毕业设计太阳能热水器控制电路设计doc.docx
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毕业设计太阳能热水器控制电路设计doc
2016届毕业设计
题目太阳能热水器控制电路设计
学院自动化及其电气工程学院
专业电气工程及其自动化
班级电气122
学号1120320059
学生姓名吕伟亮
指导教师徐然
完成日期2016年5月21日
浙江科技学院
本科毕业设计
(2016届)
题目太阳能热水器控制电路设计
学院自动化与电气工程学院
专业电气工程及其自动化
班级电气122
学号1120320059
学生姓名吕伟亮
指导教师徐然
完成日期2016年5月21日
浙江科技学院毕业设计、学位论文
版权使用授权书
本人吕伟亮学号1120320059声明所呈交的毕业设计、学位论文《太阳能热水器控制电路设计》,是在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,与我一同工作的人员对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
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年月日
摘要
随着经济的发展、社会的进步,人们对于各种能源的需求量在不断的增长,不仅在中国甚至全球范围内的能源危机也日益突出,人们对能源的要求也越来越高,寻找新能源成为当前人类面临的迫切课题,其中太阳能作为一种干净的可再生的新能源,越来越受到人们的青睐。
与此同时经济的发展和人们生活水平的提高,大规模的家用电器的使用给环境带来了一系列问题。
因此将新能源与家用电器结合开发新型家用电器就成为当前家电行业的发展趋势。
而本次家用太阳能热水器控制电路的设计就正式如此。
它利用光伏并网发电技术为热水器提供电能,同时将多余的电能输送到电网;在太阳能供电不足时,电网又可为热水器进行补偿供电。
该设计的重点是采用89C52单片机。
并采用数字温度传感器测试水的温度。
采集到的数字信号直接送入单片机89C52单片机处理。
显示数据采用LCD液晶。
另一种功能是测量水位的高低。
采用0~5V输出。
经过A/D转换成数字。
然后进入单片机89C52。
在LCD液晶上显示水位值。
按钮用于设置所需的温度。
单片机内部比较设置的温度和当前温度。
当温度低于设置温度将电磁开关关闭。
开启加热装置。
温度高于设置停止加热。
自动供水的上限和下限设定的水平。
水位低于下限将电磁开关关闭。
并供水。
当水位高于线会自动断开电磁开关,就不会再继续供水。
温度和水分在时间层面的检测,达到控制的目的。
关键词:
太阳能热水器,传单片机,18B20
Abstract
Withthedevelopmentofeconomy,theprogressofthesociety,peopleforgrowthindemandforallkindsofenergy,notonlyinChinaandevenglobalenergycrisisisincreasinglyprominent,peoplehashigherrequirementforenergy,lookingfornewenergybecometheurgenttaskfacingthecurrenthuman,includingsolarenergyasanewcleanandrenewableenergy,moreandmoregetthefavourofpeople.Atthesametimethedevelopmentofeconomyandpeoplelivingstandardrise,theuseoflargehouseholdappliancestoaseriesofenvironmentproblems.Sowillthedevelopmentofnewenergyandhouseholdappliancesnewhouseholdapplianceshasbecomethecurrenttrendofthedevelopmentofhomeapplianceindustry.
Andthehouseholdsolarenergywaterheatercontrolcircuitdesignissoformally.ItUSESphotovoltaic(pv)gridpowergenerationtechnologytoprovideelectricityforwaterheater,excesselectricitytothegridatthesametime;Andinthepowersystemofsolarpowerisinsufficient,cancompensateforthewaterheaterpowersupply.
