學院本科畢業設計（論文）摘要I摘要如何很好的節約和利用能源，特別是可持續能源，一直是人類所面臨的問題。所以研究智能化家庭住宅里的能源如何被更有效地節約和利用，也有著十分現實和長遠的意義。而家用太陽能熱水器就是一個節約能源，有效利用能源的典型。該太陽能熱水器智能控制系統主要是由AT89C51單片機控制、DS18B20溫度傳感器、獨立鍵盤、LED數碼管和報警系統五大部分組成。該系統能測量并顯示水溫、設置水溫的范圍，如果水溫不處于所設置水溫的范圍則報警。同時還能對水位進行設置及加水，預先設置好需要加水的水位段數，單片機會根據這個數來進行判別是否需要加水。通過Protues軟件仿真以上所述的功能都能正常實現。關鍵詞太陽能熱水器，傳感器，AT89C51，溫度控制，水位控制學院本科畢業設計（論文）ABSTRACTIIABSTRACTToeconomizeandutilizeenergyresource,especiallythelastingenergyresource,isaproblemthathumankindhasfaced.Soitissorealisticandsignificanttoresearchhowtoeconomizeandutilizeenergyresourceishomeusing.AndtheSolarHeaterisagoodexampleineconomizingandutilizingenergyresource.Thedesignofsolarwaterheatersintelligentcontrolsystemismainlycomposedofsingle-chipAT89C51,DS18B20temperaturesensor,anindependentkeyboard,LEDandalarmsystem.Thesystemcanmeasureanddisplaywatertemperature,settherangeofwatertemperature,ifthewatertemperatureisnotintherangeofsettingtemperatureisalarming.Atthesametime,youcansetthewaterlevelandaddwater,first,needtosetupthewaterlevelabovethewater,single-chipwilldeterminewhetheraddthewaterornotaccordingtothenumber.TheusesofProtuessoftwarecanimitablecometruethefunctions.KeywordsSolarEnergyHeater,Sensor,AT89C51,TheTemperatureControl,TheControlofWaterLevel學院本科畢業設計（論文）目錄1目錄摘要IABSTRACTII1緒論12太陽能熱水器介紹22.1太陽能熱水器的概述22.2太陽能熱水器的分類22.3我國太陽能熱水器發展歷史33系統方案設計43.1方案一43.2方案二43.3方案比較44硬件設計64.1AT89C51介紹64.2測溫電路設計84.3水位監測電路設計124.4鍵盤電路設計134.5顯示電路設計174.6加熱和加水電路的設計194.7報警電路設計214.8電源電路設計225軟件設計235.1程序設計分析235.2程序流程圖236仿真及調試246.1程序編譯246.1.1KEILC51介紹246.1.2編譯過程246.2電路仿真25結論27參考文獻28附錄A：電路仿真圖29附錄B：源程序30致謝37學院本科畢業設計（論文）1緒論11緒論隨著全球人口和經濟的不斷增長，能源使用帶來的環境問題及其誘因逐漸為人所認識，“低碳經濟”這一概念開始進入人們的視野。人們在大力發展太陽能產業。能源問題將更為突出：（1）從長遠來看，全球已探明石油儲量只能用到2020年，天然氣也只能延續到2040年左右，即使儲量豐富的煤炭資源也只能持續二三百年。（2）環境污染。（3）溫室效應引起全球氣候變化。因此，人類在解決上述能源問題，實現可持續發展，只能依靠科技進步，大規模開發利用可再生潔凈能源。