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1、沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）开题报告毕业设计（论文）题目：基于MSP430的太阳能热水器控制系统的设计院 系：专业班级：学生姓名：指导教师：开题时间： 2014 年 3 月 20 日1. 课题的目的和意义随着经济的发展，城市化进程的加快和人民生活水平的提高,我国各地的城 市建筑面积急剧增加,建筑面积的增加也导致供热与制冷所需能源的快速增长, 目前我国的建筑能耗己占整体能耗的20%。未来,我国的建筑能耗占整体能耗的比 例将超过30%,因此建筑节能将是整个社会的节能重点。为了解决这些问题,从20世纪70年代开始,科学家就开始研究可再生能源的 利用,太阳能以其可再生、安全等优点,成为可再生能源
2、开发中的重要组成部分。 如果说20世纪是石油世纪的话,那么,21世纪则是太阳能的世纪。太阳能热水器是目前在太阳能利用领域中技术发展最成熟、经济上也具有竞 争力的绿色能源技术。这不仅由于太阳能热水器构造比较简单,价格相对来说不 太高,同时还因为太阳能热水器一年四季均可发挥效益,设备利用率较高。目前我 国太阳能光热产业每年以30%的速度递增,不仅可供给家庭生活、企业生产所需的 热水,同时也可供应房屋采暖，化工工艺干燥、蒸馏及热动力系统使用,为国家能 源环保事业和改善人民群众生活做出了巨大的贡献。推广利用太阳能技术,改善 城市健康卫生和能源环境状况,服务社会主义现代化建设,己经成为当务之急。鉴 于国
3、内太阳能热水器市场不断扩大,太阳能采暖的低廉、洁净、安全、环保效益 好的背景,设计了这套太阳能热水器采暖控制系统。2. 国内、外现状及发展趋势2.1国内外发展现状图 1 太阳能热水器太阳能热水器（系统）是太阳的光热利用装置,它是目前在太阳能利用领域中 技术发展较成熟、经济上也具有竞争力的绿色能源技术。当前在全世界范围内, 各种太阳能热水器装置的生产已经成为一个新兴的产业,并在生活生产领域得到 了普遍的推广应用。其发展过程从总体上来讲大约可分为三个阶段,创造了三种 产品。第一种太阳能热水器产品是美国马里兰州的肯普于1891年发明的,当时他称 其为“顶峰”热水器,也就是现在我们称为闷晒式的太阳能热
4、水器。在之后的半 个多世纪里,人们创造了各式各样的闷晒式太阳能热水器,如开放式、塑料薄膜袋 式、圆筒式、滴水式等。20世纪70年代末期,随着世界性能源危机日趋严重,迫使 人们对太阳能的利用更加重视起来,许多国家投人了不少物力和人力,用于大力 研究和开发太阳能热利用技术,尤其是太阳能热水器。第二种太阳能热水器平板型集热器。其后随着集热器设计不断向前发展, 结构上从最早的翼管式,到扁盒式;材料上从最早的镀锌管板式、全铜管板、全铝 翼管板到铜铝复合式等;表面吸收涂层从最早的无光黑漆,发展到了各种选择性 吸收涂层,如阳极氧化、镀黑镍、镀黑铬等;透明盖板从普通平板玻璃发展到钢化 玻璃。第三种是全玻璃真空
5、管太阳集热器，是由美国欧文斯伊得诺依公司发明并 于1975年率先推向市场的。我国清华大学于1979年初,开始研制全玻璃真空管太 阳集热器。目前， 我国的全玻璃真空管和热管式真空管太阳集热器主要技术己处 于国际领先水平。从全球的产品类型看， 太阳能热水器包括无盖板太阳能热水器、平板型太阳 能热水器、真空管太阳能热水器。这3种产品在总保有量中的比例分别是23%、35% 和42%.各种产品的地域性分布非常明显。真空管太阳能热水器主要分布在我国 （占全球总量的97%）， 主要用于提供生活洗浴用热水;无盖板太阳能热水器主要分 布在美国和澳大利亚（占全球总量的90%），主要用于游泳池的加热;平板型太阳能
