1、太阳能热水器智能控制设计第 1 页 共 32 页摘 要太阳能热水器以其诸多的优点受到人们的欢迎。本文结合实际太阳能热水器的具体应用，在介绍太阳能、传感器、单片机的特点基础上，详细描述了太阳能热水器的工作原理和设计方案。这里根据太阳能热水器对控制器的要求与特点，提出了一种基于DS12887（实时时钟）的太阳能热水器智能控制器的设计方法，给出了系统硬件设计及软件实现方法。全文分三大部分。第一部分包括第一章，描述太阳能的利用和前景发展状况。第二部分包括第二章，描述太阳能系统组成及工作原理。第三部分包括第三、四章硬件设计及电路原理和软件设计，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、
2、单片机发展和原理，这也是此款太阳能热水器的理论基础和必要前提。本文主要以控制器来实现对太阳能热水器的智能控制，通过传感器、单片机与实时时钟的相互结合，使太阳能热水器更加的智能化和人性化。关键词： 太阳能热水器;传感器; 实时时钟;单片机 太阳能热水器智能控制设计第 2 页 共 32 页第 1 章 绪论1.1 太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析伴随着住宅消费和人们对生活品质要求的不断提高，热水器已经成为普通中国人追求的商品。中国热水器市场主要集中在城镇。在社会已拥有的热水器中，燃气式占主流。城镇在用热水器中，电热水器与燃气热水器保有量的比例为 30：70，农村在用的热水器中，电、气之比为 22
3、：78。但在城镇市场在销的热水器中，特别是在大中城市的大型综合性商场，燃气式与电热式平分天下，即目前市场各占五成。不包括太阳能热水器，中国热水器行业有一定规模的生产企业大约有 200 家。2005 年在城镇燃气热水器的保有量为每百户 40 台，电热水器为每百户 18 台。虽然在保有量上电热水器还不能与燃气热水器相抗衡，但是电热水器的发展速度极快，它的增长幅度为 16，大大高于燃气热水器 10的增长幅度，其销售数量和销售收入两个方面都已超过了燃气热水器。2006 年 17 月中国全国燃气热水器产量为 3286552 台，同比增长了-4.93。全国电热水器产量为 4121385 台，高于燃气热水器
4、产量，比上年同期增长 14.25。而太阳能作为一种绿色环保可再生能源，其开发和利用，因顺应中国的能源与环保政策，日益受到重视。加上日渐显现的全球能源危机，进一步加剧了太阳能热水器行业的发展。尽管前景光明，可因为太阳能热水器的能源利用率较低及它对建筑的诸多要求导致太阳能热水器行业的发展目前还存在很多障碍。在热水器的发展历程中，对热水器的安全节能要求贯穿始终，随着社会与热水器行业的发展，安全节能必将成为热水器行业间竞争的焦点及发展趋势。尽管热水器的细分行业各自有良好发展前景与发展障碍，但随着科技的进步，各细分行业的障碍必将得到解决与突破。另外，空气热能热水器等新兴细分行业的兴起，又为热水器行业注入
5、了新鲜血液，随着热水器行业的发展，其总体前景必然光明。此款热水器包括主、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；从系统相当于电热水器，它在无光照的情况下利用电辅助加热。它充分利用太阳能的丰富的免费的资源的优势，同时考虑到在阴天及夜间无法利用太阳能的缺点，充分发挥太阳能热水器和电热水器的各自优势，这是世面上大部分热水器所不能比拟的。1.2 太阳能热水器的应用及意义众所周知，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、油、气的储量日益减少，能源危机已日益增长，环境污染的危机已威胁着生态平衡，太阳能开发利用的课题已提到人类的面前。有人预测：二十一世纪太阳能将
6、由辅助能源上升为主要能源。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。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，同时给人民提供不耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。太阳能热水器智能控制设计第 3 页 共 32 页太阳能热水器是以太阳能光热转换，利用温室效应和虹吸原理使水加热的装置，此装置分为两个不同的系统：（1）热水工程系统，这种系统由太阳能集热器、储水箱管线、补水箱组成不同形式的热水系统，包括自然循环式、定温放水式等等，可构成提供热水 10 吨到 10
