基于单片机的智能热水器控制系统优质资料

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目录基于单片机的智能热水器控制系统优质资料(可以直接使用，可编辑优质资料，欢迎下载）摘要IAbstractII引言11智能热水器控制系统的总体设计方案11.1方案的分析与选择11.2系统总体设计概述21.3各功能模块介绍31.3.1控制模块31.3.2显示模块31.3.3输入模块51.3.4其它模块61.4本章小结82硬件电路的设计与实现82.1单片机最小系统硬件电路设计82.2显示模块硬件电路设计82.3温度传感器DS18B20电路设计92.4电子式水位开关硬件电路设计102.5时钟芯片电路设计102.6声光报警电路设计112.7按键设置模块电路设计112.8电源和开关模块设计122.9本章小结123热水器控制系统的软件设计与算法实现123.1软件总体流程图133.2显示模块程序设计143.2.1写命令子函数143.2.2写数据子函数143.3温度传感器模块程序设计153.4时钟芯片相关程序设计163.5按键设置程序设计163.6主程序和中断服务程序设计173.7本章小结174测试、总结与评价174.1软件平台仿真测试174.2面包板电路搭建测试184.3系统方案总结与评价195结束语19参考文献20致谢21基于51单片机的智能热水器控制系统摘要随着科技的进步和人们生活水平的不断提高，热水器越来越普遍地走进千家万户，给人们的生活带来了极大的方便。同时，人们对热水器的智能化和安全性都提出了更高的要求。这就要求热水器具有一个智能控制系统，能够自动获取当前水温和水位信息，判断实际温度与预设温度关系，从而实现加热的自动控制。本文提出了一种基于51单片机的智能热水器控制系统的解决方案，该方案采用DS18B20单线数字温度传感器来对水温进行检测，使用DS1302时钟芯片实现计数和定时功能，同时加入了水位判断和报警设计。用户通过按键和显示屏来完成系统的参数设置，从而实现定时加热、自动恒温等功能。关键词：单片机，热水器，控制，DS18B20Theintelligentwaterheatercontrolsystembasedon51singlechipmicrocomputerAbstractWiththeprogressofscienceandtechnologyandthecontinuousimprovementofpeople'slivingstandard,thewaterheaterismoreandmorewidelyintothethousands,hasbroughtgreatconveniencetopeople'slife.Atthesametime,peoplealsohopethatthewaterheaterisnotjustsimplybyswitchorbuttoncommands,toheatwater,alsocanaccordingtothepeoplesetthetemperatureoftheautomaticconstanttemperature,timing,heating,automaticjudgmentfunctionsuchaswaterlevel,thewaterheaterofintelligenceandsecurityareputforwardhigherrequirements.Thisrequiresawaterheaterhasaintelligentcontrolsystem,canautomaticallyaccesstocurrentinformation,watertemperatureandwaterleveldeterminetheactualtemperatureandthepresettemperaturerelations,soastorealizetheautomaticcontrolofheating.Thispaperputsforwardakindofintelligentwaterheatercontrolsystembasedon51singlechipsolution,theschemeadoptsDS18B20singlelinedigitaltemperaturesensortotestthewatertemperature,usingDS1302clockchiprealizecountingandtimingfunctions,atthesametimejoinedthewaterjudgmentandalarmdesign.Theuserthroughthebuttonsandscreentocompletethesystemparametersetting,soastorealizethefunctionsuchastiming,automaticconstanttemperatureheating.KeyWords：singlechipmicrocomputer,waterheater,control,DS18B20引言随着人们对生活质量的要求不断提高，热水器逐渐成为了城市居民生活的一个不可或缺的东西。经过多年的发展和技术积累，整个热水器行业也不断涌现出新的产品，热水器的种类也越来越多，从最初的燃气热水器一家独大，到现在的燃气热水器、电热水器、太阳能热水器等多种热水器都有一定的市场占有率。在热水器的使用效果上，功能也越来越丰富，使用更加人性化，甚至结合最新的智能家居和物联网理念，智能化程度大大提高，给人们的生活带来了极大的方便。现在的热水器向着安全、节能、稳定、高效、人性化的方向快速发展着。单片机是一种微控制器，体积小、功耗低、通过编程和外围电路设计，可以完成多种智能控制任务。随着单片机技术的迅速发展，越来越多的家用电器采用各种型号的单片机为控制核心，来完成和人类的交互，并通过相应的程序和内部运算，实现一些智能化的控制，使家用电器的操作更加人性化，控制更加智能化。在热水器中，也广泛采用了单片机作为控制核心，通过相应的温度传感器，在热水器的温度控制上达到了更高的精度，完成了从最初的旋钮调节逐渐向数字化调节方向转变。同时，通过不同的传感器，由单片机控制并指示热水器的各种工作状态，在发生缺水、水温过热等情况时及时向用户给出声光报警，从而防止发生意外，保障了用户的安全。本文所提出的智能热水器控制系统，以51系列单片机为控制核心，通过温度传感器、水位传感器感知热水器状态，并通过按键、显示屏和用户进行人机交互，实现了定时加热、自动恒温的功能，同时也有过热、缺水的报警设计，给用户带来方便。本设计具有成本低、实用性强、温度控制精度高的特点。1智能热水器控制系统的总体设计方案本设计所提到的智能热水器控制系统主要是实现对温度的自动控制、定时加热控制和智能报警的功能，因此，智能热水器控制系统主要分为控制模块、显示模块、信息输入模块、加热模块、声光报警模块等几部分构成。