基于单片机的太阳能热水器智能控制系统毕业设计

长春理工大学本科毕业设计 I 编号 本科生毕业设计本科生毕业设计 基于单片机的太阳能热水器智能控制系基于单片机的太阳能热水器智能控制系 统设计统设计 Design of Solar Water Heater Intelligent Control System Based on MCU 长春理工大学本科毕业设计 II 毕业设计（论文）原创承诺书 1本人承诺：所呈交的毕业设计（论文） 基于单片机的太阳能 热水器智能控制系统设计 ，是认真学习理解学校的长春理工大学本 科毕业设计（论文）工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立 地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。 2本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在 文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工作做出重要贡 献的个人和集体均已在文中注明。 3在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本 人承担相应的法律责任。 4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定， 即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学 校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅； 学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文） ，可以 公布其中的全部或部分内容。 以上承诺的法律结果将完全由本人承担！ 作 者 签 名： 年 月 日 长春理工大学本科毕业设计 I 摘要摘要 本文将设计一种适合于家用、高性能的太阳能热水器控制装置，实现多种自动 化功能，使用方便、人性化。这一设计将促进太阳能热水器更广泛的使用，从而推 动低碳能源的利用，环保节能。本文在介绍传感器、单片机、时钟芯片的特点基础 上，详细描述了太阳能热水器的工作原理和设计方案。根据太阳能热水器对控制器 的要求，提出了以 ATmega16 单片机为检测控制核心，结合 SD2200 实时时钟，控 制水温水位，并利用液晶显示屏实时显示时间、温度、水位等信息，五个按键可以 实现对水温和水位的设定。该设计绿色环保，符合国内低碳经济，具有可持续发展 性。 关键词：关键词：太阳能热水器 单片机 温度传感器 实时时钟 长春理工大学本科毕业设计 II Abstract With the development of human race during the new century energy conservation and environmental protection becomes one of the most important things in 21st century. Clean and renewable energy sources are stepping on to the stage of the new century. As a result, it would be of great significance to use solar energy which is both clean and inexhaustible in certain areas. This paper proposes a design of a smart solar water heater controller which could realize several kinds of automatic functions to make the use more convenient and humanized. I believe that this design of smart controller would encourage the use of solar water heater. On the basis of the introduction to the solar energy, sensor and SIM, this