1、太陽能熱水器控制器的設計班 級 11新能源 專 業 新能源應用教學系 機電系指導老師 林森完成時間 年 月 日至 年 月 日 摘 要眾所周知，太陽能是取之不盡，用之不竭，沒有污染的巨大能源。隨著世界上煤、油、氣的儲量日益減少，能源危機已日益增長，環境污染的危機已威脅著生態平衡，關于太陽能的開發利用變得日趨重要。太陽能在能源利用中的地位將發生革命性的變化，在今后的能源利用中將處于重點開發項目。由于太陽能本身具有分散性、季節性和地區性，加上有些技術問題至今尚未得到更好的解決，開發出來產品的造價超出群眾接受范圍。因此太陽能開發利用還未得到普及。 隨著社會的不斷發展，人們的生活水平不斷改善和提高。目前

2、市場上的電熱型熱水器價格并不便宜加上燃氣型熱水器安全性差，在使用過程中排放的氣體對城市的環境破壞十分明顯，在這些條件的促使下，太陽能熱水器的利用課題再次被提到跟前。第一，太陽能熱水器在使用中不會排放二氧化碳等污染氣體，而且是環保產品，他的操作十分便捷，他的開發利用不僅方便人們生活而且保護了環境是完全滿足市場需求的產品。不難發現，太陽能熱水器的用量在集體公共區很大。房地產開發公司通常會在建筑頂部無償安裝太陽能熱水器，隨著配套設施的改善房屋的銷量也會隨之增加。在所有有關太陽能熱利用的技術之中，太陽能熱水器可以說是是造價比較適中且技術上比較成熟的一款產品，是其他太陽能開發利用產品不可比擬的，在使用的

3、過程中不損耗資源、不破換環境、且安全性能高等方面深受人們的歡迎。目前,太陽能熱水器控制器的相關技術在國內還并不成熟，還一直處于研究和開發階段,目前市面上大多數熱水器控制器還只具備簡單的水位和水溫的顯示功能, 這種控制器還達不到對水位和水溫的自動控制,即使市面上小部分熱水器控制器也已經具備了電輔助加熱的功能，但還算不上智能型熱水器控制器, 無法給用戶帶來更便捷的服務。 。關鍵詞：單片機、太陽能熱水器、溫控系統目錄摘 要1目錄2第一章 前言（緒論）31.1太陽能熱水器的發展概況及市場競爭分析3第二章.太陽能熱水器智能控制系統.32.1項目要求32.2設計方案4第三章.系統硬件設計43.1按鍵單元設

4、計43.2顯示單元設計63.3溫度檢測單元設計143.4水位檢測單元設計153.5報警單元設計153.6輔熱單元設計153.7注水單元設計16第四章.系統軟件設計264.1主程序分析264.2按鍵操作子程序分析284.3顯示子程序分析304.4溫度檢測子程序設計30 4.5水位控制子程序設計.31總 結31結束語.32第一章 前言（緒論）1.1太陽能熱水器的發展概況及市場競爭分析目前，中國在世界上的太陽能生產國中已處于領先地位，年產量能達到世界各國產量之和，國內太陽能熱水器生產企業也達到百余家。但是與熱水器配套使用的熱水器控制器制造技術相對落后，一直處在研究與開發的階段。這種控制器還只具備簡單

5、的水位和溫度顯示功能，且為分段顯示，溫度和水位顯示的誤差非常大誤差分別約為10%和25%。這種控制器還并不具有溫度控制的功能，當天氣條件不理想時，比如陰天或者下雨時，集熱器很難采集到光照，造成用戶用水極為不便；即使小部分具有輔助加熱功能的熱水器，由于加熱時間不能得到控制而產生加熱時間過久，大量浪費了用戶的電能。面對以上熱水器所具備的缺點，本文設計的太陽能熱水器控制器是以80C51單片機為檢測控制核心，采用DS12887 實時時鐘電路，不但溫度、水位和時間上實現了實時控制和FUZZY控制功能，而且可以對時間和溫度的控制進行設定。溫度控制主要采用模糊控制，控制器可以依據天氣情況利用輔助加熱裝置對水

