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太阳能热水器控制器.docx
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1 引言
太阳能热水器是目前一种具有较成熟技术、应用广泛的可再生能源产品,在全球
的很多国家都得到了广泛应用,在提供热水、减少常规能源消耗、提高人民的生活水
平等方面发挥了巨大的作用。在欧洲、澳洲等国家,太阳能热水器主要是作为辅助热
源与常规能源联合运行使用,既能供应日常生活和洗浴热水,还能为房屋供暖;在美
国,太阳能热水器主要是用于家庭游泳池的加热。在全球范围内,即使是在可再生能
源界,也普遍存在着低估和忽视太阳能热利用的现象。为此,国际能源机构太阳能供
热和制冷委员会(IEA.SHC)等诸多国际机构时刻呼吁各方加大对太阳能热水器的关
注和支持,避免低估太阳能热效应的作用,推动太阳能热水器的普及和应用
[1]
在我国,随着人们生活水平的不断提高,市场上各种热水器的使用已相当普及。
相配套的控制仪器也随之相继问世。
1.1 课题背景
根据市场调查显示,市场上出售的太阳能热水器控制系统设计虽然各有特点,但
与之配套的自动化控制器却一直没有多大的变化,技术的改进基本上处于原地踏步状
态。随着人们的收入水平不断提高,越来越多的人要求安装性能优异的自动控制器。
所以说,控制器的技术落后在某种程度上影响了太阳能热水器行业的发展。
1.2 发展近况
近年来,太阳能热水器因利用太阳能、无污染、使用方便、长期投入费用低等特
点,深受人们的青睐,太阳能热水器已经成为与电热水器、燃气热水器并列的三大热水
器产品之一
[2]
。目前中国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,不具有温度控制功
能。即使热水器具有辅助加热功能,也可能由于加热时间不能控制而产生过烧,从而浪
费电能;与之配套的控制器却存在着诸如使用一段时间后,传感器因结垢而检测不准;
显示器显示乱码,因干扰而造成电磁阀等执行机构误操作等一些问题 ,影响了太阳能
热水器的推广使用 。目前,国内多个省市已经纷纷跟进,推进太阳能与建筑一体化,
[3]
如江苏、广东、海南、山东、甘肃、深圳、浙江等地区都明确要求 12 层以下建筑要
全面推广和配置太阳能热水系统,为太阳能应用提供了巨大的空间,太阳能产业发展
也将迎来新的契机 。
[4]
随着人们生活水平的提高,各种热水器的使用已相当普及,消费者需要真正的“全
自动”控制 ,以实现使用的最简单化 ,就像家用电视机、电冰箱一样 ,接通电源、设定
完毕就不用再操心了 。
[5]
1.3 课题研究方向
本毕业设计的研究的太阳能热水器控制器,有着很大的发展,但现有的技术和资
金投入比较少,因此,在太阳能热水器、太阳热水系统的测量控制方面,应引起足够
重视,加大投入一定力量研究开发高质量、性能好的自动控制产品。随着计算机在各
种智能控制系统应用中的不断深入与蓬勃发展,单片机以其小巧的外形、较高的性价
比、灵活的控制方式、广泛的应用在这一领域 。文章中所介绍的太阳能热水器自动
[6]
控制系统,将低价位的 AT89C51 单片机引入太阳能热水器中,以单片机作为核心部件,
实时自动采集温度和水位数据,并根据用户选择进行自动或手动控制,充分利用好太
阳能热水器。
本文详细介绍了基于AT89C51的太阳能热水器自动控制系统的组成、软件设计。
2 总体设计
2.1 设计要求
本课题设计的太阳能热水器自动控制系统具有以下功能:
(1)水温显示:水温用数码管显示,测温范围 0~99℃;精度±2℃。
(2)水位显示:本系统利用水位检测电路可以检测 4 个水位,包括 4 个正常水位
50% 、80% 、100%和一个底水位;用数码管来显示当前水位,当水位超过该水位
点,数码管显示。