paper gives the detail information of the working principle of solar water heater and also describes the design scheme. According to the characteristics of the controller and the function of the solar water heater, the controller is based on ATmegal6，SD2200, and LCD, realizing the function of real time display to show the value of temperature and water level. Moreover, users could set the temperature and the water level by 6 different bottoms on the controller. Key word: Solar water heater;Temperature sensor;Real clock;SC 长春理工大学本科毕业设计 III 目录目录 摘要 .I ABSTRACT.II 目录.III 第 1 章 绪论.1 1.1 太阳能热水器的应用及其意义.1 1.2 太阳能热水器的发展现状.2 1.3 论文的主要工作.2 第 2 章 太阳能热水器的工作原理及功能.4 2.1 太阳能热水器的比较.4 2.2 太阳能热水器工作原理.5 2.3 太阳能热水器控制装置的主要功能.7 2.4 太阳能热水器智能控制器的主要技术指标.9 2.4.1 温度检测.9 2.4.2 水位检测.9 第 3 章太阳能热水器智能控制器的硬件设计.11 3.1 太阳能热水器智能控制器的硬件结构.11 3.2 微处理器最小系统.12 3.3 温度检测电路.14 3.3.1 温度传感器 DS18B20 的特性.14 3.3.2 DS18B20 的工作原理.15 3.3.3 DS18B20 温度传感器的多点测量.16 3.4 时钟电路.16 3.5 水位检测电路.17 3.6 按键电路.17 3.7 显示器电路.18 3.8 辅佐热源电路.19 3.9 漏电保护电路.20 第 4 章 太阳能热水器控制器的软件设计.21 4.1 主程序设计.21 4.2 温度检测子程序.23 长春理工大学本科毕业设计 IV 4.2.1 DS18B20 温度显示.23 4.2.2 DS18B20 子程序的流程图.24 4.2.3 DS18B20 多点测量.25 4.3 显示子程序.26 第 5 章 结论.28 参考文献.29 致谢.30 长春理工大学本科毕业设计 1 第第 1 章章 绪论绪论 1.1 太阳能热水器的应用及其意义太阳能热水器的应用及其意义 在全球煤炭、石油、天然气资源日益枯竭下，能源危机的威胁日益加剧的 时代背景下，寻找低廉、清洁、可持续的新能源已经成了人类发展的首要问题。 太阳能因其清洁、量大、低廉受到人们的青睐，有人预测，21 世纪太阳能将成 为全球的主要能源。由于太阳光具有分散性、地区性和季节性，太阳能的使用 还存在技术难点，因此目前仍未被大规模使用，世界各国都在对太阳能的应用 进行积极的探索。太阳能热水器是太阳能热利用中技术成熟、价格低廉的产品。 在人们环保意识不断增强的背景下，太阳能热水器受到越来越多的消费者的青 睐，然而很多人对太阳能热水器的了解并不是很多。因此，将从性能上对电热 水器、燃气热水器和太阳能热水器做一个比较。 1、加热速度 目前市场上的燃气热水器多数为快速热水器，无论何时，需要用热水时， 均只需打开水龙头和燃气阀就会有热水流出。电热水器则需提前通电半小时后 才有热水使用。在晴朗的天气的，太阳能热水器的使用效果较好，对于高层建 筑，楼层越高效果越好。 2、温度稳定 燃气热水器具有温度调节装置，加热速度快，只要开始使用时调节到了适 合的温度，之后就会一直以此温度稳定地供应热水。 与燃气热水器不同的是，电热水器在使用时罐内会有冷水不断流入，罐内 水温会逐渐下降，因此在使用时可能需要调整冷水和热水的比例。太阳能热水 器和电热水器的调温原理类似，用完热水后需要上水，不能保证经常有热水， 阴天和阳光不充足的天气，太阳能热水器的水温可能不高。 3、功率 燃气热水器的功率最大，电热水器的功率次之。一个 8L 的燃气热水器的 功率接近 1617kW, 40 升的电热水器则相当于 3kW 两者相差很大。