简易太阳能热水器水温测量装置毕业设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 01339828 或 11970985 I 简易太阳能热水器水温测量装置 摘要 随着人们 生 活水平的提高， 太阳能 热水器的使用已相当普及。与之相配套的控制仪也 相 继问世。然而，目前市场上的各种热水器控制电路还与理想要求 相 差甚远。消费者需要真正的“自动”控制，以实现使用的最简 单 化。但与之配套的控制器却还一直处于研究和开发阶段，为解决水温水位的 自 动控制问题， 本 电路专门设计了水温的实时监测，并 在 设计 中 ，将水位多级化，实现更精确的测量。 本 次设计运用 片机，设计了一种自动控制电路，该电路用于太阳热水器。当或者更多点的液位检测。这篇论文详 细 介绍了基 使用热水器时，可以自动进行温度检测和液位检测，使太阳能自动补水或排水，真正做到最简单化。并且该电路易于扩展，可实现多点的温度检测， 于单片机的太阳能热水器 自 动控制系统组成、硬件设计。 关键词： 单片机；自动控制；太阳能热水器；温度检测 ; 水位检测 买文档就送您 01339828 或 11970985 of of r is a of is to in r to in To of in of to of a it or to or co co l; so te mp er d n ; d n 买文档就送您 01339828 或 11970985 录 前 言 . 1 第一章 系统设计 . 2 计原理 . 3 案论证 . 3 第二章硬件电路设计 . 5 本原理框图 . 5 阳能热水器控制装置主要组成 . 5 阳能热水器控制装置的工作原理 . 5 部分电路原理 . 6 小系统 . 6 示电路 . 9 键电路 . 11 鸣器电路 . 11 位检测电路 . 13 度检测电路 . 15 源电路 . 16 第三章软件设计 . 18 件分析 . 18 ， 01339828 或 11970985 1 前 言 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 求的可 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。 太阳能热水器己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 太阳 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耍的产业。 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。市而上绝 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 显示功能，不具有 液位 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 前市而上太 阳 能热水器控制系统存在的问题。 2太阳能热水器的应用及意义 太阳能热水器应 用 较好的同家有 西 班牙、以色列、意大利、希腊、德同、荷兰、澳大利 亚 、日 本 、美 过等国 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。 日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，我国己成为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 投资少、见敬 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 大买文档就送您 01339828 或 11970985 2 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。 买文档就送您 01339828 或 11970985 3 第一章 系统设计 太阳能热水器 自 动控制电路采用 围加蜂鸣器控制 电 路、数码显示电路、水位检测电路、电机控制电路、按键电路、温度检测电路等。数码 管 实时切换显示当前温度与当前液位，当液位过高时，蜂鸣器报警，并且电机反转模拟排 水 过程；当液位过低时，蜂鸣器报警，并且电机 正 转模拟进水过程。 本 系统设计简 单 ，成 本 低，性能优良，具有 一 定的稳定性和实用性。 案论证 太阳能热水器自动控制装置有多种方案。 (1)方案一 在单片机学 习 课程中，就遇到过一种方案， 我们称其为方案一。它通过 三 极管的导通截 止 特性来判断液 位 的位置，并且 可 以通过按键切换检测压力。但是在过程中只能检测 三 点，虽然可以扩展，但是占了太多的 I/易造成资源的浪费。