基于单片机的太阳能供热工程智能控制系统设计毕业设计论文.docx

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基于单片机的太阳能供热工程智能控制系统设计毕业设计论文

基于单片机的太阳能供热工程智能控制系统设计

摘要

目前,太阳能热水器技术上比较成熟，但热水控制器的功能还有可开发的潜力,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功能。

虽然有的控制器配有电加热辅助装置,但都不是全智能型的,给用户使用带来许多不便。

太阳能单片机控制系统是对其水温与水位的不同进行检测和控制。

本次设计对太阳能控制系统做出全面的了解，对其结构及原理了解详尽。

对于水温与水位的检测和控制进行了重点介绍。

本次设计有驱动电路能够防水管冻裂，还能够在必要时手动控制。

系统设计包括硬件设计和软件设计两部分。

该控制系统是以AT89C51单片机为基础，实现了检测、控制与显示等功能。

文中详细地描述了控制电路的设计过程，包括：

键盘与LED显示电路、驱动电路、水温、水位控制电路等。

对于软件设计采用模块化结构，包括主程序、键盘中断子程序、DS12887更新周期结束中断子程序、LED显示子程序和提前加热时间计算子程序等。

关键词：

单片机，太阳能热水器，水位检测，温控系统

ABSTRACT

Atpresent,Solarenergywaterheatertechnologymoremature,buthotwatercontrollerfunctionanditsdevelopmentpotential，mostofthemarketinthesaleofthecontrolleronlyhasthetemperatureandwaterleveldisplay,donothavethetemperatureofthewaterlevelcontrolfunction.Althoughsomeofthecontrollerisequippedwithelectricheatingsystem,butnotalloftheintelligenttype,andcausedmuchinconveniencetousers.

SolarSCMcontrolsystemisitswatertemperatureandwaterleveldetectionandcontrolofthedifferent.Thedesignofthesolarcontrolsystemtomakeafullunderstandingofdetailedunderstandingofitsstructureandprinciple.Thewatertemperatureandwaterleveldetectionandcontrolwerehighlighted.Thedesignofadrivecircuittowaterpipecracking,butalsomanualcontrolwhennecessary.

Systemdesignincludingthehardwaredesignandsoftwaredesigntwoparts.ThiscontrolsystembasedonAT89C51,realizedtheinspection,controlanddisplay,andotherfunctions.Thispaperdescribesindetailthedesignprocessofthecontrolcircuit,including:

thekeyboardandLEDdisplaycircuit,drivecircuit,watertemperature,waterlevelcontrolcircuit,etc.Thesoftwaredesignusingmodularstructure,includingthemainprogram,keyboardinterruptsubroutines,DS12887updatecycleendsinterruptsubroutines,LEDdisplaysubroutinesandearlyheatingtimesubroutines,etc.

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Keywords：

Microcontroller，solarwaterheaters，waterleveldetection,temperaturecontrolsystem

第一章绪论

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。

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。

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。

太阳能热水器是太阳能利用中最常见的一种装置，经济效益明显，正在迅速的推广应用，太阳能热水器能够将太阳辐射能转换热能，供生产和生活使用。

他主要由平板集热器、蓄水器和连接管道等部件组成，可分循环式、直流式和闷晒式。

1.1太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析

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。

太阳能热水器克服了上述缺点，他是绿色环保产品。

它使用简单、方便。

太阳能热水器顺应时代发展的要求，满足人们对环保绿色产品的需求。

在人类文明程度日益提高的今天，它是现代文明社会的最佳选择。

应该注意到，集体单位对太阳能热水器的用量很大。

新建商住楼安装热水器，已是房屋开发公司计划之内的事，配套热水器的商品房销势更好[5]。

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。

1.2太阳能热水器的研究及意义

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，同时给人民提供少耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。

