基于单片机的太阳能热水器控制电路的设计.docx
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基于单片机的太阳能热水器控制电路的设计
基于单片机的太阳能热水器控制电路的设计
学生姓名：
学生学号：
院（系）：
电气信息工程学院
年级专业：
电子信息工程
指导教师：
二〇一五年五月
摘要
随着经济的发展、社会的进步，人们对于各种能源的需求量在不断的增长，不仅在中国甚至全球范围内的能源危机也日益突出，人们对能源的要求也越来越高，寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题，其中太阳能作为一种干净的可再生的新能源，越来越受到人们的青睐。
与此同时经济的发展和人们生活水平的提高，大规模的家用电器的使用给环境带来了一系列问题。
因此将新能源与家用电器结合开发新型家用电器就成为当前家电行业的发展趋势。
而本次家用太阳能热水器控制电路的设计就正式如此。
它利用光伏并网发电技术为热水器提供电能，同时将多余的电能输送到电网；在太阳能供电不足时，电网又可为热水器进行补偿供电。
该设计的重点是采用89C52单片机。
并采用数字温度传感器测试水的温度。
采集到的数字信号直接送入单片机89C52单片机处理。
显示数据采用LCD液晶。
另一种功能是测量水位的高低。
采用0~5V输出。
经过A/D转换成数字。
然后进入单片机89C52。
在LCD液晶上显示水位值。
按钮用于设置所需的温度。
单片机内部比较设置的温度和当前温度。
当温度低于设置温度将电磁开关关闭。
开启加热装置。
温度高于设置停止加热。
自动供水的上限和下限设定的水平。
水位低于下限将电磁开关关闭。
并供水。
当水位高于线会自动断开电磁开关，就不会再继续供水。
温度和水分在时间层面的检测，达到控制的目的。
关键词：
太阳能热水器,传感器,控制,单片机
ABSTRACT
Withthedevelopmentofeconomy,theprogressofthesociety,peopleforgrowthindemandforallkindsofenergy,notonlyinChinaandevenglobalenergycrisisisincreasinglyprominent,peoplehashigherrequirementforenergy,lookingfornewenergybecometheurgenttaskfacingthecurrenthuman,includingsolarenergyasanewcleanandrenewableenergy,moreandmoregetthefavourofpeople.Atthesametimethedevelopmentofeconomyandpeoplelivingstandardrise,theuseoflargehouseholdappliancestoaseriesofenvironmentproblems.Sowillthedevelopmentofnewenergyandhouseholdappliancesnewhouseholdapplianceshasbecomethecurrenttrendofthedevelopmentofhomeapplianceindustry.
Andthehouseholdsolarenergywaterheatercontrolcircuitdesignissoformally.ItUSESphotovoltaic（pv）gridpowergenerationtechnologytoprovideelectricityforwaterheater,excesselectricitytothegridatthesametime;Andinthepowersystemofsolarpowerisinsufficient,cancompensateforthewaterheaterpowersupply.
