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1、第 1 页 共 55 页1 绪论11 本课题的研究背景太阳能是地球上取之不尽、用之不竭的最宝贵能源。它在防止和改善大气污染方面，加强对太阳能的研究和利用, 特别是重点发展太阳能热水器有着重大的意义和广阔的前景。太阳能热水器是一种将太阳辐射能转变为热能, 把水逐渐加热的热交换装置, 它是太阳能热利用的基础元件。太阳能的开发利用, 已越来越引起世界人们的注意。由于石油和能源的紧缺, 促使太阳能热水器有很大的发展。日本、法国、澳大利亚等国, 大部分家用热水来自太阳能热水器 1。目前市场上太阳能热水器的控制系统大部分都存在着或多或少的缺点：功能单一、操作复杂、控制不方便等。随着人们生活水平的提高和电子
2、技术的发展，这样的太阳能热水器控制系统越来越不适应人们的生活需求，开发一种控制方便，操作灵活的太阳能热水器的控制系统，已经成为当务之急 2。太阳能热水器单片机控制系统就是一种以单片机为控制系统核心的系统，不但其机器性能显著提高，还增加了难以实现的功能，同时也提高了控制的精确度，硬件与软件相互配合实现太阳能热水器工作的智能化和自动化 3。单片机具有集成度高、运算速度快、体积小、运行可靠、价格低廉等特点，因此在过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用设备以及网络技术等方面得到广泛应用 4。现今太阳能热水器的控制系统大多都有着功能不全面、操作性复杂、控制不方便第 2 页 共 55 页等问题，
3、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。本课题设计的太阳能热水器控制系统以 AT89S52 单片机为检测控制中心单元，不仅实现了时间、温度和水位三种参数显示功能，而且具有时间设定、温度设定与控制功能。控制系统可以根据天气情况利用辅助加热装置使蓄水箱内的水温达到预先设定的温度，从而达到 24 小时供应热水的目的。该控制器和以往显示仪相比具有性价比高、温度控制与显示精度高、使用方便和性能稳定等优点，提高了我国太阳能应用领域控制水平，具有可观的经济效益和社会效益 5。12 太阳能热水器的发展历史和现状1.
4、2.1 太阳能热水器的发展历史太阳能热水器是利用太阳能集热器将太阳辐射能转变为热能，并用来提高水温的，是目前实际应用最多、技术最成熟的太阳能热利用的一种装置。它不仅可为家庭和机关、旅社、医院等提供洗澡、洗衣、炊事等所需热水（100以下） ，同时还可用于空调、干燥、农业种植、水产养殖、海水淡化等。太阳能热水器的使用已有近百年的历史，最早的太阳能热水器工业出现在 18 世纪的美国加州，最原始的太阳能热水器仅是一只漆黑的金属圆桶。随着科学技术的进步，太阳能热水器也随之不断改进，由集热和贮热合为一体逐步改进为集热和贮热部分分开，采用先进的太阳能集热器，先进的保温材料和冬季防冻技术及其他辅助装置等。现如
5、今生产的先进的太阳能热水器已实现了全年运行，大大提高了太阳能热水器的热效率第 3 页 共 55 页和利用效率。目前，太阳能热水器是可再生能源技术领域商业化程度最高，推广应用最普遍的技术之一。以色列在政府的支持下，有85%的住宅都安装了太阳能热水器。美国有 130 多万个游泳池都装上了太阳能集热器，成为环保型的太阳能游泳池。近年来，太阳能热水器在我国迅猛发展，从 20 世纪 70 年代后期就开始了开发家用太阳能热水器。到 20 世纪 90 年代，随着科技进步，环境意识增强和人的生活水平的提高，使中国太阳能热水器的应用获得了巨大动力，以每年 25%-30%的速度快速增长。到 2000 年，全国太阳
