太阳能热水器的微机控制系统Word文档下载推荐.docx

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答辩汇报稿

1份

毕业设计（论文）电子版（最后一稿磁盘文件）

1套

指导教师：

（签名）

教研室主任：

（签名）

系主任：

院长：

2007年6月日

毕业设计（论文）任务书

毕业设计（论文）题目：

毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）：

1、对集热面积约为100m2的太阳能集热系统进行自动控制

2、对保温水箱的温度、水位进行自动检测与控制

3、保证系统的出水温度变化范围为700C-80OC

4、水位的变化范围为0-2.5m,控制精度为1cm

主要参考文献（资料）：

1、王迎旭主编者单片机原理与应用[M]机械工业出版社，2004

（1）

2、徐大诚、邹丽新、丁建强主编计算机控制技术及应用[M]高等教育出版社2003

（1）

3、王建华MAX7219原理及应用《电子技术》2003年12期

4、太阳能热水器的设计与利用太原理工大学图书馆下载资料

5、陈家胜、朱小松、单学明太阳能热水器辅助电加热控制器的研制《电子技术》2006、10

6、世界太阳能科技发展史

7、人类理想的能源——太阳能发电-

专业班级：

机械设计制造及其自动化0302班学生姓名：

王学伟

要求设计（论文）工作起止日期：

2007.04.01～2005.06.20

指导教师签字日期

教研室主任审查签字日期

系主任批准签字日期

学院：

轻纺工程与美术学院系别：

纺织服装系专业：

机械设计制造及其自动化班级：

机械0302

姓名：

王学伟

【摘要】

本论文介绍了以AT89C51单片机为控制中心,实现了太阳能热水器的水温、水位的控制。

文中还介绍了世界上太阳能的发展和利用以及我国太阳能的发展和利用情况。

论文中详细介绍了控制系统的工作原理、工作状态。

并给出了硬件框图、程序流程图以及相应的程序清单。

本控制系统结构简单、性能可靠，可以实现水温的预置、测量、显示和控制，还有水位的测量和显示，具有一定的智能控制的特征，并以低成本的代价实现，有良好的应用和推广前景。

【关键词】

太阳能热水器；

单片机；

温度；

水位；

传感器；

Abstracts:

Inthisgraduatingdesign,itmainlyintroducesthedesignofsolarenergycontrolsystem.Anditinvolvesintheworkpriniple,thepinstructurechatofsinglechipAT89C51,andtheshowofwaterandtheshowofwaterlever.Inthisdiscourseitintroducethesolarenergyhistoryanddevelopmentintheworldandourcountry.Alsoitlargelytalksaboutthecontrolsystememploymentelements,employmentestate,anditgivesthehardwarecasing、formalityflowchartandformalitybill.Thiscontrolsystemhasthecharacterofsimpleness,credibilityofcapability,anditislow-cost,soitcancompletethefunctionwhatweexpect.

Keywords:

Solarwater-heater;

singlechip;

temperature;

waterlever;