6、箱內的水進行加熱，使蓄水箱內的水溫在用戶設定時間達到用戶預先設定的溫度，從而實現24小時內隨時為用戶提供熱水。太陽能熱水器是太陽能利用之中比較常見的一種裝置，所帶來的經濟效益十分明顯，普及速度也在農村和各中大小型城市迅速擴張，太陽能熱水器是將太陽光能轉化為熱能的一種裝置，為生產生活提供方便。太陽能熱水器主要是由蓄水器 平板集熱器、和連接管道等部件組成，可分為悶曬式 直流式 和循環式三種款式。熱水器主要包括主、從兩大系統：主系統的主要功能是在正常天氣情況下利用太陽光能為熱水器提供加熱；從系統就是輔助加熱器，它在天氣情況不利的情況下利用電輔助加熱為用戶提供熱水，它最大的優勢在于充分的利用太陽能豐富

7、免費的資源，同時考慮到在某些天氣情況下無法利用太陽能的缺點，將太陽能熱水器和電熱水器的各自優點互相結合，是熱水器行業又一次突破技術突破。第二章. 太陽能熱水器智能控制系統2.1項目要求：設計并安裝調試太陽能熱水系統控制系統實現智能管理2.2：設計方案：1.資訊：分析和研討項目任務，明確控制要求和工作內容，學習和理解相關基礎知識，查閱和搜集相關智能管理控制系統資料2.計劃決策：擬定工作計劃和設計方案，確定設計方案，繪制系統組成框圖3.操作實施：根據控制方案，完成智能管理系統硬件設計及軟件設計。并完成電路板的制作和調試4檢查：對控制電路相關參數進行測量，并填寫控制系統工作頁相關內容，對出現的故障現

8、象進行分析處理，并歸納總結5：評估：對學生工作態度、資料和信息搜集情況、項目完成質量、職業道德、總結報告等方面進行全面評估。 第三章.系統硬件設計3.1按鍵單元設計P1.0- P1.7口作為按鍵的信號輸入端，鍵按下，就執行該鍵的功能。其電路如圖3-11所示。（為了編程簡單、方便，采用獨立式鍵盤電路）當按鈕按下后，電路與地接通時，I/U口與地面相連為低電平。按鈕沒有按下時，電路不與地面相接，I/U口與電壓高端相連為高電平。本設計中采用了共陰極接法，對于顯示水溫水位的程序作如下說明： 在動態掃描過程中，調用延時子程序Del1，其延遲時間為1ms，這是為了使掃描到哪位顯示器穩定的點亮一段時間，猶如掃

9、描過程中在每一位顯示器上都一段駐留時間，以保證其顯示亮度。 本設計接口電路是軟件為主的接口電路，對顯示數據以查表方法得到其字形代碼，為此在程序中有字形代碼Table,從0開始依次寫入十六進制數的字形代碼。為了進行查表操作，使用查表指令 MOVC A，A+DPTR，由DPTR提供16位基址，由A提供變址，因此顯示數據送A后，再由A送P0.1P0.6輸出給顯示器。 鍵盤輸入主程序：MOV P1, #0FH ；鍵盤初始化，P1.0P1.3置輸入方式，P1.4P1.7為0狀態MOV IE, #84H ；開CPU中斷，開INT1中斷SJMP $ ；中斷等待中斷服務程序：ORG 0013 ；INT1中斷入

10、口地址LJMP IO51K16 ；從中斷入口轉移鍵盤處理程序IO51K16IO51K16: CALL D10MS ；延時10秒LCALL KEYIN ；調鍵輸入檢查子程序JNZ LKOUT ；有鍵輸入，轉查鍵號RETI ；無鍵輸入，中斷返回LKOUT: MOV R2, #0EFH ；首列掃描字寫如R2MOV R4, #00H ；首列偏移值如R4CONU: MOV P1, R2 ；列掃描字寫入列線中MOV A, P1 ；讀入P1口狀態到A中JB ACC.0,LONE ；檢查第0行是否為0狀態，不為0表示按下鍵不在此行，轉下行MOV A, #00H ；第0行為0狀態，表明按下鍵在此行，首列號如AA

11、JMP LKP ；轉求鍵號LONE: JB ACC1.1, LTWO ；檢查第1行有無鍵按下MOV A, #04H ；有鍵按下，該行首列號入AAJMP LKP ；轉求鍵號LTWO: JB ACC.2, LTHR MOV A, #08H AJMP LKPLTHR: JB ACC.3, NEXT ；該列所有行都無鍵按下，轉NEXT MOV A, #0CH ；有鍵按下，該行首列號入A中LKP: ADD A, R4 ；求鍵號，鍵號位首列號加列偏移值 PUSH A ；鍵號入棧保護WKFE: LACLL KEYIN ；等待鍵釋放 JNZ WKFE ；鍵未釋放轉WKFE等待 POP A ；鍵釋放，鍵號如A

