基于单片机的太阳能热水器控制系统设计含开题报告

基于单片机的太阳能热水器控制系统设计含开题报告内容摘要：

..................................................................23 致 谢 ................................................................................................................24 附 录 ................................................................................................................25 基于单片机的太阳能热水器控制系统设计 1 1 1 绪论 课题研究的背景 太阳能是一种古 老能源 ,也是一种安全、洁净、价廉、无污染的绿色能源。 在传统化石燃料日趋枯竭的今天 ,太阳能作为新能源的一种 ,在多元化能源消费结构中占有重要地位 ,正越来越受到人们的重视 [1]。 科学家预测：二十一世纪太阳能将会得到大量运用。 但是由于种种原因，有些技术难点尚未突破，产品的造价还是相对偏高（比如说光电池）。 所以还是没有被人们大规模的利用。 当今社会发展日新月异，人们衣食住行也在不断的提高。 现有电热型热水器的费用比较昂贵还有一些燃气型的热水器也存着着一些不安全的地方，儿且排放的气体也会污染到大气层，我国北方地区使用煤气来 取暖也会造成城市上空空气环境污染， 增加，这些都是太阳能热水器产生的一些外部条件。 太阳能热水器可以克服了上述缺点，它能作为绿色环保产品投入使用。 使用简单、方便。 在太阳能热利用技术中，太阳能热水器算的上是技术上比较成熟、造价比较低廉的产品，同时给人民提供不耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎 [2]。 随着技术的不断进步，转换效率的不断提高，太阳能热水器正在得到迅速的推广应用，方便着千家万户，太阳能热水器能够将太阳辐射能转换热能，供生产和生活使用。 太阳能热水器包括 2 个系统组件：主系统部分是直 接利用太阳光能为热水器进行加热；从系统相当于电热水器，在阴天的情况下利用电加热的手段辅助加热。 论文研究的目的意义 当今社会资源日益紧张，环境污染愈加严重 ,太阳能热水器与传统的燃气热水器和电热水器相比有一定的优越性。 目前，中国已成世界上最大的太阳能热水器生产国，但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。 该课题采用单片机控制技术实现太阳能热水器水温、水位的自动检测与控制，漏电检测与报警，做到既能手动操作，又能智能控制，从而很好的解决太阳能热水器使用过程中易受季节、气候 影响、浪费水资源等缺点。 课题涉及到的内容测控系的学生都学过，完成毕业设计，有利于巩固所学单片机、 C语言等方面的知识，增强理论联系实际的能力。 同时，选题贴近日常生活，具有一定的应用价值 [3]。 本课题构思设计的太阳能热水器控制系统是以 51 系列单片机中的 AT89S52为检测控制的中心处理单元 , 采用 DS1302 时钟 ,不仅实现了时间，日历的显示，还能够储存自动开关机的定时时间，设计了键盘，还能够进行时间设定，控制功基于单片机的太阳能热水器控制系统设计 2 2 能，添加了 DS18B20 温度传感器，能够实时监测温度，还添加了 12864 液晶显示器，方便了人机交互功 能。 控制系统可以根据天气的情况以及人工控制定时的时间利用加热装置 (电加热器 )使蓄水箱里面的水温达到预先设定的温度 , 从而就能达到了 24小时供应热水的目的。 论文的实际应用前景分析 目前，中国已成世界上最大的太阳能热水器生产国，年产量约为世界各国总和。 但是与之相配套的控制系统却还是一直处于研究和开发阶段。 没法做到智能化的处理，目前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 [4]。 