由于受家用 电表、线路功率的限制、以及出于用电安全的考虑电热水器的功率不能做的太 大。 4、价格 从成本上看，目前市场上 8L 的燃气热水器一般为 800 元/台，加上安装及 其他费用，每台 8L 燃气热水器的花费大概在 1000 元以上，大品牌的燃气热水 器可能会接近 2000 元。40L 电热水器加安装费用所需的总费用不到 1000 元， 太阳能热水器的市场价格大都在 3000 元以上。太阳能热水器的成本最高，燃气 热水器次之、电热水器成本最低。从使用费用上看，天然气的价格根据地方不 同大约在 2-3 元/m3的范围内。居民生活用电价格 0.52 元/kWh。 长春理工大学本科毕业设计 2 电热水器最大的优点是可以在任何家庭直接安装使用，可以长时间通电， 供水量大。供水时无任何气体产生，安全卫生，避免了燃气热水器 CO 中毒的 危险，且目前市场上的电热水器均具备防漏电的功能，电热水器的安全系数高。 其缺陷是耗电量高、使用成本高，水箱体积大、易结垢。 与燃气热水器和电热水器相比虽然太阳能热水器的成本最高，但其仅需很 小的运行费用，费用总量低，其最大的优点是环保、节能、安全、经济。目前 市场上的太阳能热水器均配有电加热作为辅助热源，以太阳能为主、电能为辅， 克服了阴天和阳光不足的天气热水温度不够的缺陷。太阳能热水器的缺点是安 装复杂、与建筑的结合程度不高，安装不专业会影响建筑的外观、城市的容貌， 由于安装的位置大部分均在楼顶，维护比较复杂麻烦。 1.2 太阳能热水器的发展现状太阳能热水器的发展现状 大多数太阳能热水器使用方便，节能，但功能单一，操作较复杂，控制起 来不能达到理想效果，只有温度、水位、时间的显示功能，而对其控制的智能 化水平不高。虽然太阳能热水器带有辅助加热功能，但避免不了由于无法控制 加热时间而产生过烧现象造成的电能浪费。鉴于此，为了使使用者可以根据自 己的需求将水温、水位调节到所需值，而且通过显示屏可知道实时水温、时间、 水位，特对太阳能热水器控制器进行研究。 近三十年来，我国太阳能热水器技术飞速发展，目前已成为世界上最大的 太阳热水器生产国。但由于没有统一的行业标准，太阳能热水器控制器的各个 厂家各自为伍，控制器的研究未成规模，正处于起步阶段。 随着太阳能热水器市场的不断壮大，市场上出现的太阳热水器控制器的种 类日益繁多，但大部分都存在一些或多或少的问题，主要表现在：系统可靠性 差、不稳定、误操作的几率大；控制精度不高、温度、水位的检测误差大；系 统抗干扰能力差，时间长了系统容易乱码；辅助热源与太阳能热水器的结合度 不高，容易发生故障；辅助热源电加热的安全性不高，常发送漏电伤人事故； 系统功能设计不完善，存在资源浪费现象。 随着传统能源的日益枯竭，清洁能源越来越受到人们的青睐。太能能热水 器是目前太阳能利用技术最成熟的产品，太阳能热水器的市场份额越来越大， 前景越来越广阔，但目前中国的太阳能热水器生产企业管理混乱、没有明确的 分工，太阳能控制器的研发投资少、研发力量薄弱。因此，研发高质量的太阳 能热水器控制器是太阳能热水器市场发出的必然需求。 1.3 论文的主要工作论文的主要工作 本文介绍的太阳能热水器以微控制器 ATmegal6 单片机控制中心，选用 SD2200 作为时钟芯片。并采用两个 DS18B20 温度传感器串行，实现对水温的 测量。同时，采用 LCM12864ZK 液晶显示屏作为显示器，利用按键电路设定水 长春理工大学本科毕业设计 3 温水位值，并可设定加热上水时间。同时设定各种报警功能，包括水满报警， 缺水报警，加热完成时报警等功能。 长春理工大学本科毕业设计 4 第第 2 章章 太阳能热水器的工作原理及功能太阳能热水器的工作原理及功能 2.1 太阳能热水器的比较太阳能热水器的比较 太阳能热水器集热器是指能大量吸收太阳福射能量，将其转换热能，并通 过介质传热的装置。太阳能集热器是太阳能热水系统最关键的部件。根据集热 器的结构以及热量的吸收形式，目前在我国内地市场上的太阳能热水器有闷晒 式热水器、全玻璃真空太阳集热管热水器、玻璃金属封装的热管式热水器、平 板式热水器等多种形式。 1.平板型太阳能集热器 平板型集热器一般由透明的玻璃盖板、涂有吸热层的吸热板、防止热对流 的隔热材料和能承压的外壳等几部分组成。 平板型集热器的运行原理是：太阳光照在高穿透度的玻璃板盖，并照射在吸 热板上，同时吸热板吸收了太阳的辐射能，温度升高，由于传热介质紧贴着吸 热板，因此传热介质的温度也随着升高，传热介质温度的升高则实现了太阳能 与热能转换，完成了平板集热器的热能输出。