太阳能热水器的自动控制毕业论文.doc

太阳能热水器的自动控制目录摘 要3第一章：绪论太阳能热水器的应用及前景4第二章：设计目的与设计思路2.1 设计目的52.2 设计要求52.3 设计思路5第三章：太阳能热水器控制系统的组成及原理3.1 控制系统的组成63.2 控制系统的原理8第四章：硬件电路的设计4.1 检测电路的设计 水温检测电路设计9 水位检测电路设计104.2驱动电路设计114.3键盘电路设计124.4 显示电路设计134.5 51系列单片机简介144.6数字温度传感器简介17第五章：软件设计控制软件设计19心得体会21附录摘要太阳能热水器很早就被人们所熟知，广泛应用于人们的日常生活。但是目前,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。太阳能热水器控制系统的设计方案有很多，本设计采用msc-51系列单片机作为中央处理器，采用12846液晶显示模块，本课题的设计基于单片机的软件控制下完成时间、温度、水位的显示。基本显示目标为：（1） 显示水温和水位，电加热水温可任意设定；（2） 显示时间，可通过键盘设置时间参数；（3） 设置温度参数后，自动控制电辅助设备加热； 关键词：单片机，太阳能热水器，自动控制绪论太阳能热水器的应用及前景太阳能热水器应用较好的国家有西班牙、以色列、意大利、希腊、德国、荷兰、澳大利亚、日本、美国等国家。一些国家利用太阳能热水器除了提供家庭热水外，还用于采暖、空调及泳池加热等领域，其中美国的太阳能热利用主要用于泳池加热。目前太阳能热水器已在我国城乡开始推广使用，主要供应生活和洗浴热水，我国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和应用国。太阳能热水器节能减排，实现能源替代，效果显著。经过两年多的实践，人们认识到太阳能热利用是投资少、见效快、经济实用、节能减排，实现我国能源替代的一个好产业，国家也正大力扶持和支持，学校、宾馆、饭店、洗浴中心纷纷建设太阳你洗浴系统，太阳能热水器的市场存在扩大空间。新农村建设与建筑节能也为太阳能热水器的应用推广带来机遇。但是市面上绝大多数的控制器结构简单，功能单一，智能化程度低下，用户界面不人性化，只具有水位显示功能，不具有温度显示功能。并且当水位加到一定的程度的时候也没什么措施，只能通过手动的方法来控制水位的高度。因此根据以上要求为核心，开发出一种太阳能热水器智能控制系统，解决了目前市面上太阳能热水器控制系统存在的问题。第二章 设计目的与设计思路2.1 设计目的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。 2.2 设计要求1、能够根据水位和水温两个条件控制是否需要进水，每次只进整个水箱的四分之一水量，也可以在手动状态下自由进水（上满时自由停止）或停止进水。2、控制系统具有手动和自动切换功能；3、具有水温和水位显示功能；4、具有进水超水位和超水温报警指示；5、用水时若水温达不到设置值时，可手动起动加热装置，这样可在很大程度上节约电能；6、用水时可自由调节水温；7、控制系统具体管道排空功能，这样防止冬天时因水管内有积水而在夜间冻裂水管。2.3 设计思路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 太阳能控制系统的组成及工作原理3.1控制系统的组成系统组成 ： 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。(1) 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。(2)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。系统组成示意图 图 2-1 系统组成示意图 (3)手动控制阀：当自动阀损坏时，可以通过手动阀进行上下水。(4)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。(5)水温检测传感器：主要用来检测水箱中水的实际温度。(6)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t1n，电加热接通；否则，电加热断开，而且，15点20点中的每个小时有下表的关系：表一 温度比较时间（时）温度比较加热值（度）15t135n3516t140n4017t145n4518t150n5019t155n5520t160n60最终热水箱的温度加热到设定值n。由此可见，即使没有日照我们照样可以洗上热水澡了。综上所述，太阳能供热控制系统不仅节约而且高度只能化，方便省事，不论日常家居，还是对宾馆、学校等都是最佳选择。3.2控制装置的工作原理本控制系统分为手动和自动两种控制方式，在系统处于自动状态下，当检测温度高于设置温度，且水位未达到最高时，控制器打开电磁水阀yv1和yv2进行上水，同时点亮上水指示灯，当水位上至上一目标水位时，自动停止上水（即关闭电磁水阀yv1和yv2），若水箱内无水，则自动上水至最低水位处。在系统处于手自动状态下，可自由上水或停止上水（上水时水箱水位必须未满），若水位达到最高则自动停止上水；若需要启动加热器则必须先设定加热温度，然后按下加热键进行加热；若需洗浴时，则需打开手动阀yv4，系统自动打开电磁水阀yv2，可通过yv5自由调节水温；当电磁水阀yv1和yv2损坏或停电时，可通过打开yv5和yv6进行上下水解决燃眉之急；此系统设置yv3是为了防止冬天气温过低引起水管因内有积水而冻裂（即手动打开此阀放完水管中的积水）第四章 硬件电路设计4.1 检测电路设计 水温检测电路设计 水温检测电路本设计温度传感器选用ad590。