家用太阳能热水器智能控制系统.doc

学院本科毕业设计（论文）摘要I摘要如何很好的节约和利用能源，特别是可持续能源，一直是人类所面临的问题。所以研究智能化家庭住宅里的能源如何被更有效地节约和利用，也有着十分现实和长远的意义。而家用太阳能热水器就是一个节约能源，有效利用能源的典型。该太阳能热水器智能控制系统主要是由AT89C51单片机控制、DS18B20温度传感器、独立键盘、LED数码管和报警系统五大部分组成。该系统能测量并显示水温、设置水温的范围，如果水温不处于所设置水温的范围则报警。同时还能对水位进行设置及加水，预先设置好需要加水的水位段数，单片机会根据这个数来进行判别是否需要加水。通过Protues软件仿真以上所述的功能都能正常实现。关键词太阳能热水器，传感器，AT89C51，温度控制，水位控制学院本科毕业设计（论文）ABSTRACTIIABSTRACTToeconomizeandutilizeenergyresource,especiallythelastingenergyresource,isaproblemthathumankindhasfaced.Soitissorealisticandsignificanttoresearchhowtoeconomizeandutilizeenergyresourceishomeusing.AndtheSolarHeaterisagoodexampleineconomizingandutilizingenergyresource.Thedesignofsolarwaterheatersintelligentcontrolsystemismainlycomposedofsingle-chipAT89C51,DS18B20temperaturesensor,anindependentkeyboard,LEDandalarmsystem.Thesystemcanmeasureanddisplaywatertemperature,settherangeofwatertemperature,ifthewatertemperatureisnotintherangeofsettingtemperatureisalarming.Atthesametime,youcansetthewaterlevelandaddwater,first,needtosetupthewaterlevelabovethewater,single-chipwilldeterminewhetheraddthewaterornotaccordingtothenumber.TheusesofProtuessoftwarecanimitablecometruethefunctions.KeywordsSolarEnergyHeater,Sensor,AT89C51,TheTemperatureControl,TheControlofWaterLevel学院本科毕业设计（论文）目录1目录摘要································································································IABSTRACT·······················································································II1绪论································································································12太阳能热水器介绍··············································································22.1太阳能热水器的概述·········································································22.2太阳能热水器的分类·········································································22.3我国太阳能热水器发展历史·································································33系统方案设计····················································································43.1方案一·························································································43.2方案二·························································································43.3方案比较·······················································································44硬件设计··························································································64.1AT89C51介绍··················································································64.2测温电路设计·················································································84.3水位监测电路设计···········································································124.4键盘电路设计················································································134.5显示电路设计················································································174.6加热和加水电路的设计······