太阳能热水器智能控制器的设计

1、太阳能热水器控制器的设计班 级 11新能源 专 业 新能源应用教学系 机电系指导老师 林森完成时间 年 月 日至 年 月 日 摘 要众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭，没有污染的巨大能源。随着世界上煤、油、气的储量日益减少，能源危机已日益增长，环境污染的危机已威胁着生态平衡，关于太阳能的开发利用变得日趋重要。太阳能在能源利用中的地位将发生革命性的变化，在今后的能源利用中将处于重点开发项目。由于太阳能本身具有分散性、季节性和地区性，加上有些技术问题至今尚未得到更好的解决，开发出来产品的造价超出群众接受范围。因此太阳能开发利用还未得到普及。 随着社会的不断发展，人们的生活水平不断改善和提高。目前

2、市场上的电热型热水器价格并不便宜加上燃气型热水器安全性差，在使用过程中排放的气体对城市的环境破坏十分明显，在这些条件的促使下，太阳能热水器的利用课题再次被提到跟前。第一，太阳能热水器在使用中不会排放二氧化碳等污染气体，而且是环保产品，他的操作十分便捷，他的开发利用不仅方便人们生活而且保护了环境是完全满足市场需求的产品。不难发现，太阳能热水器的用量在集体公共区很大。房地产开发公司通常会在建筑顶部无偿安装太阳能热水器，随着配套设施的改善房屋的销量也会随之增加。在所有有关太阳能热利用的技术之中，太阳能热水器可以说是是造价比较适中且技术上比较成熟的一款产品，是其他太阳能开发利用产品不可比拟的，在使用的

3、过程中不损耗资源、不破换环境、且安全性能高等方面深受人们的欢迎。目前,太阳能热水器控制器的相关技术在国内还并不成熟，还一直处于研究和开发阶段,目前市面上大多数热水器控制器还只具备简单的水位和水温的显示功能, 这种控制器还达不到对水位和水温的自动控制,即使市面上小部分热水器控制器也已经具备了电辅助加热的功能，但还算不上智能型热水器控制器, 无法给用户带来更便捷的服务。 。关键词：单片机、太阳能热水器、温控系统目录摘 要1目录2第一章 前言（绪论）31.1太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析3第二章.太阳能热水器智能控制系统.32.1项目要求32.2设计方案4第三章.系统硬件设计43.1按键单元设

4、计43.2显示单元设计63.3温度检测单元设计143.4水位检测单元设计153.5报警单元设计153.6辅热单元设计153.7注水单元设计16第四章.系统软件设计264.1主程序分析264.2按键操作子程序分析284.3显示子程序分析304.4温度检测子程序设计30 4.5水位控制子程序设计.31总 结31结束语.32第一章 前言（绪论）1.1太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析目前，中国在世界上的太阳能生产国中已处于领先地位，年产量能达到世界各国产量之和，国内太阳能热水器生产企业也达到百余家。但是与热水器配套使用的热水器控制器制造技术相对落后，一直处在研究与开发的阶段。这种控制器还只具备简单

5、的水位和温度显示功能，且为分段显示，温度和水位显示的误差非常大误差分别约为10%和25%。这种控制器还并不具有温度控制的功能，当天气条件不理想时，比如阴天或者下雨时，集热器很难采集到光照，造成用户用水极为不便；即使小部分具有辅助加热功能的热水器，由于加热时间不能得到控制而产生加热时间过久，大量浪费了用户的电能。面对以上热水器所具备的缺点，本文设计的太阳能热水器控制器是以80C51单片机为检测控制核心，采用DS12887 实时时钟电路，不但温度、水位和时间上实现了实时控制和FUZZY控制功能，而且可以对时间和温度的控制进行设定。温度控制主要采用模糊控制，控制器可以依据天气情况利用辅助加热装置对水