Thisdesignisfocusedonusing89s52microcontroller.AndUSESthedigitaltemperaturesensortotestthetemperatureofthewater.Collecteddigitalsignaldirectlyintothesinglechipmicrocomputer89s52single-chipmicrocomputerprocessing.DisplaythedatausingLCD.Anotherfunctionismeasuringwaterlevelofhighandlow.Use0~5voutput.AfterA/Dconversionintodigital.Andthenintothesinglechipmicrocomputer89s52.ThewaterlevelvalueisdisplayedontheLCD.Buttonisusedtosettherequiredtemperature.MCUinternalsettemperatureandthecurrenttemperature.Whenthetemperatureisbelowthesettemperaturewillelectromagneticswitchoff.Opentheheatingdevice.Temperatureishigherthanthesetstopheating.Levelsetbytheupperandlowerlimitsofautomaticwatersupply.Thewaterlevelbelowthelowerlimitwillelectromagneticswitchclosed.Andwatersupply.Whenthewaterlevelishigherthanlinewillautomaticallydisconnectelectromagneticswitch,willnotcontinue
KEYWORDS:
Solarheater,Sensor,control,MCU
1前言
1.1课题背景和意义
目前。
中国是全球太阳能热水器产量最大的国家。
有超过一百的太阳能热水器厂。
但控制太阳能热水器的设备始终处于研究和开发阶段。
由于天气状况的影响。
会带给热水器诸多不便。
虽然热水器具备辅助加热功能。
但是加热时间不能控制。
导致会浪费大量的能源。
控制器存在的目的就是根据天气状况进行辅助加热。
在设定的时间里使储水罐里水的温度达到预设的温度。
这样可以保持24小时都有热水。
太阳能热水器主要是由平板集热器，集热器和连接管等部件组成，可分为循环式，直流式和整体式。
热水器是环保，无污染，使用安全。
太阳能的利用，大量现有的节能，能源的发展是未来的趋势。
原来的燃气热水器和电热水器，加热速度快，但煤炭和天然气会对环境造成污染，而且使室内空气不新鲜，大功率电热水器的家庭，长期使用会带来一定的经济困难，是一笔相当大的开销。
国内外太阳能热水器。
大多数家庭只使用纯太阳能加热。
没有其他方面的智能控制。
在没有太阳的天气没有足够的能量来加热水箱中的水。
第二个方便。
对水箱中的水位没记录。
使人们无法知道水箱中的水的量。
没法补充。
缺乏主动性。
现在大多数家庭都配备了太阳能水位监测和温度的测量。
显示功能。
使用更快捷。
今年。
太阳能与其他能源相结合。
所以现在的太阳能热水器是比较完善的。
能够在任何天气条件下使用的热水。
热水器主系统的特点是用太阳能对太阳能热水器加热。
没阳光的时候通电加热。
它充分利用了太阳能丰富的免费资源。
这考虑的很周到。
太阳能在阴天和夜晚使用。
这是很多热水器都没有的功能。
1.2本课题研究内容与主要工作
本设计用单片机为基础。
选择相对的传感器。
作为信号的采集来源。
用DS18B20作为温度传感器。
PTJ204/205/206/207压力传感器来检测水位信号。
将检测的模拟信号。
经过A/D转换后送入单片机处理。
使用液晶显示温度和水位。
要经过几部分的设计来完成：
（a）LCD液晶显示部分设计
（b）A/D转换部分设计
（c）温度采集部分设计
（d）控制加热和上水电路设计
本设计需要做的工作：
相关的信息。
了解每个部分的功能原理。
数据访问组件。
控制装置的工作原理和硬件实现方法。
利用计算机模拟,电路的设计仿真测试。
1.3本课题的研究预期成果
设计出太阳能热水器控制器。
编写出稳定简洁的程序。
调试成功。
实现所需的硬件电路仿真目的，完成设计任务。
1.4本课题的创新点
本设计将光伏发电和电网供电进行并网，二者共同为热水器进行供电，是一种新型的家用电器，它具有以下优点：
1、加入太阳能最大功率点控制，是太阳能始终工作在最佳状态；
2、自动实现光伏发电和电网供电的切换，有效的节约电能、削减用电峰值。
2方案论证与选择
