基于单片机的太阳能热水器智能控制系统毕业设计

编号本科生毕业设计基于单片机的太阳能热水器智能控制系统设计DesignofSolarWaterHeaterIntelligentControlSystemBasedonMCU毕业设计〔论文〕原创承诺书1．本人承诺：所呈交的毕业设计〔论文〕《基于单片机的太阳能热水器智能控制系统设计》，是认真学习理解学校的《长春理工大学本科毕业设计〔论文〕工作条例》后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2．本人在毕业设计〔论文〕中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要奉献的个人和集体均已在文中注明。3．在毕业设计〔论文〕中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承当相应的法律责任。4．本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计〔论文〕的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保存毕业设计〔论文〕的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计〔论文〕，可以公布其中的全部或局部内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承当！作者签名：年月日摘要本文将设计一种适合于家用、高性能的太阳能热水器控制装置，实现多种自动化功能，使用方便、人性化。这一设计将促进太阳能热水器更广泛的使用，从而推动低碳能源的利用，环保节能。本文在介绍传感器、单片机、时钟芯片的特点根底上，详细描述了太阳能热水器的工作原理和设计方案。根据太阳能热水器对控制器的要求，提出了以ATmega16单片机为检测控制核心，结合SD2200实时时钟，控制水温水位，并利用液晶显示屏实时显示时间、温度、水位等信息，五个按键可以实现对水温和水位的设定。该设计绿色环保，符合国内低碳经济，具有可持续开展性。关键词：太阳能热水器单片机温度传感器实时时钟AbstractWiththedevelopmentofhumanraceduringthenewcenturyenergyconservationandenvironmentalprotectionbecomesoneofthemostimportantthingsin21stcentury.Cleanandrenewableenergysourcesaresteppingontothestageofthenewcentury.Asaresult,itwouldbeofgreatsignificancetousesolarenergywhichisbothcleanandinexhaustibleincertainareas.Thispaperproposesadesignofasmartsolarwaterheatercontrollerwhichcouldrealizeseveralkindsofautomaticfunctionstomaketheusemoreconvenientandhumanized.Ibelievethatthisdesignofsmartcontrollerwouldencouragetheuseofsolarwaterheater.Onthebasisoftheintroductiontothesolarenergy,sensorandSIM,thispapergivesthedetailinformationoftheworkingprincipleofsolarwaterheaterandalsodescribesthedesignscheme.Accordingtothecharacteristicsofthecontrollerandthefunctionofthesolarwaterheater,thecontrollerisbasedonATmegal6，SD2200,andLCD,realizingthefunctionofrealtimedisplaytoshowthevalueoftemperatureandwaterlevel.Moreover,userscouldsetthetemperatureandthewaterlevelby6differentbottomsonthecontroller.Keyword:Solarwaterheater;Temperaturesensor;Realclock;SC目录摘要IAbstractII目录III第1章绪论11.1太阳能热水器的应用及其意义11.2太阳能热水器的开展现状21.3论文的主要工作2第2章太阳能热水器的工作原理及功能42.1太阳能热水器的比拟42.2太阳能热水器工作原理52.3太阳能热水器控制装置的主要功能72.4太阳能热水器智能控制器的主要技术指标9温度检测9水位检测9第3章太阳能热水器智能控制器的硬件设计113.1太阳能热水器智能控制器的硬件结构113.2微处理器最小系统123.3温度检测电路14温度传感器DS18B20的特性143.3.2DS18B20的工作原理153.3.3DS18B20温度传感器的多点测量163.4时钟电路163.5水位检测电路173.6按键电路173.7显示器电路183.8辅佐热源电路193.9漏电保护电路20第4章太阳能热水器控制器的软件设计214.1主程序设计214.2温度检测子程序234.2.1DS18B20温度显示234.2.2DS18B20子程序的流程图244.2.3DS18B20多点测量254.3显示子程序26第5章结论28参考文献29致谢30第1章绪论1.1太阳能热水器的应用及其意义在全球煤炭、石油、天然气资源日益枯竭下，能源危机的威胁日益加剧的时代背景下，寻找低廉、清洁、可持续的新能源已经成了人类开展的首要问题。