基于单片机的太阳能热水器智能控制系统项目设计方案

1 基于单片机的太阳能热水器智能控制系统项目设计方案 1 研究背景和社会现状以及设计任务 研究背景和社会现状 随着现在社会环境日益恶劣的情况下，环保成了现在的社会的主题，然而热水器也成了各家的必备设施，太阳能热水器也正占了热水器的一个重要部分。 现在有多种自然资源，如核能、风能，但是最为干净并且普遍人类生活的还是太阳能。从长远看来，现在全球已探明的石油产量只能用到 21 世纪中期，天然气也只能用到 21 世纪中期， 300 年后也会把煤炭资源用光，这些资源不仅会慢慢消失最重要的一点对环境的影响也非常严重，温室效 应也是现在社会的一大难题。然而太阳能却是无限的资源，太阳每年放出的热量到达地面的能量相当于 10 的三次方千亿的煤资源。 如今的热水器技术已经成熟，并且在不断的取代燃气热水器和电热水器， 2000 年日本的热水器比往年翻了一倍。在以色列更是有规定，所有现期建的房屋必须装配太阳能热水器。据统计，我国更是使用量，销售量和生产量排在首位的国家。但是现在一般市场上的热水器大部分功能单一，操控不方便，虽然有温度显示和水位显示功能，但是却没有温度控制功能和预约功能，使人们不能方便的使用热水器并且导致浪费。 安全问题 和能源问题是如今社会非常关注的问题。在家庭应用上大可分为三类热水器：燃气热水器，太阳能热水器，电热水器。燃气热水器在最近的一氧化碳中毒事故中占三分之一。电热水器更是浪费了大量的电力。然而太阳能热水器，它节能环保，安全性能良好等优势让人们更加的青睐。 本次我选择太阳能热水器只能控制系统这个课题，是为了让大家了解一下如今社会的能源现状，让大家知道可持续发展这系统个观念，最主要的是太阳能在新技术上的应用。如今太阳能已经进入了千家万户，控制更是最重要的一部分，尽可能节能环保并且操作简单也是这次设计的一个重要意义。 设计任务 本次设计的任务主要是实现太阳能控制系统的智能化，让人们对于复杂的系统有一个清晰的了解。本系统大体上包括可以预设时间和预设上水量进行自动的到时上水并加 2 热的功能，温度和水量的数据在液晶屏上显示。并且时钟功能使人们可以洗澡的时候看时间，防止热门无意中带入手机等电子产品被水浇湿使这些电子产品损坏。本系统还可以切换手动和自动模式，让喜欢手动或者自动的人都有选择。并且系统还有电辅助功能，当太阳光不足而致使温度提升不到预定温度时通过电辅助的功能使水温加热。总之就是让人们方便并且合理的使用热水器，减少不 必要的浪费和意外。 2 系统设计方案 设计思想 本次设计是通过 89各个模块进行控制，最后实现 ？功能 。首先可以手动预定好水位和温度。接着水位传感器检测是否少于最低水位和预定水位，如果低于要求的话打开电磁阀进行上水，反之不上水。最后通过温度传感器检测温度是否到达预设的温度，如果没有到达目标，通过 89出信号给电辅助加热装置进行加热。 系统结构框图 设备是由 89片机、键盘输入模块、时钟模块、显示模块、水位采集模块、温度采集模块、电加热模块共同构成的。本系统遥控接 收模块、水位采集模块、温度采集模块、时钟模块、键盘输入模块是输入端。显示模块、电磁阀控制模块、电加热模块作为输出端。系统整体结构框图如图 系统整体结构框图 水位水温控制电路 数据处理模块 时钟模块 温度采集模块 显示模块 水位采集模块 键盘输入模块 电磁阀控制 电加热 遥控接收 3 3 器件选择 单片机的选择 本次设计为基于单片机的太阳能热水器智能控制系统，单片机是设计的最为重要的一部分，是本控制系统的核心，一切工作都是单片机在发出命令。然而现在市场上有各种型号的单片机，因此需要选择合适并且性价比高的单片机进行设计。 