太陽能具有：（1）儲量的“無限性”。（2）太陽能對于地球上的絕大多數地區具有存在的普遍性，可就地取用。（3）開發利用時幾乎不產生任何污染。鑒于此，太陽能必將在世界能源結構轉換中擔綱重任，成為理想的替代能源。在世界范圍內，太陽能熱水器技術已經很成熟，并已形成行業，正在以優良的性能不斷的沖擊電熱水器市場和燃氣熱水器市場。2000年太陽能熱水器取代47000套家用電熱水器；2000年日本太陽能熱水器的擁有量將翻一番；以色列更是明文規定，所有新建房屋必須配備太陽能熱水器。目前，我國是世界上太陽能熱水器生產量和銷售量最大的國家。能源問題與安全問題是現代社會各界普遍關注的焦點之一。目前市場上存在三種樣式的熱水器：電熱水器、燃氣熱水器和太陽能熱水器。近年來，在一氧化碳中毒事故中，由燃氣熱水器造成的約占1/3；電熱水器的大規模用電，并不能給人們的正常生活帶來便利，作為后來者的太陽能熱水器，因其安全性好、節能、綠色環保等優點，近幾年呈現出爆發式的發展趨勢。選擇太陽能熱水器這個課題，可以讓我更好的認知可持續發展問題，看清目前的能源現狀，以及各國在節能能源上的措施，在太陽能革新上運用的新技術。此外，太陽能熱水器已經走進千家萬戶，控制系統是太陽能的核心，可以盡可能做到節能環保，作這樣一個設計，不僅可以考察自己大學四年的專業課的理論與動手實踐能力，產品也具有一定的市場前景。學院本科畢業設計（論文）2太陽能熱水器介紹22太陽能熱水器介紹2.1太陽能熱水器的概述太陽能熱水器把太陽光能轉化為熱能，將水從低溫度加熱到高溫度，以滿足人們在生活、生產中的熱水使用。太陽能熱水器是由全玻璃真空集熱管、儲水箱、支架及相關附件組成，把太陽能轉換成熱能主要依靠玻璃真空集熱管。集熱管受陽光照射面溫度高，集熱管背陽面溫度低，而管內水便產生溫差反應，利用熱水上浮冷水下沉的原理，使水產生微循環而達到所需熱水。2.2太陽能熱水器的分類（1）從集熱部分來分：真空玻璃管太陽能熱水器：目前吸熱效率最高的集熱部分，優點在于不需要在集熱部分在增加保溫層，而且現在的真空玻璃管無論在抗高溫，抗打擊和保溫上，性能都是一流的，也被絕大部分太陽能熱水器生產廠家所采用。其缺點在于體積比較龐大，管中容易集結水垢。金屬平板太陽能熱水器：是在傳熱性能極佳的金屬片上，覆蓋上吸熱涂層，利用金屬的傳熱性，將吸收的熱量傳于水箱中。其有點是外觀美觀，安裝方便，可以做成平板，而且不容易損壞。缺點在于：保溫要花很大的代價，成本高，間接的就是增加消費者負擔。（2）從結構分：普通式太陽能熱水器：就是將真空玻璃管直接插入水箱中，利用加熱水的循環，使得水箱中的水溫升高，這是目前廠家都采用的。也是一只流行到現在的最常規的熱水器。一般改類熱水器只有頂層能用，除非頂層用戶和你樓下的關系特鐵，而且屋頂的面積是有限的。分體式熱水器：分體式熱水器是為了解決不是頂層用戶也能使用太陽能熱水器而誕生的。分體式循環有2種，一種是靠水的自然循環，這種熱水器熱交換效率很低，遠遠不能滿足用水要求；另一種是靠泵循環熱交換，這也是為了解決自然循環效率低的問題，使用泵循環，可以明顯改善水的熱交換。（3）從水箱受壓來來分：承壓式太陽能熱水器：目前，無論是哪一種分體式熱水器，都有一個致命的缺點，必須使用承壓式水箱，這是所有分體式熱水器的基本思路，這就直接考驗你的集熱部分的密封性能；還有制造承壓水箱成本極高，也存在安全性問題，一般要求耐壓7個大氣；而且循環效果不是很理想。雖然解決了水的循環問題和使用水時的方便性。非承壓式太陽能熱水器：目前裝在屋頂的普通太陽能熱水器都是屬于非承壓式熱水器，它的水箱有一根管子與大氣相通，是利用屋頂和家里的高度落差，使學院本科畢業設計（論文）2太陽能熱水器介紹3用水時產生壓力。其安全性，成本，使用壽命都比承壓式要顯著得多。2.3我國太陽能熱水器發展歷史我國自78年引進全玻璃真空集熱管樣管以來，經過20多年努力，攻克了熱壓封等許多技術難關，已經建立了擁有自主知識產權的現代化全玻璃真空集熱管產業，用于生產集熱管的磁控濺射鍍膜機已有745臺，產品質量達到世界先進水平，產量雄居世界首位。1978年中國誕生第一臺太陽能熱水器，到1986年臥式磁控濺射鍍膜機的設計制造，是在政策扶持下的研究開發階段。