7、0 吨的装置，大多提供集体单位使用。（2）热水器是指将上述各种不见组装成一个小系统，提供家庭或需要产热水 1 吨以下的单位使用，此种装置算为太阳能热水器。太阳能热水器（或系统）均以其采光面积作为计量单位，一般 1 平方米光面积可产热水 100 升，采光面积每种型号不同，一般在1.52.0 平方米。我国从“六五”计划期间开始推广太阳能热水器，到目前全国已有 250 万平方米采光面积的太阳能热水器，厂家又几家发展到全国约有 180 家左右，是目前世界上推广最大的国家之一，而且形成了规模，形成了中国特色的太阳能企业，有中国太阳能协会为中心的学术中心，以中国农村能源企业协会太阳能热利用专业委员会为中心
8、，制定了产品标准、测试条件、产品合格证颁发等一系列措施。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，西澳大利亚已有 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，现在有 20%的家庭安装了太阳能热水器，计划今后普及率达到 25%，按照日本的“阳光计划”还将为公寓，办公楼安装 6500 套太阳能热水系统，为工厂安装 1900 套工业用太阳能热水系统。以色列的法令规定所有新建筑物必须配备太阳能热水器，目前普及率已超过 60%。英、法、德、意、希腊五国到2000 年底推广热水器 600 万平方米，比 1990
9、 年增长 2 倍多。根据理论计算及实际应用证明，太阳能热水器每平方米光面积一年可节约标准煤200-300 公斤节电 1500 度，或节约液化气 180 公斤。采用本热水器与电热水器、燃气热水器相比，还具有绝对安全，最为卫生的特点，在电费，液化气、煤气价格较高的地区，用户 1-3 年即收回投资，在这以后提供的热水是免费的。设计可以参考以下的几个意见：(1)计民用建筑时，若此地区没有集中热水供应，可给用户安装太阳能热水器，以提供热水，提高住房的档次，在设计时将冷、热水管线预埋，以平均每套住宅建筑面积 65平方计算，工程造价大约每平方米增加 18-20 元，(2)工厂浴室时，可考虑采用太阳能热水系统
10、，每平方采光面积产热水 100 升计算，100 平方米太阳能热水系统可产热水 10 吨，每人每次标准用水 40 升，可解决 250 人的洗浴用水。作为工厂中低温工业热水，可根据当地各种各样的不同条件予以特殊设计。(3)中低温工业热水，可根据当地各种各样的不同条件予以特殊设计，太阳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 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、精度高等特为太阳能热水器的进一步推广具有积极的推动作用。太阳能热水器智能控制设计第 4 页 共 32 页第 2 章 太阳能热水器的组成及工作原理2.1 系统总体结构设计
11、 不锈钢保温水箱图2-1系统结构图 图2-1为系统设计的结构图，该图的系统控制原理图如下图2-2：热水箱集热器太阳光F1F3F2T2T3自来水DT1图2-2 系统控制原理图太阳能热水器智能控制设计第 5 页 共 32 页注释：T1：热水箱的温度传感器T2：循环水管中的温度传感器T3：集热器中的温度传感器F1：循环水阀门F2：冷水阀门F3：热水阀门D： 电热器此款热水器利用微机控制主要有以下几种控制功能：晨水加热控制、温水循环控制、冷水集热控制、水箱加热控制。(1) 晨水温控制由于清晨太阳光较弱，所以太阳能热水器从系统发挥作用。为了提供温度不低于 30摄氏度的水，热水器在清晨 4-7 点之间对水
