毕业设计（论文）-太阳能热水器上水控制系统--变换器部分.doc

淮阴工学院毕业设计说明书（论文）作作者者:学学号：号：学学院院:电子与电气工程学院专专业业:测控技术与仪器题题目目:太阳能热水器上水控制系统变换器部分指导者：指导者：(姓名)(专业技术职务)评阅者：评阅者：(姓名)(专业技术职务)2011年6月教授毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）中中文文摘摘要要本系统是利用AT89C52为处理器，集合DS1302时钟芯片、DS18B20温度传感器、水位传感器等构成的多功能太阳能热水器控制系统。该系统能够测量并显示实时水温、水箱内实时水位。具备自动上水和手动上水的功能，能够根水箱内实时水位决定是否上水，水满自动关阀并报警。控制系统变换器部分的传感器制作简单，安装方便，经济实用。系统采用4N26光电耦合器进行光电隔离，增强系统抗干扰功能，保证系统安稳准确运行。本说明书详细地阐述了系统设计原理，以及给出整体系统的原理框图和电路图。关键词变换器，DS18B20，电阻式传感器毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）外外文文摘摘要要TitleTheSolarWaterHeaterWaterFeedingControlSystemConverterPartAbstractComposedofsetAT89C52singleprocessorchipclockDS1302temperaturesensorDS18B20Thesystemisamultifunctionalsolarwaterheatercontrolsystemcanmeasureanddisplaysreal-timewatertemperatureandwatertanksinreal-time.Withautomaticandmanualwaterfunctioncanroottankcontainerreal-timewaterleveldeterminewhetherwaterfullautomaticclosingvalvesandalarm.Thecontrolsystemusesimplepartconverterandeasytobeinstalledeconomicandpractical.Thesystemuses4N26photoelectriccouplerforphotoelectricisolationenhancethesystemanti-interferencefunctiontoensurethatthesystemissafeaccurateoperation.Thismanualandexpoundsthesystemdesignprincipleandgivesoverallsystemprinciplediagramanddiagram.KeywordsconverterDS18B20resistivesensor淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）第I页共页目录1引言.11.1太阳能热水器的国内外发展现状.11.2市场上各类热水器的特点.21.3课题研究的目的和意义.31.4课题研究的问题和设计思路.32太阳能热水器上水控制系统总体设计.32.1系统方案设计原理.32.2数据信息采集与转换.42.2.1水位信号采集.42.2.2温度信息采集.52.2.3时钟DS1302.72.3单片机选择.92.3.1ATC89C52单片机.92.4键盘设计与显示电路.102.4.1非编码键盘的控制方式.112.4.2非编码键盘接口设计.112.4.3显示设计.112.5光电隔离.122.6太阳能热水器上水控制系统上水电磁阀的选用.122.7报警电路设计.133变换器部分设计.143.1电容式水位传感器.143.1.1调频电路.143.1.2交流电桥电路.153.1.3双T型充放电网络.163.1.4运算放大器电路.183.1.5差动脉冲调宽电路.183.2电阻式水位传感器.213.2.1电阻式水位传感器原理.213.2.2测量电路.233.3方案比较.243.4电磁阀驱动电路.254控制器电源设计.25淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）第II页共页4.1直流电源设计.265变换器部分电路调试.266软件设计流程图.28结论.29致谢.30参考文献.31附录：.32淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）第1页共32页11引言引言1.1太阳能热水器的国内外发展太阳能热水器的国内外发展现状现状目前，太阳能供暖技术和供热水已经相对比较成熟，太阳能制冷技术尚处于研发阶段。