经过比较最终选择了 单片机 单片机是一种性价比很高的一种，不仅耗电量低而且功能强大。采用 8 位微控制器，具体解释是一类通过控制电压的放大器。经过查资料发现 4 位的，而且没有 时器，没有 8 位的单片机 量大，功能明显不如本次选择的，所以不使用 此选用 片机。 40 个引脚，其中有 4 大组，每组有 8 个引脚。这四大组引脚是可以双向输出的，可以与其他模块相连接进行数据的传输。剩余的 8 个引脚包含通信口，读写口，计时器和外中断口。 实物图如图 物图 引脚介绍 示屏与单片机的桥梁 水位检测器相连接，使信号传输到 水位进行读取。 四个按键分别相连，实现设定参数的功能。 4 度传感器与之相连，通过 片机通过 过单片机处理发出信号控制加热装置。 钟芯片 89 E A /V 9P 3 7 / R 6 W 2 / 012P 3 3 / 113P 3 4 / 5 / 01P 1 12P 1 23P 1 34P 1 45P 1 56P 1 67P 1 78P 0 039P 0 138P 0 237P 0 336P 0 435P 0 534P 0 633P 0 732P 2 021P 2 122P 2 223P 2 324P 2 425P 2 526P 2 627P 2 728P 29A L E/ 1 / 11P 3 0 / R X C 8 9 C 5 2图 89脚图 单片机的功能 本次选用的 89位采集模块、温度采集模块 传进来的信号，处理完毕把数据显示到显示屏中，同时把信号传输给加热装置与电磁阀，使它们实现功能，当达到预定时间和温度时恢复到闭合状态。 时钟芯片 器件选择 本次采用 钟芯片，此芯片比其他的性能高，本身带有闰年补偿功能，可以自己判断是不是闰年，如果是闰年自动加一天，防止时间偏差。它的工作电压极低，在 间，因此实现了它耗电低的性能。时间 单位广也是它的一大功能，能实现从年到秒的记时，可以满足大多的设计。实物图如图 5 图 引脚说明 本芯片一共有 8 各引脚，其中 电容和晶振组成晶振电路，两个电源端分别接 间的电压， 脚接地。 钟芯片引脚图如图 图 此图画得不规范） 完成功能 该电路采用 时时钟芯片，该芯片与单片机 6、 7 相连接，单片机将时钟数据通过数据总线发送到 晶显示屏，使液晶显示屏接收到相关数据并且进行显示。为防止系统断电，同时单片机把时钟数据发送到 钟寄存器。 系统再次上电，单片机可通过读取时钟寄存器的时钟数据，并且发送到 晶显示。 温度检测器 温度传感器的选择 温度传感器是本次设计的重要结构之一，温度传感器适用于检测温度幅度大的，目标小的。其中温度传感器也分为很多种，因此我们需要选定最为适合的。 温度传感器大体分为两种，首先是需要接触的温度传感器，其次 是非接触式温度传感器。 接触式传感器能感知物体的热容量，当物体热容量小会降低温度的测量精度，因为传感器与物体接触，会产生热传递。非接触式温度传感器特点是反应快，没有对物体热容量的要求，不会干扰温度场，但是成本较高，不适合家庭通用的设计。 通过上述的分析最终选择了 片 件为图 6 图 引脚说明 本传感器只有 3 个引脚，电源端接 5V 的电压，地端接地， 脚与单片机 脚图如图 图 器件功能 成集成温度传感器对水箱内水温进行时时刻刻的检测。先把测量出的脉冲频率的数据转换成水温信号，之后再把水温信号转化为脉冲电信号，最后编码检测出来的温度数据传送到 I/O 端并且经过次单片机读取数据处理后送到显示端口。 7 水位检测器 水位传感器的选择 方案一：采用涡流计量式传感器。本传感器的工作方式是通过水流的流动使里面叶轮转动，从而产生脉冲信号。单片机通过此脉冲信号可以计算出水量的多少。但是这种传感器性能非常不稳定，当 水流过小或者叶轮不灵时会是传感器不准或失灵。