12、LJMP KJMP ；轉鍵操作轉處理 NEXT: INC R4 ；轉查下一列，列偏移值加1 MOV A, R2 JNB ACC.7, KND ；最后一列查完？查完中斷返回 RL A ；未查完，列掃描字左移1位 MOV R2, A ；掃描字如R2繼續查找 LJMP CONUKND: RETIKEYIN: MOV P1, #0FH ；查完有無鍵按下，A不為0，有鍵按下 MOV A, P1 CPL A ANL A, #0FHRETKJMP: SUB A,#OFH JC WriteTemp ADD A, #0FH CLR C SUB A, #0EH JC StoreTemporTime ADD A,

13、#0EH CLR C SUB A, #ODH JC Waterpoistion ADD A, #ODH CLR C SUB A, #0CH JC Vtemp ADD A, 0CH CLR C SUB A, #OBH JC StoreTime RETI ORG 0003H JMP Heat RET3.2顯示單元設計本設計采用共陽型數碼管，8個LED燈如圖3-13中接法，燈的負極依次接到數碼管的a-f段，采用動態掃描電路，并把顯示程序作為主程序。數碼管的段用P0口控制，P2.0口、P2.3口作為數碼管的位控制，P2.4作為指示燈的控制。時鐘顯示系統輸入信號有：6個液位信號、1個溫度信號、4個觸摸鍵

14、;輸出信號有：4位LED數碼管分時顯示當前溫度和液位，3個位輸出控制繼電器分別控制上水電磁閥、加熱泵、增壓泵，1個位輸出控制蜂鳴器作為低水位報警信號和其他異常情況報警，2個位輸出指示上水、加熱狀態。用戶設定項目有水位上限、熱水溫度、上水定時、加熱定時。設定參數用EEPROM保存，停電后參數無需重新設定。系統具有故障自檢功能，電磁閥、加壓泵在停水時會自動切斷，水位傳感器有故障時禁止上水，以免上水時溢出。液位傳感器主要采用ATS173型霍爾元件，若干個霍爾元件被固定在一個垂直的導槽上，磁鋼浮子的帶動下沿著導槽移動，霍爾元件的輸出在電阻網絡的作用下轉換成不同的電壓，經過ADC通道最終送入MCU。這樣

15、，僅用一個ADC通道可以實現多路數字信號的輸入。溫度傳感器采用負溫度(NTC)型通用熱敏電阻，信號經另一路ADC輸入MCU。保存設定參數的EEPROM采用HT93LC46，采用串行方式與MCU接口，整個控制器的硬件及對MCU的資源要求降到最低。MCU根據檢測到的水位信號、水箱溫度信號，以及用戶的設定或操作，通過軟件進行數值計算和邏輯運算，以確定當前應該進行的操作，并通過輸出口控制進水閥、加壓泵、加熱泵的狀態，以實現要求的控制功能。由于SN8P1706的I/O口驅動能力可高達15mA，采用高亮度的LED顯示無須再使用驅動器件，可以由SN8P1706的I/O口直接驅動。LED顯示子程序：DISI:

16、SETB P1.7 ;滅顯示MOV R0, #SBCDMOV A, R0 ;取出要顯示的數ADD A, #2DH ;加上偏移量MOVC A , A+PC ;查表取出段選碼MOV SBUF, A ;送出顯示DL1:JNB TI, DL1 ;輸出完否?CLR TI ;完,清中斷標志INC R0MOV A, R0ADD A, #21HMOVC A, A + PCANL A, #OEFH ;個位加小數點MOV SBUF, ADL2: JNB TI, DL2CLR TIINC R0MOV A, R0ADD A, #13HMOVC A, A+PCMOV SBUF, ADL3: JNB TI, DL3CLR