12、箱进行电加热，具体控制过程如下：首先，关闭冷水阀门 F2 和循环水阀门 F1，然后微机开始进行水箱的温度采集，同时进行温度的比较，当水箱的温度小于 30 摄氏度时，电热器 D 接通进行加热，同时微机继续对热水箱的温度进行采集。当温度加热到大于 30 摄氏度时电热器断开，如此反复循环保证了温度的稳定。(2) 环水集热过程早晨水温控制之后（79 点） ，设定当日的水箱温度 N，输入微机，再利用微机控制系统，通过太阳光能对热水箱加热以达到理想温度 N。具体控制过程如下：打开循环阀门 F1，关闭冷水进水阀门 F2，热水阀门 F3 处于空控状态。然后开始比较温度，若（T3-T15 摄氏度，T2T1）为止
13、。如若 T1=N，那么循环水集热过程结束，进入冷水集热控制过程。(3) 水集热控制此时热水箱温度已达到了 N，冷水要进入太阳能集热器，这时温度为 T3，和当日的设定温度值相比较，若 T3N 则将已加热的水送入热水箱，每天的控制时段大概为 9点20 点。具体控制过程如下：关闭循环水阀门 F1，打开冷水阀门 F2，热水阀门 F3 处于可控状态。若 T3N，打开热水阀门 F3 并将保持一段时间，若 T3N 阀门 F3 继续保持打开状态，否则关闭 F3。可见，次过程充分利用太阳光能转化为热能，方便快捷。(4) 箱加热控制此时，也许你会问如果没有日照或者日照较弱时，到了晚上我们是否还能洗上热水澡吗？答案
14、是肯定的，不要忘了这款热水器还有一个从系统，这时它就要发挥作用了。热水箱温度为 T1，将它和设定值 N 相比较，从而控制是否打开电加热，控制时段为下午，具体过程如下： 若 T1N，电加热接通；否则，电加热断开，而且，15 点20 点中的每个小时有下表的关系：太阳能热水器智能控制设计第 6 页 共 32 页表2-1时间（时） 温度比较 加热值（度）15 T135N 3516 T140N 4017 T145N 4518 T150N 5019 T155N 5520 T160N 60最终热水箱的温度加热到设定值 N。由此可见，即使没有日照我们照样可以洗上热水澡了。综上所述，太阳能供热控制系统不仅节约而
15、且高度智能化，方便省事，不论日常家居，还是对宾馆、学校等都是最佳选择。2.2 太阳能热水器组成及原理6547213图 2-3 热水器装置简图1-集热器 2-下降水管 3-循环水箱4-补给水箱 5-上升水管 6-自来水管 7-热水出水管热水器主要由集热器、循环管道和水箱等组成，图中为典型的热水器装置图。图中集热器 1 按最佳倾角放置，下降水管 2 的一端与循环水箱 3 的下部相连，另一端与集热器 1 的下集管接通。上升水管 5 与循环水箱 3 上部相连，另一端与集热器 1 的上集管相接。补给水箱 4 供给循环水箱 3 所需的冷水。当集热器吸收太阳辐射后，集热器内温度上升，水温也随之升高。水温升高
16、后，水的比重减轻，便经上升水管进入循环水箱上部。而循环水箱下部的冷水比重较大，就由水箱下流到集热器下方，在集热器内受热后又上升。这样不断对流循环，水温逐渐提高，直到集热器吸收的热量与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。太阳能热水器智能控制设计第 7 页 共 32 页集热器是一种利用温室效应，将太阳能辐射转换为热能的装置，该装置与一般热水交换器不一样，热交换器通常只是液体到液体，或是液体到气体的热交换过程，而平板行集热器时直接将太阳辐射传给液体或气体，是一个复杂的传热过程。平板型集热器结构形式很多，世界上已实用的集热器就有直管式、瓦楞式、扁管式、铝翼
17、式等二十多种。2.3 主要芯片的结构与特点 2.3.1 S12887 时钟芯片简介美国达拉斯半导体公司(Dallas)最新推出 DS12887 的串行接口实时时钟芯片，采用CMOS 技术制成，具有内部晶振和时钟芯片备份锂电池，同时它与目前 IBMAT 计算机常用的时钟芯片 MC146818B 和 DS1287 管脚兼容，可直接替换。它所提供的世纪字节在位置32h，世纪寄存器 32h 到 2000 年 1 月 1 日从 19 递增到 20。采用 DS12887 芯片设计的时钟电路不需任何外围电路和器件，并具有良好的微机接口。DS12887 芯片具有微功耗，外围接口简单，精度高，工作稳定可靠等优点