所以既会造成器件的损坏也不实用，所以涡流计量式传感器不适合本次设计。 方案二：使用内置浮子式传感器。原理是利用一个带有磁性浮子浮在水平面上，随着水平面的升高或降低这个浮子也随着上下浮动，通过浮子使管中的干簧管连通断开从而产生脉冲信号，进而通过单片机分析在显示屏中显示出水量的多少。但是这种大多适用于开放式物体的水位测量，原因是内置浮子式传感器需要垂直安装，但是太阳能热水器水箱基本都是封闭式的，而且垂直安装不满足对于大多数的水箱空间的要求，另一点不符合热水器的方面在于 自来水中含不溶于水的矿物质，这些矿物质经过加热后会产生水垢，水垢堆积会卡住磁性浮子的上下浮动，使传感器失灵，传入单片机的数据显示在屏幕上也可能会有很大的差别。所以内置浮子式传感器也不适用于本次设计的要求。 方案三：外置浮子式传感器。外浮子传感器是在内浮子的基础上把浮子放入外面的一个类似量筒的容器中，这样虽然可以解决水垢堆积导致浮子失灵的问题，但是量筒中可能会产生杂质，这些杂质会使量筒中的浮子准确度降低，久而久之仪器会更加的失准。因此淘汰外置浮子式传感器这一方案。 方案四： 放电式水位传感器。此传感器用的 就是 放电电路进行水位检测。这个传感器最为突出的特点是其外貌形态很简单， 放电式传感器可分为两个端口，其中公共水位端口是第一个端口，实际水位端口是第二个端口。其中可以包含五个传感器测水位，每个传感器分别在水箱不同高度的位置上，再通过不同的实际水位端口和公共水位端口的电阻值不同，通过系统的计算得出水面高度。其精准度交高，价格偏高。 方案五：排阻分档键盘式水位传感器。本传感器如字面意思上像键盘式电路有些类似。此传感器的有四个铜质金属针，铜物质本身有防腐性强的特性，所以可以长时间的与水接触。其中原理是这 4 根铜真分别放在水箱的不同位置上，把水箱分成均等的几部分。当铜针不与水面接触时的电平与不与水面接触的电平是不同的。因为容器与地相接，所以可以把接触面的位置看作接地，电平为 0。当一根铜针不与水接触时电平为 +5V，原理同上数量不同的铜针不与水面接触会产生不同的电平，把输出的电平信号输入到关中，再通过 关进行反向输出给 74后将硬件 74 与单片机 脚， 脚， 脚相连接，经过单片机的内部分析把结果输入到显示屏中显示。本传感器可以把水 箱分为 4 部分，每部分为 25%。此传感器的优点是可以省去 A/D 转换器，精确度不如 放电式水位传感器。 经过上面的五个方案的比较，因为太阳能热水器对温度精准度不需要很高，所以本次设计本着成本低，并且符合实用的要求选择第五方案，运用排阻分档键盘式水位传感器来进行水位检测模块的运行。 按键 按键的选择 方案一：矩阵式按键。矩阵式顾名思义就是如数学上的矩阵一样分为行线和列线，开关的连接端与行线、列线相连接。多个开关并列安排，最终形成网格一样的矩阵式排列。矩阵式键盘原理是当无人触碰开关时， 电路因为有电阻的影响不进行导电，行线端为高电平状态。当有人使用按键时，行线与列线会通电，此时行线由高电平状态开始发生电平变化，电平的变化是通过行线的变化使对应的列线变化而变化。通过不同的电平变化来输出信号，矩阵式键盘上每个按键原理如上面所讲，最终通过多个按键行列电路的相互影响与配合来完成最后需要的功能。这种键盘控制电路适用于单片机的设计，按键多的技术优先选择此电路。而此次设计只需要四个按键，所以比较大材小用，不适合本次设计。 方案二：独立式按键。独立式按键在人们生活中应用更加的广泛，最多的应用如家庭电灯的开 关。此按键最为突出的特点是电路结构非常简单，只是用一个 I/O 线与按键相连接构成一个独立式按键。优点就是配置灵活，安装多个独立式按键不会相会干扰影响。缺点就是如果按键太多会对材料产生不必要的浪费。