1、本科毕业设计（20 届）太阳能热水器控制器的设计所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 1太阳能热水器控制器的设计摘 要：该设计以单片机以 STC90C52 为核心，结合单线数字温度传感器 DS18B20 与液晶显示器 1602，设计一种数字化的太阳能热水器控制系统。该系统由主控芯片模块、DS18B20 温度检测模块、LCD 显示模块、水位检测模块、键盘控制模块、报警模块和电磁阀控制模块组成。给出了各个模块结构及其工作原理、系统硬件原理图、程序流程图和部分源程序。此系统解除了热水器上水时需人工守候和过量溢水的问题，达到了省时、环保、节水的目的。该系统
2、与传统的机械式控制系统相比较，具有结构简单，使用方便等特点。 关键词：单片机 STC9OC52； 温度传感器 DS18B20； 太阳能热水器2目录1引言 .12. 太阳能热水器的发展概况及市场竞争分 .12.1 太阳能热水器控制器的设计背景 .12.2 太阳能热水器的应用及意义 .23 太阳能热水器的设计要求与工作原理 .23.1 系统工作原理 .33.2太阳能热水器的组成及工作原理 .44 太阳能热水器控制器系统硬件设计 .54.1 主控芯片模块电路设计 .54.2 水位监测模块设计 .64.3 水温检测模块电路设计 .74.4 温度传感器简介 .84.5 自动上水模块设计 .94.6 报警
3、模块设计 .104.7 键盘模块设计 .104.8 加热模块设计 .115 太阳能热水器控制器系统软件设计 .125.1 Proteus 软件环境简介 .125.2 太阳能热水器控制器系统流程 .135.3 主程序模块 .135.4 按键控制流程 .145.5 自动上水 控制流程 .14参考文献 .16总结 .17Abstract.17附录： .18太阳能控制系统电路原理图 .18程序 .1811引言当前，我已成为当今世界上最大的太阳能热水器生产的国家，年产量相当于世界各国的生产总和，已经有一百多家太阳能热水器生产厂。然而与之配套的太阳能热水器的控制器却一直处在研究阶段，当天气原因而光强度不足
4、时，就会给热水器用户带来很多不便；即使热水器具有辅助加热功能，由于加热时间难以控制而产生过烧，从而浪费大量的电能。温度控制采用模糊控制，本控制器可以根据天气情况利用辅助加热装置使蓄水箱内的水温可根据自己设定时间达到事先设定的温度，以达到随时都能供应热水的目的。太阳能热水器这产品在是太阳能的利用中是很普遍的，有着明显的经济效益，正在做市场的推广和应用。他是由平板集热器、蓄水器、连接管道等组成，可分为循环式、直流式与闷晒式三种形式。太阳能热水器环保、无污染，人们用着安全放心。利用太阳光的能源，大量节约现有限能源，对以后能源发展有很大的前景。原有的燃气热水器和电热水器虽然加热速度快，但是所用的煤和气
5、都容易对环境造成污染，而且会使室内的空气变得不清新，电热水器的功率较大耗能大，对一般家庭来说必定会带来一定的经济困难，是一笔较大的开销。太阳能热水器具有安全、环保、经济的优点，有辅助加热功能的热水器可在全年的任何时候使用，设计一个太阳能热水器的控制器为人们了解水的温度和热水器调节中水位的高低，使人们能更好的使用。2. 太阳能热水器的发展概况及市场竞争分2.1 太阳能热水器控制器的设计背景现在全球能源形势紧张、全球气候变暖已经威胁着人们健康生活和经济发展，许多国家都在寻找一种新的能源战略，以在日后的发展中与在可持续发展的战略中能获取优势地位。太阳能主要是其清洁、量足、安全等显著优势，已经成为关注
6、重点。在新的能源产业的发展中对太阳能的利用，太阳能的热能转换技术是最为成熟的，其产业化进程也较光伏电池、太阳能发电等产业领先一步。太阳能热水器的产业已经成为商业化的可再生能源产业。从 20 世纪初期开始，我国成为太能产业的第一大制造和消费的市场，现在已不断的完善并成为了重要产业。太阳能热水器与电及燃气热水器逐步形成了三足鼎力的局面，成为了可再生能源产业的第一个商业化产品。自 2007 年，我国太阳能热水器总产量达到了 2340 万平方米，比去年年同期增长了百分之三十；、库存量达10800 万平方米，与去年同期相比增长百分之二十。市场总销售额约为 320 亿元人民币。但是与之相配套的太阳能热水器
