环境管理_太阳能热水器控制系统设计

毕业设计说明书题 目：太阳能热水器控制系统设计 姓 名： 学 号： 指导教师： 专业年级： 所在学院和系： 完成日期： 答辩日期：2011年6月13日 努力了的才叫梦想，不努力的就是空想！如果你一直空想的话，无论看多少正能量语录，也赶不走满满的负能量！你还是原地踏步的你，一直在看别人进步。摘 要众所周知，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。随着日本9.0级地震，引起的海啸以及发生的核电站安全事故，让人们对核能有着很大的安全隐患担忧，因而太阳能开发利用的课题已提到人类的面前。现有电热型热水器费用昂贵及燃气型的不安全性，且排放二氧化碳污染大气，北方用煤气取暖造成城市空气环境污染，这些都是太阳能热水器良好的外部生存环境。目前,太阳能热水器控制器还一直处于研究与开发阶段,市面在售的控制器绝大部分只具备温度和水位显示功能,不具备温度、水位的自动控制，以及太阳光线自动跟踪功能。本设计具有很强的实用性,用成本低廉的电阻式传感器以及电极配以单片机技术对生产实际中的太阳能热水器的水温的控制以及水位的显示。本装置实用性强、性价比高、水温控制灵活，水位显示直观醒目、太阳光自动跟踪。关键词：单片机、太阳能热水器、温控系统、水位控制、太阳光自动跟踪英文摘要：As is known to all, solar energy is inexhaustible, an inexhaustible, no pollution huge energy. With the world coal, oil and gas reserves are dwindling, already growing energy crisis, environmental pollution crisis has threatened the ecological balance. As Japan caused by the earthquake, 9.0 tsunami and the nuclear safety accidents happened, let people in nuclear energy has the very big safe hidden trouble, so solar energy concerns for the development and utilization of the already mentioned before the human subject. The existing electric heating type water heater is expensive and gas type of unsafe, and emissions of carbon dioxide, air pollution caused by gas heating northern citys air pollution, these are solar water heater a good external environment. At present, the solar energy water heater controller also has been in research and development phase, the controller sold in the market most have only temperature and water level display, do not have a temperature, water level automatic control, and the suns rays automatic tracking function. This design has a strong practicability, with low-cost resistive sensor and electrode match with micro-controller technology to the production practice of the solar energy water heater temperature control and water level is displayed. This device has strong, cost-effective, water temperature control flexible, water show intuitional marked, sun automatic tracking.目录摘 要1目录2第一章 前言（绪论）31.1太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析3第二章.