【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ..................................................................23 致 謝 ................................................................................................................24 附 錄 ................................................................................................................25 基于單片機(jī)的太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 1 1 緒論 課題研究的背景 太陽(yáng)能是一種古 老能源 ,也是一種安全、潔凈、價(jià)廉、無(wú)污染的綠色能源。在傳統(tǒng)化石燃料日趨枯竭的今天 ,太陽(yáng)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(lái)越受到人們的重視 [1]?？茖W(xué)家預(yù)測(cè)：二十一世紀(jì)太陽(yáng)能將會(huì)得到大量運(yùn)用。但是由于種種原因，有些技術(shù)難點(diǎn)尚未突破，產(chǎn)品的造價(jià)還是相對(duì)偏高（比如說(shuō)光電池）。所以還是沒(méi)有被人們大規(guī)模的利用。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。現(xiàn)有電熱型熱水器的費(fèi)用比較昂貴還有一些燃?xì)庑偷臒崴饕泊嬷恍┎话踩牡胤?，兒且排放的氣體也會(huì)污染到大氣層，我國(guó)北方地區(qū)使用煤氣來(lái) 取暖也會(huì)造成城市上空空氣環(huán)境污染， 增加，這些都是太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)生的一些外部條件。太陽(yáng)能熱水器可以克服了上述缺點(diǎn)，它能作為綠色環(huán)保產(chǎn)品投入使用。使用簡(jiǎn)單、方便。 在太陽(yáng)能熱利用技術(shù)中，太陽(yáng)能熱水器算的上是技術(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]。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，轉(zhuǎn)換效率的不斷提高，太陽(yáng)能熱水器正在得到迅速的推廣應(yīng)用，方便著千家萬(wàn)戶，太陽(yáng)能熱水器能夠?qū)⑻?yáng)輻射能轉(zhuǎn)換熱能，供生產(chǎn)和生活使用。太陽(yáng)能熱水器包括 2 個(gè)系統(tǒng)組件：主系統(tǒng)部分是直 接利用太陽(yáng)光能為熱水器進(jìn)行加熱；從系統(tǒng)相當(dāng)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(dāng)今社會(huì)資源日益緊張，環(huán)境污染愈加嚴(yán)重 ,太陽(yáng)能熱水器與傳統(tǒng)的燃?xì)鉄崴骱碗姛崴飨啾扔幸欢ǖ膬?yōu)越性。目前，中國(guó)已成世界上最大的太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)國(guó)，但市場(chǎng)上太陽(yáng)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(wèn)題。該課題采用單片機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱水器水溫、水位的自動(dòng)檢測(cè)與控制，漏電檢測(cè)與報(bào)警，做到既能手動(dòng)操作，又能智能控制，從而很好的解決太陽(yáng)能熱水器使用過(guò)程中易受季節(jié)、氣候 影響、浪費(fèi)水資源等缺點(diǎn)。課題涉及到的內(nèi)容測(cè)控系的學(xué)生都學(xué)過(guò)，完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，有利于鞏固所學(xué)單片機(jī)、 C語(yǔ)言等方面的知識(shí)，增強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際的能力。同時(shí)，選題貼近日常生活，具有一定的應(yīng)用價(jià)值 [3]。 本課題構(gòu)思設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)是以 51 系列單片機(jī)中的 AT89S52為檢測(cè)控制的中心處理單元 , 采用 DS1302 時(shí)鐘 ,不僅實(shí)現(xiàn)了時(shí)間，日歷的顯示，還能夠儲(chǔ)存自動(dòng)開(kāi)關(guān)機(jī)的定時(shí)時(shí)間，設(shè)計(jì)了鍵盤(pán)，還能夠進(jìn)行時(shí)間設(shè)定，控制功基于單片機(jī)的太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 2 2 能，添加了 DS18B20 溫度傳感器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)溫度，還添加了 12864 液晶顯示器，方便了人機(jī)交互功 能。控制系統(tǒng)可以根據(jù)天氣的情況以及人工控制定時(shí)的時(shí)間利用加熱裝置 (電加熱器 )使蓄水箱里面的水溫達(dá)到預(yù)先設(shè)定的溫度 , 從而就能達(dá)到了 24小時(shí)供應(yīng)熱水的目的。 論文的實(shí)際應(yīng)用前景分析 目前，中國(guó)已成世界上最大的太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)國(guó)，年產(chǎn)量約為世界各國(guó)總和。但是與之相配套的控制系統(tǒng)卻還是一直處于研究和開(kāi)發(fā)階段。沒(méi)法做到智能化的處理，目前市場(chǎng)上太陽(yáng)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(wèn)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(guò)燒 , 從而浪費(fèi)電能 [4]。