································································194.7报警电路设计················································································214.8电源电路设计················································································225软件设计·························································································235.1程序设计分析················································································235.2程序流程图···················································································236仿真及调试······················································································246.1程序编译······················································································246.1.1KEILC51介绍··········································································246.1.2编译过程···············································································246.2电路仿真······················································································25结论··································································································27参考文献····························································································28附录A：电路仿真图·············································································29附录B：源程序···················································································30致谢································································································37学院本科毕业设计（论文）1绪论11绪论随着全球人口和经济的不断增长，能源使用带来的环境问题及其诱因逐渐为人所认识，“低碳经济”这一概念开始进入人们的视野。人们在大力发展太阳能产业。能源问题将更为突出：（1）从长远来看，全球已探明石油储量只能用到2020年，天然气也只能延续到2040年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能持续二三百年。（2）环境污染。（3）温室效应引起全球气候变化。因此，人类在解决上述能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模开发利用可再生洁净能源。太阳能具有：（1）储量的“无限性”。（2）太阳能对于地球上的绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。（3）开发利用时几乎不产生任何污染。鉴于此，太阳能必将在世界能源结构转换中担纲重任，成为理想的替代能源。在世界范围内，太阳能热水器技术已经很成熟，并已形成行业，正在以优良的性能不断的冲击电热水器市场和燃气热水器市场。2000年太阳能热水器取代47000套家用电热水器；2000年日本太阳能热水器的拥有量将翻一番；以色列更是明文规定，所有新建房屋必须配备太阳能热水器。目前，我国是世界上太阳能热水器生产量和销售量最大的国家。能源问题与安全问题是现代社会各界普遍关注的焦点之一。目前市场上存在三种样式的热水器：电热水器、燃气热水器和太阳能热水器。近年来，在一氧化碳中毒事故中，由燃气热水器造成的约占1/3；电热水器的大规模用电，并不能给人们的正常生活带来便利，作为后来者的太阳能热水器，因其安全性好、节能、绿色环保等优点，近几年呈现出爆发式的发展趋势。选择太阳能热水器这个课题，可以让我更好的认知可持续发展问题，看清目前的能源现状，以及各国在节能能源上的措施，在太阳能革新上运用的新技术。此外，太阳能热水器已经走进千家万户，控制系统是太阳能的核心，可以尽可能做到节能环保，作这样一个设计，不仅可以考察自己大学四年的专业课的理论与动手实践能力，产品也具有一定的市场前景。学院本科毕业设计（论文）2太阳能热水器介绍22太阳能热水器介绍2.1太阳能热水器的概述太阳能热水器把太阳光能转化为热能，将水从低温度加热到高温度，以满足人们在生活、生产中的热水使用。太阳能热水器是由全玻璃真空集热管、储水箱、支架及相关附件组成，把太阳能转换成热能主要依靠玻璃真空集热管。集热管受阳光照射面温度高，集热管背阳面温度低，而管内水便产生温差反应，利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而达到所需热水。2.2太阳能热水器的分类（1）从集热部分来分：真空玻璃管太阳能热水器：目前吸热效率最高的集热部分，优点在于不需要在集热部分在增加保温层，而且现在的真空玻璃管无论在抗高温，抗打击和保温上，性能都是一流的，也被绝大部分太阳能热水器生产厂家所采用。其缺点在于体积比较庞大，管中容易集结水垢。金属平板太阳能热水器：是在传热性能极佳的金属片上，覆盖上吸热涂层，利用金属的传热性，将吸收的热量传于水箱中。