【《基于单片机的太阳能热水器控制系统设计》7000字（论文）】

基于单片机的太阳能热水器控制系统设计目录摘要 摘要：随着社会的发展和科技的进步，人们的生活水平不断提高，但出现的问题也越来越多，例如能源危机与环境污染，因此全球开始倡导绿色环保的理念。太阳能作为清洁能源取之不尽、用之不竭，干净且无污染，得到了人们的广泛认可，因此积极推广太阳能的应用具有重大意义。本设计将研究一个智能化的太阳能热水器控制系统，在介绍单片机、传感器等元件的基础上，详细说明了太阳能热水器控制系统的方案设计。根据本设计的要求，采用STC89C52作为主控芯片，硬件设计部分包括：水温检测模块、水位检测模块、继电器控制模块、按键模块、报警模块、显示模块以及系统供电模块。结合软件设计，本系统的各个模块均可正常工作，符合设计要求。关键词：太阳能；控制系统；STC89C521绪论1.1设计背景人类发展的动力是能源，人类文明的进步离不开新旧能源的更新换代。当在第一次工业革命出现蒸汽机，煤炭资源便替代木材资源，成为当时最重要的能源；当石油资源被发现并得到开发与利用，世界各地对石油的需求量激增，人们开始大量开采石油资源，石油逐渐取代了煤炭成为主要能源。每一次的能源更新都象征着人类科技文明发展到了一个新的高度，然而，这样的化石燃料燃烧所产生的污染物却对环境产生了巨大的负面影响。迈入21世纪后，伴随着人类科技的发展逐渐加速，能源开采的速度也在加快，然而，这些日常使用的化石能源的储备是有限的，可能在不久的将来会迅速接近枯竭甚至消失殆尽。因此，我们需要发展新能源技术为了解决这一危机，我们需要发展新能源技术。太阳能作为新能源的一员，凭借其清洁环保、取之不尽有的优势，在发展新能源技术的路上具有不可取代的地位。1.2研究现状21世纪以来，国内经济快速发展，生活方式也有了极大地改善，为了进一步方便生活、提高生活质量，人们开始青睐于节能环保的太阳能热水器。在改善居民日常生活、全面建设小康社会的路上，太阳能热水器已然成为一个必要的家用电器。随着不可再生能源的不断消耗，人们的观念逐渐改变，环保意识也逐渐提高，尽管在与燃气和电热水器的激烈竞争下，太阳能热水器市场占比有所下滑，但太阳能热水器依旧能凭其节能环保等新优势在市场上稳步发展，并且随着科技的发展，太阳能热水器相关技术也得到了长足进步。1.3研究目的虽然太阳能热水器逐渐普及，但是目前市场上大部分的太阳能热水器都没有智能的自动控制系统，在一些特殊条件下，这些太阳能热水器的使用体验并不是特别好。比如阴天或者下雨天，在光照不充足的情况下，热水器不能够通过太阳能加热来为用户提供温度合适的热水；或者储水箱里的水不够而又忘记加水的情况下，用户没有足够的水来洗澡。为了解决这些困扰用户的问题，进一步提高用户的生活质量，设计一个智能化的太阳能热水器控制系统，自动控制加热上水装置运作，显得尤为重要。1.4设计任务本设计需要完成一个智能化太阳能热水器控制系统，该系统的设计目标有：一、显示与检测水温水位；二、系统控制自动上水与加热；三、设置温度与水位；四、高温（加热到限定温度）报警，并停止加热；2太阳能热水器控制系统方案2.1主控方案采用STC89C52作为主控芯片。STC89C52作为一种微控制器，在低功耗、高性能的同时，自身带有8K字节系统可编程Flash存储器,虽然使用的是和51单片机一样的经典的MCS-51内核，但是在传统的51单片机原有功能的基础上具备一些其他的优势，比如更大的RAM，考虑到实物所需要实现的功能，在本设计中使用STC89C52单片机作为控制系统的主控芯片。2.2水温检测方案对于整个太阳能热水器控制系统来说，温度检测是重中之重，其测量准确与否是衡量热水器控制系统是否合格的一个标准，同时也会直接影响到系统根据采集到的水温发出下一步的指令。在设计水温测量方案时，有以下两种方案：一是利用热敏电阻将检测到的温度值转换成模拟量，再经过模数转换电路，转变成系统需要的数字量，这是模数转换的方法。二是直接利用数字式温度测量元件，常见的温度测量元件有LM355Z、DS18B20等等，该方案有众多的温度传感器可供选择并且使用起来非常方便，其中DS18B20就是一个高精度数字温度传感器，通过将检测到的温度值直接转化成数字量，以便单片机读取数据，进行处理。