【文章內(nèi)容簡介】 ..................................................................23 致 謝 ................................................................................................................24 附 錄 ................................................................................................................25 基于單片機的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計 1 1 1 緒論 課題研究的背景 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(jié)構(gòu)中占有重要地位 ,正越來越受到人們的重視 [1]?？茖W家預測：二十一世紀太陽能將會得到大量運用。但是由于種種原因，有些技術(shù)難點尚未突破，產(chǎn)品的造價還是相對偏高（比如說光電池）。所以還是沒有被人們大規(guī)模的利用。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)有電熱型熱水器的費用比較昂貴還有一些燃氣型的熱水器也存著著一些不安全的地方，兒且排放的氣體也會污染到大氣層，我國北方地區(qū)使用煤氣來 取暖也會造成城市上空空氣環(huán)境污染， 增加，這些都是太陽能熱水器產(chǎn)生的一些外部條件。太陽能熱水器可以克服了上述缺點，它能作為綠色環(huán)保產(chǎn)品投入使用。使用簡單、方便。 在太陽能熱利用技術(shù)中，太陽能熱水器算的上是技術(shù)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]。隨著技術(shù)的不斷進步，轉(zhuǎn)換效率的不斷提高，太陽能熱水器正在得到迅速的推廣應(yīng)用，方便著千家萬戶，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。太陽能熱水器包括 2 個系統(tǒng)組件：主系統(tǒng)部分是直 接利用太陽光能為熱水器進行加熱；從系統(tǒng)相當于電熱水器，在陰天的情況下利用電加熱的手段輔助加熱。 論文研究的目的意義 當今社會資源日益緊張，環(huán)境污染愈加嚴重 ,太陽能熱水器與傳統(tǒng)的燃氣熱水器和電熱水器相比有一定的優(yōu)越性。目前，中國已成世界上最大的太陽能熱水器生產(chǎn)國，但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。該課題采用單片機控制技術(shù)實現(xiàn)太陽能熱水器水溫、水位的自動檢測與控制，漏電檢測與報警，做到既能手動操作，又能智能控制，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。課題涉及到的內(nèi)容測控系的學生都學過，完成畢業(yè)設(shè)計，有利于鞏固所學單片機、 C語言等方面的知識，增強理論聯(lián)系實際的能力。同時，選題貼近日常生活，具有一定的應(yīng)用價值 [3]。 本課題構(gòu)思設(shè)計的太陽能熱水器控制系統(tǒng)是以 51 系列單片機中的 AT89S52為檢測控制的中心處理單元 , 采用 DS1302 時鐘 ,不僅實現(xiàn)了時間，日歷的顯示，還能夠儲存自動開關(guān)機的定時時間，設(shè)計了鍵盤，還能夠進行時間設(shè)定，控制功基于單片機的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計 2 2 能，添加了 DS18B20 溫度傳感器，能夠?qū)崟r監(jiān)測溫度，還添加了 12864 液晶顯示器，方便了人機交互功 能?？刂葡到y(tǒng)可以根據(jù)天氣的情況以及人工控制定時的時間利用加熱裝置 (電加熱器 )使蓄水箱里面的水溫達到預先設(shè)定的溫度 , 從而就能達到了 24小時供應(yīng)熱水的目的。 論文的實際應(yīng)用前景分析 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。但是與之相配套的控制系統(tǒng)卻還是一直處于研究和開發(fā)階段。沒法做到智能化的處理，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]?；趩纹瑱C的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計 3 3 2 系統(tǒng)基本方案選擇和論證 單片機芯片的選擇方案和論證 方案一： 采用 89C51 芯片作為硬件核心， 89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器，采用 Flash ROM，內(nèi)部具有 4KB ROM 存儲空間，能于 3V 的超低壓工作，由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， 89C51 很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案但是運用于電路設(shè)計中時由于不具備在線編程（ ISP）技術(shù)，當在對電路進行調(diào)試時，由于程序的錯誤修改或?qū)Τ绦虻男略?