ad590属于半导体集成电路温度传感器，测温范围-55- +150，在其二端加上一定的工作电压，其输出电流与温度变化成线性关系，1ua/k，误差有几种等级:1、0.5、0.3，本设计中选取0.5品种。op07为高精度运算放大器，ad590电流流经r1、rp1转换为电压信号，r2、rp2为运算负反馈电阻，成反相比例放大器，将温度信号转换成0-5v的电压信号，adc0832再将其转换为数字信号，输入cpu。控制器的操作使用方式自然合理。s1用来切换操作状态。控制器有“直接控制”和“参数修改”两种工作状态。按s1键显示“00”，控制器进入“直接控制”状态，显示“01”、“02”、“03”、“04”分别表示“设定水位上限”、“设定定时上水时间”、“设定定时加热时间”、“设定加热温度”。进入“参数修改”状态后，s2、s3用来修改规定的参数，s1接受本次修改，并切换到下一个参数，s4取消本次修改。进入“直接控制”后，s2用来手动上水，s3用来手动加热，s4用来停止加热或上水;若水位已经超过设定水位上限，或水温已经超过设定温度，“直接控制”将不起作用。设定水位上限：控制器可以监测6个水位，上限水位可以由用户设置，水位上限设置范围为位置3、4、5、6。设定定时上水时间：每天在规定时间检查水位，并上满。若设定时间为00或大于等于24，则取消自动定时上水。设定定时加热时间：每天在规定时间检查水温，若水温低于设定温度，则接通电加热器，将水温加热到设定温度。若设定时间为00或大于等于24，则取消自动定时加热。设定加热温度：定时加热温度也可以由用户设定，可设定范围为2060。水位检测电路设计水位检测电路 实验证明，纯净水几乎是不导电的，但自然界存在的以及人们日常使用的水都会含有一定的mg2+、ca2+等离子，它们的存在使水导电。本控制装置就是利用水的导电性来完成的。我们把储水箱大致分为四个等份，水位由潜入太阳能热水器的储水箱不同深度的水位电极和潜入储水箱底部的公共电极（导线）进行检测；由单片机依次使各水位电极呈现高电平，由公共电极所接的三极管进行电位转换，水位到达的电极，转换电位为低（0）；水位没有到达的电极，转换电位为高（1）；每检测一位便得到一位数据，5个电极检测一遍以后便得到了5个串行数据，然后把这5个数据转化为字节一路送发光二极管；在这里我们可以用发光二极管亮的盏数来显示水位的高低。（若没有发光二极管亮则表示箱内没有水或者只有少量的水，若有一个发光二极管灯亮则表示箱内有四分之一箱的水，以此类推，若有四个发光二极管亮，则表示水箱水是满的。）当水位未达到a时，即ha时、这时传感器的总阻值为4r，对应，系统处于缺水状态。当ahb时，传感器电阻阻值为3r，对应，系统处于20%水位。当bhc时，传感器电阻阻值为2r，对应，系统处于50%水位。当ch1000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at89s51单片机的最小系统 4. 4.7f 10k6m20pf+5v vcc ea gndat89s51 rst xtal1 xtal220pf+5vat89s51单片机最小系统所谓最小系统，即指使单片机能正常工作的所需的最少的电路，即应包含cpu及辅助电路、rom、ram及i/o端口等电路。由于at89s51内部已经包含4kb的flash memory程序存储器，所以无需再扩展片外程序存储器。在at89s51的基础上，加复位电路、时钟电路、ea引脚信号及电源即可。结合资料及所学过的内容，得到如图所示的单片机最小系统。图中，晶体振荡器的频率选6mhz，复位电路采用上电复位，电路参数如图中所示，以满足系统复位时两个机器周期的高电平的要求。由于cpu的内部已含有程序存储器，所以ea引脚接高电平。at89s51单片机时钟电路该水位自动显示控制器采用at89c51单片机，机内有一高增益反相放大器，构成自激振荡电路，振荡频率取6mhz,外接6mhz晶振，两个电容c1、c2取20pf，以便于起振荡的作用。 右图中xtal1为内部时钟工作电路的输入，xtal2为来自反向振荡器的输出。时钟电路at89s51单片机复位电路该水位自动显示控制器采用上电复位电路，由r14、c3构成复位电路，在上电瞬间，产生一个脉冲，at89s51将复位。为保证可靠复位，脉冲宽度应大于两个机器周期，这取决于r、c时间长数。取电容c=10uf，电阻r=10k。数字温度传感器ds18b20主要特性及测温原理一线式数字温度传感器ds18b20是ds1820的更新换代产品(由美国da iias公司生产)。它具有体积小,分辨率高,转换快等优点。由于每片ds18b20 含有唯一的硅串行数, 所以在一条总线上可以挂接多达248 2181014只ds18b20,再加上ds18b20 独特的单线总线结构,决定了ds18b20 特别适合于大型的多路温度实时测控系统的温度检测。温度实时测控集装箱的设计, 在实现测控系统的温度检测方面就较好地利用了ds18b20 的独到特点,使系统得到了极大的简化。（1）ds18b20的特性1）独特的单线接口方式。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。2）ds18b20支持组网功能,多个ds18b20可以并联在唯一的单线上,实现多点测温。3）ds18b20 的测温范围为: - 55+125,在-10+ 85时, 其精度为+ 015。4）ds18b20的测温结果的数字量位数从912位,可编程进行选择。