1、太阳能热水器温度控制系统毕业设计论文毕业设计（论文）题目 太阳能热水温度控制系统 院 别 电气工程学院 专 业 电气自动化技术 班 级 姓 名 学 号 指导教师（职称） 日 期 摘 要随着社会的发展，节能技术的不断改革创新，太阳能成为新时代可持续发展战略中带有绿色标志的新型能源。近年来，随着人们购买力的提升，太阳能热水器己经变成我们日常生活中必不可少的设备，太阳能控制器的使用率逐年上升。太阳能热水温度控制器的硬件包括单片机处理器部分、水位和温度信息采集部分、继电器执行部分、显示部分控制部分。根据设计系统的稳定性、精确性、节能性、适应性等原则，进行硬件部分设计。控制系统的软件是服务于硬件的，系统
2、将实时采集到的数据与相应的设定值进行比较、判断，结果是控制循环水泵或上水电磁阀的工作，实现各种智能控制同时，软件还要兼顾到操作人员方便地选择工作方式、设置和修改各种设定值，因为人们可以根据天气情况及用户的需要选择定时加热状态、自动加热状态软件还要设定以太阳能为优先使用的能源，只有在太阳能没有将水温加热到用户要求的温度下，才启动辅助能源进行加热。关键词：太阳能热水温度控制 单片机 传感器 水温水位AbstractWith the development of the society, continuous reform and innovation of energy-saving techno
3、logy, solar energy into a new era of sustainable development strategy in the new energy with green logo. In recent years, with the raise of peoples purchasing power, solar energy water heater has become in our daily life indispensable equipment, solar controller utilization rate increased year by ye
4、ar.Solar hot water temperature controller hardware including the single chip processor parts, water level and temperature data collection, the relay parts, display control part. According to the design of system stability, accuracy, energy saving, adaptability principle, hardware design.Software is
5、in the service of the hardware of the control system, the system will be collected in real-time data comparing with the corresponding value, judgement, the result is to control the circulating water pump or water solenoid valve, to achieve a variety of intelligent control at the same time, the softw
6、are gives priority to the operator to easily choose the way to work, set up and modify various Settings, because people can choose according to the weather conditions and the needs of the users regularly heating, automatic heating state software also set to gives priority to the use of solar energy,
7、 not only in the solar energy heat the water temperature to the temperature of the user requirements, to launch the auxiliary energy for heating.Keywords: Solar hot water temperature control; Single chip microcomputer; The sensor; Water level 第1章 绪 论11 太阳能热水器的发展背景在当今资源紧张不断威胁人们生活的时代，环保型的能源不断受到人们的重视，而