而 且仅 显示单元就占用了 12个 I/样 属 于资源浪费。 在电机电路设计方 面 ，方案 一 采用的三极管的导通截止 来 控制 电机 的正转与反转，虽然设计简单，但是过多的使用 三 极管以及二极管类的元器件，也会使成本升高。而且， 既然 是 太 阳能热水器的 自 动控制装置，那么必不 可 少的就是温度的检测，而方案一中却忽略了这点，造成了最大的残缺。 (2)方案 二 方案二 主要 解决 了 方案 一 中资源浪费及过于使用分立元件的缺陷。 在液位检测方面，通过利用两片 相当 于 一个单刀八掷开关，当 止端为低电平即“ 0”时， 开 关接通哪一通道由输入的 3 位地址码 定。这样就 简单 的解决了 16 个点 检 测的问题，并且在最大程度 上 减少了 I/仅 使用了 8个 I/6个点的 检 测， 如 果是方案 一 ，则需要使用 16个 I/ 买文档就送您 01339828 或 11970985 4 方案 一 中 4位数码管显示电路的断码与位码就使用 了 12个 I/O 口 ，而在方案二中，使用了 74片，它 是 8 位移位寄存器，只要给一个脉冲便传送一位数据。 仅 使用了 2 个 I/O 口便控制了 5 位数码管的显示，由于使 用 74片中 会遇上消隐的问题，所以在方案二中，通过硬件电路 配 合软件的方法很好的解决了消隐的问题，显示非常的稳定。显示 出 了新 方 案的优势。 方案二中电机驱动电路使用的是 动的一个双相电机驱动电路。该电路非常简单，它几乎不需要外围元器件只要将 来自于 微处 理 器的方 法 控制信号从器 件 的输入端和触发使能端送入 电机进行控制操作，使其正转、反转。省去了分立 元 件，使 整个电路看起来清晰 简单 。 在方案二中还解决 了 方案 一中 不能检测温度缺点，使用 了 先进的 度 传 感器是 生产 的 单总线器件，具 有线路简单、体 积 小的特点。 因 此用他组成一个测温系统，具有线路简单，在 1 根通信线 可 以挂很多这样的数字温度传感器，十分方便。 (3)方案选择 通过上述两个方案的比较，便能发现方案二设计的电路比方案 一 的电路有极大 的优势，性能全 面 ，使用方便，而且简单、稳定。故选择方案二。 买文档就送您 01339828 或 11970985 5 第二章 硬件电路设 计 阳能热水器控制装置主要组成 由 示电路、按键电路、蜂鸣器电路、电机电路、液位 检 测电路、温度 检 测电路、电源电路组成，如 图一 图 2阳能热水器控制装置的工作原理 接通电源后，显示当前水位，水位被分为 16个点。并 且 ，显示当前温度。液位显示与温度的显示切换进行。当水位显示低于或等于 1 时，蜂呜器报警，并且电机 正 转，表示进水：当水位显示高于或等于 15时，蜂鸣器报警，并且电机 反转，蜂鸣器电路 电机电路 电源电路 按键电路 液位检测电路 显示电路 温度检测电路 买文档就送您 01339828 或 11970985 6 表示排水。液位检测利用 小系统 太阳能热水器控制电路数控部分采用 机作为控制核心。 性能 有 8用 司 高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80 品指令和引脚完全兼容。片上 适 于 常规编 程 器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 在 系统可编程 得 众多嵌入式控制应 用 系统提供高灵 活、超有效的解决方案。 有以下标准功能： 8 256字 节 32位 I/门狗定时器， 2个数据指针，三个16 位定时器计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双 工 串行口，片内晶振及时钟电路。另外， 至 持 2种软件可选择节电模式。空闲模式 下 ， 止上作，允许 时器计数器、串口、 中 断继续工作。掉电保护方式 下 ， 荡器被冻结，单片机一。 切 工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 8位微控制器 8在系统可编程 一 个 8位漏 极 开路的双向 I/O 口 。作为输出 口 ，每位能驱动8个 1”时，引脚用作高 阻 且抗输入。当访问外部程序和数据存储器时， 位地址数据复 用 。 在 这种模式 下 ， 来接收指令字节；存程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部 上拉 电阻。 拉电阻的 8位双向 I/ 缓冲器能驱动 4个 辑电平。对 口 写“ l”时，内部上 拉 电阻 把端 口 拉高，此时可以作为输入 口 使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由 于 内部电阻的原 因 ，将输出电流 ( 此外， 数器 2的外部计数输入 (2)和时器计数器 2的触发输入 ( 2具体如 下 表所示。