太阳能热水器是太阳能利用技术的主要应用产品，可供应热水和为建筑供暖。从全球的产品类型来看，太阳能热水器包括平板型太阳能热水器、真空管太阳能热水器、无盖板太阳能热水器。各种产品的地域性分布非常明显，真空管太阳能热水器主要分布在我国（占全球总量的97%），主要用于提供生活洗浴用热水；无盖板太阳能热水器主要分布在美国和澳大利亚（占全球总量的90%），主要用于游泳池用水的加热；平板型太阳能热水器广泛地分布在欧洲、亚洲、美洲和大洋洲。据国际能源机构发布的数据，2004年，全球新增太阳能热水器安装量为1918万平方米，包括513万平方米平板型太阳能热水器、90万平方米无盖板集热器，1213万平方米真空管太阳能集热器。2004年全球太阳能热水器提供的热量相当于581亿千瓦时电力（209.220TJ），年减排CO22540万吨。从1999年至2004年，平板型太阳能热水器和真空管太阳能热水器市场在中国、新西兰、澳大利亚以及欧洲都增长迅速。中国年均增长率为25%，澳大利亚和新西兰为19%，欧洲为13%。用于游泳池加热的无盖板太阳能热水器年安装量在1999至2002年保持了增长的态势，2003年稍有回落，2004年又恢复增长的态势。中国太阳能热水产业的发展始于上世纪80年代，当时的市场定位是农村或中小城镇的低收入家庭，其主导产品以技术简单、造价便宜的闷晒式太阳能热水器为主。进入90年代，随着技术进步和企业规模的扩大，技术和企业都逐步成熟，太阳能热水器逐步形成了真空管、平板和闷晒三种技术系列，实现了产品的系列化和规模化生产，这一时期的真空管太阳能热水器和平板太阳能热水器主要定位于中小城市的中高收入居民。90年代后期，住宅商品化的发展以及家庭对热水需求的大幅度增长，为太阳能热水器的发展提供了市场空间，太阳能热水器的生产规模进一步扩大，形成了一些有一定知名度的产品和品牌。2002年以来，为了满足高端用户的需求和城市景观的要求，太阳能热水器产品的升级换代和与建筑结合成为新的热点和发展方向，一些大型企业与房地产开发商一起建设完成了一批太阳能热水器与建筑结合项淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）第2页共32页目，太阳能热水器与房地产项目同步设计、同步施工、同步验收的理念逐步被建筑行业所接受。一批太阳能热水器与建筑结合的试点项目，取得了良好的推广效果。2005年以来，建设社会主义新农村活动的开展，为太阳能热水器在农村地区的推广应用提供一个良好的契机，越来越多的农村新村改造项目使用太阳能热水器为农户提供热水供应，北京等一些地区还开始使用太阳能热水器为农户供暖。太阳能热水器已成为各地农村新村改造、改善农民生活水平的有力工具。自上世纪90年代以来，我国太阳能热水器行业保持了10多年的快速增长。2005年，太阳能热水器年生产量为1500万平方米，是2000年640万平方米的2倍多。到2005年底，我国太阳能热水器保有量超过7500万平方米，是2000年2600万平方米的近3倍。目前，我国既是世界上最大的太阳能热水器生产国，同时也拥有世界上最大的太阳能热水器市场。我国太阳能热水器已实现了产业化，形成原材料加工、产品开发制造、工程设计和营销服务的产业体系，有力地带动了玻璃、金属、保温材料和真空设备等相关行业的发展，成为一个产业规模迅速扩大的新兴产业。至2005年，全国有1000多家有一定规模的太阳能热水器生产企业，年总产值达150多亿元，出口创汇2000万美元，全行业提供约30多万个就业机会，产生了显著的经济、环境和社会效益。目前，太阳能热水器为全国3500多万家庭提供着热水供应，已形成与电热水器和燃气热水器三足鼎立的局面。我国已经形成了完整的太阳能热水器产业体系，在过去10年高速发展的基础上，预计未来10多年仍保持快速增长的势头。根据我国的可再生能源规划，我国太阳能热水器市场在今后若干年内将继续保持快速的增长，2010年太阳能热水器的安装总量将达到1.5亿平方米，2020年预计将达到3亿平方米。1.2市场上各类热水器的特点市场上各类热水器的特点燃气热水器：快速加热，出水量大，不易结垢，体积小，价格比较实惠，对使用时间和人数没太多要求。但是用时会产生一氧化碳，通风效果不好，一氧化碳不及时排除，易致人中毒、死亡；需根据燃气种类选产品，不同燃气的燃烧器形状、喷嘴大小、通道截面不同；易受气压、水压影响，调节水温麻烦。电热水器：受周围环境和气候影响较小，可以根据需要调节水温。但是需要使用的时候要提前加热差不多半个小时，冬季使用预热时间会更长；而且管道易结水淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）第3页共32页垢，对电能消耗也很大。因功率大容易造成短路事故，使用电热水器时电路电线发烫大大缩短线路寿命并有引发火灾的隐患。