太阳能因其清洁、量大、低廉受到人们的青睐，有人预测，21世纪太阳能将成为全球的主要能源。由于太阳光具有分散性、地区性和季节性，太阳能的使用还存在技术难点，因此目前仍未被大规模使用，世界各国都在对太阳能的应用进行积极的探索。太阳能热水器是太阳能热利用中技术成熟、价格低廉的产品。在人们环保意识不断增强的背景下，太阳能热水器受到越来越多的消费者的青睐，然而很多人对太阳能热水器的了解并不是很多。因此，将从性能上对电热水器、燃气热水器和太阳能热水器做一个比拟。1、加热速度目前市场上的燃气热水器多数为快速热水器，无论何时，需要用热水时，均只需翻开水龙头和燃气阀就会有热水流出。电热水器那么需提前通电半小时后才有热水使用。在晴朗的天气的，太阳能热水器的使用效果较好，对于高层建筑，楼层越高效果越好。2、温度稳定燃气热水器具有温度调节装置，加热速度快，只要开始使用时调节到了适合的温度，之后就会一直以此温度稳定地供给热水。与燃气热水器不同的是，电热水器在使用时罐内会有冷水不断流入，罐内水温会逐渐下降，因此在使用时可能需要调整冷水和热水的比例。太阳能热水器和电热水器的调温原理类似，用完热水后需要上水，不能保证经常有热水，阴天和阳光不充足的天气，太阳能热水器的水温可能不高。3、功率燃气热水器的功率最大，电热水器的功率次之。一个8L的燃气热水器的功率接近16~17kW,40升的电热水器那么相当于3kW4、价格从本钱上看，目前市场上8L的燃气热水器一般为800元/台，加上安装及其他费用，每台8L燃气热水器的花费大概在1000元以上，大品牌的燃气热水器可能会接近2000元。40L电热水器加安装费用所需的总费用不到1000元，太阳能热水器的市场价格大都在3000元以上。太阳能热水器的本钱最高，燃气热水器次之、电热水器本钱最低。从使用费用上看，天然气的价格根据地方不同大约在2-3元/m3的范围内。居民生活用电价格0.52元/kWh。电热水器最大的优点是可以在任何家庭直接安装使用，可以长时间通电，供水量大。供水时无任何气体产生，平安卫生，防止了燃气热水器CO中毒的危险，且目前市场上的电热水器均具备防漏电的功能，电热水器的平安系数高。其缺陷是耗电量高、使用本钱高，水箱体积大、易结垢。与燃气热水器和电热水器相比虽然太阳能热水器的本钱最高，但其仅需很小的运行费用，费用总量低，其最大的优点是环保、节能、平安、经济。目前市场上的太阳能热水器均配有电加热作为辅助热源，以太阳能为主、电能为辅，克服了阴天和阳光缺乏的天气热水温度不够的缺陷。太阳能热水器的缺点是安装复杂、与建筑的结合程度不高，安装不专业会影响建筑的外观、城市的容貌，由于安装的位置大局部均在楼顶，维护比拟复杂麻烦。1.2太阳能热水器的开展现状大多数太阳能热水器使用方便，节能，但功能单一，操作较复杂，控制起来不能到达理想效果，只有温度、水位、时间的显示功能，而对其控制的智能化水平不高。虽然太阳能热水器带有辅助加热功能，但防止不了由于无法控制加热时间而产生过烧现象造成的电能浪费。鉴于此，为了使使用者可以根据自己的需求将水温、水位调节到所需值，而且通过显示屏可知道实时水温、时间、水位，特对太阳能热水器控制器进行研究。近三十年来，我国太阳能热水器技术飞速开展，目前已成为世界上最大的太阳热水器生产国。但由于没有统一的行业标准，太阳能热水器控制器的各个厂家各自为伍，控制器的研究未成规模，正处于起步阶段。随着太阳能热水器市场的不断壮大，市场上出现的太阳热水器控制器的种类日益繁多，但大局部都存在一些或多或少的问题，主要表现在：系统可靠性差、不稳定、误操作的几率大；控制精度不高、温度、水位的检测误差大；系统抗干扰能力差，时间长了系统容易乱码；辅助热源与太阳能热水器的结合度不高，容易发生故障；辅助热源电加热的平安性不高，常发送漏电伤人事故；系统功能设计不完善，存在资源浪费现象。随着传统能源的日益枯竭，清洁能源越来越受到人们的青睐。太能能热水器是目前太阳能利用技术最成熟的产品，太阳能热水器的市场份额越来越大，前景越来越广阔，但目前中国的太阳能热水器生产企业管理混乱、没有明确的分工，太阳能控制器的研发投资少、研发力量薄弱。因此，研发高质量的太阳能热水器控制器是太阳能热水器市场发出的必然需求。1.3论文的主要工作本文介绍的太阳能热水器以微控制器ATmegal6单片机控制中心，选用SD2200作为时钟芯片。并采用两个DS18B20温度传感器串行，实现对水温的测量。同时，采用LCM12864ZK液晶显示屏作为显示器，利用按键电路设定水温水位值，并可设定加热上水时间。同时设定各种报警功能，包括水满报警，缺水报警，加热完成时报警等功能。第2章太阳能热水器的工作原理及功能2.1太阳能热水器的比拟太阳能热水器集热器是指能大量吸收太阳福射能量，将其转换热能，并通过介质传热的装置。