在 位地址字节。 引 脚号第二功能： 买文档就送您 01339828 或 11970985 7 时器计数器 时钟输出； 时器 /计 数器 载触发信号和方 向控 制）； 系统编利用）； 系统编程用）： 系统编程用）： : 是 一 个具 有 内部上拉 电 阻的 8 位双向 I/O 口 ， 出缓冲器能驱动 4个 1”时，内部上 拉 电阻把端口拉高，此时 可 以作为输入口使用。作为输入 口使用 时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流 ( 在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部 数 据存储器 (例如执行 ， 高八位地址。在这种 应 用 中， 拉发送 l。在使用 8 位地址（如 问外部数据存储器时， 输出 在 和校验时， 位地址字节和一些控制信号。 位双向 I/ 4个 l，时，内部 上拉 电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的 引 脚 由 于内部电阻的原 因 ，将输 出 电流 ( 亦作为 殊功能（第二功能 如表一所 示 ）使用，在 程和校验时， 表 2口引脚 第二功能 串行输入口） 串行输出口） 外中断 0） 外中断 1） O （定时 /计数器 0） 1 (定时 /计数器 1) R (外部数据存储器写选通 ) 买文档就送您 01339828 或 11970985 8 D (外部数据存储器读选通 ) 此外， 位输入。当振 荡器工作时， 脚出现两个机器周期以上高电 平将是单片机复位。 址锁存允许）输出脉 冲用 于锁存地址的低 8位字节。一般情况 下 ， ，因此它可对外输出 时钟或用于定时 目 的。要注意的是：每当访问外部数据存储器 时将跳过个 对 期间，该引脚还用 于 输入编程脉 冲 (如有必要，可以 通 过 对特殊功能寄存器 (中的 8元的 置位， 可 禁 止 作。该位 置位后，只有一条 令才能将 外，该引脚会被微弱 拉 高，单 片机执行外部程序时， 应 设置 序储存允许 (出是外部程序存储器的读选通信号，当数据）时，每个机器刷期两次 输出两个脉冲， 在此期问，当访问外部数据存储器，将跳过两次 部访问允许，欲使 访问外部程序存储器 (地址为 必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加 密位 位时内部会锁存 引脚加上 +12然这必须是该器件是使用 12 所谓最小系统就是指 由单 片机和一些基木的外同电路所组成的一个可以工作的单片机系统。一般 来 说，它包括单片机，晶振电路和复 位 电路。 晶 振电路： 内有一个由高增益反相放大器构成的振荡电路。振荡电路有两种 组成方式：片内振荡器和片外振荡器。 复位电路：在 买文档就送您 01339828 或 11970985 9 最小系统电路 如图 一 所示 图 2小系统 示电路 显示部分有两种方案可供选择； 一 种是采用 方案具有低压微功耗、平板型结构、 显 示的信息量大、无电磁辐射、使用寿命长等优点，但是本设计要 求 显 示的数据量小，不能发挥其 显 示内 容 丰富的优点， 同 时 占 用 I/二种方案采用 方案具有实现容易、发光亮度大、 驱动电路简单等优点，其可靠性也优于 示，所以，我们通过比较，选用第二种方案数码管显示。 由 6个数码管和 6个 74用串行静态显示的方法。将数码管的 8个输入端与 74输出端 连。 74 接，作为时钟； 4端，作为 显 示数 据 的输入端。 显 示电路如图 二 所示。 买文档就送您 01339828 或 11970985 10 图 2示电路 74理： 74一块 14 个引脚双面直插式芯片，它的工作电源比较宽，可以是 32 ；它工作的频率范围也比较宽，从 0 5。它是 一 个串行输入，并行输出的移 位 寄存器，并带有清除端的 片，它为 8位串入并出移位寄存器， 1、 2为串行输入端， ，上升沿移入一位； 电平足并行输出为零。 工作电源脚； 它一 般正常工作电压为 +5V。 )端：为清除端，当此引脚为低电 平 时，使得 74出 全部为 0； ：时钟脉冲输入端，在 ，芯片不 工 作； 时，74 变化。 但是使用 74 显 会出现消隐的问题。为了消除消隐，那么就必须在硬买文档就送您 01339828 或 11970985 11 件 上与软件上结合米消除消隐的问题。消隐电路如图 三 所示。软件上，在传数据时，先传一个高电 平 ， 直 到数据传完再传送一个低电 平即 可。 图 2隐电路 键电路 键按 下 后，进行温度及液位检测 的切 换，也可不使 用 。按键电路如图 四 所示。 