【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告 課 題 基于單片機(jī)的太陽能熱水器控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 院（系） 專 業(yè) 年 級(jí) 學(xué) 號(hào) 姓 名 導(dǎo) 師 定稿日期： 20 年 月 日 1 基于單片機(jī)的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 : 當(dāng)今社會(huì) 資源 日益 緊張，環(huán)境污染 愈加嚴(yán)重 的 情況下 下 ,太陽能熱水器與傳統(tǒng)的燃?xì)鉄崴骱碗姛崴飨啾扔兄?無比的優(yōu)越性 ，太陽能熱水器的控制系統(tǒng) 也隨著科學(xué)技術(shù)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(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能熱水器水位和水溫的測(cè)量與控制 和 報(bào)警，做到既能手動(dòng)操作，又能 單片機(jī) 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(fèi)水資源等缺點(diǎn)。 關(guān)鍵詞： 單片機(jī) 。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(jià)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(fèi)結(jié)構(gòu)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(chǔ)量日益減少，能源危機(jī)已日益增長(zhǎng)，環(huán)境污染的危機(jī)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(yù)測(cè)：二十一世紀(jì)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(shù)難點(diǎn)尚未突破，產(chǎn)品造價(jià)偏高（如光電池）。因而尚未被人們大規(guī)模的使用。當(dāng)今社會(huì)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(fèi)用昂貴及燃?xì)庑偷牟话踩裕遗欧哦趸嘉廴敬髿?，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(diǎn)，他是綠 色環(huán)保產(chǎn)品。它使用簡(jiǎn)單、方便。太陽能熱水器順呼時(shí)代發(fā)展的要求，滿足人們對(duì)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(huì)的最佳選擇。應(yīng)該注意到，集體單位對(duì)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(jì)劃之內(nèi)的事，配套熱水器的商品房銷勢(shì)更好。 在太陽能熱利用技術(shù)中，太陽能熱水器是技術(shù)上比較成熟、造價(jià)比較低廉的產(chǎn)品，同時(shí)給人民提供不耗能源、保護(hù)環(huán)境、絕對(duì)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(jì)效益明顯，正在迅速的推廣應(yīng)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(diǎn)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(dāng)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(fèi)的資源的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)考慮到在陰天及夜間無法利用太陽能的缺點(diǎn)，充分發(fā)揮太陽能熱水器和電熱水器的各自優(yōu)勢(shì)，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(jì)規(guī)模的不斷增長(zhǎng)，能源使用帶來的環(huán)境問題及其誘因逐 漸為人所認(rèn)識(shí)，“低碳經(jīng)濟(jì)”這一概念開始進(jìn)入人們的視野。人們?cè)诖罅Πl(fā)展太陽能產(chǎn)業(yè)。 太陽能具有： ①儲(chǔ)量的“無限性 。 ②太陽能對(duì)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(shí)幾乎不產(chǎn)生任何污染。鑒于此，太陽能必將在世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換中擔(dān)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(shù)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(chǎng)和燃?xì)鉄崴魇袌?chǎng) [3]。 目前，中國(guó)已成世界上最大的太陽能熱水器生產(chǎn)國(guó)，年產(chǎn)量約為世界各國(guó)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(chǎng)上太陽能熱水器的控制系統(tǒng)大多存在功能單一、操作復(fù)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(shí)間不能控制而產(chǎn)生過燒 , 從而浪費(fèi)電能 [4]。 本 課題 設(shè)計(jì)的太陽能熱水器控制系統(tǒng)以 MCS51單片機(jī)為檢測(cè)控制中心單元 , 采用 DS1302實(shí)鐘 ,不僅實(shí)現(xiàn)了時(shí)間、溫度和水位三種參數(shù)實(shí)時(shí)顯示功能 , 而且具有時(shí)間設(shè)定、溫度 設(shè)定與控制 功能?？刂葡到y(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(dá)到預(yù)先設(shè)定的 溫度 , 從而達(dá)到 24小時(shí)供應(yīng)熱水的目的?？刂破骱鸵酝@示儀相比具有性價(jià)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(diǎn) , 對(duì) 提高我國(guó)太陽能應(yīng)用領(lǐng)域控制水平 , 具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益 [5， 9] 。 3. 研究?jī)?nèi)容 基于單片機(jī)的太陽能熱水器 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 本課題設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的太陽能熱水器在軟件程序的控制下完成時(shí)間、溫度和水位的實(shí)時(shí)顯示功能，并能完成時(shí)間設(shè)定、溫度設(shè)定等功能，具體實(shí)現(xiàn)的功能目標(biāo)為： 1) 掌握太陽能熱水器的工作原理及實(shí)現(xiàn)控制方法； 2) 太陽能熱水器水位的檢測(cè)和顯示； 3) 太陽能熱水器溫 度的檢測(cè)和顯示； 4) 太陽能熱水器水溫的設(shè)定和 時(shí)間 的控制； 5) 報(bào)警； 3 基于單片機(jī)的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)是以 AT89S52 單 片機(jī) 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(jī)控制系統(tǒng)： AT89S52 單片機(jī) 結(jié)構(gòu)和 特點(diǎn) AT89S52是 MCS 51單片機(jī)的基礎(chǔ)上精心設(shè)計(jì)，由美國(guó) ATMEL公司生產(chǎn)的高性能八位單片機(jī)。 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(fù)編程快擦快寫程度存儲(chǔ)器，能重復(fù)寫入擦除解 1000 次，數(shù)據(jù)保存時(shí)間為十年。