基于单片机的太阳能热水器智能控制系统的设计.docx
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基于单片机的太阳能热水器智能控制系统的设计
基于单片机的太阳能热水器智能控制系统的设计
本科毕业设计（论文）
基于单片机的太阳能热水器智能控制系统的设基于单片机的太阳能热水器智能控制系统的设
基于单片机的太阳能热水器智能控制系统的设基于单片机的太阳能热水器智能控制系统的设
计计
计计
摘要摘要
摘要摘要
太阳能热水器以其诸多的优点受到人们的欢迎。
本论文以89C52单片机为核心，
配合电阻型4档水位传感器、负温度系数NTC热敏电阻温度传感器、8255A扩展键盘和
显示器件、驱动电路（电磁阀、电加热、报警）等外围器件，完成对太阳能热水器
容器内的水位、水温测量、显示；时间显示；缺水时自动上水，水溢报警；手动上
水、参数设置；定时水温过低智能电加热等功能。
其中本文第一章主要说明了太阳能热水器智能控制系统的研究现状和本课题的主
要任务，第二章对系统的硬件结构作了简单介绍，第三章介绍了控制系统软件实现。
本系统对于水位传感器、水温传感器的电阻数据的处理均采用独特的RC充放电的
方法。
它与使用A/D转换器相比，电路简单、制造成本低。
特别适用于对水位、水温
要求不精确的场合。
关键词：
太阳能，热水器，控制器，89C52，RC充放电
Abstract
SolarWaterHeaterispopularwithitsprettybenefits,Thisthesistakethe89C52
microcontrollerintegratedcircuitasthecore,thecoordinate4gradesofwaterslevel
resistancesensor,thenegativetemperaturecoefficientNTCthermistortemperaturesensor,the
8255Aexpansionkeyboardandthedemonstrationcomponent,theactuatecircuitsolenoid
valve,electricheating,warningandotherperipherycomponent,completestothewaterlevel
andtemperaturemeasureanddemonstrate;thetimedemonstrate;lackofwaterautomatically
upstream,thewateroverflowwarn;fixedtimeintelligencelyelectricheat.
Thefirstchaptermainlyexplainsthesolarwaterheaterintelligentcontrolsystem
researchandthemaintaskofthisproject,thesecondchapterofthehardwarestructureofthe
systemisbrieflyintroduced,thethirdchapterintroducedthecontrolsystemsoftware
implementation.
Regardingtheprocessofthewaterlevelsensorandwatertemperaturesensorresistance
datathissystemusesthemethodoftheuniqueRCelectricsufficientanddischarging.
ComparedtousingtheA/Dconverter,theelectriccircuitissimple,theproductioncostislow.
Speciallyitissuitableforthewaterlevelandthewatertemperaturemeasuringrequested
unprecisesituation.
Keyword:
Solarenergy,waterheater,controller,89C52,RCelectricsufficientanddischarge
2
摘要................................................................................................................................................................1
Abstract..........................................................................................................................................................2
第一章绪论...........................................................................................................................................3
1.1太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析...............................3
1.2太阳能热水器的应用及意义...........................................4
1.3太阳能热水器的工作原理.............................................6
第二章控制系统的硬件设计............................................................................................................8
2.1主控芯片模块.......................................................8
主控芯片模块电路.............................................8
主控芯片简介.................................................9
2.2温度传感模块.....................................................12
温度测量模块选择............................................12
温度测量模块简介............................................13
水温计算....................................................13
2.3水位检测模块......................................................16
水位模块选择................................................16
水位测量电路的具体设计......................................16
2.4时钟模块..........................................................21
DS1302串行时钟芯片.........................................21
时钟电路的设计..............................................22
2.5输入输出模块......................................................23
方案设计....................................................23
8255A在控制电路的应用......................................26
键盘电路原理................................................27
显示电路原理................................................28
2.6其他硬件电路设计..................................................30
上水控制电路................................................30
电加热控制电路..............................................30
报警控制电路................................................31
水位显示电路................................................31
上水电磁阀、电加热、报警等驱动电路..........................31
2.7电源电路..........................................................31
第三章控制系统软件设计............................................................................................................32
3.1控制系统软件设计流程图............................................32
1
3.2温度测量编程实现..................................................33
3.3水位测量编程实现..................................................34
3.4时间读取编程时实现................................................35
3.5键盘扫描编程实现..................................................38