太阳能热水器是以太阳能光热转换，利用温室效应和虹吸原理使水加热的装置，此装置分为两个不同的概念：

1.太阳能热水工程系统，这种系统由太阳能集热器、储水箱管线、补水箱组成不同形式的热水系统，包括自然循环式、定温放水式等等，可构成提供热水10吨到100吨的装置，大多提供集体单位使用。

2.太阳能热水器是指将上述各种不见组装成一个小系统，提供家庭或需要产热水1吨以下的单位使用，此种装置算为太阳能热水器。

太阳能热水器（或系统）均以其采光面积作为计量单位，一般1平方米光面积可产热水100升，采光面积每种型号不同，一般在1.5～2.0平方米。

我国从“六五”计划期间开始推广太阳能热水器，到目前全国已有250万平方米采光面积的太阳能热水器，厂家又几家发展到全国约有180家左右，是目前世界上推广最大的国家之一，而且形成了规模，形成了中国特色的太阳能企业，有中国太阳能协会为中心的学术中心，以中国农村能源企业协会太阳能热利用专业委员会为中心，制定了产品标准、测试条件、产品合格证颁发等一系列措施。

世界各国的太阳能热水器生产发展也很快。

例如：

澳大利亚政府规定，在北部地区新建房屋一定要设置太阳能热水器，西澳大利亚已有25%的新住宅安装了太阳能热水器。

日本现在每年安装太阳能热水器近50万台，现在有20%的家庭安装了太阳能热水器，计划今后普及率达到25%，按照日本的“阳光计划”还将为公寓，办公楼安装6500套太阳能热水系统，为工厂安装1900套工业用太阳能热水系统。

以色列的法令规定所有新建筑物必须配备太阳能热水器，目前普及率已超过60%。

英、法、德、意、希腊五国到2000年底推广热水器600万平方米，比1990年增长2倍多。

国内外太阳能热水器使用量增长如此之快，其根本原因是：

能源问题、环保问题是当今世界各国面临的主要问题之一。

太阳能热水器是节能、环保产品，故受到广泛重视，发展极快，预计今后每年将以15%～20%的速度发展。

根据理论计算及实际应用证明，太阳能热水器每平方米光面积一年可节约标准煤200-300公斤节电1500度，或节约液化气180公斤。

采用本热水器与电热水器、燃气热水器相比，还具有绝对安全，最为卫生的特点，在电费，液化气、煤气价格较高的地区，用户1-3年即收回投资，在这以后提供的热水是免费的。

设计可以参考以下的几个意见：

1.在设计民用建筑时，若此地区没有集中热水供应，可给用户安装太阳能热水器，以提供热水，提高住房的档次，在设计时将冷、热水管线预埋，以平均每套住宅建筑面积65平方计算，工程造价大约每平方米增加18-20元，

2.设计工厂浴室时，可考虑采用太阳能热水系统，每平方采光面积产热水100升计算，100平方米太阳能热水系统可产热水10吨，每人每次标准用水40升，可解决250人的洗浴用水。

作为工厂中低温工业热水，可根据当地各种各样的不同条件予以特殊设计。

3.作为工厂中低温工业热水，可根据当地各种各样的不同条件予以特殊设计，太阳能热水器的推广应用及经济效益据不完全统计，迄今全国太阳能热水器累计安装使用总量已达300万平方米以上。

所以该控制器具有使用方便、性价比高、工作可靠、精度高等特为太阳能热水器的进一步推广具有积极的推动作用。

1.3本课题研究的主要内容

本文对于影响太阳能控制系统等方面研究，主要内容是研究水位、水温方面以及时钟电路方面的研究。

目前太阳能热水器控制系统方面存在很多问题，如：

不能准确的控制水温、水位，冬天防冻、防漏电等方面。

本设计针对这些问题都提出了方案能很好的解决防冻防、防漏电。

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℃。

第二章太阳能控制系统

2.1控制系统组成

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为热水器的总体结构。

图2.1热水器的总体结构图

以下是控制系统的内容

系统组成：

如图2.2所示，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，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。