太阳能热水器：不用电、燃气等能源，节能环保，安全系数比其他产品高，加热后可以全年、全天候使用。但是受天气的影响比较大，同时安装复杂，容易影响住房的外观质量及城市的市容市貌因太阳能热水器安装在室外，所以比较难维护。1.3课题研究的目的和意义课题研究的目的和意义在实际生活当中仍然有许多的燃气热水器，电热水器在使用，众所周知，能源的消耗随着科技的进步也在不断的超负荷消耗着，燃气、电都需要用到不可再生的石油和煤炭资源，而太阳能则是取之不尽用之不竭的，因此，使用太阳能热水器不仅仅节省了生活开支也保护了生态环境。在广泛的使用太阳能热水器的同时，我们又不得不考虑一些比较客观的问题，太阳能热水器有很多优点但是也存着在很多缺点。目前太阳能热水器在设计上面仍然存在着很多的不足，比如，很多老式的太阳能热水器在上水之后不能自动控制阀门关闭，要人为的控制上水阀门使自来水管停止上水，因而造成让水资源白白的流失，造成了不必要的浪费。特别是夏天的时候，热水器的集热管受到太阳光的曝晒，假如这时候上水，集热管就会发生爆裂，损坏热水器。我们需要做的就是将现有的太阳能热水器上水控制部分进行改进，达到定时上水，水满自动关阀的目的。1.4课题研究的问题和设计思路课题研究的问题和设计思路本课题要研究采用什么途径获得太阳能热水器水箱内的水位信息，并判断水箱内水是否已经上满，选用什么样的传感器和测量电路将水位信息转化为电信号，并通过控制电路和执行电路来解决水满自动关阀。本设计考虑在溢出管上安装电阻式水位传感器来解决水位信号的采集问题，测量电路以RS双稳态触发器为核心。通过继电器的触点控制电源开关和电磁阀的开关，达到上水自动开阀，自动关阀并切断主电源的设计目的，并且能通过控制器界面显示水位信息。22太阳能热水器上水控制系统总体设计太阳能热水器上水控制系统总体设计淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）第4页共32页2.1系统方案设计原理系统方案设计原理水位传感器单片机AT89C52显示光电隔离驱动装置执行机构DS1302驱动电路键盘报警电路DS18B20图2.1太阳能热水器单片机控制系统原理图该太阳能热水器上水控制器系统采用AT89C52为CPU，由水位传感器和温度传感器将采集到的水位信息和温度信息，输出到单片机AT89C52进行处理。然后由单片机的IO端口输出显示以及键盘控制，单片机通过对所接收到的信号处理判断是否驱动电磁阀来上水和关闭上水。DS1302的使用是为了防止系统掉电，方便系统时间恢复，节省单片机资源而添加的。在单片机与驱动装置之间加入光电隔离是为了将电信号进行隔离，能有效地抑制系统噪声，消除接地回路的干扰。2.2数据信息采集与转换数据信息采集与转换2.2.1水位信号采集在该系统中，太阳能热水器上水控制是由单片机对水位信号的检测和处理，然后经由驱动装置，分别在显示电路中显示温度和水位信息，并且控制上水电磁阀动作。对于水位信号的采集，使用的传感器有很多种可以选择，比如电容式传感器，湿敏电阻传感器，电阻式传感器等。在本次设计中，前期方案的设计中使用了电容传感器，采用差动脉冲调宽电路作为电容转换电路。但是在实际电路的调试的时候，电路本身的干扰信号比较明显，而且由于电容的制作，和选取材料的问题，所制作淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）第5页共32页出来的电容容量很小，所采用的LM324N比较器频率较小难以达到电路的要求，考虑到换其他的高速比较器，但是由于成本提高的幅度较大，制作工艺比较高，并不能很好的完成设计，故更改为电阻式水位传感器。本设计采用的自制电阻式水位传感器，利用太阳能热水器上水水满，会有水从溢出管中溢出这样的现象，可以将自制的电阻式传感器安装于溢出管上，在无水状态下的电阻为无穷，有水溢出时接触到传感器，电阻可以降到300千欧左右。经过控制电路处理，即可实现水位判断。2.2.2温度信息采集本系统所采用的温度传感器为DS18B20，该产品采用美国DALLAS公司生产。DS18B20温度传感器是数字式温度传感器，相对于传统温度传感器精度高、稳定性好、电路简单、控制方便并且具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。DS18B20的引脚以及封装：图2.2DS18B20封装及引脚如图2.2所示DS18B20的1脚接地，2脚接输入输出引脚，3脚为可选择的VDD引脚。DS18B20的特点与性能：1）应用中不需要外部任何元器件即可实现测温电路。2）测温电路范围-55+125，最大精度为0.0625。3）只通过一条数据线即可实现通信。4）每个DS18B20器件上都有独一无二的序列号，所以一条数据线上可以挂接淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）第6页共32页很多该类型的传感器。