太阳能热水器自动系统设计

1、高等教育自学考试本科毕业论文 题 目太阳能热水器自动系统设计考生姓名： 李洪城 准考证号： 专业层次： 本 科 院 （系）： 指导教师： 梁雪峰 职 称： 讲 师 重庆科技学院二OO九年十二月二十日高等教育自学考试本科毕业论文 中 文 题 名太阳能热水器自动系统设计考生姓名： 李洪城 准考证号： 专业层次： 本 科 指导教师： 梁雪峰 院 （系）：机械与动力工程学院 重庆科技学院二OO九年十二月二十日摘 要目前，中国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国，年产量约为世界各国之和。但是与之相配套的太阳能热水器控制系统却一直处在研究与开发阶段。市面上绝大多数的控制器结构简单，功能单一，智能化程度低下

2、，用户界面不人性化，只具有温度和液位显示功能，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。其次，大多数的太阳能热水器没有停电记忆功能，当停电时，测量仪无法保留用户预置的所有参数及时间，用户原定义的参数信息就会被还原成出厂设置，要恢复原有的设置就得重新设置参数，给用户带来了很多麻烦。本设计详细介绍了基于单片机的太阳能热水器自动控制系统组成、硬件设计和软件设计。本文研究合适的控制方案对电热水暖温度进行控制，技术要求是调节时间短，超调量为零且稳态误差在±1内。指出了单片机设计的关键主要是能满足基本控制功能和容量,并考虑维护的方便性、系

3、统可扩展性等.本设计具有很强的实用性,用成本低廉的电阻式传感器以及电极配以单片机技术对生产实际中的太阳能热水器的水温的控制以及水位的显示。关键词：单片机；太阳能热水器；智能控制；温差跟踪循环；Solar Water Heater Auto-System DesignABSTRACTAt present, China has become the world's largest producer of solar water heater, annual production is about the world combined. However, a matching control

4、 system for solar water heater has been in research and development stage. The vast majority of controllers on the market structure is simple, single function, intelligence level is low, the user interface is not humane, only has the temperature and liquid level display function does not have temper

5、ature control functions. Even if the water heater with auxiliary heating function, it may be due to the heating time control and produced a burning, thus wasting energy. Second, most of the solar water heater is not power failure memory function, when the power failure, the measuring instrument can

6、not keep the user presets all of the parameters and time, A user-defined parameters of the original information will be restored to factory settings, to restore the original settings would have to re-set the parameters, giving users a lot of trouble.Details of the design of microcontroller based aut

7、omatic control system for solar water heater composed of hardware design and software design. In this paper, a suitable control program for electric heating temperature control, the technical requirements of the regulation time, overshoot and zero steady-state error within the ± 1 . Pointed out

8、 that the key to the single-chip design is to meet the basic control functions and capacity, taking into account the convenience of maintenance, system scalability and so on. The design is highly practical, with low-cost sensors, as well as the resistance of the electrode with single-chip technology

9、 to the actual production of solar water heater temperature control and display the water level.Keywords: microcontroller; solar water heaters; intelligent control; temperature tracking loop; energy automatically converted目 录摘 要I英文摘要II1 绪 言11.1 研究太阳能热水器的背景11.2 国内太阳能热水器发展现状12 太阳能热水器智能控制系统的硬件组成22.1 Ds

10、l2887与单片机的接口电路22.2 温度采集电路设计22.3 水位检测电路设计32.4 报警电路设计32.5 加热控制电路设计42.6 水位控制电路设计42.7 键盘、显示电路设计53 自动控制系统软件的设计63.1 I/O口的说明63.3 水温显示子程序73.4 中断服务程序93.5 T0中断服务程序93.6 水位设置及缺水上水至预置水位的程序113.7 上水及低水压上水子程序113.8 手动上水程序14结 论18谢 辞19参考文献20论文原创性声明211 绪 言1.1 研究太阳能热水器的背景在全球能源形势紧张、气候变暖严重威胁经济发展和人们生活健康的今天，世界各国都在寻求新的能源替代战略

