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1、无锡城市职业技术学院毕业设计论文 太阳能热水器监控仪设计 系 电子信息工程系 专业 应用电子 于冬晨 班级 应电3 学号0901123113 指导教师 柳亚平职称 设计时间 2012.1.312012.4.6 目录摘 要3第一章 总体设计41.1 系统设计方案论证41.1.1 设计方案41.1.2设计要求41.2 总体设计及其工作原理41.2.1 工作原理41.2.2 太阳能热水器的结构51.2.3水位报警控制电路设计81.2.4电源设计9第2章控制器硬件设计102.1控制器原理框图102.2单片机外围电路102.2.1上电复位电路112.3控制器时钟接口电路设计112.3.1 DS12887
2、时钟芯片简介122.3.2 时钟电路192.4温度检测电路设计202.4.1数字温度传感器DS18B20主要特性202.4.2温度检测电路设计212.5水位检测及键盘电路设计212.5.1水位检测电路设计212.5.2总体电路设计222.6显示电路设计222.7光电隔离与辅助加热电路设计23第3章控制器的软件设计273.1主程序设计273.2水位检测子程序设计283.3键盘扫描子程序设计293.4显示子程序设计29第4章 结 论31参考文献32致 谢33附录1 电路图34摘 要本课题的目的是结合太阳能热水器的具体应用，设计一种用于太阳能热水器的检测控制系统，以更好的实现对太阳能热水器的监控与控
3、制。太阳能热水器作为太阳能利用中最常见的一种装置，经济效益明显，正在迅速的推广应用。根据太阳能热水器特点以及对控制器的要求，本文提出了一种基于单片机AT89C52的太阳能热水器智能控制器的设计方法。本文在分析了解太阳能热水器及其控制器的发展和市场分布状况的基础上，描述了太阳能热水器控制器的组成及其工作原理。论文完成了控制器的硬件设计和软件设计。在硬件设计中，利用AT89C52单片机作为控制的中心环节，控制整个系统运作。利用温度传感器DS18B20和分段式水位传感器作为水温水位测量环节，并将测量结果送单片机进行处理。利用DS12887作为时钟芯片，以实现时间以及日期的显示。选用液晶显示模块128
4、64显示水温水位时间及日期，显示部分是人机交换的重要媒介之一。在软件设计部分采用模块化结构，完成了包括主程序，水位检测子程序、LCD显示等子程序的设计。系统主程序主要完成一些初始化功能，温度的检测以及控制辅助加热系统，同时完成信号转换及送显示功能；水位检测子程序完成水位测量及送数据功能；显示子程序完成水温水位及时间日期的显示功能。论文通过对整体设计方案，硬件电路，软件程序的设计分析，实现了太阳能热水器的水温水位的检测与控制，具有实际的意义。 关键词：太阳能热水器；传感器；DS12887；单片机； FYD12864-0402B第一章 总体设计1.1 系统设计方案论证1.1.1 设计方案方案一：基
5、于FPGA的太阳能热水器控制系统本方案利用EDA技术和VHDL语言，设计了基于FPGA的太阳能热水器控制系统，实现了系统的硬件电路及相关配套软件，使系统能够完成太阳能热水器温度、水位参数的采集和对采集数据实时记录、处理、分析、显示和控制等功能方案二：基于CPLD的太阳能热水器控制系统本方案以Altera公司的EPMl270芯片作为数据处理器，将外界各种电路检测得到的环境信息进行综合处理和分析，智能化地解决太阳能热水器日常使用中普遍存在的问题。方案三：基于89C52单片机的太阳能热水器控制系统本方案以89C52单片机为核心控制整个系统，选用合适传感器及接口，显示电路，实现太阳能热水器的温度，压力
6、，时间检测与控制。另外，该系统为点加热系统，在阳光不足的情况下实现辅助加热。综合三个方案的优缺点，从现实可行性，经济条件以及个人知识掌握情况考虑本设计选用第三种方案。1.1.2设计要求1.有4级水位控制2.具有温度监测及显示的功能3.具有水位显示的功能4.具有自动上水的功能1.2 总体设计及其工作原理1.2.1 工作原理控制器主要由主控制器即单片机，温度检测单元，水位检测单元以及辅助加热单元组成。各个单元发挥各自不同的作用及功能。外接显示器以及按键作为人机交流介质。太阳能热水器控制器结构看似复杂，但总结重要部分，得出结构简图如以下图1-1所示：出热水 保温水箱集热器电加热系统太阳光自来水T1温
7、度传感器T2水位自动控制系统F1冷水阀门 F2循环水管阀门F3循环水管阀F4热水阀门图1-1 控制系统结构简图在图1-1中，T1代表保温水箱中的温度传感器。T2代表保温水箱中的水位自动控制系统。F1代表冷水阀门。F2代表循环水管阀门。F3代表循环水管阀门。F4代表热水阀门。工作原理：不用水时，阀门F1，F4关闭，F2，F3打开，热水在保温水箱和集热器中流动。T1传感器实时检测温度。用水时，阀门F4打开，传感器T2检测水位，当水位低于设定最小值时打开阀门F1给水箱供水。当阳光不足时，温度传感器T1检测水温不在升高且达不到设定值，则发出命令启动从系统进行电加热。整个系统循环运作，可以到达24小时提
