1、 毕业设计（论文） 题目 太阳能热水温度控制系统 院 别 电气工程学院 专 业 电气自动化技术 班 级 姓 名 学 号 指导教师（职称） 日 期 兰州工业学院毕业论文 I 摘 要 随着社会的发展，节能技术的不断改革创新，太阳能成为新时代可持续发展战略中带有绿色标志的新型能源。近年来，随着人们购买力的提升，太阳能热水器己经变成我们日常生活中必不可少的设备，太阳能控制器的使用率逐年上升。 太阳能热水温度控制器的硬件包括单片机处理器部分、水位和温度信息采集部分、继电器执行部分、显示部分控制部分。根据设计系统的稳定性、精确性、节能性、适应性等原则， 进行硬件部分设计。 控制系统的软件是服务于硬件的，系
2、统将实时采集到的数据与相应的设定值进行比较、判断，结果是控制循环水泵或上水电磁阀的工作，实现各 种智能控制同时，软件还要兼顾到操作人员方便地选择工作方式、设置和修改各种设定值，因为人们可以根据天气情况及用户的需要选择定时加热状态、自动加热状态软件还要设定以太阳能为优先使用的能源，只有在太阳能没有将水温加热到用户要求的温度下，才启动辅助能源进行加热 。 关键词 ： 太阳能热水温度控制 单片机 传感器 水温 水位 兰州工业学院毕业论文 II Abstract With the development of the society, continuous reform and innovation
3、of energy-saving technology, solar energy into a new era of sustainable development strategy in the new energy with green logo. In recent years, with the raise of peoples purchasing power, solar energy water heater has become in our daily life indispensable equipment, solar controller utilization ra
4、te increased year by year. Solar hot water temperature controller hardware including the single chip processor parts, water level and temperature data collection, the relay parts, display control part. According to the design of system stability, accuracy, energy saving, adaptability principle, hard
5、ware design. Software is in the service of the hardware of the control system, the system will be collected in real-time data comparing with the corresponding value, judgement, the result is to control the circulating water pump or water solenoid valve, to achieve a variety of intelligent control at
6、 the same time, the software gives priority to the operator to easily choose the way to work, set up and modify various Settings, because people can choose according to the weather conditions and the needs of the users regularly heating, automatic heating state software also set to gives priority to
7、 the use of solar energy, not only in the solar energy heat the water temperature to the temperature of the user requirements, to launch the auxiliary energy for heating. Keywords: Solar hot water temperature control; Single chip microcomputer; The sensor; Water level 兰州工业学院毕业论文 III 目录 摘 要 . I 第 1 章
8、 绪 论 . 1 1 1 太阳能热水器的发展背景 . 1 1.1.1 太阳能热水器发展的政治法律环境 . 1 1.1.2 太阳能热水器发展的社会环境 . 2 1.1.3 太阳能热水器发展的经济环境 . 2 1.1.4 太阳能热水器发展的技术环境 . 2 1.2 太阳能热水器及其控制系统发展现状 . 3 1.3 本文所作的工作 . 4 第 2 章 方案选择 . 5 2.1 方案论证 . 5 2.2 系统的总体要求 . 5 2.3 方案选择实现 . 6 第 3 章 硬件电路芯片的选型 . 7 3.1 单片机选型 . 7 3.2 水温检测装置 选型 . 8 3.3 水位检测装置选择 .15 3.4
9、显示器件选择 .16 3. 5 键盘模块的选择 .16 第 4 章 硬件系统设计 .18 4. 1 单片机最小系统 .18 4.1.1 时钟电路 .18 4.1.2 复位电路设计 .19 4.2 温度检测电路 .19 4.3 水位检测电路 .20 4.4 接口电路设计 .21 4.5 显示电路 .23 4.6 报警电路 .25 4.7 键盘电路 .25 4.8 辅助加热电路 .26 4.9 控制电路 .27 第 5 章 太阳能热水器中央控制器的软件设计 .29 5.1 系统总体软件设计 .29 5.1.1 主程序软件设计 .29 5.1.2 水位检测子程序 .30 4.1.3 显示软件设计 .