太阳能集热器是太阳能热水系统最关键的部件。根据集热器的结构以及热量的吸收形式，目前在我国内地市场上的太阳能热水器有闷晒式热水器、全玻璃真空太阳集热管热水器、玻璃金属封装的热管式热水器、平板式热水器等多种形式。1.平板型太阳能集热器平板型集热器一般由透明的玻璃盖板、涂有吸热层的吸热板、防止热对流的隔热材料和能承压的外壳等几局部组成。平板型集热器的运行原理是：太阳光照在高穿透度的玻璃板盖，并照射在吸热板上，同时吸热板吸收了太阳的辐射能，温度升高，由于传热介质紧贴着吸热板，因此传热介质的温度也随着升高，传热介质温度的升高那么实现了太阳能与热能转换，完成了平板集热器的热能输出。当温度升高后，吸热板会通过对流、传导、辐射等几种不同的方式向四周散热，从而导致了集热器局部热量的损失。2.真空管太阳能集热器真空管式太阳能集热器是前人在改良平板型集热器缺乏的根底上开展而来的。平板集热器的玻璃盖板与吸热板之间的热对流、传导和辐射造成了极大的热损失。如将吸热材料与透明盖板之间抽为真空，大大减少盖板与吸热体之间的热对流、传导和辐射。真空管式太阳能集热器就是基于此产生的。真空管式集热器主要由假设干根其空集热管组成。真空管整体类似于一根U形管，管子由两层钢化玻璃构成，外层玻璃的投射率高、反射率低，内存玻璃管的表层涂有吸热材料，内外两层之间被抽为真空，U形管空间内注入传热介质，当太阳辐射时，涂在内层管表层的吸热材料吸收辐射发热，将热量传递给传热介质从而实现了太阳能太热能的转换，通过介质实现了真空管式集热器的热量输出。由于内层管与外层玻璃之问被抽为真空后管子的热传导率低、对流小、辐射低，大大减小了热损耗，增强了热转换效率。根据真空管内吸热体材料的种类，真空管式集热器可以分为：全玻璃式真空管集热器和金属吸热体式的真空集热管集热器两类，全玻璃真空管集热器是指吸热体附在内存玻璃管上构成的真空管式集热器；金属吸热体真空管是集热器是指吸热体附在金属材料上构成的真空管式集热器。全玻璃真空集热管的外形类似一个被拉伸的暖水壶瓶胆。其主要由六大部件构成，分别为：选择性吸收涂层，内存玻璃管，吸气剂，真空，弹簧支架，外层玻璃管。全玻璃真空集热管采用的是一种一端开口，另一端封闭的结构。内层玻璃管一头同外玻璃管熔封为一体，而另一头那么单独密封为半球形圆头状结构；为缓冲因热胀冷缩产生的应力，用弹簧支架支撑内玻璃管，使其可以自由伸缩；把选择性吸收涂层涂在内玻璃管的外外表上，将外玻璃管与内玻璃管之间的夹层抽成真空。真空集热管在运行时会产生一些气体，为保持集热管内的真空状态，在弹簧支架上安装吸气剂，当其被蒸散之后可以吸收真空管内的气体[6]。3.热管式真空管集热器热管式真空集热管主要由七局部构成，分别为：钢性玻璃管、高热传导率的金属吸热管、薄金属封盖、传热管、活性弹簧支架、蒸散型和非蒸散型吸气剂等。其中按照功能的不同，热管又分为两局部：冷凝段和蒸发段。热管式真空集热管的工作原理为：阳光透过玻璃管照射到吸热板上。吸热板的选择性吸收涂层将辐射转换为热量。吸热板吸收的热量将热管内的工质迅速汽化，随着工质蒸汽温度的升高，工质蒸汽上升到冷凝段，在热管冷凝的遇冷冷凝放出大量的热。此时处在集热器冷凝段的传热介质将获得大量的热，实现了热交换。集热管内的工质蒸汽凝结后变成液体在自身重力的作用下又重新流回蒸发段，如此反复循环，就完成了太阳能与工质热能的转换。热管采用汽化潜热的原理进行高效的热能传递，传热系数很高，其热导率是几何尺寸相同的金属棒的几个数量级倍。重力热管又称为热虹吸管，是热管式真空集热管中使用最多的一种。目前国内使用最多的是铜-水热管，在国外，有机物质也有被作为热管工质的，只要热管壳体材料与工质相容即可。综合本工程的实际情况，选定平板强制式太阳能热水器，其辅助热源为电加热或空气源热泵。通过技术论证：(1)本热水系统采用平板太阳能集热器，集热器与建筑自然和谐地融为一体，本热水系统的集热器安装于楼顶，平整美观，不影响建筑整体美观。(2)选用蓝色的集热器吸热材料，吸热系数到达95%以上。(3)投资本钱低。(4)运行及维护本钱低。(5)太阳能利用率高。2.2太阳能热水器工作原理本设计是平板强制式太阳能热水器，其辅助热源为电加热或空气源热泵。图2-1太阳能热水器系统结构图太阳能热水器系统主要由平板集热器、控制器、水箱三局部构成。平板集热器用户可根据具体情况选用相应大小的型号。传统的太阳能热水器都是采用直接加热的形式，冷水从水箱进入集热器中，加热后在虹吸作用下返回水箱[8]。由于集热器内的最高温度可以到达80℃以上，这种方式会造成集热器内的结垢问题，影响水质以及集热器的使用寿命。在本设计中采用间接换热的方式，集热器内加热的是一种不易结垢的热传导率高的液体工质。集热器吸收的太阳能转换为工质的热能，在集热器的工质循环管道装有工质循环泵，通过工质循环泵的推动，集热器内的工质不断流经水箱，完成工质与冷水的换热，从而到达加热的目的[9][10]在加热过程中，由于工质循环回路和水箱都是密闭空间，当温度升高时，回路和水箱内的压力会增大，为了防止循环回路和水箱因压力过大而爆炸，在循环回路装有膨胀罐，在水箱顶部装有平安阀。当循环回路内部的压力高于平安范围内的最高压力时，那么膨胀罐的压力阀会被顶开，从而使循环回路内的压力保持在平安范围内[11]；当水箱内部的压力超过平安阀承受的最大压力时，平安阀被顶开，水箱内部压力减小，从而防止压力过大损坏水箱发生事故。