太阳能热水器自动控制系统

太阳能热水器自动控制系统 绪论 太阳能热水器 已经 进入千家万户 ， 太阳能热水器给人们的生活或工作提供了很大的便利，但是还存在着很大的不足。比如夜间用水，太阳能即便有很强的保温设备，但收到外接温差的影响，内部温度还是会下降。如何实现热水的实时供给，成为一个研究的方向。本课题根据上述问题，提出解决方案，重在研究自动加热系统，完善太阳能热水器的功能，提高使用性。 本设计使用 列单片机作为主 节 制模块 ,实现太阳能自动控制系统设计，该系统由八个基本模块组成 ， 实现对太阳能水箱水位、温度的实时检测并报警，通过按键调整时间设置，切换夜间自动加热和手动加热等多种功能。本设计进行了 真，验证可行之后，通过软件绘制电路原理图，然后根据电气路焊接实物，在实物上完成所有预期功能。 关键词： 单片机 太阳能 自动控制 软件仿真 he is to is to of of on is 52 to of of to by 52 to to to of to to In is be on to 录 1 概述 . 4 课题的研究意义 . 4 课题研究的应用前景与国内外进展 . 4 内 展及应用前景 . 4 论文的研究目标与研究内容 . 4 2 系统总体设计 . 4 统设计规划 . 4 块方案论证 . 5 3 硬件设计 . 6 感器检测模块 . 6 位传感器原理与应用 . 6 温传感器检测模块 . 7 晶显示模块 . 8 片机 . 8 片机晶振模块 . 9 片机复位模块 . 9 片机 上拉电阻 . 9 小系统原理图 . 10 钟模块 . 10 耦继电器模块 . 11 源模块 . 11 键模块 . 12 4 软件设计 . 13 件架构图 . 13 统设计总流程图 . 13 位检测软件设计 . 14 晶显示软件设计 . 15 度传感器软件设计 . 16 钟模块软件设计 . 17 键扫描软件设计 . 18 5 测试和分析 . 19 试 . 19 能分析 . 20 总 结 . 20 致 谢 . 21 参考文献 . 22 1 概述 课题的研究意义 随着科技的进步，太阳能热水器逐步进入千家万户。太阳能热水器给你人们的生活或工作提供了很大的便利，但是还存在着很大的不足。比如夜间用水，太阳能 热水器 即便有很强的保温设备，但 受 到外接温差的影响，内部温度还是会下降。如何实现热水的实时供给，成为一个研究的方向。 课题研究的应用前景 与 国内外进展 进展及应用前景 中 国 现在 已 经 成为 了 世界上 产量 最大的太阳热水器生产国 家 ， 我国慢慢地 出现了一些太阳能热水器 温度测控 ，但 是绝 大多数 热水器 存在着 比如 性能不 够 稳定，经常产生错误的操作 ；温度、水位检测、控制误差大 ， 太阳热水器，尤其是太阳热水系统及其控制器有着广阔的发展前景 。 国外太阳能热水器技术已日趋成熟， 国外近几年主要发展的仍是管板式，主要研究如何继续降低成本提高可靠性。国外太阳能热水器的普及面积广，很多国家已经把太阳能热水器发展到工业化生产阶段。 本论文主要研究一种智能化控制的太阳能热水器自动控制系统，能够实现对水位温度检测，时间显示和控制，自动 /手动加热和报警功能。 2 系 统总体设计 统设计规划 太阳能自动控制设计系统，实现智能控制。主要实现以下功能： 1、 水位检测和显示。水位传感器使用光电传感器，实物和仿真中可以使用拨码开关代替，并设置水位上限，当实际水位超过温度上限是，报警并停止加水。 2、 温度检测和显示。温度检测使用 时检测温度，通过 置温度上限。自动加热时，如果温度达到上限，则停止加热。 3、 时间显示及调整。使用 时钟芯片，该芯片参考资料丰富，开发简单，并且功能强大，能够实现设计要求。专门设置三个按键，一个用来选择日期 /时间，另外两个用来调整时间。 4、 根据水位高低自动调整水位。 5、 自动 /手动电加热、晚上用电低谷时实现自加热。 块方案 方案： 单片机通过引脚实时检测水位高低和当前水温，当温度达到上限时报警，并通过三个按键实现温室上限的设定，显示器 字符、数字的 示，两行显示足够。由于本设计是弱电控制强电，所以加上光耦和外部链接会更安全，当外部电压过大时能有效保护单片机，然后通过继电器控制加热和加水的关闭状态。为了实现智能加热，本设计另外加了时钟模块，实现在规定时间内自加热， 如图 2图 2太阳能自动控制设计由八个基本模块组成，他们分别是电源模块，水位检测模块，温度检测模块，时钟模块，按键扫描模块，液晶屏显示模块，光耦继电器模块，报警模块 。 