基于单片机的太阳能热水器测控仪设计Word文档下载推荐.docx

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觀^I@录^III

1绪论^11.1概述^11.2太阳能热水器发展概况及市场竞争分析^21.2.1国内外研究现状^21.2.2国内外太阳能热水器发展趋势^31.2.3太阳能热水器的市场分析^31.3本课题研究的主要内容^41.3.1太阳能热水器的组成与工作原理^41.3.2太阳能热水器测控仪的设计内容^42太阳能热水器测控仪总体方案的设计^62.1热水器微控制器系统框图^62.2控制器系统主要元件简介^6

2.2.1单片机八丁89052^62.2.2铂热电阻口丁100^8

2.2.3转换芯片^00）832^92.2.4超声波测距仪只03尺04^102.2.5时钟芯片031302^113硬件设计^133.1绘图软件？

10化199叱简介^133.2控制器各单元模块硬件电路设计^133.2.1单片机及其外围电路的设计^133.2.2超声波液位传感器电路设计^143.2.3时钟电路设计^163.2.4温度传感器电路设计^183.2.5上水控制电路和辅助加热电路设计^203.2.6显示4路设计^213.2.7按键接口电路设计^224软件设计^234.1四扎11^1310^3软件环境^234.2程序徽^234.2.1系统总流程图^234.2.2超声波模块程序设计^244.2.3时钟模块程序设计^254.2.4温度模块程序设计^274.2.5液晶显示模块程序设计^274.2.6按键扫描模块程序设计^295佩试^31