10、30 5.1.4 键盘软件设计 .30 第 6 章 总结 .33 参考文献 .34 附录 A 电路图 .35兰州工业学院毕业论文 1 第 1 章 绪 论 1 1 太阳能热水器的发展背景 在当今资源紧张不断威胁人们生活的时代，环保型的能源不断受到人们的重视，而太阳能是以它独有的优势引起了政府与民众的关注。太阳能热水器即为应用这种环保型能源的一个典型，这对于缓解日益紧张的不可再生能源具有重要的意义。随着人民生活水平 的提高以及低碳生活观念的不断深入人心，太阳能热水器已经为大众所接受，并走进了千家万户。可以说，太阳能热水器的快速发展己经使它成为中国可再生能源市场上需求量最大的产品之一。当然，太阳能热
11、水器的快速发展离不开一系列的环境因素。 1.1.1 太阳能热水器发展的政治法律环境 近年来，随着传统能源供需失衡矛盾的不断升级，包括太阳能、生物能、海洋能、地热能、氢能和风能、核能在内的各种新能源的开发与利用引起了世界各国政府和科研机构的重视。这些新能源相对于传统的能源有一系列的优点 :对环境造成污染小、发展潜力大、可永久利用等 。我国具有丰富的新能源资源，尤其太阳能资源极为丰富并在太阳能的开发利用上取得了一定的进展。 2006 年 1 月 1 日我国颁布施行中华人民共和国可再生能源法，在这部可再生能源法的第十七条中明文规定 :国家鼓励单位和个人安装和使用太阳能热水系统、太阳能供热采暖和制冷系
12、统、太阳能光伏发电系统等太阳能利用系统。建筑节能“十五”计划和 2010 年规划提出，到 2015 年，全国家庭太阳能热水器普及率要达到 20%到 30%。国家发改委出台的推进全国太阳能热利用工作实施方案中指出，我国即将制定太阳能热水器的强制安装政策。原则上 要求屋面布置太阳能热水集热系统的面积不少于屋面建筑面积的 50%， “十二五”期间，我国政府提出了多项关于节能减排、发展清洁能源、可再生能源的目标措施，全力发展太阳能等低碳无碳能源，要求到 2015 年全国家庭太阳能热水器普及率达到 20%至 30%的目标。为了鼓励太阳热水器的推广应用，相信不久的将来，国家还将出台一些有利于太阳能热水器发
13、展的政策法规。通过这些政策兰州工业学院毕业论文 2 法规将为太阳热水器生产厂家的生产和广大太阳能用户的安装提供了一个健康有利的法律环境，这将推动太阳能热水器市场健康有序地发展。 1.1.2 太阳能热水器发展的社会 环境 当今世界，全球能源告急，气候变暖，环境污染等不断威胁到人类的生存与生活。为了解决这些问题，世界各国都在寻求新的替代型能源，以寻求可持续发展并能在今后的发展中获取有利地位。太阳能取之不尽、用之不竭并且清洁、安全，自然成为大众关注重点。在太阳能产业的发展中，最成熟的莫过于太阳能热水器的热利用转换技术了。随着国际原油、天然气等能源价格的上涨，为太阳能热水器行业的发展提供了前所未有的产
14、业机遇，特别是在全球金融危机的深层次影响持续蔓延的背景下，消费者的生活成本居高不下，使用清洁能源的太阳能热水器将获得更多用户的 青睐，我国有近 4 亿多家庭，而热水器为家庭必需品，并且不受地域和消费阶层的影响，所以太阳能热水器有广阔的市场前景。 1.1.3 太阳能热水器发展的经济环境 我国能源资源总量位于世界前列，但由于我国人口基数较大，人均能源资源的占有量还不足世界人均能源资源占有量的一半。近年来我国经济持续增长，对于煤炭、石油等能源需求急剧增加，日益突出的能源供需矛盾已经严重的影响我国经济安全与经济发展。并且由于我国发展状况所决定的能源利用 效率较低，这些更加重了我国的资源紧张。我国今年两