当温度升高后，吸热板会通过对 流、传导、辐射等几种不同的方式向四周散热，从而导致了集热器部分热量的 损失。 2.真空管太阳能集热器 真空管式太阳能集热器是前人在改进平板型集热器不足的基础上发展而来 的。平板集热器的玻璃盖板与吸热板之间的热对流、传导和辐射造成了极大的 热损失。如将吸热材料与透明盖板之间抽为真空，大大减少盖板与吸热体之间 的热对流、传导和辐射。真空管式太阳能集热器就是基于此产生的。真空管式 集热器主要由若干根其空集热管组成。真空管整体类似于一根 U 形管，管子由 两层钢化玻璃构成，外层玻璃的投射率高、反射率低，内存玻璃管的表层涂有 吸热材料，内外两层之间被抽为真空，U 形管空间内注入传热介质，当太阳辐 射时，涂在内层管表层的吸热材料吸收辐射发热，将热量传递给传热介质从而 实现了太阳能太热能的转换，通过介质实现了真空管式集热器的热量输出。由 于内层管与外层玻璃之问被抽为真空后管子的热传导率低、对流小、辐射低， 大大减小了热损耗，增强了热转换效率。根据真空管内吸热体材料的种类，真 空管式集热器可以分为：全玻璃式真空管集热器和金属吸热体式的真空集热管 集热器两类，全玻璃真空管集热器是指吸热体附在内存玻璃管上构成的真空管 式集热器；金属吸热体真空管是集热器是指吸热体附在金属材料上构成的真空 管式集热器。 全玻璃真空集热管的外形类似一个被拉伸的暖水壶瓶胆。其主要由六大部 件构成，分别为：选择性吸收涂层，内存玻璃管，吸气剂，真空，弹簧支架， 外层玻璃管。 长春理工大学本科毕业设计 5 全玻璃真空集热管采用的是一种一端开口，另一端封闭的结构。内层玻璃管 一头同外玻璃管熔封为一体，而另一头则独自密封为半球形圆头状结构；为缓 冲因热胀冷缩产生的应力，用弹簧支架支撑内玻璃管，使其可以自由伸缩；把 选择性吸收涂层涂在内玻璃管的外表面上，将外玻璃管与内玻璃管之间的夹层 抽成真空。真空集热管在运行时会产生一些气体，为保持集热管内的真空状态， 在弹簧支架上安装吸气剂，当其被蒸散之后可以吸收真空管内的气体6。 3.热管式真空管集热器 热管式真空集热管主要由七部分构成，分别为：钢性玻璃管、高热传导率 的金属吸热管、薄金属封盖、传热管、活性弹簧支架、蒸散型和非蒸散型吸气 剂等。其中按照功能的不同，热管又分为两部分：冷凝段和蒸发段。 热管式真空集热管的工作原理为：阳光透过玻璃管照射到吸热板上。吸热板 的选择性吸收涂层将辐射转换为热量。吸热板吸收的热量将热管内的工质迅速 汽化，随着工质蒸汽温度的升高，工质蒸汽上升到冷凝段，在热管冷凝的遇冷 冷凝放出大量的热。此时处在集热器冷凝段的传热介质将获得大量的热，实现 了热交换。集热管内的工质蒸汽凝结后变成液体在自身重力的作用下又重新流 回蒸发段，如此反复循环，就完成了太阳能与工质热能的转换。 热管采用汽化潜热的原理进行高效的热能传递，传热系数很高，其热导率 是几何尺寸相同的金属棒的几个数量级倍。重力热管又称为热虹吸管，是热管 式真空集热管中使用最多的一种。目前国内使用最多的是铜-水热管，在国外， 有机物质也有被作为热管工质的，只要热管壳体材料与工质相容即可。 综合本项目的实际情况，选定平板强制式太阳能热水器，其辅助热源为电 加热或空气源热泵。通过技术论证： (1)本热水系统采用平板太阳能集热器，集热器与建筑自然和谐地融为一体， 本热水系统的集热器安装于楼顶，平整美观，不影响建筑整体美观。 (2)选用蓝色的集热器吸热材料，吸热系数达到 95%以上。 (3)投资成本低。 (4)运行及维护成本低。 (5)太阳能利用率高。 2.2 太阳能热水器工作原理太阳能热水器工作原理 本设计是平板强制式太阳能热水器，其辅助热源为电加热或空气源热泵。 长春理工大学本科毕业设计 6 T1 CPU 控制器 T4 T2 T3 安全阀 液 位 传 感 器 平板集热器 工质循环泵 热水管路 膨胀泵 辅佐热源 （电加热或 空气热泵） 图 2-1 太阳能热水器系统结构图 太阳能热水器系统主要由平板集热器、控制器、水箱三部分构成。平板集 热器用户可根据具体情况选用相应大小的型号。传统的太阳能热水器都是采用 直接加热的形式，冷水从水箱进入集热器中，加热后在虹吸作用下返回水箱8。 由于集热器内的最高温度可以达到 80以上，这种方式会造成集热器内的结垢 问题，影响水质以及集热器的使用寿命。在本设计中采用间接换热的方式，集 热器内加热的是一种不易结垢的热传导率高的液体工质。集热器吸收的太阳能 转换为工质的热能，在集热器的工质循环管道装有工质循环泵，通过工质循环 泵的推动，集热器内的工质不断流经水箱，完成工质与冷水的换热，从而达到 加热的目的910。