当系统检测到水箱温度一直达不到设定温度时，那么启动辅助热源以确保用户的热水供给。判定的标准可以由用户根据用水习惯自行设定，系统设有两种工作模式：用户模式和系统模式。用户模式可设定水温，用水时段，当到达了用水时段，系统温度仍未到达设定温度时那么系统自动启动辅助热源；系统模式那么是按照众人的用水习惯系统默认设定水温和用水时段，当到达用水时段时如仍未到达设定温度那么启动辅助热源，当到达设定温度后就关闭辅助热源，从而确保在设定的用水时段里热水的供给[12]。空气源热泵主要由四局部构成：压缩机、蒸发器、膨胀丝、冷凝器。通过电能的驱动，低温低压的制冷剂气体被压缩机压缩为高温高压的气体，高温高压的制冷剂气体通过冷凝器放出大量的热量使紧贴冷凝器的换热管温度升高，水箱中的低温水在循环泵的推动下不断流经换热管，从而被加热。高温高压制冷剂气体在冷凝器中放出大量的热量后，温度降低，在经膨胀丝节流降压后变成低温低压的气液混合物，低温低压的制冷剂气液混合物通过蒸发器时大量吸收周围空气中的热量，变成低温低压的制冷剂气体。低温低压的制冷剂气体进入压缩机中，开始下一次循环。这一循环就实现了，在一定电能的作用下，将周围空气中的低温热源热量传向高温物体了。图2-2空气源热水泵热水器原理图如图2-2所示热泵输出的能量为Qa和Qb之和，其中Qa为压缩机做的功，Qa为热泵从环境中吸取的空气的能量。由于通Qa通常至少是Qb的3倍，空气源热泵的热利用效率可以到达300%以上。当使用空气源热泵作为太阳能热水器的辅助热源时，空气源热泵在整个系统的工作原理为：水箱中的低温水在循环水泵的推动下，反复流经冷凝器被加热。2.3太阳能热水器控制装置的主要功能随着人们生活水平的提高以及现代控制技术的开展，人们对家用电器的智能化提出了进一步的要求，太阳能热水器作为一种绿色环保的家用电器，不仅要在能源利用方面取得优势，而且也需要在使用的简便及可靠性方面赢得用户的认可。目前的市场上的太阳能热水器大多存在结构简单、安装复杂、功能单一等缺点。针对这些缺点，本设计提出了一种新型的太阳能热水器的设计方案，实现了一种方便的、人性化的控制方式。其主要实现的功能包括有：自动模式设定功能，自动上水功能，实时温度、液位显示功能、漏电保护、回水循环等功能。具体如下：1、智能水位提示及报警功能：系统能实时显示水箱水位，根据水位信息即可准确判断水箱的水量。并在水箱到达缺水状态时，蜂鸣器自动发出报警信号，如果只剩下20%的水，那么信号灯闪烁，如用户在十分钟内未作任何处理时，那么系统将自动上水。2、自动回水功能：由于水箱与用户的用水点相距一定的距离，用户需要放掉水箱与用水点管道内的冷水才能用到热水，造成了极大的资源浪费，本系统设计了自动回水功能。在水箱与用水点之间的管道内设有温度监测点及回水管道，当管道内的温度低于设定的用水温度时那么翻开回水循环泵，将管道内的冷水送回水箱，从而确保用户翻开水龙头就能用到热水[13]。3、水温实时显示功能：LCD屏可实时显示水箱温度。4、预置水位功能：用户可以根据实际情况设置预置的水位为100%H、80%H、60%H、40%H、20%H。5、预置水温功能：由于季节的不同，用户用水的温度也会不一样，用户可以根据自己的用水习惯设定用水的温度，从而可以防止固定模式造成的能量的浪费。6、显示时间功能：控制器的LCD屏幕可以实时显示北京时间。7、自动上水功能：控制器自动检测水箱水位，当水位低于设定值时，单片机执行如下操作：开始计时->断开辅助热源->控制蜂鸣器发出特定频率的报警声音->等待用户确认是否上水->计时15分钟后如用户未确认上水那么自动开始上水，假设用户拒绝上水那么每隔15分钟提醒一次上水。8、手动上水功能：当水箱水位较低时，用户可以手动控制自动上水功能。操作之前需查看预置的水温及水位，以确保不发生意外。9、自动增压的功能：当供水压力较小的时候，可以选择自动增压上水的功能。控制器自动翻开电磁阀，同时启动加压水菜，当水满之后，两者同时自动关闭。10、定时上水：用户可以根据自己的用水习惯设定自动上水时段。系统设有两个自动上水的时段。当到达自动上水时段时，系统检测水箱水位如未到达设定值那么开始上水直至上满。系统设计有用户模式和系统模式两种运行模式，在系统模式下定时上水时段是根据群众的生活习惯设定的，第一次定时上水时段为每日上午10时-10时30分，第二次定时上水时段为每日下午2时30分。如开始上水后，30分钟内水位无法到达指定值那么报警，提示上水故障，同时断开辅助热源[14]。11、管道保温功能：冬天，如果屋外温度很低，为了防止水管被冻裂，可以使用管道保温功能。12、控制管道循环功能：为了实现热水增压效果，可以设置水泵1~30分钟自动循环一次。13、强制上水功能：当液位传感器发生故障时，系统可能无法上水，为防止因此造成干烧的问题，系统设有强制上水键。用户按下此键后系统即可在任何状态下立即上水。14、保持恒温功能：保持恒定水温的能力是衡量太阳能热水器是否优越的一个重要标准，能提供恒温热水的太阳能热水器会给用户带来极大的便利。本系统从材料技术和控制技术两方面来保证系统的恒温功能。使用最新的多层保温材料制作水箱，控制器采用嵌入式技术实现精确的恒温控制。15、断电显示功能：预防出现断电时发生误操作，控制器要带有断电显示功能。这关系到热水器控制系统能否平安、可靠地运行。16、自动防溢流功能：这是为了预防出现溢流状况而出现事故。