【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 設(shè)置加熱溫度，通過(guò)MaxRS232 通信把下位機(jī)溫度數(shù)據(jù)，各個(gè)部件運(yùn)行狀態(tài)發(fā)送到上位機(jī)計(jì)算機(jī)顯示，現(xiàn)實(shí)人機(jī)交換的顯示界面。1 熱水器概述 熱水器工作原理 空氣能熱水器的熱量空氣能熱泵熱水工程制冷由四大件部件組成：蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器和節(jié)流裝置四個(gè)部件。主要三大件：壓縮機(jī)，膨脹閥毛細(xì)管，干燥器，輔助部件除霜器：四通閥?？諝饽軣岜脽崞魍黄苽鹘y(tǒng)能量轉(zhuǎn)換理論，實(shí)現(xiàn)高能效熱水器。熱泵熱水器在工作時(shí)，工質(zhì)能在蒸發(fā)器中吸收環(huán)境介質(zhì)貯存的能量 QA 而啟動(dòng)系統(tǒng)需要消耗能量，即壓縮機(jī)耗電 QB，同時(shí)工質(zhì)在冷凝器中釋放到高溫介質(zhì)的熱量 QC=QA+QB壓縮機(jī)輸入功啟動(dòng)系統(tǒng)后，由機(jī)械動(dòng)能變成熱能。所以熱泵輸出的能量為壓縮機(jī)做的功 QB 和熱泵從環(huán)境中吸收的熱量 QA 之和；輸入一個(gè) QB，得到 QB+QA，突破傳統(tǒng)單一不同能之間轉(zhuǎn)變無(wú)法達(dá)到 100%效率的瓶頸；采用熱泵技術(shù)能效比更高。 第 2 頁(yè) 共 49 頁(yè) 空氣能熱水器工作原理空氣能熱水器是按照“逆卡諾”原理工作的，形象地說(shuō)，就是“室外機(jī)”像打氣筒一樣壓縮空氣，使空氣溫度升高，然后通過(guò)一種17℃就會(huì)沸騰的液體傳導(dǎo)熱量到室內(nèi)的儲(chǔ)水箱內(nèi)，再將熱量釋放傳導(dǎo)到水中。 保 溫 水箱加水泵 循環(huán)水泵熱交換器壓縮機(jī)外機(jī)風(fēng)扇水源 空氣能熱水系統(tǒng)原理運(yùn)用熱泵工作原理制熱，與空調(diào)制冷相反，電制冷 2800 瓦。根據(jù)熱平衡的原理，同時(shí)最少產(chǎn)生 2800 瓦的熱量，加上輸入的 1000 瓦電，實(shí)際產(chǎn)生的熱量在 3000—4000瓦，把這些熱量輸送到保溫水箱，其耗電量只是電熱水器的四分之一，電熱水器即使熱效率 100%，輸入 1000 瓦電也只有 1000 瓦的熱?？諝饽軣崴鲃t不需要陽(yáng)光，因此放在家里或室外都可以。太陽(yáng)能熱水器儲(chǔ)存的水用完之后，很難再馬上產(chǎn)生熱水。如果電加熱又需要很長(zhǎng)的時(shí)間，而空氣能熱水器只要有空氣，溫度在零攝氏度以上，就可以 24 小時(shí)全天承壓運(yùn)行。這樣一來(lái)，即使用完一箱水，一個(gè)小時(shí)左右就會(huì)再產(chǎn)生一箱熱水。同時(shí)它也能從根本上消除了電熱水器漏電、干燒以及燃?xì)鉄崴魇褂脮r(shí)產(chǎn)生有害氣體等安全隱患，克服了太陽(yáng)能熱水器陰雨天不能使用及安裝不便等缺點(diǎn)，具有高安全、高節(jié)能、壽命長(zhǎng)、不排放毒氣等諸多優(yōu)點(diǎn)，空氣能熱水器的壽命一般可以達(dá)到 15 至 20 年。 特點(diǎn)與優(yōu)點(diǎn) 安生性傳統(tǒng)熱水器以燃?xì)?、電和太?yáng)能為主，燃?xì)鉄崴靼踩暂^差，燃燒不充分和水壓不穩(wěn)定易造成燃?xì)庵卸竞蜖C傷事件，電熱水器的漏電隱患和住宅接地不良也對(duì)消費(fèi)者的生命安全造成嚴(yán)重威脅。太陽(yáng)能熱水器儲(chǔ)水式的特點(diǎn)決定了其在晴天時(shí)，水溫可能很高，造成燙傷，陰雨天的電輔助加熱卻留下安全隱患，與以上熱水器不同，空氣 第 3 頁(yè) 共 49 頁(yè)能熱水器制熱過(guò)程是通過(guò)壓縮機(jī)排出的高溫高壓制冷劑氣體加熱水罐中的水，電主要用于壓縮機(jī)，制熱后的氣體通過(guò)外熱交換盤(pán)式的盤(pán)管與搪瓷水罐中的水交換熱量，水電完全分離。這樣，既不存在漏電隱患，省去了防漏電的煩惱，也避免了電加熱管表面溫度高，易結(jié)垢并影響加熱效率的弊端，真正作到絕對(duì)安全。 節(jié)能性由于采用熱泵技術(shù)，可將大量的空氣中的熱量通過(guò)壓縮機(jī)和制冷劑，轉(zhuǎn)變?yōu)榭衫玫臒崮?，空氣能熱水器由于吸收了大量空氣中的熱量，能效比平均?3 以上，即空氣能熱水器的壓縮機(jī)每耗一度電，可產(chǎn)生電加熱消耗 3 度電產(chǎn)生的熱水，極大的節(jié)省了能源。