本课题是基于家用太阳能空调器的综合设计，课题重点研究的是太阳能逆变部分，所以在设计方案时主要讨论对于光伏并网逆变电路的设计，逆变电路是将直流转换成交流的装置。
是本次设计的核心部分。
下面我们对光伏逆变电路进行方案讨论。
2.1系统方案设计
对于光伏发电而言决定它的工作效率的条件，不仅与太阳能在白天的有效工作时间有关，有效工作时间将由材料本身的性质决定、天气状况、日照强度、光线角度有关。
同时还与我们所选则的逆变电路结构和所选的元器件有关，所以我们如果要最大限度的利用太阳能，那我们必须在太阳能利用效率和逆变电路的选择上做好充分的分析与论证。
下面我们就对于这两方面就行分析与论证。
设计方案一：
该方案是采用半桥式逆变电路，半桥逆变电路半桥式电路的开关管数量较少只需两个，成本也就相应较低，低驱动电路相对于全桥就简单很多且其抗不平衡能力强。
设计方案二：
该主要是采用全桥式逆变电路，它会存在一个缺点，当两个控制开关K1和K2处于交替转换工作状态的时候，两个开关器件会同时出现一个半导通区，即两个控制开关同时处于接通状态，此时，相当于两个控制开关同时接通，会对电源电压产生短路，在两个控制开关的串联回路中将出现很大的电流，而这个电流并没有通过变压器负载，开关器件将会产生很大的功率损耗。
设计方案三：
该是采用使用推挽式逆变电路则不会存在这种损耗，而且推挽式逆变电路具有其输出电流瞬间响应速度很高、电压输出特性、输出功率大、驱动电路简单等特点，所以该方案所能达到的效果也和全桥逆变电路差不多。
但缺点就是该变压器的体积是比较大。
2.2系统方案选择
方案分析：
对于以上三种方案，方案一是采用半桥式逆变电路，半桥逆变电路半桥式电路的开关管数量较少只需两个，成本也就相应较低，低驱动电路相对于全桥就简单很多且其抗不平衡能力强；方案二主要是采用全桥式逆变电路，它会存在一个缺点，当两个控制开关K1和K2处于交替转换工作状态的时候，两个开关器件会同时出现一个半导通区，即两个控制开关同时处于接通状态，此时，相当于两个控制开关同时接通，会对电源电压产生短路，在两个控制开关的串联回路中将出现很大的电流，而这个电流并没有通过变压器负载，开关器件将会产生很大的功率损耗；方案三是采用使用推挽式逆变电路则不会存在这种损耗，而且推挽式逆变电路具有其输出电流瞬间响应速度很高、电压输出特性、输出功率大、驱动电路简单等特点，所以该方案所能达到的效果也和全桥逆变电路差不多。
但缺点就是该变压器的体积是比较大。
经过以上方案仔细的研究和反复的论证，我最终选择推挽式逆变电路作为本次课题的逆变电路设计。
2.3本课题的创新点
本设计将光伏发电和电网供电进行并网，二者共同为热水器进行供电，是一种新型的家用电器，它具有以下优点：
1、加入太阳能最大功率点控制，是太阳能始终工作在最佳状态；
2、自动实现光伏发电和电网供电的切换，有效的节约电能、削减用电峰值。
3系统硬件设计
3.1家用太阳能热水器介绍
3.1.1太阳能电池板原理
太阳能电池是以半导体材料为主，利用光电材料吸收光能后发生光电转换，使它产生电流，那么太阳能电池的工作原理是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。
当太阳光照射到半导体上时，其中一部分被表面反射掉，其余部分被半导体吸收或透过。
被吸收的光，当然有一些变成热，另一些光子则通组成半导体的原子价电子碰撞，于是产生电子-空穴对。
这样，光能就以产生电子-空穴对的形式转变为电能。
3.1.2太阳能电池的物理基础
当太阳光照射p-n结时，在半导体内的电子由于获得了光能而释放电子，相应的便产生了电子-穴空对，并在势垒电场的作用下，电子被驱向型区，空穴被驱向P型区，从而使凡区有过剩的电子，P区有过剩的空穴。
于是，就在p-n结的附近形成了与势垒电场方向相反的光生电场。
如果半导体内存在p-n结，则在P型和N型交界面两边形成势垒电场，能将电子驱向N区，空穴驱向P区，从而使得N区有过剩的空穴，P区有过剩的空穴，在p-n结附近形成与势垒电场方向相反光的生电场[2]。
3.1.3太阳能热水器结构
1、水箱外壳
2、保温层
3、水箱内胆
4、排气溢流孔
5、密封胶圈
6、外水箱端盖
7、防尘圈
8、电加热器预留孔（镁棒安装孔）
9、真空集热管
10、进出水孔
11、漫反射板
12、护罩尾托
13、支架
其电路原理如下图所示：
3.1.4太阳能热水器加热原理
冷水通过管道进入太阳能热水器内，经过集热板，集热板能收集太阳能，将太阳能转化为热能，然后把冷水加热。
由于冷水的比重比热水的比重大，热水会自动往上升，然后形成一个循环动力，水就在集热板那逐渐升温，达到一定温度后就能进入储热水箱，需要热水的时候就能供应热水。
.其实太阳能热水器的原理主要包括了以下2个原理：
（1）水循环原理，就是水会自动流动，这是利用冷水比热水密度大，冷水下沉，热水上升，形成自然对流循环、使水箱中的水逐渐变热，达到设定的水温为止。
