【《关于太阳能热水器自动上水控制系统设计》9400字（论文）】

关于太阳能热水器自动上水控制系统设计摘要：清洁能源应用成为趋势，太阳能热水器是太阳能被开发利用运用最广泛的一种设备，运用于人们的日常生活中。本文是基于STC89C52RC单片机的基础上，配套1602液晶显示器，设计出一款更加智能化、人性化，实现自动加热与上水等功能的热水器的控制器。关键字：太阳能热水器；单片机；自动上水控制目录TOC\o"1-3"\h\u76541绪论 1167821.1课题研究的目的

134651.2课题研究的现状 269601.3本文研究的内容与工作 366932系统硬件设计选取 4285382.1STC89C52CR单片机 4233132.2温度传感器的选型 4284042.3水位检测电路选型 589602.4系统整体流程 673443系统硬件电路的实现 7325993.1STC89C52单片机系统设计 7298653.1.1STC89C52RC最小系统单片机 8224143.1.2复位电路 10220783.1.3时钟电路 10215713.21602液晶显示器 11233963.3温度采集设计 13133443.4水位检测设计 13190743.5蜂鸣器模块设计 1594193.6继电器驱动模块 15214系统软件设计 17103574.1液晶显示子程序 17221594.2DS18B20温度采集 1753164.3水位传感器 1715474.4软件设计主程序流程 17241095硬件测试 197216结束语 2315096参考文献 2417280附录 26绪论1.1课题研究的目的

在我们赖以生存的地球上，大自然不仅给予我们美好的生存环境还蕴含着丰富的资源。经过我们不断地挖掘，获得了大量的丰富的资源，然而即使再丰富的资源，在我们对它进行无穷的开采，也会有利用完的一天。可想而知，在这个时代我们要做的就是保护好我们生存的环境，才能守住我们的“金山银山”，只有合理的利用资源才能让其源远流长，永不枯竭。按照当前的发展趋势，环保能源取代传统能源是普遍的趋势，能源开发轨道和规律走向，从低清洁到高效率，可再生的清洁能源资源的开发和利用，顺应可持续的发展要求，才能够保护我们生存的环境并且促进国家经济是一种健康的模式中增长。于是我们将目标放在大自然的可再生资源上，利用可再生资源因具有的特性—能够在现阶段的自然界特定条件下，进行持续的再生更新、不断繁衍增长、保持或者增大其储量，是依赖种源而再生。因此积极响应国家的号召，坚持“绿色共识”，推进“绿色发展”，有效利用这些大自然的可再生资源。而太阳能作为可再生资源是一种绿色的清洁能源，是最为无偿与环保，太阳能热水器对于太阳能的运用是最为广泛的一种。科技不断的在进步，产品不断地进行更新换代，更加智能便利的运用于人们的生活当中，提升用户的使用感舒适度。在当今注重能源、安全与环保的条件下，很显然市场上有的电热型热水器和燃气型不符合这样的标准。电热型热水器由于长时间的加热，比较消耗电因此费用比燃气型的偏高，部分的热水器在潮湿的环境下运行有漏电现象，存在一定的安全隐患。而燃气型热水器，是在室内使用的，燃烧的高温、废气和对氧气的消耗不仅是对环境的污染，更是成为危险的来源，一旦泄露就会造成一氧化碳中毒的风险，因在洗澡中造成一氧化碳中毒的事件在新闻上也是屡见不鲜。而太阳能热水器便能克服以上问题，太阳的资源是最为丰富且可以源源不断地获取，通过光能作用，将太阳能转化为热能，就可以将冷水变成热水，并且水温能满足人们的日常需要。太阳能热水器的自身节能环保、和使用成本较低的特点，还有精美时尚的外观让它在市场上需求日益迫切。然而一个好用的太阳能热水器，它的控制器的功能一定不能太少。例如在空晒的情况下出现上水爆炸的问题，水温调节的问题，不宜让水温升的太高而造成水分蒸发，还有在冬天或者其他天气情况下，由于太阳的光照不足的情况造成的水温不足的问题。这类问题给以往的热水器用户带来的诸多的不便之处，在我国日益扩大的市场需求，要对这些对产品进行优化，对控制器进行升级。因此太阳能需要和其他能源相结合的，使得太阳能热水器的功能变得更加完善。研发出的热水器能在缺水的情况能够自动上水，防止空晒时上水爆炸，到上限的时候会停止加水。在温度不足的时候能进行自动加热，并且用户可以自行设置自身需要热水的时间段，在那个时间段如果温度没有达到用户的需要，热水器便会进行加热，不会造成额外不必要的用电浪费，因此也不会受到天气因素的干扰，更加的智能化、人性化的功能来适应人们生活的需求，研发了智能的太阳能热水器。本文是在STC89C52RC单片机的基础上，研究太阳能热水器控制器，通过单片机实现太阳能智能控制的设计。1.2课题研究的现状日常生活中热水器的存在不可忽视，为我们清洁时候提供所需要的热水，对能源消耗进行分类的话，结果显示家庭经常使用的热水器主要是电热、煤气、太阳能、空气能等，我们国家中国在世界上可是对太阳能普及应用最为广泛的国家之一，在“六五”期间就已经开始。已经形成了不小的规模，并且形成有自身特色的文化。其他各国也是争先恐后的搞研究，发展太阳能热水器，尤其是在美国、德国、以色列，太阳能热水器的开发研究是非常活跃的。据悉，热水器的内胆是最关键的,如果内胆损坏意味着整个机器的功能丧失。和其他家用产品相比，电热水器不需要经常升级，而且出于安全与经济的原因，制造商需要绞尽脑汁制造耐久性优良的热水器。热水器内胆是最关键，从某种意义上说，内胆的质量等于热水器的质量。

