太阳能热水器自控仪设计.docx

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太阳能热水器自控仪设计

编号

淮安信息职业技术学院

毕业论文

题目

太阳能热水器自控仪设计

学生姓名

学号

系部

电子工程学院

专业

电子信息工程技术

班级

指导教师

顾问教师

二〇一五年六月

摘要

太阳能热水器作为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。

根据太阳能热水器特点以及对控制器的要求，本文提出了一种基于单片机AT89C52的太阳能热水器自动控制器的设计方法。

随着社会经济水平的发展，热水器的使用已相当普及。

与之相配套的控制仪也相继被应用。

就像家用电视机、电冰箱一样,接通电源、设定完毕就不用再操心了。

本次设计运用AT89C52单片机，可以自动进行温度检测和水位检测，使太阳能自动补水或排水，真正做到最简单化。

并且该电路易于扩展，可实现多点的温度检测，或者更多点的水位检测。

这篇论文详细介绍了基于单片机的太阳能热水器自动控制系统组成和硬件设计。

关键词：

太阳能热水器AT89C52单片机自动控制温度控制

Abstract

Solarwaterheater asakindof themostcommonmeans ofsolarenergyutilization, obviouseconomicbenefit, whichispopularizedrapidly. Accordingtothe characteristicsand requirementsofthe solarwaterheater controller, thispaper putsforwardadesignmethodof automaticsolarwaterheater controllerbasedonMCUAT89C52. Alongwiththe socialeconomylevelofdevelopment,theuseof waterheater isverypopular. Controldevice matched withthe alsohavebeenused. Like televisionsandrefrigerators, thepowersupplyisswitchedon, thesettingisfinished willnothavetoworry.

Thedesignusing AT89C52microcontroller, canautomatically detectthetemperature and liquidlevelinspection, makethesolar automaticwater ordrainage, truly themost simple. Andthe circuit iseasytoexpand, andcanrealizemulti-pointtemperaturemeasurement, liquidleveldetection or morepoints. Thispaperintroducesthe designofsolarwaterheater chipmicrocomputer automaticcontrolsystemcomposition, hardwarebasedon.

Keywords:

solarwaterheater  AT89C52singlechip autocontroltemperaturecontrol

第一章绪论

1.1前言

目前我国是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家，预计到2015年产量达1.2亿平方米，约2300亿元的市场规模。

中国太阳能热水器的年生产量是欧洲的2倍，北美的4倍，现已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和最大的太阳能热水器市场。

中国的太阳能热水器市场经过几年的培育，已经步入快速发展期。

2009年太阳能热水器“下乡”，标志着太阳能热水器得到国家认可，中国太阳能热水器行业已迈入新的时代。

未来5-10年中国太阳能热水器市场保有量仍将保持20%以上的增长率。

伴随着行业的发展，太阳能热水器行业的竞争不断加剧，国内优秀的太阳能热水器生产企业越来越重视对行业市场的研究，特别是对行业发展环境和产品消费者的深入研究。

也正因为如此，一大批国内优秀的太阳能热水器品牌迅速崛起，逐渐成为中国乃至世界太阳能热水器行业中的翘楚!

太阳能热水器使用方便，节能，无污染，普及推广迅速。

目前市场上太阳能热水器的控制系统大部分都存在着或多或少的缺点:

功能单一、操作复杂、控制不方便等。

随着人们生活水平的提高和电子技术的发展,这样的太阳能热水器控制系统越来越不适应人们的生活需求,开发一种控制方便,操作灵活的太阳能热水器的控制系统,已经成为当务之急。

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目前，中国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国。

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。

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。

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自控仪简介

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热水器的水温的控制以及水位的显示。

AT89C52单片机控制整个系统的工作，通过数字温度传感器检测当前水的温度，由于是数字信号就直接送入单片机AT89C52内，通过单片机的处理在LED数码管上显示当前的温度值。

另外一路是在水箱中的水压传感器测水的压力从而得到水位的高低，水压传感器输出的是0～5V的模拟量，要经过A/D转换成为数字量再送入单片机AT89C52进行处理，在LED数码管上显示水位值。