11、，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，其产业化进程也较光伏电池、太阳能发电等产业领先一步。但是目前市场还有待规范，消费群体还有待培育，技术还有尚须改进，因而对于企业来说还有较大的成长空间。1.2 国内太阳能热水器发展现状在我国未来的能源消费格局中，决定不同形式能源的应用及发展前景的决定因素有两点，一是能源使用过程中的内外部成本，二是后继储量以及是否可再生。国家中长期科学和技术发展规划纲要指出2020年可再生能源在我国能源消费中的比重将达到16%。太阳能是最丰富的

12、可再生能源形式，是所有化石能源及多种可再生能源的源头。我国必将步入更为多元化、清洁、高效的能源消费新时代。据测算，使用1平方米太阳能热水器，相当于每年节约120公斤煤。因此，许多专家建议，我国应当大力倡导发展太阳能这样的可再生能源。 2008年国家出台了太阳能热水器鼓励支持发展的政策，全国40多个省、市建委出台了对12层以下房屋强制安装太阳能热水器的政策配套文件，极大地释放了城市市场。2009年上半年又出台了太阳能热水器下乡补贴政策，再次加速释放农村市场，国内迎来了太阳能热水器消费的井喷时代，全国每年有几百亿元的市场销售额。现有品牌企业中10个亿以上销售规模的已有十几个，5000万元以上销售规

13、模企业超过50家，每年平均以50%左右的速度在发展，国内外巨大潜在的市场培育壮大了一大批规模品牌企业。2 太阳能热水器智能控制系统的硬件组成本文设计的控制系统采用以太阳能加热为主，以电加热为辅，引入单片机，实现系统的全智能化控制。选用at89c51单片机作为太阳能热水器智能控制系统的控制核心。硬件系统主要组成包括：at89c51单片机基本电路、时钟芯片ds12887，数据采集、水位选择、温度显示、水位指示、加水电磁阀控制、报警电路、键盘电路等组成。硬件系统组成框图如图 太阳能热水器控制系统硬件组成框图2.1 Dsl2887与单片机的接口电路为实现热水器24小时供应热水的目的，控制器必须有一个实

14、时时钟来为系统提供准确的基准时间；在软件设计上则要求实时地读出当前时间，同设定时间比较，以决定系统工作状态。本系统采用串行实时时钟芯片ds12887进行计时，dsl2887内有锂电池，并有114字节的ram，可以在控制器断电时进行准确计时，并保存ram中的数据。它与8031单片机的接口电路如图所示。 At89c51与dsl2887的连接2.2 温度采集电路设计本设计中温度数据的采集选用水温传感器热敏电阻来实现。数据采集是通过热敏电阻采集水温送入a/d转换器tlc549的串口analogin，通过tlc549模/数转换器，把模拟信号转变为数字信号，由p1.7口送入单片机中。其水温检测电路如图3所

15、示。本设计中的水温检测电路采用廉价的热敏电阻作为水温传感器，在测量电路中r20用来调整工作电流，r22用于热敏电阻非线性补偿。热敏电阻rt具有负温度系数，通过调整阻值，使温度测量范围在1060时，经运算放大后的rt两端电压为4.6v-5v。水温检测电路2.3 水位检测电路设计考虑系统成本，设计中采用分段式液位检测方法。水箱内安装了4个传感器探针，以感知水位变化情况，水位检测电路如图4所示。微控制器根据水位检测电路检测的结果，自动加水至水位设定的档位。当水位低于10%时，自动报警并停止电加热，以防空烧空晒；当水位高于90%时,自动停止加水。水位指示是用四个发光二极管作为四档水位指示(10%、40