6、箱内的水进行加热，使蓄水箱内的水温在用户设定时间达到用户预先设定的温度，从而实现24小时内随时为用户提供热水。太阳能热水器是太阳能利用之中比较常见的一种装置，所带来的经济效益十分明显，普及速度也在农村和各中大小型城市迅速扩张，太阳能热水器是将太阳光能转化为热能的一种装置，为生产生活提供方便。太阳能热水器主要是由蓄水器 平板集热器、和连接管道等部件组成，可分为闷晒式 直流式 和循环式三种款式。热水器主要包括主、从两大系统：主系统的主要功能是在正常天气情况下利用太阳光能为热水器提供加热；从系统就是辅助加热器，它在天气情况不利的情况下利用电辅助加热为用户提供热水，它最大的优势在于充分的利用太阳能丰富

7、免费的资源，同时考虑到在某些天气情况下无法利用太阳能的缺点，将太阳能热水器和电热水器的各自优点互相结合，是热水器行业又一次突破技术突破。第二章. 太阳能热水器智能控制系统2.1项目要求：设计并安装调试太阳能热水系统控制系统实现智能管理2.2：设计方案：1.资讯：分析和研讨项目任务，明确控制要求和工作内容，学习和理解相关基础知识，查阅和搜集相关智能管理控制系统资料2.计划决策：拟定工作计划和设计方案，确定设计方案，绘制系统组成框图3.操作实施：根据控制方案，完成智能管理系统硬件设计及软件设计。并完成电路板的制作和调试4检查：对控制电路相关参数进行测量，并填写控制系统工作页相关内容，对出现的故障现

8、象进行分析处理，并归纳总结5：评估：对学生工作态度、资料和信息搜集情况、项目完成质量、职业道德、总结报告等方面进行全面评估。 第三章.系统硬件设计3.1按键单元设计P1.0- P1.7口作为按键的信号输入端，键按下，就执行该键的功能。其电路如图3-11所示。（为了编程简单、方便，采用独立式键盘电路）当按钮按下后，电路与地接通时，I/U口与地面相连为低电平。按钮没有按下时，电路不与地面相接，I/U口与电压高端相连为高电平。本设计中采用了共阴极接法，对于显示水温水位的程序作如下说明： 在动态扫描过程中，调用延时子程序Del1，其延迟时间为1ms，这是为了使扫描到哪位显示器稳定的点亮一段时间，犹如扫

9、描过程中在每一位显示器上都一段驻留时间，以保证其显示亮度。 本设计接口电路是软件为主的接口电路，对显示数据以查表方法得到其字形代码，为此在程序中有字形代码Table,从0开始依次写入十六进制数的字形代码。为了进行查表操作，使用查表指令 MOVC A，A+DPTR，由DPTR提供16位基址，由A提供变址，因此显示数据送A后，再由A送P0.1P0.6输出给显示器。 键盘输入主程序：MOV P1, #0FH ；键盘初始化，P1.0P1.3置输入方式，P1.4P1.7为0状态MOV IE, #84H ；开CPU中断，开INT1中断SJMP $ ；中断等待中断服务程序：ORG 0013 ；INT1中断入

10、口地址LJMP IO51K16 ；从中断入口转移键盘处理程序IO51K16IO51K16: CALL D10MS ；延时10秒LCALL KEYIN ；调键输入检查子程序JNZ LKOUT ；有键输入，转查键号RETI ；无键输入，中断返回LKOUT: MOV R2, #0EFH ；首列扫描字写如R2MOV R4, #00H ；首列偏移值如R4CONU: MOV P1, R2 ；列扫描字写入列线中MOV A, P1 ；读入P1口状态到A中JB ACC.0,LONE ；检查第0行是否为0状态，不为0表示按下键不在此行，转下行MOV A, #00H ；第0行为0状态，表明按下键在此行，首列号如AA

11、JMP LKP ；转求键号LONE: JB ACC1.1, LTWO ；检查第1行有无键按下MOV A, #04H ；有键按下，该行首列号入AAJMP LKP ；转求键号LTWO: JB ACC.2, LTHR MOV A, #08H AJMP LKPLTHR: JB ACC.3, NEXT ；该列所有行都无键按下，转NEXT MOV A, #0CH ；有键按下，该行首列号入A中LKP: ADD A, R4 ；求键号，键号位首列号加列偏移值 PUSH A ；键号入栈保护WKFE: LACLL KEYIN ；等待键释放 JNZ WKFE ；键未释放转WKFE等待 POP A ；键释放，键号如A