按键用来设定想要控制的温度值，单片机在内部通过比较设定的温度和当前温度，当前温度小于设定温度时就会闭合电磁开关，开启加热装置。

高于设定温度时断开开关停止加热。

自动上水方面是设置水位的上限和下限，水位低于下限时就会闭合电磁开关，开始上水，当水位高于上线时就会自动断开电磁开关，停止上水。

温度和水位值在时时检测，达到控制目的。

本装置电路简单、实用性强、性价比高、水温控制灵活，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。

第二章系统设计

2.1自控设计系统要求

太阳能热水器自动控制电路采用AT89C52单片机作为控制核心，外围加蜂鸣器控制电路、数码显示电路、水位检测电路、电机控制电路、按键电路、温度检测电路等。

数码管实时切换显示当前温度与当前液位，当液位过高时，蜂鸣器报警，并且电机反转模拟排水过程；当液位过低时，蜂鸣器报警，并且电机正转模拟进水过程。

本系统设计简单，成本低，性能优良，具有一定的稳定性和实用性。

2.2总体方案设计

太阳能热水器自动控制装置有多种方案。

（1）方案一在单片机学习课程中，就遇到过一种方案，我们称其为方案一。

它通过三极管的导通截止特性来判断液位的位置，并且可以通过按键切换检测压力。

但是在过程中只能检测三点，虽然可以扩展，但是占了太多的I/O口，容易造成资源的浪费。

而且仅显示单元就占用了12个I/O口，同样属于资源浪费。

在电机电路设计方面，方案一采用的三极管的导通截止来控制点击的正转与反转，虽然设计简单，但是过多的使用三极管以及二极管类的元器件，也会使成本升高。

而且，既然是太阳能热水器的自动控制装置，那么必不可少的就是温度的检测，而方案一中却忽略了这点，造成了最大的残缺。

（2）方案二方案二主要解决了方案一中资源浪费及过于使用分立元件的缺陷。

在水位检测方面，通过利用两片CD4051芯片，它相当于一个单刀八掷开关，当INH禁止端为低电平即“0”时，开关接通哪一通道由输入的3位地址码ABC来决定。

这样就简单的解决了16个点检测的问题，并且在最大程度上减少了I/O口的使用。

仅使用了8个I/O口即可控制16个点的检测，如果是方案一，则需要使用16个I/O口。

方案一中4位数码管显示电路的断码与位码就使用了12个I/O口，而在方案二中，使用了74LS164芯片，它是8位移位寄存器，只要给一个脉冲便传送一位数据。

仅使用了2个I/O口便控制了5位数码管的显示，由于使用74LS164芯片中会遇上消隐的问题，所以在方案二中，通过硬件电路配合软件的方法很好的解决了消隐的问题，显示非常的稳定。

显示出了新方案的优势。

方案二中电机驱动电路使用的是FAN8200，驱动的一个双相电机驱动电路。

该电路非常简单,它几乎不需要外围元器件.只要将来自于微处理器的方波控制信号从器件的输入端和触发使能端送入FAN8200便可可靠地对双相电机进行控制操作，使其正转、反转。

省去了分立元件，使整个电路看起来清晰简单。

在方案二中还解决了方案一种不能检测温度缺点，使用了先进的DS18B20芯片，DS18B20数字温度传感器是Dallas公司生产的1-Wire，即单总线器件，具有线路简单、体积小的特点。

因此用他组成一个测温系统，具有线路简单，在1根通信线可以挂很多这样的数字温度传感器，十分方便。

2.3本文设计实现思路

本文设计的太阳能热水器控制器以AT89C52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。

2.4设计原理及系统组成

太阳能热水器自动控制电路采用AT89C52单片机作为控制核心，外围加蜂鸣器控制电路、数码显示电路、水位检测电路、电机控制电路、按键电路、温度检测电路等。

数码管实时切换显示当前温度与当前液位，当水位过高时，蜂鸣器报警，并且电机反转模拟排水过程；当水位过低时，蜂鸣器报警，并且电机正转模拟进水过程。

本系统设计简单，成本低，性能优良，具有一定的稳定性和实用性。

太阳能热水器系统控制器主要由由CPU、显示电路、按键电路、蜂鸣器电路、电机电路、水位检测电路、温度检测电路、电源电路组成。

基本原理框图如图2-1所示。

图2-1基本原理框图

2.5设计思路

本文设计的太阳能热水器控制器以AT89C52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。

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。

第三章硬件电路设计

3.1电路设计原理及原理图

接通电源后，显示当前水位，水位被分为16个点。

并且显示当前温度。

液位显示与温度的显示切换进行。

当水位显示低于或等于1时，蜂鸣器报警，并且电机正转，表示进水；当水位显示高于或等于15时，蜂鸣器报警，并且电机反转，表示排水。

图3-1电路原理图

3.2温度传感器

DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。

主要根据应用场合的不同而改变其外观。

封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。

耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

DS18B20引脚排列与封装形式如图3-2所示。

图3-2DS1820引脚排列与封装形式

3.2单片机外围电路

根据控制要求，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。

仅使用单片机内部RAM已完全能够满足要求。

因此采用本系统采用Atmel公司的单片机AT89C52作为热水器控制器系统的控制中心环节。

主要从以下特点考虑：

（1）AT89C52是一种低功耗，高性能CMOS工艺的8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统提供高灵活，超有效的解决方案。