6、热水器的分布较广， 广泛地分布在欧洲、亚洲、美洲和大洋洲。2.2国内外发展趋势目前国外太阳能集热器的主要发展趋势是平板型太阳能集热器，国内集热器 虽然仍以真空管集热器为主，但随着太阳能在建筑工程中的不断应用和平板集热 器技术的进步以及节能减排指标的要求,真空管的弊端逐渐显露出来,而平板太 阳能凭借其成熟的技术、较高效率、承压性强、便于实施太阳能建筑一体化等优 点， 在太阳能工程应用比例上逐渐增加。2011年平板式太阳能热水器在城市工程 市场呈增长趋势， 全国同比增长50%以上。3. 课题的主要工作本课题主要研究的是基于MSP430F449单片机的太阳能热水器采暖控制系统， 包括硬件设计和软件设
7、计。通过编制C语言程序实现太阳能热水器采暖控制系统 的正常运行，系统实现的功能包括温差跟踪循环控制、光热电热智能互补、管道 防冻、采暖控制、定时加热。利用触摸屏实现人机交换数据，实现参数设置、手 动控制和显示功能。通过系统的调试仿真实现对系统动态过程的模拟，提高系统 的可靠性。3.1控制系统的硬件设计图 1 太阳能热水器采暖控制系统硬件温度、水位采集模块是将温度、水位信号采集放大，送到控制器MSP430F449 单片机中，经A/D转换和处理，之后送采暖、洗浴控制模块，通过继电器来控制 集热器循环泵B1、采暖泵B2、加热器以及伴热带的启停，同时也将采集处理后 的温度水位信息和执行器的状态信息送给
8、中文液晶显示模块显示。另一方面，触 摸屏采集到触摸信息，可以改变参数设置，还可以通过执行器来进行手动操作。3.2 控制系统硬件介绍3.2.1MSP430单片机本设计要求系统达到体积小、功耗低等优点,所以系统采用MSP430F449单片机 作为系统CPU。MSP430F449单片机是美国德州仪器公司(TI)推出的一种16位超低 功耗FLASH型精简指令集(RISC)单片机，适合各种功率要求相对较低的场合。(1) 超低功耗MSP430F449单片机的电源电压采用1.83.6V低电压,RA M数据保持方式下 耗电仅O.luA,活动模式耗电250uA/MIPS(MIPS:每秒百万条指令)，I/O输入端
9、口的 漏电流最大值仅50nA。用户可以根据CPU和外围模块对时钟的需求,通过软件控制 MSP430F449时钟系统,合理的利用系统资源，实现整个应用系统的超低功耗。该系 列单片机提供了5种低功耗工作模式和1种活动模式, 这些工作模式只依靠对状态 寄存器SR的低功耗控制位和时钟的控制来实现。(2) 强大的处理能力16位MSP430F449单片机采用精简指令集(RISC)结构，一个时钟周期可以执行一 条指令(传统的MCS51单片机要12个时钟周期才可执行一条指令)，在8MHZ晶振下 工作时，指令速度可达8MIPSMSP430F449单片机采用了 16位多功能硬件乘法器加 强了单片机的功能并提供了软
10、硬件相兼容的范围， 提高了数据处理能力和运算能 力,可以有效地实现一些数字信号处理的算法(如FFT、DTMF等)。(3) 丰富的片内外围模块MSP430F449单片机片内集成了丰富的功能模块:看门狗定时器(WDT)可以在程 序失效时迅速复位；模拟比较器A为精确的比较测量而设计,结合定时器可实现精 确的A/D转换功能；16位定时器Timer_A和Timer_B具有捕获和比较功能；多功 能串口USART可实现异步、同步串行通信；6个8位I/O口线PlP6，其中Pl、P2口 具有中断功能；8路外部通道和4路内部通都的12位A/D转换模块，最大转换速率可 达200KsPs； LCD驱动模块可直接驱动液
11、晶多达160段。(4) 系统工作稳定上点复位后，默认时钟是DCO数字振荡器，由其启动CPU保证程序从正确位置执 行并且保证晶体振荡器有足够时间起振及稳定时间， 再由软件设置相应寄存器的 控制位来确定最后的系统时钟。如果晶振在用做CPU时钟时MCLK发生故障,DCO会 自动启动。另外,MSP43O单片机运行环境温度-40+85C,运行稳定，可靠性高， 所设计的产品适合各种民用和工业环境。(5) 方便高效的开发环境MSP43OF449是Flash型器件，片内有JTAG调试接口和电可擦写的Flash存储器， 可以先下载程序到Flash内，再在器件内通过软件控制程序的运行、读取片内信息 供设计师调试，