15、会的三大主题之一是新兴产业投资，其中节 能环保和新能源占据了重要地位，受国家节能政策的利好影响所致，“十二五”规划 50 个亿的补贴政策支持以太阳能为主的新能源。随着中国经济的发展，广大农村及城镇人口逐渐富裕起来，价格适中的太阳能热水器完全可以成为大多数居民的家用耐用品之一。 2006 年太阳能热水器的销售额近 300 亿元。尤其在 2009 年 5月，太阳能热水器进入家电下乡产品行列，享受政府补贴 13%。所以太阳热水器在未来将有更大的发展空间。 1.1.4 太阳能热水器发展的技术环境 上世纪 70年代末起，我国开始研发与生产太阳能集热器 ， 太阳能热水器发展至兰州工业学院毕业论文 3 今，
16、产品类型主要有真空管型、平板型和闷晒型 3 大类型技术板块。 2001 年到 2006年太阳能热水器产业快速发展。当今真空管型太阳能热水器约占世界总产量的 90%，用于真空管集热器生产的硼硅玻璃 3.3 年产量约占世界总生产量的 70%。其中在 30万吨的 3.3 的玻璃中大约有 28 万吨用于真空管的生产。我国当前真空管镀膜生产线，年生产能力为 2 亿支，配套设备齐全，年生产的真空管可装配约 2000 万平方米太阳能热水器。随着太阳能热水器发展，分体式太阳热水器技术、壁挂式太阳热水器技术、承压式太阳热水器技术、太阳能热泵热水器等新型的 太阳能热水器技术不断被推向市场。 1.2 太阳能热水器及
17、其控制系统发展现状 随着全球能源供应的日趋紧张，以清洁、环保节能著称的太阳能受到各国和各级政府的高度重视。 在 中国为例，据太阳能协会公布的数据表明，全国太阳能的生产量以每年 30%的速度增长， 2009 年，我国太阳能热水器的生产量占全世界生产量的 50%，产品保有量占世界总量的 70%。在世界范围内，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。许多国家都对太阳能产业给予了高度重视，比如德国就提出了太阳能 市场激励计划，以色列更是明文规定，所有新建房屋必须配备太阳能热水器。而西班牙则自 2006 年9 月之后，所有新建建筑和游泳池以及既有建
18、筑必须安装太阳能热水器。 目前，中国已经成为世界上最大的太阳能热水器生产国，年产量约为世界各国之和，拥有太阳能热水器研制、生产、销售和安装的企业达到 1000 余家，年产值 20亿元，从业人数 1.5 万人。 太阳能热水器发展迅速，与之形成偏差的是与太阳能热水器相配套的太阳能热水器控制器却一直处在研究与开发阶段。目前市场上太阳能热水器的控制系统大多存在功能单一、操作复杂、控制不方便 等问题，很多控制器只具有温度和水位显示功能，且误差较大。主要存在的问题有以下两个方面 :(1)不具备温度控制功能。当由于天气或气候原因而光强不足时，太阳能热水器就会温度达不到洗浴要求，给热水器用户带来不便。即使部分
19、太阳能热水器具有辅助加热功能，通常采用的是电加热方式。而传统电加热温度控制具有升温单向性、大惯性、大滞后性和时变性的特兰州工业学院毕业论文 4 点，应用传统的模拟电路控制方法，很难达到理想的控制效果。也可能由于加热时间不能控制而产生过烧，从而浪费电能。 (2)上水控制通常采用手动控制，水满不容易发觉，造成水资源的浪费。或者有所 谓水位控制，是通过设定来实现太阳能热水器水箱里缺水时自动补水、水满时自动停水的功能。现有的控制方案多由水位传感器根据缺水或满水时发出的不同信号控制半导体器件的通断，从而进一步控制继电器、电磁阀的开合状态，来进行补水与否。这种方案容易造成用户在使用过程中水位下降进行补水，