1.1方案的分析与选择对于主控芯片，本方案选择最简单的8位51系列的单片机，性能可靠，成本低，完全可以满足本系统的要求。而且由于51系列的单片机在电子相关专业中的基础性地位，对其使用和编程都比较熟练，可以极大缩短开发周期，更好地完成设计任务。对于显示模块，LED液晶显示屏、LCD1602字符型液晶、LCD12864点阵型液晶三者都是简单的、小型的显示器件，均可完成显示任务。LED液晶显示的内容过于简单，LCD1284更适合显示图像类信息，而LCD1602非常适合显示少量的、丰富的字符信息。因此，选择LCD1602字符型液晶。对于输入模块，分为用户信息输入和传感器信息输入。用户信息输入方面，使用按键进行输入要比旋钮更容易控制，用户也更易于接受，通过设置相应的调节按键，可以十分精确地定位到用户所希望达到的温度。当然，按键也有机械按键、电容按键等许多不同的种类，因为本系统处于实验调试阶段，故选取最简单的机械按键。传感器信息输入分为两个部分，第一部分是温度信息输入，使用温度传感器，用于告诉单片机当前的水温，实现温度的自动控制；第二部分是水位信息输入，使用水位传感器，用来告诉单片机水量信息，达到缺水报警的目的。温度传感器一般有热敏电阻和数字式温度传感器DS18B20可供选择。热敏电阻的可靠性差，且输出的是模拟量，需要进行相应的A/D转换后才能输入，比较麻烦，而相比之下，数字式温度传感器测温范围宽、以单线串行方式与单片机进行通信，节约了单片机的I/O口资源，且直接输出数字量，外围电路简单，因此最符合要求。水位信息输入只需考虑是否是缺水状态，因此只要对是否缺水给出一个电平信息即可，直接封装一个断触电点，一端接地，当有水时，单片机对应端口被拉低，无水时端口电平被拉高，来完成是否缺水的判断即可。同时，为了实现精确的定时加热功能，引入专门的时钟芯片DS1302进行计时，为单片机提供日期和时间基准。为了保证使用者的安全，加入声光报警提示模块，在加热、缺水时给出提示。1.2系统总体设计概述本系统采用51系列单片机为控制核心，以DS18B20单线数字式温度传感器获取温度信息，采用DS1302时钟芯片为单片机提供日期基准，显示方面采用LCD1602液晶显示屏，以机械按键的形式供用户输入，设置当前的系统时间、定时加热的开始时间、水温设定等，来完成整个控制器的控制工作。系统整体的结构框图如下图1.1所示。55V电源模块1602显示单片机及其最小系统及电源接口温度传感器模块水位传感器模块声光报警模块按键输入时钟电路图1.1系统整体框图1.3各功能模块介绍要顺利完成整个系统的设计工作，就要对所采用的各个模块的元器件进行具体的选型，并通过元器件的数据手册、操作说明的资料，详细地了解各个元器件的性能、操作方法、硬件连接要求的内容。1.3.1控制模块本设计采用的主控芯是51系列的单片机处理器STC89C52RC，这是一款采用了CMOS工艺进行生产的8位处理器，该处理器具有相当可靠的工作性能，正常工作的功耗极低，而且有着相当丰富的系统资源，片内的程序存储空间达到了4K、具有512字节的RAM空间，可以满足大多数的程序要求。指令系统完全兼容传统的8051单片机内核，有2K+的EEPROM存储空间。要建立完整的控制模块，还要为单片机配置其最小系统的外围电路，主要包括晶振和复位电路，单片机才能正常的工作。1.3.2显示模块本设计所采用的LCD1602液晶显示屏，是一种小型的、集成度很高的液晶显示屏，可以显示字母、数字、符号等，其特点是功耗低、体积小、轻薄、模块化，而且由于其自带字符库，在显示方面的实现上只需要按照要求对其进行初始化、设定相关的显示位置和显示内容即可，操作简单。作为一个集成化的显示模块，其相应的管脚的具体定义可以查阅操作手册获取，而与单片机的具体连接方式将在硬件设计部分详细介绍。如下图1.2所示为LCD1602的控制器接口的时序说明，在液晶的初始化、读写操作的相关的编程中，要参考该时序图，结合单片机晶振的选取情况作出必要调整，只有正确的时序才能保证单片机给出正确的控制指令。图1.2字符型液晶LCD1602的读写操作时序图LCD1602自带字符库，这就在很大程度上方便了用户的开发，同时也节省了单片机的程序存储空间，不需要在程序中对字符的显示进行定义。如下图1.3所示。图1.3字符型液晶LCD1602的字符库1.3.3输入模块对于单片机而言，要对其进行一定是设置，就必须要有用户进行相关的指令输入，单片机要对热水器的热水温度状态和是否缺水进行感知，要有相关的传感器进行信号输入。输入模块分别为用户指令输入、温度数据输入和是否缺水的信号输入。指令输入由4个独立按键完成，温度输入由DS18B20来完成，是否缺水的信号由电子式水位开关提供。指令输入模块采用4个独立按键完成。独立按键的触发方式为低电平有效，在平时的系统开启状态下，单片机相应端口保持高电平状态，当按键被按下，独立按键两端连通，然后接地，单片机的相应的连接端口的电平被地线拉低，从而能够被单片机捕捉到按键动作。4个独立按键分别是设定键、键值增加、键值减小、确认这个4个功能定义，通过这4个按键，结合软件和算法编程，进行按键状态扫描，然后对相应的键值动作设定正确的响应逻辑，就能够为用户提供完整的参数设置功能。温度输入模块主要采用的是一种数字式集成单线温度传感器，型号为DS18B20。图1.4数字式单线温度传感器DS18B20封装及引脚图在DS18B20的芯片手册中，阅读单线传输协议的时序要求，如下图1.5所示。图1.5DS18B20的读写操作时序水位信号输入选择电子式水位开关BZ2401，供电电压范围在5V-24V，有三根线，电源线、地线和信号线。该产品通过内置芯片检测水位信号，由内部芯片处理，当判断到有水时，芯片输出与电源电压相同的高电平，当判断到无水时，芯片输出0V，产品正常供电后，与单片机通过数据线和地线连接。1.3.4其它模块为了实现准确的定时功能，本系统采用了专门的时钟芯片DS1302，来提供详细的日期和时间基准。同时，设置3个LED灯和蜂鸣器，组成其声光提示和报警模块。DS1302是一款涓流充电时钟保持芯片，由DALLAS公司出品，可以通过简单的串口同单片机进行通信，芯片内部有自己的独立时钟电路和一个31字节的静态RAM，能够向单片机提供详细的时钟信息，如日期年月日，时间时分秒等，对于每月的天数和闰年能够自动进行处理，保证日期记录的准确性。在硬件连接上，其使用三个数据线同单片机的相应端口进行连接，分别为复位、数据和串行时钟。其芯片正常工作的功率极低，在日期时间数据的保持和记录时消耗的功率不足1mW。其封装形式和管脚定义如下图1.6所示。图1.6DS1302的封装和管脚定义在使用时，该芯片要外接32.768KHz的晶振，需要简单的外围电路。如下图1.7所示为其一种典型的应用电路。图1.7一种典型的DS1302应用电路图声光报警模块所采用的LED灯和小型的蜂鸣器就比较常见，电路特性也很容易掌握，在LED灯的使用时，要注意选择合适的颜色，同时要根据最大电流限制，加上合适的限流电阻，从而保护LED灯工作在正常的电压电流条件下。