16、%、70%、90%)。水位检测与指示接口电路 2.4 报警电路设计当水满、水位较低时，对太阳能热水器使用都是不利的，通过外围硬件电路和软件设计可实现报警23。本设计采用的是单频声光报警电路。蜂鸣器采用压电式蜂鸣器。这种蜂鸣器只需在两引线加310v直流电压就能产生较高频率的蜂鸣声响。非常适用于单片机控制系统，报警器接口电路如图5所示。当p2.1输出高电平“1”时，晶体管导通，发光二极管点亮，并为蜂鸣器提供足够大的工作电流，蜂鸣器得电而鸣叫；当p2.1输出低电平“0”时，晶体管截止，二极管熄灭，蜂鸣器停止鸣响。对报警器的控制是通过三极管驱动直流蜂鸣器来实现的，通过控制p2.1输出高、低电平时间来控

17、制蜂鸣器的接通和断开时间，从而发出不同长短的断续报警器。报警电路2.5 加热控制电路设计加热器接220v交流电源，由双向晶闸管控制其电源的接入与断开电加热丝来实现的。为了提高系统的抗干扰能力，使强电与弱电有效地分离，在设计中采用了光电隔离措施以保证电路可靠的工作。加热器控制电路如图6所示。当单片机p2.2输出低电平“0”时，发光二极管发光，经光电隔离，给加热丝接通电源，电热丝加热；反之，当p2.2输出高电平“1”时，发光二极管不发光，晶闸管不导通，加热丝未接通电源，停止加热<SUP加热控制电路2.6 水位控制电路设计自动进水是由电磁阀的开通与断开来控制实现的。在电路设计中，为了实现强电与

18、弱电的隔离，采用了继电器控制技术，由单片机的p2.0来控制电磁阀的工作。由p2.0经74ls04反向后控制直流继电器线圈。当p2.0输出“1”，经74ls04反向后为低，使继电器线圈得电其常开触点闭和，从而接通电磁阀工作，控制进水。当p2.0输出“0”，经74ls04反向后为高，使继电器线圈失电，其常开触点断开，从而断开电磁阀，停止进水。2.7 键盘、显示电路设计在本设计中采用led显示器显示实际水温,显示电路用四个数码管显示温度,采用静态显示方式,当显示器显示某一字符时，相应段的发光二极管恒定地导通或截止，并且显示器的各位可同时显示。四个数码管为共阳极连接，显示器可显示温度设定值、实际温度测

19、量值。通过串入/并出移位寄存器74ls164做led显示器的接口，移位寄存器74ls164的使用主要是为整个系统设计节省i/o口。至于键盘，由于控制系统中的按键较少，可利用i/o直接驱动按键的形式实现。3 自动控制系统软件的设计3.1 I/O口的说明0.00.6分别用于输出7个字型码给显示器，同时，P0.0也作为缺水灯指示控制口，P0.1作为20%水位灯指示的控制口，P0.4作为50%水位灯指示的控制口，P0.5作为80%水位灯指示的控制口，P0.6作为100%水位灯指示的控制口。P0.3口还作为水位设置的输入口，在软件中可查看该口的电平高低，以确认水位设置键是否被按下。同理，P0.2口作为上

20、水键的输入口，在软件中可查看该口的电平高低，以确认水位设置键是否被按下。P1.0作为显示器显示温度值十位的位选，当P1.0=0时，显示器才能显示个位，否则 不显示。P1.7作为水位灯显示的位选，P1.7为高电平时，不显示水位灯，P1.7为低电平时，水位灯才能显示。P1.3口用于控制低水压上水指示灯，当系统正处于低水压上水时，低水压上水指示灯闪亮，即P1.3先处于高电平1s，再处于低1s，重复一段时间。P1.6口用于控制蜂鸣器，当系统处于缺水状态或低水压上水时，蜂鸣器都会鸣叫，即让P1.6处于高电平1 s，低电平1s，重复一定时间，以实现蜂鸣。P1.4口控制电磁阀，当系统需要上水或不上水时，即需

