电气自动化技术课程设计太阳能热水器智能控制器设计

太阳能热水器智能控制器的设计太阳能热水器智能控制器的设计0济南铁道职业技术学院济南铁道职业技术学院毕业论文毕业论文题目：题目： 太阳能热水器太阳能热水器智能控制器的设计智能控制器的设计系别：系别： 电气工程系电气工程系专业：专业： 电气自动化技术电气自动化技术班级：班级： 电气自动化技术电气自动化技术 0832 班班学生姓名：学生姓名：指导老师：指导老师：完成时间：完成时间： 2010-12-25太阳能热水器智能控制器的设计太阳能热水器智能控制器的设计1摘摘 要要众所周知，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。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。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。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。太阳能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。关键词：单片机、太阳能热水器、温控系统太阳能热水器智能控制器的设计太阳能热水器智能控制器的设计2目录目录摘摘 要要 .1目录目录 .2第一章第一章 前言（绪论）前言（绪论） .31.1 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 .3第二章第二章 .设计思路及要求设计思路及要求 .32.1 本设计的目的和意义本设计的目的和意义 .32.2 设计要求和目的：设计要求和目的： .42.3 本设计实现思路及方法本设计实现思路及方法 .4第三章第三章 .硬件设计硬件设计 .43.1 控制系统组成及工作原理控制系统组成及工作原理 .43.2 主要原器件介绍主要原器件介绍 .63.3 AT89S51 单片机的最小系统单片机的最小系统 ： .143.4 AT89S51 单片机时钟电路单片机时钟电路 .153.5 AT89S51 单片机复位电路单片机复位电路 .153.6 水位检测电路的硬件设计水位检测电路的硬件设计 .153.7 水温检测电路的硬件设计水温检测电路的硬件设计 .163.8 键盘电路的硬件设计键盘电路的硬件设计 .183.9 驱动电路的硬件设计驱动电路的硬件设计 .213.10 显示电路的硬件设计显示电路的硬件设计 .21第四章第四章 .软件设计软件设计 .264.1 软件设计原理及设计所用工具软件设计原理及设计所用工具 .264.2 显示子程序显示子程序 .28第五章第五章 .系统调试系统调试 .305.1 软件调试软件调试 .30第六章第六章 .系统功能系统功能 .306.1 系统能实现的功能系统能实现的功能 .296.2 系统功能测试系统功能测试 .296.3 系统功能分析系统功能分析 .29第七章第七章 .参考文献参考文献 .30总总 结结 .31结束语结束语 .32太阳能热水器智能控制器的设计太阳能热水器智能控制器的设计3第一章第一章 前言（绪论）前言（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 80C51 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。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。第二章第二章 .设计思路及要求设计思路及要求2.1 本设计的目的和意义本设计的目的和意义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。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。太阳能热水器智能控制器的设计太阳能热水器智能控制器的设计42.2 设计要求和目的：设计要求和目的：（1） 掌握太阳能热水器的工作原理及实现控制方法；（2） 太阳能热水器水位的检测和显示；（3） 太阳能热水器温度的检测和显示；（4） 太阳能热水器水温的设定和电加热器的控制；（5） 太阳能热水器上水水位的设定和控制；（6）编写控制流程图及单片机控制程序2.3 本设计实现思路及方法本设计实现思路及方法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段码显示为温度的符号 C，水温有效值最多可显示为 99.9。第三章第三章 .硬件设计硬件设计3.1 控制系统组成及工作原理控制系统组成及工作原理系统组成 ： 如图 3-1 所示，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中的位置以及控制电阻加热丝加热。太阳能热水器智能控制器的设计太阳能热水器智能控制器的设计5自动控制阀：主要通过控制器控制，当水箱中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水箱中上水，直到上到上一个目标水位为止。 手动控制阀：当自动阀损坏时，可以通过手动阀进行上下水。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，接地的电极放在最水箱的最底下，其余分别放在四等分点上，比如当水箱中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。水温检测传感器：主要用来检测水箱中水的实际温度。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。 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。（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，具体控制过程如下：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。当温度加热到大于 30 摄氏度时电热器断开，如此反复循环保证了温度的稳定。（2）循环水集热过程图 3-1 系统组成示意图图图 2-1 系统组成示系统组成示意图意图太阳能热水器智能控制器的设计太阳能热水器智能控制器的设计6早晨水温控制之后（79 点） ，设定当日的水箱温度 N（由两位 BCD 次齿轮开关设定） ，输入微机，再利用微机控制系统，通过太阳光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-T15 摄氏度，T2T1）为止。如若 T1=N，那么循环水集热过程结束，进入冷水集热控制过程。（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 T3N 则将已加热的水送入热水箱，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T3N，打开热水阀门 F3 并将保持一段时间，若 T3N 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光能转化为热能，方便快捷。（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，将它和设定值 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T11000 次）Flash ROM32 个双向 I/O 口 硬件看门狗 WDT 电路3 个 16 位可编程定时/计数器时钟频率 0-33MHz两个串行中断 5128bit 内部 RAM2 个外部中断源 内置时钟振荡器中断激活睡眠模式 3 级加密位双重数据存储器 软件设置睡眠和唤醒功能3.2.2 数码管显示：由单片机的定时器 To 做 16 位计数器（为便于数据处理，这里只用低 8 位计数值，即寄存器 TL0 中的值） 。一边记录脉冲数量，一边以厘米为单位由四位数码飞管显示出来。四位数码管采用动态扫描方式显示。长度计量仪采用 0.5 英寸共阳极连接的 LED 数码管。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）共阳极型 LED 数码管，是将各段发光二极管的阳极连在一起，作为公共端 com,应接高电平。ag、Dp 各笔段中，某笔段接低电平时发光，高电平时不发光。为了节省单片机 I/O 口的数量，将各位数码管的 ag 对应笔画并联起来分别与单片机的 P2.0P2.7 引脚连接。显示时，由 P2 口依次输出各位数字的笔段码，并依次由 P1.0、P1.1、P1.2、P1.3 输出低电平位选信号接通数码管的公共端，轮流进行，循环不止，由于循环的频率较高（约 50Hz） ，加上人眼的视觉暂留，既保障了各位数字的对应显示，又不会出现闪烁现象，实现动态扫描显示。本系统需显示水温，测量范围为 099 0C，用四个八位 LED 数码管显示。1）LED 结构和显示原理。LED（Light Emitting Diode）显示器是由发光二极管作为显示字段的显示器件，最常见的是由 7 段型发光二极管（ag7 段）和 1个圆点型发光二极管（常以 dp 表示，主要用来显示小数点）组成的 LED 显示器，图 3-3 LED 数码管g f C om a b 10 9 8 7 6 1 2 3 4 5 e d C om c Dp Dp （ a ） （ b ） Dp g f e d c b a +5v 太阳能热水器智能控制器的设计太阳能热水器智能控制器的设计9其排列形状如下图所示。这种 LED 显示器也可称为 7 段数码显示器（或 8 段数码显示器） 。LED 显示中的发光二极管根据其连接的方法有共阴极和共阳极两种结构。共阴极结构：把各段发光二极管的阴极连接在一起构成公共阴极，如图 a 所示。使用时，公共阴极接地，根据要求需点亮发光二极管的阳极输入高电平，不需点亮的发光二极管的阳极输入低电平。共阳极结构：把各段发光二极管的阳极连接在一起构成公共阳极，如图 b 所示。使用时，公共阳极接+5V，根据要求需要点亮发光二极管的阴极输入低电平，不需点亮的发光二极管的阴极输入高电平。通过控制 7 个段的发光二极管的亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其他符号。2）字段码。为了显示