8、供热水的目的。1.2.2 太阳能热水器的结构现在市场上的太阳能热水器的结构复杂多样，但总和看来，主要有三个部分：1.循环保温水箱；2.集热器；3.连接管道。而各个部分发挥了不同的作用：1.集热器： 系统中的集热元件。其功能相当于电热水器中的电热管。和电热水器、燃气热水器不同的是，太阳能集热器利用的是太阳的辐射热量，故而加热时间只能在有太阳照射的白昼。 2.保温水箱： 和电热水器的保温水箱一样，是储存热水的容器。因为太阳能热水器只能白天工作,而人们一般在晚上才使用热水,所以必须通过保温水箱把集热器在白天产出的热水储存起来。容积是每天晚上用热水量的总和。采用同乐搪瓷内胆承压保温水箱，保温效果好，耐
9、腐蚀,水质清洁,使用寿命可长达20年以上。 3.连接管道循环水管： 将热水从集热器输送到保温水箱、将冷水从保温水箱输送到集热器的通道，使整套系统形成一个闭合的环路。设计合理，连接正确的循环管道对太阳能系统是否能到达最正确工作状态至关重要。热水管道必须做保温处理。管道必须有很高的质量保证，有20年以上的使用寿命。图1-2为系统的总体结构。但通常在实用的太阳能热水器系统中，需要外加一个补给水箱，以保证冷水的正常连续供给。图1-3为典型实用热水器的装置简图。图1-3中标号分别代表为：1-集热器；2-下降水管；3-循环保温水箱；4-补给水箱；5-上升水管；6-自来水管；7-热水出水管。工作原理：图中集
10、热器1按最正确倾角放置，下降水管2的一端与循环水箱3的下部相连，另一端与集热器1的下集管接通。上升水管5与循环水箱3上部相连，另一端与集热器1的上集管相接。补给水箱4供给循环水箱3所需的冷水。当集热器吸收太阳辐射后，集热器内温度上升，水温也随之升高。水温升高后，水的比重减轻，图1-2系统总体结构图1234567图1-3热水器装置简图便经上升水管进入循环水箱上部。而循环水箱下部的冷水比重较大，就由水箱下流到集热器下方，在集热器内受热后又上升。这样不断对流循环，水温逐渐提高，直到集热器吸收的热量与散失的热量相平衡时，水温不再升高。这种热水器利用循环加热的原理，因此又称循环热水器。集热器是一种利用温
11、室效应，将太阳能辐射转换为热能的装置，该装置与一般热水交换器不一样，热水交换器通常只是液体到液体，或是液体到气体的热交换过程，而平板型集热器时直接将太阳辐射传给液体或气体，是一个复杂的传热过程。平板型集热器结构形式很多，世界上已实用的集热器就有直管式、瓦楞式、扁管式、铝翼式等二十多种。1.2.3水位报警控制电路设计这个水位指示器电路共四级水位指示LED指示，水满时会发出音频报警，很实用。工作原理:该电路由一片四双向模拟开关集成电路CD4066为核心构成。每个电路内部有四个独立的能控制数字或模拟信号传送的开关。当水箱无水时，由于180K电阻的作用，使四个开关的控制端为低电平，开关断开，LED 不
12、发光。随着水位的增加, 由于水的导电特性，使得IC的13脚为高电平，S1接通，LED1图1-4 水位报警控制原理图点亮。当水位逐渐增加时，LED依次发光指示水位。水满时，LED4发光，显示水满。同时T1导通，B发出报警声，提示水已满。不需要报警声时，断开开关K即可。三极管T1在电路中充当蜂鸣报警器的电子开关。1.2.4电源设计电源设计就是用220伏变压器降压为6-10伏左右的低压，然后经过桥式整流滤波，接着用一个6伏的稳压二极管就可以稳压输出6伏直流电了。图上是7805的三端稳压管，你把1和3相并，然后稳压二极管直接接上正负极就可以输出稳定的6伏直流电了。图1-5电源原理图第2章控制器硬件设计
13、2.1控制器原理框图根据设计思想，系统的硬件接口电路应包括：控制器实时时钟接口电路，蓄水箱温度和水位检测接口电路、按键电路，显示电路以及电辅助加热电路等。系统结构框图如图2-1所示： 单片机12887时钟芯片辅助加热系统温度传感器水位检测功能键盘12864LCD显示AT89C52图2-1 控制器系统框图2.2单片机外围电路根据控制要求，由于本系统运算量不是很大，没有太多的中间数据需要处理、保存，因此不再外扩数据存储器。仅使用单片机内部RAM已完全能够满足要求。因此本系统采用Atmel公司的单片机AT89C52作为热水器控制器系统的控制中心环节，主要从以下特点考虑：1.AT89C52是一种低功耗
14、，高性能CMOS工艺的8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统提供高灵活，超有效的解决方案。 2.AT89C52具有以下标准功能：8K字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89C52可降至0KHZ静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机停止工作，直到一个中断或硬件复位为止。3.AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出I/O端口，同时内含8个中断口，3个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，2个读写口线。AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，可反复擦写的Flash存储器有效地降低开发成本。2.2
