【正文】 畢業(yè)設計（論文）開題報告 課 題 基于單片機的太陽能熱水器控制 系統(tǒng)設計 學 院（系） 專 業(yè) 年 級 學 號 姓 名 導 師 定稿日期： 20 年 月 日 1 基于單片機的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設計 摘 要 : 當今社會 資源 日益 緊張，環(huán)境污染 愈加嚴重 的 情況下 下 ,太陽能熱水器與傳統(tǒng)的燃氣熱水器和電熱水器相比有著 無比的優(yōu)越性 ，太陽能熱水器的控制系統(tǒng) 也隨著科學技術的發(fā)展正在朝著智能化的 方 向發(fā)展 。 本課題是 以 MCS51 系列單片 AT89S52為核心 ，并 采用 12864 液 晶顯示模塊， 傳感器 溫度采集模塊，鍵盤，水位采集模塊 水溫 采集模塊等，實現(xiàn)對太陽能熱水器水位和水溫的測量與控制 和 報警，做到既能手動操作，又能 單片機 控制，從而很好的解決太陽能熱水器使用過程中易受季節(jié)、氣候影響、浪費水資源等缺點。 關鍵詞： 單片機 。太陽能 。熱水器 ?？刂葡到y(tǒng) 。 太陽能是一種古老能源 ,也是一種安全、潔凈、價廉、無污染的綠色能源。在傳統(tǒng)化石燃料日趨枯竭的今天 ,太陽能作為新能源的一種 ,在多元化能源消費結構中占有重要地位 ,正越來越 受到 人們的重視 [1]。 隨著世界上煤、油、氣的儲量日益減少，能源危機已日益增長，環(huán)境污染的危機已威脅著生態(tài)平衡，太陽能開發(fā)利用的課題已提到人類的面前。有人 預測：二十一世紀太陽能將由輔助能源上升為主要能源。但由于太陽能的分散性、季節(jié)性和地區(qū)性又給太陽能利用帶來重重困難，有些技術難點尚未突破，產(chǎn)品造價偏高（如光電池）。因而尚未被人們大規(guī)模的使用。當今社會發(fā)展日新月異，人們衣食住行也在不斷的提高?，F(xiàn)有電熱型熱水器費用昂貴及燃氣型的不安全性，且排放二氧化碳污染大氣，北方用煤氣取暖造成城市空氣環(huán)境污染，這些都是太陽能熱水器良好的外部生存環(huán)境。太陽能熱水器克服了上述缺點，他是綠 色環(huán)保產(chǎn)品。它使用簡單、方便。太陽能熱水器順呼時代發(fā)展的要求，滿足人們對環(huán)保綠色產(chǎn)品的需求。在人類文明程度日益提高的今天，它是現(xiàn)代文明社會的最佳選擇。應該注意到，集體單位對太陽能熱水器的用量很大。新建商住樓安裝熱水器，已是房屋開發(fā)公司計劃之內(nèi)的事，配套熱水器的商品房銷勢更好。 在太陽能熱利用技術中，太陽能熱水器是技術上比較成熟、造價比較低廉的產(chǎn)品，同時給人民提供不耗能源、保護環(huán)境、絕對安全的熱水而受到人們的歡迎 [2]。 太陽能熱水器是太陽能利用中最常見的一種裝置，經(jīng)濟效益明顯，正在迅速的推廣應用，太陽能熱水器 能夠?qū)⑻栞椛淠苻D(zhuǎn)換熱能，供生產(chǎn)和生活使用。他主要由平板集熱器、蓄水器和連接管道等部件組成，可分循環(huán)式、直流式和悶曬式。熱水器包括主、從兩大系統(tǒng)：主系統(tǒng)的特點是在晴好的天氣利用太陽光能為熱水器加熱；從系統(tǒng)相當于電 2 熱水器，它在無光照的情況下利用電輔助加熱。它充分利用太陽能的豐富的免費的資源的優(yōu)勢，同時考慮到在陰天及夜間無法利用太陽能的缺點，充分發(fā)揮太陽能熱水器和電熱水器的各自優(yōu)勢，這是世面上大部分熱水器所不能比擬的。 2. 選題背景及其意義 隨 著全球人口和經(jīng)濟規(guī)模的不斷增長，能源使用帶來的環(huán)境問題及其誘因逐 漸為人所認識，“低碳經(jīng)濟”這一概念開始進入人們的視野。人們在大力發(fā)展太陽能產(chǎn)業(yè)。 太陽能具有： ①儲量的“無限性 。 ②太陽能對于地球上的絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。③開發(fā)利用時幾乎不產(chǎn)生任何污染。鑒于此，太陽能必將在世界能源結構轉(zhuǎn)換中擔綱重任，成為理想的替代能源。 在世界范圍內(nèi)，太陽能熱水器技術已經(jīng)很成熟，并已形成行業(yè)，正在以優(yōu)良的性能不斷的沖擊電熱水器市場和燃氣熱水器市場 [3]。 目前，中國已成世界上最大的太陽能熱水器生產(chǎn)國，年產(chǎn)量約為世界各國總和。但是與之相配套的太陽能熱水器控制系統(tǒng)卻一直處于 研究和開發(fā)階段。 