12、LJMP KJMP ；转键操作转处理 NEXT: INC R4 ；转查下一列，列偏移值加1 MOV A, R2 JNB ACC.7, KND ；最后一列查完？查完中断返回 RL A ；未查完，列扫描字左移1位 MOV R2, A ；扫描字如R2继续查找 LJMP CONUKND: RETIKEYIN: MOV P1, #0FH ；查完有无键按下，A不为0，有键按下 MOV A, P1 CPL A ANL A, #0FHRETKJMP: SUB A,#OFH JC WriteTemp ADD A, #0FH CLR C SUB A, #0EH JC StoreTemporTime ADD A,

13、#0EH CLR C SUB A, #ODH JC Waterpoistion ADD A, #ODH CLR C SUB A, #0CH JC Vtemp ADD A, 0CH CLR C SUB A, #OBH JC StoreTime RETI ORG 0003H JMP Heat RET3.2显示单元设计本设计采用共阳型数码管，8个LED灯如图3-13中接法，灯的负极依次接到数码管的a-f段，采用动态扫描电路，并把显示程序作为主程序。数码管的段用P0口控制，P2.0口、P2.3口作为数码管的位控制，P2.4作为指示灯的控制。时钟显示系统输入信号有：6个液位信号、1个温度信号、4个触摸键

14、;输出信号有：4位LED数码管分时显示当前温度和液位，3个位输出控制继电器分别控制上水电磁阀、加热泵、增压泵，1个位输出控制蜂鸣器作为低水位报警信号和其他异常情况报警，2个位输出指示上水、加热状态。用户设定项目有水位上限、热水温度、上水定时、加热定时。设定参数用EEPROM保存，停电后参数无需重新设定。系统具有故障自检功能，电磁阀、加压泵在停水时会自动切断，水位传感器有故障时禁止上水，以免上水时溢出。液位传感器主要采用ATS173型霍尔元件，若干个霍尔元件被固定在一个垂直的导槽上，磁钢浮子的带动下沿着导槽移动，霍尔元件的输出在电阻网络的作用下转换成不同的电压，经过ADC通道最终送入MCU。这样

15、，仅用一个ADC通道可以实现多路数字信号的输入。温度传感器采用负温度(NTC)型通用热敏电阻，信号经另一路ADC输入MCU。保存设定参数的EEPROM采用HT93LC46，采用串行方式与MCU接口，整个控制器的硬件及对MCU的资源要求降到最低。MCU根据检测到的水位信号、水箱温度信号，以及用户的设定或操作，通过软件进行数值计算和逻辑运算，以确定当前应该进行的操作，并通过输出口控制进水阀、加压泵、加热泵的状态，以实现要求的控制功能。由于SN8P1706的I/O口驱动能力可高达15mA，采用高亮度的LED显示无须再使用驱动器件，可以由SN8P1706的I/O口直接驱动。LED显示子程序：DISI:

16、SETB P1.7 ;灭显示MOV R0, #SBCDMOV A, R0 ;取出要显示的数ADD A, #2DH ;加上偏移量MOVC A , A+PC ;查表取出段选码MOV SBUF, A ;送出显示DL1:JNB TI, DL1 ;输出完否?CLR TI ;完,清中断标志INC R0MOV A, R0ADD A, #21HMOVC A, A + PCANL A, #OEFH ;个位加小数点MOV SBUF, ADL2: JNB TI, DL2CLR TIINC R0MOV A, R0ADD A, #13HMOVC A, A+PCMOV SBUF, ADL3: JNB TI, DL3CLR