3.6显示编程实现......................................................39
结论...................................................................41
参考文献.................................................................42
致谢.....................................................................43
附录.....................................................................44
附录一...............................................................44
附录二...............................................................63
2
第一章第一章绪论绪论
第一章第一章绪论绪论
1.1太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析
太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析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AT89C52单片机为检测控制核心，采用串行芯片DS1302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水溢报警功能，还能实现
手动上水、手动电加热、设置水位、设置温度等功能。
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[1]。
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
3
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太阳能热水器的应用及意义
太阳能热水器的应用及意义太阳能热水器的应用及意义
众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭，没有污染的巨大能源。
随着世界上
煤、油、气的储量日益减少，能源危机已日益增长，环境污染的危机已威胁着生态平
衡，太阳能开发利用的课题已提到人类的面前。
有人预测：
二十一世纪太阳能将由辅
助能源上升为主要能源。
但由于太阳能的分散性、季节性和地区性又给太阳能利用带
来重重困难，有些技术难点尚未突破，产品造价偏高（如光电池）。
因而尚未被人们大
规模的使用。
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，同时给人民提供不耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。
太阳能热水器是以太阳能光热转换，利用温室效应和虹吸原理使水加热的装置，
此装置分两个不同的概念：
1.太阳能热水工程系统，这种系统由太阳能集热器、储水箱管线、补水箱组成不
同形式的热水系统，包括自然循环式、定温放水式等等，可构成提供热水10吨到100
吨的装置，大多提供集体单位使用。
2.太阳能热水器是指将上述各种不见组装成一个小系统，提供家庭或需要产热水1
吨以下的单位使用，此种装置算为太阳能热水器。
太阳能热水器（或系统）均以其采
光面积作为计量单位，一般1平方米光面积可产热水100升，采光面积每种型号不
同，一般在1.5～2.0平方米。
我国从“六五”计划期间开始推广太阳能热水器，到目前全国已有250万平方米
采光面积的太阳能热水器，厂家又几家发展到全国约有180家左右，是目前世界上推
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广最大的国家之一，而且形成了规模，形成了中国特色的太阳能企业，有中国太阳能
协会为中心的学术中心，以中国农村能源企业协会太阳能热利用专业委员会为中心，
制定了产品标准、测试条件、产品合格证颁发等一系列措施。
世界各国的太阳能热水器生产发展也很快。
例如：
澳大利亚政府规定，在北部地
区新建房屋一定要设置太阳能热水器，西澳大利亚已有25%的新住宅安装了太阳能热水
器。
日本现在每年安装太阳能热水器近50万台，现在有20%的家庭安装了太阳能热水
器，计划今后普及率达到25%，按照日本的“阳光计划”还将公寓，办公楼安装
6500套太阳能热水系统，为工厂安装1900套工业用太阳能热水系统。
以色列的法令规
定所有新建筑物必须配备太阳能热水器，目前普及率已超过60%。
英、法、德、意、希
腊五国到2000年底推广热水器600万平方米，比1990年增长2倍多。
国内外太阳能热水器使用量增长如此之快，其根本原因是：
能源问题、环保问题
是当今世界各国面临的主要问题之一。
太阳能热水器是节能、环保产品，受到广泛
重视，发展极快，预计今后每年将以15%～20%的速度发展。
根据理论计算及实际应用证明，太阳能热水器每平方米光面积一年可节约标准煤
200-300公斤节电1500度，或节约液化气180公斤。
采用本热水器与电热水器、燃气热水器相比，还具有绝对安全，最卫生的特
点，在电费，液化气、煤气价格较高的地区，用户1-3年即收回投资，在这以后提供
的热水是免费的。
设计可以参考以下的几个意见：
1.在设计民用建筑时，若此地区没有集中热水供应，可给用户安装太阳能热水
器，以提供热水，提高住房的档次，在设计时将冷、热水管线预埋，以平均每套住宅
建筑面积65平方计算，工程造价大约每平方米增加18-20元，
2.设计工厂浴室时，可考虑采用太阳能热水系统，每平方采光面积产热水100升
计算，100平方米太阳能热水系统可产热水10吨，每人每次标准用水40升，可解决
250人的洗浴用水。
作为工厂中低温工业热水，可根据当地各种各样的不同条件予以特
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殊设计。
3.作为工厂中低温工业热水，可根据当地各种各样的不同条件予以特殊设计。
太阳能热水器的推广应用及经济效益据不完全统计，迄今全国太阳能热水器累计
安装使用总量已达300万平方米以上。
所以该控制器具有使用方便、性价比高、工作
可靠、精度高等特为太阳能热水器的进一步推广具有积极的推动作用。
1.3太阳能热水器的工作原理太阳能热水器的工作原理
太阳能热水器的工作原理太阳能热水器的工作原理
热水器主要由集热板、循环管道和水等组成，图中典型的热水器装置图。
图
中集热板按最佳倾角放置，副水箱供给保温热水箱所需的冷水。
集热板吸收太阳辐射后，集热板内温度上升，水温也随之升高。
水温升高后，水
的比重减轻，便经上循环管进入保温热水上部。
而保温水箱下部的冷水比重较大，
就由水箱下流到集热板下方，在集热板内受热后又上升。
这样不断对流循环，水温逐
渐提高，直到集热板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
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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。
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第二章第二章控制系统的硬件设计控制系统的硬件设计
第二章第二章控制系统的硬件设计控制系统的硬件设计
2.1主控芯片模主控芯片模
主控芯片模主控芯片模
主控芯片模块电路
单片机系统由AT89C52和一定功能的外围电路组成，包括为单片机提供复位电压
的复位电路，提供系统频率的晶振。
这部分电路主要负责程序的存储和运行。
对外接
电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、谐振器的稳
定性、起振的快速性和温度的稳定性。
晶体可在1.2MHz～12MHz之间任选，电容C1
和C2的典型值在20pF～100pF之间选择，但在60pF～70pF时振荡器具有较高的频率
稳定性。
典型值通常选择30pF左右，但本电路采用30pF。
AT89C52的复位是由外
部的复位电路来实现的。
复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。
本设
计中所用到的是上电按钮复位，如图2.1所示。
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主控芯片简介
89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用ATMEL公司可
靠的CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。
它结合了CMOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51
单片机体系结构和指令系统，属于89C52增强型单片机版本，集成了时钟输出和向
上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。
89C52内置8位
中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双
向输入/输出I/O口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串
行通信口，片内时钟振荡电路。
此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种
软件选择空闲和掉电模式。
在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系
统维持其功能。
掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它
功能。
89C52有PDIP40pin和PLCC44pin两种封装形式。
图2.2为AT89
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