12、 整个开发(编译、调试) 都可以在同一个软件集成环境中进行。这 种方式不需要仿真器和编程器， 调试十分方便。3.2.2 LCD液晶显示器本设计中采用的是点阵液晶显示器ZJM12864BSBD。带中文字库的12864是一种 具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体 中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128X64,内置8192个16*16 点汉字和128个16*8点ASCII字符集，利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的 操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。ZJM12864BSBD可以显示8X4行16 X 16点阵的汉字也可完成图形显示，低电压低功
13、耗是其又一显著特点。由该模块 构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构 或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。3.2.3 键盘电路图3-4 键盘电路R1R2R3100-100-100本设计采用四个独立键盘，名称分别是PAG、INC、DEC、CON，起到翻页、 设置加、设置减、确认的作用。3.2.4 时钟芯片Vcc2 C1 18J VCCiX1匸27SCLKX2匚36J I/OGND C4Q53 CE图3-5DS1302时钟芯片本设计中时钟部分选用DS1302芯片,DS1302是DALLAS公司推出涓流充电时钟芯 片，内含一个实时时钟
14、/日历和31字节静态RAM,可以通过串行接口与单片机进行 通信。实时时钟旧历电路提供秒、分、时、日、日期、月、年的信息, 对于小于 31天的月, 月末的日期可自动进行调整, 还包括闰年的校正功能。时钟操作可通过 AMPM标志位决定采用24或12小时时间格式Dsl302与单片机之间简单地采用同步 串行的方式进行通信，仅需用到3根口线:RST（复位）、I/O数据线、SCLK（串行时 钟）。数据可以以每次1字节或多达31字节的多字节形式传至时钟RAM,同时还传出 给上位机。3.2.5 温度检测图 3-6DS18B20 芯片本设计采用5个DS18B20数字温度传感器,分别检测集热器温度T1、回水温度T
15、2、 水箱温度T3、室温T4、伴热带温度T5。DSl8B20是美国DALLAS公司推出的一线制 数字温度传感器, 其器件内部集成了温敏元件、数据转换芯片、存储器芯片和计算机接口芯片等多功能模块,该器件可将温度信号直接转换成16位串行数字信号,并通过串行输出方式与单片机通讯。测温范围一40C+l20C,可编程的分辨率 为912位，对应的可分辨温度分别为0.5C、0.25C、0.125C和0.0625C,可实 现高精度测温。适应电压范围：3.05.5V,工作电压既可以远端引入，也可以采 用寄生电源的方式提供。本设计采用DS18B20是3引脚小体积封装形式。3.2.6水位检测图3-12 水位检测电路首先将水箱分为五档水位:20%、 40%、 60%、 80%、 100%, 采用电极点的方式来 测量水位。当某个电极浸没在水中, 则该电极点相当于接地。测量时, 电极上通有 电源电压, 当水位下降到只接触20%档的电极点时, 电极间就有电流流过从而产生 液面信号, 控制板接收到液面信号后, 进行处理后, 继电器闭合控制电磁阀上水;当液位上升接触到80%档的电极时,电极间有电流流过,控制板接收到液面信号, 经控制板处理,继电器又恢复成释放状态。因此通过液体与电极接触与不接触, 继电器吸合与断开,就能正确测量出液位高低位置
