毕业设计（论文）-基于单片机控制空气能热水器系统设计.doc

编号： 毕业设计说明书毕业设计说明书 题 目 基于单片机控制空气 能热水器系统设计 学 院： 信息与通信学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 工程师 题目类型：题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发 2013 年 6 月 5 日 第第 1 页页 共共 2 页页 摘 要 本设计基于单片机控制空气能热水器系统设计，其研究的意义是空气能热水器通 过介质交换热量进行加热,不需要电加热元件与水接触,所以没有漏电的危险,它也消除 了中毒和爆炸的隐患,更不会因为排放废气造成空气污染，节约能源，提高能源的综合 利用，为人民提供一套安全、节能、环保、廉价和可靠的新一代热水器空气能热水 器。 系统主要采用 AT89S52 单片机作为空气能热水系统设计控制核心。控制部分主要 是以单片机 STC89C52RC 为控制核心，硬件数据采集部分由 DS18B20 三路单总线传感器， 对水温、压缩机排气温度、外机热交换进行温度采集，人机交互部分并将测试结果通 过 RS232 接口发送至计算机进行显示。软件部分应用单片机 C 语言实现了本设计的全 部控制功能。 本设计实现的功能有水位低于最低水位时加水泵开始工作，对保温水箱加水，加 满水之后，如果热水的温度低于设置的温度的下限时，压缩机、循环水泵、外机风扇 开始工作，模拟吸收空气中的热量，放到保温水箱中，达到设置的温度上限时停止。 在压缩机的排气温度大于 110时，为保护压缩机被高温烧坏，压缩机停止工作。通过 MaxRC232 通信把下位机温度数据，各个部件运行状态发送到上位机计算机显示，现实 人机交换的显示界面。 关键词：空气能；单片机；传感器；通信 第第 2 页页 共共 2 页页 Abstract This design based on single chip microcomputer control air sources water heater system design. Air source water heater is the significance of the research through the exchange of heat for heating medium.dont need electric heating element contact with water. So there is no risk of leakage also. It also eliminates the hidden trouble. Poisoning and explosion will not air pollution caused by the discharge of waste gas. Save energy improve the comprehensive utilization of energy to provide a secure, energy saving, environmental protection, cheap and reliable of a new generation of water heaters - air sources water heater. System mainly adopts the AT89S52 single chip microcomputer as control core air sources hot water system design. Control part mainly based on microcontroller STC89C52 as the control core. The hardware of data acquisition part by DS18B20 single bus no 3 sensor of water temperature.Discharge temperature of compressor.Machine heat transfertemperatur acquisition.The human-computer interaction part and the test results sent via RS232 interface to computer for display. Software part of the application Microcontroller C language realize the control function of the design This design features water level is lower than the minimum water level when the pump starts to work. The heat preservation water tank and water, filled with water.If the temperature of the hot water is below the set