5）内部有温度上下限告警功能。6）工作电压：35VDC。7）通过编程可实现912位的数字读数方式。8）警告搜索命令能识别和寻址温度在编定的极限之外的器件（温度警告情况）。9）应用范围包括恒温控制、工业系统、消费类产品、温度计或任何热敏系统。如图2.4(a)和(b)为DS18B20的写与读操作：DS18B20写周期最少为60微秒，最长不超过120微秒。写周期一开始作为主机先把总线拉低1微秒表示写周期开始。随后若主机想写0，则继续拉低电平最少60微秒直至写周期结束，然后释放总线为高电平。若主机想写1，在一开始拉低总线电平，1微秒后就释放总线为高电平，一直到写周期结束。而做为从机的DS18B20则在检测到总线被拉底后等待15微秒然后从15us到45us开始对总线采样，在采样期内总线为高电平则为1，若采样期内总线为低电平则为0。对于读数据操作时序也分为读0时序和读1时序两个过程。读时隙是从主机把单总线拉低之后，在1微秒之后就得释放单总线为高电平，以让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在检测到总线被拉低1微秒后，便开始送出数据，若是要送出0就把总线拉为低电平直到读周期结束。若要送出1则释放总线为高电平。主机在一开始拉低总线1微秒后释放总线，然后在包括前面的拉低总线电平1微秒在内的15微秒时间内完成对总线进行采样检测，采样期内总线为低电平则确认为0。采样期内总线为高电平则确认为1。完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）第7页共32页图2.3(a)DS18B20写数据图2.3(b)DS18B20读数据DS18B20与单片机的连接如图2.4所示：图2.4DS18B20与单片机连接2.2.3时钟DS1302由于系统在失电或者重启系统之后，时钟将会初始化，丢失时间，因此在系统中加入时钟芯片DS1302。淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）第8页共32页DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗实时时钟芯片，附加31字节静态RAM，采用SPI三线接口和单片机进行通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号和RAM数据。DS1302所带的实时时钟可提供秒、分、时、日、星期、月和年，一个月小与31天时可以自动调整，且具有闰年补偿功能。工作电压宽达2.55.5V。采用双电源供电（主电源和备用电源），并且可以设置备用电源充电方式，提供对后备电源进行充电的能力。DS1302多用于记录数据，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录上，能实现数据与出现该数据的时间同时记录，因此广泛使用于单片机构成的测控系统中。如图2.4所示为DS1302的引脚封装和内部结构：图2.4DS1302封装和内部结构DS1302的各引脚功能介绍：Vcc2：接5V电源。当Vcc2Vcc1+0.2V时，由Vcc2向DS1302供电，当Vcc2R1所以U1和UAB比较输出高电平；当有水流过管子，A、B被水淹没，其电阻在几百千欧，相当于和R1串联分压，由于R1RAB，则U1UAB，输出低电平。因此可以通过判断电平间接地得出管内是否有水，从而判断是否水满。3.2.2测量电路图3.10水位传感器测量电路如图3.10所示为自制式电阻式水位传感器测量电路，R2和LED构成电源上水指示，在通电电磁阀打开上水的时候指示灯亮，表示电源接通，电磁阀打开正在上水；指示灯灭，表示水满，电磁阀关闭，电路失电，上水结束。该电路中利用CD4011构成了RS双稳态触发器，RS触发器如图3.11所示，当接通电源由RS触发器给三极管8050的基极输入高电平，三极管导通，驱动电磁阀打开。R3与C1构成一个延迟1ms，电平从01变化的信号输入，与传感器电平淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）第25页共32页输入构成RS双稳态触发器的两个输入。如图3.12所示为双稳态RS触发器的真值表：图3.11双稳态RS触发器RSQQ状态1001置位1101保持0110复位图3.12RS触发器真值表设计中使用了CMOS与非门CD4011芯片，图3.13为CD4011的引脚和封装CD4011是CMOS与非门，内置4个与非门，7脚接地，14脚接电源，CD4011的电压范围为5V18V，双列普通封装的功耗为700mW，小型封装为500mW，工作温度范围在-55+125之间。由于电路所用电压为12V左右，所以选择了电压范围较宽的CMOS系列CD4011，而不选用74LS00。