当太阳强度不足以满足循环需要的时候，可以在水循环闭路加一水泵，实现强制循环。
（2）集热器吸热原理：
太阳能热水器的集热器表面，有一特殊的涂层，此涂层对太阳能可见光范围具有很大的吸收率，吸收为热以后，集热器的散热热辐射波长在长波范围，该涂层对长波的发射率很低，这样就有效的保留了太阳能的热量。
再通过这种热量将冷水逐渐加热为热水[3]。
3.2系统总体硬件框图与工作原理
通过控制系统的功能需求分析设计，对硬件系统的总体设计图可以达到，如图3-1所示。
系统的总体框图显示系统的工作原理如下：
89S52单片机为控制核心。
协调整个系统的工作。
用温度数字温度传感器检测水的温度。
由于数字信号直接送入单片机89S52单片机处理。
通过在液晶上显示当前温度。
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89S52进行处理。
在液晶上显示水位值。
按键用来设定想要的温度值。
单片机在内部通过比较设定的温度和当前温度。
当前温度小于设定值时就会闭合电磁开关。
开启加热装置。
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89S52进行处理。
在液晶上显示水位值。
按键用来设定想要的温度值。
单片机在内部通过比较设定的温度和当前温度。
当前温度小于设定值时就会闭合电磁开关。
开启加热装置。
自动上水方面是设置水位的上下限。
水位小于下限时就会闭合电磁开关。
就会开始上水。
水位到达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[4]。
图3-1系统总体硬件框图
3.3温度传感器
3.3.1温度传感器DS18B20
温度传感器选择DS1820数字温度计，它以9位数字量的形式反映器件的温度值。
DS1820通过一个单线接口发送或接收信息，因此在中央微处理器和DS1820之间仅需一条连接线（加上地线）。
用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源。
因为每个DS1820都有一个独特的片序列号，所以多只DS1820可以同时连在一根
单线总线上，这样就可以把温度传感器放在许多不同的地方。
这一特性在HVAC环境控制、探测建筑物、仪器或机器的温度以及过程监测和控制等方面非常有用。
图3-2DS18B20引脚排列与封装形式
表3-1DS18B20引脚说明
引脚
符号
说明
1
GND
接地
2
DQ
数据输入/输出脚。
对于单线操作：
漏极开路
3
VDD
可选的VDD引脚。
DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口少等优点，但在实际应用中也应注意一下问题：
（a）较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行连接补偿，DS18B20与微处理器间采用穿行数据传送，编程时要严格保证读写时序，否则将无法读取测温结果。
（b）连接DS18B20的总线电缆长度是有长度限制的。
当采用普通信号电缆传输长度不能超过50m，采用双绞线带屏蔽电缆时可达到150m。
（c）在DS18B20测温程序中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序总要等待DS18B20的返回信号，要保持接触良好，否则会进入死循环。
DS18B20的特性：
（a）独特的单总线接口方式。
DS18B20在I/O处理器连接时，仅需要一个I/O口即可实现微处理器同DS18B20的双向通讯。
（b）DS18B20支持组网功能，多个DS18B20多个DS18B20可以并联在唯一的单线上，实现多点测温。
（c）DS18B20的测温范围为：
－55℃～＋125℃，在－10℃～＋85℃时，其精度为＋0.15℃。
（d）DS18B20的测量结果的数字量位数从9～12位，可编程进行选择。
（e）DS18B20内部寄生电源，器件既可以由单线总线供电，也可以用外部电源供电。
DS18B290测温原理：
DS18B20测量温度采用了特有的温度测量技术，它是通过计数时钟周期来实现的，内部计数器对一个受温度影响的振荡器的脉冲计数，低温时，振荡器的脉冲无法通过门电路。
计数器设置为－55℃。
同时，计数器复位在当前的温度值时，电路对振荡器的温度系数进行补偿，计数器重新开始计数直到回零。
如果门电路仍未关闭，则系统重复上述过程[5]。
3.3.2DS18B20的结构
DS18B20有三个主要数字部件：
1.64位激光ROM，
2.温度传感器，
3.非易失性温度报警触发器TH和TL。
器件用如下方式从单线通讯线上汲取能量：