sensor

目录

扉页

答辩许可证

毕业设计（论文）任务书第1页～第2页

中文摘要I

英文摘要II

目录III

文献综述1

一、太阳能发展的历史5

二、太阳能利用近期的情况9

三、中国太阳能技术的发展和利用情况11

四、太阳能开发利用的趋势13

专题论文正文14

一、太阳能热水器及循环系统14

1.1、热水器的组成及原理14

1.2、集热元件的选用15

1.3、太阳能热水系统的循环方式16

1.4、太阳能热水器集中供热系统的分析17

二、硬件设计19

2.1、单片机的选择19

2.1.1、蓄水箱温度和水位检测接口电路的设计20

2.1.2、控制键和串行显示接口电路的设计21

2.1.3、继电器输出电路22

2.2、看门狗复位和时钟模块23

2.3、模拟量输入通道的设计24

2.3.1、传感器的重要作用24

2.3.2、传感器的动态特性24

2.3.3、传感器的特性补偿25

2.3.4、运算处理27

2.4、模拟量输出通道的设计29

2.5、人机对话界面29

2.5.1、基于8255A的键盘接口29

2.5.2、基于MAX7219R的显示器接口33

2.6、时钟芯片DS1288736

三、软件设计39

（一）、流程图39

（二）、程序清单44

附录52

外文文献52

外文文献翻译54

结束语57

致谢57

文献综述

——太阳能应用的概况及后续发展

一、太阳能发展的历史

太阳能是一种典型的绿色能源，人类利用太阳能已有3000多年的历史。

将太阳能作为一种能源和动力加以利用，只有300多年的历史。

真正将太阳能作为“近期急需的补充能源”，“未来能源结构的基础”，则是近来的事。

20世纪70年代以来，太阳能科技突飞猛进，太阳能利用日新月异。

近代太阳能利用历史可以从1615年法国工程师所罗门·

德·

考克斯在世界上发明第一台太阳能驱动的发动机算起。

该发明是一台利用太阳能加热空气使其膨胀作功而抽水的机器。

在1615年～1900年之间，世界上又研制成多台太阳能动力装置和一些其它太阳能装置。

这些动力装置几乎全部采用聚光方式采集阳光，发动机功率不大，工质主要是水蒸汽，价格昂贵，实用价值不大，大部分为太阳能爱好者个人研究制造。

20世纪的100年间，太阳能科技发展历史大体可分为七个阶段，分别为：

　　第一阶段（1900-1920）

　　在这一阶段，世界上太阳能研究的重点仍是太阳能动力装置，但采用的聚光方式多样化，且开始采用平板集热器和低沸点工质，装置逐渐扩大，最大输出功率达73.64kW，实用目的比较明确，造价仍然很高。

建造的典型装置有：

1901年，在美国加州建成一台太阳能抽水装置，采用截头圆锥聚光器，功率：

7.36kW；

1902-1908年，在美国建造了五套双循环太阳能发动机，采用平板集热器和低沸点工质；

1913年，在埃及开罗以南建成一台由5个抛物槽镜组成的太阳能水泵，每个长62.5m，宽4m，总采光面积达1250m2。

　　第二阶段（1920-1945）

　　在这20多年中，太阳能研究工作处于低潮，参加研究工作的人数和研究项目大为减少，其原因与矿物燃料的大量开发利用和发生第二次世界大战（1935-1945）有关，而太阳能又不能解决当时对能源的急需，因此使太阳能研究工作逐渐受到冷落。

　　第三阶段（1945-1965）

　　在第二次世界大战结束后的20年中，一些有远见的人士已经注意到石油和天然气资源正在迅速减少，呼吁人们重视这一问题，从而逐渐推动了太阳能研究工作的恢复和开展，并且成立太阳能学术组织，举办学术交流和展览会，再次兴起太阳能研究热潮。

在这一阶段，太阳能研究工作取得一些重大进展，比较突出的有：

1955年，以色列泰伯等在第一次国际太阳热科学会议上提出选择性涂层的基础理论，并研制成实用的黑镍等选择性涂层，为高效集热器的发展创造了条件；

1954年，美国贝尔实验室研制成实用型硅太阳电池，为光伏发电大规模应用奠定了基础。

此外，在这一阶段里还有其它一些重要成果，比较突出的有：

1952年，法国国家研究中心在比利牛斯山东部建成一座功率为50kW的太阳炉。

1960年，在美国佛罗里达建成世界上第一套用平板集热器供热的氨-水吸收式空调系统，制冷能力为5冷吨。

1961年，一台带有石英窗的斯特林发动机问世。

在这一阶段里，加强了太阳能基础理论和基础材料的研究，取得了如太阳选择性涂层和硅太阳电池等技术上的重大突破。

平板集热器有了很大的发展，技术上逐渐成熟。

太阳能吸收式空调的研究取得进展，建成一批实验性太阳房。

对难度较大的斯特林发动机和塔式太阳能热发电技术进行了初步研究。

　　第四阶段（1965-1973）

　　这一阶段，太阳能的研究工作停滞不前，主要原因是太阳能利用技术处于成长阶段，尚不成熟，并且投资大，效果不理想，难以与常规能源竞争，因而得不到公众、企业和政府的重视和支持。

　　第五阶段（1973-1980）

　　自从石油在世界能源结构中担当主角之后，石油就成了左右经济和决定一个国家生死存亡、发展和衰退的关键因素，1973年10月爆发中东战争，石油输出国组织采取石油减产、提价等办法，支持中东人民的斗争，维护本国的利益。