6、能热水器总使用面积达 2600 万平方米。太阳能热水器市场的扩大，使热水器产业也得到迅速崛起和发展，全国有近 1000 多家生产企业，年总销量达 6000 万平方米，产量已跃居世界首位，产值 60 多亿元6。1.2.2 太阳能热水器的发展现状目前国内的太阳能热水器主要是采用的紧凑式自然循环系统，这种系统的特点是制造简单、价格低廉。但如果从太阳能热水器使用的安全、质量、方便以及操作性等方面来看，分离式强制循环系统更能满足人们的要求。而采用分离式强制循环系统时一般都要采用承压储水箱，这样就对热水器的连接部位的强度以及密封性有了一定的要求。平板型集热器一般是金属制成的，集热器与储水箱之间的连接采用的
7、是金属连接，因此可以承受较高的水压，密封性能也较好。而真空管热水器的集热管与储水箱之间的连接一般是用塑料或橡胶来密封，因此在承压及密封方面效果差。另外，如果对太阳能热水器的水质要求较高，那么通常是采用双循环系统，即集热第 4 页 共 55 页器加热的是导热工质，再通过导热工质把热量传递给水，避免了水在循环过程中被二次污染，保证了水质。在平板型太阳能集热器中，传热介质可以在集热器与贮水箱内的换热器之间无障碍地流动，通过换热器去加热贮水箱内的水，完成系统的双循环，这一点也是平板太阳能热水器明显的优势之处 7。根据我国所处的地理环境，太阳能热水器平均每平方米每年可节约的能源折合 100-150 公斤
8、标准煤。由此可见，在如今资源短缺，环境恶化的现实中，太阳能热水器的推广和应用，将在节约常规能源，减少环境污染和人类社会可持续发展方面起到不可忽视的重要作用，具有极大的发展前途 8。在全球能源形势紧张、气候变暖严重威胁经济发展，世界能源的日益紧缺、油价的不断攀升和居民生活水平的高和洗浴舒适度要求提高的今天，世界各国都在寻求新的能源替代战略，以求得可持续发展和在日后的发展中获取优势地位。太阳能以其清洁、源源不断、安全等显著优势，成为关注重点。在太阳能产业的发展中，太阳能热水器的热利用转换技术无疑是最为成熟的 9。今后，太阳能热水器将会向更节能、更高效、更环保等方向发展。13 本课题的研究目的和意义
9、当今计算机技术在飞速发展，微机应用日益普及深入，微机在通信自动化、工业自动控制、电子测量、信息管理和信息系统等方面得到广泛的应用。嵌入式计算机系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功效等严格要求的专业计算机系统。其最初应用是基于第 5 页 共 55 页单片机的。单片机小巧灵活，成本低，易于产品化。它面向控制，能针对性的解决从简单到复杂的各种控制任务 10。太阳能热水器使用方便，节能，无污染，普及推广迅速。它是人们日常生活中不可或缺的家用设备，提高居民的生活质量起了不可替代的作用。随着科学技术的发展，人们对太阳能热水器的控制功能的要求也越
10、来越高。目前市场上太阳能热水器的控制系统大部分都存在着或多或少的缺点：功能单一、操作复杂、控制不方便等。随着人们生活水平的提高和电子技术的发展，这样的太阳能热水器控制系统越来越不适应人们的生活需求，开发一种控制方便，操作灵活的太阳能热水器的控制系统，已经成为当务之急 11。本文设计了一种以单片机 AT89S52 为核心的太阳能热水器控制器，本设计具有很强的实用性，用成本低廉的器件以单片机技术对太阳能热水器的温度、水位和时间的显示和控制，并且本设计电路简单、实用性强、性价比高、控制灵活、显示直观醒目，可广泛应用与家用太阳能热水器。2 总体方案21 设计要求本设计以 AT89S52 单片机为太阳能
