太阳能热水器控制器设计—毕业设计论文

1绪论11本课题的研究背景太阳能是地球上取之不尽、用之不竭的最宝贵能源。它在防止和改善大气污染方面，加强对太阳能的研究和利用,特别是重点发展太阳能热水器有着重大的意义和广阔的前景。太阳能热水器是一种将太阳辐射能转变为热能,把水逐渐加热的热交换装置,它是太阳能热利用的基础元件。太阳能的开发利用,已越来越引起世界人们的注意。由于石油和能源的紧缺,促使太阳能热水器有很大的发展。日本、法国、澳大利亚等国,大部分家用热水来自太阳能热水器1。目前市场上太阳能热水器的控制系统大部分都存在着或多或少的缺点功能单一、操作复杂、控制不方便等。随着人们生活水平的提高和电子技术的发展，这样的太阳能热水器控制系统越来越不适应人们的生活需求，开发一种控制方便，操作灵活的太阳能热水器的控制系统，已经成为当务之急2。太阳能热水器单片机控制系统就是一种以单片机为控制系统核心的系统，不但其机器性能显著提高，还增加了难以实现的功能，同时也提高了控制的精确度，硬件与软件相互配合实现太阳能热水器工作的智能化和自动化3。单片机具有集成度高、运算速度快、体积小、运行可靠、价格低廉等特点，因此在过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用设备以及网络技术等方面得到广泛应用4。现今太阳能热水器的控制系统大多都有着功能不全面、操作性复杂、控制不方便等问题，很多控制器只具有温度和水位显示功能，不具有温度控制功能，即使热水器具有辅助加热功能，也可能由于加热时间不能控制而产生过烧，从而浪费电能。本课题设计的太阳能热水器控制系统以AT89S52单片机为检测控制中心单元，不仅实现了时间、温度和水位三种参数显示功能，而且具有时间设定、温度设定与控制功能。控制系统可以根据天气情况利用辅助加热装置使蓄水箱内的水温达到预先设定的温度，从而达到24小时供应热水的目的。该控制器和以往显示仪相比具有性价比高、温度控制与显示精度高、使用方便和性能稳定等优点，提高了我国太阳能应用领域控制水平，具有可观的经济效益和社会效益5。12太阳能热水器的发展历史和现状121太阳能热水器的发展历史太阳能热水器是利用太阳能集热器将太阳辐射能转变为热能，并用来提高水温的，是目前实际应用最多、技术最成熟的太阳能热利用的一种装置。它不仅可为家庭和机关、旅社、医院等提供洗澡、洗衣、炊事等所需热水（100以下），同时还可用于空调、干燥、农业种植、水产养殖、海水淡化等。太阳能热水器的使用已有近百年的历史，最早的太阳能热水器工业出现在18世纪的美国加州，最原始的太阳能热水器仅是一只漆黑的金属圆桶。随着科学技术的进步，太阳能热水器也随之不断改进，由集热和贮热合为一体逐步改进为集热和贮热部分分开，采用先进的太阳能集热器，先进的保温材料和冬季防冻技术及其他辅助装置等。现如今生产的先进的太阳能热水器已实现了全年运行，大大提高了太阳能热水器的热效率和利用效率。目前，太阳能热水器是可再生能源技术领域商业化程度最高，推广应用最普遍的技术之一。以色列在政府的支持下，有85的住宅都安装了太阳能热水器。美国有130多万个游泳池都装上了太阳能集热器，成为环保型的太阳能游泳池。近年来，太阳能热水器在我国迅猛发展，从20世纪70年代后期就开始了开发家用太阳能热水器。到20世纪90年代，随着科技进步，环境意识增强和人的生活水平的提高，使中国太阳能热水器的应用获得了巨大动力，以每年2530的速度快速增长。到2000年，全国太阳能热水器总使用面积达2600万平方米。太阳能热水器市场的扩大，使热水器产业也得到迅速崛起和发展，全国有近1000多家生产企业，年总销量达6000万平方米，产量已跃居世界首位，产值60多亿元6。122太阳能热水器的发展现状目前国内的太阳能热水器主要是采用的紧凑式自然循环系统，这种系统的特点是制造简单、价格低廉。但如果从太阳能热水器使用的安全、质量、方便以及操作性等方面来看，分离式强制循环系统更能满足人们的要求。而采用分离式强制循环系统时一般都要采用承压储水箱，这样就对热水器的连接部位的强度以及密封性有了一定的要求。平板型集热器一般是金属制成的，集热器与储水箱之间的连接采用的是金属连接，因此可以承受较高的水压，密封性能也较好。而真空管热水器的集热管与储水箱之间的连接一般是用塑料或橡胶来密封，因此在承压及密封方面效果差。