21、通过软件使P1.4处于高低电平，将P1.4置1时，打开电磁阀上水，将P1.4清0时，关电磁阀。P2.1及P2.0口用于外接晶振，为单片机提供工作所需的脉冲。P1.2口是定时/计数器T0的接口，用于对温度传感器，通过环形振荡器产生的方波进行计数，以求通过软件来计算出所测温度值。P0.7口用于定时/计数器T1的接口，水位传感器通过环形振荡器后，产生的方波的频率（或周期），即可由T1的计数，与T0的定时来求得。3.2 系统存储器功能本设计中将温度传感器所测出的温度值的个位放入内部RAM 30H中，将十位放入内部RAM 31H中，将计数器T1读取的计数值放入50H中，在测水位时，将T0计数器读取的计数

22、值存入60H中，经软件计算后，所得的用于衡量水位高度的频率值放入20H中。查表程序中的数据表格，十六进制数字形代码表如下：TABLE+00H TABLE+01HTABLE+02H.TABLE+0FH3FH012.F06H5BH.71H3.3 水温显示子程序 ORG 0050HLOOP1：MOV R0，#30HMOV DPTR，#TABLECLR P1.1SETB P1.7SETB P1.0ACALL LOOP2 ；先显示个位ACALL DEL1SETB P1.1CLR P1.0INC R0ACALL LOOP2 ；再显示十位RETORG 0070HLOOP2： MOV A，R0 ；查表子程序M

23、OVC A，A+DPTRTABLE： DB 3FH，06H，5BH，4FH，66HDB 6DH，7DH，07H，7FH，6FHDB 77H，7CH，39H，5EH，79HDB 71H，00HMOV P0，ARETORG 0090HDEL1： MOV R6，#0F9H ；1ms延时子程序LOOP3： DJNZ R6，LOOP3RETFH： MOV A，31HRL AADD A，30HCJNE A，#60H，PD0SJMP MAINZP0： MOV A，20HCJNE A，#d SH0 ；水位小于100%则上水至500CSJMP MAINSH0： MOV R3，#09HZL2： MOV R7，#O

24、FFHZL1： MOV R6，#OFFHZL0： SETB P1.4ACALL DEL1 ；1msACALL LOOP1 ；1ms调水温显示ACALL DEL1 ；1msSETB P1.0SETB P1.1CLR P1.7ACALL TD0 ；调水位显示MOV A，31HRL AADD A，30HCJNE A，#50H，JXX ；30分钟内有没上水到500C，若没转移CLR P1.4SJMP MAINJXX： DJNZ R6，ZL0DJNZ R7，ZL1DJNZ R3，ZL2CJNE A，#50HCLR P1.4SJMP MAINZZH： ACALL DSH ；调低水压上水SJMP SH03.

25、4 中断服务程序ORG 0100HINT1： 0PUSH ACCMOV A，TH0CJNE A，61H，ZHYD2MOV A，TL0 ；读低八位CJNE A，50H ；比较低八位SJMP ZHYD3 ；T0值没有变化转移ZHYD程序ZHYD2：MOV A，TH0 ；存放高八位MOV 61H，AMOV A，TL0MOV 60H，A ；存放低八位MOV 20H，#H ； 把所测水位值放入20H中ZHYD3：MOV TMOD，#51H ；设置T0定时，T1计数并采用方式2MOV TH0，#00HMOV TL0，#00HMOV TH1，#00HMOV TL1，#00HSETB TR0 ；启动T0SET

26、B TR1 ；启动T1POP ACCRET3.5 T0中断服务程序 ORG 0200HINT0： CLR TR1MOV SP，PUSH ACCMOV A，TH1 ；读高八位CJNE A，51H，ZHYD0 ；高八位不等，则两数不等转移MOV A， TL1 ；读低八位CJNE A，50H ；比较低八位SJMP ZHDY1 ；相等则转移ZHYD0：MOV A，TH1 ；放入高八位MOV 51H，AMOV A，TL0 ；放入低八位MOV 50H，ALOOP： MOV B，#XXHMUL ABMOV A，#YYHCLR CSUBB A，BCJNE A，#6AH ；看下所测温度有没超1000CLOOP1