比方，出现液位传感器或真空管破裂等故障将会造成溢流，所以必须使用自动防溢流功能，停止自动上水。17、防辅助热源起火功能伴随着系统的长期运行，系统会逐渐老化，由于老化的原因，可能会导致起火或漏电等恶性事故，为防止此类事件的发生，本系统设计有防辅助热源起火功能，系统从设备选用材料、电路保护等角度出发实现此功能[14]。18、全天候模式功能：这是根据不同用户需要设置的功能，可以按照用户个人需要，在24小时之内，可分别设置晚、早、中、三个时段的定时上水及三个时段定时加热，而且还可以设置设定每次定时加热的水温和定时上水的液位。如果不需要全天候模式功能，那么可以使用默认的设置。可以通过一直据住上水键，就会取消定时上水的功能，通过一直摁住加热键，就会取消定时加热的功能。2.4太阳能热水器智能控制器的主要技术指标2.4.1温度检测温度作为太阳能热水器工作状态的判断标准对整个系统起着至关重要的作用，本系统共有四处温度采集，分别为：工质温度、水箱温度、出水口温度、回水口温度。系统根据工质温度与水箱温度决定工质循环泵是否工作，工质温度与水箱温度的准确测量关系到整个热水器的稳定性与可靠性。出水口温度与回水口温度决定了回水循环泵是否工作，如此温度不准确将直接影响用户的用水判断，甚至会因水温不准发生烫伤事故。因此系统对温度传感器的要求如下：本设计要求的测温精度：±1℃测温范围：45℃~80控温精度：±1℃2.4.2水位检测水位信息给用户传递了系统的工作状态信息并且是系统工作的判断标准，实时水位显示让用户可以了解有多少水可以用，在水量缺乏的时候，系统可以根据设定的程序自动补水，用户也可以根据自己的需求决定是否及时补水。当水位信息不准，如水箱满箱时却显示缺水或水箱缺水时却显示水箱已满，那么会造成系统发生溢流或干烧等问题。系统对水位传感器的要求是可靠性强，精度不高。有与水位传感器直接与水接触，需要传感器具有耐高温，不易结垢的特点。为节约本钱，系统采用档位传感器，共分为六档，档位按照水箱的高度进行均分。按照从水箱底部到顶部的顺序依次为一档、二档、三档、四档、五档、六档，每档指示的意义一档代表水位高度处于水箱的底部，水箱缺水；二档代表水位到达水箱的1/5H高度处，说明水箱里的水不多：三档代表水位高度到达水箱的2/5H处，水箱里低于半箱水；四档代表水位高度到达水箱的3/5H处，水箱里有大半箱水；五档代表水位高度到达水箱的4/5H处，水箱里接近满水状态；六档代表水位高度到达水箱顶端，水箱装满[15];第3章太阳能热水器智能控制器的硬件设计3.1太阳能热水器智能控制器的硬件结构太阳能热水器智能控制器的主要功能是采用单片机控制核心通过对太阳能热水器的温度、水位等信息的采集，实现对由继电器控制的各种电磁阀、泵的控制，最终实现用户在消耗尽量少的能源条件下获得尽量多的热水。如图3-1所示，控制器主要包括温度检测电路、水位检测电路、键盘输入电路、时钟电路、存储电路、液晶显示电路、看门狗电路、驱动电路。图3-1智能太阳能热水器控制系统原理图温度和水位检测电路主要负责温度与水位的检测，温度检测电路釆用DS18B20作为温度传感器，与单片机通过I/O口相连，水位检测电路釆用水位短路电极式的测量方法；键盘电路主要是实现控制器控制信息的输入；时钟电路为控制器提供标准时间，用户设定的用水、上水时段都是通过比照时钟电路提供的实时时间来执行动作的；存储电路主要是用来存储控制器运行变量的值，为节约单片机I/O口资源釆用带I2C接口的存储芯片；液晶电路采用LCM12864ZK液晶显示器作为核心部件，LCM12864具有并行和串行两种工作模式，自带汉字库，可显示数字和汉字，还可显示图形；当系统程序跑飞或死机时看门狗电路使单片机自动复位，防止系统运行故障；驱动电路主要负责继电器等部件的驱开工作，为确保继电器动作的稳定和准确，驱动电路需要参加光耦隔离以增强抗干扰能力；ISP下载电路，主要负责完成单片机程序的下载与擦除工作[16]。图3-2太阳能热水器智能控制器硬件系统总原理图3.2微处理器最小系统微处理器作为控制器的控制核心，需具备较强的控制能力、较快的运算速度以及丰富的外设资源，同时为降低控制控制器的本钱，微处理器需具备良好的价格优势。本设计采用ATMEL公司生产的ATmegal6单片机作为控制器的控制核心。其最小系统工作原理图如图3-3所示。图3-3ATmega16最小系统原理图ATmegal6是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器，其数据吞吐率高达1MIPS/MHz[16]，该芯片能完全满足控制器对微处理器的运算能力的要求。同时ATmegal6具有丰富的外设资源和功能具体如下：1、2个独立的比拟器功能计数器/定时器和预分频器。2、六种睡眠工作模式、掉电检测与上电复位、片内的RC振荡器、片外/片内中断源。3、丰富的I/O口资源，芯片的封装形式有40引脚PDIP封装和44引脚TQFP封装以及44引脚MLF封装，其中本设计采用44引脚TQFP封装，可编程的I/O口可达32个。此外，ATmegal6芯片目前的市场价格大概在15元左右，比同种类型的其他芯片价低，且芯片的稳定性及考干扰能均较好，性价比极高。综上所述，ATniegal6芯片完全能满足本太阳能热水器智能控制器对微处理器的要求，ATmegal6微处理器是一款极具性价比的芯片，可以很好的应用于该款产品中。