8、太阳能是以它独有的优势引起了政府与民众的关注。太阳能热水器即为应用这种环保型能源的一个典型，这对于缓解日益紧张的不可再生能源具有重要的意义。随着人民生活水平的提高以及低碳生活观念的不断深入人心，太阳能热水器已经为大众所接受，并走进了千家万户。可以说，太阳能热水器的快速发展己经使它成为中国可再生能源市场上需求量最大的产品之一。当然，太阳能热水器的快速发展离不开一系列的环境因素。1.1.1 太阳能热水器发展的政治法律环境近年来，随着传统能源供需失衡矛盾的不断升级，包括太阳能、生物能、海洋能、地热能、氢能和风能、核能在内的各种新能源的开发与利用引起了世界各国政府和科研机构的重视。这些新能源相对于传统
9、的能源有一系列的优点:对环境造成污染小、发展潜力大、可永久利用等。我国具有丰富的新能源资源，尤其太阳能资源极为丰富并在太阳能的开发利用上取得了一定的进展。2006年1月1日我国颁布施行中华人民共和国可再生能源法，在这部可再生能源法的第十七条中明文规定:国家鼓励单位和个人安装和使用太阳能热水系统、太阳能供热采暖和制冷系统、太阳能光伏发电系统等太阳能利用系统。建筑节能“十五”计划和2010年规划提出，到2015年，全国家庭太阳能热水器普及率要达到20%到30%。国家发改委出台的推进全国太阳能热利用工作实施方案中指出，我国即将制定太阳能热水器的强制安装政策。原则上要求屋面布置太阳能热水集热系统的面积
10、不少于屋面建筑面积的50%，“十二五”期间，我国政府提出了多项关于节能减排、发展清洁能源、可再生能源的目标措施，全力发展太阳能等低碳无碳能源，要求到2015年全国家庭太阳能热水器普及率达到20%至30%的目标。为了鼓励太阳热水器的推广应用，相信不久的将来，国家还将出台一些有利于太阳能热水器发展的政策法规。通过这些政策法规将为太阳热水器生产厂家的生产和广大太阳能用户的安装提供了一个健康有利的法律环境，这将推动太阳能热水器市场健康有序地发展。1.1.2太阳能热水器发展的社会环境当今世界，全球能源告急，气候变暖，环境污染等不断威胁到人类的生存与生活。为了解决这些问题，世界各国都在寻求新的替代型能源，
11、以寻求可持续发展并能在今后的发展中获取有利地位。太阳能取之不尽、用之不竭并且清洁、安全，自然成为大众关注重点。在太阳能产业的发展中，最成熟的莫过于太阳能热水器的热利用转换技术了。随着国际原油、天然气等能源价格的上涨，为太阳能热水器行业的发展提供了前所未有的产业机遇，特别是在全球金融危机的深层次影响持续蔓延的背景下，消费者的生活成本居高不下，使用清洁能源的太阳能热水器将获得更多用户的青睐，我国有近4亿多家庭，而热水器为家庭必需品，并且不受地域和消费阶层的影响，所以太阳能热水器有广阔的市场前景。1.1.3 太阳能热水器发展的经济环境 我国能源资源总量位于世界前列，但由于我国人口基数较大，人均能源资
12、源的占有量还不足世界人均能源资源占有量的一半。近年来我国经济持续增长，对于煤炭、石油等能源需求急剧增加，日益突出的能源供需矛盾已经严重的影响我国经济安全与经济发展。并且由于我国发展状况所决定的能源利用效率较低，这些更加重了我国的资源紧张。我国今年两会的三大主题之一是新兴产业投资，其中节能环保和新能源占据了重要地位，受国家节能政策的利好影响所致，“十二五”规划50个亿的补贴政策支持以太阳能为主的新能源。随着中国经济的发展，广大农村及城镇人口逐渐富裕起来，价格适中的太阳能热水器完全可以成为大多数居民的家用耐用品之一。2006年太阳能热水器的销售额近300亿元。尤其在2009年5月，太阳能热水器进入
13、家电下乡产品行列，享受政府补贴13%。所以太阳热水器在未来将有更大的发展空间。1.1.4 太阳能热水器发展的技术环境 上世纪70年代末起，我国开始研发与生产太阳能集热器，太阳能热水器发展至今，产品类型主要有真空管型、平板型和闷晒型3大类型技术板块。2001年到2006年太阳能热水器产业快速发展。当今真空管型太阳能热水器约占世界总产量的90%，用于真空管集热器生产的硼硅玻璃 3.3年产量约占世界总生产量的70%。其中在30万吨的3.3的玻璃中大约有28万吨用于真空管的生产。我国当前真空管镀膜生产线，年生产能力为2亿支，配套设备齐全，年生产的真空管可装配约2000万平方米太阳能热水器。随着太阳能热