temperature of the lower limit. Compressor circulating water pump, fan starts to work outside the machine.Simulation absorb heat from the air.In the heat preservation water tank, the limit stop on the set temperature is reached. When Compressor Exhaust temperature greater than 110 to protect the compressor is high temperature burning.The compressor stop working.Through MaxRC232 communication under the machine temperature data.The running state of the parts sent to the PC computer.According to the practical man-machine exchange display interface. Key words: Air source; Single chip microcomputer; Transducer; communication 第第 1 页页 共共 2 页页 目 录 引言.1 1 热水器概述.1 1.1 热水器工作原理.1 1.1.1 空气能热水器热量.1 1.1.2 空气能热水器工作原理.2 1.2 特点与优点.2 1.3 本文研究的意义.4 2 系统方案设计.5 2.1 基本设计要求.5 2.2 发挥部分.5 2.3 方案步骤.5 2.4 方案设计.5 2.4.1 主控制部分方案设计.5 2.4.2 温度采集方案设计.6 2.4.3 显示模块方案设计.6 2.4.4 上位机通信方案设计.6 3 硬件电路的设计.7 3.1 硬件设计原则.7 3.2 系统的基本结构和工作原理.7 3.2.1 系统的基本结构.7 3.3 STC 单片机最小系统.8 3.3.1STC89C52 单片机简介.8 3.3.2 时钟电路.10 3.2.2 复位电路.11 3.4 温度采集模块.11 3.4.1DS18B20 的工作原理.12 3.4.2DS18B20 的温度计算.12 3.5 显示模块.13 3.5.1 引脚功能说明.13 3.5.21602LCD 的指令说明.14 3.5.31602LCD 的 RAM 地址映射及标准字库.15 3.5.41602LCD 的一般初始化（复位）过程.16 3.6 控制继电器模块.16 第第 2 页页 共共 2 页页 3.7 按键电路.17 4 通信系统设计. 18 4.1 串行通信概述.18 4.1.1 并行数据传送与串行数据传送.18 4.1.2 单工方式、半双工、全双工方式.18 4.1.3 异步传输和同步传输.19 4.1.4 波特率.19 4.2 RS232 总线.19 4.2.1 RS-232 收发器.20 4.3 单片机与 PC 机的串行通信.21 4.3.1 波特率及串行口的设置.21 4.3.2 上位机通信设置.23 5 软件设计.23 5.1 系统软件设计实现的功能.23 5.2 软件设计流程图.23 5.3 系统软件 C 程序设计.25 5.3.1 模块化设计.25 5.3.2 结构化编程.25 6 调试与分析.25 6.1 下位机整体调试分析.25 6.1.1 电路调试.25 6.2 上位机调试与分析.27 7 总结.28 谢 辞.31 参考文献.32 附 录.33 第第 1 页页 共共 49 页页 引言 空气能热水器以其节能低碳效果，在热水器市场具有不可比拟与无法相比的竞争 优势。其最大价值是显于其低碳节能效果在能源紧缺与低碳压力持续增大中应用与普 及。空气能热水器其耗能为电热水器的四分之一，燃气热水器的三分之二，太阳能热 水器的二分之一，而被称为“第四代热水器”。据数据统计，假设全国 25%的家庭改用 空气源热泵热水器，一年可节约电能约 1420 亿千瓦时，这个数字相当于为国家建立了 一个半的三峡电站，2008 年的三峡电站发电量才 808 亿千瓦时。而这同时也相当于节 约了 1730 万吨标准煤，减少二氧化碳排放 3690 万吨，减少二氧化硫排放 14.7 万吨。 根据制冷原理，机组以少量电能为驱动力，以制冷剂为载体，源源不断地吸收空 气或自然环境中难以利用的热能转化为可利用的热能，实现低温热能向高温热能的转 移；再将热能释放到水中制取热水，通过热水供应管路输送给用户满足热水供应、供 暖需求。 本设计实现的功能有水位低于最低水位时加水泵开始工作，对保温水箱加水，加 满水之后，如果热水的温度低于设置的温度的下限时，压缩机、循环水泵、外机风扇 开始工作，模拟吸收空气中的热量，放到保温水箱中，达到设置的温度上限时停止。 在压缩机的排气温度大于 110时，为保护压缩机被高温烧坏，压缩机停止工作。当外 机的热交换器的表面结冰时（-5）时，电磁阀工作，切换制管路的流向，进行化霜 处理，化霜完 ，电磁阀停止，正常制热。