27、：JNC LOOP2 ；低于1000C顺序执行，高于1000C转移MOV R0，#00HCLR CCHAN2：SUBB A，#0AH ；减10JC CHAN3 ；不够减转移INC R0 ；够减，十位数加1SJMP CHAN2 ；重复减10CHIN3： ADD A，#0AHMOV 31H，R0 ；BCD码十位送显缓MOV 30H，A ；BCD码个位送显缓ZHYD1：MOV TMOD，#15H ；设置T1定时，T0计数并采用方式1MOV TH0，#00H ；送初值MOV TL0，#00HMOV TH1，#00HMOV TL1，#00HSETB TR0 ；开启T0计数SETB TR1 ；开启T1定时

28、SJMP LOOP3LOOP2：MOV 30H，0FHMOV 31H，0FHACALL LOOP1 ；显示温度LOOP3：POP ACCRETI3.6 水位设置及缺水上水至预置水位的程序ORG 0300HSHSH： MOV R1，#00HMOV AUXR1，#00H ；先将置位端KBF清 0MOV KBI，#0CH ；允许.P0.3，P0.2口中断SETB EKB ；使能触发MOV A，P0ORL A，#0CH ；将P0.2，P0.3位先置高，其它位不变MOV P0，AMOV A，P0JNB ACC.3，KEY ；P0.3为0，即键被按下ACALL SH50 ；未被按下，预置水位为50%SJM

29、P FHZKEY3： INC R1MOV AUXR1，#00HCJNE R1，#05H，BJ1MOV R1，#01HACALL SH80SJMP FHZBJ1： CJNE R1，#01H，BJ2ACALL SH80SJMP FHZBJ3： CJNE R1，#03H，ZHD ACALL SH20SJMP FHZZHD： ACALL SH50FHZ： RETI3.7 上水及低水压上水子程序 ORG 0400HSH50: MOV R4，#09HJX3： MOV R3，#6AHJX2： MOV R7，#04HJX1： MOV R6，#0FAHJX0： SETB P1.0SETB P1.1SETB P1

30、.7SETB P0.4SETB P1.4 ；开电磁阀ACALL DEL1 ；1msMOV A，20HCJNE A，#b，JXSETB P1.3CLR P1.4 ；上水完毕关电磁阀SJMP FHDJX： DJNZ R6，JX0DJNZ R7，JX1DJNZ R3，JX2DJNZ R4，JX3MOV A，20HCJNE A，#b，CY ；采用低水压上水SETB P1.3CLR P1.4SJMP FHDCY： ACALL DSHSJMP SH50FHD： RETORG 0500HSH80： MOV R4，#09HJX3： MOV R3，#6AHJX2： MOV R7，#04HJX1： MOV R6，

31、#0FAHJX0： SETB P1.0SETB P1.1CLR P1.7SETB P0.5SETB P1.4 ；开电磁阀ACALL DEL1 ；1msMOV A，20HCJNE A，#c，JXSETB P1.3CLR P1.4 ；上水完毕关电磁阀SJMP FHD1JX： DJNZ R6，JX0DJNZ R7，JX1DJNZ R3，JX2DJNZ R4，JX3MOV A，20HCJNE A，#a，CY ；采用低水压上水CY： ACALL SDHSJMP SH80FHD： RETORG 0600HSH20： MOV R4，#09HJX3： MOV R3，#6AHJX2： MOV R7，#04HJX