目前市場上太陽能熱水器的控制系統(tǒng)大多存在功能單一、操作復雜、控制不方便等問題 , 很多控制器只具有溫度和水位顯示功能 , 不具有溫度控制功能 ， 即使熱水器具有輔助加熱功能 , 也可能由于加熱時間不能控制而產(chǎn)生過燒 , 從而浪費電能 [4]。 本 課題 設計的太陽能熱水器控制系統(tǒng)以 MCS51單片機為檢測控制中心單元 , 采用 DS1302實鐘 ,不僅實現(xiàn)了時間、溫度和水位三種參數(shù)實時顯示功能 , 而且具有時間設定、溫度 設定與控制 功能。控制系統(tǒng)可以根據(jù)天氣情況利用輔助加熱裝置 (電加熱器 )使蓄水箱內(nèi)的水溫達到預先設定的 溫度 , 從而達到 24小時供應熱水的目的。控制器和以往顯示儀相比具有性價比高、溫度控制與顯示精度高、使用方便和性能穩(wěn)定等優(yōu)點 , 對 提高我國太陽能應用領域控制水平 , 具有可觀的經(jīng)濟效益和社會效益 [5， 9] 。 3. 研究內(nèi)容 基于單片機的太陽能熱水器 控制系統(tǒng)的總體設計 本課題設計的基于單片機的太陽能熱水器在軟件程序的控制下完成時間、溫度和水位的實時顯示功能，并能完成時間設定、溫度設定等功能，具體實現(xiàn)的功能目標為： 1) 掌握太陽能熱水器的工作原理及實現(xiàn)控制方法； 2) 太陽能熱水器水位的檢測和顯示； 3) 太陽能熱水器溫 度的檢測和顯示； 4) 太陽能熱水器水溫的設定和 時間 的控制； 5) 報警； 3 基于單片機的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設計 控制系統(tǒng)的硬件設計 本次設計是以 AT89S52 單 片機 為核心的系統(tǒng)，其系統(tǒng)框圖如圖 31： 圖 31 系統(tǒng) 原理 框圖 單片機控制系統(tǒng)： AT89S52 單片機 結構和 特點 AT89S52是 MCS 51單片機的基礎上精心設計，由美國 ATMEL公司生產(chǎn)的高性能八位單片機。 內(nèi)置 2KBEPROM的 20腳 AT89C2051以及內(nèi)置 1KBEPROM的 20腳 AT89C1051。 AT89S52是一種低損耗、高性能、 CMOS八位微處理器，片內(nèi)有 4K字節(jié)的在線可重復編程快擦快寫程度存儲器，能重復寫入擦除解 1000 次，數(shù)據(jù)保存時間為十年。它與MCS51系列單片機在指令系統(tǒng)和引腳上完全兼容，不僅可完全代替 MCS51系列單片機，而且能使系統(tǒng)具有許多 MCS51系列產(chǎn)品沒有的功能。 AT89S52可構成真正的單片機最小應用系統(tǒng)，縮小系統(tǒng)體積，增加系統(tǒng)的可靠性，降低了系統(tǒng)成本。只要程序長度小于4KB，四個 I/O口全部提供給 用戶?？捎?5V電壓編程，而且擦寫時間僅需 10ms，僅為 87C51的擦除時間的百分之一，與 87C51的 12V電壓擦寫相比，不易損壞器件，沒有兩種電源 數(shù)據(jù)處理模塊 MSC51 系列單片機 鍵盤輸入模塊 時鐘模塊 溫度采集模塊 12864 顯示模塊 電加熱模塊 水位采集模塊 報警模塊 光敏電阻測量光照強度模塊 4 的要求，改寫時不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領域。工作電壓范圍寬 2. 7V～ 6V，全靜態(tài)工作，工作頻率寬，在 0Hz～ 24MHz內(nèi)，比 8751及 87C51等 51系列的 6MHz～ 12MHz更具有靈活性，系統(tǒng)能快能慢。 AT89S52芯片提供三級程序存儲器加密，提供了方便靈活而可靠的硬加密手段，能完全保證程序或系統(tǒng)不被仿制。 另外， AT89S52 還具有 MCS51 系列單片機 的所有優(yōu)點。 128 8 位內(nèi)部 RAM， 32 位雙向輸入輸出線，兩個十六位定時 /計時器， 5 個中斷源，兩級中斷優(yōu)先級，一個全雙工異步串行口及時鐘發(fā)生器等 [10]。 鍵盤及 12864 顯示 模塊 本系統(tǒng)可以通過鍵盤來設置和調(diào)整實時時鐘 及溫度 ，并且 12864 顯示 模塊 可以更直觀的顯示時間以及 水溫 。 實時時鐘 模塊 本系統(tǒng)采用實時時鐘 DS1302芯片進行實時時間顯示 及加熱時間設置 ， 由于時鐘芯片的精度較單片機內(nèi)部定時器的要高 并且 通過時鐘模塊設置熱水器定時加熱的時間。 溫度采集模塊 采用 DS18B20 溫度傳感器。 