【正文】 程圖 .................................................................... 19 溫度測(cè)控部分流程圖 .............................................................. 21 水位測(cè)控部分流程圖 .............................................................. 22 液晶顯示部分流程圖 .............................................................. 24 按鍵部分流程圖 .................................................................. 25 第 5 章 結(jié)論與展望 .......................................................................................................................... 27 設(shè)計(jì)小結(jié) ........................................................................ 27 不足之處及未來展望 .............................................................. 27 參考文獻(xiàn) .......................................................................................................................................... 28 致 謝 ............................................................................................................................................. 29 附錄 A：作者在校期間發(fā)表的論文 ................................................................................................... 30 附錄 B：作者在校期間項(xiàng)目成果物 ................................................................................................... 31 附錄 C：部分模塊匯編程序 .............................................................................................................. 33 附錄 D：硬件總原理圖 ..................................................................................................................... 37 太陽(yáng)能熱水器控制器的軟硬件設(shè)計(jì) 1 第 1 章 緒論 課題背景 我們所處的時(shí)代堪稱 “能源時(shí)代 ”． 人們從來沒有像今天這樣重視能源 ，世界上的大多數(shù)國(guó)家都在極力的在尋求新的廉價(jià)的可再生能源，以求得可持續(xù)發(fā)展和在日后的競(jìng)爭(zhēng)中獲取優(yōu)勢(shì)地位．太陽(yáng)能則以其 巨大、長(zhǎng)久、廣泛、無(wú)害 等顯著優(yōu)勢(shì)得到的廣泛的關(guān)注． 在眾多的太陽(yáng)能產(chǎn)品中，太陽(yáng)能熱水器無(wú)疑是技術(shù)最成熟的也是與人們?nèi)粘Ｉ钭蠲芮邢嚓P(guān)的 ．太陽(yáng)能熱水器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，利用太陽(yáng)的光和熱使水溫升高，以滿足人們?nèi)粘Ｐ枨螅坏行Ю昧颂?yáng)能，節(jié)約了能源，而且相比傳統(tǒng)的用煤炭或者電力對(duì)水進(jìn)行加熱的方式，更具有環(huán)保無(wú)污染的優(yōu)點(diǎn)．所以太陽(yáng)能熱水器一經(jīng)產(chǎn)生便受到廣大人民的青睞． 前幾年的熱水器市場(chǎng)上，太陽(yáng)能、電、燃?xì)馊N加熱方式的熱水器三分天下．但是隨著世界能源危機(jī)的日益加重，有著可再生優(yōu)勢(shì)的太陽(yáng)能加熱方式逐漸打破了這一平衡，取代了傳統(tǒng)的電能和燃?xì)饧訜岱绞降臒崴鳎?20xx 年，太陽(yáng)能熱水器市場(chǎng)占有率首次超過了電熱水器和燃?xì)鉄崴髦?