120 升熱泵熱水器，壓縮機(jī)功率為 500 瓦，熱效率值為 370%，標(biāo)準(zhǔn)工況環(huán)境溫度為 20℃，是普通電熱水器的四倍左右（電熱水器熱效率為 95%） ，可見(jiàn)大大節(jié)省了電能，同樣 120 升水從 15℃升到 55℃，普通電熱水器需要 6Kw，熱泵熱水器僅需 Kw，不僅僅節(jié)省了費(fèi)用，大面積推廣也可極大的緩和電力緊張情況，具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。表 （以 120升，溫度從 15℃升到 55℃為例 ）熱水器種類 熱泵熱水器 電熱水器 太陽(yáng)能熱水器 燃?xì)鉄崴魅剂戏N類 電 電 電 天然氣有無(wú)污染 無(wú) 無(wú) 無(wú) 有有無(wú)危險(xiǎn)性 無(wú) 有觸電隱患 有觸電隱患 危險(xiǎn)是否方便 方便 較方便 不方便 較方便燃值 860大卡/Kwh 860大卡/Kwh 860大卡/Kwh 9000大卡/m3熱效率 370% 95% 280% 70%燃料單價(jià) 120升水費(fèi)用 年運(yùn)行費(fèi)用 365元 注：熱泵熱水器的熱效率采用標(biāo)準(zhǔn)工況環(huán)境溫度 20℃，水溫 15℃計(jì)算，太陽(yáng)能熱水器以帶電輔助加熱的為對(duì)比對(duì)象，全年陰天按 120天核算，熱效率為 280%。 環(huán)保性與燃?xì)鉄崴飨啾葻o(wú)任何排放，其制冷劑選用 R417A，是一種環(huán)保制冷劑，對(duì)臭氧層零污染，是 R22 的理想替代產(chǎn)品，目前，該產(chǎn)品在歐洲替換制冷劑市場(chǎng)占 80%以上的市場(chǎng)份額，被廣泛地用于商場(chǎng)、賓館、超市和辦公場(chǎng)所等中央空調(diào)制冷劑的替換，其節(jié)能、環(huán)保、高效和替換簡(jiǎn)單（不用換壓縮機(jī)和膨脹閥）等特點(diǎn)，使其已成為歐洲替換 R22 的首選產(chǎn)品。各種熱水器加熱方式比較，以每天產(chǎn)生 10 噸熱水,溫差 45℃計(jì)算,制熱量為 450000大卡。 第 4 頁(yè) 共 49 頁(yè)表 各類熱水器產(chǎn)生 10噸熱水污染對(duì)比供熱方式 燃煤鍋爐 燃油鍋爐 燃?xì)忮仩t 電鍋爐 太陽(yáng)能 空氣源熱泵燃料種類 煤 柴油 天然氣 電 電 電是否污染環(huán)境 非常嚴(yán)重 有 不嚴(yán)重 無(wú) 無(wú) 無(wú)有無(wú)危險(xiǎn)性 有 比較危險(xiǎn) 非常危險(xiǎn) 有 無(wú) 無(wú)熱效率 64% 85% 75% 95% 95% 400%燃料單位 /kg 元/kg 3元/m 3 每 10噸水需用燃料 551kwh 151kwh 130kwh每 10噸水燃費(fèi)(元) 310 200 年燃料費(fèi)用（萬(wàn)元） 16 人工費(fèi)用（萬(wàn)元） 4（ 2人） 4（2 人） 2（ 1人） 無(wú) 無(wú) 無(wú)設(shè)備使用年限 5年 5年 5年 5年 5年 10年以上 本文研究的意義空氣能熱水器以其節(jié)能低碳效果，在熱水器市場(chǎng)具有不可比擬與無(wú)法匹敵的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。其最大價(jià)值彰顯于其低碳節(jié)能效果在能源緊缺與低碳?jí)毫Τ掷m(xù)增大中應(yīng)用與普及。空氣能熱水器其耗能為電熱水器的四分之三，燃?xì)鉄崴鞯娜种?，太?yáng)能熱水器的二分之一，而被稱為“第四代熱水器” 。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，假設(shè)全國(guó) 25%的家庭改用空氣源熱泵熱水器，一年可節(jié)約電能約 1420億千瓦時(shí)，這個(gè)數(shù)字相當(dāng)于為國(guó)家建立了一個(gè)半的三峽電站，2022 年的三峽電站發(fā)電量才 808億千瓦時(shí)。而這同時(shí)也相當(dāng)于節(jié)約了 1730萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤，減少二氧化碳排放 3690萬(wàn)噸，減少二氧化硫排放 。空氣能熱水器行業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，在于其低碳節(jié)能價(jià)值被更多的人去認(rèn)知，我國(guó)的大部分電力來(lái)源于高耗能與高污染的煤，每到用電高峰期全國(guó)各地層出不窮的電荒，暴露我國(guó)能源緊缺與強(qiáng)大需要的尖銳矛盾，而空氣能熱水器從大力推廣到應(yīng)用普及，或可解決電荒于根本?？