它與MCS51系列單片機(jī)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(jī)，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(gòu)成真正的單片機(jī)最小應(yīng)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(zhǎng)度小于4KB，四個(gè) I/O口全部提供給 用戶。可用 5V電壓編程，而且擦寫時(shí)間僅需 10ms，僅為 87C51的擦除時(shí)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(jī) 鍵盤輸入模塊 時(shí)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(bào)警模塊 光敏電阻測(cè)量光照強(qiáng)度模塊 4 的要求，改寫時(shí)不拔下芯片，適合許多嵌入式控制領(lǐng)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(jí)程序存儲(chǔ)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(jī) 的所有優(yōu)點(diǎn)。 128 8 位內(nèi)部 RAM， 32 位雙向輸入輸出線，兩個(gè)十六位定時(shí) /計(jì)時(shí)器， 5 個(gè)中斷源，兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)，一個(gè)全雙工異步串行口及時(shí)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(shè)置和調(diào)整實(shí)時(shí)時(shí)鐘 及溫度 ，并且 12864 顯示 模塊 可以更直觀的顯示時(shí)間以及 水溫 。 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 模塊 本系統(tǒng)采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘 DS1302芯片進(jìn)行實(shí)時(shí)時(shí)間顯示 及加熱時(shí)間設(shè)置 ， 由于時(shí)鐘芯片的精度較單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器的要高 并且 通過時(shí)鐘模塊設(shè)置熱水器定時(shí)加熱的時(shí)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(shù)，接收主機(jī)發(fā)送的命令，根據(jù) DS18B20 內(nèi)部的協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)的處理，將轉(zhuǎn)換的溫度以串口發(fā)送給主機(jī)。主機(jī)按照通信協(xié)議用一個(gè) IO口模擬 DS18B20的時(shí)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(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值處理，用 12864 模塊顯示各點(diǎn)的溫度 [11]。 水位采集模塊 采用水位檢測(cè)電極，將水箱分為四等分，通過 5 個(gè)水位檢測(cè)電極進(jìn)行檢測(cè)，接地的電極放在水箱最底下，其余 4 個(gè)按 四等分分別放取。如此根據(jù)在相應(yīng)等分點(diǎn)檢測(cè)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(dāng)室外光強(qiáng)不足（陰天、下雨）時(shí)，對(duì)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(jī) I/O口接上，由鍵盤設(shè)定需加熱的設(shè)定值，并由紅黃綠三色的 LED，紅黃綠用數(shù)碼管顯示 。 報(bào)警模塊 本設(shè)計(jì)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(jī)的 I/O 口是無法直接驅(qū)動(dòng)的，所以要利用放大電路來驅(qū)動(dòng)，我們使用三極管來放大電流，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，此模塊只要通過 BELL（連接到到單片機(jī) ）輸入的 PWM 波既可以使蜂鳴器分出聲音，我們的設(shè)計(jì)可以在鬧鐘定時(shí)中作為聲音提醒信號(hào)。 光敏電阻測(cè)量光照強(qiáng)度 模塊 本設(shè)計(jì)選用光敏來對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，獲取光能。 光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器，入射光強(qiáng)，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(shè)計(jì) 本課題采用 C 語言編程實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能熱水器水位及水溫的控制，并用 Keil C51進(jìn)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(jī)構(gòu)斷點(diǎn) 報(bào)警模 塊工作，報(bào)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(diǎn)： 隨著單片機(jī)及 太陽能熱水器 的普及和完善，兩者相結(jié)合的 智能 控制系統(tǒng)發(fā)展會(huì) 越來越迅速，并且其技術(shù)會(huì)更加 人性化 ，具體化。本次設(shè)計(jì)課題的 太陽能熱水器 控制系統(tǒng)特點(diǎn)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(shè)計(jì)還是具有相當(dāng)多的難點(diǎn)有待處理： 、溫度和水位的實(shí)時(shí)顯示功能，并實(shí)現(xiàn)時(shí)間設(shè)定、水溫設(shè)定等功能。 、鍵盤掃描、顯示、溫度水位采集、時(shí)鐘和電加熱等模塊，各個(gè)模塊的功能如何編程實(shí)現(xiàn)。 擬采取的解決措施 （ 1） 查找相關(guān)資料，做到在完全了解的基礎(chǔ)上進(jìn)行使用。 （ 2） 查找 C 語言書籍和單片機(jī)書籍， 多加仿真與調(diào)試。 （ 3） 大量查閱相應(yīng)參考文獻(xiàn)，閱讀書籍，增加知識(shí)貯備。多與指導(dǎo)老師和同學(xué)進(jìn)行交流、溝通，多學(xué)多問。 2020 年 12 月 ~ 2020 年 02 月：收集資料，確定設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案，翻譯有關(guān)外 文資料及文獻(xiàn)，撰寫開題報(bào)告，準(zhǔn)備開題答辯。 2020 年 02 月 ~ 2020 年 03 月： 購買實(shí)驗(yàn)元器件， 完成硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(yù)期成果及其可能的創(chuàng)新點(diǎn) 預(yù)期成果： 順利 完成硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并模擬仿真。 可能的創(chuàng)新點(diǎn)： 在現(xiàn)有的太陽能熱水器控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加以優(yōu)化，并降低控制系統(tǒng)的成本，更好的達(dá)到節(jié)能減排的效果，符合當(dāng)今社會(huì)對(duì)新能源的開發(fā)利用及對(duì)環(huán)境 保護(hù)政策的要求。 7 參考文獻(xiàn) [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(jī)在太陽能熱水器智能控制器中的應(yīng)用 [J].微計(jì)算機(jī)信息， 1999年 04期 [3] 王俊杰，基于 89C51單片機(jī)的太陽能熱水器只能控制器的設(shè)計(jì) [J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 2020（ 8）：