所以独立式按键只适合按键少的电路设计使用。本次设计的五键设计完全符合此条件。 通过上述方案一、二的比较，显而易见方案二的独立式按键是本次的最佳选择。 9 4 硬件系统设计 单片机最小控制系统 本次是以 片机为主体，各个模块相结合完成的一次设计。如图 本次的最小控制系统。其中包括一个晶振电 路，起这巨大的作用，可以说是整个系统的心脏，为单片机提供脉冲信号。 P 1. 01P 1. 12P 1. 23P 1. 34P 1. 45P 1. 56P 1. 67P 1. 78R S . 0 (R X D )10P 3. 1 (T X D )11P 3. 2 ( 0 )12P 3. 3 ( 1 )13P 3. 4 (T 0)14P 3. 5 (T 1)15P 3. 6 (W R )16P 3. 7 (R D )17X T A L 218X T A L 119 8 )P 2 9 )P 2 1 0 )P 2 1 1 )P 2 1 2 )P 2 1 3 )P 2 1 4 )P 2 1 5 )P 2 E E / P R O /V P D 7 )P 0 D 6 )P 0 D 5 )P 0 D 4 )P 0 D 3 )P 0 D 2 )P 0 D 1 )P 0 D 0 )P 0 C 5 0 C+ u 3 4 S E 单片机最小系统 时钟模块 本次时钟模块采用 钟芯片。通过 脚与单片机传送数据，为系统预设时间上水提供前提。 时钟模块如图 图 时钟模块 10 温度采集模块 温度传感器 第一端口接 5V 电源，第二端口端口接地， 接 。使应用的 感器最终结果输入给单片机，单片机可通过读取时钟寄存器的时钟数据，并且发送到 晶显示。 温度采集模块电路图如图 图 温度采集模块 水位采集模块 排阻式水位传感器的 4 个铜针通过 74单片机 个铜针产生的电平值传给单片机，使其判断出水位的变化。 模块如图 图 水位采集模块 液晶显示模块 本液晶显示模块使用 图 1602 与单片机 脚连接，单片机接收完各个模块采集的信息后传送给液晶显示器，显示出水温、水位、时间信息。 液晶显示模块 如图 11 图 液晶显示模块 遥控接收模块 遥控接收模块是通过红外一体装置使遥控对系统进行控制。此模块如图 图 遥控接收模块 12 5 软件系统设计 主程序流程框图 本系统流程是通过系统对是否到达预设时间、水位是否小于最低水位与是否到达预设水位、温度是否达到预设温度一系列的判断，从而进行运行。流程图如图 低于下限 高于上限 状态错误 下限 Y N 图 对） 开始 定时器等初始化化 进入 环 读取温度值 是否是设置状态 显示温度和定时时间 判断水位状态 加水继电器吸和 关闭加水和报警 关闭继电器并报警 预约时间是否到达 温度值与上下限关系 结束 停止加热并报警 启动加热并报警 温高于上限 13 温度检测流程图 使用 片来完成本次温度检测，它的量程在 间。经过 太阳能热水温在 0 间，所以量程符合。 温度检测电路通过 感器将信号通过显示屏显示出，首先设定延时之后进行数值的初始化，产生的脉冲信号进行读数据和写数据功能，最后进行温度转换成 数据，输出到显示屏。功能流程图为图 芯片内部流程图如图 图 功能流程图 置位 加一 停止 图 芯片内部流程图 斜率累加器 比较 温度寄存器 计数器1 =0 计数器2 =0 高温度系数晶振 低温度系数晶振 预置 0 预置 初始化 启动芯片 读温度 计算温度 显示 开始 14 显示器流程图 晶屏显示的原理是通过电压对液晶的影响，有电压的液晶部分显示内容，反之没有内容。此显示屏在运作之前需要把标志位调到低电平，之后对系统进行延时设定，使系统正常工作。最后判 断系统是否处于忙碌，如果忙碌继续运行，知道不忙碌停止。 