太阳能自动控制电路实现的结构框图如图 2 图 2统结构框图 3 硬件设计 感器检测模块 光电液位传感器是利用光在有水和无水两种不同状态下发生反射折射效果不同的原理而开发的点液位测控传感器。工作图 3 图 3电液位传感器工作示意图 考虑到液位传感器种类较多，单片机引脚有限，选定如下光电液位传感器：美国 电液位传感器 实物如图 3 图 3电液位传感器 太阳能热水器检测液位的方法是把传感器按一定比例安插到太阳能水管中，通过液位浸没传感器的数目来确定当前的水位 。 本设计采用了 4 个水位传感器。安装效果如图 3 图 3 位 传感器安装效果如图 采用 4 位拨码开关模拟光电液位传感器。 4位拨码开关如图 3 3码开关 图 3温探头 在设计实物中为了检测温度方便，采用 封装 片方便演示和操作。仿真、原理图中对应 片 /接口如图 3图 3度传感器 真图 晶显示模块 液晶显示模块采用 1602主要技术参数：显示容量 :16 2个字符，芯片工作电压 :作电流 :符尺寸 : H)以直接和单片机引脚链接。 物和电路原理图如图 3 图 3晶显示屏实物和电路原理图 片机 单片机采用 片机，实物如图 3 图 3有以下标准功能： 8k 字节 512 字节 32 位 I/O 口线， 看门狗定时器 ，内置 4位电路， 3 个 16 位 定时器 /计数器 ，其中定时器 0还可以当做两个八位定时器使用。 本设计采用 12M 晶振，它的时钟周期是 1/12片机工作是 每完成 一个机器周期执行一次程序，而一个机械周期是 12个时钟周期即 容的取值采用值 : 图 3振电路 当单片机运行中出现错误，或调试时用于观察现象，要不断进行复位，让单片机从程序的开头重新执行 ， 电路原理图如图 3 图 3位电路 复位 电路工作原理如图 3示， 电时， 10K 电阻上出现电压，使得单片机复位；几个毫秒后， 10K 电阻上电流降为 0，电压也为 0，使得单片机 进入工作状态 。 0 口上拉电阻 本设计中的上拉电阻选型： 330R 9 脚 物如图 3 图 3阻 图 3小系统原理图 钟模块 本设计采用 进行 器件简单介绍：采用普通 可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为 用三线接口与 行 同步通信 ，并可采用突发方式一次传送多个字节的 时钟信号 或 据。 图 3 3钟模块 物和原理图 耦继电器模 块 本设计通过光电隔离的方法，有效的控制了强电电路，而且很好的保护了单片机等低电压工作芯片。 这里 取其中一个光耦继电器 热模块如图 3 图 3耦继电器模块 工作流程： 当 为高电平时， 光耦的输出 引脚为高电平， 三极管导通，继电器内部线圈通电， 合，外部电路导通。反之，当 为低电平时， 光耦的输出 引脚为低电平， 极管 不导通 ，继电器内部线圈不 通电 ， 法吸合，外部电路不导通。 源模块 本设计主要元器件工作电压统计如下： 器件 电压 单片机 5V 温度传感器 5V 光耦 +5V 蜂鸣器 +5V 液晶显示屏 5V 继电器 +5V 时钟模块 5V 图 3源模块 键模块 设计中采用四个按键。完成对万年历时间、温度上限的修改，按键电路和对应功能如图 3 图 3键模块 按键具体操作过程如下： 按键次数 功能 备注 * * 1 年修改 加 /减 2 月修改 加 /减 3 日修改 加 /减 4 星期 （ 地方显示，直接按一下 ） 5 时修改 加 /减 6 分修改 加 /减 7 秒修改 加 /减 8 温度上限修改 加 /减 9 写保护 禁止修改 动 /手动切换键 * * 1 自动模式 （夜间自加热模式） 2 手动加热 （没有温度上限） 3 回复初始状态 既不是自动也不是手动 4 软件设计 件架构图 图 4件流程图 统设计总流程 图 图 4统总流程图 要求系统能实时检测太阳能水箱内部的水位变化、检测太阳能水箱内部的温度变化、准确的显示当前日期和时间、根据水位的高低自动调整水位、实现自动/手动电加热、晚上用电低谷时实现自加热、水位报警、通过按键调节水位上限值、温度上限值、日期和时间等 。 系统流程图如图 4 位检测软件设计 图 4位检测 流程图 单片机和 4 个水位传感器的输出接口连接，通过实时检测对应接口的状态判断，判断当前水位。定义单片机四个引脚对应四个水位开关。