1、 哈 尔 滨 理 工 大 学 毕 业 设 计 题 目： 基于 MSP430 的家用太阳能加 热 控 院、 系： 姓 名： 指导教师： 系 主 任： 年 月 日 哈尔滨理工大学学士学位论文 I 基于 MSP430 的家用太阳能加热控温沐浴系统 摘 要 随着新世纪人类的发展，节能环保成为了二十一世纪的关键词，能源危机、环境污染成为全球性的危机，清洁能源与可再生能源成为人们最关注的主题。太阳能取之不尽、用之不竭、干净且无污染，因此，积极鼓励太阳能的应用具有非常大的意义。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。该设计绿色环保，符合国内低碳经济，具有
2、可持续发展性。太阳能热水器更广泛的使用，本论文设计了 更方便用户使用的沐浴控制系统，提高了简便性和实用性。 本文介绍详细的描述了太阳能热水器的工作原理和设计方案，根据市场上太阳能的特点，设计出更加人性化的加热温度控制系统，能方便用户使用的同时更加的节能环保。结合温度传感器和水位传感器等元件利用MSP430 系列单片机对太阳能热水器进行水温、水位、加热控制，利用液晶显示器显示时间、温度、水位等信息。用户可以通过按键来完成自己理想的水温水位设置。 全文分成四大部分。第一部分包括第一章，描述太阳能热水器的设计背景和当前国内外的发展状况。阐述太阳能热水器的优缺点以及突出 其优势和发展前景。第二部分包括
3、第二章和第三章，讲述太阳能的工作原理和硬件设计。第四部分，主要介绍了太阳能热水器的温控系统的软件设计。 关键词 MSP430；太阳能热水器沐浴系统；温度控制 哈尔滨理工大学学士学位论文 II Solar home heating bath temperature control systembased on MSP430 Abstract With the development of human race during the new century, energy conservation and environmental protection becomes one of the mo
4、st important things in 21st century.Clean and renewable energy sources are stepping on to the stage of the new century. As a result, it would be of great significance to use solar energy which is both clean and inexhaustible in certain areas. In this thesis, a more user-friendly bath control system
5、to improve the simplicity and practicality. I believe that this design of smart controller would encourage the use of solar water heater. This article describes the detailed description of the working principle of solar water heaters and design, according to the characteristics of solar energy on th
6、e market, designed more humane heating temperature control system, and users can easily use more energy-saving and environmental protection. Combined with temperature sensors and water level sensors and other components use MSP430 MCU for solar water heater temperature, water, heating control, the u