蜂鸣器的驱动无法靠单片机的端口直接完成，要使用相应型号的三极管进行放大，如9012、8550等型号，通过三极管驱动蜂鸣器，才能正常发声。1.4本章小结本章对系统的总体方案进行了设计，同时详细确定了系统所应该具有的功能模块，对控制模块、显示模块、输入模块等模块的主要实现方案和元器件的选择方案进行了分析与比较，从而确定了系统所需要使用的各个元器件。同时，根据元器件的资料和数据手册，对主要元器件的硬件连接、使用和操作方法进行了重点研究，为硬件电路的搭建和软件编程提供了基础。2硬件电路的设计与实现2.1单片机最小系统硬件电路设计单片机最小系统包括晶振、复位电路等。单片机内部已经具有时钟震荡电路，因此，我们搭建单片机最小系统，只需要在其XTAL1和XTAL2两个引脚之间加入反馈电路，就可以让单片机得到时钟信号。一般的反馈电路就是石英晶体振荡器和两个30uf的旁路电容，电容值的大小是根据其晶振频率高低进行调整的。在单片机的最小系统的电路中，石英晶体振荡器的频率越高，单片机内部时钟信号的周期就越短，单片机的指令执行速度就越快。本设计中在单片机时钟频率的设置方面采用12MHz，同时对单片机的复位引脚设置相应的复位按键，以供用户在必要的时候对单片机进行重启操作。对于本系统的各个传感器接口，也要进行引出，以供各个传感器、电源、数据线接口使用。最小系统可以在万用板上手工搭建，也可以直接使用PCB板上焊接好的成品模块，其硬件原理图如下图2.1所示。图2.1单片机最小系统及其接口电路设计2.2显示模块硬件电路设计本设计选用字符型液晶LCD1602为显示器件，将LCD1602的数据引脚都接入单片机的P0端口，即P0.0~P0.7分别对应地和1602显示屏的8根数据线DB0~DB7相连接。如图2.2所示，特殊功能端RS、RW、E通过网络标号，分别接P1.0，P1.1和P1.2。模块的VEE端可以调节显示模块显示字符的亮度和对比度，在实际电路中采用10K欧姆蓝白卧式可调电阻102，通过拧动，可以改变显示字符的效果。图2.2显示模块及其接口电路设计2.3温度传感器DS18B20电路设计DS18B20温度传感器与单片机的连接比较简单，直接将其数据线连接到单片机的P2.1端口上，即网络标号DQ，电源和地线也连接到单片机主板上，同时数据线用电源电压通过4.7K的电阻上拉。图2.3温度传感器及其接口电路设计2.4电子式水位开关硬件电路设计缺水判断由电子式水位开关完成，有水时输出高电平，无水时输出低电平。高电平等于电源电压，因此其供电选择为5V，数据线和地线接入单片机主板，如下图2.4所示，网络标号WATER对应单片机的P2.2端口。图2.4电子式水位开关接口电路设计2.5时钟芯片电路设计时钟芯片DS1302的RST、SCLK和I/O三个端口与单片机相连，进行数据交换，如下图2.5所示，网络标号分别为RST、SCK和IO，分别与单片机的P3.7、P3.5和P3.6相连，实现与单片机的通信。通过参考DS1302时钟芯片的经典电路设计方案，设计本系统所需要电路结构。DS1302具有涓流充电功能，可以设置双电源，其中VCC1为备用电源，在电路中另外引出，接一块型号为CR2302的纽扣电池。VCC2在主板上直接取电。在X1和X2两个引脚之间接入32.768KHz的晶振，为芯片提供基本时钟信号。图2.5时钟芯片电路设计2.6声光报警电路设计报警电路分为灯光报警和声音报警，用于对系统的各种需要报警的状态进行响应，并通过声音和灯光对用户进行提示。如下图2.6所示为声音报警模块电路设计，蜂鸣器使用与单片机相同的+5V电源，使用三极管9013进行控制，集电极接单片机端口，网络标号为BEEP对应单片机的P2.0端口。图2.6蜂鸣器电路设计灯光报警和提示选用高亮度高寿命的LED灯，共阳极接法，单片机给出低电平点亮。设置3个LED灯，串接510欧姆电阻，D1用于指示加热状态；D2用来指示水位状态；D3用来指示温度过热状态。这三个灯分别接单片机的端口P2.5、P2.4和P2.3来完成相关的功能。图2.7指示灯电路设计2.7按键设置模块电路设计本系统的时钟设置、温度设置都需要通过按键来完成，采用4个独立按键的设计，一端接地，按下后将单片机的端口电平拉低，由单片机完成按键动作的捕捉。功能定义为设置键、确定键、值增加键和值减小键，网络标号分别为SELT、ENTER、UP和DOWN，对应接单片机的P1.3、P1.4、P1.5和P1.6四个端口。图2.8按键模块电路设计2.8电源和开关模块设计本系统的外接+5V电源工作，为了控制方便，加入电源总开关，同时使用一个LED灯指示电源状态。在电源与地线之间并联两个滤波电容，滤除电源纹波。图2.9电源模块电路设计2.9本章小结本章主要在PROTEL99SE的软件环境下完成了电路硬件原理图的设计，通过对主要元器件电气特性的研究，合理、规范、安全地构建了系统功能实现的硬件平台。3热水器控制系统的软件设计与算法实现软件设计是整个系统的灵魂，优秀、可靠的软件设计能够充分发挥硬件的资源，并能够出色完成系统的预期功能。软件系统主要的设计思路如下：1、在系统打开后，显示当前的系统时间信息和水温信息，如果水温低于设定值则开始加热；如果水温高于设定值或状态为缺水就进行声光报警。2、响应按键操作。当用户按下设置键时，进入功能选择菜单，功能选择菜单有三个，第一个是设置时间，第二个是设置定时加热开始的时间和结束的时间，第三个是设置温度范围的上限和下限。在软件程序的设计中，充分体现了模块化的设计思想，整个软件系统主要包括了整体初始化函数、LCD1602基础函数、DS18B20基础函数、DS1302基础函数、按键扫描设置策略基础函数几个大的部分，然后在主程序中进行相关模块的函数调用，如传感器状态读取、温度智能判断、报警处理策略、键盘扫描等，完成系统所预期的操作功能。3.1软件总体流程图开始LCD显示开始LCD显示屏、1302时钟芯片、定时器、独立按键、温度传感器、各种端口初始化正常模式？调用时间显示函数0.5s时间到？调用温度读取函数温度显示函数调用报警模块函数调用按键扫描函数NNYY图3.1软件系统总体流程图3.2显示模块程序设计显示模块程序主要包括初始化、写命令子函数、写数据子函数都是其重要的基础功能函数，因此都要在软件系统程序设计的底层库中进行包含。LCD设置参数及端口定义sbitrs=P1^0; //LCD1602sbitrw=P1^1; //LCD1602sbite=P1^2; //LCD16023.2.1写命令子函数1602的操作需要对其进行命令输入，它有自己的指令库。而对于这些命令的写入，需要编写特定的写命令子函数。