在 30-60任意设置加热温度，通过 MaxRS232 通信把下位机温度数据，各个部件运行状态发送到上位机计算机显示，现 实人机交换的显示界面。 1 热水器概述 1.1 热水器工作原理 1.1.1 空气能热水器的热量 空气能热泵热水工程制冷由四大件部件组成：蒸发器、压缩机、冷凝器和节流装 置四个部件。主要三大件：压缩机，膨胀阀毛细管，干燥器，辅助部件除霜器：四通 阀。空气能热泵热器突破传统能量转换理论，实现高能效热水器。热泵热水器在工作 时，工质能在蒸发器中吸收环境介质贮存的能量 QA 而启动系统需要消耗能量，即压 缩机耗电 QB，同时工质在冷凝器中释放到高温介质的热量 QC=QA+QB 压缩机输入功启动系统后，由机械动能变成热能。所以热泵输出的能量为压缩机 做的功 QB 和热泵从环境中吸收的热量 QA 之和；输入一个 QB，得到 QB+QA，突破 传统单一不同能之间转变无法达到 100%效率的瓶颈；采用热泵技术能效比更高。 第第 2 页页 共共 49 页页 1.1.2 空气能热水器工作原理 空气能热水器是按照“逆卡诺”原理工作的，形象地说，就是“室外机”像打气 筒一样压缩空气，使空气温度升高，然后通过一种-17就会沸腾的液体传导热量到室 内的储水箱内，再将热量释放传导到水中。 保 温 水 箱 加水泵 循环 水泵 热 交 换 器 压 缩 机 外机 风扇 水源 图1.1 空气能热水系统原理 运用热泵工作原理制热，与空调制冷相反，电制冷 2800 瓦。根据热平衡的原理， 同时最少产生 2800 瓦的热量，加上输入的 1000 瓦电，实际产生的热量在 30004000 瓦，把这些热量输送到保温水箱，其耗电量只是电热水器的四分之一，电热水器即使 热效率 100%，输入 1000 瓦电也只有 1000 瓦的热。 空气能热水器则不需要阳光，因此放在家里或室外都可以。太阳能热水器储存的 水用完之后，很难再马上产生热水。如果电加热又需要很长的时间，而空气能热水器 只要有空气，温度在零摄氏度以上，就可以 24 小时全天承压运行。这样一来，即使用 完一箱水，一个小时左右就会再产生一箱热水。同时它也能从根本上消除了电热水器 漏电、干烧以及燃气热水器使用时产生有害气体等安全隐患，克服了太阳能热水器阴 雨天不能使用及安装不便等缺点，具有高安全、高节能、寿命长、不排放毒气等诸多 优点，空气能热水器的寿命一般可以达到 15 至 20 年。 1.2 特点与优点 1.2.1 安生性 传统热水器以燃气、电和太阳能为主，燃气热水器安全性较差，燃烧不充分和水 压不稳定易造成燃气中毒和烫伤事件，电热水器的漏电隐患和住宅接地不良也对消费 者的生命安全造成严重威胁。太阳能热水器储水式的特点决定了其在晴天时，水温可 能很高，造成烫伤，阴雨天的电辅助加热却留下安全隐患，与以上热水器不同，空气 第第 3 页页 共共 49 页页 能热水器制热过程是通过压缩机排出的高温高压制冷剂气体加热水罐中的水，电主要 用于压缩机，制热后的气体通过外热交换盘式的盘管与搪瓷水罐中的水交换热量，水 电完全分离。这样，既不存在漏电隐患，省去了防漏电的烦恼，也避免了电加热管表 面温度高，易结垢并影响加热效率的弊端，真正作到绝对安全。 1.2.2 节能性 由于采用热泵技术，可将大量的空气中的热量通过压缩机和制冷剂，转变为可利 用的热能，空气能热水器由于吸收了大量空气中的热量，能效比平均在 3 以上，即空 气能热水器的压缩机每耗一度电，可产生电加热消耗 3 度电产生的热水，极大的节省 了能源。 120 升热泵热水器，压缩机功率为 500 瓦，热效率值为 370%，标准工况环境温度 为 20，是普通电热水器的四倍左右（电热水器热效率为 95%） ，可见大大节省了电能， 同样 120 升水从 15升到 55，普通电热水器需要 6Kw，热泵热水器仅需 1.5 Kw，不 仅仅节省了费用，大面积推广也可极大的缓和电力紧张情况，具有很大的现实意义。 表 1.1 各类热水器经济性对比（以 120 升，温度从 15升到 55为例 ） 热水器种类热泵热水器电热水器太阳能热水器燃气热水器 燃料种类电电电天然气 有无污染无无无有 有无危险性无有触电隐患有触电隐患危险 是否方便方便较方便不方便较方便 燃值860 大卡/Kwh860 大卡/Kwh860 大卡/Kwh9000 大卡/m3 热效率 370%95%280%70% 燃料单价0.5 元/Kwh0.5 元/Kwh0.5 元/Kwh2.0 元 120 升水费用0.75 元2.94 元1.0 元 1.5 年运行费用273.8 元1073.1 元365 元547.5 元 注：热泵热水器的热效率采用标准工况环境温度 20，水温 15计算，太阳能热水器以带电 辅助加热的为对比对象，全年阴天按 120 天核算，热效率为 280%。 1.2.3 环保性 与燃气热水器相比无任何排放，其制冷剂选用 R417A，是一种环保制冷剂，对臭 氧层零污染，是 R22 的理想替代产品，目前，该产品在欧洲替换制冷剂市场占 80%以 上的市场份额，被广泛地用于商场、宾馆、超市和办公场所等中央空调制冷剂的替换 ，其节能、环保、高效和替换简单（不用换压缩机和膨胀阀）等特点，使其已成为欧 洲替换 R22 的首选产品。 各种热水器加热方式比较，以每天产生 10 吨热水,温差 45计算,制热量为 450000 大卡。 