7、se of LCD display time, temperature, water level and other information. Users can key to complete their ideal water temperature setting. The full text is divided into three parts. The first part includes the first chapter, describing solar water heater design background and the current development s
8、tatus at home and abroad. Describes the advantages and disadvantages as well as to highlight its advantages and prospects of solar water heaters. The second part includes the second and third chapters, tells the story of solar energy working principle and hardware design. The fourth part, introduces
9、 the software design of solar water heater thermostat system. Keywords MSP430; Solar water heaters bathing system; Temperature cotrol哈尔滨理工大学学士学位论文 III 目 录 摘 要 .I Abstract . II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题研究的背景和意义 . 1 1.2 国内外发展状况 . 1 1.2.1 国内发展状况 . 1 1.2.2 国外发展状况 . 2 1.3 本文主要研究内容 . 3 第 2 章 太阳能热水器系统的工作原理 . 4 2
10、.1 太阳能热水器的系统组成 . 4 2.2 太阳能控制装置的主要功能 . 5 2.3 控制系统的原理 . 7 2.4 本章小结 . 8 第 3 章 系统硬件 . 9 3.1 太阳能热水器控制硬件结构 . 9 3.1.1 微处理器 . 9 3.1.2 I/O 功能分配 . 11 3.2 温度检测 . 11 3.2.1 传感器的选择 . 12 3.2.2 温度传感器的工作原理 . 12 3.3 时钟电路 . 14 3.4 水位检测 . 15 3.4.1 水位传感器的选择 . 15 3.4.2 水位检测装置 . 16 3.4.3 水位检测测试 . 17 3.5 用户输入和显示模块 . 17 3.5
11、.1 键入电路 . 17 3.5.2 显示电路 . 18 3.6 加热控制电路 . 19 3.7 漏电保护电路 . 20 3.8 本章小结 . 21 第 4 章 系统软件 . 22 4.1 主程序设计 . 22 4.2 工作模式的选择 . 23 4.3 用户控制模式 . 24 哈尔滨理工大学学士学位论文 IV 4.4 水位控制软件设计 . 25 4.5 温度检测子程序 . 25 4.5.1 DS18B20 温度显示子程序 . 25 4.5.2 DS18B20 温度读写子程序 . 26 4.6 供水输出子程序 . 28 4.7 本章小结 . 29 结论 . 30 致谢 . 31 参考文献 . 3
12、2 哈尔滨理工大学学士学位论文 1 第 1章 绪论 1.1 课题研究的背景和意义 随着社会经济的发展以及人们生活水平的提高，人们对于生活品质的需求也在不断改便。生活热水已经成为人们生活中不可或缺的一部分，对于其的来源现在也是非常的多元化。目前市场上有依靠燃气和电力的常规能源的燃气热水器，电 力热水器 1。以及利用太阳能绿色能源的太阳能热水器。生活热水的能源消耗占能源消耗总量的很大一部分。由于不断开采，地球上的煤炭、石油、天然气等自然资源日益枯竭。常规能源的危机日益加重，同时常规能源带来的环境污染问题也日渐突出。能源问题和环境污染已经成为世界发展的头号问题，寻找绿色能源问题已经成为各国持续发展的