另外，如果对太阳能热水器的水质要求较高，那么通常是采用双循环系统，即集热器加热的是导热工质，再通过导热工质把热量传递给水，避免了水在循环过程中被二次污染，保证了水质。在平板型太阳能集热器中，传热介质可以在集热器与贮水箱内的换热器之间无障碍地流动，通过换热器去加热贮水箱内的水，完成系统的双循环，这一点也是平板太阳能热水器明显的优势之处7。根据我国所处的地理环境，太阳能热水器平均每平方米每年可节约的能源折合100150公斤标准煤。由此可见，在如今资源短缺，环境恶化的现实中，太阳能热水器的推广和应用，将在节约常规能源，减少环境污染和人类社会可持续发展方面起到不可忽视的重要作用，具有极大的发展前途8。在全球能源形势紧张、气候变暖严重威胁经济发展，世界能源的日益紧缺、油价的不断攀升和居民生活水平的高和洗浴舒适度要求提高的今天，世界各国都在寻求新的能源替代战略，以求得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9。今后，太阳能热水器将会向更节能、更高效、更环保等方向发展。13本课题的研究目的和意义当今计算机技术在飞速发展，微机应用日益普及深入，微机在通信自动化、工业自动控制、电子测量、信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用。嵌入式计算机系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功效等严格要求的专业计算机系统。其最初应用是基于单片机的。单片机小巧灵活，成本低，易于产品化。它面向控制，能针对性的解决从简单到复杂的各种控制任务10。太阳能热水器使用方便，节能，无污染，普及推广迅速。它是人们日常生活中不可或缺的家用设备，提高居民的生活质量起了不可替代的作用。随着科学技术的发展，人们对太阳能热水器的控制功能的要求也越来越高。目前市场上太阳能热水器的控制系统大部分都存在着或多或少的缺点功能单一、操作复杂、控制不方便等。随着人们生活水平的提高和电子技术的发展，这样的太阳能热水器控制系统越来越不适应人们的生活需求，开发一种控制方便，操作灵活的太阳能热水器的控制系统，已经成为当务之急11。本文设计了一种以单片机AT89S52为核心的太阳能热水器控制器，本设计具有很强的实用性，用成本低廉的器件以单片机技术对太阳能热水器的温度、水位和时间的显示和控制，并且本设计电路简单、实用性强、性价比高、控制灵活、显示直观醒目，可广泛应用与家用太阳能热水器。2总体方案21设计要求本设计以AT89S52单片机为太阳能热水器控制系统的核心，分为单片机时钟电路、单片机复位电路、温度检测电路、水位检测电路、实时时钟电路、键盘电路、显示电路、报警电路等模块。本系统处于监控状态时，具有以下功能1、利用数码管显示温度和时间；2、利用发光二极管显示水位；3、当水位较低时自动上水，水满时自动停止；4、当温度低于下限温度时自动加热，温度达到上限温度时自动停止加热；5、通过按键实现手动加热、手动加水、时间显示以及设置时间、上限温度和下限温度；6、清晨自动上水。22总体设计本设计控制系统中水温利用温度传感器DS18B20读入温度数据，在数码管上显示两位数据。水位采用三个电极，一个是电源负极，当电极接触到水后，由于水的导电性，使得两外两根导线也是低电平，从而使三极管导通，P36和P37是低电平，当两根导线不接触水的时候，输出是高电平。通过P36和P37引脚电平高低情况来控制发光二极管点亮的数目，从而来指示当前的水位。当水位比较低的时候，红灯亮，水位在中间的时候，红灯和黄灯亮，当水位高的时候三个灯都亮。时间通过时钟芯片DS1302读取时钟数据，然后在四位数码管上显示时分。控制加热装置和加水装置分别由两个继电器控制，继电器采用三极管驱动。本系统采用8个独立式按键，按下S1键单片机复位；按下S5键可实现手动上水功能，水满自动停止；按下S6键可实现手动加热功能，温度达到上限温度值自动停止加热；S2为温度调整键，按一次可调整报警上限温度值，按两次可调整报警下限温度值，按三次数码管恢复到正常温度显示；S8为时间调整键，按一次调整分，按两次调整时，按三次确定和保存时间；S3、S4是温度时间加一和减一操作键；按下S7键切换温度和时间显示。系统组成框图如图1所示。图1系统组成框图3软件设计系统软件的设计采用模块化的结构。