7、控制系统却一直处在研究与和发阶段。目前市面上已经有的控制器多数结构简单，功能较少，自动化程度低下，用户界面不能人性化，只具有水位显示功能，没有完整温度显示模块。并且当水位达到一定的位置的时候也没有什么措施来控制水位的高度。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。2.2 太阳能热水器的应用及意义先前国内外大多数家庭使用的太阳能热水器只是纯粹的太阳能加热问题，还没有其他的智能控制方面，在没有太阳的天气中没有足够的能源使水箱中的水加到最热。其次对太阳能热水器中的水位没有记录，使人们不能及时知道水箱中的水量，以便补充，缺乏自动性。如今
8、大多数的家庭太阳能都装有水位监测和水温测量、显示的功能，使用更加方便。今年来，利用太阳能和其它能源的结合，使得太阳能热水器更加的完善，在任何天气情况下都能使用到热水。此款热水器包2括主、从两大系统：主系统的特点是在晴好的天气利用太阳光能为热水器加热；子系统就等于电热水器的功能，当光照强度不够的时候可以用电辅助加热。本产品可利用太阳能的丰富的资源，并且能完善在阴天及夜间无法利用太阳能的时候，充分发挥太阳能这种新能源产业的优势，这是原有的热水器所不能及的。当今社会发展日新月异，人们衣食住行也在不断的提高。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能洗浴系统，太阳能热水器的市场存
9、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。现有电热型热水器耗电大及燃气型的安全性不好，且燃烧过程中会产生二氧化碳污染环境，而太阳能热水器在这些方面就有明显的优点。它是利用太阳辐射能用集热器转化为热能的绿色环保产品。太阳能热水器结合时代发展的需求，不断的满足人们对环境保护的观念越来越强。今天人们的文明程度不断的提高，它是现代文明社会的必然选择是时代的产物。应该注意到，集体单位对太阳能热水器的用量很大。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、天然气的存储量日益减少，很明显能源危机开始日益增长，环境污染危机成为了生态平衡严重的威胁，太阳
10、能开发利用已经突出了其重要性。二十一世纪后，太阳能将慢慢成为主要能源。但现在太阳能利用的局限性还很大，技术不够成熟又给太阳能利用带来重重困难，能源转换率低，产品造价偏高，所以目前还没有被人们广泛的使用。在太阳能热利用技术中，太阳能热水器是技术上比较成熟、造价比较低廉的产品，同时给人民提供低耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。世界各国的太阳能热水器生产发展也很快。例如：澳大利亚政府规定，在北部地区新建房屋一定要设置太阳能热水器，已经有25的新住宅安装了太阳能热水器。日本现在每年安装太阳能热水器近 50 万台，计划今后普及率更高。有些国家法令规定所有新建筑物必须配备太阳能热水器。太阳
11、能热水器的推广应用及经济效益据不完全统计，迄今全国太阳能热水器累计安装使用总量已达到 300 万平方米以上。所以该控制器具有使用方便、性价比高、工作可靠、精度高等特点，为太阳能热水器的进一步推广具有积极的推动作用。3 太阳能热水器的设计要求与工作原理3.1 系统工作原理本次太阳能热水器系统是一种新型的智能温控系统系统，该系统的设计以 STC90C52为核心，将传感器检测技术、智能控制相结合，整个系统可分为单片机最小系统模块、DS18B20 检测温度模块，报警模块、检测水位模块、控制水位模块和键盘显示模块。此太阳能热水器控制器用数字方式显示水温、水位；当水位低于规定值报警并自动上水，上水到规定水