液晶显示模块流程图如图 图 15 时钟电路流程图 时钟电路是很常见的一个电路，在生活中人们也离不开对于时钟电路的应用。时钟电路开始需要对变量进行初始化，之后进入复位端产生一个高电平信号，接下来写 1302地址，经过一段延时向该地址写数据，写入地址后在自动再生成一个新的地址，判断是否写完数据，如果写完再复位一个高电平，写 1302 地址，经过一段延时读出数据最后输出显示数据。若果没有写完数据再进行上面的步骤。流 程图如图 图 时钟电路流程图 开始 变量初始化 复位端产生一个高电平 延时一段时间 向该地址写数据 增加新地址 数据是否写完 复位端产生一个高电平 写 1302 地址 延时一段时间 读出将该地址数据 增加新地址 数据是否写完 显示数据 写 1302 地址 16 水位监测流程图 水位检测是通过水位检测传感器测出是否满足最低水量要求，如果不满足自动上水，之后再判断是否满足使用者设定的水位，满足的话停止上水，反之再开上水阀直到满足设定水量才停止。流程图如图 N Y N Y Y N 图 水位检测流程图 初始化系统 水位显示 开中断 水位最低 水位设定 开电磁阀加水 水位设定 关电磁阀 返回 17 6 系统测试 开机状态测试 连接电源，按电源键打开设备。 晶显示板上开始会显示系统初始化，所有的数值为 0。经过大约 1 秒钟，屏幕上会显示当前的温度和需要设定的温度上限与下限，还有预约时间的显示。开机初始化测试与正常运行 如图 图 开机测试图 温度上下限调节 本设计一种有 6 个按键，如图 示，蓝色按键为开机键，屏幕下方的为复位键，剩余最下面的 4 个为调节设置参数的按键。下面 4 个按键中，从左到右的顺序，第一个为设置键，用来选择预设时间的功能和预设水温上下限；第二个是加温度或者时间的键；第三个是减温度或者时间的键；最后一个键是确定。图 改变温度上下限的比较图。 18 图 温度上下限的比较图 预设时间 如图 以看到液晶显示器的右上角上的变化，本次预设的是 1 分钟 ，所以显示为 001,当到达 000 时系统自动上水。在图中可以看到工作正常运行。 图 预设时间比较 19 加热模式测试 如图 中黄色等代表是否在加热，黄灯亮时可以看到实际温度小于预设最低温度，所以为加热状态；当灯不亮时，在液晶屏中看到当前温度为 高于预设最高温度 35，所以停止加热。 图 加热功能测试 上水模式测试 如图 示，在正常情况下可以看到绿色的灯是亮的，这时表示系统处于上水状态。当把传感器都放入水杯里，这种情况相当于水满了， 可以看到灯已经熄灭，说明此时水满状态并且停止上水。 20 图 上水功能测试 21 结 论 本次设计运用了大学四年学到的理论知识和实际操作经验。制作太阳能智能控制系统的过程中翻阅了各种书籍，也查询了各种资料。在大学数电和模电课中，电路的设计、耦合电路、时钟电路这些内容有很大的涉足。并且因为需要各个程序的测试，更加熟练了 些软件的使用，对以后的工作也有很大的帮助。本智能控制系统比以前的控制器更完善，而且本设计最突出的是性价比很高，可以温度自定义设 置和时间自定义设置，使得比以往的热水器更加的智能，让人们更加容易的使用。本控制器用电量也比以往的耗电量低，可以节约资源。 系统的优点是可以进行有效的电辅助加热，让热水器对太阳能的依赖性大大的降低，也造福了人们。同时外设遥控器控制，让使用者可以通过遥控对热水器进行控制。设计都有不足，此次设计也有让人不满意的方面。在对于水管里遗留下的水没有实现有效的处理和利用，在这个方面跟以往的热水器一样都浪费了水资源。所以在以后的生活中仍然需要不停的学习，即使即将步入社会也不能停歇。 