太阳能热水器控制器设计.docx

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太阳能热水器控制器设计

摘要

该设计以单片机AT89C52为核心，结合单线数字温度传感器DS18B20与液晶显示器1602，设计一种数字化的太阳能热水器控制系统。

该系统由主控芯片模块、DS18B20温度检测模块、LCD显示模块、水位检测模块、键盘控制模块、报警模块和电磁阀控制模块组成。

给出了各个模块结构及其工作原理、系统硬件原理图、程序流程图和部分源程序。

此系统解除了热水器上水时需人工守候和过量溢水的问题，达到了省时、环保、节水的目的。

该系统与传统的机械式控制系统相比较，具有结构简单，使用方便等特点。

关键词：

单片机AT89C52；温度传感器DS18B20；太阳能热水器

Abstract

ThisdesigntakesmonolithicintegratedcircuitAT89C52asthecore,combiningthesingledigitaltemperaturesensorDS18B20andLCD1602,todesignakindofdigitalcontrolsystemofsolarenergywaterheater.Thesystemconsistsofmainchipmodule,DS18B20temperaturedetectionmodule,LCDdisplaymodule,thewaterleveldetectionmodule,keyboardcontrolmodule,alarmmoduleandsolenoidvalvecontrolmodule.giventothestructureofeachmoduleanditsworkingprinciple,systemhardware,schematics,processflowcharts,andsomesourcecode,andtheoreticaldesignofphysicalproduction.ThesystemneedstoliftthewaterheaterinsheungShuiandexcessiveartificialoverflowproblemwaitingtoreachatime-saving,environmentalprotection,waterconservationpurposes.Thesystemwiththetraditionalmechanicalcontrolsystemscomparedtosimplestructure,easytouseandsoon.

Keywords：

MicrocontrollerAT89C52;TransducerDS18B20;Solarwaterheater

1绪论

1.1太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析

在全球能源形势紧张、气候变暖严重威胁经济发展和人们生活健康的今天，世界各国都在寻求新的能源替代战略，以求得可持续发展和在日后的发展中获取优势地位。

太阳能以其清洁、源源不断、安全等显著优势，成为关注重点。

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。

太阳能热水器已成为我国第一个实现商业化的可再生能源产业。

自1998年起，中国就成为太能能热水器第一大制造和消费的市场，现已经发展成为一个重要的产业。

目前，太阳能热水器与电、燃气热水器三分热水器市场，是可再生能源产业领域的第一个商业化的产品。

2007年，我国太阳能热水器年产量达2340万平方米，比2006年同期增长30%；总保有量达10800万平方米，比2006年同期增长20%。

市场销售额约为320亿元人民币。

但是与之相配套的太阳能热水器控制系统却一直处在研究与开发阶段。

市面上绝大多数的控制器结构简单，功能单一，智能化程度低下，用户界面不人性化，只具有液位显示功能，不具有温度显示功能。

并且当水位加到一定的程度的时候也没有什么措施，只能通过手动的方法来控制水位的高度。

因此根据以上要求为核心，开发出一种太阳能热水器智能控制系统，解决了目前市面上太阳能热水器控制系统存在的问题。

1.1.1太阳能热水器的应用及意义

太阳能热水器应用较好的国家有西班牙、以色列、意大利、希腊、德国、荷兰、澳大利亚、日本、美国等国家。

一些国家利用太阳能热水器除了提供家庭热水外，还用于采暖、空调及泳池加热等领域，其中美国的太阳能热利用主要用于泳池加热。

目前太阳能热水器已在我国城乡开始推广使用，主要供应生活和洗浴热水，我国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和应用国。

太阳能热水器节能减排，实现能源替代，效果显著。

经过两年多的实践，人们认识到太阳能热利用是投资少、见效快、经济实用、节能减排，实现我国能源替代的一个好产业，国家也正大力扶持和支持，学校、宾馆、饭店、洗浴中心纷纷建设太阳能洗浴系统，太阳能热水器的市场存在扩大空间。

新农村建设与建筑节能也为太阳能热水器的应用推广带来机遇。

1.1.2设计背景

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，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。

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。

太阳能热水器是环保、无污染，人们用着安全放心。

利用太阳的能源，大量节约现有的能源，是以后能源发展的趋势。

原有的燃气热水器和电热水器虽然加热速度比较快，但是所用的煤和气都会对环境造成一定的污染，而且会使室内的空气变得不清新，电热水器的功率较大，对长期使用的一般家庭来说必定会带来一定的经济困难，是一笔相当大的开销[14]。

