【文章內(nèi)容簡介】 puter control solar water heater of hardware, software design and debug method, etc. Keywords: Solar water heater。 MCU。 Measurement instrument； DS18B20. 1 第 1 章 緒論 引言 能源是人類生存和社會發(fā)展的物質(zhì)基礎，一個能夠持續(xù)發(fā)展的社會應該是一個既能滿足當前需要又不危及后代人前途的社會。因而，隨著世界性能源短缺和環(huán)境污染的日益嚴重，節(jié)約能源和尋找新的可再生無污染的能源就擺在了人們的面前。節(jié)約能源，盡可能多的用潔凈能源代替高碳量的礦物燃料，也就成為能源和環(huán)境建設必須好遵循的基本原則之一。在近代的 100多年間，人們對各種太陽能利用方式進行了廣泛探索，逐步明確了發(fā)展方向。 20世紀 70年代以后 ，世界各國加大了對太陽能研究開發(fā)的投入，太陽能熱水、太陽能建筑、太陽能光伏發(fā)電等利用項目發(fā)展速度迅速，規(guī)模逐漸擴大。早在 1973年，美國就制定了政府級的陽光發(fā)電計劃。而后許多國家都制定了相應的發(fā)展計劃。 80年代，日本、澳大利亞、美國、以色列和希臘等國家出現(xiàn)新興的太陽熱水工業(yè) [3]。1992年聯(lián)合國召開了全球與環(huán)境發(fā)展大會之后，許多國家紛紛將太陽能列入重點開發(fā)項目。充分開發(fā)利用太陽能也就成為世界各國政府可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策，一方面可以廣泛地應用于熱水、發(fā)電、制冷、采暖等諸多方面，另一方面可以大量節(jié)省石油煤 碳等不可再生資源，將大大緩解能源匾乏而帶來的嚴重后果 [10]。 我國幅員遼闊，具有豐富的太陽能資源和良好的開發(fā)利用基礎。全國太陽能國輻射總量在 ～ 千焦 /平方米之間，約占全國 2/3 以上的地區(qū)全年日照時數(shù)大于2021 小時。經(jīng)過十余年的努力，我國太陽能利用取得了舉世矚目的成績，太陽能熱水器是太陽能熱利用中技術最成熟、應用最廣泛、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最快的領域。當前我國自主開發(fā)的全玻璃真空管太陽能熱水器在世界上處于領先水平，并出口到日本、美國等發(fā)達國家。 太陽能熱水器的發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望 太 陽能是一種取之不盡、用之不竭的新能源，大力開發(fā)和應用太陽能，是當今許多國家極為關注的課題，節(jié)能技術的研究與應用也是我國能源政策的重要組成部分。能源危機和環(huán)保意識使對太陽能利用達成全球范圍的共識。世界上一些著名分析預測研究機構(gòu)、跨國公司、太陽能專家和一些國家政府紛紛預測，認為 21 世紀中葉，即 2050年前后，太陽能在世界能源構(gòu)成中將占 50%的份額，屆時太陽能將成為世界可持續(xù)發(fā)展的基礎能源。開發(fā)太陽能這種益于環(huán)境，益于社會，益于公眾的新能源，在能源日趨缺乏的當今世界，有著特殊的意義和廣闊前景 [2]。 太陽 能熱水器可提供日常生活中使用的 40℃～ 60℃熱水 ,其結(jié)構(gòu)簡單 ,使用方便 ,工2 作可靠 ,是最經(jīng)濟實用的太陽能熱利用方式之一。由于其節(jié)能、清潔和方便等優(yōu)點 ,目前在城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村普遍使用 ,且效果明顯。 當今社會發(fā)展日新月異，人們衣食住行的檔次也不斷提高?，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。在人類文明進程日益提高的今天，它是現(xiàn)代文明社會的最佳選擇。 （ 1） 經(jīng)濟 太陽光是不要錢的，花二、三千元設備錢，可用上 l5～ 20年。還可節(jié)省許多電費。 （ 2） 方便 放在房頂上，每分鐘都有熱水供應，不用等待，非常方便。 （ 3） 安全 不怕煤氣中毒，不怕漏電，除了要小心水太熱被燙傷外，其他都不用擔心。 （ 4） 環(huán)保 沒有任何廢氣排放，不污染環(huán)境，是一種綠色環(huán)保節(jié)能產(chǎn)品。 （ 5） 實用 太陽能熱水器終將會取代傳統(tǒng)的煤氣熱水器或電熱水器，現(xiàn)在使用，說明您注重環(huán)保，懂得享受生活 [3]。 綜上所述 ，人們己經(jīng)開始發(fā)揮自己的聰明才智，充分利用太陽能這種重要的自然能源。在科學技術迅速發(fā)展的今天，隨著 許多新興技術的崛起，太陽能利用一定會有更大的突破。 太陽能熱水器控制儀的現(xiàn)狀 在太陽能熱水器的控制方面，其發(fā)展就遠遠落后于太陽能熱水器本身的發(fā)展，諸如使用一段時間后，傳感器因結(jié)垢而檢測不準；顯示器顯示亂碼；因干擾而造成電磁閥等執(zhí)行機構(gòu)誤操作等一些問題，影響了太陽能熱水器的推廣使用。絕大多數(shù)用戶對水位 (進水 )的控制仍然依賴于觀察溢流管有無溢流。但這種方法有明顯缺陷 : （ 1）智能化程度不高，一方面，人工上水，用戶需占用大量時間，使用十分不 方便 。另一方面，也造成了對太陽能利用的效率低下 。 （ 2）其關鍵 元件水溫、水位探頭插入水箱中，依靠探頭金屬與水導電產(chǎn)生信號來顯示水位。太陽能水溫升高時，探頭上會產(chǎn)生水垢，影響了探頭與水之間的導電性能，整套水位顯示系統(tǒng)也就失去了作用，控制儀也就不能正常使用。 （ 3）雖然此類產(chǎn)品種類多，但功能都不齊全，各有側(cè)重，且通用性較差 。 （ 4）交互界面不友好，用戶了解信息和操作都不方便。基于這幾點考慮，針對目前市場上的家用太陽能熱水器控制系統(tǒng)存在的缺陷 ，我們做了必要的、有益的調(diào)整、3 改進和完善。以 MCS51 單片機為核心 ，利用數(shù)字溫度傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬探頭，解決了升溫結(jié)垢問題；同 時實現(xiàn)對太陽能熱水器的水位、補水方式、補水時間的程序化控制，提高了系統(tǒng)的智能化，同時提高了對太陽能的利用率 。通過液晶顯示與用戶建立良好的交互界面 [4]。 課題主要內(nèi)容和要求 本系統(tǒng)以 單片機 控制系統(tǒng)為基礎，通過對 太陽能熱水器控制器 的工作原理、 設計要求的分析和研究來進行 硬件 結(jié)構(gòu)和 軟件系統(tǒng)的 設計 。設計內(nèi)容主要為： （ 1） 了解 太陽能熱水器控制器的功能及工作原理； （ 2） 掌握單片機的使用及了解 相關 傳感器的工作原理； （ 3） 完成系統(tǒng) 硬件 結(jié)構(gòu)及 電路設計； （ 4） 完成系統(tǒng) 軟件 設計及部分軟件調(diào)試 ； （ 5） 完成 文獻綜述、開題報告、畢業(yè)設計論文的撰寫。 4 第 2 章 總體方案的設計 目前市場上的太陽能熱水器控制器具有功能齊全、智能化強、操作簡單方便、人機交互界面良好等諸多功能： （ 1） 太陽能熱水器水位測定：通過霍爾雙向流量計可較精確的測定目前太陽能熱水器的水量，解決了長期困擾太陽能控制器可靠性的難點，并在液晶上通過數(shù)值來顯示，直觀、簡潔。 （ 2） 太陽能熱水器水溫測定與控制：通過數(shù)字溫度傳感器來探測太陽能熱水器的溫度 ， 并通過單片機控制在液晶上以數(shù)字形式顯示；用戶也可以根據(jù)需要選用或不選用輔助電加熱器。當不選用輔助電加熱時，采用恒溫補水，即溫度低于一定值 (如 45)，到達補水時間，只能補半箱水，溫度高于一定值 (如 70)，則立即補水到滿水位。 （ 3） 補水方式選擇：用戶可以根據(jù)自己的需要選擇自動補水 (系統(tǒng)一旦檢測到水位低于一定值就自動打開電磁閥補水直到滿水位 )或手動補水 (系統(tǒng)根據(jù)用戶設定的補水時間來進行補水 )。 （ 4） 系統(tǒng)時間顯示與調(diào)整：用戶可以 在液晶上知道系統(tǒng)時間，并可以對時間進行調(diào)整。 （ 5） 斷電保護：當由于非正常原因斷電時系統(tǒng)會啟動輔助供電系統(tǒng)，使系統(tǒng)繼續(xù)維持工作狀態(tài)，而不會丟失信息。 （ 6） 液晶顯示：監(jiān)測結(jié)果以及相應的用戶操作，都在液晶上以圖形或數(shù)字的方式來顯示，直觀、明了，用戶用起來很方便。 （ 7） 此外，系統(tǒng)還對多種意外情況做了相應的保護措施。如，自動切斷電磁閥 (防止用戶補水時，自來水公司突然停水 )；當電加熱啟動著時，用戶如果用水，則切斷電加熱，直到用戶用水完畢，再重新開啟電加熱。 (防止帶電用水 )等等 [13]。 總體方案的確定和設 計 在本次設計中要得到的是一個智能化的太陽能熱水器。