第第 4 页页 共共 49 页页 表 1.2 各类热水器产生 10 吨热水污染对比 供热方式燃煤锅炉燃油锅炉燃气锅炉电锅炉太阳能空气源热泵 燃料种类煤柴油天然气电电电 是否污染环境非常严重有不严重无无无 有无危险性有比较危险非常危险有无无 热效率 64%85%75%95%95%400% 燃料单位0.45 元/kg 5.8 元/kg3 元/m30.8 元/kwh 0.8 元/kwh 0.8 元/kwh 每 10 吨水需用燃料 163.5kg51.9kg66.7m3551kwh151kwh130kwh 每 10 吨水燃费(元) 73.58310200440.6120.7104.7 年燃料费用（万元） 2.71.17.3164.383.7 人工费用（万元）4（2 人）4（2 人）2（1 人）无无无 设备使用年限5 年5 年5 年5 年5 年10 年以上 1.3 本文研究的意义 空气能热水器以其节能低碳效果，在热水器市场具有不可比拟与无法匹敌的竞争 优势。其最大价值彰显于其低碳节能效果在能源紧缺与低碳压力持续增大中应用与普 及。空气能热水器其耗能为电热水器的四分之三，燃气热水器的三分之二，太阳能热 水器的二分之一，而被称为“第四代热水器” 。据数据统计，假设全国 25%的家庭改用 空气源热泵热水器，一年可节约电能约 1420 亿千瓦时，这个数字相当于为国家建立了 一个半的三峡电站，2008 年的三峡电站发电量才 808 亿千瓦时。而这同时也相当于节 约了 1730 万吨标准煤，减少二氧化碳排放 3690 万吨，减少二氧化硫排放 14.7 万吨。 空气能热水器行业发展的关键，在于其低碳节能价值被更多的人去认知，我国的 大部分电力来源于高耗能与高污染的煤，每到用电高峰期全国各地层出不穷的电荒， 暴露我国能源紧缺与强大需要的尖锐矛盾，而空气能热水器从大力推广到应用普及， 或可解决电荒于根本。 空气能热泵因节能与低碳而在各领域都有广泛的适用性，其发展前景更是令人期 待，人们的都对其寄于了热切的发展壮大希望，并用行动付之以不懈的努力。空气能 热水器发展瓶颈成了空气能热水器普及之路上的最大阻碍。其一，空气能热水器还缺 少支持空气能热水器产品在各种环境下的强适应性与稳定性的支撑技术及相关的技术 标准；其二，空气能热水器的高价格让普通老百姓难以接受；其三，也是空气能热水 器成长之路上首要解决的重要问题，空气能热水器系统的的电气控制部分，如何实现 高能郊的转换，用最少的电能吸收最多的热量。本课题就是研究其控制部分，发挥最 能量转换，为人民更好的服务。 第第 5 页页 共共 49 页页 2 系统方案设计 2.1 基本设计要求 （1）采用单片机（8051/STC/AVR/STM32）作为核心部件对压缩机、外机风扇、加 水泵、循环水泵电磁阀过行控制； （2）采用 LCD1602 显示当前热水温度等信息； （3）采用 DS18B20 芯片作为数字温度传感器部件； （4）采用浮球水位开关进行对水位控制 2.2 发挥部分 （1）实现下位机发送数据到上位机显示 （2）实现上位机调节下位机的温度设置 2.3 方案步骤 根据任务书上的要求进行综合分析，总设计方案分为以下几个步骤： (1)根据空气能热水器控制系统的功能，选用合理元器件并画出总体原理图。 (2)画出各个程序流程图的各模块。 (3)根据流程图编写出各模块的程序。 (4)制作 PCB 版。 (5)完成主程序及实现模块调用。 (6)硬件电路的焊接及调试。 (7)硬件软件的综合调试及程序烧制 2.4 方案设计 2.4.1 主控制部分方案设计 方案一：采用可编程逻辑器件 FPGA 作为控制器。FPGA 可以实现各种复杂的逻辑功 能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、I/O 资源丰富、易于进行功能扩展。采用并 行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。 但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。且从使用 、功耗及经济的角度考虑我们放弃了此方案。 方案二：STC89C52RC 是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码 完全兼容传统 8051,但速度快 8-12 倍。内部集成 MAX810 专用复位电路,针对电机控制 ，强干扰场合。所以我用了方案二来设计。 第第 6 页页 共共 49 页页 2.4.2 温度采集方案设计 方案一： 此方案采用 AD590 来实现。使用 AD590 优点是能及时的反应出温度变化，速度快 ，编程简单，但是芯片输出的是模拟信号,必须经过 A/D 转换后才能送给计算机,这样 就使得测温装置的结构较复杂，而且麻烦的是需要校准，这样增加了控制的难度，而 且成本高。 方案二： 此方案采用 DS18B20 来实现。使用 DS18B20 缺点是编程复杂，转换速度慢。但是 D S18B20 不需要 A/D 转换，温度测量和转换的工作都在一个器件中完成，直接与单片机 的 I/O 连接，而且 DS18B20 保证精度足够高，电路简单成本低。