18、，可广泛用于各种需要较高精度的实时时钟系统。美国 Dallas 公司推出两款数字时钟芯片 DS12887/DS12C887，两款时钟芯片都将在1999 年 12 月 31 日 23 时 59 分 59 秒时顺利地跳到 2000 年 1 月 1 日零时，并能实 2000 年 2 月 29 日的闰年提示，是时钟芯片 DS1287 的增强型品种，结构上相当于 MC146818B 的改进型。芯片都采用 24 引脚双列直插式封装，其引脚接口逻辑和内部操作方式与MC146818 基本一致，所不同的是 DS12887/DS12C887 芯片的晶体振荡器、振荡电路、充电电路和可充电锂电池等一起封装在芯片的上方
19、，组成一个加厚的集成电路模块，因此，DS12887/ DS12C887 时钟芯片无需 MC146818 的电源电位检测端( PS)，电路通电时其充电电路便自动对可充电电池充电，充足一次电可供芯片时钟运行半年之久，正常工作时可保证时钟数据十年内不会丢失。此外，片内通用的 RAM 为 MC146818 的两倍以上。DS12887/DS12C887 内部有专门的接口电路，从而使得外部电路的时序要求十分简单，使它与各种微处理器的接口大大简化。使用时无需外围电路元件，只要选择引脚 MOT 电平，即可和不同计算机总线连接。(1) 要技术特点DS12887/DS12C887 具有下列主要技术特点： 完备的时
20、钟、闹钟及到2100年的日历功能，可选择12小时制或24小时制计时，有AM和PM、星期、夏令时间操作，闰年自动补偿等功能。 具有可编程选择的周期性中断方式和多频率输出的方波发生器功能。 DS12887内部有14个时钟控制寄存器，包括10个时标寄存器，4个状态寄存器和114bit作掉电保护用的低功耗RAM。 由于该芯片具有多种周期中断速率时钟中断功能，因此可以满足各种不同的待机要求，最长可达24小时，使用非常方便。 标可选择二进制或BCD码表示。 工作电压： + 4. 55. 5V、工作电流：715mA。太阳能热水器智能控制设计第 8 页 共 32 页 作温度范围：070C。(2) 12887/
21、 DS12C887 的内部结构DS12887/DS12C887为24引脚芯片，内部结构如下图。图2-4内部结构图其中：MOT：计算机总线选择端；SQW：方波输出，速率和是否输出由专用寄存器A、B的预置参数决定；AD0AD7：地址/数据(双向)总线，由AS 的下降沿锁存8位地址；R/W：读/写数据;AS：地址锁存信号端；DS：数据读信号端；CS：选通信号端，低电平有效；IRQ：中断申请，由专用寄存器决定；RESET：复位端；NC：空引脚。DS12887内部由振荡电路，分频电路，周期中断/方波选择电路，14字节时钟和控制单元，114字节用户非易失RAM，十进制/二进制计加器，总线接口电路，电源开关
22、写保护单元和内部锂电池等部分组成。DS12887管脚分配如图：太阳能热水器智能控制设计第 9 页 共 32 页图2-5 管脚分配图VCC：直流电源+ 5V 电压。当5V电压在正常范围内时，数据可读写;当VCC低于4.25V，读写被禁止，计时功能仍继续;当VCC下降到3V以下时，RAM和计时器供电被切换到内部锂电池。MOT(模式选择)：MOT 管脚接到VCC时，选择MOTOROLA时序，当接到GND 时，选择INTEL时序。SQW(方波信号输出)：SQW 管脚能从实时时钟内部15级分频器的13个抽头中选择一个作为输出信号，其输出频率可通过对寄存器A编程改变。AD0 AD7(双向地址/ 数据复用线
23、)：总线接口，可与MOTOROLA微机系列和INTEL 微机系列接口。AS (地址选通输入)：用于实现信号分离，在AD/ ALE 的下降沿把地址锁入DS12887。DS(数据选通或读输入)：DS/ RD 管脚有两种操作模式，取决于MOT管脚的电平，当使用MOTORO2LA 时序时，DS是一正脉冲，出现在总线周期的后段，称为数据选通；在读周期，DS指示DS12887驱动双向总线的时刻; 在写周期，DS的后沿使DS12887锁存写数据。选择INTEL时序时，DS称作(RD)，RD与典型存贮器的允许信号(OE) 的定义相同。R/W(读/ 写输入 ) ： R/ W 管脚也有两种操作模式。选MOTORO