Thisdesignisfocusedonusing89s52microcontroller.AndUSESthedigitaltemperaturesensortotestthetemperatureofthewater.Collecteddigitalsignaldirectlyintothesinglechipmicrocomputer89s52single-chipmicrocomputerprocessing.DisplaythedatausingLCD.Anotherfunctionismeasuringwaterlevelofhighandlow.Use0~5voutput.AfterA/Dconversionintodigital.Andthenintothesinglechipmicrocomputer89s52.ThewaterlevelvalueisdisplayedontheLCD.Buttonisusedtosettherequiredtemperature.MCUinternalsettemperatureandthecurrenttemperature.Whenthetemperatureisbelowthesettemperaturewillelectromagneticswitchoff.Opentheheatingdevice.Temperatureishigherthanthesetstopheating.Levelsetbytheupperandlowerlimitsofautomaticwatersupply.Thewaterlevelbelowthelowerlimitwillelectromagneticswitchclosed.Andwatersupply.Whenthewaterlevelishigherthanlinewillautomaticallydisconnectelectromagneticswitch,willnotcontinue
KEYWORDS:
Solarheater,MCU,18B20
1绪论
1.1课题研究的背景
目前。
中国是全球太阳能热水器产量最大的国家。
有超过一百的太阳能热水器厂。
但控制太阳能热水器的设备始终处于研究和开发阶段。
由于天气状况的影响。
会带给热水器诸多不便。
虽然热水器具备辅助加热功能。
但是加热时间不能控制。
导致会浪费大量的能源。
控制器存在的目的就是根据天气状况进行辅助加热。
在设定的时间里使储水罐里水的温度达到预设的温度。
这样可以保持24小时都有热水。
太阳能热水器主要是由平板集热器,集热器和连接管等部件组成,可分为循环式,直流式和整体式。
热水器是环保,无污染,使用安全。
太阳能的利用,大量现有的节能,能源的发展是未来的趋势。
原来的燃气热水器和电热水器,加热速度快,但煤炭和天然气会对环境造成污染,而且使室内空气不新鲜,大功率电热水器的家庭,长期使用会带来一定的经济困难,是一笔相当大的开销。
国内外太阳能热水器。
大多数家庭只使用纯太阳能加热。
没有其他方面的智能控制。
在没有太阳的天气没有足够的能量来加热水箱中的水。
第二个方便。
对水箱中的水位没记录。
使人们无法知道水箱中的水的量。
没法补充。
缺乏主动性。
所以现在的太阳能热水器是比较完善的。
能够在任何天气条件下使用的热水。
热水器主系统的特点是用太阳能对太阳能热水器加热。
没阳光的时候通电加热。
它充分利用了太阳能丰富的免费资源。
这考虑的很周到。
太阳能在阴天和夜晚使用。
这是很多热水器都没有的功能。
1.2课题的研究目的与意义
二十一世纪是数字化技术高速发展的时代,而单片机在数字化高速发展的时代扮演着极为重要的角色。
传感器的开发与研究在信息化时代的今天亦是当务之急,因为它应用在学校、机关、企业、部队等单位礼堂、训练场地、教学室、公共场地等场合,可以说遍及人们生活的每一个角落。
所以说对待传感器的开发是国家之所需,社会之所需,人民之所需。
由于社会对信息交换不断提高的要求及高新技术的逐步发展,人们想要从外界获得大量安全可靠的实时信息,促使了该监测系统的设计与应用,并且投入市场得到广泛应用。
1.3课题解决的主要内容
该设计运用三极管加电极对水位进行实时测量,单片机采集信号进行处理运算,通过继电器来模拟控制电机的抽水,放水,从而对水位进行实时的监控,并且达到水位过低自动抽水,达到目标高度自动停止,以及水位充足时温度过低自动加热的功能。
2系统的总体设计
2.1系统方案的构想与确定