5.1？

1016118简介^315.2软件调试^315.3硬件调试^326雜^35参考纖^36麵^37

1绪论

1.1概述

在资源紧张，环境污染的大背景下，太阳能热水器与传统的燃气热水器和电热水器相比有着无可取代的优势，因此近几年太阳能热水器得到了蓬勃的发展。

然而，目前市场上的太阳能热水器控制系统大多存在功能单一、操作复杂、控制不便等问题。

很多控制器只具有温度和水位显示功能，却不具有温度控制功能，致使热水器在阴天不能方便使用。

即使热水器具有辅助加热功能，也可能由于加热时间不能控制而产生过烧，从而浪费电能。

所以研究智能型太阳能热水器测控仪有着极其深远的意义。

0太阳能节能环保

太阳能作为一种新能源，与常规能源相比，它有三大特点：

第一，它是最丰富的能源，可随时被我们利用。

据估计，在过去的11亿年中，太阳只消耗了它本身能量的27。

。

因此可足够供给我们使用，可谓是取之不尽，用之不竭；

第二，地球上，太阳能就在我们的身边，我们可以随时就地开发利用，不存在任何运输问题。

对于交通不发达的农村、海岛和边远地区具有更优越的利用价值；

第三，太阳能是一种洁净的能源。

在开发利用时，不会产生废渣、废水、废气、也没有噪音，更不会影响生态平衡。

绝对不会造成污染和公害。

我国目前有13亿人口，3.5亿个家庭，按较低标准每户每天使用6摄氏度热水100升，从冷水到热水升温45摄氏度计算，共需热量450千卡。

折合电量5.2度，折合天然气0.5立方米。

按每度电0.50元，每立方米天然气。

40元计算，每天分别需要2.6元（电）或0.70元〔天然气\按每月30天计算，分别需要72元和21元，每年分别需要864元和252元。

以上均为仅根据电和天然气热值进行的计算，尚未考虑电热器与燃气热水器的热转换效率及由于结垢其值肯定会不断下降的影响。

根据实际调查，一个家庭用电热水器，全年的电费消耗约1000元，若使用太阳能热水器，其投资在2000—3000元之间，两至三年节约的电费即可收回。

2^太阳能的价格趋于平民化

近几年来，原油价格飞涨，以原油为原料的燃气价格也大幅上涨，燃气热水器的使用成本大大增加，这给太阳能热水器产业带来了巨大的商机。

现在的太阳能热水器越来越受欢迎。

据北大四季沐歌太阳能热水器经销商家说，近年来的销量比以前同期增长了一倍。

现在，越来越多的消费者认同太阳能热水器。

也正因如此，全国各地出现了各种品牌的太阳能热水器，这也给消费者带来了更多的选择性。

今年的家电市场刮起了一阵节能风暴，节能家电成为一大卖点。

太阳能热水器以节能、安全、价格走低的趋势成为了人们关注的焦点。

3〉安全可靠

使用太阳能热水器没有人身危险，也没有环境污染，而使用燃气热水器有可能发生煤气中毒事故；

使用电热水器有可能发生触电身亡事故。

据了解，太阳能热水器不仅能以907。

以上的效率将辐射能转换为热量，更能以近乎1007。

的效率保存热水，使用效率更高。

它的确是一种很好的节能型“绿色”产品

1.2太阳能热水器发展概况及市场竞争分析

1.2.1国内外研究现状

0国内研究现状

我国太阳能历史可追溯到1958年，在上世纪70年代末起，我国就加大研发与生产太阳能集热器。

1979年前后我国有些单位迎头研发全玻璃真空管集热器。

清华大学运用电真空物理的背景，发明了专利是铝一氮化铝太阳选择性吸收涂层，在世界上开创用单个铝阴极通过磁控射制备红外低发射率低层、铝一氮化铝吸收太阳光的陶瓷薄膜和淡化铝减反膜三个部分。

使用真空管的集热器可以在严寒、低太阳辐射下利用，很适合多种气候。

太阳能热利用产业的发展，在突破了太阳选择性吸收涂层的核心技术，通过产学研结合，生产性能价格比较好的介质。

国外研究现状

国际上，太阳能热水器技术己日趋成熟，已达到了工业化生产阶段，作为商品进入市场，综合起来，国外的太阳能热水器有以下几个特点：

政府重视。

它首先表现在政府投资大，譬如美国在78年到81年在太阳能供热方面的投资每年都在1亿美元以上。

随着投资的增长，太阳能领域里的人员和科研成果增长的速度也都相应得到了提高。

其次表现在各国都根据本国的情况，制订出了能源政策，比如美国在能源政策和能源法案中，对国家投资、指定太阳能科研规定以及实行税收优惠等经济措施分别作了规定。

^产品的高档化、大型化。

由于国外一些主要利用太阳能国家的经济实力较强,为了满足社会的需要，其太阳能热水器从设计、制作以及材料等都趋于高档化，而且在太阳能热水器体统上附加诸如循环泵，专用阀、辅助电加热器等。

当然价格也是比较高的。

去年北京举行的国际可再生能源展览会上，澳大利亚送展的一套家用太阳能热水器售价达400多美元。

但是，从另一方面看，其发展仍不平衡，一些发展中国家应用较为广泛的仍有不少是较为低档的太阳能热水器。

近年来，印度研究和使用的大都是日本早期产品一一集热蓄热合一式太阳能热水器。

产品多样化，技术上先进。

国外近几年来主要发展的仍是管板式，并对降低成本，提高效率和可靠性，以及简化设计和安装程序等都做了大量的研究工作，取得了显著的进展。

如热水器框架大都采铝挤压件，可以简化制造工艺并为玻璃的装配和吸热板提供了可靠的支架。

釆用人造橡胶和特制垫圈以解决漏水和因热应力作用而破裂的问题，管道连接和安装配件己设计成便于快速安装的型式，虽然大部分仍采用回火玻璃做为盖板，但也涌现出许多塑料和复合玻璃材料。

普及面广。

世界各国主要利用太阳能的国家如日本、美国、澳大利亚和以色列等已将太阳能热水器发展到工业化生产阶段。

日本有20多家工厂。

澳大利亚有2多家，新西兰有30多家工厂从事太阳能热水器的生产，使用的较为广泛。

如日本有400万多台热水器在运行，以色列有607。

以上的家庭使用太阳能热水器。

目前，全世界正在使用的太阳能热水器（保罗空气集热器）约达700余万平方米【2】。

1.2.2国内外太阳能热水器发展趋势

近几年来，低温太阳能热水器的产量在国际上略有下降，这主要同国际石油价格下跌有关，预计今后各国将在中高温太阳能热水器，包括充气集热器方面有较大的进展，以利于使其在工业及釆暖、空调以及发电方面取得进展。