基于单片机的太阳能热水器控制系统设计 3 3 2 系统基本方案选择和论证 单片机芯片的选择方案和论证 方案一： 采用 89C51 芯片作为硬件核心， 89C51 是一种带 4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器，采用 Flash ROM，内部具有 4KB ROM 存储空间，能于 3V 的超低压工作，由于将多功能 8 位 CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中， 89C51 很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案但是运用于电路设计中时由于不具备在线编程（ ISP）技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增 功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插可能对芯片造成一定的损坏 ,目前该型号芯片已经停产 [5]。 方案二： 采用 AT89S52单片机， AT89S52单片机是 ATMEL生产的单片机，是新一代 8051单片机，指令代码完全兼容传统 8051。 内部集成看门狗电路。 AT89S52 单片机内部有 8KB 的程序 Flash 存储器。 由于我们设计的烧写文件大概在 7KB 左右 ，而AT89S52 单片机的程序 Flash 为 8KB，不用再外接程序存储器了 [6]。 经过综合比较最终选择方案二，即选择 AT89S52 作为主控制器。 显示模块的选 择方案和论证 方案一： LCD12864液晶是一种具有 8位并行接口方式的点阵图形液晶显示模块 ,可以显示 1616 点阵的汉字，系统要求显示年月日、时分秒、星期、和农历。 LCD12864液晶可以完成设计的要求。 12864 是具有 4位或者 8位并行或者使用 2线或着 3线串行的一种多种接口方式的液晶显示器。 12864 液晶显示器内部含有简体中文字库的点阵图形其显示分辨率为 128 64，也就是 128 64 个点 , 内置 8192 个16*16点汉字，和 128个 16*8点 ASCII字符集 .基本特性 :工作温度 : 0℃ +55℃ ,存储温度 : 20℃ +60℃ 方案二： 系统采用 LED 显示。 LED 应用可分为两大类：一是 LED单管应用，包括红外线 LED 等；另外就是 LED 显示屏， LED 显示屏是由一些发光二极管排列组合而成成的显示器件。 它采用的是低电压扫描驱动，采用 LED 数码管动态扫描 .价格上比较经济实惠，但不能显示文字，性价比不是很高，操作起来比较液晶显示来说略显繁琐，所以也不用此种作为显示。 经过综合比较最终选择方案一，即选择 LCD12864 液晶显示屏。 基于单片机的太阳能热水器控制系统设计 4 4 时钟芯片的选择方案和论证 方案一： 采用单片机定时。 单片机有很 多优点，直接采用单片机定时计数器提供秒信号，计数的脉冲由外部提供，定时的脉冲由外部晶振提供，定时加 1的周期为一个机器周期；定时时间与初值和晶振频率有关。 使用程序实现年、月、日、星期、时、分、秒计数。 采用此种方案减少芯片的使用，节约成本，但程序复杂度较高。 方案二： 采用 DS1302 时钟芯片。 DS1302 它可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，采用的是两种电源的供电方式（主要电源和备用电源）， DS1302 可以进行数据记录，采用 DS1302 只需要写出驱动程序，调用程序读出寄存器内数据经过简单的变换就可以输 出时间的数据 [7]。 经过综合比较最终选择方案二，即采用 DS1302 时钟芯片。 温度传感器的选择方案和论证 方案一： 采用热敏电阻作为温度传感器。 使用热敏电阻作为传感器，用热敏电阻与一个相应阻值电阻相串联分压，利用热敏电阻阻值随温度变化，当采集两个电阻中间分压变化的值时，通过 AD 转换进行模数转换。 此设计方案需用额外的 A/D 转换电路，增加硬件成本而且热敏电阻会产生较大的测量误差。 方案二： 采用 DS18B20 温度传感器。 DS18B20 是由 DALLAS（达拉斯）公司生产的。 体积较小，是一线总线接口的温度 传感器。 信息经过单线接口送入 DS18B20 或从DS18B20 送出，因此从单片机到 DS18B20 仅需一条线连接即可。 它可在 1秒钟 (典型值 )内把温度变换成数字 经过综合比较最终选择方案二，即采用采用 DS18B20 温度传感器。 电路设计最终方案确定 单片机 AT89S52 作为主控制器；选择 LCD12864 型液晶作为显示模块，此模块可以显示字母、数字符号、中文字型及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能；选择采用 DS1302 时钟芯片 ,使程序实现年、月、日、星期、时、分、秒，即农历阳历时间的显示。 