采用数字温度芯片 DS1 8B20 测量温度,输出信号全数字化，便于单片机处理及控制,省去传统的测温方法的很 多外围电路。且该芯片的物理化学性很稳定,它能用做工业测温元件,此元件线形较好 。DS18B20 的最大特点之一采用了单总线的数据传输, 这允许在许多不同地方放置温度 传感器。它可在 1 秒内把温度变换为数字，采集速度较快能及时反应温度的变化。最 高 12 位温度读数，精度可达到 0.0625 摄氏度，温度采集范围-55125 摄氏度，在很 多场合下都能使用，并且价格低，很容易买到。 综合上述两种方案的比较，本系统选用方案二。 2.4.3 显示模块方案设计 方案一： 此方案采用 LED 八段数码管来实现，虽然 LED 具有原理简单、显示快速等特点。 但是由于的管脚较多，电路结构复杂，布线比较麻烦，而且使用数码管不能够同时显 示采集到的全部数据，只能通过按键来切换显示采集到的数据，不够灵活方便，而且 它不能显示英文字符，如果使用锁存方式显示，增加了电路难度，不使用锁存方式则 增加了控制的难度。 方案二： 此方案采用液晶显示器 1602 来实现，虽然 LCD1602 编程比较困难，但是其引脚比 较少，电路连接比较简单，布线比较容易，能够全部显示采集到的数据，方便灵活。 而且它能显示英文字符和数字，具有低功耗、长寿命、高可靠性、清晰、体积小等特 点。综合上述两种方案的比较，本系统选用方案二。 2.4.4 上位机通信方案设计 方案一： 采用 USB 通信，采用此方案技术难度较大，容易出现错码，所以采用方案一。 方案二： 第第 7 页页 共共 49 页页 采用 MAXRS232 串口通信芯片，具有电路简单等特点，并且价格便宜，容易买到 3 硬件电路的设计 3.1 硬件设计原则 一般对于大型的硬件设计的主要思路如下: 一个大型的单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是系统扩展，二 是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，要设计合适的接口电路。系统的 扩展和配置应遵循以下原则： (1)尽可能选择典型电路，为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。 (2)系统扩展与外围设备的配置水平应充分满足应用系统的功能要求。 (3)硬件结构应结合程序设计方案一并考虑。考虑的原则是：软件能实现的功能尽 可能由软件实现，以简化硬件结构。 (4)系统中的相关元器件要尽可能做到性能匹配。 (5)可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分。 (6)尽量减少外围。系统器件越多，器件之间相互干扰也越强，功耗也增大，也不 可避免地降低了系统的稳定性，因而在选择器件上尽量的简洁。 由于本次的毕业设计是一个单片机的小型系统,所以对于上述需要注意的事项在这 次设计中并不需要面面俱到,我总结了一下,在这次设计中需要注意的问题有: (1)注意硬件方案和软件方案的结合。 (2)电路的抗干扰性能。 (3)对元器件的保护能力,要在电路中对电流敏感元器件进行限流控制。 硬件设计是本次设计的基础，它的成功与否关系到本次毕业设计的成败。首先我 们依然是对系统进行分析，分析它有些什么功能，用什么样的器件才能实现。 3.2 系统的基本结构和工作原理 3.2.1 系统的基本结构 该系统由上位机和下位机两大部分组成：上位机微处理器实时监控系统、下位机 测量控制系统。下位机测量系统负责对测量点的温度、水位检测，实时数据的显示， 对压缩机、循环水泵、外机风扇、加水泵、化霜电磁阀进行控制，并提供标准 RS232 通信接口,并根据上位机的控制要求，把测量点的信息返回给上位机控制系统，其具体 由单片机、测量设备来完成。芯片使用了 STC 单片机、DS18B20 数字温度传感器、上位 机部分使用了通用 PC。其基本结构框图如图 3.1 所示。 第第 8 页页 共共 49 页页 图3.1 系统的基本框图 3.3 STC 单片机最小系统 3.3.13STC89C52 单片机简介 STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flas h 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash。具有以下标准功 能：8k 字节 Flash，512 字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，内置 4KB EEPROM ，MAX810 复位电路，三个 16 位定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串 行口。另外 STC89C52 可降至 0Hz 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，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬 件复位为止。最高运作频率 35Mhz，6T/12T 可选。引脚排列如下图 3-2 所示。 图 3.2 STC89C52 引脚排列 第第 9 页页 共共 49