voidwrite_com(ucharcom) //写指令函数{ rw=0; delay1(5); rs=0; delay1(5); e=1; delay1(5); P0=com; delay1(5); e=0; delay1(5); }其中delay1为编写的延时函数，如下所示：voiddelay1(uintz) //延时函数{ uintx,y; for(x=z;x>0;x--) for(y=10;y>0;y--);}3.2.2写数据子函数对命令进行写入之后，紧接着就要进行所要显示的字符数据的输入，通过写数据子函数来完成。voidwrite_dat(uchardat){rs=1;//选择写数据rw=0;P0=dat;e=1;delay(5);//无延时不能正常工作e=0;}根据以上两个基本函数，来编写1602的初始化函数、显示字符串函数、显示两位十进制数字函数，完成在时间设定、温度设定的过程中进行的各种显示，如以下为时间显示部分的程序代码。voidTime_Display(void){ read_rtc(); Date_dispaly(0x80+0x40+12,time_data[6]);//显示秒 Date_dispaly(0x80+0x40+9,time_data[5]); //显示分 Date_dispaly(0x80+0x40+6,time_data[4]); //显示时 Date_dispaly(0x80+14,time_data[3]); //显示日 Date_dispaly(0x80+11,time_data[2]); //显示月 Week_dispaly(0x80+0x40+15,time_data[1]);//显示周 Date_dispaly(0x80+8,time_data[0]); //显示年// Year/10*16+Year%10 Hour=time_data[4]/16*10+time_data[4]%16;; Minute=time_data[5]/16*10+time_data[5]%16;; Second=time_data[6]/16*10+time_data[6]%16;;}除此之外，还要编写在进行时间设定过程中和在温度设定过程中要显示的内容，结合用户的输入，设置合适的光标显示处理。3.3温度传感器模块程序设计温度传感器的端口定义在P2.1端口。sbitDQ=P2^1;在温度传感器的基础函数设计里边，主要是进行温度获取和处理，读取温度的函数包括读整数部分和读小数部分，通过对DS18B20的数据格式进行解析，编写合适的读取温度子函数。主要基础函数设计包括模块初始化函数、单线串行传输协议延时函数、总线协议配置、字节数据发送、字节数据接收等多个部分。在主程序中对这些函数进行调用，配合LCD显示函数，来完成对温度显示、判断等多种功能。3.4时钟芯片相关程序设计时钟芯片的数据传输定义在单片机的P3.5、P3.6和P3.7这三个端口。sbitsck=P3^5; //时钟端口sbitio=P3^6; //时钟端口sbitrst=P3^7; //时钟端口在DS1302相关的程序设计中，主要就是对芯片的写入数据和读取数据的函数进行编写，然后再编写相应的日期设定函数。使用write_ds1302_byt函数进行数据准备工作，使用write_ds1302函数对数据进行写入，使用read_ds1302函数对时间数据进行读出，使用set_rtc函数对时间进行设置。3.5按键设置程序设计按键设置程序主要是按键扫描策略，因为按键扫描和定义逻辑比较复杂，不仅要识别按下按键的次数、哪个按键，还要配合LCD显示函数，对不同的键值和状态进行显示，并通过控制LCD1602的光标位置与开闭，提示用户进行设置。按键扫描和设置程序单独做成一个子函数，在主程序中循环调用。在进行按键编程操作中，因为使用的是机械按键，会存在抖动的现象，造成检测不准确或按下次数误判，一般采用软件去抖的方式，即通过延时的方式，保证单片机读取到的键值的准确性。按键定义为4个，分别是设置键、确认键、键值增加和键值减小。使用变量SELT表示设置键状态，同时设定一个全局变量Select_num记录设置键被按下的次数，不同的次数就对应着不同的设置功能，根据按键功能设定，设置键按下的次数为1时，光标指向设置时间功能，同时标记进入调节模式；当按下次数为2时，光标指向设置定时功能；当按下次数为3时，光标指向设置温度功能；当按下次数为4时，取消标记调节模式，并回到正常模式。使用变量ENTER表示确认键的状态，同时使用Enter_num记录该键被按下的次数。对于Enter_num的每一个取值，都要首先检查变量Select_num的值，来判断处于哪有功能设定的模式下，进而显示不同的内容，并控制光标的移动。并根据不同功能模式下按下确认键的次数，判断系统当前要修改的数据是哪一个，该不该结束调试，返回正常状态。通过设置键和确认键按下次数的排列组合，构建了系统在调试模式下的每一个具体的调试状态，也就是说Select_num和Enter_num值的组合就确定了当前调整的数据。对于键值增加和键值减小的按键，当这两个按键按下时，使用if条件判断Select_num和Enter_num值的组合情况，执行相应的数据增加1或者是数据减小1的操作。由于键盘检测循环进行，连续按增加或减小按键可以起到连续调节的效果。同时，注意每一个数据的范围，防止设置超出范围。3.6主程序和中断服务程序设计主程序中主要包含各个功能函数的调用。在程序运行开始，对各个模块、端口和定时器初始化操作，然后进入循环结构。循环结构中通过标志位判断系统处于调节模式还是正常模式，并不断执行键盘扫描函数。正常模式下执行温度显示和时间显示，调用报警模块的子函数，进行温度、水位状态的检测和判断。在程序中设置了相应的判断标志位，通过这些变量值的判断来确定是否达到报警条件。水温低于设定温度则开启加热指示灯，高于设定温度则报警，如果缺水的话，也进行报警。中断服务程序主要使用了定时器中断，使用定时器T0定时50ms，并在其中断服务程序中进行计数，为系统的正常模式下的显示数据更新提供时间基准。3.7本章小结本章主要对系统的软件系统和算法进行了设计，对各个模块的基础函数进行了编写，保证模块的正常工作和数据传输。尤其对按键扫描模块进行了详细的逻辑分析和操作设计，保证按键操作的准确性。4测试、总结与评价4.1软件平台仿真测试本系统使用了Proteus软件进行仿真和测试，该平台能够完全模拟单片机的实际电路连接原理和程序设置，同时需要完整的程序代码才能最终完成仿真测试，看到系统的运行效果。该仿真平台能够及早发现硬件电路连接和程序的问题，如下图4.1和4.2为仿真截图。图4.1仿真平台搭建和正常模式图4.2设置键仿真操作通过测试，在仿真环境下，系统正常模式下显示正常，而且能够相应操作按键的各种操作，完成各种参数调节和设置。对于报警状态也能够正常响应。4.2面包板电路搭建测试除了进行软件仿真，本系统也使用面包板和各种元器件，搭建出了实物系统，并进行了上电测试，如下图4.3所示。图4.3面包板搭建实物系统测试4.3系统方案总结与评价通过方案分析和确定、元器件选择、硬件平台搭建和软件系统设计，本热水器控制器系统基本完成了所预期的定时加热、自动恒温控制、智能报警的功能，但也存在一些问题与不足。