采用 DS18B20 温度传感器，可以对温度做出比较精确的测量，而且和单片机通讯只要一个 IO，连接方便。 利用继电器控制加热设备。 基于单片机的太阳能热水器控制系统设计 5 5 3 系统硬件电路设计 系统功能模块划分 根据系统功能要求，可大致画出系统所需硬件结构框图如图 31 所示： 图 31 系统原理框图 主控模块采用性价比较高的 AT89S52 单片机芯片，在其内部烧写好程序，可通过程序的运行控制测温模块进行测温；测温模块主要是由 DS18B20 构成，将其与所测对象进行接触即可获取被测对象的温度数据，而所测得的温度和 时钟芯片测得的实时日历将通过显示模块的液晶显示器以数字形式显示；单片机调用程序，读取 DS1302 内寄存器，可以得到我们系统的时间数据，经过程序处理就可以输出在 LCD 上；键盘电路可对时间，日历进行调整；蜂鸣器可以在开启定时加热中，作为声音提醒。 时钟模块 DS1302 为美国 DALLAS 公司的一种实时时钟芯片，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。 采用 晶振。 它可以对年、月、日、星期、时、分、秒进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。 DS1302 可以用于数据记录，掉电不丢失。 在本设计中，它的实际电路图如图 32 所示： 数据处理模块 MSC51 系列单片机 键盘输入模块块 时钟模块 温度采集模块 12864 显示模块 电加热模块 水位采集模块 报警模块 光敏电阻测量光照强度模块 基于单片机的太阳能热水器控制系统设计 6 6 图 32 DS1302 与单片机的连接 DS1302 需要外接 的晶振， 1 号引脚接主电源 VCC（ 5V）电源， 8号引脚接备用电池（ 3V），当主电源掉电后，备用电源为 DS1302 提供电源，维持DS1302 内数据不丢失，这正是时钟芯片所必须的特性。 温度模块 传统的温度检测系统大多数都是采用模拟采集， A/D 转换，转换后的数字信号送入计算机处理，处理电路相对比较复杂、可靠性也相对较差，占用 MCU 的资源比较多，本设计测 温模块采用一线制总线数字温度传感器 DS18B20，可将温度的模拟信号直接转换成温度的数字信号送给微处理器，电路简单，其电路原理图如图 33 所示： 图 33 DS18B20 温度模块 从图中可看出，将温度传感器的一线制总线通过端口 2 与本设计主控芯片AT89S52 的端口标号为 DS18B20 的相连即可实现相互之间的通信。 设计中的测温基于单片机的太阳能热水器控制系统设计 7 7 元件采用的是 DS18B20 测温元件 ,DS18B20 是由 DALLAS(达拉斯 )公司生产的一种温度传感器。 超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强，使得 DS18B20 很受欢迎。 这是世界上第一片支持 “ 一线总线 ” 接口的温度传感器。 DS18B20 温度传感器提供了 9位的 (二进制 )温度读数。 信息经过单线接口送入 DS18B20或从 DS18B20送出，因此从单片机到 DS18B20仅需一条线连接即可。 它可在 1 秒钟 (典型值 )内把温度变换成数字。 DS18B20 的主要特征 的主要特征：从转换开始到结束全部都是数字温度的转换和输出；是单总线数据的通信方式；最高可以支持 12 位的分辨率，精度可以达到土℃；最大分辩率的最大工作周期仅仅为 750 毫秒；检测温度范围 为 – 55℃—— +125℃；内置 EEPROM，可以做上下限温报警功能；内置产品序列号，方便多机单总线挂接。 芯片其封装结构如下： 图 34 DS18B20 芯片封装图 由其引脚可看出，其 3 个引脚 : GND 为电压地直接接地； DQ为单数据总线用来与单片机相连接 ,本系统中 DS与单片机 ,仅此一个连接就能保证DS18B20 与单片机之间的数据交换； VDD引脚接电源电压。 DS18B20 的工作原理 DS18B20 共有三种形态的存储器资源 ,分别是： ROM 只读存储器，用于存 放DS18B20ID 编码，它的前 8 位数据是单线系列的编码（ DS18B20 的编码是 19H），后面的 48 位是芯片唯一的序列号，最后 8 位是以上 56 位的 CRC码（冗余校验）。 数据在出产时设置不由。