内胆技术虽然很复杂，但其目标是一

样的：保温、耐压、防锈蚀、无水垢、无渗水。想在传统电热水器行业取得本质的突破几乎是不可能的，而抓住人类需求在性能与服务上不断提升，不失为一种有效的方法。正因如此，阿里斯顿，比利奇，史密斯、海尔、美的相继推出了大型液晶显示屏，电子线控技术，时尚超薄双管加热、漏电保护器、电气保护墙等新技术，特别是海尔电热水器加入了按摩的功能，让消费者在家就能字受按摩的乐趣。就国内的具体情况而言，略逊于国外，但学者们也在努力寻求技术突破，如海尔几乎成为国内翘首。不甘落后，推出了新产品，银海象A6智能专家，第一个电热水器是国内同时具有智能数据分析和环境数据记忆功能的智能化产品。记忆，是A6的最大特点。就算遇到好比家中突然停电这样的突发状况，其原有的设置数据也会被原分不动的保存下来，继续提供服务，按照原有设计运行，不需要重新设置。这就是具有智能化自主记忆的魅力所在。现在市面上已经有很多款智能电热水去具有预约加热时间的功能，可是这仅仅是一个笼统的时间预定，在遇到像阴雨天这样温度较低的环境，显然这样简单的时间预约已经满足不了用户的需求。这样的系统不够智能化，然后具有计算功能的A6就能完美解决这样的问题。通常的用户是不知道需要花费多少的时间开始加热，而A6会依据用户设置的洗浴时间，再根据当前的室温将加热时间所需的水温计算好提前自动加热以减少能源的损耗。1.3本文研究的内容与工作这次设计的控制器是把STC89C52RC单片机作为基础，采用LCD1602液晶显示、DS18B20防水型温度传感器测温和DS1302时钟芯片掉电走时，液晶显示当前的时间、温度、温度上下限值、和定时时间。按键输入设置参数，温度上下限值可以按键设置，设置的值可以掉电存储到单片机内部EEPROM，掉电不需重新调整数据，更加方便快捷实用。采用两个水位传感器和LM393电压比较器检测上、下水位功能。当温度低于设置的最低温度的时候控制温度的继电器（上）吸合，开始加热；继电器被断开在温度高于设置的最高温度的时候，停止加热。在自动上水控制方面，水少不加热并启动水位控制继电器（下）吸合模拟加水，当水加至水位上限时，继电器断开停止加水。液晶显示器显示当前时间和设置定时时间。随意设置开启和关闭热水器控制系统，这样更加智能和节能。当温度低于设置的最低温度的时候温度控制继电器（上）吸合，待温度高于设置的最高温度的时候继电器断开。采用两个水位传感器和LM393电压比较器检测上、下水位功能，水少不加热并启动控制水位的继电器（下）吸合模拟加水，当水加至水位上限时，继电器断开停止加水。热水器工作加热和加水时有相应的指示灯（红灯代表缺水，黄灯代表加水，绿灯代表加热）。按键可以设置水温的控制范围，五个按键功能：设置、加、减、确定、单独的是复位按键。