12、位时自动停止上水（水位的上限可由用户自行设定。设定参数具有断电保护，重新上电不需要用户再设定） ；水位界于高低水位之间时，用户可以通过触摸键手动上水、停水；当水压不足时，自动控制增压泵投入工作，避免因水压不足导致上水失败；禁止高温空晒后进水，可以防止真空管因突然注入冷水而爆裂.硬件原理框图如下：3图 3.1 热水器系统工作原理图用户在使用热水器后，当水箱中水位下降到一定刻度值时，可通过人工使用按键的方法来控制电磁阀立即上水，水位的最高限也可以由按键进行自行设定。当水位下降到最低水位刻度值时，单片机接受此信号开始执行指令，报警器开始自动报警，同时进行自动上水。当水位达到最高限时便给单片机发出中断
13、请求，此时电磁阀关闭，停止工作。若用户在热水不多的情况或阴天等时候进行淋浴时，则可以通过按键选择“淋浴”模式，在此模式下，当水位下降到 25%时，单片机接受此信号，进行自动上水和自动加热功能，直到水位达到 75%，停止自动上水，当水温达到 50摄氏度时，加热器也停止工作。当系统检测到上水指令执行后，在三分钟之内水位无明显变化时，自行启动电磁阀，进行上水操作，以免上水失败。在上水过程中，显示器既可以显示当前水位，又可以显示当期的水温，不仅只管方便，而且精确度高，实用性强，此系统解决了热水器上水需人守候和过量溢水的不足点，达到了省时、环保和节水的目的，以及独特的功能切换，从而使整个热水器更加的数字
14、化人性化。统由主控芯片模块STC90C52，温度检测模块、水位检测模块、键盘模块、显示模块、自动上水等模块组成，下面对本次设计的控制器做一个简单的介绍3.2 太阳能热水器的组成及工作原理4图 3.2 热水器装置简图由集热器、下降水管、循环水管、补给水箱、上升水管、自来水管、热水出水管组成。热水器是由集热器、循环管道和水箱等七个部分组成，上图为典型的热水器总体装置图。图中集热器第一部分是按最佳倾角度放置，第二部分下降水管的一端与第三部分的循环水箱下部相连，另一端与第一部分的集热器下集管接通。第五部分的上升水管与循环水箱上部相连，还有一端和第一部分的集热器上集管相接。第四部分的补给水箱供给第三部分
15、循环水箱提供所需的冷水。当阳光照射后集热器会吸收太阳能，集热器内的温度会上升并且使水温也随之上升。水温升高后会减轻比重，然后通过上升水管进入循环水箱上部。在通过循环水箱下部的冷流到集热器下方，当冷却到一定温度时集热器内受热后又重新上升。就这样不断对流循环的原理，内部的水温逐渐提高，等集热器的热量达到散失的热量相平衡时，水温不再升高。这种热水利用循环加热的原理，因此又称循环热水器。集热器的原理等同于温室效应的原理，是将太阳能辐射转换为热能的装置，该装置与其他热水交换器不同，一般热交换器通常只是液体到液体，或着是液体到气体的热交换过程，而太阳能传热是一个复杂的过程，把平板集热器直接将太阳辐射传给液
16、体或气体。平板型集热器结构形式多种多样，现在已经实现使用的集热器就有二十多。4 太阳能热水器控制器系统硬件设计根据控制要求，采用 STC90C52单片机的智能控制器结构框图如图所示。由于本系统运算量不是很大， 没有太多的中间数据需要处理、保存，因此不再外扩数据存储器。仅使用 STC90C52 内部 RAM已完全能够满足要求。系统的硬件接口电路包括：主芯片模块电路电路设计，水位监测模块电路设计、温度传感器电路设计、自动上水模块电路设计、报警模块电路设计、键盘模块电路设计、加热模块电路设计等。54.1 主控芯片模块电路设计单片机系统由 STC90C52和一定功能的外围电路组成，包括为单片机提供复位
17、电压的复位电路，提供系统频率的晶振。这部分电路主要负责程序的存储和运行。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、谐振器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。晶体可在 1.2MHz12MHz 之间任选，电容 C1和 C2的典型值在 20pF100pF 之间选择，但在60pF70pF 时振荡器具有较高的频率稳定性。典型值通常选择为 30pF左右，但本电路采用30pF。STC90C52 的复位是由外部的复位电路来实现的。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。本设计中所用到的是上电按钮复位，如下图所示。图 4.1 主控芯片模块电路4.2 水位监测模块设计该模块采