此种方式的优点是系统的热传导效率高，不易产生结垢现象， 水质清洁。 在加热过程中，由于工质循环回路和水箱都是密闭空间，当温度升高时， 回路和水箱内的压力会增大，为了避免循环回路和水箱因压力过大而爆炸，在 循环回路装有膨胀罐，在水箱顶部装有安全阀。当循环回路内部的压力高于安 全范围内的最高压力时，则膨胀罐的压力阀会被顶开，从而使循环回路内的压 力保持在安全范围内11；当水箱内部的压力超过安全阀承受的最大压力时，安 全阀被顶开，水箱内部压力减小，从而避免压力过大损坏水箱发生事故。 当系统检测到水箱温度一直达不到设定温度时，则启动辅助热源以确保用 户的热水供应。判定的标准可以由用户根据用水习惯自行设定，系统设有两种 工作模式：用户模式和系统模式。用户模式可设定水温，用水时段，当到达了 用水时段，系统温度仍未达到设定温度时则系统自动启动辅助热源；系统模式 则是按照众人的用水习惯系统默认设定水温和用水时段，当达到用水时段时如 仍未达到设定温度则启动辅助热源，当达到设定温度后就关闭辅助热源，从而 确保在设定的用水时段里热水的供应12。 空气源热泵主要由四部分构成：压缩机、蒸发器、膨胀丝、冷凝器。通过 电能的驱动，低温低压的制冷剂气体被压缩机压缩为高温高压的气体，高温高 压的制冷剂气体通过冷凝器放出大量的热量使紧贴冷凝器的换热管温度升高， 长春理工大学本科毕业设计 7 水箱中的低温水在循环泵的推动下不断流经换热管，从而被加热。高温高压制 冷剂气体在冷凝器中放出大量的热量后，温度降低，在经膨胀丝节流降压后变 成低温低压的气液混合物，低温低压的制冷剂气液混合物通过蒸发器时大量吸 收周围空气中的热量，变成低温低压的制冷剂气体。低温低压的制冷剂气体进 入压缩机中，开始下一次循环。这一循环就实现了，在一定电能的作用下，将 周围空气中的低温热源热量传向高温物体了。 压 缩 机 冷凝器 蒸发机 Qc 热水出 冷水进 电能 Qb 膨胀丝 Qa 环境中吸收空气 的能量 图 2-2 空气源热水泵热水器原理图 如图 2-2 所示热泵输出的能量为 Qa 和 Qb 之和，其中 Qa 为压缩机做的功， Qa 为热泵从环境中吸取的空气的能量。由于通 Qa 通常至少是 Qb 的 3 倍，空 气源热泵的热利用效率可以达到 300%以上。当使用空气源热泵作为太阳能热水 器的辅助热源时，空气源热泵在整个系统的工作原理为：水箱中的低温水在循 环水泵的推动下，反复流经冷凝器被加热。 2.3 太阳能热水器控制装置的主要功能太阳能热水器控制装置的主要功能 随着人们生活水平的提高以及现代控制技术的发展，人们对家用电器的智 能化提出了进一步的要求，太阳能热水器作为一种绿色环保的家用电器，不仅 要在能源利用方面取得优势，而且也需要在使用的简便及可靠性方面赢得用户 的认可。目前的市场上的太阳能热水器大多存在结构简单、安装复杂、功能单 一等缺点。针对这些缺点，本设计提出了一种新型的太阳能热水器的设计方案， 实现了一种方便的、人性化的控制方式。其主要实现的功能包括有：自动模式 设定功能，自动上水功能，实时温度、液位显示功能、漏电保护、回水循环等 功能。具体如下： 1、智能水位提示及报警功能：系统能实时显示水箱水位，根据水位信息即 可准确判断水箱的水量。并在水箱到达缺水状态时，蜂鸣器自动发出报警信号， 长春理工大学本科毕业设计 8 如果只剩下 20%的水，则信号灯闪烁，如用户在十分钟内未作任何处理时，则 系统将自动上水。 2、自动回水功能：由于水箱与用户的用水点相距一定的距离，用户需要放 掉水箱与用水点管道内的冷水才能用到热水，造成了极大的资源浪费，本系统 设计了自动回水功能。在水箱与用水点之间的管道内设有温度监测点及回水管 道，当管道内的温度低于设定的用水温度时则打开回水循环泵，将管道内的冷 水送回水箱，从而确保用户打开水龙头就能用到热水13。 3、水温实时显示功能：LCD 屏可实时显示水箱温度。 4、预置水位功能：用户可以根据实际情况设置预置的水位为 100%H、80%H、60%H、40%H、 20%H。 5、预置水温功能：由于季节的不同，用户用水的温度也会不一样，用户可 以根据自己的用水习惯设定用水的温度，从而可以避免固定模式造成的能量的 浪费。 6、显示时间功能：控制器的 LCD 屏幕可以实时显示北京时间。 7、自动上水功能：控制器自动检测水箱水位，当水位低于设定值时，单片 机执行如下操作： 开始计时- 断开辅助热源-控制蜂鸣器发出特定频率的报警声音-等待用 户确认是否上水-计时 15 分钟后如用户未确认上水则自动开始上水，若用户拒 绝上水则每隔 15 分钟提醒一次上水。 