设计思路及要求32.1本设计的目的和意义32.2设计要求和目的：42.3本设计实现思路及方法4第三章.硬件设计43.1控制系统组成及工作原理43.2主要原器件介绍63.3 AT89S51单片机的最小系统 ：143.4 AT89S51单片机时钟电路153.5 AT89S51单片机复位电路153.6水位检测电路的硬件设计153.7水温检测电路的硬件设计163.8 键盘电路的硬件设计183.9驱动电路的硬件设计213.10显示电路的硬件设计213.11 太阳能自动跟踪系统设计. 25第四章.软件设计264.1软件设计原理及设计所用工具264.2显示子程序28第五章.系统调试305.1软件调试30第六章.系统功能306.1系统能实现的功能296.2系统功能测试296.3系统功能分析29第七章.参考文献30总 结31第一章 绪论1.1太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析目前，中国已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，已有一百多家太阳能热水器生产厂。但是与之配套的太阳能热水器控制器却一直处在研究与开发阶段。这种控制器只具有温度和液位显示功能，而且对太阳能的利用率不高。太阳每时每刻都是在运动着，不管哪种太阳能设备，如果它的能量转换部分能始终保持与太阳光线垂直，那么它就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能。太阳能设备的能量转换部分若想保持与太阳光垂直，就必须要跟踪太阳。太阳光线自动跟踪装置为解决这一问题提供了条件。研究表明，太阳能设备对太阳光线运动的跟踪与非跟踪，其能量的利用率相差37.7%。本文设计的太阳能热水器控制器以80C51单片机为检测控制核心，采用DS12887 实时时钟，不仅实现了时间、温度和水位三种参数实时显示和FUZZY控制功能，而且具有时间设定、温度设定与控制功能，并且太阳能自动跟踪系统可以使太阳能的利用最大化。温度控制采用模糊控制，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在设定时间达到预先设定的温度，从而达到24小时供应热水的目的。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，并利用太阳能自动跟踪系统使光能利用最大化；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。它充分利用太阳能丰富、免费的资源优势，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，并最大程度的利用了太阳能资源，这是世面上大部分热水器所不能比拟的，随着国家对于节能的要求，此设计有着良好的市场前景。第二章.设计思路及要求2.1本设计的目的和意义本设计具有很强的实用性,用成本低廉的电阻式传感器以及电极配以单片机技术对生产实际中的太阳能热水器的水温的控制以及水位的显示，并利用自动化跟踪太阳光技术使光能利用最大化。本装置电路简单、实用性强、性价比高、水温控制灵活，水位显示直观醒目。可广泛应用于家庭生活对太阳能热水器的水位显示与水温控制，可以更大程度的节约电能，服务人们对热水的需求。2.2设计要求和目的：（1） 掌握太阳能热水器的工作原理及实现控制方法；（2） 太阳能热水器水位的检测和显示；（3） 太阳能热水器温度的检测和显示；（4） 太阳能热水器水温的设定和电加热器的控制；（5） 太阳能热水器上水水位的设定和控制；（6） 太阳能热水器自动化跟踪太阳光技术的实现；（7） 编写控制流程图及单片机控制程序2.3本设计实现思路及方法水位由潜入储水容器不同深度的水位电极和潜入容器底部的公共电极（导线）检测；并由四个绿色LED发光二极管显示：若无水则绿灯不亮；若有四分之一储水箱的水亮一盏绿灯；通过观察绿灯点亮的数量可识别水位的高低，这里取5段显示，也可根据需要进行增减。水温由四个LED数码管显示，前三个数码管显示的为温度最后一个数码管我们只用到了四段码显示为温度的符号，水温有效值最多可显示为99.9。跟踪太阳光系统以光电式跟踪装置为基础，用图像传感器代替光敏电阻，研究一种基于图像传感器的太阳光线自动跟踪装置。根据小孔成像原理设计光学成像机构，将发散的太阳光线通过小孔投影在接收屏上，成为太阳光斑。放置在接收屏下方的图像传感器采集接收屏上的图像信息，并输出数字图像信号。数字图像处理器对该数字图像进行处理，提取光斑的亮度特征，得到光斑在接收屏上的位置坐标以及太阳光线对接收屏的高度角和方位角，在数码管上显示检测结果。当成像机构所在平面与太阳光线不垂直时，数字信号处理器根据上述两个角度通过执行机构调整成像机构的位置。第三章.