17、 TIMOV A, #0FFHMOV SBUF, ADL4: JNB TI, DL4CLR TICLR P1.7 ；亮显示RETSEGTAB:DB 11H,0D7H,32HDB 92H,0D4H,98HDB 18H,0D3H,10H,0D0H3.3温度检测单元设计线式数字温度传感器DS18B20是DS1820的更新换代产品(由美国DA IIAS公司生产)。它具有体积小,分辨率高,转换快等优点。由于每片DS18B20 含有唯一的硅串行数, 所以在一条总线上可以挂接多达248 218×1014只DS18B20,再加上DS18B20 独特的单线总线结构,决定了DS18B20 特别适合于大型

18、的多路温度实时测控系统的温度检测。温度实时测控集装箱的设计, 在实现测控系统的温度检测方面就较好地利用了DS18B20 的独到特点,使系统得到了极大的简化。（1）DS18B20的特性1）独特的单线接口方式。DS18B20 在I/O处理器连接时,仅需要一个I/O 口即可实现微处理器同DS18B20的双向通讯。2）DS18B20支持组网功能,多个DS18B20可以并联在唯一的单线上,实现多点测温。3）DS18B20 的测温范围为: - 55+125,在-10+ 85时, 其精度为+ 015。4）DS18B20的测温结果的数字量位数从912位,可编程进行选择。数字化温度传感器DS1820测温范围为-

19、 55+125 之间，增量值为0.5 (9位温度读数)，它主要由4个数据部件部分组成：64位ROM;温度传感器;非易失性的温度告警触发器TH 和TL；高速便笺存储器64 位ROM用于存储序列号，其首字节固定为28H，表示产品类型码，后6个字节是每个器件的编码，最后1个字节是CRC 校验码. 温度告警触发器TH和TL 存储用户通过软件写入的报警上下限值，高速便笺存储器由9个字节组成，其中有2个字节RAM单元用来存放温度值前1个字节为温度值的补码低8位，后1个字节为符号位和温度值的补码高3位。（2）DS18B20 测温原理DS18B20内部结构框图,如图3-4所示。图3-4 DS18B20内部结构

20、框图DS18B20 的测温原理：DS18B20 测量温度采用了特有的温度测量技术，它是通过计数时钟周期来实现的，内部计数器对一个受温度影响的振荡器的脉冲计数,低温时,振荡器的脉冲可以通过门电路。而当到达某一设置高温时, 振荡器的脉冲无法通过门电路。计数器设置为- 55。同时, 计数器复位在当前的温度值时, 电路对振荡器的温度系数进行补偿, 计数器重新开始计数直到回零。如果门电路仍未关闭, 则系统重复上述过程。（3）DS18B20的操作协议DS18B20单纯通信功能是分时完成的。单线信号包括复位脉冲,响应脉冲,写“0”,写“1”,读“1”。它们有严格的时隙概念。系统对DS18B20的操作以ROM

21、命令(5个)和存储器命令(6个)形式出现。对它的操作协议是： 初始化DS18B20发复位脉冲)发ROM功能命令处理数据发存储器命令处理数据。各种操作都有相应的时序图。DS18B20在使用时，一般都采用单片机来实现数据采集。只需将DS18B20 信号线与单片机1位I/O线相连，且单片机的1位I/O线可挂接多个DS18B20，就可实现单点或多点温度检测。DS18B20传感器精度高、互换性好;它直接将温度数据进行编码，可以只使用一根电缆传输温度数据，通信方便，传输距离远且抗干扰性好：与用传统温度传感器组成的多点测温系统相比可节省大量电缆，而且系统得以简化，系统扩充维护十分方便。DS18B20 可以广

22、泛用于工厂工业过程、大型粮仓、酿酒厂，食品加工厂的温度检测以及宾馆、仪器仪表室等处的温度检测和控制。3.4水位检测单元设计实验证明，纯净水几乎是不导电的，但自然界存在的以及人们日常使用的水都会含有一定的Mg2+、Ca2+等离子，它们的存在使水导电。本控制装置就是利用水的导电性来完成的。我们把储水箱大致分为四个等份，水位由潜入太阳能热水器的储水箱不同深度的水位电极和潜入储水箱底部的公共电极（导线）进行检测；由单片机依次使各水位电极呈现高电平，由公共电极所接的三极管进行电位转换，水位到达的电极，转换电位为低（0）；水位没有到达的电极，转换电位为高（1）；每检测一位便得到一位数据，5个电极检测一遍以