8、手动上水功能：当水箱水位较低时，用户可以手动控制自动上水功能。 操作之前需查看预置的水温及水位，以确保不发生意外。 9、自动增压的功能：当供水压力较小的时候，可以选择自动增压上水的功 能。控制器自动打开电磁阀，同时启动加压水菜，当水满之后，两者同时自动 关闭。 10、定时上水：用户可以根据自己的用水习惯设定自动上水时段。系统设 有两个自动上水的时段。当到达自动上水时段时，系统检测水箱水位如未达到 设定值则开始上水直至上满。系统设计有用户模式和系统模式两种运行模式， 在系统模式下定时上水时段是根据大众的生活习惯设定的，第一次定时上水时 段为每日上午 10 时-10 时 30 分，第二次定时上水时段为每日下午 2 时 30 分。 如开始上水后，30 分钟内水位无法达到指定值则报警，提示上水故障，同时断 开辅助热源14。 11、管道保温功能：冬天，如果屋外温度很低，为了防止水管被冻裂，可 以使用管道保温功能。 12、控制管道循环功能：为了实现热水增压效果，可以设置水泵 130 分钟 自动循环一次。 长春理工大学本科毕业设计 9 13、强制上水功能：当液位传感器发生故障时，系统可能无法上水，为避 免因此造成干烧的问题，系统设有强制上水键。用户按下此键后系统即可在任 何状态下立即上水。 14、保持恒温功能：保持恒定水温的能力是衡量太阳能热水器是否优越的 一个重要标准，能提供恒温热水的太阳能热水器会给用户带来极大的便利。本 系统从材料技术和控制技术两方面来保证系统的恒温功能。使用最新的多层保 温材料制作水箱，控制器采用嵌入式技术实现精确的恒温控制。 15、断电显示功能：预防出现断电时发生误操作，控制器要带有断电显示 功能。这关系到热水器控制系统能否安全、可靠地运行。 16、自动防溢流功能：这是为了预防出现溢流状况而出现事故。比如，出 现液位传感器或真空管破裂等故障将会造成溢流，所以必须使用自动防溢流功 能，停止自动上水。 17、防辅助热源起火功能伴随着系统的长期运行，系统会逐渐老化，由于 老化的原因，可能会导致起火或漏电等恶性事故，为避免此类事件的发生，本 系统设计有防辅助热源起火功能，系统从设备选用材料、电路保护等角度出发 实现此功能14。 18、全天候模式功能：这是根据不同用户需要设置的功能，可以按照用户 个人需要，在 24 小时之内，可分别设置晚、早、中、三个时段的定时上水及三 个时段定时加热，而且还可以设置设定每次定时加热的水温和定时上水的液位。 如果不需要全天候模式功能，则可以使用默认的设置。可以通过一直据住上水 键，就会取消定时上水的功能，通过一直摁住加热键，就会取消定时加热的功 能。 2.4 太阳能热水器智能控制器的主要技术指标太阳能热水器智能控制器的主要技术指标 2.4.1 温度检测温度检测 温度作为太阳能热水器工作状态的判断标准对整个系统起着至关重要的作 用，本系统共有四处温度采集，分别为：工质温度、水箱温度、出水口温度、 回水口温度。系统根据工质温度与水箱温度决定工质循环泵是否工作，工质温 度与水箱温度的准确测量关系到整个热水器的稳定性与可靠性。出水口温度与 回水口温度决定了回水循环泵是否工作，如此温度不准确将直接影响用户的用 水判断，甚至会因水温不准发生烫伤事故。因此系统对温度传感器的要求如下： 本设计要求的测温精度：1; 测温范围：4580; 控温精度：1; 长春理工大学本科毕业设计 10 2.4.2 水位检测水位检测 水位信息给用户传递了系统的工作状态信息并且是系统工作的判断标准， 实时水位显示让用户可以了解有多少水可以用，在水量不足的时候，系统可以 根据设定的程序自动补水，用户也可以根据自己的需求决定是否及时补水。当 水位信息不准，如水箱满箱时却显示缺水或水箱缺水时却显示水箱已满，则会 造成系统发生溢流或干烧等问题。系统对水位传感器的要求是可靠性强，精度 不高。有与水位传感器直接与水接触，需要传感器具有耐高温，不易结垢的特 点。为节约成本，系统采用档位传感器，共分为六档，档位按照水箱的高度进 行均分。