基于单片机控制空气能热水器系统设计毕业设计论文说明书(编辑修改稿)

基于单片机控制空气能热水器系统设计毕业设计论文说明书(编辑修改稿)内容摘要：

共 49 页 空气能热水器工作原理 空气能热水器是按照“逆卡诺”原理工作的，形象地说，就是“室外机”像打气筒一样压缩空气，使空气温度升高，然后通过一种 17℃就会沸腾的液体传导热量到室内的储水箱内，再将热量释放传导到水中。 图 空气能热水系统原理 运用热泵工作原理制热，与空调制冷相反 ， 电制冷 2800 瓦。 根据热平衡的原理，同时最少产生 2800 瓦的热量，加上输入的 1000 瓦电，实际产生的热量在 3000— 4000瓦，把 这些热量输送到保温水箱，其耗电量只是电热水器的四分之一， 电热水器即使热效率 100%，输入 1000 瓦 电也只有 1000 瓦的热。 空气能热水器则不需要阳光，因此放在家里或室外都可以。 太阳能热水器储存的水用完之后，很难再马上产生热水。 如果电加热又需要很长的时间，而空气能热水器只要有空气，温度在零摄氏度以上，就可以 24 小时全天 承压运行。 这样一来，即使用完一箱水，一个小时左右就会再产生一箱热水。 同时它也能从根本上消除了电热水器漏电、干烧以及燃气 热水器使用时产生有害气体等安全隐患，克服了太阳能热水器阴雨天不能使用及安 装不便等缺点，具有高安全、高节能、寿命长、不排放毒气等诸多优点， 空气能热水器的寿命一般可以达到 15 至 20 年。 特点 与优点 安生性 传统热水器以燃气、电和太阳能为主 ，燃气热水器安全性较差，燃烧不充分和水压不稳定易造成燃气中毒和烫伤事件，电 热水器的漏电隐患和住宅接地不良也对消费者的生命安全造成严重威胁。 太阳能热水器储水式的特点决定了其在晴天时，水温可能很高，造成烫伤，阴雨天的电辅助加热却留下安全隐患，与以上热水器不同， 空气 能 热水器制 保 温 水 箱 加 水泵 循环 水泵 热交换器 压 缩 机 外机 风扇 水源 第 3 页 共 49 页 热过程是通过压缩机排出的高温高压制冷剂气体加热水罐中的水，电主要用于压缩机，制热后的气体通过外 热交换 盘式的盘管与搪瓷水罐中的水交换热量，水电完全分离。 这样，既不存在漏电隐患，省去了防漏电的烦恼，也避免了电加热管表面温度高，易结垢并影响加热效率的弊端，真正作到绝对安全。 节能性 由于采用热泵技术，可将大量 的空气中的热量 通过压缩机和制冷剂，转变为可利用的热能， 空气能 热水器由于吸收了大量空气中的热量，能效比平均在 3 以上，即 空气能热水器的压缩机每耗一度电，可产生电加热消耗 3 度电产生的热水，极大的 节省了能源。 120 升热泵热水器，压缩机功率为 500 瓦，热效率值为 370%， 标准工况环境温度为 20℃ ，是普通电热水器的四倍左右（电热水器热效率为 95%）， 可见 大大节省了电能，同样 120 升水从 15℃ 升到 55℃ ，普通电热水器需要 6Kw， 热泵热水器仅需 Kw，不仅仅节省了费 用，大面积推广也可极大的缓和电力紧张情况，具有很大的现实意义。 表 各类 热水器 经 济 性 对比 （ 以 120 升，温度从 15℃ 升到 55℃ 为例 ） 热水器种类 热泵热水器 电热水器 太阳能热水器 燃气热水器 燃料种类 电 电 电 天然气 有无污 染 无 无 无 有 有无危险性 无 有触电隐患 有触电隐患 危险 是否方便 方便 较方便 不方便 较方便 燃值 860 大卡 /Kwh 860 大卡 /Kwh 860 大卡 /Kwh 9000 大卡 /m3 热效率 370% 95% 280% 70% 燃料单价 元 /Kwh 元 /Kwh 元 /Kwh 元 120 升水费用 元 元 元 年运行费用 元 元 365 元 元 注：热泵热水器的热效率采用标准工况环境温度 20℃ ，水温 15℃ 计 算，太阳能热水器以带电辅助加热的为对比对象，全年阴天按 120 天核算，热效率为 280%。 