23、后便得到了5个串行数据，然后把这5个数据转化为字节一路送发光二极管；在这里我们可以用发光二极管亮的盏数来显示水位的高低。（若没有发光二极管亮则表示箱内没有水或者只有少量的水，若有一个发光二极管灯亮则表示箱内有四分之一箱的水，以此类推，若有四个发光二极管亮，则表示水箱水是满的。）当水位未达到a时，即h<a时、这时传感器的总阻值为4R，对应，系统处于缺水状态。当ah<b时，传感器电阻阻值为3R，对应，系统处于20%水位。当bh<c时，传感器电阻阻值为2R，对应，系统处于50%水位。当ch<d时，传感器电阻阻值为R，对应，系统处于80%水位。当h=d时，传感器电阻阻值为0，对

24、应，系统处于100%水位。其中，环形振荡器产生的方波周期T（或f）可通过单片机P87LPC744BN的两个定时/计数器（T0、T1）来确定，T1用来计数，T0用来定时。3.5报警单元设计7404是正向高压缓冲器/驱动器，它具有缓冲功能，同时也可以提高电流的驱动能力，7407有两种接法;(1)当电路共阳接法时，7407主要骑着缓冲的作用，就是缓冲单片机的承受能力，如果，没有7407，那么单片机成熟的电流能力很小，那么工作电流就受到了限制，亮度不够亮，而加上7407就可以缓冲单片机的灌电流，从而，可以减小限流电阻的值，使流过二极管的电流增强，从而灯变得更亮。（2）当电路共阴极接法时，即将电源变成接

25、地，二极管反接过来，这是单片机上拉电流被7407放大，来驱动灯。3.6辅热单元设计 辅助加热电路图图为太阳能热水器光电隔离与辅助加热电路设计。当室外光强不足（阴天、下雨）时，对水箱的水提前加热是很必要的，这一电路恰好能完成这一功能。工作原理：当单片机80C51P2.1口输出高电平时，三极管T1导通，致使发光二极管发光，同时光敏三极管T2导通，继电器闭合，电阻丝R1R4发热，这样就完成了加热任务，此电路虽然简单，但在太阳能热水器中是必不可少的。3.7 注水单元设计水位控制电路是控制水阀的打开与闭合来实现放水和停止放水，本次设计采用一个发光二极管的亮与灭来模拟水阀的开与合。具体原理图如下：第4章

26、.系统软件设计4.1 主程序分析主程序主要完成初始化、显示处理、送7279显示、键盘扫描以及键处理等功能，其中初始化又涉及内存单元，显缓区，堆栈，定时器赋初值，及各寄存器的初始化，流程图如图4.3所示：开始初始化按键扫描键处理显示处理、显示有键按下否？切换键，切换标志取反温度上翻键处理温度下翻键处理数键键处理校时键处理确认键处理YN图4.3 主程序流程图4.2按键操作子程序分析键盘处理主要是不断的扫描7279模块中的键盘，若有键按下时，则根据得到的键值查表求出其键号，将键号存放于寄存器ACC中供主程序处理。流程图如图：键盘处理入口置7279的CS有效，并延时50us发送读键指令码15H到727

27、9，并延时12us接收键值存于A中，CS信号置1置键标志00H由键值表查键号清键标志00H返回A为FFH否？YN 按键操作子程序流程图4.3显示子程序分析分析表明，移位寄存器74LS164仅有串入并出作用没有译码功能。因此，在编写显示驱动程序之前，首先需要计算列写出与本电路对应的LED段选码 ，然后由89C52的P3.0口送入74LS164的串行输入端，再并行输出到LED 的段选端。需要指出的是，上面显示电路采用TOS28106BHK型号的共阳极LED显示器，根据PCB印制线路板的连线方便，其LED的8个段选端与74LS164的并行输出口即8根段选线的连接没有遵照通常的规律，而是如图3-5所示的段排列为7、6、4、2、1、9、10、5