能往往决定了系统采用的结构,经过成本,性能,功耗等多方面的考虑决定用标准5vUSB头对STC89C52以及整个系统进行供电,用三极管结合电极对水位进行实时监测,18b20对温度进行精确测量。
2.2单片机STC89C52
2.2.1MCS-51系列单片机
MCS-51系列单片机主要是指Intel公司生产的以51位内核的单片机芯片,具有8位CPU、4K字节ROM、128字节RAM、可扩展外部64K字节RAM和ROM、2个16位的定时器/计数器、4个8位并行I/O口、1个全双工串行I/O口、21字节的专用寄存器、5个中断源、片内自带振荡器、片内单总线等功能部件。
2.2.2STC89C52单片机
图2-1STC89C52单片机引脚图
STC89C52单片机的主要特性如下:
表2-1STC89C52单片机的主要特性
与MCS-51的产品的指令系统几乎完全兼容
24K字节的在线编程Flash存储器,并且拥有100次的擦写周期
4.0~5.5V的正常工作的电压范围
全静态的工作模式:
0~33MHz
三级程序存储器锁
128×8字节的内部RAM
32个可编程I/O口线
2个16位的定时器和计数器
掉电的标识以及快速编程的特性
具有掉电状态下的中断以及恢复功能
由于STC89C52单片机片内有4K字节的在线编程Flash存储器,可以擦写10000次,具有掉电模式,而且具有掉电状态下的中断恢复功能,对设计开发非常实用。
所以选用STC89C52单片机作为本设计的主控单片机。
1、单片机的引脚功能
STC89C52单片机有40个引脚。
(1)Vcc:
电源电压+5V
(2)GND:
接地
(3)Flash编程和程序校验期间,P1接收低8位地址。
(4)P2口:
P2口是一个带内部还上拉电阻的8位的双向I/O,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。
在进行访问外部的程序存储器或者是16位地址以外的外部数据存储器时,,P2口线上的内容(也就是有特殊的功能的寄存器又叫做(SFR)中P2寄存器的内容),在整个的访问之际不会改变。
Flash编程以及程序的校验期间,P2也会接收低高位的地址和其他不同的信号。
(5)P3口:
P3口是一组带着内部上电阻的8位双向I/O,P3的输出以及缓冲级可以用来驱动4个及以上的TTL逻辑门电路
P3口还接收一些用于Flash的快速存储器相关编程和程序的校验控制信号。
(6)RST:
复位来输入。
当振荡器开始工作时,RST引脚出现两个或者以上的机器周期以上高电来使单片机进行复位。
WDT溢出将会使引脚输出高电平,设置SFRAUXR的DISRT0(地址8EH)可以打开或者关闭这一项功能。
(7)ALE/PROG:
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存器允许)输出脉冲用于锁存地址的8位字节。
即使不访问外部存储器,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号,因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是:
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。
如有必要,可通过多特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0位置,可禁止ALE操作。
该位置后,只有一条MOVX和MOVC指令ALE才会被激活。
另外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE无效。
(8)PSEN:
程序存储允许(PSEN)输出是外部程序存储器的读选通信号,当AT89C51由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲。
当访问外部数据存储器,没有两次有效的PSEN信号。
(9)EA/VPP:
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H—FFFFH),EA端必须保持低电平(接地)。
需要注意的是:
如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平(接Vcc端),CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时,该引脚加上+12V的变成电压Vpp.