图3.13CD4011内部结构和外部引脚如图3.12真值表所示，当电源接通时，R端输入高电平，RS触发器给驱动电路的三极管基极输出一个高电平，使得8050三极管导通，驱动电磁阀打开上水；当电极有水淹没时，R端输入低电平，驱动电路中的三极管由导通变为截止，继电器线淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）第26页共32页圈失电，电磁阀和电源自锁开关所接的两组触点断开，上水结束。3.3方案比较方案比较电容传感器中调频电路的频率受温度和电缆电容影响较大，需采取稳频措施，电路较为复杂，频率稳定度也不可能很高，因此实现比较困难；双T型充放电网络中电源周期、幅值直接影响灵敏度，要求它们高度稳定，因此相对实际电路制作会比较麻烦；交流电桥电路比较复杂，能力有限；所以选择了差动脉冲调宽电路，但是在电路调试的时候，电路不能起振，究其原因，所制作的电容传感器电容值太小，加上LM324N的最高比较频率小于1MHz，如果换用高速比较器，成本就比较大了，所以考虑使用电阻传感器电路。经过对排阻式水位传感器的研究，制作出了更为简单的水位传感器，制作起来相对比较简单，满足设计要求。最后，我和指导老师研究决定使用自己制作电阻式传感器做成上水控制电路的方案。3.4电磁阀驱动电路电磁阀驱动电路图3.14电磁阀驱动电路图3.14为电磁阀驱动电路，J1为电磁的线圈，将电磁阀接继电器的一组常开触点J1-1，手动接通电源，8050三极管获得高电平的时候，导通，J1得电，J1-1吸合，电磁阀打开上水，水满后，8050三极管基极失电截止，J1失电，J1-1断开，电磁阀关闭。淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）第27页共32页44控制器电源设计控制器电源设计4.1直流电源设计直流电源设计本设计中所使用的电源是12V和5V直流电源，因此使用220VAC变12VAC的变压器和7812、7805稳压管设计供电电源电路，如图4.1所示：图4.112V和5V直流输出转换电路转换电路中变压器经过由4个IN4007组成的整流电桥输出给7812进行稳压，AB两端输出12V直流电压，C1和C2是两个1000uF25V的电解电容，不仅仅可以作为滤波使用，还可以在电路断电之后给电路持续一小段时间供电。K1接测量电路中12V继电器的另外一组常开触点，J1-2上安装一个不带自锁的电气按钮开关，此时与继电器形成自锁开关，当按钮按下之后电路供电，继电器线圈得电吸合，电磁阀打开供水，同时J1-2自锁电路继续供电，水满之后，三极管基极失电，继电器断开，电磁阀与电源同时失电。我们在7812后面接上一个7805进行5V直流电压的稳压输出，为单片机AT89C52、数字时钟DS1302和报警电路进行供电。55变换器部分电路调试变换器部分电路调试图5.1为变换器部分电路图设计，图中J1为12V继电器线圈，J1-1是继电器的一组常开触点，这样就能同时控制电磁阀和主电源的开闭。淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）第28页共32页图5.1变换器部分电路变换器部分整体电路的调试：分别对电源电压输出电路，传感器输出电路，控制电路进行调试。电源电压输出电路的调试，用万用表分别对各级输出进行调试测量，确保输出无误，调试过程中需注意用电安全。按图5.1接好电路，打开电源，观察电源指示灯是否点亮，用示波器接至传感器测量电路的输出端，观察有水和无水状态下电平输出是否正确。在驱动电路的输入端接入一个模拟开关，通过开关电平观察电磁阀是否动作。然后将传感器测量电路输出端接至单片机的P1.0口，输出P3.3口接电磁阀驱动，通过单片机软件控制系统的工作。设计中所选用的电磁阀工作电流在200mA左右，因此我们需要用三极管进行电流放大，根据参数要求，选择了8050三极管。这样就能够保证电磁阀的正常打开，系统稳定正常的工作。淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）第29页共32页66软件设计软件设计流程图流程图NYNY系统初始化扫描键盘有按键？键盘功能子程序读水量值显示温度、水量和时间读温度手动加水？手动加水子程序时钟电路启动自动加水水量100%？结束YN启动报警电路开始淮淮阴阴工工学学院院毕毕业业设设计计说说明明书书（论论文文）第30页共32页结论本次变换器部分的设计解决了水满自动关阀并报警的问题。设计中，变换器采用自制的电阻式传感器，其制作简单，安装方便，利用率高。电源电路能够稳定地给系统提供12V和5V直流电压。经过调试，变换器部分的电路工作稳定，达到了任务书规定的要求。总之，这次的毕业设计让自己获益良多。完成一个设计并不仅仅是追求一个结果，更多的是在这样的一个过程中去学习怎么设计，从选题到方案的研究，从方案