图 2键电路 鸣器电路 以 基极作为蜂鸣器控制信号的输入端与单片机 I/O 口相连， 主要有 蜂鸣器、 9013与 9014两 个三极管及 输入端 为高电平时， 止，蜂鸣器 回 路开路，蜂呜器 不 响；当输入端为低电平时， 买文档就送您 01339828 或 11970985 12 止， 鸣器 回 路闭合，蜂呜器发出响声。蜂鸣器电路如图 五 所示 图 2鸣电路 控制信号从 输入并经前级缓冲后送入片内控制器，然后由控制部分处理并 驱 动晶体管，最后 由 方被信号以控制电机的运行。触发使能端口 (作用是分别 对 两个通道的输出进行控制，当 论有无 输入控制信 号 ，输出端 终呈 高阻抗状态。 因 此， 要 使 作正常，器 件 的触发使能端必须为高电平。当 时，电机正转； 时电机反转。电机电路如图 六 所示 。 买文档就送您 01339828 或 11970985 13 图 2机电路 位检测电路 液位检测控制电路，由两片 是由 于 考虑到成 本 并且所设计的电路 I/ 并不是太多，所以，可以将 仅仅用 两片可实现功能。 它 是一种单片、 8 通道 开 关。该芯片由平转换器，带有禁止端的 8 选 l 译码器输入，分别加 上 控制的8个 例如当检测到液位在端点 4位置时， 0、 1、 2、 3、 4点被没过，与公共端之 间形成水电阻，由于水电阻阻值非常的 小 ，所以这几点的电平被 拉 低。此时就 可 以确定在 读到的数为“ 100”此时就可以通过单片机计算得出液位的高度。液位检测电路如图 七 所 买文档就送您 01339828 或 11970985 14 买文档就送您 01339828 或 11970985 15 图 2位检测电路 度检测电路 温度检测电路有两种方案可供选择。第一种是采 用 热电阻温度传感器。热电阻是利 用 导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。其 主 要的特点为精度高、测量范围 大 、便 于远距离测量。 铀的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力 强 ，易提纯，复制性好， 工 业性好，电阻率较高， 因 此，铂电阻用 于工 业检测中高精密测温和温度标准。缺点是价格贵温度系数小，受到磁场影响大， 在 还原介质 中 易被玷污变脆。按 准测温范围 650，百度电阻比 W (100) =00 和 10 ，其允许的测量误差 (+， (+。 铜电阻的温度系数比铂电阻大，价格低，也易 于 捉纯和加 工 ;但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差。在 工 业中用 80测温。 第 二 种是采 用 它 是 传感器，它具有微型化、低功耗、高性能、抗干 扰能力强、易配处 理 器等优点，特别适 用 于构成多点温度测控系统，可直接将温度转化成串行数字信号买文档就送您 01339828 或 11970985 16 （提供 9 位 二 进制数字）给单片机处理，且在同 一 总线 上 可以挂接多个传感器 芯片。它具有 3 引脚 体积封装形式， 温 度测量范围为 +125，可编程为 9位 ，测温分辨率可达 被测 温 度用符 号 扩展的16 位数字量方式 串 行输出，其工作电源既 可 在远端引入，也 可 采用寄 生 电源方式产 生 ，多个 并联到 3根或 2根线上， 用 微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上 |特点使 测系统。 根据设计要求，选择第二种方案。 件电路 的链接非常简单， 仅一根电源线，一根地线和 一 根数据线即可。温度检测电路如 图 八 所示。 图 2度检测电路 源电路 由 于 电源电压为 5V，所以电路中省去了稳压电源部分的电路，直接使用电源电压即 可 。在电源与地之间加滤波电容，稳定输入到芯片上的电源电压。电源电路如图 九 所示。 买文档就送您 01339828 或 11970985 17 图 2源电路 买文档就送您 01339828 或 11970985 18 第三章 软件设计 件分析 太 阳能热水器控制电路设计的软件部分 由主 程序、 检 测温度 子 裎序、压缩 16进制数变成压缩 10 进制数子程序、压缩 10 进制数变成非压缩十 进制数子程序、代码变段码码子程序、 显 示 子程序 、液位检测 子 程序以及延时子程序组成。在平时编程中，用 C 语言编写 程 序有利于实现较复杂的算法，但是汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间。不论 是 什么语言，始终是要被电脑转换成 以， 在 此次设计中，编程采用的是汇编语。 ， 01339828 或 11970985 19 开始 初始化 显示当前水位 显示当前水位 延时一段时间 显示当前检测的温度 水位处于高于15低于 2 水位高于 15点 水位低于 2点 蜂鸣器报警 电机反转 蜂鸣器报警 电 机正转 Y N Y Y N 买文档就送您 01339828 或 11970985 20 第四章 实现功能 位检测 将水尺放进水中，通电之后， 显 示当前的水位。