太阳能热水器控制系统程序主要由主程序、延时子程序、温度读取子程序、温度显示子程序、时间读取和显示子程序、扫描键盘子程序、报警子程序构成。31主程序设计温度显示AT89S52报警电路水位显示键盘电路加热器继电器温度传感器水位检测电路加水电磁阀继电器水箱时钟芯片本控制系统的主程序是本设计的总控制程序，以AT89S52单片机为核心实现对太阳能热水器水位和水温的检测与显示。主程序首先完成系统初始化设置，然后根据存储的键盘状态和检测的水温、水位等状态信号进行相应的处理。系统正常运行时，首先读取水温和水位，然后显示温度和水位，系统会根据显示的水温值和水位值判断是否要进行自动加热和自动上水操作。当检测到的实际水温小于设置的下限温度时，加热指示灯亮，继电器工作进行加热，水温到达上限温度时停止加热；当检测到水位较低时，加水指示灯亮，继电器工作进行加水，水位达到最高时停止加水；通过扫描按键来进行相对应的按键操作。主程序流程图如图2所示。NYYN自动加水YN水位低Y自动加热显示温度、水位温度INCLUDE“DS18B20H“DEFINEUINTUNSIGNEDINTDEFINEUCHARUNSIGNEDCHAR/宏定义DEFINESETP1_0/定义温度调整键DEFINEDECP1_1/定义减少键DEFINEADDP1_2/定义增加键DEFINEJIASP1_6/定义加水键DEFINEJIARP1_7/定义加热键DEFINEBEEPP3_4/定义蜂鸣器DEFINES1P3_7/定义低水位DEFINES2P3_6/定义高水位DEFINELED1P1_3/定义绿灯DEFINELED2P1_4/定义黄灯DEFINELED3P1_5/定义红灯DEFINEJDQ1P3_0/定义加水继电器DEFINEJDQ2P3_1/定义加热继电器BITSHANSHUO_ST/闪烁间隔标志BITBEEP_ST/蜂鸣器间隔标志CHARFLAG0SBITD1P06/位选SBITD2P04SBITD3P02SBITD4P00SBITIOP03/数据口SBITCLKP01/控制数据时钟SBITRSTP05/使能端、复位端SBITS1P07/定义温度时间切换键SBITS2P35/定义时间调整键CHARKNUM0,SNUM,FNUM/写时分秒地址/DEFINEWRITE_SHI0X84DEFINEWRITE_FEN0X82DEFINEWRITE_MIAO0X80/读时分秒地址/DEFINEREAD_SHI0X85DEFINEREAD_FEN0X83DEFINEREAD_MIAO0X81CHARSHI,FEN,MIAO/读出数据存储变量UCHARD0X28,0XEB,0X32,0XA2,0XE1,0XA4,0X24,0XEA,0X20,0XA0/不带小数点UCHARDD0X38,0XFB,0X42,0XB2,0XF1,0XB4,0X34,0XFA,0X30,0XB0/带小数点UCHARX0/计数器SIGNEDCHARM/温度值全局变量UCHARN/温度值全局变量UCHARSET_ST0/状态标志SIGNEDCHARSHANGXIAN38/上限报警温度，默认值为38SIGNEDCHARXIAXIAN5/下限报警温度，默认值为05UCHARCODELEDDATA0X28,0XEB,0X32,0XA2,0XE1,0XA4,0X24,0XEA,0X20,0XA0/延时子程序/VOIDDELAYUINTNUMWHILENUM/初始化定时器0/VOIDINITTIMERVOIDTMOD0X1TH00X4CTL00X00/50MS（晶振110592M）EA1/全局中断开关TR01ET01/开启定时器0/读取温度/VOIDCHECK_WENDUVOIDUINTA,B,CCREADTEMPERATURE5/获取温度值并减去DS18B20的温漂误差AC/100/计算得到十位数字BC/10A10/计算得到个位数字MC/10/计算得到整数位IFM99M99N9/设置温度显示上限/显示开机初始化等待画面/DISP_INITP20XF7/显示D10DELAY200D20DELAY200D30DELAY200D40DELAY200D11/关闭显示D21D31D41/显示温度子程序/DISP_TEMPERATURE/显示温度P2LEDDATAM10/显示个位D11D21D30