数字化温度传感器ds1820测温范围为- 55+125 ，增量值为0.5 (9位温度读数)，它主要由4个数据部件部分组成：64位rom;温度传感器;非易失性的温度告警触发器th 和tl；高速便笺存储器64 位rom用于存储序列号，其首字节固定为28h，表示产品类型码，后6个字节是每个器件的编码，最后1个字节是crc 校验码. 温度告警触发器th和tl 存储用户通过软件写入的报警上下限值，高速便笺存储器由9个字节组成，其中有2个字节ram单元用来存放温度值前1个字节为温度值的补码低8位，后1个字节为符号位和温度值的补码高3位。（2）ds18b20 测温原理ds18b20内部结构框图,如图所示。 ds18b20内部结构框图ds18b20 的测温原理：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,振荡器的脉冲可以通过门电路。而当到达某一设置高温时, 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。（3）ds18b20的操作协议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。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检测。ds18b20传感器精度高、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：与用传统温度传感器组成的多点测温系统相比可节省大量电缆，而且系统得以简化，系统扩充维护十分方便。ds18b20 可以广泛用于工厂工业过程、大型粮仓、酿酒厂，食品加工厂的温度检测以及宾馆、仪器仪表室等处的温度检测和控制。第五章 软件设计5.1 控制软件设计主程序流程图如图所示。子程序流程图如图所示。主程序首先完成串行口、定时器、中断源的初始化，设置初始运行参数、开中断，然后循环读取键盘状态、检测系统是否漏电。一旦检测到系统漏电，进行声音和显示报警，将所有执行机构断电；若系统不漏电则根据存储的键盘状态和检测的水温、水位等状态信号进行相应得处理并等待中断服务程序的执行。系统正常控制时，首先显示水温和水位，若检测到水流开关打开用水时，自动断开上水阀和电加热体电源，即实现水电联动，用水停电。当检测到水位过低时打开电磁阀上水；到达最高水位后，自动关闭电磁阀。在水位超过第二档时，将检测的实际水温与设置水温进行比较，若实际水温低于设置水温，则加热体通电进行辅助电加热；若实际水温高于设置水温时，切断加热体电源；若检测到水位低于第二档，不管设置温度高低，总是停止加热，以防止加热体干烧。 led显示子程序：disi: setb p1.7 ;灭显示mov r0, #sbcdmov a, r0 ;取出要显示的数add a, #2dh ;加上偏移量movc a , a+pc ;查表取出段选码mov sbuf, a ;送出显示dl1: jnb ti, dl1 ;输出完否?clr ti ;完,清中断标志inc r0mov a, r0add a, #21hmovc a, a + pcanl a, #oefh ;个位加小数点mov sbuf, adl2: jnb ti, dl2clr tiinc r0mov a, r0add a, #13hmovc a, a+pcmov sbuf, adl3: jnb ti, dl3clr timov a, #0ffhmov sbuf, adl4: jnb ti, dl4clr ticlr p1.7 ；亮显示retsegtab: db 11h,0d7h,32hdb 92h,0d4h,98hdb 18h,0d3h,10h,0d0h心得体会这次毕业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、和数字电子技术基础、单片机、传感器等知识的运用。从而完成了本次设计。在设计的过程中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以外，才能成功的设计出一件合格的东西。这次毕业设计收获很多，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。在设计过程中，也学会了很多新的东西，比如传感器的知识，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，我觉得伙伴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，还能提高我们每个人的实际水平，也培养了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。这次毕业设计是对三年来大学学习的检验和总结，我感觉到要学习的还有很多。虽然学习生涯结束了这并不代表就可以停止学习，有句话叫:活到老学到老，所以我会在今后的生活工作中继续学习。由于时间关系，本次设计中还有不尽完善之处。希望在以后的学习和工作生涯中不断的完善和改进。在本次设计过程中遇到不少问题，在谢老师和同学的帮助和配合下才顺利的完成了本次毕业设计。谢老师在我们做设计的过程中，给予了我们极大的帮助，不仅从知识方面引导了我们的设计思路，同时，在人生观上也给了我们不少的启示。非常感谢老师和伙伴们给我的帮助。附录键盘输入主程序：mov p1, #0fh ；键盘初始化，p1.0p1.3置输入方式，p1.4p1.7为0状态mov ie, #84h ；开cpu中断，开int1中断sjmp $ ；中断等待中断服务程序：org 0013 ；int1中断入口地址ljmp io51k16 ；从中断入口转移键盘处理程序io51k16io51k16: call d10ms ；延时10秒lcall keyin ；调键输入检查子程序jnz lkout ；有键输入，