14、水器发展，分体式太阳热水器技术、壁挂式太阳热水器技术、承压式太阳热水器技术、太阳能热泵热水器等新型的太阳能热水器技术不断被推向市场。1.2 太阳能热水器及其控制系统发展现状 随着全球能源供应的日趋紧张，以清洁、环保节能著称的太阳能受到各国和各级政府的高度重视。在中国为例，据太阳能协会公布的数据表明，全国太阳能的生产量以每年30%的速度增长，2009年，我国太阳能热水器的生产量占全世界生产量的50%，产品保有量占世界总量的70%。在世界范围内，太阳能热水器技术已很成熟，并已形成行业，正在以优良的性能不断地冲击电热水器市场和燃气热水器市场。许多国家都对太阳能产业给予了高度重视，比如德国就提出了太阳
15、能市场激励计划，以色列更是明文规定，所有新建房屋必须配备太阳能热水器。而西班牙则自2006年9月之后，所有新建建筑和游泳池以及既有建筑必须安装太阳能热水器。 目前，中国已经成为世界上最大的太阳能热水器生产国，年产量约为世界各国之和，拥有太阳能热水器研制、生产、销售和安装的企业达到1000余家，年产值20亿元，从业人数1.5万人。太阳能热水器发展迅速，与之形成偏差的是与太阳能热水器相配套的太阳能热水器控制器却一直处在研究与开发阶段。目前市场上太阳能热水器的控制系统大多存在功能单一、操作复杂、控制不方便等问题，很多控制器只具有温度和水位显示功能，且误差较大。主要存在的问题有以下两个方面:(1)不具
16、备温度控制功能。当由于天气或气候原因而光强不足时，太阳能热水器就会温度达不到洗浴要求，给热水器用户带来不便。即使部分太阳能热水器具有辅助加热功能，通常采用的是电加热方式。而传统电加热温度控制具有升温单向性、大惯性、大滞后性和时变性的特点，应用传统的模拟电路控制方法，很难达到理想的控制效果。也可能由于加热时间不能控制而产生过烧，从而浪费电能。(2)上水控制通常采用手动控制，水满不容易发觉，造成水资源的浪费。或者有所谓水位控制，是通过设定来实现太阳能热水器水箱里缺水时自动补水、水满时自动停水的功能。现有的控制方案多由水位传感器根据缺水或满水时发出的不同信号控制半导体器件的通断，从而进一步控制继电器
17、、电磁阀的开合状态，来进行补水与否。这种方案容易造成用户在使用过程中水位下降进行补水，出现混水问题。对于家庭用户来说，一天热水的使用量相差不会很大，若使用时随时补水，混水后又需要电辅热进行加热，势必会造成浪费，没有最大限度利用太阳能资源。1.3 本文所作的工作主要在几个方面做了一些设计和研究工作:(1）在单片机上进行处理器系统的设计。热水系统采用可编程芯片作为控制器，通过温度传感器采样温度信号，采集到的信号由控制器进行处理，控制系统根据控制规则计算出相应的温度值，并通过显示模块进行温度显示;通过水位传感器采样水箱水位的水位信号，采集到的水位信号通过控制系统进行数据处理，同时通过显示模块进行水位
18、显示;通过输出控制信号带动继电器驱动执行机构，实现各部分电路的控制。(2)进行芯片的选型及接口设计(3)进行其他硬件电路及软件的设计。第2章 方案选择2.1方案论证 太阳能作为能源利用的一种方式，具有使用方便、安全经济、节能环保的优点，因而得到广泛应用。本设计主要是研究其出水恒温控制系统，现有较为常用的方案如下:手动式:使用时先手动调节机械阀，调好冷热水混合比例，温度合适后再使用，但在使用过程中，常会放一段时间的冷、热水，混合后又会出现忽冷忽热的现象，造成资源浪费，还有压力的变化，均需要再次手动调节，这样操作既复杂又不方便，也使沐浴者皮肤感到不舒服。加热式:使用时先手动调节太阳能热水器水箱内的
19、水温，使出水口恒温。当水箱内温度较低时，用辅助电加热的方式将水加热到所需温度，当水箱内温度过高时，或兑冷水或无能为力。这在很多情况下既无必要，又造成了水资源浪费。智能式:通过控制器与检测装置的配合，检测与控制相应的检测与控制，将水温加热到所需要的温度并保持。 太阳能热水器在晴天一般能自动加热水温，就算在阴天的情况下，太阳能热水器内部的发热管也会将水温加热至用户所需温度，但保温时间不长。2.2系统的总体要求本系统设计的太阳能热水器控制系统将检测到的环境数据，通过主控芯片处理后，可以实现定时控制上水，水满自动停止。智能辅助加热，温度合适即停止加热。还可以让用户手动控制，进行定时等操作，满足用户的特
20、殊要求。通过LED显示屏用户可以了解系统地实时工作状态，即水温多少，水位多高等。使用户在洗浴前可以了解热水器的工作状态，下面对具体功能进行说明:(1)上水控制 智能上水当水位低于最低水位时自动上水，水上满自动停止。避免出现无水可用及干烧等情况。手动上水设置有手动上水按键，满足特殊情况的需要。(2)温度显示 即时显示水箱中水的温度，温度测量范围为-20-100摄氏度。(3)水位显示 设置A(满档)、B(75%)、C（60%）、D(45%)、E(30%)、F10%)、G(空)七个档显示水箱水位。(4)智能辅助加热智能辅助加热，当用户对水温不满意时，开启智能辅助加热，设置三档加热温度，满足个性化需求