DS18B20 是智能溫度傳感器，它的輸入 /輸出采用數(shù)字量，以單總線技術，接收主機發(fā)送的命令，根據(jù) DS18B20 內(nèi)部的協(xié)議進行相應的處理，將轉(zhuǎn)換的溫度以串口發(fā)送給主機。主機按照通信協(xié)議用一個 IO口模擬 DS18B20的時序，發(fā)送命令（初始化命令、 ROM 命令、功能命令）給 DS18B20，并讀取溫度值，在內(nèi)部進行相應的數(shù)值處理，用 12864 模塊顯示各點的溫度 [11]。 水位采集模塊 采用水位檢測電極，將水箱分為四等分，通過 5 個水位檢測電極進行檢測，接地的電極放在水箱最底下，其余 4 個按 四等分分別放取。如此根據(jù)在相應等分點檢測到的水位信息判斷水箱中的水位 ,并通過采用 LED 數(shù)碼管顯示水位。 電加熱模塊 當室外光強不足（陰天、下雨）時，對水箱的水提前加熱是很必要的， 本系統(tǒng)將電加熱模塊與單片機 I/O口接上，由鍵盤設定需加熱的設定值，并由紅黃綠三色的 LED，紅黃綠用數(shù)碼管顯示 。 報警模塊 本設計里，我們采用有源蜂鳴器，由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以至于單片機的 I/O 口是無法直接驅(qū)動的，所以要利用放大電路來驅(qū)動，我們使用三極管來放大電流，驅(qū)動蜂鳴器，此模塊只要通過 BELL（連接到到單片機 ）輸入的 PWM 波既可以使蜂鳴器分出聲音，我們的設計可以在鬧鐘定時中作為聲音提醒信號。 光敏電阻測量光照強度 模塊 本設計選用光敏來對光照強度進行測量，獲取光能。 光敏電阻器是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器，入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。 5 Y N 圖 32主程序流程圖 系統(tǒng)的軟件設計 本課題采用 C 語言編程實現(xiàn)對太陽能熱水器水位及水溫的控制，并用 Keil C51進行軟件的調(diào)試 。 系統(tǒng)初始化 主程序 漏電嗎？ 所有執(zhí)行機構斷點 報警模 塊工作，報警 讀取鍵盤狀態(tài) 讀取水溫，水位 調(diào)取控制子程序 6 ，擬采取的解決措施 工作 特色及 難點： 隨著單片機及 太陽能熱水器 的普及和完善，兩者相結合的 智能 控制系統(tǒng)發(fā)展會 越來越迅速，并且其技術會更加 人性化 ，具體化。本次設計課題的 太陽能熱水器 控制系統(tǒng)特點如下： ， 節(jié)能降耗，安全環(huán)保， 易于推廣。 及模塊 ，其可靠性，普及性都是 優(yōu)良 的。 但 本次設計還是具有相當多的難點有待處理： 、溫度和水位的實時顯示功能，并實現(xiàn)時間設定、水溫設定等功能。 、鍵盤掃描、顯示、溫度水位采集、時鐘和電加熱等模塊，各個模塊的功能如何編程實現(xiàn)。 擬采取的解決措施 （ 1） 查找相關資料，做到在完全了解的基礎上進行使用。 （ 2） 查找 C 語言書籍和單片機書籍， 多加仿真與調(diào)試。 （ 3） 大量查閱相應參考文獻，閱讀書籍，增加知識貯備。多與指導老師和同學進行交流、溝通，多學多問。 2020 年 12 月 ~ 2020 年 02 月：收集資料，確定設計系統(tǒng)總體方案，翻譯有關外 文資料及文獻，撰寫開題報告，準備開題答辯。 2020 年 02 月 ~ 2020 年 03 月： 購買實驗元器件， 完成硬件系統(tǒng)的設計及焊接 。 2020 年 03 月 ~ 2020 年 04 月： 完成軟件編程及軟硬件調(diào)試 。 2020 年 05 月 ~ 2020 年 06 月：畢業(yè)論文的撰寫，畢業(yè)答辯 。 6. 預期成果及其可能的創(chuàng)新點 預期成果： 順利 完成硬件設計和軟件設計，并模擬仿真。 可能的創(chuàng)新點： 在現(xiàn)有的太陽能熱水器控制系統(tǒng)的基礎上加以優(yōu)化，并降低控制系統(tǒng)的成本，更好的達到節(jié)能減排的效果，符合當今社會對新能源的開發(fā)利用及對環(huán)境 保護政策的要求。 7 參考文獻 [1] 周善元 .取之不盡 ,用之不竭的潔凈能源 — 太陽能 [J].江西能源， 2020年 04期 [2] 劉福才 ， 劉豐 ， 劉立偉 .AVR單片機在太陽能熱水器智能控制器中的應用 [J].微計算機信息， 1999年 04期 [3] 王俊杰，基于 89C51單片機的太陽能熱水器只能控制器的設計 [J].鄭州輕工業(yè)學院學報：自然科學版， 2020（ 8）：