本设计主要对热水器控制器进行了详细的设计，但控制功能依然是半自动化的程度，如温度过高报警，但没有主动其切断加热电源；缺水状态下不能自动上水。在后续的功能完善中，要逐步加入继电器控制加热模块、电磁阀进水模块，达到全自动的控制。5结束语通过这次毕业设计，我学到了很多东西，如温度传感器、1602、1302的使用方法，在软件编程和硬件电路设计方面的能力得到进一步的提高。本系统通过最初的构想、功能需求设计到最终的软件仿真和实物，进行了许多次的调试，才完成了这个毕业设计。这一过程中不仅收获了知识，也收获了快乐。单片机热水器控制系统具有较低的成本、较高的控制精度、在可靠性和智能化方面也有相当大的优势，相信在热水器智能控制方面，会有更大的发展。参考文献汪铭东,梅广辉.基于单片机与DS18B20的机柜温度控制器设计[J].现代电子技术，2021，37（12）：8⁃10.华成英,童诗白.模拟电子技术基础（第四版）[M]，北京：高等教育出版社，2006.顾涵.基于51单片机的小型温度采集系统设计[D].常熟：常熟理工学院，2021.邓奕、马双宝、谢龙汉，PROTEL99SE原理图与PCB设计[M]，北京：人民邮电出版社，2021.李华，MCS-51系列单片机实用接口技术[M]，北京：北京航空航天大学出版社，1993.吴建平，传感器原理及应用[M]，北京：机械工业出版社，2021.康华光.电子技术基础数字部分[M].北京:高等教育出版社,2021.致谢本论文是在xxx老师的悉心指导下完成的，XXX老师严谨认真的学术态度让我受益匪浅，感谢老师的指导，我才能顺利完成毕业设计课题。同时，也感谢在做毕业设计期间给我提供过帮助的同学们。密级：公开密级：公开密级：公开密级：公开密级：公开密级：公开密级：公开密级：公开密级：公开密级：公开基于ＰLＣ的太阳能热水器自动控制系统设计DesignofＳolａrWaterHeaterAutomａticCｏｎtrｏlSｙstｅmＢａｓedonＰLC学院：电气工程学院专业班级：自动化1005班学号：10０302516学生姓名：魏天野指导教师：白山（教授级高工）2０14年6月摘要现在，城市居民绝大部分都使用了太阳能热水器，农村也有相当一部分人使用。太阳能热水器在技术上比较成熟、造价比较低廉,同时由于给人民提供绝对安全的热水而受到人们的欢迎，且具有节能、环保、安全、便利、长久等优点,所以它的应用会越来越广。因此，研究和开发先进的太阳能热水器控制系统变得越来越重要。本设计阐述了可编程控制器（PＬC）在太阳能热水器控制系统中的应用,重点研究了系统的硬件构成及软件的设计过程。指出了ＰLC设计的关键是能满足基本的控制功能,并考虑维护的方便性、系统可扩展性等。本设计利用西门子S7—200PＬC,进行了太阳能热水器自动控制系统的I／O分配和ＰLC选型,编写了PLC程序梯形图和接线图,实现了自动上水排水、自动循环、自动加热、PID闭环控制恒温出水、手动与自动模式切换等功能。并在此基础上，利用S7-20０的仿真软件对系统进行了仿真，利用ＷiｎＣCFｌexｉｂlｅ软件组态了人机界面，使用MPI通信协议实现了PＬC与触摸屏的通信连接。把可编程控制器PLＣ作为太阳能热水器的控制系统,增加了系统的方便性与可靠性，减少了其它元器件的使用。它使系统接线简单,检修维护方便快捷，增进了系统的先进性。论文分为四章：第一章介绍了太阳能热水器发展背景及设计意义；第二章介绍了太阳能热水器的工作原理；第三章介绍了硬件选型及系统流程;第四章介绍了系统程序的编写、系统的仿真、人机界面（ＷｉｎCCFlexible）组态过程。关键词：太阳能热水器；PLC；自动控制系统AbstractNｏw，vaｓtmajoｒiｔｙoｆuｒbanresidentsuｓｅsoｌaｒwaterheaｔers,soｄoacoｎsiｄeraｂlｅnｕｍｂerｏfｒuｒａlｐeoｐｌe.Ｓolarwaterheａteｒsaretechnicalｌymoremature，rｅlaｔiｖelylowｃosｔ.Mｅａｎwhile，ｓｉnｃｅitpｒovｉdeabｓｏlutesecurｉtytotｈeｐeｏplｅofhｏｔａndpeoplearewelcome，andｉｔhaｓsｏmｅadvaｎtａgesoｆｅnergyｓaving，ｅnviｒonmenｔａlｐｒotｅctiｏn，safeｔy，convenience,long,etc.Soｉtｗillbewiｄelyaｐplied.Therefｏｒe，ｔhｅresｅaｒchａnddevelｏpmeｎtoｆcｏntrｏllingsyｓtｅmｏfadvａnｃedsoｌarwaterｈeaterareｂｅcomｉnｇincｒeａｓiｎｇｌｙimpｏrtant。ＴｈisdesigneｘpｏundsｔhｅapｐlicaｔionｏfＰLＣinsolarｗａterheａterautｏｍatｉccontrollｉngsystem，esｐeｃiallyｔｈｅdｅsiｇnｉnｇprocessofharｄwａｒeａｎｄsoftwａｒeoftheｓystｅm．Furtｈｅｒｍoｒe，ｔheprojectshowstｈａｔthekｅｙofPLCｄesigninｇiｓtosatisfｙｔheｂasiccontroｌliｎgｆｕｎｃｔiｏn，consiｄeringtｈecｏｎvenｉeｎcｅofmainteｎanceaｎdｓcalａbility.Inthisdｅｓiｇn,tｈeaｄdreｓsoｆI／OisrｅsigｎedａndtｈesuitaｂlePＬCischｏsen。Tｈeelｅcｔｒicａｌpｒinciplｅdｉagramanｄtheinteｒcｏnｎeｃｔionｄiagrａｍaｒedrawn，accordｉngtotｈerｅqｕiremeｎｔ。Automatｉcwaterdraｉｎage，automａticcｙcｌe,automａticheating，PIDloopｃontrolｔeｍperaturｅwater,manualandaｕｔomaticｍodeswitchingfｕnctionhavｅbeｅnrealizｅd．Ａndonthisbasis，ｔhesystemwaｓsimulatedusingthesimｕｌａtｉonsoftwareｆorS7—2０0,producedamａn－ｍachineinterfacｅbyusiｎgWinCCFlｅｘibｌesofｔwarｅ。Ａsthecontroｌｌｉｎｇsystemofsolarwaｔｅｒhｅatｅr，PLＣgreatｌｙｒｅduｃｅstｈenumｂｅrofothercomponents。