环保性 与燃气热水器相比无任何排放，其制冷剂选用 R417A，是一种环保制冷剂，对臭氧层零污染，是 R22 的理想替代产品，目前，该产品在欧洲替换制冷剂市场占 80%以上的市场份额，被广泛地用于商场、宾馆、超市和办公场所等中央空调制冷剂的替换，其节能、环保、高效和替换简单（不用换压缩机和膨胀阀）等特点，使其已成为欧洲替换 R22 的首选产品。 各种热水器加热方式比较 ， 以每天产生 10 吨热水 ,温差 45℃ 计算 ,制热量为 450000大卡。 第 4 页 共 49 页 表 各类热水器 产生 10 吨热水 污染对比 供热方式 燃煤锅炉 燃油锅炉 燃气锅炉 电锅炉 太阳能 空气源热泵 燃料种类 煤 柴油 天然气 电 电 电 是否污染环境 非常严重 有 不严重 无 无 无 有无危险性 有 比较危险 非常危险 有 无 无 热效率 64% 85% 75% 95% 95% 400% 燃料单位 元 /kg 元 /kg 3 元 /m3 元 /kwh 元 /kwh 元 /kwh 每 10 吨水需用燃料 551kwh 151kwh 130kwh 每 10 吨水燃费 (元 ) 310 200 年燃料费用（万元） 16 人工费用（万元） 4（ 2 人） 4（ 2 人） 2（ 1 人） 无 无 无 设备使用年限 5 年 5 年 5 年 5 年 5 年 10 年以上 本文研究的意义 空气能热水器 以其节能低碳效果，在热水器市场具有不可比拟与无法匹敌的竞 争优势。 其最大价值彰显于其低碳节能效果在能源紧缺与低碳压力持续增大中应用与普及。 空气能热水器其耗能为电热水器的四分之三，燃气热水器的三分之二，太阳能热水器的二分之一，而被称为 “ 第四代热水器 ”。 据数据统计，假设全国 25%的家庭改用空气源热泵热水器，一年可节约电能约 1420 亿千瓦时，这个数字相当于为国家建立了一个半的三峡电站， 20xx 年的三峡电站发电量才 808 亿千瓦时。 而这同时也相当于节约了 1730万吨标准煤，减 少二氧化碳排放 3690 万吨，减少二氧化硫排放 万吨。 空气能热水器 行业发展的关键，在于其低碳节能价值被更多的人去认知，我国的 大部分 电力来源于高耗能与高污染的煤，每到用电高峰期全国各地层出不穷的电荒，暴露我国能源紧缺与强大需要的尖锐矛盾，而空气能热水器从大力推广到应用普及 ，或可解决电荒于根本。 空气能热泵 因节能与低碳而在各领域都有广 泛的适用性，其发展前景更是 令人期待， 人们 的都对其寄于了热切的发展壮大希望，并用行动付之以不懈的努力。 空气能热水器发展瓶颈成了空气能热水器普及之路上的最大阻碍。 其一，空气能热水器还缺少支持空气能热水器产品在各种环境下的强适应性与稳定性的支撑技术及相关的技术标准；其二，空气能热水器的高价格让普通老百姓难以接受；其三，也是空气能热水器成长之路上首要解决的重要问题，空气能热水器 系统的的电气控制部分，如何实现高能郊的转换，用最少的电能吸收最多的热量。 本课题就是研究其控制部分 ，发挥最能量转换，为人民更好的服务。 第 5 页 共 49 页 2 系统方案设计 基本设计要求 （ 1）采用单片机（ 8051/STC/AVR/STM32）作为核心部件对压缩机、外机风扇、加水泵、循环水泵电磁阀过行控制； （ 2）采用 LCD1602 显示当前热水温度等信息； （ 3） 采用 DS18B20 芯片作为数字温度传感器部件； （ 4） 采用 浮球水位开关进行对水位控制 发挥部分 （ 1）实现下位机发送数据到上位机显示 （ 2）实现上位机调节下位机的温度设置 方案步骤 根据任务书上的要求进行综合分析，总设计方案分为以下几个步骤： (1)根据空气能热水器控制系统的功能， 选用合理元器件并画出总体原理图。 (2)画出各个程序流程图的各模块。 (3)根据流程图编写出各模块的程序。 (4)制作 PCB 版。 (5)完成主程序及实现模块调用。 (6)硬件电路的焊接及调试。 (7)硬件软件的综合调试及程序烧制 方案设计 主控制部分方案设计 方案一：采用可编程逻辑器件 FPGA 作为控制器。 FPGA 可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、 I/O资源丰富、易于进行功能扩展。 