（2）AT89C52具有以下标准功能：

8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89C52可降至0KHZ静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机停止工作，直到一个中断或硬件复位为止。

（3）AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含8个中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线。

AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

3.2.1显示电路

7段LED数码管是利用7个LED（发光二极管）外加一个小数点的LED组合而成的显示设备，可以显示0～9等10个数字和小数点，这类数码管可以分为公阴极与共阳极两种，共阳极就是把所有LED的阳极连接到共同的结点，而每个LED的阴极分别为a,b,c,d,e,f,g及dp（小数点）；共阴极就是把所有LED的阳极连接到共同的结点，而每个LED的阳极分别为a,b,c,d,e,f,g及dp（小数点）。

根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。

静态显示驱动：

每个数码管的每个段都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码的二～十进制译码器译码进行驱动。

静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多。

动态显示驱动:

动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端连在一起，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形。

显示电路如图3-3所示。

图3-3显示电路

3.2.2按键电路

键按下后，进行温度及水位检测的切换，也可不使用。

按键电路如图3-4所示。

图3-4按键电路

3.2.3蜂鸣器电路

以Q51的基极作为蜂鸣器控制信号的输入端与单片机I/O口相连，主要由蜂鸣器、9013与9014两个三极管及5.1K偏置电阻组成。

当输入端为高电平时，Q51导通，Q52截止，蜂鸣器回路开路，蜂鸣器不响；当输入端为低电平时，Q51截止，Q52导通，蜂鸣器回路闭合，蜂鸣器发出响声。

蜂鸣器电路如图3-5所示。

图3-5蜂鸣器电路

3.2.4电机电路

控制信号从IN端输入并经前级缓冲后送入片内控制器，然后由控制部分处理并驱动晶体管，最后由OUT端输出方波信号以控制电机的运行。

触发使能端口（CE）的作用是分别对两个通道的输出进行控制，当CE端为低电平时，无论有无输入控制信号，输出端OUT始终呈高阻抗状态。

因此，要使FAN8200控制器输出工作正常，器件的触发使能端必须为高电平。

当CE为高电平时，IN1为1时，电机正转；IN1为0时电机反转。

电机电路如图3-6所示。

图3-6电机电路

3.2.5水位检测电路

水位检测控制电路，由两片CD4051与CD4066构成，但是由于考虑到成本，并且所设计的电路I/O口使用并不是太多，所以，可以将CD4066省略，仅仅用两片CD4051即可实现功能。

它是一种单片、COMS、8通道开关。

该芯片由DTL/TTL-COMS电平转换器，带有禁止端的8选1译码器输入，分别加上控制的8个COMS模拟开关TG组成。

例如当检测到水位在端点4位置时，0、1、2、3、4点被没过，与公共端之间形成水电阻，由于水电阻阻值非常大，所以这几点的电平被拉低。

此时就可以确定在ABC点读到的数为“100”此时就可以通过单片机计算得出水位的高度。

水位检测电路如图3-7所示。

图3-7水位检测电路

3.2.6电磁开关电路及其原理

要实现自动控制，就要有能自动闭合的开关，这里用到的是电磁开关（继电器），继电器上有电流时，由于电磁感应就会在铁心上产生磁性，将开关弹片吸引，使外部电路导通。

为了在电磁继电器上有稳定的电流流过，前端就要有相应的控制元器件，我选择的是光电隔离器件，隔离掉了不稳定的因素。

使光电隔离前端的发光稳定，信号的前端还需要驱动，提供稳定的信号电流。

只有发光部分的稳定，后面的信号才能得到稳定输出。

电磁开关电路如图3－8所示。

图3-8电磁开关电路

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。

电磁继电器的工作原理并不复杂，它主要是利用电磁感应原理而工作的。

当线圈通以电流时，线圈便产生磁场，线圈中间的铁心被磁化产生磁力.从而使衔铁在电磁吸力的作用下吸向铁心，此时衔铁带动支杆将板簧推开，使两个常闭的触点断开。

当断开继电器线圈的电流时，铁心便失去磁性，衔铁在板簧的作用下恢复初始状态，触点则又闭合。

触点的形式一般分为三种:

一种是继电器线圈未通电时处于接通状态的静触点，为常闭触点。

二种是处于断开状态的静触点，称为常开触点，还有一种是一个动触点与一个静触点常闭，而同时与一个静触点常开，形成一开一闭的转换触点形式。

常闭触点在线圈通电时由闭合状态断开，所以又称为动断触点，而把常开触点称为动合触点转换触点有两种情况，即先合后断的转换触点和先断后合的转换触点[6]。

3.2.7温度检测电路

温度检测电路有两种方案可供选择。

第一种是采用热电阻温度传感器。

热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。

现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。

其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。

铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。

缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。

按IEC标准测温范围-200～650℃，XX电阻比W（100）=1.3850时，R0为100Ω和10Ω，其允许的测量误差A级为±（0.15℃+0.002|t|），B级为±（0.3℃+0.005|t|）。

铜电阻的温度系数比铂电阻大，价格低，也易于提纯和加工；但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差。

在工业中用于-50～180℃测温。

第二种是采用DS18B20数字温度传感器。

它是DALLAS公司生产的单总线式数字温度传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、搞干扰能力强、易配处理器等优点，特别适用于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号（提供9位二进制数字）给单片机处理，且在同一总线上可以挂接多个传感器芯片。

它具有3引脚TO－92小体积封装形式，温度测量范围为－55℃～＋125℃，可编程为9位～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625℃，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生，多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。

以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统。

根据设计要求，选择第二种方案。

DS18B20硬件电路的链接非常简单，仅一根电源线，一根地线和一根数据线即可。

温度检测电路如图3-9所示。

图3-9温度检测电路

3.2.8电源电路

由于电源电压为5V，所以电路中省去了稳压电源部分的电路，直接使用电源电压即可。

在电源与地之间加滤波电容，稳定输入到芯片上的电源电压。

电源电路如图3-10所示。

图3-10电源电路

第四章软件设计

4.1程序设计及流程图

硬件电路是一切的基础，在其基础上软件设计是关键的部分，它是单片机工作的重点，就是让各部分协调工作的命令，软件程序的重要性是毋庸置疑的，是整个控制系统的命脉，根据各部分编写相应的驱动程序，才能使得相应的芯片有其功能，所以程序设计是非常重要的。

芯片的工作有着与自己对应的时序图，只有根据时序准确的执行命令才能达到想要的目的，实现芯片的功能。

程序的设计还要有着一定的思路，根据系统运行的过程要画出相应的程序流程图，根据流程图写程序是非常方便的，也不容易产生错误，得到正确的程序。

主程序流程图如图4-1所示

图4-1主程序流程图

4.2DS18B20温度传感器软件设计

DS18B20数字温度计提供9位（二进制）温度读数，指示器件的温度。

信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出，因此从主机CPU到DS18B20仅需一条数据线和地线，电源可以有数据线本身提供而不需要外部电源。

图4-2温度转换子函数流程图

第五章系统检测

5.1水位检测

水位控制就是实现自动上水，保持水箱中一直有水，自动上水功能的实现就要设定控制水位的上限和下限，当水位低于下限时开关闭合开始上水，当水位高于设定上限时开关断开，达到自动控制水位的功能。

水位显示是将传感器检测到的0～5V模拟信号经过ADC0832转换成为8为二进制数（0～255），经过计算让水位显示在0～100之间，通过单片机的处理让数据显示在LED数码管上。

图5-1当前水位显示的仿真图

当水位低于20％时，开关就会闭合，合向左边启动电机上水。

而当水位高于90％时，开关就会断开，合向右边关闭电机上水。

控制仿真结果如下图所示：

图5-2当前水位低于设定水位的仿真图

图5-3当前水位高于设定水位的仿真图

5.2温度检测

温度控制就是当温度低于某个温度值是闭合开关，而闭合开关一阵时间后温度达到合适温度后开关就会自动断开，停止加热。

设定温度值为40度，以下是温度控制的仿真结果：

温度没有低于设定温度时开关在右侧，当温度低于设定值时开关就会向左边闭合，启动加热。

图5-4温度高于设定温度的仿真图

图5-5温度低于设定温度的仿真图

第六章总结与展望

6.1总结

本设计主要完成以AT89C5