11、热水器控制系统的核心，分为单片机时钟电路、单片机复位电路、温度检测电路、水位检测电路、实时时钟电路、键盘电路、显示电路、报警电路等模块。本系统处于监控状态时，具有以下功能：1、利用数码管显示温度和时间；2、利用发光二极管显示水位；3、当水位较低时自动上水，水第 6 页 共 55 页满时自动停止；4、当温度低于下限温度时自动加热，温度达到上限温度时自动停止加热；5、通过按键实现手动加热、手动加水、时间显示以及设置时间、上限温度和下限温度；6、清晨自动上水。22 总体设计本设计控制系统中水温利用温度传感器 DS18B20 读入温度数据，在数码管上显示两位数据。水位采用三个电极，一个是电源负极，当电
12、极接触到水后，由于水的导电性，使得两外两根导线也是低电平，从而使三极管导通，P3.6 和 P3.7 是低电平，当两根导线不接触水的时候，输出是高电平。通过 P3.6 和 P3.7 引脚电平高低情况来控制发光二极管点亮的数目，从而来指示当前的水位。当水位比较低的时候，红灯亮，水位在中间的时候，红灯和黄灯亮，当水位高的时候三个灯都亮。时间通过时钟芯片 DS1302 读取时钟数据，然后在四位数码管上显示时分。控制加热装置和加水装置分别由两个继电器控制，继电器采用三极管驱动。本系统采用 8 个独立式按键，按下 S1 键单片机复位；按下 S5键可实现手动上水功能，水满自动停止；按下 S6 键可实现手动加
13、热功能，温度达到上限温度值自动停止加热；S2 为温度调整键，按一次可调整报警上限温度值，按两次可调整报警下限温度值，按三次数码管恢复到正常温度显示；S8 为时间调整键，按一次调整分，按两次调整时，按三次确定和保存时间；S3、S4 是温度时间加一和减一操作键；按下 S7 键切换温度和时间显示。系统组成框图如图1 所示。第 7 页 共 55 页图 1 系统组成框图3 软件设计系统软件的设计采用模块化的结构。太阳能热水器控制系统程序主要由主程序、延时子程序、温度读取子程序、温度显示子程序、时间读取和显示子程序、扫描键盘子程序、报警子程序构成。31 主程序设计温度显示 AT89S52 报警电路水位显示
14、键盘电路加热器 继电器温度传感器水位检测电路加水电磁阀 继电器水箱时钟芯片第 8 页 共 55 页本控制系统的主程序是本设计的总控制程序，以 AT89S52 单片机为核心实现对太阳能热水器水位和水温的检测与显示。主程序首先完成系统初始化设置，然后根据存储的键盘状态和检测的水温、水位等状态信号进行相应的处理。系统正常运行时，首先读取水温和水位，然后显示温度和水位，系统会根据显示的水温值和水位值判断是否要进行自动加热和自动上水操作。当检测到的实际水温小于设置的下限温度时，加热指示灯亮，继电器工作进行加热，水温到达上限温度时停止加热；当检测到水位较低时，加水指示灯亮，继电器工作进行加水，水位达到最高
15、时停止加水；通过扫描按键来进行相对应的按键操作。主程序流程图如图 2 所示。NYYN自动加水YN水位低？Y自动加热显示温度、水位温度#include DS18B20.h #define uint unsigned int#define uchar unsigned char /宏定义#define SET P1_0 /定义温度调整键#define DEC P1_1 /定义减少键#define ADD P1_2 /定义增加键#define JIAS P1_6 /定义加水键#define JIAR P1_7 /定义加热键#define BEEP P3_4 /定义蜂鸣器#define S1 P3_7 /定义低水位#define S2 P3_6 /定义高水位#define LED1 P1_3 /定义绿灯#define LED2 P1_4 /定义黄灯#define LED3 P1_5 /定义红灯#define JDQ1 P3_0 /定义加水继电器#define JDQ2 P3_1 /定义加热继电器bit shanshuo_st; /闪烁间隔标