ATmegal6引脚使用情况如表3-1所示：表3-1ATmega16功能定义电加热指示灯PD0手动模式键PA4工作循环指示灯PD1用户模式键PA5回水循环泵PA0工作循环泵PA1辅助热源1PA2辅助热源2PA3报警指示灯PD1蜂鸣器PD4“上〞键PC2工质温度传感器PA7“下〞键PC3水箱温度传感器PA7“左〞键PC4液位传感器PA6“右〞键PC5I2C—SDAPC0“确定〞键PC6I2C—SCLPC1“设置〞键PC7复位键RESET3.3温度检测电路温度检测是控制器工作的重要功能之一，它涉及到系统工作状态的判断，对系统的稳定性影响很大。本设计选用DS18B20温度传感器。DS18B20测量温度范围为-55℃~+125℃,在系统所需要的45℃～80℃范围内，精度为±1℃，亦满足条件。同时，新的产品更廉价，体积更小，大大提高了DS18B20产品的性价比，是本设计理想的选择。DS18B20采用独特一线式结构，仅需一根数据线即可实现多点通信，同时DS18B20简化了其外部结构，无需外部元件即可完成测温。图3-4DS18B20传感器测温电路图温度传感器DS18B20的特性DS18B20数字温度传感器是DAIIAS公司生产的DS1820第二代产品。在生产每块DS18B20的时候都参加一个唯一标识码，DS18B20还具有非常独特的单线总线结构，DS18B20可以实现单路温度检测，也利用多块DS18B20构成多路温度检测。DS18B20有互换性好、抗干扰性好、高精度、传输距离远等特点。使用DS18B20的时候，可以利用单I/O总线连接单片机与DS18B20，通信非常方便，通过在单总线上可接上多个DS18B20就能进行多点测温。其诸多优点，使得它广泛的在电子系统使用到，广泛应用于粮仓、加工厂、酒厂以及宾馆。DS18B20具有以下几种特性。(1) DS18B20在I/O处理器连接时，DS18B20与微处理器的双向通讯仅需要一个I/O口即可实现。(2)DS18B20的测量范围为：-55°C~+125°C。特别地，温度在45℃~80℃时，其测量精度为+(3)可编程选择DS18B20所测温度的数字量位数，即9～12位(4)DS18B20既可以由外部的电源供电，也可以由单总线供电。(5)DS18B20可组网，多块DS18B20可在单总线上并联使用，实现多路温度检测。DS18B20的工作原理DS18B20内部结构框图，如图3-5所示。图3-5DS18B20内部结构框图DS18B20的测温原理：通过统计时钟周期的方法来实现温度检测，DS18B20的内部振荡器的震荡频率受温度影响而发出变化，DS18B20通过内部计数器统计内部震荡频率，从而得出相应温度。如图3-4所示，震荡器产生的脉冲在高温状态下是不能通过门电路的，只有在低温状态下才能通过门电路。如果内部计数器将当前温度值复位了，DS18B20那么会对内部震荡器的温度系数进行补偿，内部计数器开始进行减记数直到零。如果电路仍未被关闭，那么DS18B20重复执行上述过程。DS18B20温度传感器的多点测量本设计需要多个DS18B20温度传感器，分别测量水箱温度和太阳能集热器及其他部位的温度。因此需要运用到DS18B20的多点测量，微机率口DS18B20的接口如图3-8所示。图中为两个DS18B20并联情况。由于TXD的电压范围为-2~12V，当TXD为-2V时，为了防止三极管8050的PN结反向过压，在其基极和发射极之间跨接了1只二极管加以保护。图3-6DS18B20并联与单片机接口电路图3.4时钟电路时钟电路负责给控制器提供标准的时间，需要时钟芯片的精度高、误差小。本设计选用时钟芯片SD2200。SD2200作为一款高精度的实时时钟芯片，年误差时间不超过2.5分钟，时钟精度一般为±5ppm(在25±1℃下)，完全满足本设计的技术指标，是实时时钟芯片的理想选择时钟电路如图3-7图3-7时钟接口电路3.5水位检测电路太阳能热水器的特点决定水位传感器不需要高精度的水位测量，但需要确保水位测量的可靠性与准确性，同时太阳能储热水箱的特性决定水位传感器必须具备良好耐高温能力，不易结垢的特点，且传感器的本钱要低。针对此种情况，本设计选用了电极档位式水位传感器。电路图如图3-8所示。图3-8水位检测原理图如图3-8所示，根据水箱的高度，在其内部将其均分五局部，在每等份的内壁出放置有导电电极片A、B，电极片A和B之间存在有间隙，当水位到达电极片时，由于水的导电性，电极片A、B被短路，根据3-7电路原理图可知，三极管S9014被导通，三极管的集电极输出0V低电平，如水位未到电极片时在S9014截止，三极管的集电极输出5V高电平。单片机只要检测水箱上各点电极对应输出的电平即可测出实际水位。3.6按键电路图3-9键盘接口电路根据控制器的设计要求，总共需要六个按键，如图3-9所示，本设计中的键盘电路共有S1，S2,S3,S4,S5,S6个按键，分别用作设定、左移、右移、上移、下移、退出功能。每个按键均接有一个10K的上拉电阻，电压为5V，按键的另一端接地，为确保按键的准确性在上拉电阻与按键的连接端接有一个滤波电容。在按键断开的状态单片机检测到按键输入口为高电平，当按键按下时按键输入口被拉低为低电平。3.7显示器电路显示电路是整个控制器的眼睛，控制器的工作状态、温度、水位、故障状态等信息均需在显示屏上显示。显示电路对可靠性要求较高，需要显示的信息清晰准确。