21、、用电加热器作为辅助加热源，当温度加热至设定温度时，自动停止加热。2.3 方案选择实现通过对太阳能热水器控制系统功能分析，我们选择智能式太阳能热水器作为设计的方案，并在控制器方面选用我们学习中经常使用的单片机作为控制装置，方案框图，如下图图2.1所示。图2-1 系统程序框图在初始化时，所有电动调节阀及电磁阀均处于关闭状态，用户按下启动键，系统将按照设定的模式进行出水。第3章 硬件电路芯片的选型3.1单片机选型单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能（可能还包括显示驱
22、动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。在课程中学习到的51单片机中，包括8051、8751、8031、8951.这四个机种区别，仅在于片内程序储存器。8051为4KBROM，8751为4KBEPROM，8031片内无程序储存器，8951为4KBEEPROM。其他性能结构一样，有内128B RAM，2个16位定时器/计数器，5个中断源。图3-1 AT89C51单片机引脚图为有效的完成设计内容，我们选用AT89C51型单片机用作控制器，如图3.1所示，AT89C51是8位CPU，片内带振荡器，频率范围为1.2MHz12MHz，片内
23、带128B的数据存储器，片内带4KB的程序存储器，程序存储器的寻址空间为64KB，片外数据存储器的寻址空间为64KB，128个用户位寻址空间，21个字节特殊功能寄存器，4个8位的I/O并行接口：P0、P1、P2、P3，两个16位定时、计数器，两个优先级别的五个中断源，一个全双工的串行I/O接口，可多机通111条指令，包含乘法指令和除法指令片内采用单总线结构，有较强的位处理能力，采用单一+5V电源。3.2水温检测装置选型温度传感器可以用来测量小目标，热容量小或温度变化较快的物体。目前的温度传感器种类比较多，常见的温度传感器主要有热电偶、热敏电阻、以及模拟集成温度传感器，逻辑输出型温度传感器，每种
24、传感器有各自的特点与适用的场合。 热电偶是由两种不同导体或半导体的组合而成。热温差电势是指同一导体或半导体在温度不同的两端产生的电势，此电势只与导体或半导体的性质和两端的温度有关，而与导体的长度、截面大小、沿其长度方向的温度分布无关。热电偶灵敏度低，而且需要冷端补偿，所以不适合在本系统中应用。 铂传感器的电阻值与温度之间的关系接近于线性，只是在接近其范围极限时呈非线性。铂电阻的阻值每摄氏度可以改变几分之一欧姆，测温范围大。但在本方案中，测温时，如果电流过大会增大器件自身的发热，引入误差;如果电流过小，A/D转换器难于分辨，需加模拟放大调理电路，增加方案的复杂度，难于达到高精度控温的效果。铂电阻
25、的精确性会增加方案的复杂度，方案难于实现。 模拟集成温度传感器是温度测量及模拟信号输出功能的专用集成电路。集成模拟温度传感器与热电偶和铂传感器相比，具有灵敏度高、线性度好、响应速度快等优点，而且实际尺寸小、使用方便。模拟集成温度传感器缺点是测温范围相对比较窄。 数字集成温度传感器是将温度传感器和A/D转换器集成在一个芯片上的集成电路。温度值经过转化直接以数字形式输出给微处理器。这种传感器适用于当温度超出了一个设定范围，则发出报警信号的场合。它的优点是外围元件极少，功耗低、监控参数精度高、可靠性高。通常价格相对较高。为了实现对水箱内水温的实时检测，我们选用数字集成温度传感器，进行温度检测，电路采
26、用数字集成温度传感器为DS18B20传感器，它的精度高、互换性好，只使用一根电缆远距离传输温度数据，抗干扰性好通过测量输出脉冲频率的大小来换算成水温信号，再将温度信号转换成脉冲电信号，将温度数据进行编码送到AT89C52的I/O口，单片机通过读取该线数据，经处理后送显示。图3-2 DS18B20实物图DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。可以分别在93.75 ms和750 ms内完成9位和12位的数字量，并且从DS18B20读出的信
27、息或写入DS18B20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，而无需额外电源。因而使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较DS1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。1.DS18B20简介(1）独特的单线接口方式：DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。(2）在使用中不需要任何外围元件。(3）可用数据线供电，电压范围：+3.0 +5.5 V。(4）测温范围：-55 +125 。固有测温分辨率