硬件设计3.1控制系统组成及工作原理系统组成 ：本系统主要由控制器、自动控制阀、手动控制阀、水位检测电极、水温检测传感器、电阻加热丝、储水箱、接收器等组成 控制器：主要通过里面的电磁阀控制YV1和YV2的通断，控制水温检测传感器检测水温、控制水位检测传感器检测水在水箱中的位置以及控制电阻加热丝加热。自动控制阀：主要通过控制器控制，当水箱中的水的实际温度大于所设置的温度时或水位低于某个设计值，自动阀就自动打开往水箱中上水，直到上到上一个目标水位为止。手动控制阀：当自动阀损坏时，可以通过手动阀进行上下水。水位检测电极：主要用来检测水箱中水的位置，主要把水箱分成四等分，一共有五个电极，接地的电极放在最水箱的最底下，其余分别放在四等分点上，比如当水箱中的水在第一等分和第二等分之间，则显示水箱中有四分之一的水，当超过第二等分，则显示二分之一的水。水温检测传感器：主要用来检测水箱中水的实际温度。电阻加热丝：主要用来加热水箱中水，使其达到用户所需要的温度。 控制装置的工作原理：本控制系统分为手动和自动两种控制方式，在系统处于自动状态下，当检测温度高于设置温度，且水位未达到最高时，控制器打开电磁水阀YV1和YV2进行上水，同时点亮上水指示灯，当水位上至上一目标水位时，自动停止上水（即关闭电磁水阀YV1和YV2），若水箱内无水，则自动上水至最低水位处。在系统处于手自动状态下，可自由上水或停止上水（上水时水箱水位必须未满），若水位达到最高则自动停止上水；若需要启动加热器则必须先设定加热温度，然后按下加热键进行加热；若需洗浴时，则需打开手动阀YV4，系统自动打开电磁水阀YV2，可通过YV5自由调节水温；当电磁水阀YV1和YV2损坏或停电时，可通过打开YV5和YV6进行上下水解决燃眉之急；此系统设置YV3是为了防止冬天气温过低引起水管因内有积水而冻裂（即手动打开此阀放完水管中的积水）上图为热水器系统的结构图。系统控制原理图如下图:注释: Tl，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，热水阀门此款热水器利用微机控制主要有以下两种控制功能:水温控制、水箱加热控制。太阳能热水器利用微机控制主要有以下几种控制功能：早上加热控制、温水循环控制、冷水集热控制、水箱加热控制。（1）早上加热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，热水器在清晨对水箱进行电加热，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35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35摄氏度时电热器断开，如此反复循环保证了温度的稳定。（2）循环水集热过程清晨水温加热稳定之后，设定当日的水箱温度N，由两位BCD次齿轮开关设定（BCD次齿轮开关是0-9的数字.是跟据BCD码的要求1.2.4.8.用转换齿轮开关转换成1就是1度2就是2度.BCD次齿轮开关能把0000-1111数据简化成0-9的数字），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。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）冷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中午太阳较强时。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，这个过程充分利用太阳光能转化为热能，方便快捷。（4）水箱加热控制当光线很弱或遇上阴雨天气，这个过程热水箱的加热系统将发挥最大作用，设定热水箱温度为T1，将它和设定值N相比较，从而控制是否打开电加热，控制时段为全天，具体过程如下： 若T11000次）Flash ROM32个双向I/O口硬件看门狗WDT电路3个16位可编程定时/计数器时钟频率0-33MHz两个串行中断5128bit内部RAM2个外部中断源内置时钟振荡器中断激活睡眠模式3级加密位双重数据存储器软件设置睡眠和唤醒功能3.3.2数码管显示：由单片机的定时器To做16位计数器（为便于数据处理，这里只用低8位计数值，即寄存器TL0中的值）。一边记录脉冲数量，一边以厘米为单位由四位数码飞管显示出来。四位数码管采用动态扫描方式显示。长度计量仪采用0.5英寸共阳极连接的LED数码管。LED数码管由发光二极管作为显示字段的数码型显示器件。右图为LED数码管外形和引脚图，其中7只发光二极管分别对应a-g笔段，构成“日”字形，另一只发光二极管DP作为小数点，因此这种LED显示器称为八段数码管。（如图3-3所示）图3-3 LED数码管共阳极型LED数码管，是将各段发光二极管的阳极连在一起，作为公共端com,应接高电平。ag、Dp各笔段中，某笔段接低电平时发光，高电平时不发光。