13、迫切任务。 太阳能作为以一种用量无限且不会产生任何污染问题的清洁能源，一直备受人们的关注。人们预言，在未来的能源结构中，太阳能必将处于主导地位。由于太阳能本身的不稳定性、分散性已经不确定性 2，对于太 阳能发利用一直处于研究探索过程中。随着科技发展，人们在不断的探索中对太阳能的利用和研究取得了一系列重大的进步。太阳能热水器是人们最早利用太阳能的设想。目前，太阳能的加热洗浴热水已经成为人们利用它太阳能最熟悉的方式。太阳能热水器利用技术已经成为解决当今社会对热水巨大需求与大量能源消耗之间矛盾的重要途径。 太阳能热水器在使用上还是存在很多的问题和弊端。其能源利用率和不稳定性依然是有待解决的问题，在智
14、能化的今天，太阳能热水器的实际操作实施自动化控制来方便用户使用，给用户带来更多实用体验。使得太阳能在生活中更多的使 用来代替不可再生能源的使用。提高太阳能的使用覆盖率来减轻能源危机的压力。 1.2 国内外 发展状况 1.2.1 国内发展状况 我国的太阳能热水系统的发展是起步晚、发展快。上世纪 70年代末我国才开始太阳能热水器的应用研究。 1978年 3月国务院副总理方毅指出，要广开能源，抓紧大力推进太阳能、风力、地热等能源的研究。自此中国的太阳能热水器研究真正的开始了。在过去的三十年内，中国已经成为全世界最大的太阳能热水器的生产国和最大的热水器市场 3。 随着全球二次能源的日益枯竭，太阳能和风
15、能等二次能源部在全球范哈尔滨理工大学学士学位论文 2 围内备受瞩目，新 能源成了世界各国的长远发展的战略性工作，自 2009年哥本哈根气候大会召开以来各国正政府针对可再生能源的重视和投入更多3。但是想要达到新能源代替不可再生能源的目的，必须创造出平民化，方便操作，最贴近生活的产物。这其中太阳能热水器是最早能做到贴紧生活新能源产物，现在世界上太阳能的使用每年以 30%的增长的。 我国的世界上太阳能热水器的生产产量是全球的 50%，保有量是全球的 70%，也就是说，我国是全球最大的生产和使用国，国内有 6000家太阳能生产企业，其中正真拥有自主研发和规模化生产的不足 20家，以劣充好，行业 标准过
16、低，致使现在太阳能在用中存在很多隐患 4。 我国的太阳能热水器使用率已经是非常高的，但与太阳能配套的控制系统却一直处于研究和开发阶段，现在基本还没有形成一个主流的控制系统，这说明，在这方便我们的研究和开发还要经过重重考验和努力研发。 1.2.2 国外发展状况 国外很早就开始了对太阳能的热利用技术研究，世界上第一台太阳能热水器诞生于美国，在此之后一个多世纪里，太阳能热水器经历了数次发展高潮，特别在近代能源危机日益加剧和环境污染问题越来越严重的双重压力下。 20 世纪三十年代，美国麻省理工学院举行了利 用太阳能采暖的学术讨论会，第一次开启了人们对太阳能热利用的学术研究大门。 1945 年世界第一台
17、平板集热器问世，太阳能热水器迈入。平板时代。 1975 年人类发明了全玻璃真空管集热器，太阳能热水器开始走进真空时代。 1997 年，为了调整能源结构，节约资源，降低污染，美国总统克林顿提出“百万太阳能屋顶计划”。计划到 2010 年美国将建设 100 万个太阳能屋顶或在建筑物的其他部位安装太阳能系统。太阳能屋顶包括太阳能热水系统、太阳能光伏发电系统以及太阳能空气集热系统 5。这促进了美国太阳能应用技术的进一步发展，对节能减排、能 源结构优化、经济增长等做出了巨大贡献。截至目前为止，国外太阳能热水器产品经历了闷晒式、平板式和玻璃真空管三个发展阶段。目前各国太阳能热水器产品主要朝着如何提高集热器
18、和集热效率的方向发展。在北美和欧洲一些发达国家，正在大力推广太阳能建筑一体化，通过集中集热、分户储热或集中集热、集中供热的形式，配备性能优良的控制系统为一栋或几栋楼供应热水、暖气 6。在欧洲，虽然一些国家的太阳能资源不太丰富，但人们的环保意识较强，在能源危机、环境污染问题的压力下，也把太阳能热水器的利用技术作为其能源结构调整的主要方式之一。 国 外对太阳能热水器系统的研究主要集中在集热器的设计和控制系统的设计这两个方面，目前国外的太阳能的集热性能已经大幅提高，其集热器的设计主要研究的是如何实现集热器的集热效率的提高，实现集热器和建筑的完美结合。达到美观和高效率的效果。控制系统的设计主要研究的哈
19、尔滨理工大学学士学位论文 3 是如何确保热水的稳定供应、系统的状态检测、故障检测等。控制系统已经实现及中华白、智能化。系统用户的需求对其运行状态进行实时监控。太阳能热水器正朝着智能化、集成化的方向发展。 当今世界快科技飞速发展的同时引发了巨大的环境问题和能源问题。全球石油、天然气、和煤炭等不 可再生资源的枯竭，能源危机已经成为人类面临的最大危机。不可再生能源的过度使用也伴随着工业污染的释放。寻找更清洁、低廉、可持续的能源，已经是迫在眉睫的任务。 1.3 本文主要 研究内容 本问主要针对家用太阳能沐浴系统的加热控温沐浴系统的加热部分和温度控制部分，进行的基于单片机 MSP430系列的控制设计。