其结果是使那些依靠从中东地区大量进口廉价石油的国家，在经济上遭到沉重打击。

于是，西方一些人惊呼：

世界发生了“能源危机”（有的称“石油危机”）。

这次“危机”在客观上使人们认识到：

现有的能源结构必须彻底改变，应加速向未来能源结构过渡。

从而使许多国家，尤其是工业发达国家，重新加强了对太阳能及其它可再生能源技术发展的支持，在世界上再次兴起了开发利用太阳能热潮。

1973年，美国制定了政府级阳光发电计划，太阳能研究经费大幅度增长，并且成立太阳能开发银行，促进太阳能产品的商业化。

日本在1974年公布了政府制定的“阳光计划”，其中太阳能的研究开发项目有：

太阳房、工业太阳能系统、太阳热发电、太阳电池生产系统、分散型和大型光伏发电系统等。

为实施这一计划，日本政府投入了大量人力、物力和财力。

70年代初世界上出现的开发利用太阳能热潮，对我国也产生了巨大影响。

一些有远见的科技人员，纷纷投身太阳能事业，积极向政府有关部门提建议，出书办刊，介绍国际上太阳能利用动态；

在农村推广应用太阳灶，在城市研制开发太阳热水器，空间用的太阳电池开始在地面应用……。

1975年，在河南安阳召开“全国第一次太阳能利用工作经验交流大会”，进一步推动了我国太阳能事业的发展。

这次会议之后，太阳能研究和推广工作纳入了我国政府计划，获得了专项经费和物资支持。

一些大学和科研院所，纷纷设立太阳能课题组和研究室，有的地方开始筹建太阳能研究所。

当时，我国也兴起了开发利用太阳能的热潮。

这一时期，太阳能开发利用工作处于前所未有的大发展时期，具有以下特点：

　　各国加强了太阳能研究工作的计划性，不少国家制定了近期和远期阳光计划。

开发利用太阳能成为政府行为，支持力度大大加强。

国际间的合作十分活跃，一些第三世界国家开始积极参与太阳能开发利用工作。

　　研究领域不断扩大，研究工作日益深入，取得一批较大成果，如CPC、真空集热管、非晶硅太阳电池、光解水制氢、太阳能热发电等。

　　各国制定的太阳能发展计划，普遍存在要求过高、过急问题，对实施过程中的困难估计不足，希望在较短的时间内取代矿物能源，实现大规模利用太阳能。

例如，美国曾计划在1985年建造一座小型太阳能示范卫星电站，1995年建成一座500万kW空间太阳能电站。

事实上，这一计划后来进行了调整，至今空间太阳能电站还未升空。

　　太阳热水器、太阳电他等产品开始实现商业化，太阳能产业初步建立，但规模较小，经济效益尚不理想。

　　第六阶段（1980-1992）

　　70年代兴起的开发利用太阳能热潮，进入80年代后不久开始落潮，逐渐进入低谷。

世界上许多国家相继大幅度削减太阳能研究经费，其中美国最为突出。

导致这种现象的主要原因是：

世界石油价格大幅度回落，而太阳能产品价格居高不下，缺乏竞争力；

太阳能技术没有重大突破，提高效率和降低成本的目标没有实现，以致动摇了一些人开发利用太阳能的信心；

核电发展较快，对太阳能的发展起到了一定的抑制作用。

受80年代国际上太阳能低落的影响，我国太阳能研究工作也受到一定程度的削弱，有人甚至提出：

太阳能利用投资大、效果差、贮能难、占地广，认为太阳能是未来能源，主张外国研究成功后我国引进技术。

虽然，持这种观点的人是少数，但十分有害，对我国太阳能事业的发展造成不良影响这一阶段，虽然太阳能开发研究经费大幅度削减，但研究工作并未中断，有的项目还进展较大，而且促使人们认真地去审视以往的计划和制定的目标，调整研究工作重点，争取以较少的投入取得较大的成果。

　　第七阶段（1992-至今）

　　由于大量燃烧矿物能源，造成了全球性的环境污染和生态破坏，对人类的生存和发展构成威胁。

在这样背景下，1992年联合国在巴西召开“世界环境与发展大会”，会议通过了《里约热内卢环境与发展宣言》，《21世纪议程》和《联合国气候变化框架公约》等一系列重要文件，把环境与发展纳入统一的框架，确立了可持续发展的模式。

这次会议之后，世界各国加强了清洁能源技术的开发，将利用太阳能与环境保护结合在一起，使太阳能利用工作走出低谷，逐渐得到加强。

世界环发大会之后，我国政府对环境与发展十分重视，提出10条对策和措施，明确要“因地制宜地开发和推广太阳能、风能、地热能、潮汐能、生物质能等清洁能源”，制定了《中国21世纪议程》，进一步明确了太阳能重点发展项目。

1995年国家计委、国家科委和国家经贸委制定了《新能源和可再生能源发展纲要》（1996-2010），明确提出我国在1996-2010年新能源和可再生能源的发展目标、任务以及相应的对策和措施。