系统硬件设计选取2.1STC89C52CR单片机本论文研究内容的设计应用到的是STC89C52RC单片机，该单片机是STC公司生产的一种功率被消耗的不大、性能还高效，CMOS8位微控制器，是8K字节系统可编程Flash存储器。使用经典的MCS-51内核，被改进了以后，拥有了普通的51单片机所没有的功能。STC单片机与Atmel单片机相比，是在STC的2线制下载方式，让下载变得更方便；支持6T模式；片内集成了4kB容量的EEPROM；带有P4口，具有更多的I/O带有P4口，具有更多的I/O，STC的8位灵巧的CPU让程序存储具有更大的擦写寿命。STC标称可以擦写10万次，Atmel标称只可以擦写1000次。

STC89C52还为多个内置控制应用系统提供灵活有效的解决方案。另外，单片机可以在0Hz的静态逻辑运行，选择这个芯片，还有两种软件可以选择节能模式。图2-1STC89C52RC2.2温度传感器的选型DS18B20常用的\t"/item/DS18B20/_blank"数字温度传感器，其输出的是\t"/item/DS18B20/_blank"数字信号，具有体积小，硬件开销低、抗干扰强、精度高的特点，并且连接线包装方便，应用广泛。例如管式、螺丝式、磁铁吸附式、不锈钢封装式。为了测量水温，需要防水功能，用不锈钢包装。本文使用的是防水型的温度传感器，和普通型DS18B20的温度传感是一样的用法。红线接的是电源，黑线接的是GND，黄线接信号线。该传感器具有优质的不锈钢管封装，具有防水、防潮、防生锈的优点，适合用于在水中对水温的测量，硬件实物如下图。图2-2防水型温度传感器2.3水位检测电路选型本文采用两个水位传感器和LM393电压比较器来检测上、下水位功能。在自动控制状态，加水实现自动操作。本文采用了一种水位识别检测传感器，该传感器具有简单易用的性价比，它通过测量水位大小来确定水量大小，是通过一系列平行线轨迹被曝光在外进行的，水量被转换成模拟信号。输出的模拟信号可以被开发板读取，感应到水后会有报警的功效。如图2-3所示。LM393电压比较器介绍：双电压比较器集成电路，输出负载电阻可在不限于VCC端电压值的任何电源电压范围内连接。这个输出可以作为一个简单的对地SPS开路。如果不使用负载电阻，则可以获得输出陷电流波电流的β价值有限制。当限制电流达到（16毫安），输出晶体管终止和输出电压迅速上升。应用说明：LM393是高增益和宽频带设备，与大多数比较器一样，寄生电容器在输入输出中容易因为产生耦合而发生震动，需要连接所有比较器无用的导线。图2-3水位传感器2.4系统整体流程系统上电之后初始化设置自行完成，让传感器及控制电路完成前期准备工作。初始化结束，程序会对温度和水位进行测量，并将温度测量结果显示在液晶屏，供用户查看。当温度低于下限的时候温度控制继电器（上）吸合，开始加热；待温度高于上限的时候继电器断开，停止加热。在自动上水控制方面，缺水不加热并启动水位控制继电器（下）吸合模拟加水，当上水位的水位传感器感应有水时，继电器断开停止加水，系统整体流程图如下。图2-4系统整体流程图