Mｏreｏver，ｉthastｈefeatuｒesuｃhasｓimpleｉnteｒconｎｅｃｔion,raｐｉdａnｄｅasyｆａultdeteｃtinｇａndｍaｉnｔenance，ａndａdvancｅｍenｔofthesysｔem.Tｈｅｐａperisdividedintｏfourｃｈapｔｅrｓ:thｅfirstchaptｅrdescriｂeｓtheｂackgｒoundofthｅdｅvｅlｏpmentａnddesignofsolarwaterheaterｓsigniｆiｃanｃe；Seconｄcｈapterdescribesthｅworｋinｇprinｃｉpleofｓolarｗａterheatｅｒs;Thiｒdｃhaｐtｅｒdeｓcｒiｂｅsｔhehaｒdwａrｅselectiｏnａndsystempｒｏcｅｓｓes；Thefourtｈchaｐterｄesｃｒiｂeｓtｈepｒｏcedｕreｓfoｒｔheｐreparａtｉonofthesｙｓtｅｍ,sｙsｔeｍsiｍuｌａtiｏn,HMＩ(ＷinＣCFｌexible）ｃonfiguratiｏｎpｒocesｓ。Ｋeｙｗords:Soｌarwatｅrｈeater；PＬＣ;Ａｕtoｍaticcｏntｒｏｌsystem目录ＴOC\o”１-3”＼h\z＼ｕHＹPERLＩNK\l"＿Toc39０9360８4"摘要ﻩPＡＧＥREF＿Toｃ3909３6084\hＩHYPＥRLＩNＫ\l＂＿Toc390936085"AbstractﻩPAGEＲＥF_Toc3909３608５\hII第1章绪论 PAGEREＦ_Toc390936086\h1HYPERLIＮＫ＼l”＿Tｏc39０9360８7”1.1课题研究的背景ﻩPAGERＥF_Toc３9０936087\h1HYPERLINＫ\ｌ＂_Toc３90936088"1。2国内外研究现状简述ﻩPAGEREF_Ｔoc390936０88\h2HYＰERLINK\l＂_Toｃ3９０９３608９”1。３太阳能热水器市场分析ﻩＰAGＥREＦ_Ｔoc39０93６089\ｈ３HYＰERLＩNK＼ｌ"_Toｃ390936０9０”1.4本设计特点及主要内容 PAGEＲEＦ_Ｔoｃ３909３6090\h5HYPERLIＮK\ｌ"_Tｏc3９0９3６０91"第２章太阳能热水器的组成及工作原理ﻩPAGＥRＥF＿Toc3909360９1\h６2.１太阳能热水器的基本结构 ＰAGEREＦ_Toc39０９36092＼ｈ6HYPERＬIＮK\ｌ"_Toc３90936093＂２。2太阳能热水器的工作原理 PAＧEREF_Toc39093６0９3\h8HYPERLIＮK\l”_Toc390936０94＂2。3本设计要实现的功能ﻩＰＡＧERＥF_Toc3９0９３6094＼ｈ1０HYPＥＲLＩNK\l”_Toc３9093６095"第3章太阳能热水器硬件的选型及设计 PAGＥREF＿Toc３90９３609５＼h1１HYPERＬＩNＫ\l＂_Tｏc3９0936096”3．1PＬC的工作原理ﻩPＡＧEＲEＦ_Ｔoｃ３９０936096\ｈ11HＹＰＥRLINＫ3．2硬件设备的选型 PＡGEREＦ_Toｃ３９0９3609７\h１３HＹPEＲLＩNK\l＂_Toc390９36098”３.2．1PＬC的选型ﻩPAGEREＦ_Toｃ３９0936098\h13HＹPERLINＫ\l＂_Toc3909３6099＂其他硬件的选型 ＰAGEREF＿Toc3９09360９9＼h15HＹPERLINK4．1系统的I/O口地址及相关的软元件功能设置ﻩPAGＥREＦ_Ｔoc39０9３6１05\h2３4．2系统的程序流程图 PＡＧEREF＿Toc3909３61０６\h25HＹPERＬＩNK＼l"_Ｔｏｃ3９0936１０7＂4。３设计控制系统的梯形图程序ﻩ９３６1０７＼h２8HＹPEＲLINK\ｌ”＿Toｃ390936108＂4.4系统仿真ﻩPAGERＥF＿Toｃ３90９36108＼ｈ３5HYＰEＲLＩNＫ4.５组态人机界面ﻩＰAGERＥF_Tｏc３90９３610９＼ｈ３9HYＰERLＩNＫ＼l"＿Toc390936１10"第5章结论 PAGEREＦ_Ｔoc３909３611０\h4２HYPERLＩNK\l”_Ｔoc390936111＂参考文献ﻩＰAGERＥF＿Toc３９093６1１１＼ｈ43ＨYPERLIＮＫ\l＂＿Tｏc３9０9３6１12＂致谢ﻩPAGEＲＥF_Toc3９09３６1１2＼h45ＨＹPERLINＫ＼l"＿Toc390936113"附录S7-2０0仿真监控图 ＰAGEREF_Toc39０936113＼h４６第1章绪论１。１课题研究的背景太阳能(ＳｏlaｒEneｒgy),一般是指太阳光的辐射能量,太阳能是一种可再生能源,广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，生物质能,潮汐能、水的势能等等。太阳能利用的基本方式可分为光—热利用、光—电利用、光-化学利用、光-生物利用四类。在四类太阳能利用方式中，光—热转换的技术最成熟，产品也最多，成本相对较低。如：太阳能热水器、开水器、干燥器、太阳灶、太阳能温室、太阳房、太阳能海水淡化装置以及太阳能采暖和制冷器等[1]。太阳能光热发电比光伏发电的太阳能转化效率较高，但应用还不普遍。在光热转换中，当前应用范围最广、技术最成熟、经济性最好的是太阳能热水器的应用。当今世界能源问题已经成为一个普遍性的问题,能源关乎着国家的安全，谁掌握了世界上的能源谁就掌握了国际事务的话语权，谁就有了国家经济发展的基础,谁就有了同其他国家相抗衡的资本。但是传统能源已经被消耗殆尽,为了国家未来的发展，世界各国都在开发新能源，太阳能作为一种既清洁又取之不尽的资源已得到了越来越多的应用.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、石油、天然气储量的日益减少，能源危机也日益严重,与此同时环境污染的危机也不断的威胁着生态平衡,太阳能开发利用的课题也提到了人类的面前。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[２］.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。太阳能热水器是技术上比较成熟、造价比较低廉，同时由于给人民提供绝对安全的热水而受到人们的欢迎，且具有节能、环保、安全、便利、长久等优点，因此它的应用会越来越广。尤其在农村地区具有很大的现实意义：中国四分之三的人口居住在农村，目前仍有约2万个村庄,80０多万个农户,3０0０多万人口没有电力供应。而农村６0%左右的村民仍然依靠燃料秸秆、薪柴为主做饭和烧水,它不仅造成空气污染,而且还严重破坏植被,威胁生态环境.随着化石能源的逐步枯竭,煤炭、石油和电力一直涨价，且能源供应日趋紧张.太阳能无污染、无运输、无垄断、“取之不尽、用之不竭”,是最有发展前途的可再生能源。在社会主义新农村建设中大力推广应用太阳能，不仅能够解决农村的基本能源消费问题，促进可再生能源的高效利用，实现农村生产发展、生活宽裕的双重目标，还有利于乡风文明和村容整洁，促进社会主义精神文明发展[3］.图1－1太阳能热水器１.