，?20xx 年， 其占有率達(dá)到 %．如表 11 所示為 20xx20xx年三種熱水器市場(chǎng)占有率 [1]． 表 11 20xx20xx年三種熱水器市場(chǎng)占有率 年份 電熱水器（ %） 燃?xì)鉄崴鳎?%） 太陽(yáng)能熱水器（ %） 20xx 30 20xx 20xx 20xx 20xx 20xx 太陽(yáng)能熱水器控制器國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 我國(guó)太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，目前已經(jīng)成為世界上最大的太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)國(guó)，但與熱水器配套的控制器卻一直處于研究和開發(fā)階段 [2]．近幾年來，市場(chǎng)上陸續(xù)出現(xiàn)了一些太陽(yáng)能熱水器控制器產(chǎn)品，但是大多數(shù)存在著諸如性能不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生誤操作，溫度、水位可以檢測(cè)但是無(wú)法自動(dòng)控制，數(shù)碼管顯示器經(jīng)常出現(xiàn)亂碼等問題，嚴(yán)重影響了用戶使用 ．更有甚者，有些控制器質(zhì)量較差，會(huì)經(jīng)常發(fā)生故障，如加熱溫度過高時(shí)無(wú)法自動(dòng)停止加熱或者水箱內(nèi)已經(jīng)沒水了但是還在加熱，形成了過燒和干燒的情況，安全性無(wú)法保證．基于上述原因，太陽(yáng)能熱水器控制器這個(gè)有著廣闊發(fā)展前景的產(chǎn)品，由于產(chǎn)品開發(fā)投入的較少，一直沒有得到廣泛的推廣，從而也影響了太陽(yáng)能熱水器使用的用戶體驗(yàn)．因此，在太陽(yáng)能熱水器控制器方面，應(yīng)該引起足夠的重視，要加大人力和財(cái)力的投入，開發(fā)出一款高質(zhì)量高性能的控制器． 國(guó)外的太陽(yáng)能熱水器起步很早，世界上第一臺(tái)熱水器是美國(guó)馬里蘭州的肯普于 1891年發(fā)明的．到 20世紀(jì) 40年代，人們創(chuàng)造了各式各樣被統(tǒng)稱為“悶曬式”的太陽(yáng)能熱水器 [3]．第二次世界大戰(zhàn)之后人們的注意力又開始轉(zhuǎn)向發(fā)展經(jīng)濟(jì)．一些缺少常規(guī)能源的國(guó)家如日本等最先開始投入到太陽(yáng)能的開發(fā)和利用．經(jīng)過人們的努力，一些簡(jiǎn)易的平板太陽(yáng)能集熱器江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 在當(dāng)時(shí)在市場(chǎng)上出現(xiàn)．到了 20世紀(jì) 70年代，世界性能源危機(jī)日益嚴(yán)重，迫使人們對(duì)太陽(yáng)能的開發(fā)和利用越來越重視．許多國(guó)家開始投入到太陽(yáng)能開發(fā)的行列，其中太陽(yáng)能熱水器是典型的代表性的產(chǎn)品．到了 70年代末期，太陽(yáng)能熱水器在美國(guó)、澳大利亞、日本、德國(guó)等國(guó)家得到了很大的發(fā)展．在隨后的十幾年中，平 板集熱器型熱水器在一些國(guó)家得到了較快發(fā)展． 1975年美國(guó)歐文斯 伊利諾伊公司發(fā)明了全玻璃真空管太陽(yáng)能熱水器并推向市場(chǎng)[3]．當(dāng)時(shí)，集熱管的選擇性吸收涂層平均陽(yáng)光吸收率約為 83%，后來由于采用了高真空技術(shù)，使得集熱器的了損失比普通的平板式太陽(yáng)能集熱器熱損失降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，從而太陽(yáng)能熱水器得到了進(jìn)一步快速發(fā)展，到了上世紀(jì) 90年代，這種熱水器成為推廣應(yīng)用的主流產(chǎn)品． 90年代末，為了進(jìn)一步提高效率、提高性能，德國(guó)研制了熱管式真空管太陽(yáng)能熱水器，一些國(guó)家研制了一些高質(zhì)量的太陽(yáng)能熱水器專用的零部件，另一些國(guó)家為優(yōu)化 設(shè)計(jì)專門開發(fā)了太陽(yáng)能熱水器的應(yīng)用軟件．還有一些國(guó)家開始著手開發(fā)全天候使用的太陽(yáng)能熱水器控制器系統(tǒng)．總之在西方的發(fā)達(dá)國(guó)家，太陽(yáng)能熱水器領(lǐng)域的開發(fā)研究一直比較活躍． 本論文研究?jī)?nèi)容 文章首先對(duì)太陽(yáng)能熱水器控制器的背景做了簡(jiǎn)單介紹并分析了當(dāng)前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)的太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)業(yè)已日趨成熟，但是與之相配套的太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)卻存在很多問題．