为了节省单片机I/O口的数量，将各位数码管的ag对应笔画并联起来分别与单片机的P2.0P2.7引脚连接。显示时，由P2口依次输出各位数字的笔段码，并依次由P1.0、P1.1、P1.2、P1.3输出低电平位选信号接通数码管的公共端，轮流进行，循环不止，由于循环的频率较高（约50Hz），加上人眼的视觉暂留，既保障了各位数字的对应显示，又不会出现闪烁现象，实现动态扫描显示。本系统需显示水温，测量范围为099 0C，用四个八位LED数码管显示。1）LED结构和显示原理。LED（Light Emitting Diode）显示器是由发光二极管作为显示字段的显示器件，最常见的是由7段型发光二极管（ag7段）和1个圆点型发光二极管（常以dp表示，主要用来显示小数点）组成的LED显示器，其排列形状如下图所示。这种LED显示器也可称为7段数码显示器（或8段数码显示器）。LED显示中的发光二极管根据其连接的方法有共阴极和共阳极两种结构。共阴极结构：把各段发光二极管的阴极连接在一起构成公共阴极，如图a所示。使用时，公共阴极接地，根据要求需点亮发光二极管的阳极输入高电平，不需点亮的发光二极管的阳极输入低电平。共阳极结构：把各段发光二极管的阳极连接在一起构成公共阳极，如图b 所示。使用时，公共阳极接+5V，根据要求需要点亮发光二极管的阴极输入低电平，不需点亮的发光二极管的阴极输入高电平。通过控制7个段的发光二极管的亮暗的不同组合，可以显示多种数字、字母以及其他符号。2）字段码。为了显示各个数字或字符，就需要为LED提供相应的代码，因为这些代码是控制各段的亮或灭，供显示器显示字形的，所以称为字段码（也可以称为段选码或字形码）。七段发光二极管再加上1个小数点位，共计8段，因此提供给LED显示器的字段码正好1个字节。各代码位的对应关系如下：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0DpGfedcba下图所示为共阴极LED所显示的不同字符的字段码，测量范围为099 0C，当温度超出范围时，显示器均显示F。显示字符共阴极字段码03FH106H25BH34FH466H56DH67DH707H87FH96FHF71H3）N位LED显示器。在单片机应用系统中，实际使用的LED显示器有多个，N位LED显示器的显示要从两个方面来控制：其一是控制N位的字段显示（即显示什么字符）；其二是控制字位（即哪一位到哪一位亮）。由LED的显示原理可知，要使某N位LED显示器的某一位显示某个字符，就必须将此字符转换为对应的字段码来控制该位的8个段，同时，该位的字位线也要控制有效，这要通过一定接口来实现。LED显示器有两种显示方式，即静态显示方式和动态显示方式。N位LED显示器有N根字位选线（简称：“位选线”）和N*8根字段选线（简称：“段选线”）。根据显示方式不同，位选线和段选线的连接方式也不同。各种字符的字段码的获取方法有两种：即软件译码和硬件译码法。目前通常所用的各种型号的单片机开发系统或实验装置普遍采用软件译码。当单片机应用系统中的LED显示器位数较多时，为了简化电路降低成本，本设计采用动态显示的方式。动态显示方式的接口电路的连接方法是：将所有LED位的段选线（a dp）同名并联，即所有a段并联，所有b段并联。依次类推，然后由一个8位I/O接口来控制各个段，而所有位的位选线则由另外一个相应的I/O接口线来控制。这样用两个8位I/O接口就能控制8位LED显示器。LED显示器是由电流型控制器件，其工作电流为2mA20mA，使用时须加限流电阻。本设计中限流电阻选用1K。动态扫描显示控制方式就是逐个地循环点亮各位显示器，即在某一瞬间，只让某一位的位选线处于选通状态（共阳极的为高电平，共阴极的为低电平）其它各位的位选线处于段开状态，同时段选线上输出相应位要显示字符的字段码。这样在每一个瞬间，8位LED中只有选通的那一位LED显示出字符，而其它7位则是熄灭的。同样，在下一瞬间，只显示下1位LED。如此继续下去，等8位LED都显示完毕后，在循环进行。虽然这些字符是在不同的瞬时轮流点亮的，但由于人眼的视觉残留效应，看到的是8位稳定显示的字符，与静态显示的效果完全一样。所以为了简化电路、降低成本，此系统中采用动态显示方式。3.3.3数字温度传感器DS18B20主要特性及测温原理一线式数字温度传感器DS18B20是DS1820的更新换代产品(由美国DA IIAS公司生产)。它具有体积小,分辨率高,转换快等优点。由于每片DS18B20 含有唯一的硅串行数, 所以在一条总线上可以挂接多达248 2181014只DS18B20,再加上DS18B20 独特的单线总线结构,决定了DS18B20 特别适合于大型的多路温度实时测控系统的温度检测。温度实时测控集装箱的设计, 在实现测控系统的温度检测方面就较好地利用了DS18B20 的独到特点,使系统得到了极大的简化。（1）DS18B20的特性1）独特的单线接口方式。