17、 TIMOV A, #0FFHMOV SBUF, ADL4: JNB TI, DL4CLR TICLR P1.7 ；亮顯示RETSEGTAB:DB 11H,0D7H,32HDB 92H,0D4H,98HDB 18H,0D3H,10H,0D0H3.3溫度檢測單元設計線式數字溫度傳感器DS18B20是DS1820的更新換代產品(由美國DA IIAS公司生產)。它具有體積小,分辨率高,轉換快等優點。由于每片DS18B20 含有唯一的硅串行數, 所以在一條總線上可以掛接多達248 218×1014只DS18B20,再加上DS18B20 獨特的單線總線結構,決定了DS18B20 特別適合于大型

18、的多路溫度實時測控系統的溫度檢測。溫度實時測控集裝箱的設計, 在實現測控系統的溫度檢測方面就較好地利用了DS18B20 的獨到特點,使系統得到了極大的簡化。（1）DS18B20的特性1）獨特的單線接口方式。DS18B20 在I/O處理器連接時,僅需要一個I/O 口即可實現微處理器同DS18B20的雙向通訊。2）DS18B20支持組網功能,多個DS18B20可以并聯在唯一的單線上,實現多點測溫。3）DS18B20 的測溫范圍為: - 55+125,在-10+ 85時, 其精度為+ 015。4）DS18B20的測溫結果的數字量位數從912位,可編程進行選擇。數字化溫度傳感器DS1820測溫范圍為-

19、 55+125 之間，增量值為0.5 (9位溫度讀數)，它主要由4個數據部件部分組成：64位ROM;溫度傳感器;非易失性的溫度告警觸發器TH 和TL；高速便箋存儲器64 位ROM用于存儲序列號，其首字節固定為28H，表示產品類型碼，后6個字節是每個器件的編碼，最后1個字節是CRC 校驗碼. 溫度告警觸發器TH和TL 存儲用戶通過軟件寫入的報警上下限值，高速便箋存儲器由9個字節組成，其中有2個字節RAM單元用來存放溫度值前1個字節為溫度值的補碼低8位，后1個字節為符號位和溫度值的補碼高3位。（2）DS18B20 測溫原理DS18B20內部結構框圖,如圖3-4所示。圖3-4 DS18B20內部結構

20、框圖DS18B20 的測溫原理：DS18B20 測量溫度采用了特有的溫度測量技術，它是通過計數時鐘周期來實現的，內部計數器對一個受溫度影響的振蕩器的脈沖計數,低溫時,振蕩器的脈沖可以通過門電路。而當到達某一設置高溫時, 振蕩器的脈沖無法通過門電路。計數器設置為- 55。同時, 計數器復位在當前的溫度值時, 電路對振蕩器的溫度系數進行補償, 計數器重新開始計數直到回零。如果門電路仍未關閉, 則系統重復上述過程。（3）DS18B20的操作協議DS18B20單純通信功能是分時完成的。單線信號包括復位脈沖,響應脈沖,寫“0”,寫“1”,讀“1”。它們有嚴格的時隙概念。系統對DS18B20的操作以ROM

21、命令(5個)和存儲器命令(6個)形式出現。對它的操作協議是： 初始化DS18B20發復位脈沖)發ROM功能命令處理數據發存儲器命令處理數據。各種操作都有相應的時序圖。DS18B20在使用時，一般都采用單片機來實現數據采集。只需將DS18B20 信號線與單片機1位I/O線相連，且單片機的1位I/O線可掛接多個DS18B20，就可實現單點或多點溫度檢測。DS18B20傳感器精度高、互換性好;它直接將溫度數據進行編碼，可以只使用一根電纜傳輸溫度數據，通信方便，傳輸距離遠且抗干擾性好：與用傳統溫度傳感器組成的多點測溫系統相比可節省大量電纜，而且系統得以簡化，系統擴充維護十分方便。DS18B20 可以廣

22、泛用于工廠工業過程、大型糧倉、釀酒廠，食品加工廠的溫度檢測以及賓館、儀器儀表室等處的溫度檢測和控制。3.4水位檢測單元設計實驗證明，純凈水幾乎是不導電的，但自然界存在的以及人們日常使用的水都會含有一定的Mg2+、Ca2+等離子，它們的存在使水導電。本控制裝置就是利用水的導電性來完成的。我們把儲水箱大致分為四個等份，水位由潛入太陽能熱水器的儲水箱不同深度的水位電極和潛入儲水箱底部的公共電極（導線）進行檢測；由單片機依次使各水位電極呈現高電平，由公共電極所接的三極管進行電位轉換，水位到達的電極，轉換電位為低（0）；水位沒有到達的電極，轉換電位為高（1）；每檢測一位便得到一位數據，5個電極檢測一遍以