功能需要燒入程序時，對芯片的多次拔插可能對芯片造成一定的損壞 ,目前該型號芯片已經(jīng)停產(chǎn) [5]。 方案二： 采用 AT89S52單片機， AT89S52單片機是 ATMEL生產(chǎn)的單片機，是新一代 8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051。內(nèi)部集成看門狗電路。 AT89S52 單片機內(nèi)部有 8KB 的程序 Flash 存儲器。由于我們設(shè)計的燒寫文件大概在 7KB 左右 ，而AT89S52 單片機的程序 Flash 為 8KB，不用再外接程序存儲器了 [6]。 經(jīng)過綜合比較最終選擇方案二，即選擇 AT89S52 作為主控制器。 顯示模塊的選 擇方案和論證 方案一： LCD12864液晶是一種具有 8位并行接口方式的點陣圖形液晶顯示模塊 ,可以顯示 1616 點陣的漢字，系統(tǒng)要求顯示年月日、時分秒、星期、和農(nóng)歷。 LCD12864液晶可以完成設(shè)計的要求 。 12864 是具有 4位或者 8位并行或者使用 2線或著 3線串行的一種多種接口方式的液晶顯示器。 12864 液晶顯示器內(nèi)部含有簡體中文字庫的點陣圖形其顯示分辨率為 128 64，也就是 128 64 個點 , 內(nèi)置 8192 個16*16點漢字，和 128個 16*8點 ASCII字符集 .基本特性 :工作溫度 : 0℃ +55℃ ,存儲溫度 : 20℃ +60℃ 方案二： 系統(tǒng)采用 LED 顯示。 LED 應(yīng)用可分為兩大類：一是 LED單管應(yīng)用，包括紅外線 LED 等；另外就是 LED 顯示屏， LED 顯示屏是由一些發(fā)光二極管排列組合而成成的顯示器件。它采用的是低電壓掃描驅(qū)動，采用 LED 數(shù)碼管動態(tài)掃描 .價格上比較經(jīng)濟實惠，但不能顯示文字，性價比不是很高，操作起來比較液晶顯示來說略顯繁瑣，所以也不用此種作為顯示。 經(jīng)過綜合比較最終選擇方案一，即選擇 LCD12864 液晶顯示屏。 基于單片機的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計 4 4 時鐘芯片的選擇方案和論證 方案一： 采用單片機定時。單片機有很 多優(yōu)點，直接采用單片機定時計數(shù)器提供秒信號，計數(shù)的脈沖由外部提供，定時的脈沖由外部晶振提供，定時加 1的周期為一個機器周期；定時時間與初值和晶振頻率有關(guān)。使用程序?qū)崿F(xiàn)年、月、日、星期、時、分、秒計數(shù)。采用此種方案減少芯片的使用，節(jié)約成本，但程序復雜度較高。 方案二： 采用 DS1302 時鐘芯片。 DS1302 它可以對年、月、日、星期、時、分、秒進行計時，采用的是兩種電源的供電方式（主要電源和備用電源）， DS1302 可以進行數(shù)據(jù)記錄，采用 DS1302 只需要寫出驅(qū)動程序，調(diào)用程序讀出寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)經(jīng)過簡單的變換就可以輸 出時間的數(shù)據(jù) [7]。 經(jīng)過綜合比較最終選擇方案二，即采用 DS1302 時鐘芯片。 溫度傳感器的選擇方案和論證 方案一： 采用熱敏電阻作為溫度傳感器。使用熱敏電阻作為傳感器，用熱敏電阻與一個相應(yīng)阻值電阻相串聯(lián)分壓，利用熱敏電阻阻值隨溫度變化，當采集兩個電阻中間分壓變化的值時，通過 AD 轉(zhuǎn)換進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。此設(shè)計方案需用額外的 A/D 轉(zhuǎn)換電路，增加硬件成本而且熱敏電阻會產(chǎn)生較大的測量誤差。 方案二： 采用 DS18B20 溫度傳感器。 DS18B20 是由 DALLAS（達拉斯）公司生產(chǎn)的。體積較小，是一線總線接口的溫度 傳感器。信息經(jīng)過單線接口送入 DS18B20 或從DS18B20 送出，因此從單片機到 DS18B20 僅需一條線連接即可。它可在 1秒鐘 (典型值 )內(nèi)把溫度變換成數(shù)字 經(jīng)過綜合比較最終選擇方案二，即采用采用 DS18B20 溫度傳感器。 電路設(shè)計最終方案確定 單片機 AT89S52 作為主控制器；選擇 LCD12864 型液晶作為顯示模塊，此模塊可以顯示字母、數(shù)字符號、中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫面混合顯示功能；選擇采用 DS1302 時鐘芯片 ,使程序?qū)崿F(xiàn)年、月、日、星期、時、分、秒，即農(nóng)歷陽歷時間的顯示。采用 DS18B20 溫度傳感器，可以對溫度做出比較精確的測量，而且和單片機通訊只要一個 IO，連接方便。利用繼電器控制加熱設(shè)備?