系统硬件电路的实现3.1STC89C52单片机系统设计STC89C52RC单片机是宏晶科技新的一代高速、低功耗、防止干扰能力强的单片机。命令代码使所有常规8051单芯片对应，可选地选择12个时钟/机械周期和6个时钟/机械周期，工作频率为0到40MHz，并且通常8051单片机的0到80MHz，然而实际上可以达到48MHz。具有40个引脚，采用双列直插的分装，分为电源、时钟、控制、I/O口引脚这四类，引脚示意如下图3-1。单片机的主要特征：8K字节程序存储空间512字节数据存储空间4K字节EEPROM存储空间可直接使用串口下载单片机的工作模式：掉电模式：典型功耗<0.1μA,可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序空闲模式：典型功耗2mA正常工作模式：典型功耗4Ma～7mA掉电模式可由外部中断唤醒。图3-1STC89C52RC引脚图3.1.1STC89C52RC最小系统单片机系统硬件是以STC89C5RC2为核心，最小系统是各元器件组成的电源、复位电路、时钟电路、外围电路等。在单片机使用上拉电阻的作用：在COMS芯片中，不被静电损坏，无用管脚不能悬空。一般的连接上拉电阻会降低输入阻抗，提供泄荷通路，输出电平是被增加芯片管脚上的上拉电阻拉高的，提高芯片输入信号噪声的容限度，抵御干扰增强，提高总线抗电磁干扰能力，外部电磁会把悬空管脚给干扰到。在遇到高阻状态时，高阻状态会被上拉电阻或下拉电阻处于的电路，变成一个稳定的状态。上拉电阻阻值的选择原则包括:节约电力消耗和芯片灌溉电流的能力来看，应充分并且电阻大而电流小。确保足够驱动电流考虑应当足够小；电阻小，电流大。对于高速电路，过大的上拉电阻可能边沿变平缓。以上三点,通常在1k到10k之间选取，本文选用10K上拉电阻。下图为单片机的最小系统原理图。图3-1-1最小系统原理图