按照从水箱底部到顶部的顺序依次为一档、二档、三档、四档、五档、 六档，每档指示的意义一档代表水位高度处于水箱的底部，水箱缺水；二档代 表水位到达水箱的 1/5H 高度处，说明水箱里的水不多：三档代表水位高度达到 水箱的 2/5H 处，水箱里低于半箱水；四档代表水位高度达到水箱的 3/5H 处， 水箱里有大半箱水；五档代表水位高度达到水箱的 4/5H 处，水箱里接近满水状 态；六档代表水位高度达到水箱顶端，水箱装满15; 长春理工大学本科毕业设计 11 第第 3 章太阳能热水器智能控制器的硬件设计章太阳能热水器智能控制器的硬件设计 3.1 太阳能热水器智能控制器的硬件结构太阳能热水器智能控制器的硬件结构 太阳能热水器智能控制器的主要功能是采用单片机控制核心通过对太阳能 热水器的温度、水位等信息的采集，实现对由继电器控制的各种电磁阀、泵的 控制，最终实现用户在消耗尽量少的能源条件下获得尽量多的热水。如图 3-1 所示，控制器主要包括温度检测电路、水位检测电路、键盘输入电路、时钟电 路、存储电路、液晶显示电路、看门狗电路、驱动电路。 水位传感器 键盘 时钟电路 温度传感器 存储电路 微处理器 液晶显示屏 报警电路 电磁阀 辅助热源 驱动电路 看门狗电路ISP下载电路 图 3-1 智能太阳能热水器控制系统原理图 温度和水位检测电路主要负责温度与水位的检测，温度检测电路釆用 DS18B20 作为温度传感器，与单片机通过 I/O 口相连，水位检测电路釆用水位 短路电极式的测量方法；键盘电路主要是实现控制器控制信息的输入；时钟电 路为控制器提供标准时间，用户设定的用水、上水时段都是通过对比时钟电路 提供的实时时间来执行动作的；存储电路主要是用来存储控制器运行变量的值， 为节约单片机 I/O 口资源釆用带 I2C 接口的存储芯片；液晶电路采用 LCM12864ZK 液晶显示器作为核心部件，LCM12864 具有并行和串行两种工作 模式，自带汉字库，可显示数字和汉字，还可显示图形；当系统程序跑飞或死 机时看门狗电路使单片机自动复位，避免系统运行故障；驱动电路主要负责继 电器等部件的驱动工作，为确保继电器动作的稳定和准确，驱动电路需要加入 光耦隔离以增强抗干扰能力；ISP 下载电路，主要负责完成单片机程序的下载 与擦除工作16。 长春理工大学本科毕业设计 12 Vcc DT1 + LLSD103A RT3 10K 20 20 T INT1 T SCL T SDA CT1 220uF CT2 104 LLSD103A 2 3 24 10 11 12 UT1 SD2200B/C/D/E-Z 23 19 22 21 20 13 15 Vcc RT2 10K RT1 10K RT4 RT5 INT2 INT1 WP VBAT TEST VCC SCLE SDAE SCL SDA GND GND GND D0D1D2D3D4D5D6D7 RS(CS) RW(SID) E(SCLK) PSB RST VR VO VCC GND LCD-A LCD-K 91112131415 16 17 18 LCM12864 LCM1 LCM CS 6 LCM SID 7 LCM SCLK 8 20 19 1 2 3 4 VCC RM1 10k RM2 10 10 + VCC L2 10uH VD1 llSD103A CPUVCC 104 C16 C17 470uF C18 470uF llSD103A VD2 +12V C21 0.1 C22 0.1470uF C23 G N D OUTIN LM7805 U3 1 2 3 + VCC DQ GND U5 DS18B20 VCC VCC DQ GND U5 DS18B20 VCC 1 2 3 1 2 3 R9 4K7 PB0(T0) PB1(T1) PB2(AIN) PB3(AIN) PB4(SS) PB5(MOSI) PB6(MSO) PB7(SCK) PD0(RXD) PD1(TXD) PD2(INI0) PD3(INI1) PD4(OC1B) PD5(OC1A) PD6(ICP) PD7(TOSC2) RESET X1 X2 GND GND GND AVOC AGND AREF (IOSC2)PC7 (IOSC1)PC6 PC5 PC4 PC3 PC2 PC1 PC0 (ADC7)PA7 (ADC6)PA6 (ADC5)PA5 (ADC4)PA4 (ADC3)PA3 (ADC2)PA2 (ADC1)PA1 (ADC0)PA0 VCC VCC VCC CPUVCC 5 17 38 6 18 39 U1 37 36 35 34 33 32 31 30 P1 P2 AD1 AD2 DS1820 DQ 19 20 21 22 23 24 25 26 T SCL T SDA KEY1 KEY2 KEY3 KEY4 KEY5 KEY6 29 28 27 AVOC ATMEGA16_TQFP44 硬件看门狗 7 8 4RST 16 