这些文件的制定和实施，对进一步推动我国太阳能事业发挥了重要作用。

1996年，联合国在津巴布韦召开“世界太阳能高峰会议”，会后发表了《哈拉雷太阳能与持续发展宣言》，会上讨论了《世界太阳能10年行动计划》（1996-2005），《国际太阳能公约》，《世界太阳能战略规划》等重要文件。

这次会议进一步表明了联合国和世界各国对开发太阳能的坚定决心，要求全球共同行动，广泛利用太阳能。

1992年以后，世界太阳能利用又进入一个发展期，其特点是：

太阳能利用与世界可持续发展和环境保护紧密结合，全球共同行动，为实现世界太阳能发展战略而努力；

太阳能发展目标明确，重点突出，措施得力，有利于克服以往忽冷忽热、过热过急的弊端，保证太阳能事业的长期发展；

在加大太阳能研究开发力度的同时，注意科技成果转化为生产力，发展太阳能产业，加速商业化进程，扩大太阳能利用领域和规模，经济效益逐渐提高；

国际太阳能领域的合作空前活跃，规模扩大，效果明显。

通过以上回顾可知，在本世纪100年间太阳能发展道路并不平坦，一般每次高潮期后都会出现低潮期，处于低潮的时间大约有45年。

太阳能利用的发展历程与煤、石油、核能完全不同，人们对其认识差别大，反复多，发展时间长。

二、太阳能利用近期概况

太阳能是各种可再生能源中最重要的基本能源，生物质能、风能、太阳能、海洋能、水能等都来自太阳能，广义地说，太阳能包含以上各种可再生能源。

太阳能作为可再生能源的一种，则是指太阳能的直接转化和利用。

通过转换装置把太阳辐射能转换成热能利用的属于太阳能热利用技术，再利用热能进行发电的称为太阳能热发电，也属于这一技术领域；

通过转换装置把太阳辐射能转换成电能利用的属于太阳能光发电技术，光电转换装置通常是利用半导体器件的光伏效应原理进行光电转换的，因此又称太阳能光伏技术。

20世纪50年代，太阳能利用领域出现了两项重大技术突破：

一是1954年美国贝尔实验室研制出6％的实用型单晶硅电池；

二是1955年以色列Tabor提出选择性吸收表面概念和理论并研制成功选择性太阳吸收涂层。

这两项技术的突破，为太阳能利用进入现代发展时期奠定了技术基础。

7O年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。

1973年，美国制定了政府级的阳光发电计划，198O年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投入达8亿多美元。

1992年，美国政府颁布了新的光伏发电计划，制定了宏伟的发展目标。

日本在7O年代制定了“阳光计划”，1993年将“月光计划”（节能计划）、“环境计划”、“阳光计划”合并成“新阳光计划”。

德国等欧共体国家及一些发展中国家也纷纷制定了相应的发展计划。

90年代以来联合国召开了一系列有各国领导人参加的高峰会议，讨论和制定世界太阳能战略规划、国际太阳能公约，设立国际太阳能基金等，推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。

开发利用太阳能和可再生能源成为国际社会的一大主题和共同行动，成为各国制订可持续发展战略的重要内容。

20多年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。

当我们进入21世纪后，世界太阳能的发展将具有以下特点：

（1）产业将继续以高增长速率发展。

多年来光伏产业一直是世界增长速度最高和最稳定的领域之一，预测今后10a光伏组件的生产将以20%-30%甚至更高的递增速度发展。

光伏发电的未来前景已补愈来愈多的国家政府和金融界（如世界银行）所认识。

许多发达国家和地区纷纷制定光伏发展规划，如到2010年，美国计划累计安装4.6GW（含百万屋顶计划）；

欧盟计划累计安装6.7GW（可再生能源白皮书）,其中3.7GW安装在欧洲内部,3GW出口;

日本计划累计安装5GW（NEDO日本新阳光计划）;

预计其它发展中国家1.8GW（估计约10%）,预计世界总累计安装18GW.到下世纪中页,光伏发电成为人类的基础能源之一。

（2）太阳电池组件成本将大幅度降低。

光伏发电系统安装成本每年以9%速率降低。

1996年平均安装成本约7美元/W，预计2005年可降到3美元/W，相当于光伏发电成本0.11美元/（kW·

h），2010年发电成本将降到6美分/（kW·

h）。

降低成本可通过扩大规模、提高自动化程度和技术水平、提高电池效率等技术途径实现。

欧洲就扩大水平、提高电池效率等技术途径实现。

欧洲就扩大规模对降低成本的影响进行了可行性研究[5]，结果表明，年产500MW的规模，采用现有几种晶硅电池生产技术，可使光伏组件成本降低到0.71-1.78欧元/W。