18、用分段式水位传感器，可以检测到水箱里四个不同的水位， 在进行水位检测时，本设计用四个探针，用来显示连接位置的逻辑状态，亦即探针所在位置的电平状态，本设计采用四个逻辑探针来检测水位，2、4、6、8 端口所在的探针分别检测，所表示的水位依次为25%、50%、75%和 100%，当水位上升到探针所在位置时，探针端的逻辑电平为逻辑“0” ，当探针所在位置没有水时，探针端的逻辑电平为逻辑“1” 。单片机通过读取所对应的端口的逻辑电平，以及访问存储器的控制程序，在液晶显示屏上显示相应的水位情况，通过上述的检测，就可以及时的检测到水箱中的水位情况，并在液晶显示屏上清楚地显示出水箱中的水位情况,下图为水位检测
19、6电路设计图：D1D2D3D4+5vR3500R6500R7500R8500探 点 1 探 点 2 探 点 3 探 点 4图 4.2 水位检测模块电路4. 3 水温检测模块电路设计基于 DS18B20多点温度测量系统以 STC90C52为中心器件，以 PROTEUS作为仿真软件设计而成的。DS18B20是智能温度传感器，它采用数字量的输入/输出，控制显示部分将由传感器传来的温度，水位信息进行显示并控制水位的高度。以单总线技术，接收主机发送的命令，DS18B20 的内部协议会做出相应的处理，并将转换完成的温度用串口发给主机。主机会用一个 IO口模拟 DS18B20的时序，发送命令给我们的温度传感
20、器，然后读取温度值，在内部进行相应作数据处理后，用数码管显示各点的温度。系统启动之时，可以通过按盘设置各点温度的上下限值，当实际温度达到设置的上限温度时，报警器会产生报警信号，这样就可以对各点温度的实时控制。每个 DS18B20有自己的序列号，因此可以在一根总线上挂接了 4个 DS18B20，通过 CRC校验，对各个 DS18B20的 ROM进行寻址，地址符合的 DS18B20才作出响应，接收主机的命令，向主机发送转换的温度。采用这种 DS18B20寻址技术，使系统硬件电路更加简单，如下图所示。7P3.0 27.0DQ2 VCC3 GND1U3DS18B20R210k图 4.3 与单片机的连接
21、电路4.4 温度传感器简介DS18B20数字温度计是由 DALLAS公司生产单总线器件，有线路简单，体积小等它的特点。所以选择它来完成一个测温系统，生产简单，使用方便。DS18B20产品的特点 6:只要求一个端口即可实现通信。在 DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号。实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温。测量温度范围在55.C 到125.C 之间。数字温度计的分辨率用户可以从 9位到 12位选择。表 1.DS18B20详细引脚功能描述序号 名称 引脚功能描述1 GND 地信号2 DQ 数字输入输出引脚,开漏单总线接口引脚,当使用寄生电源时,可向电源提供电源3 VDD 可选择的
22、 VDD引脚,当工作于寄生电源时,该引脚必须接地64位 ROM存储器件独一无二的序列号。暂存器包含两字节（0 和 1字节）的温度寄存器，用于存储温度传感器的数字输出。暂存器还提供一字节的上线警报触发（T H）和下线警报触发（TL）寄存器（2 和 3字节） ，和一字节的配置寄存器（4 字节） ，使用者可以通过配置寄存器来设置温度转换的精度。暂存器的 5、6 和 7字节器件内部保留使用。第八字节含有循环冗余码（CRC ） 。DS18B20加电后，处在空闲状态。要启动温度测量和模拟到数字的转换，处理器须向其发出Convert T 44h 命令；转换完后，DS18B20 回到空闲状态。温度数据是以带符号位的 16-bit补