综上所述，第一种方案的设计难度较大，电路较为复杂，成本也相对较高，而第二种方案中的数字温度传感器使用起来则更加方便，所以本设计采用DS18B20作为测温元件。2.3水位检测方案在使用太阳能热水器时，用户需要掌握水箱里水位实时情况，所以水位检测同样在太阳能热水器中很重要。考虑到实物应用以及合理性，水位检测采用了浮子液位传感器，通过浮子随水位移动，触发内部开关，从而检测出水位位置，它是一种结构简单、使用方便的液位控制器件，不需要提供电源，没有相对复杂的电路，具有体积轻巧、工作寿命长、可靠性高等优点。2.4显示方案有以下三种方案可供选择：一是采用数码管显示信息，但是会用到较多的I/O口，并且体积较大、功耗较高；二是使用LCD1602液晶屏来显示，优点是显示字母和数字比较方便，控制简单以及成本较低，缺点是不能够显示图形、曲线等；三是采用LCD12864液晶屏，优点是功耗低、体积小、重量轻，但是成本较高，并且程序和电路都比较复杂。由于本设计在显示方面没有过多的要求以及成本等因素，所以选择方案二LCD1602液晶屏作为该系统的显示器件。2.5报警方案出于对用户安全的考虑，整个系统需要一个报警模块，用来提醒用户安全用水。蜂鸣器是一种采用直流电压供电、结构一体化的电子讯响器，广泛应用于报警器类电子产品中作发声器件。在水温过高的情况下，蜂鸣器会发出声响，提醒用户此时用水很可能会被烫伤。因此，用蜂鸣器配合LED灯作声光报警非常合适。2.6系统供电方案锂电池具有寿命较长、自放电率低、重量轻等优点，因此本设计选择可充放电的锂离子电池，为整个系统供电。此外，为了响应太阳能环保设计，给锂离子电池充电时，配合TP4056元件，既可以通过普通直流电充电的方式，也可以通过太阳能电池板将光能转换成电能的方式。2.7总结通过一系列的方案设计与论证，在本设计中对每个模块采用了相对合适的方案，充分考虑到了各种元器件的特性、实物制作的合理性以及成本，为之后的电路原理图绘画和实物制作提供了明确的方向，达到了良好的导向作用，使得整个设计工作井然有序。3硬件设计3.1总体设计阳能热水器控制系统主要实现的功能有：水温、水位信息的采集；LCD液晶屏显示实时水温、上限下限水温以及电路电压；按键可设置下限水温和上限水温；STC89C51单片机通过处理水温水位信息控制继电器打开加热、上水装置来实现上水和加热；水温过高则会触发声光报警。如图3-1所示，控制系统主要包括水温检测模块、水位检测模块、继电器控制模块、按键模块、LCD显示模块、报警模块，以及系统供电模块。水温水位检测模块负责水温与水位的检测工作，温度检测传感器采用DS18B20元件，水位检测部件采用浮子液位传感器；按键模块能够选择设置上限与下限水温；报警模块负责提示用户在合适的水温下安全用水；LCD显示模块采用LCD1602液晶显示相关信息；加热和上水装置由继电器模块负责控制。图3-1系统总体框图3.2主控模块3.2.1单片机引脚分配STC89C52单片机有40个引脚，下面介绍引脚分配。水温检测模块：P35；水位检测模块：P20~P23；继电器控制模块：P36~P37按键模块：P30~P32、RST；显示模块：数据口P0等等；电压检测模块：P10~P12。图3-2STC89C52单片机3.2.2复位电路单片机在运行时很有可能会遇到各种问题，而进行系统复位是最简单最有效的方式，在本设计中，可以通过直接按下复位键，使单片机和其他元器件处于初始状态。图3-3复位电路3.2.3时钟电路时钟电路主要由两个电容和一个晶振组成，单片机的计算速度主要是由于时钟电路的频率决定，因此可以通过提高频率来提高单片机的计算频率。图3-4时钟电路3.3水温检测模块3.3.1DS18B20简介DS18B20是一款性能良好的温度传感器，体积小，使用方便，接口方式简单方便，测温的精准度高、范围广，并且速度快，抗干扰和纠错能力强，在本设计中能够很好地给单片机传送温度数据，实际应用效果好。图3-5DS18B20示例图3.3.2水温检测电路DS18B20温度传感器结构简单，共有三条线：电源线、接地线及数据线。下图为水温检测电路接线图：图3-6DS18B20电路3.4水位检测模块3.4.1浮子液位传感器简介浮子液位传感器主要由磁簧开关和浮子组成，将带有磁簧开关的导管穿过磁性浮子，安装在液体容器中，液位上下移动时，浮子也会随之移动，从而触动磁簧开关，通过检测开关情况来检测出液位位置。