２国内外研究现状简述在世界范围内,世界上第一台太阳能热水器在１00多年前诞生于美国,它是一种闷晒式热水器［4］。到目前为止国外太阳能热水器的发展主要经历了以下几个阶段：第一代，这是一种非常简易的利用，用铁皮桶放在楼顶，外表面刷上黑色油漆以增强对阳光的吸收;第二代,平板式HYPERLＩＮK”httｐ:/／wwｗ.taｉｙangｇonｇｇ/inｆｏ/Ｓort．aｓp?I_bigclassｉd＝2&I_smalｌCｌａssId＝８"太阳能热水器，采用中心铜管加两翼铝或者铝铜合金作为吸热体，前期翼片刷油漆，后期采用对阳光具有选择性吸收的氮化铝/铝等涂层。现今,绝大多数的涂层太阳光吸收比可达０。90以上，优质的平板式HＹPＥRLＩNＫ＂hｔtp://www。ｔaiｙａ/”太阳能一般应具备以下几个特点：铜管加铝翼吸热体、低铁盖板玻璃、良好的密封、采用选择性磁控溅射涂层等;第三代，HYＰＥRLINK”httｐ：/／wｗw.ｔaiyanggonggｏ/info/Sｏrｔ。asｐ？Ｉ_bｉgｃlasｓiｄ=4＆I_smaｌlＣlasｓIｄ=27"真空管式HYPＥRLＩNK”ｈttp：//ｗww。taiyanｇgongｇ/"太阳能热水器，平板式HYPERLIＮＫ"http：//wwｗ。ｔaｉｙanggｏｎggｏｎg．cｏm/”太阳能采用铝等边框加玻璃盖板对吸热体进行围护,在寒冷的冬季，热散发很大,基本没有热水可用,真空管式HＹＰERLINＫ＂hｔｔp：／/ｗwｗ.taiyangｇonggｏng.cｏm/”太阳能热水器可以良好地解决这个问题，采用双层高硼硅玻璃管(类似水瓶胆原理）作为吸热体,成功解决了平板HＹPＥRLINK＂http：／／ｗｗｗ。tａiｙanggｏnggoｎ/”太阳能热水的散热问题;第四代，超导热管式HYPEＲＬINK”htｔp://wwｗ．taiyangｇonggｏng。ｃom／”太阳能热水器，玻璃真空管式HＹＰERLＩNＫ＂httｐ://www.tａiyanｇgonggｏnｇ。ｃｏm/"太阳能热水器在夏季水温高,一般购买HYＰＥRLINK"hｔｔp:/／www.tａiyaｎggonggｏnｇ.coｍ／＂太阳能热水器以冬季新产热进行选购，夏季热水用不完,自来水在７５℃易结水垢，很多HYＰEＲLINK"httｐ：//www。taiyaｎｇgonggoｎｇ。cｏm／＂太阳能热水器在夏季就像是一台开水器，二三年下来，在管壁就结上一层水垢,阻碍了对阳光的吸收，大大降低HＹＰERLINK”ｈttp：//wｗw.ｔａiyａｎｇｇoｎggoｎg．coｍ／＂太阳能热水器的水温，超导热管式ＨＹPERLINＫ”ｈttp://wｗw.taiｙａｎgｇonｇgｏｎｇ.com/＂太阳能热水器采用真空管加超导铜管和铝片作为热的传导体,水不直接流经真空管，从而使真空管的性能基本恒定，但采用较多的铜材,价格相对较高。现在太阳能热水器技术已很成熟，并已形成行业，正在以优良的性能不断地冲击电热水器市场和燃气热水器市场[5］。目前其产品的发展方向仍注重提高集热器的效率,如将透明隔热材料应用于集热器的盖板与吸热间的隔层，以减少热量损失,聚脂薄膜的透明蜂窝已在德国和以色列批量生产。1。３太阳能热水器市场分析随着城市化进程的不断加快,带来了新型工业化的发展，也带来了新的建筑能源供应的需要。预计到20２0年，中国的每个城镇竣工面积将继续保持在十亿平方米左右，15年间新增城镇民用建筑面积总量将为150亿平方米，加上现有建筑面积总面积将达到２８０亿平方米以上，建筑的能源消耗大幅增加,不可避免[6]。中国庞大的人口，使得我们必须高度重视建筑的能源消耗问题，积极探索出一条节能途径，在保证社会的发展和人民群众的生活水平的不断提高的大前提下,实现城市建设可持续发展，建设建筑物的能耗，将对我国的长期稳定发展有着深远的影响。据中国节能协会节能服务产业委员会统计,中国的建筑节能产业产值在２01０年接近300亿元,20１2年达到6６4亿元人民币的规模，由此可见,建筑节能服务市场是巨大的.20０９年，中国的太阳能产业规模已位居世界第一位，而太阳能产业的产值也接近千亿大关,中国是世界上太阳能热水器生产和使用最多的国家。但从我国城镇家庭生活热水供应率上来看,我国城镇家庭目前的生活热水供应率仅为67％，平均每户热水用能仅80~１30kWh/户年，与日本的每户平均热水用能14０4kＷh／户年比，相差十倍，人均用热水量远低于发达国家［７］.随着生活水平大幅提高,将进一步增加国内热水消耗。全面开发各种太阳能热水系统，是我国城市化进程太阳能热利用的必由之路。图1—2城乡太阳能热水器的发展1．４本设计特点及主要内容目前，我国大部分太阳能热水器控制部分，往往需要大量的中间继电器和时间继电器来满足生产工艺要求，结果使电路设计复杂、繁琐，故障时有发生，给使用和日常维护带来了很大的不便。在电子技术飞速发展的今天，有必要而且有可能采用新技术对原电气控制系统进行改造，以提高可靠性，并实现系统的自动控制,提高太阳能热水器稳定性。可编程控制器（ＰLC）由于可提供使用的时间继电器和中间继电器，而且其常开、常闭触点可多次重复使用,使得我们在编程中可以随心所欲。用内部编程“软元件”取代继电器逻辑控制电路中大量的时间继电器和中间继电器,简化控制线路、有效提高系统的可靠性,是PＬC的突出特点［8］。本设计是基于西门子S7－200的PLC太阳能热水器控制器设计，目的实现储水箱的低水位自动指示与自动上水功能;通过PLC内部的PＩD模块实现热水器恒温出水功能;为了防止在阴雨天气以及夜晚情况下人们不能够正常洗浴，系统还加入了辅助电加热器，当储水箱温度低于洗浴的设定温度时电加热器自动开始工作，同时为了尽可能的减少电能的浪费，当加热到设定的温度上限时,电加热器自动退出工作，这样可以满足人们一天24小时的不间断用水,系统还拥有自动手动两套程序，当系统运行过程中出现问题时可以通过手动切除故障,实现系统的自动手动控制,提高了系统运行的可靠性.全文分五大部分。第一部分包括第一章，描述太阳能的利用状况和发展前景.第二部分包括第二章,描述太阳能热水器系统的组成及工作原理。第三部分包括第三章,完成硬件的选型和设计。第四部分包括第四,完成软件的设计及仿真，组态人工界面。在本文中分别介绍了传感器的特点及应用、一般的太阳能热水器及循环系统、ＰLC的发展和应用、ＰLC和传感器的选型，这也是设计此款太阳能热水器的理论基础和必要前提。第2章太阳能热水器的组成及工作原理2。1太阳能热水器的基本结构太阳能热水器按使用分类,可分为季节性热水器、全年性热水器以及有辅助热源的全天候太阳能热水器。按集热器原理和结构可分为平板型热水器和真空管热水器［9]。按工质流动方式不同，又可分为闷晒型、循环型和直流型三种。但不管何种类型的太阳能热水器,其基本结构都是一样的，太阳能热水器通常由集热器、绝热储水箱、连接管道、支架和控制系统组成,如图2-1所示。图2-1太阳能热水器的基本结构图（1）太阳能集热器:系统中的集热元件。其功能相当于电热水器中的电热管。