总而言之，本次设计依旧是成功的，能实现完 整的功能，并且因为其性价比高的特点上非常适合商业使用，目前的社会服务业占有很大的一部分百分比，旅游住房更是不可缺少的，用此太阳能智能控制系统能够获得更大的利润，而且完全能实现顾客的使用要求。在私家住宅中也同样的适用。 22 参 考 文 献 1 周天逸 山西科技大学出版社 2 王曾冬 M2005. 3 孙锋 .单片机技术大全 4 谭浩强 . 5 刘迎春，叶湘滨 国防工业出版社， 1998. 6 张俊谟 原理与应用（第 2版） 京航空航天大学出版社， 2006. 7 宋晓伟，孟国营，叶洋等 煤炭工程； 8 沈东方，章坚武 采集终端设计与实现 .大众科技； 9 马忠梅 语言应用程序设计 M京航空航天大学出版社， 1998. 10 李华等 北京：北京航空航天大学出版社， 2002. 11 余发山 .单片机原理及应用技术 12 索雪松等 北京：中国水利水电出版社， 2008. 13 何有才 J2007. 14 果莉 J中国科技信息； 2005年 17期 . 15 王青云 . 基于单片机的温度测量系统 J 2010， (05). 16 张媛媛 . 基于 J国外电子元器件 , 2004,(10) . 17 江孝国 ,王婉丽 ,祁双喜 . 高精度 J电子与自动化 , 2000,(05) . 18 于洋 . 高低温试验箱微机自动控制系统的设计 J工业仪表与自动化装置 , 2003,(02) 19 李建东 . 基于单片机的温度测量系统 J 科学出版社 2010， (05). 20 彭立，张建洲，王少华 . 自适应温度控制系统的研制 J东北师大学报 (自然科学版 ), 1994, 21 李丽宏，谢克明；液位自动检测的现状与发展 J；太原理工大学学报； 2001年 04期 . 22 楼然苗，李光飞 J. 北京：北京航空航天大学出版社， 2007. 23a on ,2002 23 附录 A 程序源代码 k); k); k); ; k ,a); #7 #0 #30 /* =00/00/00 00:00; =00/00/00 00 00; = 水温 00 ; /=无水 水温 00 ; =自动模式 ; =自动模式 上水 ; =自动模式加热 00 ; =手动模式 ; =菜单 ; =菜单加热上水 ; =设定上页下页返回 ; =下项减少增加返回 ; =下项 变更返回 ; = 变更返回 ; = ; = 时间设定 ; = 日期设定 ; = 模式设定 ; = 水温设定 ; = 上水定时 ; 24 = 加热定时 ; = 其他设定 ; = 开 ; = 关 ; = 加热至 ; =使用 手动模式 ; =使用 自动模式 ; =智能加热 开 ; =智能加热 关 ; :, , :, , )*2,0); if(=0) 5,1); ,1); 25 ,1); 5,1); k) if(;:if(k-1);:k,);:k,);:;, ; k); ,; if(0) k); ; k ,a) ; if(a);1; 30 k) : :th=0*if(3)th=0;if();if(3; :th=th+if(3)th=0;if();if(3; :tm=0*if(9)tm=0;if();if(9;:tm=tm+if(9)tm=0;if();if(9; : (=0)1; 0;if(2)if(=0)9;8; :dy=0*if(9)dy=0;if();if(9; :dy= if(9)dy=0;if();if(9; 31 :dm=0*if(2)dm=0;if();if(2;:dm= if(2)dm=0;if();if(2;:dd=0*if(dddd=0;if(dd0|0);if(dd=:dd= if(dddd=0;if(dd0);if(dd=; : :wh=0*if(3