在信号线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工作，直到高电平到来再给寄生电源（电容）充电。
DS1820也可用外部5V电源供电。
图3-3DS18B20的内部结构
DS18B20单纯通信功能是分时完成的。
单线信号包括复位脉冲，响应脉冲，写“0”，写“1”，读“1”。
它们有严格的时隙概念。
系统对DS18B20的操作以ROM命令（5个）和存储器命令（6个）形式出现。
对它的操作协议是：
初始化DS18B20发复位脉冲－发ROM功能命令－处理数据－发存储器命令处理数据，各种操作都有相应的时序图[2]。
DS18B20在使用时，一般都采用单片机来实现数据采集。
只需将DS18B20信号线与单片机1位I/O线相连，且单片机的1位I/O线可挂接多个DS18B20，就可实现单点或多点温度测量。
DS18B20传感器的精度高、互换性好；它直接将温度数据进行编码，可以只使用一根电缆传输温度数据，通信方便，传输距离远且抗干扰性好，与用传统的温度传感器系统相比系统得以简化。
系统扩充维护十分方便。
3.4水压传感器及A/D转换
水位传感器输出的信号为模拟信号，由于输出量微弱，要经过放大器的放大转化为0～5V的电压信号，才能送入ADC0832中进行转换，输出为串行数字数据，送入单片机89S52处理。
传感器和AD转换原理图如下图3－4所示：
图3-4模拟量输入及AD转换电路结构
3.4.1水压传感器
力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、电感式压力传感器、压阻式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。
但应用最为广泛的是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。
在水箱的最底部安装压力传感器，水位的不同，传感器检测到的压力值就不同，采集到的模拟量信号经过处理和计算，就能换算成水位的高低，经过单片机显示[6]。
3.4.2ADC0832结构及原理
图3-5ADC0832芯片引脚图
芯片各引脚说明：
1）CS_片选使能，低电平芯片使能。
2）CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。
3）CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。
4）GND芯片参考0电位（地）。
5）DI数据信号输入，选择通道控制。
6）DO数据信号输出，转换数据输出。
7）CLK芯片时钟输入。
8）Vcc/REF电源输入及参考电压输入（复用）。
ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨可达256级，可以适应一般的模拟量转换要求。
其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0~5V之间。
芯片转换时间仅为32μS，据有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。
独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变的更加方便。
通过DI数据输入端，可以轻易的实现通道功能的选择。
单片机对ADC0832的控制原理：
正常情况下ADC0832与单片机的接口应为4条数据线，分别是CS、CLK、DO、DI。
但由于DO端与DI端在通信时并未同时有效并与单片机的接口是双向的，所以电路设计时可以将DO和DI并联在一根数据线上使用。
当ADC0832没有工作时其CS输入端为高电平，此时芯片禁用，CLK和DO/DI的电平可任意。
当要进行A/D转换时，须先将CS使能端为低电平并且保持低电平直到转换完全结束。
此时芯片开始转换工作，同时由处理器向芯片时钟输入端CLK输入时钟脉冲，DO/DI端则使用DI端输入通道功能选择的数据信号。
在第1个时钟脉冲的下沉之前DI端必为高电平，表示启始信号。
在第2、3个脉冲下沉之前DI端输入2位数据用于选择通道功能，当此2位数据为“1”、“0”时，只对CH0进行单通道转换。
当2位数据为“1”、“1”时，只对CH1进行单通道转换。
当2位数据为“0”、“0”时，将CH0作为正输入端IN+，CH1作为负输入端IN-进行输入。
当2位数据为“0”、“1”时，将CH0作为负输入端IN-，CH1作为正输入端IN+进行输入。
到第3个脉冲的下沉之后DI端的输入电平就失去输入作用，此后DO/DI端则开始利用数据输出DO进行转换数据的读取。
从第4个脉冲下沉开始由DO端输出转换数据最高位DATA7，随后每一个脉冲下沉DO
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