(10)XTAL1:
振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
(11)XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
AT89C51单片机的内部结构
2、AT89C52单片机与MCS-51完全兼容
(1)看门狗(WDT):
WDT是一种需要软件控制的复位方式。
WDT由13位计数器和特殊功能寄存器中的看门狗定时器复位存储器(WDTRST)构成。
WDT在默认情况下无法工作;为了激活WDT,用户必须往WDTRST寄存器(地址:
0A6H)中依次写入01EH和0E1H。
当WDT激活后,晶振工作,WDT在每个机器周期都会增加。
WDT计时周期依赖于外部时钟频率。
除了复位(硬件复位或WDT溢出复位),没有办法停止WDT工作。
当WDT溢出,它将驱动RSR引脚输出一个高电平。
(2)可编程串口(UART)在AT89C51中,UART的操作与AT89C51和AT89C52一样。
A如果执行SBUF指令,则读出的数据一定来自接收缓存器。
因此,CPU对SBUF的读写,实际上是分别访问2个不同的寄存器。
这2个寄存器的功能决不能混淆。
(3)振荡电路:
AT89C51系列单片机的内部振荡器,由一个单极反相器组成。
XTAL1反相器的输入,XTAL2为反相器的输出。
可以利用它内部的振荡器产生时钟,只要XTAL1和XTAL2引脚上一个晶体及电容组成的并联谐振电路,便构成一个完整的振荡信号发生器,此方式称为内部方式。
另一种方式由外部时钟源提供一个时钟信号到XTAL1端输入,而XTAL2端浮空。
在组成一个单片机应用系统时,多数采用这种方式,这种方式结构紧凑,成本低廉,可靠性高。
在电路中,对电容C1和C2的值要求不是很严格,如果使用高质的晶振,则不管频率为多少,C1、C2通常都选择30pF。
(定时/计数器:
AT89C51单片机内含有2个十六位定时器和计数器。
(4)RAM:
高于7FH内部数据存储器的地址是8位的,也就是说其地址空间只有256字节,但内部RAM的寻址方式实际上可提供384字节。
的直接地址访问同一个存储空间,高于7FH的间接地址访问另一个存储空间。
这样,虽然高128字节区分与专用寄器,即特殊功能寄存器区的地址是重合的,但实际上它们是分开的。
究竟访问哪一区,存是通过不同的寻址方式加以区分的。
(5)SFR:
SFR是具有特殊功能的所有寄存器的集合,共含有22个不同寄存器,它们的地址分配在80H~FFH中。
虽然如此,不是所有的单元都被特殊功能寄存器占用,未被占用的单元,其内容是不确定的。
如对这些单元进行读操作,得到的是一些随机数,而写入则无效,所以在编程时不应该将数据写入这些未确定的地址单元中,特殊功能寄存器主要有累加器ACC、B寄存器、程序状态字寄存器PSW、堆栈指针SP、数据指针DPTR、I/O端口、串行口SBUF、捕捉寄存器、控制寄存器。
2.2温度传感器DS18B20
2.2.1DS18B20的介绍
温度传感器选择DS1820数字温度计,它以9位数字量的形式反映器件的温度值。
DS1820经过一个单线的接口来发送或者是接收信息,所以在中央得微型处理器中与DS1820两者之间只需加一条连接线(加上地线)。
图2-2DS18B20引脚排列与封装形式
表2-2DS18B20引脚说明
引脚
符号
说明
1
GND
接地
2
DQ
数据输入/输出脚。
对于单线操作:
漏极开路
3
VDD
可选的VDD引脚。
DS18B20虽然有测量温度系统当便、测量温度精度比较高、与系统的连接也方便、占用得口比较少等等优点,但是在实际应用中也应注意一下问题:
(a)在对比较微小的硬件的开销就要要相对比较复杂的软件来协助进行连接补偿,DS18B20与微处理器间采用穿行数据传送,编程时要严格保证它的读和写时序,否则将以后无法继续读取和准确的测温结果。
(b)连接DS18B20的总线电缆长度是有长度限制的。
当采用普通信号电缆传输长度不能超过50m,采用双绞线带屏蔽电缆时可达到150m。
(c)在DS18B20测温程序中,向DS18B20发出温度转换命令后,程序总要等待DS18B20的返回信号,要保持接触良好,否则会进入死循环。
DS18B20的特性:
(a)独特的单总线接口方式。
DS18B20在I/O处理器连接时,仅需要一个I/O口即可实现微处理器同DS18B20的双向通讯。