把读取的数据在函数中比较，如果第一个水位输入为低，则把 值为 1，如前两个水位输入为低，则把 值为 2，依次类推。然后单片机通过控制显示模块晶屏把水位” 示出来。本设计中设置了水位报警功能：当水位超过第四个水位时，视为太阳能水箱水位接近满的状态，则进行报警，并停止加水。水位的检测 流程图如图 4 14; /四个水位 15; 16; 17; if(0) ; if(0&(0) ; if(0&(0)&(0) ; if(0&(0)&(0)&(0) ; if(1&(1)&(1)&(1) ; 晶显示软件设计 图 4示流程图 1602指令说明及时序 1602 液晶模块内部的控制器共有 11 条控制指令 。 程序流程图如图 4 度传感器软件设计 图 4度获取流程图 温度传感器采用 片，测温 软件流程图如 图 4 部分 度传感器程序： /启动温度转换 ; /初始化 ); /延时 /跳过 /启动温度转换 /获取温度 a,b; ; ); /读暂存器 a=; b=; b; =8; a; /温度处理 /前五位为 0 时，读取的温度为正值，只需将测得的数值乘以 ，读取的温度为负值，且测到的数值取反加 1 得到实际温度 00+0.5 0+ /返回温度 钟模块软件设计 图 4钟模块流程图 时钟模块 程图如图 4 操作时序。 单片机 进行数据 交换 时，首先 是单片机通过5 脚（ 6 脚（ I/O） ,7 脚（ 现数据传输，其中 7 脚（ 串行数据的同步时钟信号， 6 脚（ I/O）进行串行发送数据， 5 脚（ 通讯允许信号，当其值为 1是表示禁止通信，当其值为 0是表示允许通信。 键扫描软件设计 图 4键流程图 按键扫描函数在 环中不断执行并读取按键状态，当功能键“ 第一下，系统变量 ，此时进入时钟中“年的修改”，继续检测按键状态，若此时有“ 下，则把年的大小加 1 并写入 ，若此时有“ 下，则把年的大小减 1并写入 ；当功能键“ 第二下，系统变量 ，此时进入时钟中“月的修改”，继续检测按键状态，若此时有“ 下，则把月的大小加 1并写入 ，若此时有“ 下，则把月 的大小减 1并写入 ；依次类推，当功能键“ 第八下，系统变量 ，此时进入时钟中“ 修改”，继续检测按键状态，若此时有“ 下，则把 大小加 1，若此时有“ 下，则把 大小减 1；当功能键“ 第九下，系统变量 ，此时进入时钟写保护，结束对时钟的修改。当功能键“ 第十下，系统变量 ，重新开始对时钟的修改。流程图如下图 4示。 5 测试和分析 试 仿真效果如图 5 5真运行图 具体仿真测试情况如下： （ 1）水位的测试以及报警功能的测试：从图中 以看到，水位目前是在三上，我们可以按图中四个水位中的最下面的开关，水位就会变成四并有蜂鸣器发出警报声。 （ 2）时间的修改测试：我们可以从图 5有功能切换键，按一下功能切换键再通过加减来改变年月日时分秒。 （ 3）温度的设置和修改测试：可以从图 5示频温度上限是 31，我们同样是用功能切换键控制的。当功能切换键按到第八下的时候就可以通过加减改变温度上限。 （ 4）自动手动加热的测试：从图中我们可以看到自动手动切换键，当按第一 下 的时候是自动加热，这是 示屏的时间必须要设定在晚上一点到五点，这时，加热的 就会亮，当 示频中的温度达到温度上限是，加热 就会自动灭掉。 当按第二下自动手动切换键后，就切换到手动加热，加热 亮起并且当加热温度超过温度上限 依然还是在亮，仍然继续加热，是人为手动控制的。 能分析 测试结果与相关问题如下： 合开关代表水位加 1，显示屏显示水位相应加 1，反应速度较快，实时检测性能较好。 间增加平稳，具有掉电保持功能。本设计时间误差很小。 高精度测温，并且灵敏度较高。 然操作时反应慢，但可以保证调节数据的稳定性。 总 结 本设计太阳能热水器自动控制系统除了常用功能实现外，还完成了对夜间自动加热的控制，并设置了手动加热，完善了太阳能热水器的功能 。 通过本文，我所想达到的功能要求就是： 1、 水位检测和显示。水位传感器使用光电传感器，实物和仿真中可以使用拨码开关代替，并设置水位上限，当实际水位超过水位上限时，报警并停止加水。 2、 温度检测和显示。温度检测使用 时检测温度，通过 置温度上限。自动加热时，如果温度达到上限，则停止加热。 3、 时间显示及调整。使用 时钟芯片，该芯片参考资料丰富， 开发简单，并且功能强大，能够实现设计要求。专门设置三个按键，一个用来选择日 期 /时间，另外两个用来调整时间。 4、 根据水