基于單片機(jī)的太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3 3 2 系統(tǒng)基本方案選擇和論證 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， 89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器，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，由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)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(jià)廉的方案但是運(yùn)用于電路設(shè)計(jì)中時(shí)由于不具備在線編程（ ISP）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?功能需要燒入程序時(shí)，對(duì)芯片的多次拔插可能對(duì)芯片造成一定的損壞 ,目前該型號(hào)芯片已經(jīng)停產(chǎn) [5]。 方案二： 采用 AT89S52單片機(jī)， AT89S52單片機(jī)是 ATMEL生產(chǎn)的單片機(jī)，是新一代 8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051。內(nèi)部集成看門(mén)狗電路。 AT89S52 單片機(jī)內(nèi)部有 8KB 的程序 Flash 存儲(chǔ)器。由于我們?cè)O(shè)計(jì)的燒寫(xiě)文件大概在 7KB 左右 ，而AT89S52 單片機(jī)的程序 Flash 為 8KB，不用再外接程序存儲(chǔ)器了 [6]。 經(jīng)過(guò)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(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊 ,可以顯示 1616 點(diǎn)陣的漢字，系統(tǒng)要求顯示年月日、時(shí)分秒、星期、和農(nóng)歷。 LCD12864液晶可以完成設(shè)計(jì)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(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形其顯示分辨率為 128 64，也就是 128 64 個(gè)點(diǎn) , 內(nèi)置 8192 個(gè)16*16點(diǎn)漢字，和 128個(gè) 16*8點(diǎn) ASCII字符集 .基本特性 :工作溫度 : 0℃ +55℃ ,存儲(chǔ)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(dòng)，采用 LED 數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描 .價(jià)格上比較經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，但不能顯示文字，性價(jià)比不是很高，操作起來(lái)比較液晶顯示來(lái)說(shuō)略顯繁瑣，所以也不用此種作為顯示。 經(jīng)過(guò)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(jī)的太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 4 時(shí)鐘芯片的選擇方案和論證 方案一： 采用單片機(jī)定時(shí)。單片機(jī)有很 多優(yōu)點(diǎn)，直接采用單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)器提供秒信號(hào)，計(jì)數(shù)的脈沖由外部提供，定時(shí)的脈沖由外部晶振提供，定時(shí)加 1的周期為一個(gè)機(jī)器周期；定時(shí)時(shí)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(shí)、分、秒計(jì)數(shù)。采用此種方案減少芯片的使用，節(jié)約成本，但程序復(fù)雜度較高。 方案二： 采用 DS1302 時(shí)鐘芯片。 DS1302 它可以對(duì)年、月、日、星期、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，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(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，采用 DS1302 只需要寫(xiě)出驅(qū)動(dòng)程序，調(diào)用程序讀出寄存器內(nèi)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的變換就可以輸 出時(shí)間的數(shù)據(jù) [7]。 經(jīng)過(guò)綜合比較最終選擇方案二，即采用 DS1302 時(shí)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(gè)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(dāng)采集兩個(gè)電阻中間分壓變化的值時(shí)，通過(guò) AD 轉(zhuǎn)換進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。此設(shè)計(jì)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(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。 方案二： 采用 DS18B20 溫度傳感器。 DS18B20 是由 DALLAS（達(dá)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(guò)單線接口送入 DS18B20 或從DS18B20 送出，因此從單片機(jī)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(guò)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(jì)最終方案確定 單片機(jī) 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(hào)、中文字型及圖形，具有繪圖及文字畫(huà)面混合顯示功能；選擇采用 DS1302 時(shí)鐘芯片 ,使程序?qū)崿F(xiàn)年、月、日、星期、時(shí)、分、秒，即農(nóng)歷陽(yáng)歷時(shí)間的顯示。