20、出现混水问题。对于家庭用户来说，一天热水的使用量相差不会很大，若使用时随时补水，混水后又需要电辅热进行加热，势必会造成浪费，没有最大限度利用太阳能资源。 1.3 本文所作的工作 主要在几个方面做了一些设计和研究工作 : (1）在单片机上进行处理 器系统的设计。热水系统采用可编程芯片作为控制器，通过温度传感器采样温度信号，采集到的信号由控制器进行处理，控制系统根据控制规则计算出相应的温度值，并通过显示模块进行温度显示 ;通过水位传感器采样水箱水位的水位信号，采集到的水位信号通过控制系统进行数据处理，同时通过显示模块进行水位显示 ;通过输出控制信号带动继电器驱动执行机构，实现各部分电路的控制。 (
21、2)进行芯片的选型及接口设计 (3)进行其他硬件电路及软件的设计。 兰州工业学院毕业论文 5 第 2 章 方案 选择 2.1 方案论证 太阳能作为能源利用的一种方式，具有使用方 便、安全经济、节能环保的优点，因而得到广泛应用。本设计主要是研究其出水恒温控制系统，现有较为常用的方案如下 : 手动式 :使用时先手动调节机械阀，调好冷热水混合比例，温度合适后再使用，但在使用过程中，常会放一段时间的冷、热水，混合后又会出现忽冷忽热的现象，造成资源浪费，还有压力的变化，均需要再次手动调节，这样操作既复杂又不方便，也使沐浴者皮肤感到不舒服。 加热式 :使用时先手动调节太阳能热水器水箱内的水温，使出水口恒温
22、。当水箱内温度较低时，用辅助电加热的方式将水加热到所需温度，当水箱内温度过高时，或兑冷水或无能为 力。这在很多情况下既无必要，又造成了水资源浪费。 智能式 :通过控制器与检测装置的配合，检测与控制相应的 检测与控制，将水温加热到所需要的温度并保持。 太阳能热水器在晴天一般能自动加热水温，就算在阴天的情况下，太阳能热 水器内部的发热管也会将水温加热至用户所需温度，但保温时间不长。 2.2 系统的总体要求 本系统设计的太阳能热水器控制系统将检测到的环境数据，通过主控芯片处理后，可以实现定时控制上水，水满自动停止。智能辅助加热，温度合适即停止加热。还可以让用户手动控制，进行定时等操作，满足用户的特殊
23、要求。通过 LED 显示屏用户可以了解系统地实时工作状态，即水温多少 ， 水位多高等。使用户在 洗浴 前可以了解热水器的工作状态，下面对具体功能进行说明 : (1)上水控制 智能上水当水位低于最低水位时自动上水，水上满自动停止。避免出现无水可用及干烧等情况。 兰州工业学院毕业论文 6 手动上水设置有手动上水按键，满足特殊情况的需要。 (2)温度显示 即时显示水箱中水的温度，温度测量范围为 -20-100 摄氏度。 (3)水位显示 设置 A(满档 )、 B(75%)、 C（ 60%） 、 D(45%)、 E(30%)、 F10%)、 G(空 )七个档显示水箱水 位。 (4)智能辅助加热 智能辅助加热，当用户对水温不满意时，开启智能辅助加热，设置三档加热温度，满足个性化需求、用电加热器作为辅助加热源，当温度加热至设定温度时，自动停止加热。 2.3 方案选择 实现 通过 对太阳能热水器控制系统功能分析 ，我们选择智能式太阳能热水器作为设计的方案，并在控制器方面选用我们学习中经常使用的单片机作为控制装置，方案框图，如下图图 2.1 所示。 图 2-1 系统程序框图 在初始化时，所有电动调节阀及电磁阀均处于关闭状态，用户按下启动键，系统将按照设定的模式进行出水。