32、1： MOV R6，#0FAHJX0： SETB P1.0 ；位选置1，不显示十位SETB P1.1 ；不显示个位CLR P1.7 ；显示水位灯SETB P0.1 ；20%水位灯亮SETB P1.4 ；开电磁阀ACALL DEL1ACALL LOOP1MOV A，20HCJNE A，#a，JXSETB P1.3CLR P1.4SJMP FHDJX： DJNZ R6，JX0DJNZ R7，JX1DJNZ R3，JX2DJNZ R4，JX3MOV A，20HCJNE A，#a ，CYDSETB P1.3CLR P1.4SJMP FHDCYD： ACALL DSHSJMP SH20FHD； RETO

33、RG 0700HSH100： MOV R4，#09HJX3： MOV R3，#6AHJX2： MOV R7，#04HJX1： MOV R6，#0FAHJX0： SETB P1.0 ；位选置1，不显示十位SETB P1.1 ；不显示个位CLR P1.7 ；显示水位灯SETB P0.1 ；20%水位灯亮SETB P1.4 ；开电磁阀ACALL DEL1ACALL LOOP1MOV A，20HCJNE A，#a, CYDSETB P1.3CLR P1.4SJMP FHDCYD： ACALL DSHSJMP SH20FHD： RET3.8 手动上水程序 ORG 0900HPUSH ACC ；保护现场M

34、OV R2，#00HMOV AUXR1，#00H MOV KBI，#0CH ；允许P0.2，P0.3引发键盘中断 SETB EKB ；使能触发MOV A，P0ORL A，#0CHMOV P0，AMOV A，P0JNB ACC、2，KEY2 ；判断键盘有没被按下SJMP HDKEY2： INC R2MOV AUXR1，#00HCJNE R2，#03H，ZHD1MOV R2，#01HSJMP SY0ZHD1： CJNE R2，#01H，ZHD2DY0： CJNE R1，#00H，ZHD3MOV A，20HCJNE A，#b，ZHD6ACALL SH80SJMP HDZHD6： JNC ZHD7AC

35、ALL SH50SJMP HDZHD7： CJNE A，#c，ZHD8ACALL SH100SJMP HDZHD8： JNC ZHD9ACALL SH80SJMP LOOP1ZHD9： CJNE A，#d，ZHD10CLR P1.4SJMP HDZHD10： ACALL SH100SJMP HDZHD3: CJNE R1,#01H,ZHD4CJNE A，#CH，ZHD11ACALL SH100SJMP HDZHD11： JNC ZHD12ACALL SH80SJMP HDZHD12： CJNE A，#d，ZHD13CLR P1.4SJMP HDZHD13： ACALL SH100SJMP HD

36、ZHD4： CJNE R1，#02H，ZHD5CJNE A，#d，ZHD14CLR P1.4SJMP HDZHD14： ACALL SH100SJMP HDZHD5： CJNE R1，#03H，ZHD15CJNE A， #a， ZHD16ACALL SH50SJMP HDZHD16： JNC ZHD17ACALL SH20SJMP HDZHD17： CJNE A，#b，ZHD18ACALL SH80SJMP HDZHD18： JNC ZH19ACALL SH50SJMP HDZHD20： CJNE A，#c，ZHD21ACALL SH100SJMP HDZHD21： JNC ZHD22ACAL

37、L SH80SJMP HDZHD22： CJNE A，#d，ZHD23CLR P1.4SJMP HDZHD23： JNC ZHD24ACALL SH100SJMP HDZHD2： CLR P1.4 ；当在上水过程中按下手动上水键时，即关电磁阀POP ACC ；现场恢复END结 论该控制器和以往显示仪相比具有性能价格比高、温度控制与显示精度高、实用方便和性能稳定等有点。单片机控制系统具有低价、智能的优势，能够根据需要的不同而相应的调整，更加具有个性化。同时，使用单片机控制系统能够节约能源，保护设备，延长设备的使用时间。该热水器具备以下特点：1.结构简单、运行可靠、操作维护简便。2.热源取之不尽用之不竭，不需要运输，节省燃料。3.无污染，不会对周围环境造成任何影响。4