阳能热水器温度控制系统的设计
课程设计答辩或质疑记录：
成绩评定依据：
评分项目
分值
评分
1．选题合理、目的明确
10
2．设计方案正确，具有可行性、创新性
20
3．设计结果：
参数清晰，数据正确
20
4．态度认真、学习刻苦、独立完成任务
20
5．设计报告规范化、参考文献充分、无原则性错误
20
6．答辩
10
总分
100
最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）
附录2：
本科生课程设计成绩评定表
指导教师签字：
年月日
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