采用 DS18B20 溫度傳感器，可以對(duì)溫度做出比較精確的測(cè)量，而且和單片機(jī)通訊只要一個(gè) IO，連接方便。利用繼電器控制加熱設(shè)備?；趩纹瑱C(jī)的太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 5 3 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)功能模塊劃分 根據(jù)系統(tǒng)功能要求，可大致畫(huà)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(jià)比較高的 AT89S52 單片機(jī)芯片，在其內(nèi)部燒寫(xiě)好程序，可通過(guò)程序的運(yùn)行控制測(cè)溫模塊進(jìn)行測(cè)溫；測(cè)溫模塊主要是由 DS18B20 構(gòu)成，將其與所測(cè)對(duì)象進(jìn)行接觸即可獲取被測(cè)對(duì)象的溫度數(shù)據(jù)，而所測(cè)得的溫度和 時(shí)鐘芯片測(cè)得的實(shí)時(shí)日歷將通過(guò)顯示模塊的液晶顯示器以數(shù)字形式顯示；單片機(jī)調(diào)用程序，讀取 DS1302 內(nèi)寄存器，可以得到我們系統(tǒng)的時(shí)間數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)程序處理就可以輸出在 LCD 上；鍵盤(pán)電路可對(duì)時(shí)間，日歷進(jìn)行調(diào)整；蜂鳴器可以在開(kāi)啟定時(shí)加熱中，作為聲音提醒。 時(shí)鐘模塊 DS1302 為美國(guó) DALLAS 公司的一種實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片，主要特點(diǎn)是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護(hù)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(duì)年、月、日、星期、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，且具有閏年補(bǔ)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(jì)中，它的實(shí)際電路圖如圖 32 所示： 數(shù)據(jù)處理模塊 MSC51 系列單片機(jī) 鍵盤(pán)輸入模塊塊 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 基于單片機(jī)的太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 6 圖 32 DS1302 與單片機(jī)的連接 DS1302 需要外接 的晶振， 1 號(hào)引腳接主電源 VCC（ 5V）電源， 8號(hào)引腳接備用電池（ 3V），當(dāng)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(shí)鐘芯片所必須的特性。 溫度模塊 傳統(tǒng)的溫度檢測(cè)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(hào)送入計(jì)算機(jī)處理，處理電路相對(duì)比較復(fù)雜、可靠性也相對(duì)較差，占用 MCU 的資源比較多，本設(shè)計(jì)測(cè) 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(hào)直接轉(zhuǎn)換成溫度的數(shù)字信號(hào)送給微處理器，電路簡(jiǎn)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(guò)端口 2 與本設(shè)計(jì)主控芯片AT89S52 的端口標(biāo)號(hào)為 DS18B20 的相連即可實(shí)現(xiàn)相互之間的通信。設(shè)計(jì)中的測(cè)溫基于單片機(jī)的太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 7 元件采用的是 DS18B20 測(cè)溫元件 ,DS18B20 是由 DALLAS(達(dá)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(kāi)消，抗干擾能力強(qiáng)，精度高，附加功能強(qiáng)，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(jìn)制 )溫度讀數(shù)。信息經(jīng)過(guò)單線接口送入 DS18B20或從 DS18B20送出，因此從單片機(jī)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(kāi)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(dá)到土℃；最大分辯率的最大工作周期僅僅為 750 毫秒；檢測(cè)溫度范圍 為 – 55℃—— +125℃；內(nèi)置 EEPROM，可以做上下限溫報(bào)警功能；內(nèi)置產(chǎn)品序列號(hào)，方便多機(jī)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(gè)引腳 : GND 為電壓地直接接地； DQ為單數(shù)據(jù)總線用來(lái)與單片機(jī)相連接 ,本系統(tǒng)中 DS與單片機(jī) ,僅此一個(gè)連接就能保證DS18B20 與單片機(jī)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(chǔ)器資源 ,分別是： ROM 只讀存儲(chǔ)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(hào)，最后 8 位是以上 56 位的 CRC碼（冗余校驗(yàn)）。數(shù)據(jù)在出產(chǎn)時(shí)設(shè)置不由