根据产品定位的档次显示电路所釆用显示器的方式是不同的，对于低端产品釆用八段数码管作为显示器，对于中低档产品采用液晶显示屏作为显示器，而中高端产品那么选用256彩色显示屏。由于单片机的I/O口资源有限，显示器所占用的I/O口应尽量少。本设计定位为中低端产品，选用LCM12864ZK显示屏作为显示器。LCM12864ZK是一款配有128x64点阵的液晶显示屏，具有较强的控制显示功能，机身自带2MB的中文字库，可提供8192个16x16点阵汉字，同时机身自带128个16x8点阵的字母符号，可正常显示常用字符和英文。此外，LCM12864ZK还配有图形显示空间，可以混合显示画面和文字，用户可以自行绘制图形显示。根据配置显示器最多能显示4行，每行可显示8个汉字。LCM12864ZK工作电流/电压分别为2mA/5V或1.2mA/3V，工作电压范围在2.7~5.5V[20]。工作方式有串行和并行两种。串行工作方式具有串行2线和串行3线两种接口方式，并行工作方式有并行4位和并行8位两种接口方式。在本设计中，为节约I/O资源，选用串行工作方式，显示器仅需占用3个I/O口，分别用作：LCM—CS,LCMSID,LCM_CLK。其中LCM—CS用作显示器片选信号线，LCM_SID用作串行数据线，LCM—CLK用作串行时钟信号线。显示电路硬件原理图如图3-10所示。显示局部总共分为三个菜单分别为“温度"，“水位〞，“时间〞，在用户未进入按键设置时，三个菜单分别显示水箱的实时温度，实时水位和时间。当用户进入设置时，通过光标选择所要设定的菜单，进入并通过按键设置。图3-10显示器电路3.8辅佐热源电路太阳能本身是一种不确定性的能源，当遇阴天或雨天时，单一热源的太阳能热水器是无法为用户供热的。为确保恒定的热水供给，太阳能热水系统需配备辅助热源，当太阳能无法供给足够的热量时系统可自动启动辅助热源。辅助热源形式：本系统设有三个辅助热源接口：两个空气源热泵接口和一个电加热控制接口。用户可根据实际情况选用相应的辅助热源[20]。辅助热源控制原理图如图3-11所示。图3-11辅佐热源控制方式：目前常用的辅助热源有空气源热泵和电加热两种形式。空气源热泵通过空气循环吸热得到低温热源，然后通过系统高效集热整合最终成为高温热源已到达供给热水或采暖的目的。空气源热泵的集热效率高、绿色环保、运行本钱低，但其构造复杂、安装复杂、需要的初期投入本钱高。电加热那么是使用大功率的发热电阻来加热冷水的，本钱低、安装简便，但是运行本钱较高且由于电加热器直接与水接触极易结构，电加热的使用寿命短[20]。当温度低于设定温度值2℃时，即启动辅助热源。当高于23.9漏电保护电路近年来常常看到关于电热水器漏电伤人的报道，为了确保太阳能热水器辅助电加热的用电平安，防止漏电伤人，系统设有漏电保护功能。漏电保护电路如图3-12所示。图3-12漏电保护电路如图3-12所示，当发生漏电时，漏电互感器TA1016的二次侧会检测到10-16V的交流电压信号，通过二极管半波整流后再经电容稳压滤波后使三极管Q321导通，CHECK_LEAP脚被拉低，单片机检测到低电平后将电加热迅速掉电，从而保护用户的用电平安[20]。第4章太阳能热水器控制器的软件设计无论春夏秋冬，通过设定太阳能热水器的温度和时间，就能定时、定温地向用户提供所希望的热水，这给使用太阳能热水器的用户带来极大的便利。当太阳能热水器的控制器参数到达用户指定的时间和温度时，就通过声光信号提醒用户。按照上述要求，釆用模块化的方法完成太阳能热水器控制器的软件设计，主要包括主程序设计、LED显示程序设计、SD2200更新周期结束中断程序设计、提前加热时间计算程序设计和键盘中断程序设计等。主程序主要完成一些初始化功能、对水位和温度进行检测和辅助加热时间计算。本设计，通过查表方法对辅助加热提前量进行预算。4.1主程序设计1、主控程序设系统启动后及进行初始化工作。系统初始化所要完成的工作包括，单片机工作时钟的设置、管脚配置、中断初始化设置、看门狗初始化、各传感器的参数配置等工作。系统初始化完毕后即进入模式设置，系统设置有两种工作模式，分别为用户模式和系统模式。设置模式完毕后执行对应模式子程序，执行完毕后依次进行温度、液位检测，检测完毕后检查系统是否有故障提示，如有故障那么保存故障数据到EEPROM中，如没有那么返回模式选择程序处。系统主控流程图如图4-1所示。图4-1主控流程图图4-2模式设置流图为了每次开机都不用重新设定时间和温度，SD2200起到了关键的作用，完成每次参数设定后，就将本次设定的参数值存入SD2200中，这样每次开机时，从SD2200中，都能读取出上一次的参数设定值。这样解决了每次开机都要重新设定参数的问题，也解决了断电前完成对参数设定值的存储的问题[20]。提前加热时间的准确计算是很重要一环，关系到系统是否实现预定的功能。采用模糊控制算法可以避开繁琐的计算过程，本设计使以下一些控制的语句：IF低水位AND低温差THEN短时间加热；IF高水位AND大温差THEN长时间加热；IF适中水位AND适中温差THEN适中时间加热。利用上述控制方法，通过实验就可以获得在不同情况下需要加热的时间，并在表格中记录下这些时间。计算提前加热时间时，通过查表便可获得提前加热时间。很明显，实验步长越小，获得的数据越精确。为了满足本次设计的控制要求了，采用温差等于每5℃2、工作模式设置模式设置流程图如图4-2所示，系统上电完成初始化工作后即开始检测模式设置键是否被按下，如被按下那么系统进入用户模式，如未被按下那么进入系统模式。