15 14 13 12 11 10 9 wcgou LS T NT1 40 41 42 43 44 1 2 3SCK MSO MOSI KEY2 KEY3 KEY4 KEY5 KEY6 设定 左移 右移 上移 下移 退出 s1 SW-PB s2 s3 s4 s5 s6 SW-PB SW-PB SW-PB SW-PB SW-PB VCC R1 10k R2 10k R3 10k R4 10k R5 10k R6 10k C1 0.1uF C2 0.1uF C3 0.1uF C4 0.1uF C5 0.1uF C6 KEY1 VCC VCC OUT1 OUT2 COM DJ4 RS1M DJ3 RS1M J3 HC4123 J4 HC4123 1 1 5 2 3 3 4 4 Q1 9013 Q2 9013 10K R8 10K R7 1 2 3 4 5 6 JISP1 CPUVCC MOSI MSO SCK RST CON6 程序下载 VCC C15 C14 104 104 CPUVCC C12 104 AVCC L1 10uH CPUVCC R10 10K D1 1N148 RST C10 + 47uF VCC LS1 报警 Q1 R11 1K 9013 液晶显示 时钟 图 3-2 太阳能热水器智能控制器硬件系统总原理图 3.2 微处理器最小系统微处理器最小系统 微处理器作为控制器的控制核心，需具备较强的控制能力、较快的运算速 度以及丰富的外设资源，同时为降低控制控制器的成本，微处理器需具备良好 的价格优势。本设计采用 ATMEL 公司生产的 ATmegal6 单片机作为控制器的 控制核心。其最小系统工作原理图如图 3-3 所示。 长春理工大学本科毕业设计 13 Res2Res2 Res2 CapCap Cap GND GNDGND VCCVCC AVCCREST CS SID CLK MOSI MISO SCK RESET P1 P2 AD1 AD2 DS18B20 SCL SDA KEY1 KEY2 KEY3 KEY4 KEY5 KEY6 GND VCC 1 2 3 4 5 6 P1 CON6 GND RST SCK MISO MOSI VCC LS1 GND VCC PB5 1 PB6 2 PB7 3 PD0 9 PD1 10 PD2 11 PD3 12 PD4 3 PD5 4 PD6 5 PD7 16 RESET 4 X1 8 X2 7 PB4 44 PB3 43 PB2 42 PB1 41 PB0 40 GND 6 GND 18 GND 39 VCC 27 AGND 28 AREF 29 PC7 26 PC6 25 PC5 24 PC4 23 PC3 22 PC2 21 PC1 20 PC0 19 PA7 30 PA6 31 PA5 32 PA4 33 PA3 34 PA2 35 PA1 36 PA0 37 5 17 38 U1 图 3-3 ATmega16 最小系统原理图 ATmegal6 是基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器， 其数据吞吐率高达 1MIPS/MHz16，该芯片能完全满足控制器对微处理器的运算 能力的要求。同时 ATmegal6 具有丰富的外设资源和功能具体如下： 1、2 个独立的比较器功能计数器/定时器和预分频器。 2、六种睡眠工作模式、掉电检测与上电复位、片内的 RC 振荡器、片外/ 片内中断源。 3、丰富的 I/O 口资源，芯片的封装形式有 40 引脚 PDIP 封装和 44 引脚 TQFP 封装以及 44 引脚 MLF 封装，其中本设计采用 44 引脚 TQFP 封装，可编 程的 I/O 口可达 32 个。 此外，ATmegal6 芯片目前的市场价格大概在 15 元左右，比同种类型的其 他芯片价低，且芯片的稳定性及考干扰能均较好，性价比极高。 综上所述，ATniegal6 芯片完全能满足本太阳能热水器智能控制器对微处理 器的要求，ATmegal6 微处理器是一款极具性价比的芯片，可以很好的应用于该 款产品中。 长春理工大学本科毕业设计 14 ATmegal6 引脚使用情况如表 3-1 所示： 表 3-1 ATmega16 功能定义 电加热指示灯PD0手动模式键PA4 工作循环指示灯PD1用户模式键PA5 回水循环泵PA0工作循环泵PA1 辅助热源 1PA2辅助热源 2PA3 报警指示灯PD1蜂鸣器PD4 “上”键PC2工质温度传感器PA7 “下”键PC3水箱温度传感器PA