DS18B20 在I/O处理器连接时,仅需要一个I/O 口即可实现微处理器同DS18B20的双向通讯。2）DS18B20支持组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的单线上,实现多点测温。3）DS18B20 的测温范围为: - 55+125,在-10+ 85时, 其精度为+ 015。4）DS18B20的测温结果的数字量位数从912位,可编程进行选择。数字化温度传感器DS1820测温范围为- 55+125 ，增量值为0.5 (9位温度读数)，它主要由4个数据部件部分组成：64位ROM;温度传感器;非易失性的温度告警触发器TH 和TL；高速便笺存储器64 位ROM用于存储序列号，其首字节固定为28H，表示产品类型码，后6个字节是每个器件的编码，最后1个字节是CRC 校验码. 温度告警触发器TH和TL 存储用户通过软件写入的报警上下限值，高速便笺存储器由9个字节组成，其中有2个字节RAM单元用来存放温度值前1个字节为温度值的补码低8位，后1个字节为符号位和温度值的补码高3位。（2）DS18B20 测温原理DS18B20内部结构框图,如图3-4所示。图3-4 DS18B20内部结构框图DS18B20 的测温原理：DS18B20 测量温度采用了特有的温度测量技术，它是通过计数时钟周期来实现的，内部计数器对一个受温度影响的振荡器的脉冲计数,低温时,振荡器的脉冲可以通过门电路。而当到达某一设置高温时, 振荡器的脉冲无法通过门电路。计数器设置为- 55。同时, 计数器复位在当前的温度值时, 电路对振荡器的温度系数进行补偿, 计数器重新开始计数直到回零。如果门电路仍未关闭, 则系统重复上述过程。（3）DS18B20的操作协议DS18B20单纯通信功能是分时完成的。单线信号包括复位脉冲,响应脉冲,写“0”,写“1”,读“1”。它们有严格的时隙概念。系统对DS18B20的操作以ROM命令(5个)和存储器命令(6个)形式出现。对它的操作协议是： 初始化DS18B20发复位脉冲)发ROM功能命令处理数据发存储器命令处理数据。各种操作都有相应的时序图。DS18B20在使用时，一般都采用单片机来实现数据采集。只需将DS18B20 信号线与单片机1位I/O线相连，且单片机的1位I/O线可挂接多个DS18B20，就可实现单点或多点温度检测。DS18B20传感器精度高、互换性好;它直接将温度数据进行编码，可以只使用一根电缆传输温度数据，通信方便，传输距离远且抗干扰性好：与用传统温度传感器组成的多点测温系统相比可节省大量电缆，而且系统得以简化，系统扩充维护十分方便。DS18B20 可以广泛用于工厂工业过程、大型粮仓、酿酒厂，食品加工厂的温度检测以及宾馆、仪器仪表室等处的温度检测和控制。3.3.4ADC0832转换器ADC0832引脚图（图3-5）:ADC0832 是美国国家半导体公司生产的一种8 位分辨率、双通道A/D转换芯片。由于它体积小，兼容性强，性价比高而深受单片机爱好者及企业欢迎，其目前已经有很高的普及率。学习并使用ADC0832 可是使我们了解A/D转换器的原理，有助于我们单片机技术水平的提高。ADC0832 具有以下特点： 8位分辨率； 双通道A/D转换； 输入输出电平与TTL/CMOS相兼容； 5V电源供电时输入电压在05V之间； 工作频率为250KHZ，转换时间为32S； 一般功耗仅为15mW； 8P、14PDIP（双列直插）、PICC 多种封装； 商用级芯片温宽为0C to +70C，工业级芯片温宽为40C to +85C；芯片图：图3-5 ADC0832程序:程序占用资源有累加器A，工作寄存器R7,通用寄存器B 和特殊寄存器CY。通道功能寄存器和转换值共用寄存器B。在使用转换子程序之前必须确定通道功能寄存器B 的值，其赋值语句为“MOV B,#data”（00H03H）。运行转换子程序后的转换数据值被放入B 中。子程序退出后即可以对B 中数据处理。 3.3.5继电器（relay）的工作原理和特性 当输入量(如电压、电流、温度等)达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器。可分为电气量(如电流、电压、频率、功率等)继电器及非电量(如温度、压力、速度等)继电器两大类。具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。1、电磁继电器的工作原理和特性电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。2、热敏干簧继电器的工作原理和特性热敏干簧继电器是一种利用热敏磁性材料检测和控制温度的新型热敏开关。它由感温磁环、恒磁环、干簧管、导热安装片、塑料衬底及其他一些附件组成。热敏干簧继电器不用线圈励磁，而由恒磁环产生的磁力驱动开关动作。恒磁环能