D41DELAY300P2LEDDATAM/10/显示十位D11D21D31D40DELAY300D11/关闭显示D21D31D41/显示报警温度子程序/DISP_ALARMUCHARBAOJINGP20X3C/显示CD10D21D31D41DELAY200P2LEDDATABAOJING10/显示个位D11D20D31D41DELAY200P2LEDDATABAOJING/10/显示十位D11D21D30D41DELAY200IFSET_ST1P20X61ELSEIFSET_ST2P20X3D/上限H、下限L标示D11D21D31D40DELAY200D11/关闭显示D21D31D41/报警子程序/VOIDALARMIFX10BEEP_STBEEP_STX0IFMSHANGXIAN/DS1302读数据/UCHARREAD_1302UCHARADD/读函数UCHARI,DATERST0/禁止读写数据FORI0I1CLK1FORI0I1CLK0RST0DATEDATE/1610DATE16/进制转换16转10进制IO0/数据读完后，IO口必须为0，不然小时一直显示RETURNDATE/DS1302写数据/VOIDWRITE_1302UCHARADD,UCHARDAT/写函数UCHARIRST0/禁止读写数据CLK0FORI0I1CLK1FORI0I1CLK1RST0VOIDINIT_1302/初始化函数设置时间WRITE_13020X8E,0X00/保护取消，可以进行读写操作WRITE_1302WRITE_MIAO,0X56WRITE_1302WRITE_FEN,0X49WRITE_1302WRITE_SHI,0X14WRITE_13020X8E,0X80/保护启动，不能进行读写操作VOIDDISPLAYUCHARSHI,UCHARFEN,UCHARMIAO/显示函数IFKNUM0SNUM30FNUM30IFKNUM1FNUMSNUM30IFKNUM2SNUMFNUM30IFSNUM30D11D21D31D40/位选P2DSHI/10/段选DELAY200P20XFF/消隐IFMIAO20/小数点闪烁D11D21D30D41P2DDSHI10DELAY200P20XFF/消隐ELSED11D21D30D41P2DSHI10DELAY200P20XFF/消隐IFSNUM60SNUM0IFFNUM30D11D20D31D41P2DFEN/10DELAY200P20XFF/消隐D10D21D31D41P2DFEN10DELAY200P20XFF/消隐IFFNUM60FNUM0VOIDREAD_SFSHIREAD_1302READ_SHIFENREAD_1302READ_FENMIAOREAD_1302READ_MIAODISPLAYSHI,FEN,MIAO/键盘扫描子程序/VOIDKEYSCAN/按键扫描函数IFJIAS0/选择按键按下DELAY2000/消抖DOWHILEJIAS0JDQ10IFS10LED20LED30FLAG0JDQ11IFJIAR0/选择按键按下DELAY2000/消抖DOWHILEJIAR0JDQ20IFMSHANGXIANJDQ21IFS10DELAY2000IFS10WHILES1READ_SF/显示时间KNUMIFKNUM1DISP_TEMPERATURE/显示温度IFS20/选择按键按下DELAY2000IFS20WHILES2DISPLAYSHI,FEN,MIAO/加上这句，按键按下就不会闪KNUMIFKNUM1/分闪烁WRITE_13020X8E,0X00/保护取消WRITE_1302WRITE_MIAO,0X80IFKNUM2/时闪烁WRITE_13020X8E,0X00/保护取消WRITE_1302WRITE_MIAO,0X80WRITE_1302WRITE_FEN,0X82IFKNUM3/时钟启动KNUM0WRITE_1302WRITE_MIAO,0X00WRITE_13020X8E,0X80/保护启动IFKNUM1/分钟调节IFADD0/加DELAY2000IFADD0WHILEADDDISPLAYSHI,FEN,MIAO/加上这句，按键按下就不会闪FENFENFEN/1016FEN10/转为16进制IFFEN0X60FEN0X00WRITE_1302WRITE_FEN,FEN/写入1302READ_SF/读出时间，然后显示IFDEC0DELAY2000IFDEC0WHILEDECDISPLAYSHI,FEN,MIAO/加上这句，按键按下就不会闪FENFENFEN/1016FEN10/转为16进制IFFEN1FEN0X59WRITE_1302WRITE_FEN,FENREAD_SFIFKNUM2IFADD0DELAY2000IFADD0WHILEADDDISPLAYSHI,FEN,MIAO/加上这句，按键按下就不会闪SHISHISHI/1016SHI10/转为16进制IFSHI0X24SHI0X00WRITE_1302WRITE_SHI,SHIREAD_SFIFDEC0DELAY2000IFDEC0WHILEDECDISPLAYSHI,FEN,MIAO/加上这句，按键按下就不会闪SHISHISHI/1016SHI10/转为16进制IFSHI1SHI0X23WRITE_1302WRITE_SHI,SHIREAD_SF/主函数/VOIDMAINUINTZINITTIMER/初始化定时器BEEP0LED11/关指示灯LED21LED31JDQ11JDQ21CHECK_WENDUCHECK_WENDUFORZ0Z2SET_ST0IFSET_ST0CHECK_WENDUDISP_TEMPERATUREIFS10LED20LED30FLAG0JDQ11/水满红灯亮黄灯亮绿灯亮IFS10LED20LED31FLAG0/半桶水红灯亮黄灯亮绿灯灭IFS11LED21LED31FLAG1JDQ10/剩一点水开始加水红灯亮黄灯灭绿灯灭IFS11JDQ11/故障错误三个灯闪蜂鸣器报警ALARM/报警检测KEYSCAN/键盘扫描ELSEIFSET_ST1BEEP0/关闭蜂鸣器IFDEC0DELAY2000DOWHILEDEC0SHANGXIANIFSHANGXIAN99SHANGXIAN99IFX10SHANSHUO_STSHANSHUO_STX0IFSHANSHUO_STDISP_ALARMSHANGXIANELSEIFSET_ST2BEEP0/关闭蜂鸣器IFDEC0DELAY2000DOWHILEDEC0XIAXIANIFXIAXIANSHANGXIANXIAXIANSHANGXIANIFX10SHANSHUO_STSHANSHUO_STX0IFSHANSHUO_STDISP_ALARMXIAXIAN/END/INCLUDEDEFINEDQP3_3/定义DS18B20总线I/O/延时子程序/VOIDDELAY_DS18B20INTNUMWHILENUM/初始化DS18B20/VOIDINIT_DS18B20VOIDUNSIGNEDCHARX0DQ1/DQ复位DELAY_DS18B208/稍做延时DQ0/单片机将DQ拉低DELAY_DS18B2080/精确延时，大于480USDQ1/拉高总线DELAY_DS18B2014XDQ/稍做延时后，如果X0则初始化成功，X1则初始化失败DELAY_DS18B2020/读一个字节/UNSIGNEDCHARREADONECHARVOIDUNSIGNEDCHARI0UNSIGNEDCHARDAT0FORI8I0IDQ0/给脉冲信号DAT1DQ1/给脉冲信号IFDQDAT|0X80DELAY_DS18B204RETURNDAT/写一个字节/VOIDWRITEONECHARUNSIGNEDCHARDATUNSIGNEDCHARI0FORI8I0IDQ0DQDATDELAY_DS18B205DQ1DAT1/读取温度/UNSIGNEDINTREADTEMPERATUREVOIDUNSIGNEDCHARA0UNSIGNEDCHARB0UNSIGNEDINTT0FLOATTT0INIT_DS18B20WRITEONECHAR0XCC/跳过读序号列号的操作WRITEONECHAR0X44/启动温度转换INIT_DS18B20WRITEONECHAR0XCC/跳过读序号列号的操作WRITEONECHAR0XBE/读取温度寄存器AREADONECHAR/读低8位BREADONECHAR/读高8位TBT8TT|ATTT00625TTT1005/放大10倍输出并四舍五入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