太阳能热水器利用微机控制主要有以下几种控制功能：

晨水加热控制、温水循环控制、冷水集热控制、水箱加热控制。

（1）早晨水温控制

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4-7点之间对水箱进行电加热，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30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30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

早晨水温控制之后（7～9点），设定当日的水箱温度N（由两位BCD次齿轮开关设定），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-T1>5摄氏度，T2>T1）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T3>N则将已加热的水送入热水箱，每天的控制时段大概为9点～20点。

具体控制过程如下：

关闭循环水阀门F2，打开冷水阀门F2，热水阀门F3处于可控状态。

若T3>N，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，次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

此时，也许你会问如果没有日照或者日照较弱时，到了晚上我们是否还能洗上热水澡吗？

答案是肯定的，不要忘了这款热水器还有一个从系统，这时它就要发挥作用了。

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，控制时段为下午，具体过程如下：

若T1

表2.1温度比较

时间（时）温度比较加热值（度）

15T1<35

16T1<40

17T1<45

18T1<50

19T1<55

20T1<60

最终热水箱的温度加热到设定值N。

由此可见，即使没有日照我们照样可以洗上热水澡了。

综上所述，太阳能供热控制系统不仅节约而且高度只能化，方便省事，不论日常家居，还是对宾馆、学校等都是最佳选择。

2.2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）

第三章硬件设计

3.1主要原器件介绍

3.1.1AT89C51高性能8位单片机

AT89C51是一个低功耗高性能CMOS8位单片机，4kBytesFlash只读程序存储器（ROM）,512Bytes内部数据存储器（RAM）,该微处理器采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，引脚兼容80C51和80C52芯片，片内的Flash存储器可以像常规程序存储器一样进行烧写，AT89C51片内总共有256字节的用户数据区，而128字节的内部扩展数据区需通过清SFR（8EH）的位1并用MOVX指令访问，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，另一个256BytesRAM区与ATMEL之AT89系列8052兼容的单片机是一致的，AT89C51结合通用的8位微处理器和Flash存储技术构成功能强大单片微处理器，可提供许多高性能低价位的系统控制应用场合。

AT89C51单片机最小系统是在AT89C51的基础上，加复位电路、时钟电路、EA引脚信号及电源即可。

复位电路：

该水位自动显示控制器采用上电复位电路，由R1、C1构成复位电路，在上电瞬间，产生一个脉冲，AT89C51将复位。

为保证可靠复位，脉冲宽度应大于两个机器周期，这取决于R、C时间长数。

取电容C=10uF，电阻R=10K。

时钟电路：

该水位自动显示控制器采用AT89C51单片机，机内有一高增益反相放大器，构成自激振荡电路，振荡频率取6MHz,外接6MHz晶振，两个电容C2、C3取20pF，以便于起振荡的作用。

右图中XTAL1为内部时钟工作电路的输入，XTAL2为来自反向振荡器的输出。

图3.1复位电路

图3.2时钟电路

最小系统：

所谓最小系统，即指使单片机能正常工作的所需的最少的电路，即应包含CPU及辅助电路、ROM、RAM及I/O端口等电路。

如图3.3中，晶体振荡器的频率选6MHZ，复位电路采用上电复位，电路参数如图中所示，以满足系统复位时两个机器周期的高电平的要求。

图3.3AT89C51单片机最小系统

3.1.2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3.4所示）

图3.4LED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。

a——g、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a——g对应笔画并联起来分别与单片机的P2.0——P2.7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0~990C，用四个八位LED数码管显示。

1）LED结构和显示原理。

LED（LightEmittingDiode）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（a~g7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：

D7D6D5D4D3D2D1D0

dpgfedcba

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0~990C，当温度超出范围时，显示器均显示F。

表3.1字符对应字段码

显示字符

共阴极字段码

0

3FH

1

06H

2

5BH

3

4FH

4

66H

5

6DH

6

7DH

7

07H

8

7FH

9

6FH

F

71H

3）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