和电热水器、燃气热水器不同的是,太阳能集热器利用的是太阳的辐射热量,故而加热时间只能在太阳照射度达到一定值的时候。目前中国市场上最常见的是全玻璃太阳能真空集热管。结构分为外管、内管，在内管外壁镀有选择性吸收涂层。平板集热器的集热面板上镀有黑铬等吸热膜,金属管焊接在集热板上，平板集热器较真空管集热器成本稍高,近几年平板集热器呈现上升趋势，尤其在高层住宅的阳台式太阳能热水器方面有独特优势。全玻璃太阳能集热真空管一般为高硼硅3．3特硬玻璃制造，选择性吸热膜采用真空溅射选择性镀膜工艺[1０]。（2)绝热贮水箱:太阳能热水器水箱是贮存热水的装置,其结构、容量、保温和材料将直接影响热水器的性能和运行的质量.贮水箱主要组成部分为水箱内胆、保温层、水箱外壳、密封圈四部分。水箱内胆生产材料的质量，对水箱的耐压、耐温、防渗漏及水质影响很大。目前市场上出售的产品，其水箱内胆主要有０。６mｍ厚３04－2Ｂ不锈钢，它无磁性、抗锈蚀、焊接性好，塑性好。其它的常用材料有钢板进行防腐处理或搪瓷、镀锌钢板、防锈铝板、塑料或玻璃钢等。水箱的热特性包括放热特性、加热特性、保温特性。放热特性就是希望水箱内的热水都能放出来，方便利用.加热特性是大多数水箱内的水是上部先热起来，然后下部再慢慢热起来。保温特性指水温下降的快慢，与水箱的封密性、保温材料、环境温度、水容量大小等相关.(3)支撑架:太阳能热水器的支撑架主要由反尾座及主撑架组成。(4）控制系统:一般家用太阳能热水器需要自动或半自动运行，控制系统是不可少的,常用的控制器是自动上水、水满断水并显示水温和水位，带电辅助加热的太阳能热水器还有漏电保护、防干烧等功能。市场上有手机短信控制的智能化太阳能热水器,具有水位水位查询、故障报警、启动上水、关闭上水、启动电加热等功能，方便了用户（5）其它部件:热水器的密封圈除具有密封性好、耐高温、寿命长等性能外,还应不溶于水,否则食用后会对人体有害。质量较好的密封圈材料选用硅橡胶，但市场上采用普通橡胶或再生橡胶的商家却大有人在。2。2太阳能热水器的工作原理太阳能热水器是一种利用太阳辐射能通过温室效应把水加热的装置。温室效应是指由于对流、反射损失减少使能量聚集、温度逐渐升高的一种自然现象。温室效应又称为热箱原理,它是通过一个上面盖有透明玻璃的封闭箱体来实现能量聚积的［1１］。阳光透过玻璃进入箱体内，被黑色表面吸收，而向外反射和对流的能量受到玻璃和箱体的阻挡，被保留在箱内,这样箱体内的能量不断积聚，温度不断升高，甚至可达１０0℃~2０0℃。利用聚积的高温来加热水，就是太阳能热水器。太阳光穿过吸热管的第一层玻璃照到第二层玻璃的黑色吸热层上，将太阳光能的热量吸收,由于两层玻璃之间是真空隔热的,热量不能向外传，只能传给玻璃管里面的水,使玻璃管内的水加热，加热的水便轻沿着玻璃管受热面往上进入保温储水桶.由于太阳能热水器在运行过程中不消耗任何常规能源（煤、石油、天然气、电等），所以人们把它形象地称为“不烧煤的锅炉”［12］。真空管式家用太阳能热水器是由集热管、储水箱及支架等相关附件组成，把太阳能转换成热能主要依靠集热管，集热管利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而达到所需热水［13］。集热器内的水加热后要与储水箱里面的冷水实现循环以使储水箱里的水不断的被加热，目前常用的热交换方式主要有三种:自然循环、强迫循环和定温放水循环.(1)自然循环式：自然循环的特点是,储水箱必须安设在集热器顶端水平面以上才可进行系统循环。装置中集热器内的水经太阳辐射,使水温上升，密度开始逐渐变小，与储水箱内未被太阳辐射的水产生了密度差(或称重力差、温度差）,形成了热虹吸压头在集热器中缓缓上升。温水经过设置管道(上循环管）进入储水箱，而在此同时储水箱内相对温度低、密度较大的水慢慢下降,经设置管道(下循环管）流入集热器下部补充。这样以水的比重差或称热虹吸压头为作用力，而不借助外力来使水进行循环的方式称为自然循环［14].自然循环的运行其密度差愈大,循环的速度愈快，反之循环的愈慢。这种循环方式能使储水箱内的水持续升温,太阳辐射停止，循环也渐渐终止。图2－2太阳能热水器水循环原理图(2)强迫循环式:强迫循环顾名思义是借助外力迫使集热器与储水箱内的水进行循环。它的特点是储水箱的位置不受集热器位置的制约，可任意设置，可高于集热器,也可低于集热器。它是通过水泵将集热器接收太阳辐射的水与储水箱的水进行循环，使储水箱内的水温逐渐增高。市场上经常采用的强迫循环热水器是一种两次循环分离式热水器，集热器装入特殊的导热介质或防冻液，靠循环泵进行循环[１5］。该泵由温差启动器进行控制,当温差达到预定温度时，启动泵，进行循环;低于预定温度时，泵停止运行。热水是通过储热水箱中的特殊的热交换器进行热交换的（图2—2).(３)定温放水式:定温放水式与强迫循环不同的是它不是循环的概念，而是通过温度控制器将达到设定温度的水用水源压力或水源加压力水泵输送到储水箱内。它的特点是水源经集热器到储水箱，因为没有循环，又非常简单，只是将水在集热器内闷晒后送入储水箱，因此，有人将这一方式称为直流式或直流定温放水[１６］.这种方式的又一特点是与温差控制式强迫循环的方式一并使用能有效地节约用水,定温放水的水箱容积一般较大,有时前一天的水未被用完,如果不升温,水即被白白放掉，如果有温差或强迫循环的机构就可将这部分水加温。2。3本设计要实现的功能在本系统中需要实现以下几种功能：(１）自动上水及水位上下限指示功能在系统中通过加入限位开关来不断的检测储水箱内的水位，当水箱内的水位低设定值下限时,低液位指示灯点亮,上水阀自动打开开始加水,当水位上升到设定值上限时，高液位指示灯点亮，上水阀自动关闭，加水停止.(2)集热器热水与储水箱中冷水进行循环功能通过在集热器出水口放置温度传感器可以检测出水温度，再通过在储水箱里面放温度传感器检测储水箱内的水温度，再通过两个温度值的比较，当集热器出水温度大于储水箱水温度时，循环泵打开，实现水循环,使储水箱里面的水不断的被加热，只要有温度差循环就进行，直到两者之间的温度差消失.(3）辅助电加热功能储水箱里的温度传感器带显示功能，设定一个储水箱水温度上下限值当温度低于设定的温度下限时,辅助电加热器开始工作,储水箱里的水温开始上升，当达到温度上限时电加热停止，以达到全天候不间断供应可以洗浴的热水的目的,尤其在阴天或者晚上时能够满足人们的洗浴要求。(４)恒温出水功能通过设定一个温度值，然后在三通调节阀的出水口放置一个温度传感器,不间断的测量三通阀的出水温度，再通过与设定值的比较，通过ＰＬC的中的PID模块计算，控制三通调节阀的开度，使三通调节阀的出水温度恒定.PLC的PID闭环控制可以实现对温度的精确控制，可以满足人们对洗浴水温的高标准要求，避免水温的不稳定对人身造成的伤害.(5）自动手动转换功能在系统运行过程中有可能碰到很多未知的实际问题,为了防止系统出现崩溃,应设置必要的手动自动转换功能。在系统发生不能排除的问题或检测失效时，启用手动操作,切除故障。还可