图3-7浮子液位开关传感器实物图3.4.2水位检测电路接线图连接电路需要注意上限水位和下限水位的区分，如下图所示：图3-8水位检测接线图3.5继电器控制模块3.5.1继电器应用简介继电器是一种电控制器件，当电路中输入量达到规定要求时，继电器能够使相应的被控制量发生相应的变化，在本设计中，系统检测到需要加热和上水时，单片机会给出信号，导通继电器控制电路，以此驱动继电器打开加热装置和上水装置。3.5.2继电器控制电路水温检测和水位检测各需要一个继电器电路控制，用LED灯作为加热指示灯、上水指示灯，同时会有水位指示灯来告知水位情况，下图为一系列电路：图3-9继电器控制电路图3-10水位指示灯电路3.6显示模块3.6.1LCD1602简介1602液晶屏，每行能显示16个字符，能够显示2行字符信息，是专门用来显示字母、数字、符号的一种显示元器件，由若干个5x7或者5x10的点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，由于每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，因此能够很清晰地显示相关信息。3.6.2LCD1602接线图下图是LCD1602接线图，LCD1602的8个数据I/O口与STC89C52芯片的P0口相连，RS接P13引脚，RW接P14引脚，EN接P15引脚。图3-11LCD1602接线图3.6.3LCD1602参数及接口说明LCD1602主要参数有：两行16个字符显示容量；4.5～5.5V的工作电压；2.0mA的工作电流；字符的规格大小为2.95*4.35mm。引脚说明见下表：表3-1LCD引脚说明3.7报警模块报警电路的主要由一个2k电阻，三极管和蜂鸣器构成。当水温过高，系统判断需要开启报警功能时，发送指令让三极管导通，此时LED灯亮，蜂鸣器发出声响，提醒用户当前水温过高，不适合使用。下图为声光报警电路：图3-12声光报警电路3.8按键模块按键部分的功能是设置上限温度和下限温度，有“选择上限或下限”键、“加”键和“减”键。下图为按键电路：图3-13按键电路3.9系统供电模块3.9.1太阳能电池板工作原理半导体p-n结在接受到太阳光照后，会形成新的空穴-电子对，由于p-n结电场的作用下，空穴会由由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流，这种状态也叫光电效应。而作为一个半导体光电二极管的太阳能电池板本身，当有太阳光照时，利用光电效应，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，以此产生电流，从而可以为锂离子电池充电。3.9.2TP4056简介TP4056是一款单节锂离子电池恒定电流/恒定电压线性充电器，其底部是带有散热片的SOP8封装，并且具有较少的外部元件数目，本设计需要对锂离子电池进行充电，TP4056适合USB电源适配器工作。图3-14TP4056实物图3.9.3ADC0832简介ADC0832是8位分辨率A/D转换芯片，可以适应一般的模拟量转换要求。芯片具有减少数据误差、转换速度快且稳定性能强的特点。在本设计中，用在电压检测电路，通过转换来实现向单片机传输电压数据并在LCD液晶屏显示的功能。3.9.4系统供电模块电路整个系统供电模块由三个小模块构成，分别为：电源模块、电压检测模块以及太阳能电池充放电模块，下图为这三个小模块电路：图3-15电源模块电路图3-16电压检测模块电路图3-17太阳能电池充放电电路4软件设计4.1软件设计分析一个完整的控制系统是由软件和硬件构成的，二者缺一不可。软件是系统的指挥中心，只有结合软件设计，才能让系统运作起来，让硬件实现相应的功能，考虑到C语言的优越性，本设计使用C语言编写，并使用Keil软件进行编程。在软件设计中，一开始需要构造出大致的主程序框架，之后再对每个部分的子程序进行设计；编写完一个子程序后，要检查该子程序是否存在语法错误；其次，要对主程序以及声明函数进行检查和修改；最后，需要检查整个程序有没有语法错误，并对整个程序进行编译调试；最后，可以将完整的、正确的程序烧录到单片机中来验证相关功能。4.2软件总体设计软件设计的具体过程：首先对系统包括输入、输出口、LCD1602、温度传感器DS18B20等进行初始化操作。