；趩纹瑱C的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計 5 5 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 系統(tǒng)功能模塊劃分 根據(jù)系統(tǒng)功能要求，可大致畫出系統(tǒng)所需硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 31 所示： 圖 31 系統(tǒng)原理框圖 主控模塊采用性價比較高的 AT89S52 單片機芯片，在其內(nèi)部燒寫好程序，可通過程序的運行控制測溫模塊進行測溫；測溫模塊主要是由 DS18B20 構(gòu)成，將其與所測對象進行接觸即可獲取被測對象的溫度數(shù)據(jù)，而所測得的溫度和 時鐘芯片測得的實時日歷將通過顯示模塊的液晶顯示器以數(shù)字形式顯示；單片機調(diào)用程序，讀取 DS1302 內(nèi)寄存器，可以得到我們系統(tǒng)的時間數(shù)據(jù)，經(jīng)過程序處理就可以輸出在 LCD 上；鍵盤電路可對時間，日歷進行調(diào)整；蜂鳴器可以在開啟定時加熱中，作為聲音提醒。 時鐘模塊 DS1302 為美國 DALLAS 公司的一種實時時鐘芯片，主要特點是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護電源提供可編程的充電功能，并且可以關(guān)閉充電功能。采用 晶振。它可以對年、月、日、星期、時、分、秒進行計時，且具有閏年補償?shù)榷喾N功能。 DS1302 可以用于數(shù)據(jù)記錄，掉電不丟失。在本設(shè)計中，它的實際電路圖如圖 32 所示： 數(shù)據(jù)處理模塊 MSC51 系列單片機 鍵盤輸入模塊塊 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 基于單片機的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計 6 6 圖 32 DS1302 與單片機的連接 DS1302 需要外接 的晶振， 1 號引腳接主電源 VCC（ 5V）電源， 8號引腳接備用電池（ 3V），當主電源掉電后，備用電源為 DS1302 提供電源，維持DS1302 內(nèi)數(shù)據(jù)不丟失，這正是時鐘芯片所必須的特性。 溫度模塊 傳統(tǒng)的溫度檢測系統(tǒng)大多數(shù)都是采用模擬采集， A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入計算機處理，處理電路相對比較復雜、可靠性也相對較差，占用 MCU 的資源比較多，本設(shè)計測 溫模塊采用一線制總線數(shù)字溫度傳感器 DS18B20，可將溫度的模擬信號直接轉(zhuǎn)換成溫度的數(shù)字信號送給微處理器，電路簡單，其電路原理圖如圖 33 所示： 圖 33 DS18B20 溫度模塊 從圖中可看出，將溫度傳感器的一線制總線通過端口 2 與本設(shè)計主控芯片AT89S52 的端口標號為 DS18B20 的相連即可實現(xiàn)相互之間的通信。設(shè)計中的測溫基于單片機的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計 7 7 元件采用的是 DS18B20 測溫元件 ,DS18B20 是由 DALLAS(達拉斯 )公司生產(chǎn)的一種溫度傳感器。超小的體積，超低的硬件開消，抗干擾能力強，精度高，附加功能強，使得 DS18B20 很受歡迎。這是世界上第一片支持 “ 一線總線 ” 接口的溫度傳感器。 DS18B20 溫度傳感器提供了 9位的 (二進制 )溫度讀數(shù)。信息經(jīng)過單線接口送入 DS18B20或從 DS18B20送出，因此從單片機到 DS18B20僅需一條線連接即可。它可在 1 秒鐘 (典型值 )內(nèi)把溫度變換成數(shù)字。 DS18B20 的主要特征 的主要特征：從轉(zhuǎn)換開始到結(jié)束全部都是數(shù)字溫度的轉(zhuǎn)換和輸出；是單總線數(shù)據(jù)的通信方式；最高可以支持 12 位的分辨率，精度可以達到土℃；最大分辯率的最大工作周期僅僅為 750 毫秒；檢測溫度范圍 為 – 55℃—— +125℃；內(nèi)置 EEPROM，可以做上下限溫報警功能；內(nèi)置產(chǎn)品序列號，方便多機單總線掛接。 芯片其封裝結(jié)構(gòu)如下： 圖 34 DS18B20 芯片封裝圖 由其引腳可看出，其 3 個引腳 : GND 為電壓地直接接地； DQ為單數(shù)據(jù)總線用來與單片機相連接 ,本系統(tǒng)中 DS與單片機 ,僅此一個連接就能保證DS18B20 與單片機之間的數(shù)據(jù)交換； VDD引腳接電源電壓。 DS18B20 的工作原理 DS18B20 共有三種形態(tài)的存儲器資源 ,分別是： ROM 只讀存儲器，用于存 放DS18B20ID 編碼，它的前 8 位數(shù)據(jù)是單線系列的編碼（ DS18B20 的編碼是 19H），后面的 48 位是芯片唯一的序列號，最后 8 位是以上 56 位的 CRC碼（冗余校驗）。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時設(shè)置不由