諝饽軣岜靡蚬?jié)能與低碳而在各領(lǐng)域都有廣泛的適用性，其發(fā)展前景更是令人期待，人們的都對(duì)其寄于了熱切的發(fā)展壯大希望，并用行動(dòng)付之以不懈的努力?？諝饽軣崴靼l(fā)展瓶頸成了空氣能熱水器普及之路上的最大阻礙。其一，空氣能熱水器還缺少支持空氣能熱水器產(chǎn)品在各種環(huán)境下的強(qiáng)適應(yīng)性與穩(wěn)定性的支撐技術(shù)及相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；其二，空氣能熱水器的高價(jià)格讓普通老百姓難以接受；其三，也是空氣能熱水器成長(zhǎng)之路上首要解決的重要問(wèn)題，空氣能熱水器系統(tǒng)的的電氣控制部分，如何實(shí)現(xiàn)高能郊的轉(zhuǎn)換，用最少的電能吸收最多的熱量。本課題就是研究其控制部分，發(fā)揮最能量轉(zhuǎn)換，為人民更好的服務(wù)。 第 5 頁(yè) 共 49 頁(yè)2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 基本設(shè)計(jì)要求（1）采用單片機(jī)（8051/STC/AVR/STM32）作為核心部件對(duì)壓縮機(jī)、外機(jī)風(fēng)扇、加水泵、循環(huán)水泵電磁閥過(guò)行控制；（2）采用 LCD1602顯示當(dāng)前熱水溫度等信息；（3）采用 DS18B20芯片作為數(shù)字溫度傳感器部件；（4）采用浮球水位開(kāi)關(guān)進(jìn)行對(duì)水位控制 發(fā)揮部分（1）實(shí)現(xiàn)下位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī)顯示（2）實(shí)現(xiàn)上位機(jī)調(diào)節(jié)下位機(jī)的溫度設(shè)置 方案步驟根據(jù)任務(wù)書(shū)上的要求進(jìn)行綜合分析，總設(shè)計(jì)方案分為以下幾個(gè)步驟：(1)根據(jù)空氣能熱水器控制系統(tǒng)的功能，選用合理元器件并畫(huà)出總體原理圖。 (2)畫(huà)出各個(gè)程序流程圖的各模塊。(3)根據(jù)流程圖編寫(xiě)出各模塊的程序。(4)制作 PCB版。(5)完成主程序及實(shí)現(xiàn)模塊調(diào)用。(6)硬件電路的焊接及調(diào)試。(7)硬件軟件的綜合調(diào)試及程序燒制 方案設(shè)計(jì) 主控制部分方案設(shè)計(jì)方案一：采用可編程邏輯器件 FPGA作為控制器。FPGA 可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、I/O 資源豐富、易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需要復(fù)雜的邏輯功能，對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高。且從使用、功耗及經(jīng)濟(jì)的角度考慮我們放棄了此方案。方案二：STC89C52RC 是高速/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代 8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051,但速度快 812倍。內(nèi)部集成 MAX810專用復(fù)位電路,針對(duì)電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場(chǎng)合。所以我用了方案二來(lái)設(shè)計(jì)。 第 6 頁(yè) 共 49 頁(yè) 溫度采集方案設(shè)計(jì)方案一：此方案采用 AD590來(lái)實(shí)現(xiàn)。使用 AD590優(yōu)點(diǎn)是能及時(shí)的反應(yīng)出溫度變化，速度快，編程簡(jiǎn)單，但是芯片輸出的是模擬信號(hào),必須經(jīng)過(guò) A/D轉(zhuǎn)換后才能送給計(jì)算機(jī),這樣就使得測(cè)溫裝置的結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而且麻煩的是需要校準(zhǔn)，這樣增加了控制的難度，而且成本高。方案二：此方案采用 DS18B20來(lái)實(shí)現(xiàn)。使用 DS18B20缺點(diǎn)是編程復(fù)雜，轉(zhuǎn)換速度慢。