系统模式和用户模式的划分是根据用户的用水习惯来划分的。系统模式是根据目前大局部用户的用水习惯来默认设定系统的预置水位、水温、用水时段、上水时段等参数的，而用户模式那么是用户根据自己的用水习惯，自行设定的系统的预置水位、水温、用水时段、上水时段等参数的一种运行模式，该模式具有较好的灵活性，用户能根据自己的实际情况控制热水器的工作，能很好的满足用户的需求，节约能源。由于太阳能加热的速度比拟慢，如用户在急需用水的情况下，无论系统运行在何种模式，用户均可以通过强制辅助加热键进行强制辅助加热，加热到预定的温度后系统会自行断开辅助加热装置，并返回之前的工作状态，进入下步工作。3、用户工作模式在用户工作模式下，用户可根据用水习惯自行定义用水时段，系统可提供用户设定三个用水时段，早晨、中午、晚上各一个。在设定的用水时段内，如水箱水温未到达设定值那么自动开启辅助加热设备进行加热，当加热至设定温度时自动断开加热设备，并进入保温循环状态。工作流程图如图4-3所示。其中Ts为设定的水箱水温的最低值，Th为设定的水箱水温的最高值。图4-3用户模式流程图4.2温度检测子程序DS18B20温度显示对于DS18B20的ROM操作指令有：1、读ROM，MCU发送33H到DS18B20;如MOVA，#033H；2、匹配ROM，MCU发送55H到DS18B20；3、跳过ROM，MCU发送CCH到DS18B20；4、搜索ROM，MCU发送FOH到DS18B20；5、告警搜索，MCU发送ECH到DS18B20；对于DS18B20的RAM操作指令有：1、写暂存存储器，MCU发送4EH到DS18B20；2、读暂存存储器，MCU发送BEH到DS18B20；3、复制暂存存储器，MCU发送48H到DS18B20；4、温度变换，MCU发送44H到DS18B20；5、重新调出，MCU发送B8H到DS18B20；6、读电源，MCU发送B4H到DS18B20；图4-4DS18B20测温液晶显示程序流程图由于主机和DS18B20通过单总线的串行方式进行通讯，故必须严格按照一定的读写时序进行读写操作。通过单总线端口访问DS18B20的协议包含三局部：初始化的指令、操作ROM的指令、功能的指令。每次操作DS18B20都完成这三局部，当顺序弄乱或是缺少某一步，就不能读取DS18B20中的温度值。在对DS18B20的进行读写操作之前，都需要主机发复位脉冲，并且主机只有收到DS18B20的存在脉冲后，才可以进行读写操作。DS18B20子程序的流程图以下分别是温度的读/写子程序流程图，程序开始后，先拉底总线，读温度时，单片机对总线数据进行采集，经延时确认后释放总线，再进行读取数据；写温度时，通过总线将要写入的数据传送给单片机，延时后确认写入数据。完成对数据的读/写功能。图4-5读温度子程序的流程图图4-6写温度子程序的流程图DS18B20多点测量开始运行程序后，主机向18B20发送复位命令，清空之前的数据，主机再向所有18B20发送温度转换命令，等待温度转换结束后，分别匹配各个18B20的温度数据，将18B20中的温度数据采集到主机中，完成对18B20的多点温度测量功能。图4-7DS18B20多点测量流程图4.3显示子程序本装置液晶显示局部采用LCM12864ZK芯片，CPU和LCM12864ZK通过同步时钟线SCLK和串行数据线SID完成数据的传输。首先需要指令来初始化和设置LCM12864ZK内部存放器，然后发送数据写入数据存放器显示，每条数据或指令先发送高4位，在发送低4位[20]液晶初始化和显示程序流程图如图4-9，4-10所示：液晶显示器LCM12864初始化需要完成的工作有设定显示器工作模式，设定显示状态以及设定光标移动方向等工作。具体流程如图4-9所示，系统上电后需要给显示器硬件一个反响的时间间隙，上电大约经过40ms的时间后，设定显示器的功能模式，LCM12864具有两种功能模式：一种为4位数据模式，相应的控制字为10H;另一种为8位数据模式，对应的控制字为30H。写入后显示器硬件需要一定的执行时间，经过大约1ms的时间间隙后重新写一次功能模式设定数据并延时1ms,通过两次的功能模式写操作后，显示器的就被设定为8位的功能模式，此后就需设定显示器的显示状态，每次写入控制指令之后都需要给硬件大概1ms的反响时间才能继续下一次的写功能操作。初始胡的最后一步为设定光标移动方向，显示器的光标移动方向可以设为写入数据后向左移动一格也可设为向右移动一格，本设计中采用写人数据后光标向右移动一格的模式。到此液晶显示器LCM12864的初始化工作根本已完成。液晶显示器是由微小的发光点阵构成的，显示器内部每个点阵都有一个对应的地址，每次对显示器进行些操作时都是先写入显示器的地址，然后再写数据，所写数据被存入所写地址对应的显存单元。显示器的数据写入操作流程图如图4-10所示。在写入显示数据时需要注意显示器的特点，LCM12864显示器最多只能显示32个汉字，总共分四行显示，每行八个汉字。每个汉字的写入地址必须是偶地址开头的，否那么无法显示。可以显示64个字符，分4行，每行16个。字符的写入地址没有特殊要求。每次写完数据之后必须给硬件一定的反响时间才能进行下一次的写操作。图4-9液晶初始化程序流程图图4-10液晶显示程序流程图第5章结论我国能源开展工作正