24、LA 时序时，R/W 是一电平信号，指示当前周期是读或写周期，DS为高电平时，R/ W高电平指示读周期，R/W 信号是一低电平信号，称为WR。在此模式下，R/ W管脚与通用RAM 的写允许信号(WE) 的含义相同。CS(片选输入)：在访问DS12887 的总线周期内片选信号必须保持为低。IRQ(中断申请输入)：低电平有效，可作微处理的中断输入。没有中断的条件满足时，IRQ处于高阻态。IRQ线是漏极开中输入，要求外接上接电阻。RESET(复位输出)：当该脚保持低电平时间大于200ms，保证DS12887有效复位。(3) S12887/ DS12C887 内部寄存器的功能因DS12887 和DS1
25、2C887 结构功能上类似，现以DS12887 为例说明如下：CPU通过读DS12887的内部时标寄存器得到当前的时间和日历，也可通过选择二进制码或BCD码初始化芯片的10个时标寄存器。其114bit非易失性静态RAM 可供用户使用，对于没有RAM的单片机应用系统，可在主机掉电时来保存一些重要的数据。DS12887 的4个状态寄存器用来控制和指DS12887模块的当前工作状态，除数据更新周期外，程序可随时读写这4个寄存器，各寄存器的功能和作用如下。寄存器 A 各位不受复位的影响，UIP 位为只读位，其它各位均可读写。寄存器的控制字的格式如下表 2 所列：表2-2 DS12887 控制寄存器A
26、各布尔位定义 IT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0UIP DV2 DV1 DV0 RS3 RS2 RS1 RS0 IP 位：更新周期标志位。该位为“1”时，表示芯片正处于或即将开始更新周期，太阳能热水器智能控制设计第 10 页 共 32 页此时程序不准读写时标寄存器；该位为“0”时，表示至少在 244s 后才开始更新周期，此时程序可读芯片内时标寄存器。该位是只读位。 D0V、DV1 、DV2 ：芯片内部振荡器RTC 控制位。当芯片解除复位状态，并将010写入DV0、DV1、DV2后，另一个更新周期将在500ms后开始。因此，在程序初始化时可用这三位精确地
27、使芯片在设定的时间开始工作。这与MC146818（ 老式时钟芯片） 不同的是，DS12887固定使用32 768Hz 的内部晶体，所以，DV0 =“0”，DV1 =“1”，DV2 =“0”，即只有一种010的组合选择即可启动RTC。RS3、RS2、RS1、RS0：周期中断可编程方波输出速率选择位。各种不同的组合可以产生不同的输出。程序可以通过设置寄存器B的SQWF 和PIE 位控制是否允许周期中断和方波输出。其寄存器A输出速率选择位如表3所列。表2-3 DS12887 控制寄存器A 输出速率选择位定义寄存器A 输出速率选择位 32 768Hz 时基RS3 RS2 RS1 RS0 中断周期 SQ
28、WF输出频0 0 0 0 无 无0 0 0 1 3.90625ms 256Hz0 0 1 0 7. 8125ms 128Hz0 0 1 1 122.0s 8.192kHz0 1 0 0 244.141s 4.096kHz0 1 0 1 488.281s 2.048kHz0 1 1 0 976.5625s 1.024kHz0 1 1 1 1.953125ms 512Hz1 0 0 0 3.90625ms 256Hz1 0 0 1 7.812ms 128Hz1 0 1 0 15.625ms 64Hz1 0 1 1 31.25ms 32Hz1 1 0 0 62.5ms 16Hz1 1 0 1 125
29、ms 8Hz1 1 1 0 250ms 4Hz1 1 1 1 500ms 2Hz寄存器 B 允许读写，主要用于控制芯片的工作状态。寄存器 B 的控制字的格式如表 4 所列。表2-4 DS12887 控制寄存器B各布尔位定义BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0SET PIE AIE UIE SQWF DM 24/12 DSE SET 位：当该位为“0”时，芯片处于正常工作状态，每秒产生一个更新周期来更新时标寄存器为“1”时，芯片停止工作，程序在此期间可初始化芯片的各个时标寄存器。 IE、AIE、UIE 位：分别为周期中断、报警中断、更新周期结束中断允许位。各位为“1”时，允许芯片发相应的中断。 SQWF 位：方波输出允许位。SQWF“1”，按寄存器A 输出速率选择位所确定的频率输出方波;SQWF=“0”，脚SQW保持低电平。