采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。 但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。 且从使用、功耗及经济的角度考虑我们放弃了此方案。 方案二： STC89C52RC 是高速 /低功耗 /超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051,但速度快 812 倍。 内部集成 MAX810 专用复位电路 ,针对电机控制，强干扰场合。 所以我用了方案二来设计。 第 6 页 共 49 页 温度采集方案设计 方案一： 此方案采用 AD590 来实现。 使用 AD590 优点是能及时的反应出温度变化， 速度快，编程简单， 但是 芯片输出的是模拟信号 ,必须经过 A/D 转换后才能送给 计算机 ,这样就使得测温装置的结构较复杂 ，而且 麻烦的是需要校准， 这样增加了控制的难度，而且成本高。 方案二： 此方案采用 DS18B20 来实现。 使用 DS18B20 缺点 是编程复杂，转换速度慢。 但是 DS18B20 不需要 A/D 转换，温度测量和转换的工作都在一个器件中完成，直接 与 单片机的I/O 连接，而且 DS18B20 保证精度足够 高 ，电路简单成本低。 采用数字温度芯片 DS18B20测量温度 ,输出信号全数字化 ， 便于单片机处理及控制 ,省去传统的测温方法的很多外围电路。 且该芯片的物理化学性很稳定 ,它能用做工业测温元件 ,此元件线形 较好。 DS18B20 的最大特点之一采用了单总线的数据传输 , 这允许在许多不同地方放置温度传感器。 它可在 1秒内把温度变换为数字，采集速度较快能及时反应温度的变化。 最高 12位温度读数，精度可达到 摄氏度，温度采集范围 55～ 125 摄氏度，在很多场合下都能使用，并且价格低，很容易买到。 综合上述两种方案的比较，本系统选用方案二。 显示模块方案设计 方案一： 此方案采用 LED 八段数码管来实现，虽然 LED 具有原理简单、显示快速等特点。 但是由于的管脚较多，电路结构复杂，布线比较麻烦，而且使用数码管不 能够同时显示采集到的全部数据，只能通过按键来切换显示采集到的数据，不够灵活方便，而且它不能显示英文字符，如果使用锁存方式显示，增加了电路难度，不使用锁存方式则增加了控制的难度。 方案二： 此方案采用液晶显示器 1602 来实现，虽然 LCD1602 编程比较困难，但是其引脚比较少，电路连接比较简单，布线比较容易，能够全部显示采集到的数据，方便灵活。 而且它能显示英文字符和数字，具有低功耗、长寿命、高可靠性、清晰、体积小等特点。 综合上述两种方案的比较，本系统选用方案二。 上位机通信方案设计 方案一： 采用 USB通信，采用此方案技术难度较大，容易出现错码， 所以采用方案一。 方案二： 第 7 页 共 49 页 采用 MAXRS232 串口通信芯片， 具有电路简单等特点，并且价格便宜，容易买到 3 硬件电路的设计 硬件设计原则 一般对于大型的硬件设计的主要思路如下 : 一个大型的单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是系统扩展，二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，要设计合适的接口电路。 系统的扩展和配置应遵循以下原则： (1)尽可能选择典型电路，为硬件系统的标准化、模块化打下良好的基础。 (2)系统扩展与外围设备的配置水平 应充分满足应用系统的功能要求。 (3)硬件结构应结合程序设计方案一并考虑。 考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件实现，以简化硬件结构。 (4)系统中的相关元器件要尽可能做到性能匹配。 (5)可靠性及抗干扰设计是硬件设计必不可少的一部分。 (6)尽量减少外围。 系统器件越多，器件之间相互干扰也越强，功耗也增大，也不可避免地降低了系统的稳定性，因而在选择器件上尽量的。