首先要讓其滿足作為一個太陽能熱水器的最基本的結(jié)構(gòu)，此外為實現(xiàn)智能化則應該是再加上微機（單片機）系統(tǒng)來組成。普通的太陽能熱水器用來完成基本功能，而微機系統(tǒng)則用來對各類信息進行分析綜合，完成太陽能熱水器相應部分正常運行的控制功能和對運行的太陽能熱水器進行實時監(jiān)測，檢測故障，自身維護及自動操作等功能。 設計太陽能熱水器控制器，包括硬件設計和軟件設計。硬件電路的設計首先理清各部分電路的工作原理和功能，再進行各個單元電路圖的設計。采用單片機進行軟件設計首先要做出程序 流程圖，子程序流程圖，控制算法，然后上機調(diào)試、修改，最后確定最5 佳控制方案。 主體硬件電路的設計及指導思想 主體硬件電路是整個設計的基礎和著手點。太陽能熱水器控制器硬件電路主要 由 以下幾 大部分組成 ： ① 溫度傳感及控制電路； ② 水位傳感及控制電路； ③ 鍵盤輸入電路；④ 液晶顯示電路； ⑤ 時鐘電路； ⑥ 報警電路； ⑦ 電輔加熱等部分組成。 其大致原理圖形可如圖 圖示： 圖 主體硬件框圖 單片機 溫度監(jiān)測及控制 鍵盤輸入 液晶顯示 水位監(jiān)測及控制 上水及控制 電輔加熱 報 警 時鐘電路 輔助電加熱器 排空控制閥 閥溫度探點 水位探點 太陽能熱水器 儲 水 箱 淋浴開關 自來水 熱水開關 冷水開關關 上水電磁閥 水流開 關 閥閥閥閥圖 太陽能熱水器輔助控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 6 在設計時需從總體圖出發(fā)按要求逐個設置分電路。此外，在設計中用到微機（ 8051單片機 ） 應用系統(tǒng) ， 單片機應用系統(tǒng)是指以單片機為核心，配以一定的外圍電路和軟件，能實現(xiàn)某些功能的應用系統(tǒng)。它由硬件部分和軟件部分組成。 進行該系統(tǒng)設計的目的是達到智能控制要求，包括 擴展部分 和 功能模塊的設計， 以及軟件系統(tǒng)設計等。具體硬件設計過程、思路將在第三章中進行 詳細闡述 。 主體軟件控制部分的設計思路 軟件編寫主要實現(xiàn)自動監(jiān)測及控制溫度和水位，并將所得數(shù)據(jù)通過液晶顯示器進行顯示， 課題設計要求中規(guī)定必須以單片機為核心來控制太陽能熱水器。所以必須設計一個 單片機應用系統(tǒng) ，即 以單片機為核心，配以一定的外圍電路和軟件， 用來 實現(xiàn) 電路實時監(jiān)測等 功能的應用系統(tǒng)。 具體軟件設計思路及芯片選型確定見第四章詳細說明。 7 第 3 章 硬件結(jié)構(gòu)及電路設計 太陽能熱水器的集熱管、水箱等部分的技術比較成熟，此處不作介紹。下面主要介紹熱水器 測控儀系統(tǒng)的設計，即使用單片機控制熱水器部分。 總體設計方案 硬件結(jié)構(gòu)設計圖 在本次設計中要得到的是一個智能化的太陽能熱水器。首先要讓其滿足作為一個太陽能熱水器的最基本的結(jié)構(gòu)，此外為實現(xiàn)智能化則應該是再加上微機（單片機）系統(tǒng)來組成。普通的太陽能熱水器用來完成基本功能，而微機系統(tǒng)則用來對各類信息進行分析綜合，完成太陽能熱水器相應部分正常運行的控制功能和對運行的太陽能熱水器進行實時監(jiān)測，檢測故障，自身維護及自動操作等功能。 主體硬件電路是整個設計的基礎和著手點。太陽能熱水器控制器硬件電路主要 由 幾大部分組成 ： ① 水位傳感及控制電路； ② 溫度傳感及控制電路； ③ 鍵盤輸入電路； ④ 液晶顯示電路； ⑤ 時鐘電路； ⑥ 報警電路等部分組成。 其大致原理圖形可如圖 ： 圖 硬件電路設計框圖 主控制器的 I/O 口分配明細表 溫度傳感器 +5V 蜂鳴器 DQ DS18B20 VDD GND ADC0809 液晶顯示 水位傳感器 1INT AT89C51 P1 口 口 口 鍵盤電路 鍵盤電路光耦 鍵盤電路鍵盤電路鍵盤電路光耦.01口P0 口 .5放 大 時鐘電路 加熱繼電器 光耦 放大 上水電磁閥 8 表 I/0口分配明細表 主要電子元件的特點和選擇 太陽 能 熱水器智能控制系統(tǒng)要實現(xiàn) :液晶顯示、北京時間顯示、溫度和水位的顯示及控制等。所以此系統(tǒng)要處理以下程序 :溫度的設置、采集、比較、控制和溫度 、時間的顯示以及定時執(zhí)行特定程序等功能。 單片機的選擇 本設計所采用的主控制器是由 ATMEL 公司所生產(chǎn)的 AT89C51,它是基于 Intel 公司的 MCS51 單片機而研發(fā)成功的，雖然