太阳能热水器控制仪设计毕设Word文件下载.docx

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Thispaperontheoveralldesign,software,hardwarecircuitanalysisofdesigns,makethemeasurementandcontrolofthesolarwaterheaterintorealize,whichhasplayedasignificantroleinthedailylife.

Keywords:

solarwaterheater;

sensor;

DS12887;

MCU;

第1章　绪论

1.1太阳能热水器控制器的发展概况与市场分析

1.1.1发展概况

当今社会发展日新月异，人们衣食住行也在不断的提高。

据国家经贸委资源与综合利用司提供的消息，我国已成为世界上最大的太阳能热水器生产和使用国。

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，而且为分段显示，温度显示误差为10%，水位显示误差为25%。

这种显示器（还称不上控制器）不具有温度控制功能，当由于天气原因而光强不足时，就会给热水器用户带来不便；

即使热水器具有辅助加热功能，由于加热时间不能控制而产生过烧，从而浪费大量的电能。

近几年来，人们逐步研究出各种新型的控制器，值控制功能更加完善，控制更加精确，给人们提供了很大的方便。

1.1.2市场分析

据中国五金制品协会统计，目前中国城市家庭中，57.4%拥有燃气热水器，31.3%拥有电热水器，拥有的太阳能热水器只有7.6%。

但在城市家庭的购买预期调查中，三者的比例将演变为35.8%、30.2%、23.2%，太阳能热水器的比例将大幅增长，一种融合三者之长的家庭热水中心也将占据9.5%的比例。

据国家信息中心经济预测部所做的全国消费者家用电器消费意向调查结果显示，99年城镇家庭热水器的购买量为8.84台/百户，销售总量比98年增长11%左右，传统的燃气热水器产业实现升级换代，迎来安全时代，电热水器持续升温，逐渐成为市场较活跃的家电商品之一，作为热水器市场的新秀，太阳能热水器开始崭露头角。

