太阳能热水器自动系统设计

高等教育自学考试本科毕业论文题 目太阳能热水器自动系统设计考生姓名： 李洪城 准考证号： 011807404432 专业层次： 本 科 院 （系）： 指导教师： 梁雪峰 职 称： 讲 师 重庆科技学院二 OO九年十二月二十日高等教育自学考试本科毕业论文中 文 题 名太阳能热水器自动系统设计考生姓名： 李洪城 准考证号： 011807404432 专业层次： 本 科 指导教师： 梁雪峰 院 （系）：机械与动力工程学院 重庆科技学院二 OO 九年十二月二十日重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 摘要- I -摘 要目前，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。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，只具有温度和液位显示功能，不具有温度控制功能。即使热水器具有辅助加热功能，也可能由于加热时间不能控制而产生过烧，从而浪费电能。其次，大多数的太阳能热水器没有停电记忆功能，当停电时，测量仪无法保留用户预置的所有参数及时间，用户原定义的参数信息就会被还原成出厂设置，要恢复原有的设置就得重新设置参数，给用户带来了很多麻烦。本设计详细介绍了基于单片机的太阳能热水器自动控制系统组成、硬件设计和软件设计。本文研究合适的控制方案对电热水暖温度进行控制，技术要求是调节时间短，超调量为零且稳态误差在1内。指出了单片机设计的关键主要是能满足基本控制功能和容量,并考虑维护的方便性、系统可扩展性等.本设计具有很强的实用性,用成本低廉的电阻式传感器以及电极配以单片机技术对生产实际中的太阳能热水器的水温的控制以及水位的显示。关键词：单片机；太阳能热水器；智能控制；温差跟踪循环；重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 目录- II -Solar Water Heater Auto-System DesignABSTRACTAt present, China has become the worlds largest producer of solar water heater, annual production is about the world combined. However, a matching control system for solar water heater has been in research and development stage. The vast majority of controllers on the market structure is simple, single function, intelligence level is low, the user interface is not humane, only has the temperature and liquid level display function does not have temperature control functions. Even if the water heater with auxiliary heating function, it may be due to the heating time control and produced a burning, thus wasting energy. Second, most of the solar water heater is not power failure memory function, when the power failure, the measuring instrument can not keep the user presets all of the parameters and time, A user-defined parameters of the original information will be restored to factory settings, to restore the original settings would have to re-set the parameters, giving users a lot of trouble.Details of the design of microcontroller based automatic control system for solar water heater composed of hardware design and software design. In this paper, a suitable control program for electric heating temperature control, the technical requirements of the regulation time, overshoot and zero steady-state error within the 1 . Pointed out that the key to the single-chip design is to meet the basic control functions and capacity, taking into account the convenience of maintenance, system scalability and so on. The design is highly practical, with low-cost sensors, as well as the resistance of the electrode with single-chip technology to the actual production of solar water heater temperature control and display the water level.Keywords: microcontroller; solar water heaters; intelligent control; temperature tracking loop; energy automatically converted重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 目录- III -目 录摘 要 .I英文摘要 .II1 绪 言 .11.1 研究太阳能热水器的背景 .11.2 国内太阳能热水器发展现状 .12 太阳能热水器智能控制系统的硬件组成 .22.1 DSL2887与单片机的接口电路 .22.2 温度采集电路设计 .22.3 水位检测电路设计 .32.4 报警电路设计 .32.5 加热控制电路设计 .42.6 水位控制电路设计 .42.7 键盘、显示电路设计 .53 自动控制系统软件的设计 .63.1 I/O口的说明 .63.3 水温显示子程序 .73.4 中断服务程序 .93.5 T0中断服务程序 .93.6 水位设置及缺水上水至预置水位的程序 .113.7 上水及低水压上水子程序 .113.8 手动上水程序 .14结 论 .18谢 辞 .19参考文献 .20论文原创性声明 .21重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 绪言- 1 -1 绪 言1.1 研究太阳能热水器的背景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。但是目前市场还有待规范，消费群体还有待培育，技术还有尚须改进，因而对于企业来说还有较大的成长空间。1.2 国内太阳能热水器发展现状在我国未来的能源消费格局中，决定不同形式能源的应用及发展前景的决定因素有两点，一是能源使用过程中的内外部成本，二是后继储量以及是否可再生。国家中长期科学和技术发展规划纲要指出2020年可再生能源在我国能源消费中的比重将达到16%。太阳能是最丰富的可再生能源形式，是所有化石能源及多种可再生能源的源头。我国必将步入更为多元化、清洁、高效的能源消费新时代。据测算，使用1平方米太阳能热水器，相当于每年节约120公斤煤。因此，许多专家建议，我国应当大力倡导发展太阳能这样的可再生能源。 2008年国家出台了太阳能热水器鼓励支持发展的政策，全国40多个省、市建委出台了对12层以下房屋强制安装太阳能热水器的政策配套文件，极大地释放了城市市场。2009年上半年又出台了太阳能热水器下乡补贴政策，再次加速释放农村市场，国内迎来了太阳能热水器消费的井喷时代，全国每年有几百亿元的市场销售额。现有品牌企业中10个亿以上销售规模的已有十几个，5000万元以上销售规模企业超过50家，每年平均以50%左右的速度在发展，国内外巨大潜在的市场培育壮大了一大批规模品牌企业。重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 太阳能热水器智能控制系统的硬件组成- 2 -2 太阳能热水器智能控制系统的硬件组成本文设计的控制系统采用以太阳能加热为主，以电加热为辅，引入单片机，实现系统的全智能化控制。选用at89c51单片机作为太阳能热水器智能控制系统的控制核心。硬件系统主要组成包括：at89c51单片机基本电路、时钟芯片ds12887，数据采集、水位选择、温度显示、水位指示、加水电磁阀控制、报警电路、键盘电路等组成。硬件系统组成框图如图太阳能热水器控制系统硬件组成框图2.1 Dsl2887与单片机的接口电路为实现热水器24小时供应热水的目的，控制器必须有一个实时时钟来为系统提供准确的基准时间；在软件设计上则要求实时地读出当前时间，同设定时间比较，以决定系统工作状态。本系统采用串行实时时钟芯片ds12887进行计时，dsl2887内有锂电池，并有114字节的ram，可以在控制器断电时进行准确计时，并保存ram中的数据。它与8031单片机的接口电路如图所示。At89c51与dsl2887的连接2.2 温度采集电路设计本设计中温度数据的采集选用水温传感器热敏电阻来实现。数据采集是通过热敏电阻采集水温送入a/d转换器tlc549的串口analogin，通过tlc549模/数转换器，把模拟信号转变为数字信号，由p1.7口送入单片机中。其水温检测电重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 太阳能热水器智能控制系统的硬件组成- 3 -路如图3所示。本设计中的水温检测电路采用廉价的热敏电阻作为水温传感器，在测量电路中r20用来调整工作电流，r22用于热敏电阻非线性补偿。热敏电阻rt具有负温度系数，通过调整阻值，使温度测量范围在1060时，经运算放大后的rt两端电压为4.6v-5v。水温检测电路2.3 水位检测电路设计考虑系统成本，设计中采用分段式液位检测方法。水箱内安装了4个传感器探针，以感知水位变化情况，水位检测电路如图4所示。微控制器根据水位检测电路检测的结果，自动加水至水位设定的档位。当水位低于10%时，自动报警并停止电加热，以防空烧空晒；当水位高于90%时,自动停止加水。水位指示是用四个发光二极管作为四档水位指示(10%、40%、70%、90%)。水位检测与指示接口电路 2.4 报警电路设计当水满、水位较低时，对太阳能热水器使用都是不利的，通过外围硬件电路和软件设计可实现报警23。本设计采用的是单频声光报警电路。蜂鸣器采用压电式蜂鸣器。这种蜂鸣器只需在两引线加310v直流电压就能产生较高频重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 太阳能热水器智能控制系统的硬件组成- 4 -率的蜂鸣声响。非常适用于单片机控制系统，报警器接口电路如图5所示。当p2.1输出高电平“1”时，晶体管导通，发光二极管点亮，并为蜂鸣器提供足够大的工作电流，蜂鸣器得电而鸣叫；当p2.1输出低电平“0”时，晶体管截止，二极管熄灭，蜂鸣器停止鸣响。对报警器的控制是通过三极管驱动直流蜂鸣器来实现的，通过控制p2.1输出高、低电平时间来控制蜂鸣器的接通和断开时间，从而发出不同长短的断续报警器。报警电路2.5 加热控制电路设计加热器接220v交流电源，由双向晶闸管控制其电源的接入与断开电加热丝来实现的。为了提高系统的抗干扰能力，使强电与弱电有效地分离，在设计中采用了光电隔离措施以保证电路可靠的工作。加热器控制电路如图6所示。当单片机p2.2输出低电平“0”时，发光二极管发光，经光电隔离，给加热丝接通电源，电热丝加热；反之，当p2.2输出高电平“1”时，发光二极管不发光，晶闸管不导通，加热丝未接通电源，停止加热SUP加热控制电路2.6 水位控制电路设计自动进水是由电磁阀的开通与断开来控制实现的。在电路设计中，为了实重庆科技学院高等教育自学考试本科毕业论文 太阳能热水器智能控制系统的硬件组成- 5 -现强电与弱电的隔离，采用了继电器控制技术，由单片机的p2.0来控制电磁阀的工作。由p2.0经74ls04反向后控制直流继电器线圈。当p2.0输出“1”，经74ls04反向后为低，使继电器线圈得电其常开触点闭和，从而接通电磁阀工