3.1.2复位电路复位电路是由按键复位和上电复位组成。单片机复位电路作用是把一个例如状态机初始化到空状态，而在单片机内部复位的时候单片机把一些寄存器以及存储设备装入出厂预设的一个值。按键复位:按键的复位并联开关和复位电容器一起。按下开关后电容会放电，RST也会拉到高水平。另外，通过充电后的电容，可以维持暂时的高电平的状态，将单片机复位。上电复位:STC89系列单片机为高电平复位，一个10uf复位电容被连接在复位引脚RESET上到VCC，GND电路上在放置一个10k电阻，由此形成RC充电放电回路，连接到一个方向时，RESET的脚在充分的时间内恢复到了高电平。正常工作状态是在低电平回归进入的时候。复位电路原理图如下。图3-1-2复位电路原理图3.1.3时钟电路为了实现热水器提供24h热水的目的，控制器必须用实时时钟为系统提供准确的标准时间。时钟电路是单片机重要的一部分，主要特点是利用串行数据传输，提供可应用于掉电保护电源的充电功能，并关闭充电功能。在时钟频率的基础上一一进行着各功能的部件的运行，所以时钟频率会因此影响单片机的速度，要选用质量好的时钟电路来确保电路的稳定性。时钟电路一般由晶体振荡器、晶振控制芯片和电容组成。STC89C52使用晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部自带振荡电路。所以外部只要连接一个12MHz晶振和两个电容。电容容量一般在15pF至50pF之间，本次选用30pf。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输入端。晶振时钟振荡原理图如下。图3-1-3晶振电路原理图3.21602液晶显示器液晶显示器是我们日常生活中十分熟悉的一种器件。主要表现数字、专用符号和图形，单片机的人机的交流界面中，一般输出口方式有以下几种：发光管、LED数字管、液晶显示器本文选用的是LCD1602液晶显示器。字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD目前常用16*116*220*2和40*2行等的模块。是一种很常用的小型液晶显示模块，在单片机系统、嵌入式系统等的人机界面中得到了广泛的应用。在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：显示质量高。数字式接口。体积小、重量轻。功耗低。1602LCD主要技术参数如下：(1)显示容量：16×2个字符(2)芯片工作电压：4.5-5.5V(3)工作电流：2.0mA(5.0V)(4)模块最佳工作电压：5.0V(5)字符尺寸：2.95×4.35(W×H)mm引脚功能说明：1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表3.3所示：表3.3引脚接口说明表图3-31602液晶电路原理图3.3温度采集设计DS18B20因其独特的单线接口方式，在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯，电源由数据线提供，不需要外部电源，一般使用时连接微控制器系统进行温度数据的收集。运用的时候只需将其信号线与单片机的I/O接口相连，支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温，测温范围负55℃到正125℃，固有测温误差1℃。DS18B20引脚定义：(1)DQ为数字信号输入/输出端；(2)GND为电源地；(3)VDD为外接供电电源输入。DS18B20模块设计，测温模块DR脚是数据输出，在加上一个10K电连接到电源VCC上，这个是上拉电阻，起到一个稳定信号的作用。原理图如下。图3-3测温模块电路原理图3.4水位检测设计采用两个水位传感器和LM393电压比较器检测上、下水位功能。在自动上水控制方面，缺水指示灯（红）亮起来，水少不加热并启动水位控制继电器（下）吸合模拟加水，当水加至水位上限时，继电器断开停止加水，指示灯熄灭。水位传感器是指能将被测点水位参量实时地转变为相应电量信号的仪器。其工作原理是：容器内的水位传感器根据水位传感器的平行线轨迹，将测量水量并感知到的水位信号传送到控制器，比较控制器内计算机实测的水位信号和设定信号，然后发生偏差。由于偏差的性质，接力“ON”发出“OFF”的命令，确保容器达到事前设置的水位。LM393电压比较器，4脚接地8脚接电源，123脚是一组电压比较器，检测下水位，567脚是一组电压比较器，检测上水位。其原理是当2脚的电压高于3脚的时候，1脚就会输出一个低电平（相反的当2脚的电压低于3脚，那么1脚就是一个高电平的状态）。电压比较器的2脚是与水位传感器相连接，当水位传感器触碰到水的时候，电压会升高很多。因此在单片机上的P36口就会收到一个低电平，程序上就会检测这个低电平，执行相对应的控制程序。在P36口接受的低电平状态，相应的指示灯LED（红）也是连接低电平状态，就会灭掉，代表不缺水的状态。（5脚相当于3脚，6脚相当于2脚，7脚相当于1脚，功能相同。）水位检测原理图如下图3.4。指示灯（红）模块原理图如下图3.4.1。图3-4水位检测原理图图3-4-1指示灯模块指示灯3.5蜂鸣器模块设计蜂鸣器的发声原理由振动装置和谐振装置组成，而蜂鸣器又分为无源他激型与有源自激型，本次设计选用有源自激型蜂鸣器，有源自激型的工作发声原理是：振荡系统在直流电源输入经过进行放大的取样电路，在谐振装置作用下产生声音信号。蜂鸣器模块的设计是采用的是9012，PNP型的三极管来驱动，主要运用三极管的开关作用。再加上一个限流电阻，得到一个低电阻，三极管就会导通。在单片机的P26引脚口给的是一个低电平那么蜂鸣器就会响。蜂鸣器原理图如下：图3-5蜂鸣器电路原理图3.6继电器驱动模块太阳能的水温控制是在水温低于设置的下限温度值时，对水温进行加热；在水温达到温度设置的上限温度值时，便会停止加热控制。而水位的控制是当下水位的水位传感器感应不到水，便会进行加水；当上水位的水位传感器感应到水，便会停止加水。这里需要开启关闭水温和水位的开关，让太阳能热水器能够达到水温和水位的自动控制，需要用电磁继电器。电磁继电器的工作原理是：电磁继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。在单片机发出电平信号，流经正向驱动器，获得一个稳定的低电平信号，联通发光二极管的上下，再让发出的光导通之后的电路，连通三极管。在它线圈接通时，磁化的铁芯产生足够的电磁力，簧片被吸动衔铁带动，使动触点和静触点在原来闭合的触点断开或原来断开的触点闭合，线圈切断电源后，电磁吸力消失，衔铁回到原来的位置，移动的触点和固定触点恢复原来的闭合或分开的状态。应用时需要控制的电路连接到接触点，由继电器控制达到目的。在继电器驱动模块的电路中三极管是当做一个开关作用，加一个1k的限流电阻，同样也是在低电平下有效，在低电平时导通。继电器的线圈也LED（黄）并联，在LED后加一个分压电阻。在继电器后面的负载可以加一个热得快，继电器相当于开关的作用，吸合之后就会导通加热。考虑操作安全问题实验起到模拟作用即可，就不加进加热设备。控制水位的继电器同理，继电器原理图如下。图3-6继电器电路原理图