(3)水位设置:可设置加水水位 50% 、80% 、100%(本仪预置水位 50%)。按
“水位开关”键,数码管显示当前水位,如显示 50,表示 50%,这时“水位开关”
键旁的发光二极管亮,通过按“∧”或“∨”键可以调整水位设置。
(4)缺水上水/报警:当水位从高到低,出现缺水状态时,缺水指示灯闪亮,延
时 15 分钟自动上水至预置水位。
(5)手动上水:在手动控制状态,可以通过设在面板上的按“上水”键随时进
行手动加水,若水位低于预置水位,可上水至预置水位;若水位已达到预置水位,则
在原水位基础上再加一档;若水位已加满,则停止手动加水。在上水过程中,按“上
水”键,可停止上水。
(6)自动上水:在自动状态,当检测到水位没达到设置水位时,自动上水;若
水位已达到预置水位,且水温超过设置水温 3℃以上,自动加水直到水温等于设定水
温;若水位已加满,则停止加水。此功能使太阳能热水器产出最多热水。
(7)手动加热:若日晒水温达不到设定值,则电加热自动补温,加热到预置温
度后自动停止加热。在加热状态,为保证使用安全,此时应禁止用水,加热状态时红
色发光二级管显示加热正在进行,待加热停止后方可用水。
2.2 系统原理
根据设计要求,可以设计出系统结构框图,如图 2.1 所示。
看门狗、EEPROM
温度传感器
水
水位检测电路
位
指
水箱
示
电
路
AT89C51
工作状态指示电路
图2.1
由此可以设计出系统硬件电路图,见附录 A。PCB 图见附录 B。该系统硬件由以
下几部分组成:温度水位检测电路、水位指示电路、继电器输出控制电路、显示电路、
按键电路、报警电路、工作状态指示电路和单片机控制电路。在本文第3 章中将对这
些电路的软件设计作详细分析。
2.3 主程序设计
系统主程序流程图如图3.13 所示。
开始
单片机系统初始化
初始化X5045
N
判断初始化标志位=55H?
写初始化参数到
EEPROM
Y
读 EEPROM 参数到数据存储器
看门狗
检测水温
检测水位
扫描显示
图 3.13 主程序流程图
3 软件设计
软件设计分为:温度检测设计、水位检测程序设计、显示程序设计、按键程序设
计、X5054 程序设计。
本设计软件部分主要包括初始化模块、模拟输入和计时模块、故障判断和控制逻
辑处理模块、键盘处理和 LED 显示模块等 。因系统逻辑关系较为复杂,编程时要进
[7]
行逻辑判断。为简化程序,便于系统升级,本程序设计采用了模块化设计,采用汇编
语言进行编程。
3.1 温度检测程序设计
3.1.1 DS18B20 的使用方法
DS18B20 使用的是 1-Wire 总线协议方式,意思是在一根数据线上实现数据的双
向传输。但是对 AT89C51 单片机来说,硬件上并不支持单总线协议,因此,必须采用
软件编程的方法来模拟单总线的协议时序,从而来完成对 DS18B20 芯片的访问。
DS18B20 对读写的数据位有着严格的时序要求,它是在一根 I/O 线上读写数据的。
同时,DS18B20 为了保证各位数据传输的正确性和完整性,它有着严格的通信协议。
该协议定义了几种信号的时序:初始化时序、读时序、写时序。所有时序都是将主机
作为主设备,单总线器件作为从设备。而每一次命令和数据的传输都是从主机主动启
动写时序开始的,如果要单总线器件送回数据,在进行写命令后,主机需启动读时序
(1)DS18B20 的复位时序。如图 3.1 所示。
(2)DS18B20 的读时序
DS18B20 的读时序分为读 0 时序和读 1 时序两个过程。
DS18B20 的读时序是从主机把单总线拉低之后,在 15 秒之内就得释放单总线,从
而让 DS18B20 把数据传输到单总线上。 DS18B20 完成一个读时序的过程,至少需要
60µs。如图 3.2 所示。
图 3.1 DS18B20 的复位时序
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