1.2太阳能热水器控制器的应用与意义

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。

而在太阳能热水器的整个系统中，起到至关重要的作用的中心环节就是检测控制系统。

控制器不仅实现了对水温，水位的检测与控制，而且也实现了对时间，日期的控制与显示。

该控制器有主从两个系统，其中从系统属于辅助加热系统，在阴天下雨等阳光不充足的情况下，从系统发挥作用对水进行加热，以达到热水24小时供应的目的[1]。

第2章　控制器的组成与工作原理

2.1太阳能热水器的结构与工作原理

2.1.1太阳能热水器的结构

现在市场上的太阳能热水器的结构复杂多样，但总和看来，主要有三个部分：

1.循环（保温）水箱；

2.集热器；

3.连接管道。

而各个部分发挥了不同的作用：

1.集热器：

系统中的集热元件。

其功能相当于电热水器中的电热管。

和电热水器、燃气热水器不同的是，太阳能集热器利用的是太阳的辐射热量，故而加热时间只能在有太阳照射的白昼。

2.保温水箱：

和电热水器的保温水箱一样，是储存热水的容器。

因为太阳能热水器只能白天工作，而人们一般在晚上才使用热水，所以必须通过保温水箱把集热器在白天产出的热水储存起来。

容积是每天晚上用热水量的总和。

采用同乐搪瓷内胆承压保温水箱，保温效果好，耐腐蚀，水质清洁，使用寿命可长达20年以上。

3.连接管道（循环水管）：

将热水从集热器输送到保温水箱、将冷水从保温水箱输送到集热器的通道，使整套系统形成一个闭合的环路。

设计合理、连接正确的循环管道对太阳能系统是否能达到最佳工作状态至关重要。

热水管道必须做保温处理。

管道必须有很高的质量，保证有20年以上的使用寿命。

图2-1为系统的总体结构。

但通常在实用的太阳能热水器系统中，需要外加一个补给水箱，以保证冷水的正常连续供应。

图2-2为典型实用热水器的装置简图。

图2-2中标号分别代表为：

1-集热器；

2-下降水管；

3-循环（保温）水箱；

4-补给水箱；

5-上升水管；

6-自来水管；

7-热水出水管。

工作原理：

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。

水温升高后，水

图2-1系统总体结构图

图2-2热水器装置简图

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、铝翼式等二十多种。

2.1.2控制器结构与工作原理

控制器主要由主控制器（即单片机），温度检测单元，水位检测单元以与辅助加热单元组成。

各个单元发挥各自不同的作用与功能。

外接显示器以与按键作为人机交流介质。

太阳能热水器控制器结构看似复杂，但总结重要部分，得出结构简图如下图2-3所示：

图2-3控制系统结构简图

在图2-3中，T1代表保温水箱中的温度传感器。

T2代表保温水箱中的水位自动控制系统。

F1代表冷水阀门。

F2代表循环水管阀门。

F3代表循环水管阀门。

F4代表热水阀门。

不用水时，阀门F1，F4关闭，F2，F3打开，热水在保温水箱和集热器中流动。

T1传感器实时检测温度。

用水时，阀门F4打开，传感器T2检测水位，当水位低于设定最小值时没打开阀门F1给水箱供水。

当阳光不足时，温度传感器T1检测水温不在升高且达不到设定值，则发出命令启动从系统进行电加热。

整个系统循环运作，可以达到24小时提供热水的目的。

2.2控制器的总体设计

2.2.1设计思想与实现功能

本文设计的太阳能热水器控制器以AT89C52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。

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。

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，同时考虑到在阴天与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。

2.2.2方案论证

方案一：

基于FPGA的太阳能热水器控制系统

本方案利用EDA技术和VHDL语言，设计了基于FPGA的太阳能热水器控制系统，实现了系统的硬件电路与相关配套软件，使系统能够完成太阳能热水器温度、水位参数的采集和对采集数据实时记录、处理、分析、显示和控制等功能

方案二：

基于CPLD的太阳能热水器控制系统

本方案以Altera公司的EPMl270芯片作为数据处理器，将外界各种电路检测得到的环境信息进行综合处理和分析，智能化地解决太阳能热水器日常使用中普遍存在的问题。

方案三：

基于89C51单片机的太阳能热水器控制系统

本方案以89C51单片机为核心控制整个系统，选用合适传感器与接口，键盘，显示电路，实现太让能热水器的温度，压力，时间检测与控制。

另外，从系统为点加热系统，在阳光不足的情况下实现辅助加热。

综合三个方案的优缺点，从现实可行性，经济条件以与个人知识掌握情况考虑本设计选用第三种方案。

第3章　控制器硬件设计

3.1控制器原理框图

根据设计思想，系统的硬件接口电路应包括：

控制器实时时钟接口电路，蓄水箱温度和水位检测接口电路、按键电路，显示电路以与电辅助加热电路等。

系统结构框图如图3-1所示：

图3-1控制器系统框图

3.2单片机外围电路

根据控制要求，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。

仅使用单片机内部RAM已完全能够满足要求。

因此采用本系统采用Atmel公司的单片机AT89S52作为热水器控制器系统的控制中心环节。

主要从以下特点考虑：

1.AT89S52是一种低功耗，高性能CMOS工艺的8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统提供高灵活，超有效的解决方案。

2.AT89S52具有以下标准功能：

8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振与时钟电路。

另外，AT89S52可降至0KHZ静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机停止工作，直到一个中断或硬件复位为止。

3.AT89S52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含8个中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线。

AT89S52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。

其通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。

3.2.1晶振电路

单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：

内部振荡方式和外部震荡方式。

本设计中，在引脚XTAL1和XTAL2端外接石英晶体振荡器，就构成了内部震荡方式。

由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自己震荡器，并产生震荡时钟脉冲。

晶振通常选用6MHz，12MHz或24MHz。

本设计选用12MHz晶振。

如图3-2所示，电容C2，C3起稳定震荡频率，快速起震的作用。

电容值通常为5-30pF。

内部震荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中使用最多。

3.2.2上电复位电路

设计中用的是上电复位，是指单片机只要一上电，便自动的进入复位状态。

图3-3是上电复位电路。

当采用的晶体频率为12MHZ时，可采取C=10uF，R=8。

2KΩ[2]。

图3-2晶振电路

图3-3上电复位电路

3.3控制器时钟接口电路设计

为了给用户提供方便，本设计加入一种时间芯片，它可以为用户提供准确的时间与日期。

具有良好的使用性质。

本系统采用美国DALLAS半导体公司最新推出的时钟芯片DS12887，该芯片采用CMOS技术，把时钟芯片所需的晶振和电池以与相关的电路集成到芯片内部，并与MC146818管脚完全兼容。

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，完全能够满足设计需要。

3.3.1DS12887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，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，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。

主要技术特点

1.DS12887/DS12C887具有下列主要技术特点：

（1）具有完备的时钟、闹钟与到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。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

（5）时标可选择二进制或BCD码表示。

（6）工作电压：

+4.5～5.5V、工作电流：

7～15mA。

（7）工作温度范围：

0～70°

C。

2.DS12887内部结构与管脚说明

DS12887/DS12C887为24引脚芯片，内部结构如图3-4所示。

图3-4DS18B20内部框图

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；

AD0～AD7：

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，电源开关写保护单元和内部锂电池等部分组成。

DS12887管脚分配如图3-5所示。

图3-5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）：

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MOTOROLA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.DS12887/DS12C887内部寄存器的功能

因DS12887和DS12C887结构功能上类似，现以DS12887