23、后便得到了5個串行數據，然后把這5個數據轉化為字節一路送發光二極管；在這里我們可以用發光二極管亮的盞數來顯示水位的高低。（若沒有發光二極管亮則表示箱內沒有水或者只有少量的水，若有一個發光二極管燈亮則表示箱內有四分之一箱的水，以此類推，若有四個發光二極管亮，則表示水箱水是滿的。）當水位未達到a時，即h<a時、這時傳感器的總阻值為4R，對應，系統處于缺水狀態。當ah<b時，傳感器電阻阻值為3R，對應，系統處于20%水位。當bh<c時，傳感器電阻阻值為2R，對應，系統處于50%水位。當ch<d時，傳感器電阻阻值為R，對應，系統處于80%水位。當h=d時，傳感器電阻阻值為0，對

24、應，系統處于100%水位。其中，環形振蕩器產生的方波周期T（或f）可通過單片機P87LPC744BN的兩個定時/計數器（T0、T1）來確定，T1用來計數，T0用來定時。3.5報警單元設計7404是正向高壓緩沖器/驅動器，它具有緩沖功能，同時也可以提高電流的驅動能力，7407有兩種接法;(1)當電路共陽接法時，7407主要騎著緩沖的作用，就是緩沖單片機的承受能力，如果，沒有7407，那么單片機成熟的電流能力很小，那么工作電流就受到了限制，亮度不夠亮，而加上7407就可以緩沖單片機的灌電流，從而，可以減小限流電阻的值，使流過二極管的電流增強，從而燈變得更亮。（2）當電路共陰極接法時，即將電源變成接

25、地，二極管反接過來，這是單片機上拉電流被7407放大，來驅動燈。3.6輔熱單元設計 輔助加熱電路圖圖為太陽能熱水器光電隔離與輔助加熱電路設計。當室外光強不足（陰天、下雨）時，對水箱的水提前加熱是很必要的，這一電路恰好能完成這一功能。工作原理：當單片機80C51P2.1口輸出高電平時，三極管T1導通，致使發光二極管發光，同時光敏三極管T2導通，繼電器閉合，電阻絲R1R4發熱，這樣就完成了加熱任務，此電路雖然簡單，但在太陽能熱水器中是必不可少的。3.7 注水單元設計水位控制電路是控制水閥的打開與閉合來實現放水和停止放水，本次設計采用一個發光二極管的亮與滅來模擬水閥的開與合。具體原理圖如下：第4章

26、.系統軟件設計4.1 主程序分析主程序主要完成初始化、顯示處理、送7279顯示、鍵盤掃描以及鍵處理等功能，其中初始化又涉及內存單元，顯緩區，堆棧，定時器賦初值，及各寄存器的初始化，流程圖如圖4.3所示：開始初始化按鍵掃描鍵處理顯示處理、顯示有鍵按下否？切換鍵，切換標志取反溫度上翻鍵處理溫度下翻鍵處理數鍵鍵處理校時鍵處理確認鍵處理YN圖4.3 主程序流程圖4.2按鍵操作子程序分析鍵盤處理主要是不斷的掃描7279模塊中的鍵盤，若有鍵按下時，則根據得到的鍵值查表求出其鍵號，將鍵號存放于寄存器ACC中供主程序處理。流程圖如圖：鍵盤處理入口置7279的CS有效，并延時50us發送讀鍵指令碼15H到727

27、9，并延時12us接收鍵值存于A中，CS信號置1置鍵標志00H由鍵值表查鍵號清鍵標志00H返回A為FFH否？YN 按鍵操作子程序流程圖4.3顯示子程序分析分析表明，移位寄存器74LS164僅有串入并出作用沒有譯碼功能。因此，在編寫顯示驅動程序之前，首先需要計算列寫出與本電路對應的LED段選碼 ，然后由89C52的P3.0口送入74LS164的串行輸入端，再并行輸出到LED 的段選端。需要指出的是，上面顯示電路采用TOS28106BHK型號的共陽極LED顯示器，根據PCB印制線路板的連線方便，其LED的8個段選端與74LS164的并行輸出口即8根段選線的連接沒有遵照通常的規律，而是如圖3-5所示的段排列為7、6、4、2、1、9、10、5