完成系统的初始化操作后，执行以下步骤：读取由DS18B20转换的温度数据，浮子液位传感器检测收集水位信息，通过单片机处理将温度显示在LCD液晶屏、使对应的水位指示灯亮起，并执行按键扫描；系统判断温度和水位是否达到设定值，如果未达到，则系统给出信号至继电器，继电器控制加热装置和上水装置运行；待水温水位满足要求后，关闭加热装置和上水装置，同时，有必要判断水温是否在设定的安全值范围之内，如果水温高于设定值，系统控制蜂鸣器配合LED灯进行声光报警来提醒用户采取安全用水。系统总体程序设计流程图如下图所示：图4-1总体软件流程图4.3水温检测软件设计4.3.1水温传感器操作指令由于DS18B20的单总线设计，在数据传输时，需要满足一定的格式要求的才能进行一系列操作。根据芯片的通信协议，主机与DS18B20的通信要具有初始化、ROM操作指令、功能操作指令三个步骤。下表列出本设计所涉及到的一些指令及相关说明。表4-1ROM操作指令表和功能指令表4.3.2DS18B20软件流程图4-2DS18B20软件流程图4.4水位检测软件设计浮子液位传感器根据内部磁簧开关情况读取水位信息，并将其传送给单片机，系统通过程序处理，使得相应指示灯亮起，下图为水位检测软件流经过程：图4-3水位检测软件流程图4.5显示模块软件设计4.5.1LCD1602读写操作指令LCD1602的读写操作如下表：表4-2LCD1602的读写操作4.5.2显示模块流程图+下图为显示模块软件流程：图4-4显示模块流程图5实物演示效果5.1实物整体展示图5-1实物整体图5-2系统开机5.2水温相关演示效果LCD液晶屏第二行显示下限温度和上限温度，如下图所示：图5-3上限、下限温度显示水温检测探头读取实时水温，并在LCD液晶屏左上角显示（右上角为电路电压），如下图所示：图5-4实时水温显示当检测到水温没有达到下限温度时，系统给出信号驱动继电器控制加热装置开始加热，加热指示灯亮起，如下图所示：图5-5加热状态当加热到上限温度时，加热装置停止工作，指示灯熄灭，并通过声光报警提醒用户安全用水，如下图所示：图5-6声光报警提醒5.3水位相关演示效果下限水位浮子未浮起时，红色水位指示灯亮起，系统给出此时需要上水的信号，继电器控制上水装置开始上水，上水指示灯亮起，如下图所示：图5-7上水状态1当下限水位浮子逐渐浮起后，红色水位指示灯熄灭，但仍然继续上水，上水指示灯保持常亮，如下图所示：图5-8上水状态2上水至上限浮子完全浮起时，停止上水，上水指示灯熄灭，同时，蓝色水位指示灯亮起，如下图所示：图5-9停止上水1当用户用水，水位下降时，蓝色水位指示灯熄灭，但由于水位没有降到下限，此时并没有上水操作，上水指示灯不亮，如下图所示：图5-10停止上水25.3太阳能充电演示效果当太阳能电池板有光照时，进入充电状态，充电指示灯常亮，如下图所示：图5-11太阳能充电状态结论本设计以STC89C51单片机作为核心控制芯片,使用浮球液位传感器、温度传感器DS18B20等元件制作了一个智能太阳能热水器控制系统。该控制系统可以实现水温显示、水位检测等功能,具有较高的精度,良好的抗干扰性等优点;并且为了充分体现太阳能环保能源意识,在该系统加入了太阳能电池板充电功能。但由于水平有限,该设计还存在一些不足之处:一、实时水温测量显示有一点延迟,有待进一步优化;二、水位测量的高度受安装条件限制;三、控制系统与加热上水装置的结合没有进一步验证说明;四:太阳能充电速度慢,效率不高。本设计还可以研究温度和水量变化之间的关系，来进一步优化加热和上水的协同关系参考文献[1]卢文博,马路宽,李新号.太阳能热水器的发展历史现状及管道冷水问题解决方案[J].学周刊,2013(27):10-11.[2]胡映宁,陈强,王野.太阳能热水器市场发展趋势的研究[J].建筑节能,2018,46(10):128-131.[3]赵海兰,朱剑,赵祥伟.DS1302实时显示时间的原理与应用[J].电子技术,2004(01):43-46.[4]任仁凯.智能家居中的太阳能热水器控制系统设计[D].南京师范大学,2017.[5]赵玉磊,刘春花.几种热水器的经济性对比分析[J].太阳能,2020(02):11-17.[6]胡润清,李俊峰.全球太阳能热水器产业与技术发展状况及启示[J].北京:国家