但是 DS18B20不需要 A/D轉(zhuǎn)換，溫度測(cè)量和轉(zhuǎn)換的工作都在一個(gè)器件中完成，直接與單片機(jī)的 I/O連接，而且 DS18B20保證精度足夠高，電路簡(jiǎn)單成本低。采用數(shù)字溫度芯片 DS18B20測(cè)量溫度,輸出信號(hào)全數(shù)字化，便于單片機(jī)處理及控制,省去傳統(tǒng)的測(cè)溫方法的很多外圍電路。且該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定,它能用做工業(yè)測(cè)溫元件,此元件線形較好。DS18B20 的最大特點(diǎn)之一采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸, 這允許在許多不同地方放置溫度傳感器。它可在 1秒內(nèi)把溫度變換為數(shù)字，采集速度較快能及時(shí)反應(yīng)溫度的變化。最高 12位溫度讀數(shù)，精度可達(dá)到 ，溫度采集范圍55～125 攝氏度，在很多場(chǎng)合下都能使用，并且價(jià)格低，很容易買到。綜合上述兩種方案的比較，本系統(tǒng)選用方案二。 顯示模塊方案設(shè)計(jì)方案一：此方案采用 LED八段數(shù)碼管來(lái)實(shí)現(xiàn)，雖然 LED具有原理簡(jiǎn)單、顯示快速等特點(diǎn)。但是由于的管腳較多，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，布線比較麻煩，而且使用數(shù)碼管不能夠同時(shí)顯示采集到的全部數(shù)據(jù)，只能通過(guò)按鍵來(lái)切換顯示采集到的數(shù)據(jù)，不夠靈活方便，而且它不能顯示英文字符，如果使用鎖存方式顯示，增加了電路難度，不使用鎖存方式則增加了控制的難度。方案二：此方案采用液晶顯示器 1602來(lái)實(shí)現(xiàn)，雖然 LCD1602編程比較困難，但是其引腳比較少，電路連接比較簡(jiǎn)單，布線比較容易，能夠全部顯示采集到的數(shù)據(jù)，方便靈活。而且它能顯示英文字符和數(shù)字，具有低功耗、長(zhǎng)壽命、高可靠性、清晰、體積小等特點(diǎn)。綜合上述兩種方案的比較，本系統(tǒng)選用方案二。 上位機(jī)通信方案設(shè)計(jì)方案一：采用 USB通信，采用此方案技術(shù)難度較大，容易出現(xiàn)錯(cuò)碼，所以采用方案一。方案二： 第 7 頁(yè) 共 49 頁(yè)采用 MAXRS232串口通信芯片，具有電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，并且價(jià)格便宜，容易買到3 硬件電路的設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)原則一般對(duì)于大型的硬件設(shè)計(jì)的主要思路如下:一個(gè)大型的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，二是系統(tǒng)的配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，要設(shè)計(jì)合適的接口電路。系統(tǒng)的擴(kuò)展和配置應(yīng)遵循以下原則：(1)盡可能選擇典型電路，為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下良好的基礎(chǔ)。(2)系統(tǒng)擴(kuò)展與外圍設(shè)備的配置水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求。(3)硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合程序設(shè)計(jì)方案一并考慮。考慮的原則是：軟件能實(shí)現(xiàn)的功能盡可能由軟件實(shí)現(xiàn)，以簡(jiǎn)化硬件結(jié)構(gòu)。(4)系統(tǒng)中的相關(guān)元器件要盡可能做到性能匹配。(5)可靠性及抗干擾設(shè)計(jì)是硬件設(shè)計(jì)必不可少的一部分。(6)盡量減少外圍。系統(tǒng)器件越多，器件之間相互干擾也越強(qiáng)，功耗也增大，也不可避免地降低了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因而在選擇器件上盡量的簡(jiǎn)潔。由于本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)是一個(gè)單片機(jī)的小型系統(tǒng),所以對(duì)于上述需要注意的事項(xiàng)在這次設(shè)計(jì)中并不需要面面俱到,我總結(jié)了