之后又對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了需求分析，列出了控制器需要實(shí)現(xiàn)的主要功能，然后根據(jù)相應(yīng)的功能來選擇對(duì)應(yīng)的芯片或器件來設(shè)計(jì)功能模塊．本設(shè)計(jì)的硬件部分主要由單片機(jī)控制電路、溫度傳感器模 塊、水位傳感器模塊、溫度控制和水位控制模塊、鍵盤和液晶顯示模 塊、警報(bào)裝置等組成．軟件部分通過對(duì)功能的設(shè)計(jì)和分析，制作了各模塊的流程圖．最后對(duì) 本設(shè)計(jì)所做的工作進(jìn)行總結(jié) ，并給 出 建議 和展望． 本論文的核心是設(shè)計(jì)一種太陽(yáng)能熱水器控制器，使熱水器具有溫度顯示、水位顯示、溫度自動(dòng)控制、水位自動(dòng)控制和智能警報(bào)的功能． 溫度檢測(cè)部分通過 DS18B20 傳感器來實(shí)現(xiàn)， DS18B20 是一種數(shù)字式溫度傳感器，僅需要一條數(shù)據(jù)線與單片機(jī)連接來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而且不需要 A/D 轉(zhuǎn)換模塊，可以很大程度上簡(jiǎn)化電路． 水位檢測(cè)部分通過干簧管水位 傳感器來實(shí)現(xiàn)，本論文共設(shè)計(jì)了四個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，分別對(duì)應(yīng)水箱中的“下”、“中下”、“中上”、“上”的位置，當(dāng)水沒過檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，干簧管被磁化形成通路，對(duì)應(yīng)的水位輸出級(jí)會(huì)被拉低，單片機(jī)可以通過讀各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)水位輸出極的電平來判斷水箱中水位． 溫度和水位的控制部分分兩種情況討論，一種是人工操作，另一種是自動(dòng)控制．本論文設(shè)計(jì)了四個(gè)控制按鍵，分別用來實(shí)現(xiàn)“加熱”、“停止加熱”、“上水”、“停止上水”功能．其中溫度和水位的控制按鍵（如“加熱”和“停止加熱”）用兩個(gè)按鍵來分別實(shí)現(xiàn)，是因?yàn)楸菊撐闹幸苍O(shè)計(jì)了自動(dòng)加熱和上水的功能，如果每組 只設(shè)計(jì)一個(gè)按鍵（即開關(guān)閉合為加熱，斷開為停止），當(dāng)系統(tǒng)故障出現(xiàn)干燒或者過燒時(shí)，就無(wú)法通過人為操作使其停止了．自動(dòng)控制部分由程序預(yù)先設(shè)定，在特定的條件下系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)溫度和水位進(jìn)行調(diào)節(jié)．此外，本設(shè)計(jì)的控制模塊都是通過單片機(jī)觸發(fā)繼電器來驅(qū)動(dòng)相應(yīng)大功率電路來實(shí)現(xiàn)的． 警報(bào)部分．本設(shè)計(jì)設(shè)置了兩種情況報(bào)警：干燒和過燒．當(dāng)水位低于“下”而且還在加太陽(yáng)能熱水器控制器的軟硬件設(shè)計(jì) 3 熱的時(shí)候，系統(tǒng)發(fā)出干燒警報(bào)．無(wú)論水位如何，當(dāng)溫度高于 80 攝氏度且還在加熱時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出過燒警報(bào)． 江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 太陽(yáng)能熱水器控制器的軟硬件設(shè)計(jì) 5 第 2 章 需求分析及總體設(shè)計(jì) 需求分析 本課題設(shè)計(jì)的熱水器控制器需要實(shí)現(xiàn)如下功能： 1 溫度顯示．水溫范圍 0~100攝氏度，精確到 1攝氏度． 2 水位顯示．在水箱內(nèi)設(shè)置 4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，分別代表水位“上”、“中上”、“中下”、“下”四個(gè)級(jí)別． 3 溫度自動(dòng)控制．當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到水溫低于 20攝氏度并且水位在“中下”以上時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)加熱裝置，升高水溫．