1987年，我國制造了第一支全玻璃真空集熱管。在之后的幾年里，全玻璃和熱管式真空管集熱器實現了產業化，產業規模達到中試水平，為下一階段產業的規模化奠定了良好的基礎，成為產業的孕育發展階段。1993年太陽能產業進入初級發展階段：由于成果轉化需要很長一段時間的磨合，特別是受技術人員缺乏的影響，此階段的產品質量有待于進一步提高，整體來講，發展速度較為緩慢。這時候以山東力諾集團為主的真空管生產企業的產品占了真空管生產絕大部分市場。1997-2001年太陽能產業得到高速發展，逐漸形成北京、魯東、泰安、揚州、海寧等5個產業基地，并以此向周圍不斷輻射，產能得以迅速提升。繼2004年，太陽雨將中國的真空管太陽能產品第一次帶出國門，到2008年上半年出口80個國家、銷量繼續以兩倍速增長，力諾瑞特、桑樂、皇明等中國太陽能光熱行業的龍頭企業們也紛紛進軍國際市場。除這些龍頭企業外，以生長于常州和浙江一帶為代表的部分中小企業，也在循著早年“浙商”闖蕩世界的模式，攜真空管產品的獨有優勢和他們慣有的的低價思維，早已經“漂洋過海”，在國際太陽能光熱市場上形成了一定的沖擊力；還有一些原來只專注于國內市場的企業，也開始參加廣交會或不惜成本參加國外的一些專業性展會，以尋求在國際市場分得一杯羹。學院本科畢業設計（論文）3系統方案設計43系統方案設計3.1方案一系統溫度采集選用PTl000鉑電阻溫度傳感器，PT100是鉑熱電阻，阻值隨溫度變化而改變。PT后的100表示它在0時阻值為100歐姆，在100時它阻值約為138.5歐姆。工業原理：當PT100在0的時候他的阻值為100歐姆，阻值會隨著溫度上升成勻速增漲。采集的電壓信號經集成運放LM324放大到2.O一5.0伏，轉換結果由單片機處理。水位檢測采用XYC-1型壓力水位變送器進行液位值連續采集。XYC-1型壓力式液位變送器內部采用進口高精度擴散硅敏感元件作為測量元件，敏感測量元件封裝在全不銹鋼探頭里，通過高強度防水通氣電纜與外部放大電路連接，采用直接驅動四位七段數碼管顯示，通過獨立式鍵盤進行溫度和水位控制，通過軟件手段實現按鍵消抖。報警電路由一個蜂鳴器構成，結構簡單。加熱部分采用光電隔離與輔助加熱電路。3.2方案二系統的溫度采集選用采用溫度傳感器DS18B20，它是美國Dallas半導體公司生產的數字化溫度傳感器DS18B20，它支持“一線總線”接口的溫度傳感器，全部傳感元件及轉化電路集成在形如一只三極管的集成電路內。我們可以采用DS18B20采集溫度，再進行溫度數值轉化，再在顯示電路上顯示。外圍電路只需通過DS18B20進行接收溫度，一個顯示電路，一個報警電路。軟件部分只需要采集溫度，對溫度進行轉換，再用顯示電路將其顯示出來。很明顯，環境對DS18B20影響不是很大，同時DS18B20的測量精度穩定并可用軟件設置，接線簡單，大大的為單片機節省了數據口。3.3方案比較本設計主要是從溫度傳感器進行考慮。傳統的測溫元件有熱電偶和熱電阻，但它們測出的一般都是電壓，再轉換成對應的溫度，需要較多的外部硬件，電路及軟件的調試較為復雜，制作難度高。從以上兩種方案中，很容易看出采用方案二所設計的電路相對來說較為簡單，采用一種智能溫度傳感器DS18B20作為檢測元器件，測溫范圍-55125，分辨率最大可達0.0625。DS18B20可以直接讀出被測溫度值。采用3線制與單片機相連，減少了外部硬件電路，具有低成本和易使用的特點。學院本科畢業設計（論文）3系統方案設計5本設計對水位檢測要求不高，只須知道大概水位就可以了，因此從功能、材料、價格多方面考慮，只需用水位傳感器檢測出水位段即可。綜上所述，最終決定采用方案二作為設計方案。本設計方案系統可由主控制器（AT89C51）、顯示電路、測溫器件（DS18B20）、抽水電動機、發光二極管報警、按鍵、水位顯示組成。總體結構框圖如圖3.1所示：圖3.1總體設計結構框圖學院本科畢業設計（論文）4硬件設計64硬件設計4.1AT89C51介紹AT89C51是帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（EPEROM）的低電壓、高性能CMOS8位微處理器（俗稱單片機）。該單片機與工業標準的M