如果加上技术改进和提高电池效率等措施，组件平均成本可降低到1美元/W以下，发电成本约为6美分/（kW·

考虑到下世纪薄膜电池技术会有重大突破，其降低成本的潜力更大。

因此下世纪太阳电池组件成本大幅度降低是必然趋势。

（3）光伏产业向百兆瓦级规模和更高技术水平发展。

目前光伏组件的生产规模在5-20MW/a。

壳牌公司在德国建立的年产25MW多多晶硅组件生产厂于今年4月份开工。

许多公司在计划扩建和新建年产50-100MW级光伏组件生产厂。

同时自动化程度、技术水平也将大大提高，电池效率将由现在的水平（单晶硅13%-15%，多晶硅11%-13%）向更高水平（单晶硅18%-20%，多晶硅16%-18%）发展。

（4）薄膜电池技术将获得突破。

薄膜电池具有大幅度降低成本的潜力，世界许多国家都在大力研究开发薄膜电池。

下世纪薄膜电池技术将获得重大突破，规模会向百兆瓦级以上发展，成本会大幅度降低，实现光伏发电与常规发电相竞争的目标，从而成为可替代能源。

（5）太阳能光伏建筑集成及并网发电的快速发展。

建筑光伏集成具有多功能和可持续发展的特征，建筑物的外壳能为光伏系统提供足够的面积，不需要占用昂贵的土地，省去光伏系统的支撑结构；

光伏阵列可以替常规墙包覆装修成本与光伏组件成本相当；

光伏系统的安装可集成到建筑施工过程，降低施工成本；

在用电地点发电，避免传输和分电损失（5%-10%），降低了电力传输、分配投资和维修成本；

集成设计使建筑更加洁净、完美，使人赏心悦目，容易被专业建筑师、用户和公众接受。

太阳能光伏系统和建筑的完美结合体现了可持续发展的理想范例，国际社会十分重视。

许多国相继制定了本国的屋顶计划，使得建筑光伏集成技术如旭日东升，蓬勃发展。

1997年6月美国宣布了“克林顿总统百万屋顶光伏计划”，2010年完成；

欧洲于大致相同的时间宣布了百万屋顶计划，于2010年完成；

日本政府在21997财政年度计划安装9400套4kW的屋顶系统，总计37MW。

日本政府的计划目标是，到2010年安装5000MW屋顶光伏发电系统。

德国联合政府在欧洲百万屋顶的框架下于1998年10月份提出一个光伏工业20年来最庞大的计划即在6年内安装10万套光伏屋顶系统，总容量在300-500MW，总费用约4亿欧元。

该计划于1999年1月实施，在德国引起很大反响，对德国的PV工业将产生不可估量的影响。

三、中国太阳能技术的发展与利用情况

我国太阳能热发电技术的研究开发工作开始于70年代末，当时中国一些高等院校和中科院电工研究所等单位和机构，对太阳能热发电技术做了不少应用性基础实验研究，并在天津建造了一套功率为1kW的塔式太阳能热发电模拟实验装置，在上海建造了一套功率为1kW的平板式低沸点工质太阳能热发电模拟实验装置。

在北京，中科院电工研究所对槽式抛物面反射镜太阳能热发电用的槽式抛物面聚光集热泪盈眶器也作了不少单元性试验研究。

目前，中科院电工研究所建立了一套1kW碟式太阳能热发电系统，正在进行实验研究。

此外，80年代初，湖南湘潭电机厂与美国公司合作，设计并研制成功率5kW的盘式太阳能热发电装置样机。

中国光伏发电技术的研制、生产和应用发展历史，大致和世界的发展过程同步，已有30多年的历史。

截止2003年，我国边远地区、山区大概有2.9万个无电村庄，接近710万无电用户，按照每户200Wp安装量来计算，近期市场潜力高达1420MWp，综合考虑到以后用电水平的提高，最终市场容量将超过3000MWp，是短期内市场需求的主要来源之一。

近几年以来，在我国经济发达地区，太阳电池的使用迅速上升，如作为高速公路通讯电源、航标灯电源、石油管线和输气管线阴极保护电源、障碍灯电源等。

继已在中国大量使用的太阳能热水器后，房顶光伏发电系统已成为太阳能界关注的焦点。

中国深圳已建成容量为100KWp的房顶光伏发电站，为工业生产提