系统软件设计太阳能热水器自动上水控制系统设计是通过软件Keiluvison5编译程序，写好各个模块的子程序后并编译，然后添加到主程序中，再编译主程序同时生成hex文件，最后将hex文件通过单片机开发板烧入最小系统单片机STC89C52RC中。4.1液晶显示子程序LCD1602液晶显示器通过端口P1.1、P1.2分别控制RS和EN口，RW在硬件上接地，只读不写，不定义。显示子程序中主要写入命令函数、写入数据函数、清屏函数、写入字符串函数、延时和初始化函数组成，详细程序可在附录中查找。4.2DS18B20温度采集温度采集程序的流程根据DS18B20通讯协议，单片机在控制DS18B20时，首先要进行初始化，完成每个寄存器的初始化，然后启动温度转换功能，等待温度的获取，读取数据寄存器，获得较高的字节数据DH和较低的字节数据DL，换算温度值，并用于显示在液晶屏上，详细程序见附录。4.3水位传感器水位传感器程序流程，上下水位没有信号的时候，启动继电器加水，关闭加热的继电器，不会出现缺水加热的情况；上水位没有信号时，启动继电器进行加水；当上水位检测信号到下水位没有信号，会启动蜂鸣器报警，关闭两个继电器，详细程序见附录。4.4软件设计主程序流程主程序要先初始化系统的工作参数，主要是单片机的各部分的工作模式参数设定，之后系统主程序循环调用各个功能模块子程序，对相关事件的处理依靠标志位和判断标志位实现，流程图如下。图4主程序流程图

硬件测试绘制电路原理图，再绘出PCB轮廓，确定工艺要求，如何使用几层板等，再把原理图无缝转换成PCB中，在网络表，设置规则和在原理图的基础上设计好布局再进行布线，设计规则检查工具对于绘制好的PCB进行检查。覆铜成品号的电板，钻洞后将各个器件插入并完成焊接，最后接上LCD1602显示器，烧写入显示程序后检测显示器正常工作与否。整体原理图如图5-1，PCB如图5-2。图5-1系统整体电路原理图图5-2PCB板图硬件实物图如下：图5-3硬件正面展示图5-4硬件背面展示硬件总调：水位传感器的下水位传感器没有感应到水，红色的指示灯亮（代表缺水状态），黄色指示灯不亮（定时加热期间，缺水不会加热），继电器开关吸合的状态，绿色的指示灯亮（处于加水的状态中），在定时加热期间，黄色指示灯亮，进行加热。当上水位传感器感应到水，绿灯灭。在定时加热时间内黄色指示灯亮，表示继电器吸合，开始加热中，当温度加热到水温设置的上限时，黄色指示灯熄灭。烧写好程序将单片机插入插座当中，插入电源线，按下开关。电源导通蜂鸣器响应，液晶显示器显示当前时间，当前温度，如下图。图5-2-1液晶显示当前时间和温度按键可以进行温度上下限的设置，以及加热开启时间和关闭时间设置，如下图所示。图5-2-2液晶显示设置温度上下限和加热开启与结束时间调试结果：经调试，系统运行正常。液晶显示当前的时间、温度、温度上下限值、和定时时间。按键输入设置参数，设置的值可以掉电存储到单片机内部EEPROM，掉电不需重新调整数据。温度上下限值可以按键设置，在温度低于下限时加热，达到上限停止加热。两个水位传感器能够正常检测上、下水位功能。

结束语绿色能源的发展和可持续发展问题取代不可再生能源是这个时代面临的重要课题。新能源的开发和利用高度重视各国政府充分合理利用现有能源，太阳能发电作为无穷无尽的环保能源实现了前所未有的发展，随着技术水平的持续改善，产业化水平得到了提高。随着太阳能技术的提高，太阳能技术取得