28、为0.5 。(5）通过编程可实现912位的数字读数方式。(6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。(7）支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。(8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。2.DS18B20的测温原理DS18B20的测温原理如图3-3所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含图3-3 DS18B20工作原理着计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的
29、时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55 所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在 -55 所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图2中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只
30、要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是DS18B20的测温原理。另外，由于DS18B20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对DS18B20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化DS18B20（发复位脉冲）发ROM功能命令发存储器操作命令处理数据。各种操作的时序图与DS1820相同。3.DS18B20工作过程及时序DS18B20内部的低温度系数振荡器是一个振荡频率随温度变化很小的振荡器，为计数器1提供频率稳定的计数脉冲。高温度系数振荡器是一个振荡频率对温度很敏感的振荡器，为计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲。初始时，
31、温度寄存器被预置成-55，每当计数器1从预置数开始减计数到0时，温度寄存器中寄存的温度值就增加1，这个过程重复进行，直到计数器2计数到0时便停止。初始时，计数器1预置的是与-55相对应的一个预置值。以后计数器1每一个循环的预置数都由斜率累加器提供。为了补偿振荡器温度特性的非线性性，斜率累加器提供的预置数也随温度相应变化。计数器1的预置数也就是在给定温度处使温度寄存器寄存值增加1计数器所需要的计数个数。DS18B20内部的比较器以四舍五入的量化方式确定温度寄存器的最低有效位。在计数器2停止计数后，比较器将计数器1中的计数剩余值转换为温度值后与0.25进行比较，若低于0.25，温度寄存器的最低位就
32、置0；若高于0.25，最低位就置1；若高于0.75时，温度寄存器的最低位就进位然后置0。这样，经过比较后所得的温度寄存器的值就是最终读取的温度值了，其最后位代表0.5，四舍五入最大量化误差为1/2LSB，即0.25。温度寄存器中的温度值以9位数据格式表示，最高位为符号位，其余8位以二进制补码形式表示温度值。测温结束时，这9位数据转存到暂存存储器的前两个字节中，符号位占用第一字节，8位温度数据占据第二字节。DS18B20测量温度时使用特有的温度测量技术。DS18B20内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号；同样的，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号。当计数门打开时，DS18B20进行计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性度加以补偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下的温度值应该为9位，但因符号位扩展成高8位，所以最后以16位补码形式读出。DS18B20工作过程一般遵循