當(dāng)水溫高于 80攝氏度時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉加熱裝置，停止加熱．這樣可以使水箱里邊的水溫控制在一個(gè)合適的溫度． 4 水位自動(dòng)控制．當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到水位低于“下”時(shí)，啟動(dòng)自動(dòng)上水裝置，開始上水．當(dāng)水位到“上”時(shí)， 停止上水． 5 智能警報(bào)．當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到水位低于“下”，且此時(shí)還在加熱時(shí)，啟動(dòng)警報(bào)裝置，警報(bào)干燒．無(wú)論水位如何，當(dāng)溫度高于 80攝氏度且還在加熱時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)警報(bào)裝置，警報(bào)過燒． 總體設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)的硬件通過單片機(jī)控制，其他部分由鍵盤模塊、溫度傳感器模塊、水位傳感器模塊、液晶顯示模塊、警報(bào)裝置、繼電器驅(qū)動(dòng)的溫度和水位控制電路等組成． 如圖 21 所示，該控制器選用 STC89C52單片機(jī)主控，供電部分通過電源模塊將 220V的交流電轉(zhuǎn)化成 5V直流電壓．本設(shè)計(jì)設(shè)置了 6個(gè)按鍵，分別實(shí)現(xiàn)電源、復(fù)位、加熱、上水、停止加 熱、停止上水功能，人們可以通過外部按鍵的控制它們來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能．溫度傳感器選用了防水的 DS18B20，將其放入水箱中來實(shí)時(shí)檢測(cè)水溫．水位檢測(cè)部分選用干簧管水位傳感器，在水箱中設(shè)置 4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，用來幫助判斷水箱中水位．顯示部分用 1602液晶顯示器，主要顯示當(dāng)前水溫和水位狀況．溫度和水位控制部分通過控制繼電器驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的加熱裝置或電磁閥來實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度和水位的調(diào)控．本系統(tǒng)還設(shè)計(jì)了警報(bào)裝置，用來警報(bào)干燒和過燒情況，增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性． 圖 21 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖 江南大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 芯片選擇方案論證 單片機(jī)芯片的選 擇方案和論證 方案一 : 采用 89C51 芯片作為硬件核心，采用 Flash ROM，內(nèi)部具有 4KB ROM 存儲(chǔ)空間 ,能于 3V 的超低壓工作 ,而且與 MCS51 系列單片機(jī)完全兼容 ,但是運(yùn)用于電路設(shè)計(jì)中時(shí)由于不具備 ISP 在線編程技術(shù) , 當(dāng)在對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試時(shí)，由于程序的錯(cuò)誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r(shí)，對(duì)芯片的多次拔插會(huì)對(duì)芯片造成一定的損壞． 方案二 : 采用 STC89C52[4]．該芯片內(nèi)部存儲(chǔ)器為 8KB ROM 存儲(chǔ)空間，同樣具有 89C51 的功能，且具有在線編程可擦除技術(shù)，當(dāng)在對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試時(shí)，由于程序的 錯(cuò)誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r(shí)，不需要對(duì)芯片多次拔插，所以不會(huì)對(duì)芯片造成損壞．另外，STC 系列單片機(jī)的 P0 口不需要上拉電阻，可使電路更加簡(jiǎn)潔． 綜上所述，本設(shè)計(jì)選擇采用 STC89C52 作為主控制系統(tǒng)． 溫度傳感器的選擇方案和論證 方案一： 使用熱敏電阻作為傳感器，用熱敏電阻與一個(gè)相應(yīng)阻值電阻串聯(lián)分壓，利用熱敏電阻阻值隨著溫度的變化而變化的特性，采集這兩個(gè)電阻變化的分壓值，并進(jìn)行 A/D轉(zhuǎn)換．此設(shè)計(jì)方案需要用到 A/D轉(zhuǎn)換電路，增加硬件成本而且熱敏電阻的感溫特性曲線不是嚴(yán)格線性的，這樣