最低点水位为 1， 最 高点水位为 16。当水位低于点 2时，显示 机正转，模拟进水过程；直到水位高于点 2 后，蜂呜器停止发声，电机不转。当高于水位点 ，显示 H 15 的同时蜂鸣器响，电机反转，模拟排水过程；直到水位低于点 15 后，蜂呜器停 止发 生 ，电机不转。 实时监测当前温度，与水位切换显示。例如显示为 C 液位可以扩展为更多点的测量，以保证测量的准确。温度亦可，只需要多加几个 I/O，边 可 以检测多点的温度，使用非常简单。 买文档就送您 01339828 或 11970985 21 结 论 水，是 一 切 生 命的源泉，是地球万物 生 存的基础，它使地球万物欣欣向 容 但是，地球上的水资源正在不断减少，据调查：占 世 界人口 40%的 80个国家正面临着水危机，发展中国家约有 10亿人喝不到清洁的水， 17亿的人没有良好的卫 生 设施每年 约有 2500万人死于饮 用 不清洁水我 国 的水资源也相当短缺，人均水资源 拥 有量 是 世界人均水资源 拥 有量的 1/5，许多城市己严重缺水华北地区由于过度引用地下水，己造成严重的地 面 下沉现象水资源短缺己成为当今世界要而临的重人问题。 如果一广人家溢出一些水，那么 千 家万广溢出的水加起来，浪费的水就不是一个小数 目 了，所以考虑设计一个 自 动补水排水的装置，来节约 用 水。 本 设计成本 低，易使 用 。 在设计过程中，将所学的专业 理 论知识与实际开发实际结合起 来 ，理论联系实际，提高 了 专业技能。人量 查阅 资料，对专业知识有 了更 深 入的理解和认识，扩展 了 知识 面 ，从课题立项、方案论证、理论设计、线路 图 绘制、制版设计到电路焊接与训试，全而 了 解和 掌握了课题开发的基础方法和步骤，使用了单片机原理 、模拟电子技术、数字电路技术、 9 在 原有的计算机理论于操作的基础上，巩固了对办公软件的应用，为以后的实际工作打下了良好的基础。 本 产 品有以下特点：可靠性高、成 本 较低、制作简单、体积小、重量轻、消耗小、易于系统设计、操作方便，只要上电，便 可 自动控制，实用性强，不 容 易损坏；适应性广，不但适 用 太阳能热水器，可以 应 用 于各种需要控利 制 抽水的地方，如 自来 水储水箱。但是由于其功能还是有所局限，所以仍有需要改进的地方。 买文档就送您 01339828 或 11970985 22 谢 辞 在设计期间，梁老师为我提供了论文的种种要求以及答辩时所遇到的各种问题。梁老师一丝不苟的作风， 严谨求实的态度使我深受感动，没有这样的帮助和关怀和熏陶，我不会这么顺利的完成毕业设计。在此向 梁 老师表示深深的感谢和崇高的敬意！ 在临近毕业之际，我还要借此机会向在这 四 年中给予我诸多教诲和帮助的各位老师表示由衷的谢意，感谢他们 四 年来的辛勤栽培。不积跬步何以至千里，各位任课老师认真负 责，在他们的悉心帮助和支持下，我能够很好的掌握和运用专业知识，并在设计中得以体现，顺利完成毕业 设计 。 同时，在 设计 过程中，我还参考了有关的书籍，在这里一并向有关的作者表示谢意。 我 最后 还要感谢同组的各位同学以及我的各位室友，在毕业设计的这段时间里，你们给了我很多的启发，提出了很多宝贵的意见，对于你们帮助和支持，在此我表示深深地感谢！ 买文档就送您 01339828 或 11970985 23 参考文献 1刘松单片机原 理 与接 口技术，天津 电 子 信息 职 业技术学院， 2009 2李忠国、 陈刚。 单片机心用技能 实 训人民邮电 出 版社， 2006 3曹金玲。单片机原理与接 口 技术 课程 设计指导书天律电 子 信息职业技术学院，2008 4王 毅 单 片机器 件应 用 手 册人民邮电出版社， 1994 5胡 汗 才，单片机原 理 及接 口 技术，清华 大 学出版 社 1996 6邵敏权，刘 权 单片机原 理 实验及 应 用吉林科学技术 出 版社， 1995_1 7刘笃 仁 、韩保君传感器原理 及应用技术 机械 工业出 版社， 8童诗白 技术基础。高等教育出版社， 2001 9周 航慈 ，单 片机 应用程序 设计 ， 北京航 空 航天大学出版社， 10赖麒文， 8051单片机 学 出 版社， 2002 11常通义。微型计算机原理及接口技术华中科技大学出版社， 2003 12 胡乾斌 M. 武汉 :华中科技大学出版社， 1997. 13 沙占友，王彦朋，孟志永 M. 北京 :电子工业出版社， 2003:13522214 刘焕平，童一帆 M. 北京：北京邮电大学出版社。 2008 15 李朝青，单片机原理及接口技术（第 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