其有点是外观美观，安装方便，可以做成平板，而且不容易损坏。缺点在于：保温要花很大的代价，成本高，间接的就是增加消费者负担。（2）从结构分：普通式太阳能热水器：就是将真空玻璃管直接插入水箱中，利用加热水的循环，使得水箱中的水温升高，这是目前厂家都采用的。也是一只流行到现在的最常规的热水器。一般改类热水器只有顶层能用，除非顶层用户和你楼下的关系特铁，而且屋顶的面积是有限的。分体式热水器：分体式热水器是为了解决不是顶层用户也能使用太阳能热水器而诞生的。分体式循环有2种，一种是靠水的自然循环，这种热水器热交换效率很低，远远不能满足用水要求；另一种是靠泵循环热交换，这也是为了解决自然循环效率低的问题，使用泵循环，可以明显改善水的热交换。（3）从水箱受压来来分：承压式太阳能热水器：目前，无论是哪一种分体式热水器，都有一个致命的缺点，必须使用承压式水箱，这是所有分体式热水器的基本思路，这就直接考验你的集热部分的密封性能；还有制造承压水箱成本极高，也存在安全性问题，一般要求耐压7个大气；而且循环效果不是很理想。虽然解决了水的循环问题和使用水时的方便性。非承压式太阳能热水器：目前装在屋顶的普通太阳能热水器都是属于非承压式热水器，它的水箱有一根管子与大气相通，是利用屋顶和家里的高度落差，使学院本科毕业设计（论文）2太阳能热水器介绍3用水时产生压力。其安全性，成本，使用寿命都比承压式要显著得多。2.3我国太阳能热水器发展历史我国自78年引进全玻璃真空集热管样管以来，经过20多年努力，攻克了热压封等许多技术难关，已经建立了拥有自主知识产权的现代化全玻璃真空集热管产业，用于生产集热管的磁控溅射镀膜机已有745台，产品质量达到世界先进水平，产量雄居世界首位。1978年中国诞生第一台太阳能热水器，到1986年卧式磁控溅射镀膜机的设计制造，是在政策扶持下的研究开发阶段。1987年，我国制造了第一支全玻璃真空集热管。在之后的几年里，全玻璃和热管式真空管集热器实现了产业化，产业规模达到中试水平，为下一阶段产业的规模化奠定了良好的基础，成为产业的孕育发展阶段。1993年太阳能产业进入初级发展阶段：由于成果转化需要很长一段时间的磨合，特别是受技术人员缺乏的影响，此阶段的产品质量有待于进一步提高，整体来讲，发展速度较为缓慢。这时候以山东力诺集团为主的真空管生产企业的产品占了真空管生产绝大部分市场。1997-2001年太阳能产业得到高速发展，逐渐形成北京、鲁东、泰安、扬州、海宁等5个产业基地，并以此向周围不断辐射，产能得以迅速提升。继2004年，太阳雨将中国的真空管太阳能产品第一次带出国门，到2008年上半年出口80个国家、销量继续以两倍速增长，力诺瑞特、桑乐、皇明等中国太阳能光热行业的龙头企业们也纷纷进军国际市场。除这些龙头企业外，以生长于常州和浙江一带为代表的部分中小企业，也在循着早年“浙商”闯荡世界的模式，携真空管产品的独有优势和他们惯有的的低价思维，早已经“漂洋过海”，在国际太阳能光热市场上形成了一定的冲击力；还有一些原来只专注于国内市场的企业，也开始参加广交会或不惜成本参加国外的一些专业性展会，以寻求在国际市场分得一杯羹。学院本科毕业设计（论文）3系统方案设计43系统方案设计3.1方案一系统温度采集选用PTl000铂电阻温度传感器，PT100是铂热电阻，阻值随温度变化而改变。PT后的100表示它在0时阻值为100欧姆，在100时它阻值约为138.5欧姆。工业原理：当PT100在0的时候他的阻值为100欧姆，阻值会随着温度上升成匀速增涨。采集的电压信号经集成运放LM324放大到2.O一5.0伏，转换结果由单片机处理。水位检测采用XYC-1型压力水位变送器进行液位值连续采集。XYC-1型压力式液位变送器内部采用进口高精度扩散硅敏感元件作为测量元件，敏感测量元件封装在全不锈钢探头里，通过高强度防水通气电缆与外部放大电路连接，采用直接驱动四位七段数码管显示，通过独立式键盘进行温度和水位控制，通过软件手段实现按键消抖。报警电路由一个蜂鸣器构成，结构简单。加热部分采用光电隔离与辅助加热电路。3.2方案二系统的温度采集选用采用温度传感器DS18B20，它是美国Dallas半导体公司生产的数字化温度传感器DS18B20，它支持“一线总线”接口的温度传感器，全部传感元件及转化电路集成在形如一只三极管的集成电路内。我们可以采用DS18B20采集温度，再进行温度数值转化，再在显示电路上显示。外围电路只需通过DS18B20进行接收温度，一个显示电路，一个报警电路。软件部分只需要采集温度，对温度进行转换，再用显示电路将其显示出来。很明显，环境对DS18B20影响不是很大，同时DS18B20的测量精度稳定并可用软件设置，接线简单，大大的为单片机节省了数据口。3.3方案比较本设计主要是从温度传感器进行考虑。传统的测温元件有热电偶和热电阻，但它们测出的一般都是电压，再转换成对应的温度，需要较多的外部硬件，电路及软件的调试较为复杂，制作难度高。从以上两种方案中，很容易看出采用方案二所设计的电路相对来说较为简单，采用一种智能温度传感器DS18B20作为检测元器件，测温范围-55125，分辨率最大可达0.0625。DS18B20可以直接读出被测温度值。采用3线制与单片机相连，减少了外部硬件电路，具有低成本和易使用的特点。学院本科毕业设计（论文）3系统方案设计5本设计对水位检测要求不高，只须知道大概水位就可以了，因此从功能、材料、价格多方面考虑，只需用水位传感器检测出水位段即可。综上所述，最终决定采用方案二作为设计方案。本设计方案系统可由主控制器（AT89C51）、显示电路、测温器件（DS18B20）、抽水电动机、发光二极管报警、按键、水位显示组成。总体结构框图如图3.1所示：图3.1总体设计结构框图学院本科毕业设计（论文）4硬件设计64硬件设计4.1AT89C51介绍AT89C51是带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（EPEROM）的低电压、高性能CMOS8位微处理器（俗称单片机）。该单片机与工业标准的MCS-51型机的指令集和输出引脚兼容。AT89C51将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，为很多嵌入式控制提供了灵活性高且价格低廉的方案。AT89C51的主要特性如下：（1）寿命达1000写/擦循环；（2）数据保留时间：10年；（3）全静态工作：0Hz-24MHz；（4）三级程序存储器锁定；（5）128*8位内部RAM；（6）32可编程I/O线；（7）2个16位定时器/计数器；（8）5个中断源；（9）可编程串行通道；（10）低功耗闲置和掉电模式；（11）片内振荡器和时钟电路；AT89C51引脚排列如图4.1所示：图4.1AT89C51引脚图