20、其中对水位控制、温度控制以及加热控制的软硬件设计，达到节能环保，操作简便的目的。 为保证一天 24小时都能供应热水，在白天日照条件较好的情况下由太阳能对水进行加热，水自动升温，但水温过高时可以通过冷热水出水阀来调节 从而时水温适中。若光照强度不够（如阴雨天气和夜晚 )时， CPU 根据数据采集系统采集到的数据，当发现温度低于设定温时，即启动电加热辅助热源，来保持输出水温的恒定。 随着季节变换，使用者对温度的要求也不同，这时可以根据个人需求来设置温度恒定值。范围在 20-80之间。利用单片机的控制技术做到温度的自动控制，利用键盘设定温度参数，利用单片机的处理，控制并显示温度。 哈尔滨理工大学学士
21、学位论文 4 第 2章 太阳能热水器系统的工作原理 2.1 太阳能热水器的系统组成 太阳能热水器系统由集热器、保温水箱、接连管道、采暖系统、以及控制器组成 7， 如 图 2-1 所示。 图 2-1 太阳能热水器系统结构图 1.集热器 系统的集热元件是一组真空管，它可以说是太阳能的核心部分。是关系到太阳能的利用率和集热程度。它的结构像一个被拉伸的暖瓶胆，分为内管和外管，内管部分由金属反射层、吸收层、减反层组成。内管的表面用特殊工艺涂有光谱选择性吸收涂层，能最大限度的吸收太阳能辐射更充分的利用太阳能。金属反射层、辅助吸收层能充分吸收太阳能的辐射。是热量吸收达到最大值，最高集热温度可以到达 98 ，
22、热效率高，冬季也可以正常运行。内管和外管之间有真空层。集热器可以分为：平板型太阳能 集热器、真空管型集热器、热管式真空管集热器。其中平板式由于制造工艺简单成本低廉性价比很高，在市场中的占比很高也是使用最广泛的集热器的类型。其结构如图 2-2 所示，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则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，从而导致了集热器部分热量的损失。 哈尔
23、滨理工大学学士学位论文 5 1-透明玻璃盖板 2-隔热层 3-外壳 4-吸热板 图 2-2 平板集热器结构图 2.保温水箱 保温水箱是存储热水的容器。由于太阳能的工作特性，一般情况都是白天工作，到晚上才使用热水的。这样就要一个存储设备来保存白天通过集热器产生的热水。从材质上可以分为：普通钢板、镀锌钢板、不锈钢板、塑料水箱等；从结构上可以分为：圆柱形、长方形两种；保温材质是保温箱最关键的部分，可以符分为：聚氨酯发泡和聚苯乙烯发泡两种。保温水箱的大小体积和太阳能集热器的采光面积有关，对于洗浴系统，每平方米应 该配备 70-80L 的水箱。其机构通常使圆柱形卧槽式集热水箱。 3.连接管道 上升循环管
24、道，上升循环管道的位置要在水箱的水面以下，这样依靠水本身压力以保证能够使温差循环不至于中断。上升循环管与集热器上水管道联通。下降循环管道：安装在水箱底部，跟集热器的下水管联通。供热水管：安装在水箱的上部，因为在循环水箱内，上部水温高，下部水温低，形成一定的温度梯度。 4.控制器 智能化控制的核心部分，根据选择芯片的不同，控制方式也有所不同。主要用来控制太阳能热水器的温度、水位辅助加热部分。主要由温度水位传感器、自 动控制仪、执行部件等及部分组成 8。其主要部分是自动控制仪。依靠自动控制器来设定适合的温度和水位。通过采集信息、分析数据、动作执行。 2.2 太阳能控制装置的主要功能 市场上现有太阳能热水器都是结构比较简单，功能单一的，太阳能的能源利用率较低，有的太阳能智能控制也由于生产厂家使用控制原件的不统一性，造成控制系统的繁复和使用的不便。针对这些缺点，本文提出了一种新型的太阳能热水器的控制系统的设计方案，使用户能更方便简单使用的控制系统。利用该控制系统要实现的功能有 :报警功能、自动回水功能。用户设置功能、液 晶显示功能，自动上水功能，漏电保护功能、管道保温功能。 1.报警功能 系统实时监控水箱的水位，根据监控信息来判断水箱储水多少。当水箱里少于 20%的水时，低于警戒水位，蜂鸣器自动发出报警信号，信号灯闪烁，在系统设定时间内进行处理，超出时间系统将自动上水。很好