太阳能热水器安全、环保、经济，带有辅助加热功能的热水器可在全年的任何时候使用，设计一个控制器来帮助人们了解水的温度和热水器中水位的高低，使人们清楚的使用。

先前国内外大多数家庭使用的太阳能热水器只是纯粹的太阳能加热问题，还没有其他的智能控制方面，在没有太阳的天气中没有足够的能源使水箱中的水加到最热。

其次对太阳能热水器中的水位没有记录，使人们不能及时知道水箱中的水量，以便补充，缺乏自动性。

如今大多数的家庭太阳能都装有水位监测和水温测量、显示的功能，使用更加方便。

今年来，利用太阳能和其它能源的结合，使得太阳能热水器更加的完善，在任何天气情况下都能使用到热水。

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。

当今社会发展日新月异，人们衣食住行也在不断的提高。

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。

太阳能热水器顺着时代发展的要求，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。

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、石油、天然气的存储量日益减少，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，因而尚未被人们大规模使用。

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，同时给人民提供低耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。

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，已经有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，计划今后普及率更高。

有些国家法令规定所有新建筑物必须配备太阳能热水器。

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到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、精度高等特点，为太阳能热水器的进一步推广具有积极的推动作用。

1.2系统设计要求和方案论证

1.2.1系统设计要求

此太阳能热水器控制器用数字方式显示水温、水位；当水位低于规定值报警并自动上水，上水到规定水位时自动停止上水（水位的上限可由用户自行设定。

设定参数具有断电保护，重新上电不需要用户再设定）；水位界于高低水位之间时，用户可以通过触摸键手动上水、停水；当水压不足时，自动控制增压泵投入工作，避免因水压不足导致上水失败；禁止高温空晒后进水，可以防止真空管因突然注入冷水而爆裂.

1.2.2设计方案比较

方案一：

采用半导体逻辑器件构成的控制器，主要应用定时器构成。

在此控制方案里，定时器和加减计数器共同构成水位显示器。

由于水温的变化具有未知性，在水温检测电路里，利用热敏电阻测量的水温信号是模拟量，需要经过模/数转换成半导体逻辑器件能够识别的数字信号。

这类控制电路过于庞大复杂，操作也不方便，成本也较高。

方案二：

采用可编程逻辑器件。

结果简单的PLC控制成为首选。

由于控制电路简单，检测电路要求也不高，所以必然造成接口资源和内部资源的浪费，显然不够经济。

方案三：

采用单片机为核心控制器的电路。

单片机电路结构简单、成本低廉，可靠性高，便于实现各个控制功能。

水位由设置在水箱内的四个逻辑探针获得的电信号检测，通过单片机处理送达显示电路显示当前水位。

水温检测由单片机根据温度传感器（DS18B20）的操作指令和时序，读取温度，并送达显示电路显示当前水温。

本设计用三个按键来控制上停水、水位上线设置和淋浴状态的切换。

从结构、经济、可操作性等方面来看，方案三都是最佳选择。

方案三以单片

机AT89C52核心控制器件，结合单线数字温度传感器DS18B20与液晶显示器1602等芯片，设计一种太阳能热水器控制系统。

该系统原理

框图如图1所示:

图1.2.1系统原理图

用户在使用热水器后，当水箱中水位下降到一定刻度值时，可通过人工使用按键的方法来控制电磁阀立即上水，水位的最高限也可以由按键进行自行设定。

当水位下降到最低水位刻度值时，单片机接受此信号开始执行指令，报警器开始自动报警，同时进行自动上水。

当水位达到最高限时便给单片机发出中断请求，此时电磁阀关闭，停止工作。

若用户在热水不多的情况或阴天等时候进行淋浴时，则可以通过按键选择“淋浴”模式，在此模式下，当水位下降到25%时，单片机接受此信号，进行自动上水和自动加热功能，直到水位达到75%，停止自动上水，当水温达到50摄氏度时，加热器也停止工作。

当系统检测到上水指令执行后，在三分钟之内水位无明显变化时，自行启动电磁阀，进行上水操作，以免上水失败。

在上水过程中，显示器既可以显示当前水位，又可以显示当期的水温，不仅只管方