(b)DS18B20支持组网功能,多个DS18B20多个DS18B20可以并联在唯一的单线上,实现多点测温。
(c)DS18B20的测温范围为:
-55℃~+125℃,在-10℃~+85℃时,其精度为+0.15℃。
(d)DS18B20的测量结果的数字量位数从9~12位,可编程进行选择。
(e)DS18B20内部寄生电源,器件既可以由单线总线供电,也可以用外部电源供电。
DS18B290测温原理:
DS18B20测量温度采用了特有的温度测量技术,它是通过计数时钟周期来实现的,内部计数器对一个受温度影响的振荡器的脉冲计数,低温时,振荡器的脉冲无法通过门电路。
计数器设置为-55℃。
同时,计数器复位在当前的温度值时,电路对振荡器的温度系数进行补偿,计数器重新开始计数直到回零。
如果门电路仍未关闭,则系统重复上述过程。
2.2.2DS18B20的结构
DS18B20有三个主要数字部件:
1、64位激光ROM,
2、温度传感器,
3、非易失性温度报警触发器TH和TL。
器件用就跟下方式从单线通讯线上汲取能量:
在信号线处在高电平期间把能量储存在内部电容里,在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作,直到高电平到来再给寄生电源(电容)充电。
DS1820也可用外部5V电源供电。
图2-3DS18B20的内部结构
DS18B20单纯通信功能是分时完成的。
单线信号包括复位脉冲,响应脉冲,写“0”,写“1”,读“1”。
它们有严格的时隙概念。
系统对DS18B20的操作以ROM命令(5个)和存储器命令(6个)形式出现。
对它的操作协议是:
初始化DS18B20发复位脉冲-发ROM功能命令-处理数据-发存储器命令处理数据,各种操作都有相应的时序图。
DS18B20在使用时,一般都采用单片机来实现数据采集。
只需将DS18B20信号线与单片机1位I/O线相连,且单片机的1位I/O线可挂接多个DS18B20,就可实现单点或多点温度测量。
DS18B20传感器的精度高、互换性好;它直接将温度数据进行编码,可以只使用一根电缆传输温度数据,通信方便,传输距离远且抗干扰性好,与用传统的温度传感器系统相比系统得以简化。
系统扩充维护十分方便。
2.2.3DS18B20接线原理图
图2-4DS18B20接线原理图
2.3水压传感器及A/D转换
力学传感器的种类繁多,应用最为广泛的是压阻式压力传感器,它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。
在水箱的最底部安装压力传感器,水位的不同,传感器检测到的压力值就不同,采集到的模拟量信号经过处理和计算,就能换算成水位的高低,经过单片机显示。
水位传感器输出的信号为模拟信号,由于输出量微弱,要经过放大器的放大转化为0~5V的电压信号,才能送入ADC0832中进行转换,输出为串行数字数据,送入单片机89C52处理。
传感器和AD转换原理图如下图-所示:
图2-5ADC0832接线图
3系统的硬件设计
系统主要采用的是AT89C51单片机对数据分开进行不一样的处理。
温度传感器采集到的数据经过A/D转换电路处理后输入给单片机,单片机接受数据后,运行数码管显示电路。
显示温度,同时判断是否开启驱动电路对水箱内进行加热。
同时单片机还处理水位监测到的数据,并根据不同的水位输入信号觉定是否开启驱动电路对水箱进行上水。
系统结构框图如图2-1所示。
(1)时钟电路:
为CPU提供时钟脉冲。
(2)复位电路:
使单片机在工作状态之前所有部件处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。
(3)电源电路:
为系统各个部件供电。
(4)驱动电路:
驱动加热电路和上水电路。
(5)传感器检测和A/D转换电路:
检测水箱内的水温将数据放大后输入A/D转换芯片。
(6)数码管显示电路:
显示水箱内的温度。
(7)水位监测电路:
监测水箱内的水位。
3.1系统硬件框图
89C52单片机
系统硬件框图如图
水位测试模块
注水
单片晶振及复位电路、按键电路
加热
放水
LCD显示
18b20寄存器
图3-1系统硬件框图
系统供电电路:
系统供电电路采用usb标准接口供电,可以使用手机直充或者充电宝,方便快捷、稳定可靠。
图3-2系统供电电路图
按键电路:
按键电路是人机交互的一项手段,通过按键的按下
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