各国还注意到使用新技术、新材料研制出更多品种的太阳能热水器。

特别在提高热性能，降低成本，使之不断提高和完善，使其比在常规能源有更大的竞争能力。

特别是太阳能的蓄能技术将把太阳能热水器推进到一个新的天地。

我国太阳能热水器的势头仍处在上升阶段。

预计这种势头持续2〜4年，可能会出现一个下降趋势，为此，从科研和生产上有一定思想准备，以防止和避免这种可能性的出现。

为此应当一方面发展新的技术和材料，使之能打进国际市场，另一方面结合中国的国情，研制出使群众买得起，用得上的太阳能热水器。

这样，高、中、低档的太阳能热水器将同时出现，并发挥各自作用和效益。

将太阳能热水器同城乡居民住房结合在一起，使之成为房屋的一种构件和装备，将愈来愈受到人们的重视。

同时将太阳能热水器同太阳房、太阳灶结合在一起的多种用途的太阳能热利用装置将会出现，并引起人们的浓厚兴趣。

总之，太阳能热水器作为家庭生活和社会的一种商品将会越来越多的出现在人们眼前，将会发挥出更高的作用和效益。

1.2.3太阳能热水器的市场分析

在太阳能产业的发展中，太阳能热水器的热利用转换技术无疑是最为成熟的，其产业化进程也较光伏电池、太阳能发电等产业领先一步。

但是目前市场还有待规范，消费群体还有待培育，技术还有尚须改进，因而对于企业来说还有较大的成长空间。

2007年，中国太阳能热水器产量的增长速度约为307。

，年产量达2340万时^16380^[^^）,总保有量约为10800万时〈75600^4^10〔太阳能热水器寿命按10年计算，1997年前的保有量作废\2007年，太阳能热水器市场销售额约为320亿元人民币，产值亿元人民币以上的企业有20多家；

2007年，太阳能热水器的出口额增长约为287。

，6500万美元左右，产品出口欧洲、美洲、非洲、东南亚等50多个国家和地区。

中国太阳能热水器的年生产量是欧洲的2倍，北美的4倍，现已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和最大的太阳能热水器市场，并仍在以每年20^-30^的速度递增。

但是中国太阳能热水器的生产企业有5000多家，除桑乐、皇明、清华阳光、华扬、太阳雨、力诺瑞特等10个全国性品牌因质量、售后服务过硬而市场知名度较高外，行业中存在着大量纷繁芜杂的杂牌企业，这种状况不利于行业的长远发展，这就要求政府部门进行规范，加强监管引导。

尽管市场现状不如人意，但市场前景仍看好。

随着国民经济和人民生活水平的不断提高，居民对家庭室内热水的需求越来越强烈，中国太阳能热水器市场潜力巨大。

1.3本课题研究的主要内容

本课题研究的是太阳能热水器的测控仪，但是首先应该了解太阳能热水器的组成与工作原理，以及太阳能热水器的基本构架和工作过程，才能使本次的控制系统设计的更加完善。

1.3.1太阳能热水器的组成与工作原理

图1.1热水器装置简图1-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

热水器主要由集热器、循环管道和水箱等组成。

图1.1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。

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。

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，而平板型集热器是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，世界上己实用的集热器就有直管式、瓦楞式、扁管式、铝翼式等二十多种。

1.3.2太阳能热水器测控仪的设计内容

此款热水器测控仪系统包括主从两大系统：

主系统的特点是在晴好的天气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。

本设计有三个要求：

（丨）时间、温度和水位三种参数实时显示功能。

口）具有时间设定、温度和水位设定与控制功能。

（卩）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。

本文的第二章，主要会介绍系统的整体框图，以及选择的主要技术和元器件，并对这些技术和元器件进行简单的介绍；

第三章，重点介绍了系统各单元的电路图以及工作原理；

第四章是对所涉及的子系统的软件进行分析阐述。

第五章则是对系统的软硬件调试；

第六章总结了本系统工作和优缺点，以及后续工作。

2太阳能热水器测控仪总体方案的设计2.1热水器微控制器系统框图

本设计的太阳能热水器控制器是以处89052单片机为检测控制中心单元，利用液位传感器来检测水箱中的液位，当实际的液位低于设定液位时，冷水阀开关则会开启，实现加水功能；

温度传感器则是用来检测水箱中水的温度，当实际温度低于设定温度时，则会利用辅助加热器对水箱中的水温加热，从而达到预定效果；

液晶显示屏主要显示的是相应的温度、水位及时间。

而利用按键操作不仅可以实现对时间的调整，而且可以设定相应的温度和水位。

从系统框图可2.1可以看出。

图2.1热水器微控制器系统框图

2.2控制器系统主要元件简介

本系统主要涉及到单片机八丁89052及其外围电路，超声波液位传感器，温度传感器，实时时钟031302，辅助加热器等等主要模块，由于有些模块中涉及到一些重要的元件，所以在这里对所涉及的主要芯片的功能原理等做一个简单的阐述。

元件主要包括:

单片机八丁89052、铂热电阻？

丁100、转换芯片^00）832、超声波测距仪003尺04、时钟芯片031302等。

2.2.1单片机人了89052

人189052作为本设计的中央处理器，是一个低电压，高性能0^1038位单片机，片内含8&

^08的可反复擦写的？

1狀1！

只读程序存储器和25613^8的随机存取数据存储器（趴^）,器件采用人[公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准^4（^51指令系统，片内置通用8位中央处理器和？

1狀11存储单元，人189052单片机在电子行业中有着广泛的应用。

八丁89052的主要功能特性为（工）兼容^10551指令系统；

⑵8虻可反复擦写（大于1000次）？

1肋11尺0从；

32个双向1/0口；

“）256x81^11；

内部11^4；

03个16位可编程定时丨计数器中断；

“）时钟频率0-24—2；

门）2个串行中断，可编程I；

皿串行通道；

（^）2个外部中断源，共8个中断源；

2个读写中断口线，3级加密位；

（⑴）低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；

（^）有？

01？

、？

呀？

、丁卩?

？

及？

XXX：

等几种封装形式，以适应不同产品的需求。

八丁89052为8位通用微处理器，采用工业标准的051内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8x052相同，如图2.2所示。

主要管脚有：

乂丁^109脚）和乂丁从208脚）为振荡器输入输出端口，外接12—2晶振。

11317^1x1^9脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。

〔40脚）和乂沾〔20脚）为供电端口，分别接十5乂电源的正负端。

0〜?

3为可编程通用1/0脚，其功能用途由软件定义，以下简单介绍单片机处89052输入7输出引脚？

0，？

1，？

2，？

3。

图2.2？

封装的人丁89052引脚图

（工）？

0口：

？

0口是一组8位漏极开路型双向1/0口，即地址丨数据总线复用口。

作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个丁丁I逻辑门电路,对端口？

0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。

在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。

在？

匕也编程时，？

0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。

（之）？

1口：

1口是一个带内部上拉电阻的8位双向1/0口，？

1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个丁7七逻辑门电路。

对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。

作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流⑴匕）。

与八了89051不同之处是，？

10和？

1.1还可分别作为定时丨计数器2的外部计数输入，即：

91.0/丁2和？

1，17！

22乂。

2口：

2是一个带有内部上拉电阻的8位双向1/0口，？

2的输出缓冲级可

驱动（吸收或输出电流）4个丁丁1逻辑门电路。

对端口？

2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（〖正）。

在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时，？

2口送出高8位地址数据。

在访问8位地址的外部数据存储器时，？

2口输出？

2锁存器的内容。

13811编程或校验时，？

2亦接收高位地址和一些控制信号。

（心？

3口：

3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向1/0口。

3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个XIX逻辑门电路。

对？

3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。

此时，被外部拉低的？

3口将用上拉电阻输出电流（口匕）。

3口除了作为一般的1/0口线外，更重要的用途是它的第二功能。

3口还接收一些用于闪速存储器编程和程序校验的控制信号。

2.2.2铂热电阻？

1100

由于本设计的温度是测温电路，可以使用热敏电阻？

丁100的感温效应。

丁100温度传感器为正温度系数热敏电阻传感器，主要技术参数如下⑴测量范围:

-2001〜+8501；

⑵允许偏差值八。

0：

八级土（（^+^规卜丨\8级土0.30+0.005卜|

⑴热响应时间008；

（斗）最小置入深度：

热电阻的最小置入深度2200111111；

0允通电流2501八。

另外，？

丁100温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。

铂热电阻的线性较好，在0〜1001之间变化时，最大非线性偏差小于0.5摄氏度。

铂热电阻阻值与温度关系为：

时，尺？

尸10011十八!

+8*^2+^*^3*0-100）]

（之）01分58501时，办丁^100氺0十入计只9^2）

式中，人^0.00390802；

8:

-0眉000580；

0=0.0000000000042735。

可见？

丁100

在常温0〜100摄氏度之间变化时线性度非常好，其阻值表达式可近似简化为：

1^=100（^^）,当温度变化1摄氏度，？

丁100阻值近似变化0.39欧姆。

表2.1为？

丁100在01

〜1001的分度表。

表2.1？

1100分度表

00

1

2

3

4

5

6

7

8

9

100

100.39

100.78

101.17

101.56

101.95

102.34

102.73

103.12

103.51

10

103.9

104.29

104.68

105.07

105.46

105.85

106.24

106.63

107.02

107.4

20

107.79

108.18

108.75

108.96

109.35

109.73

110.12

110.51

110.9

111.28

30

111.67

11