1、高等教育自學考試本科畢業論文 題 目太陽能熱水器自動系統設計考生姓名： 李洪城 準考證號： 專業層次： 本 科 院 （系）： 指導教師： 梁雪峰 職 稱： 講 師 重慶科技學院二OO九年十二月二十日高等教育自學考試本科畢業論文 中 文 題 名太陽能熱水器自動系統設計考生姓名： 李洪城 準考證號： 專業層次： 本 科 指導教師： 梁雪峰 院 （系）：機械與動力工程學院 重慶科技學院二OO九年十二月二十日摘 要目前，中國已成為世界上最大的太陽能熱水器生產國，年產量約為世界各國之和。但是與之相配套的太陽能熱水器控制系統卻一直處在研究與開發階段。市面上絕大多數的控制器結構簡單，功能單一，智能化程度低下

2、，用戶界面不人性化，只具有溫度和液位顯示功能，不具有溫度控制功能。即使熱水器具有輔助加熱功能，也可能由于加熱時間不能控制而產生過燒，從而浪費電能。其次，大多數的太陽能熱水器沒有停電記憶功能，當停電時，測量儀無法保留用戶預置的所有參數及時間，用戶原定義的參數信息就會被還原成出廠設置，要恢復原有的設置就得重新設置參數，給用戶帶來了很多麻煩。本設計詳細介紹了基于單片機的太陽能熱水器自動控制系統組成、硬件設計和軟件設計。本文研究合適的控制方案對電熱水暖溫度進行控制，技術要求是調節時間短，超調量為零且穩態誤差在±1內。指出了單片機設計的關鍵主要是能滿足基本控制功能和容量,并考慮維護的方便性、系

3、統可擴展性等.本設計具有很強的實用性,用成本低廉的電阻式傳感器以及電極配以單片機技術對生產實際中的太陽能熱水器的水溫的控制以及水位的顯示。關鍵詞：單片機；太陽能熱水器；智能控制；溫差跟蹤循環；Solar Water Heater Auto-System DesignABSTRACTAt present, China has become the world's largest producer of solar water heater, annual production is about the world combined. However, a matching control

4、 system for solar water heater has been in research and development stage. The vast majority of controllers on the market structure is simple, single function, intelligence level is low, the user interface is not humane, only has the temperature and liquid level display function does not have temper

5、ature control functions. Even if the water heater with auxiliary heating function, it may be due to the heating time control and produced a burning, thus wasting energy. Second, most of the solar water heater is not power failure memory function, when the power failure, the measuring instrument can

6、not keep the user presets all of the parameters and time, A user-defined parameters of the original information will be restored to factory settings, to restore the original settings would have to re-set the parameters, giving users a lot of trouble.Details of the design of microcontroller based aut

7、omatic control system for solar water heater composed of hardware design and software design. In this paper, a suitable control program for electric heating temperature control, the technical requirements of the regulation time, overshoot and zero steady-state error within the ± 1 . Pointed out

8、 that the key to the single-chip design is to meet the basic control functions and capacity, taking into account the convenience of maintenance, system scalability and so on. The design is highly practical, with low-cost sensors, as well as the resistance of the electrode with single-chip technology

9、 to the actual production of solar water heater temperature control and display the water level.Keywords: microcontroller; solar water heaters; intelligent control; temperature tracking loop; energy automatically converted目 錄摘 要I英文摘要II1 緒 言11.1 研究太陽能熱水器的背景11.2 國內太陽能熱水器發展現狀12 太陽能熱水器智能控制系統的硬件組成22.1 Ds

10、l2887與單片機的接口電路22.2 溫度采集電路設計22.3 水位檢測電路設計32.4 報警電路設計32.5 加熱控制電路設計42.6 水位控制電路設計42.7 鍵盤、顯示電路設計53 自動控制系統軟件的設計63.1 I/O口的說明63.3 水溫顯示子程序73.4 中斷服務程序93.5 T0中斷服務程序93.6 水位設置及缺水上水至預置水位的程序113.7 上水及低水壓上水子程序113.8 手動上水程序14結 論18謝 辭19參考文獻20論文原創性聲明211 緒 言1.1 研究太陽能熱水器的背景在全球能源形勢緊張、氣候變暖嚴重威脅經濟發展和人們生活健康的今天，世界各國都在尋求新的能源替代戰略

11、，以求得可持續發展和在日后的發展中獲取優勢地位。太陽能以其清潔、源源不斷、安全等顯著優勢，成為關注重點。在太陽能產業的發展中，太陽能熱水器的熱利用轉換技術無疑是最為成熟的，其產業化進程也較光伏電池、太陽能發電等產業領先一步。但是目前市場還有待規范，消費群體還有待培育，技術還有尚須改進，因而對于企業來說還有較大的成長空間。1.2 國內太陽能熱水器發展現狀在我國未來的能源消費格局中，決定不同形式能源的應用及發展前景的決定因素有兩點，一是能源使用過程中的內外部成本，二是后繼儲量以及是否可再生。國家中長期科學和技術發展規劃綱要指出2020年可再生能源在我國能源消費中的比重將達到16%。太陽能是最豐富的

12、可再生能源形式，是所有化石能源及多種可再生能源的源頭。我國必將步入更為多元化、清潔、高效的能源消費新時代。據測算，使用1平方米太陽能熱水器，相當于每年節約120公斤煤。因此，許多專家建議，我國應當大力倡導發展太陽能這樣的可再生能源。 2008年國家出臺了太陽能熱水器鼓勵支持發展的政策，全國40多個省、市建委出臺了對12層以下房屋強制安裝太陽能熱水器的政策配套文件，極大地釋放了城市市場。2009年上半年又出臺了太陽能熱水器下鄉補貼政策，再次加速釋放農村市場，國內迎來了太陽能熱水器消費的井噴時代，全國每年有幾百億元的市場銷售額。現有品牌企業中10個億以上銷售規模的已有十幾個，5000萬元以上銷售規

13、模企業超過50家，每年平均以50%左右的速度在發展，國內外巨大潛在的市場培育壯大了一大批規模品牌企業。2 太陽能熱水器智能控制系統的硬件組成本文設計的控制系統采用以太陽能加熱為主，以電加熱為輔，引入單片機，實現系統的全智能化控制。選用at89c51單片機作為太陽能熱水器智能控制系統的控制核心。硬件系統主要組成包括：at89c51單片機基本電路、時鐘芯片ds12887，數據采集、水位選擇、溫度顯示、水位指示、加水電磁閥控制、報警電路、鍵盤電路等組成。硬件系統組成框圖如圖 太陽能熱水器控制系統硬件組成框圖2.1 Dsl2887與單片機的接口電路為實現熱水器24小時供應熱水的目的，控制器必須有一個實

14、時時鐘來為系統提供準確的基準時間；在軟件設計上則要求實時地讀出當前時間，同設定時間比較，以決定系統工作狀態。本系統采用串行實時時鐘芯片ds12887進行計時，dsl2887內有鋰電池，并有114字節的ram，可以在控制器斷電時進行準確計時，并保存ram中的數據。它與8031單片機的接口電路如圖所示。 At89c51與dsl2887的連接2.2 溫度采集電路設計本設計中溫度數據的采集選用水溫傳感器熱敏電阻來實現。數據采集是通過熱敏電阻采集水溫送入a/d轉換器tlc549的串口analogin，通過tlc549模/數轉換器，把模擬信號轉變為數字信號，由p1.7口送入單片機中。其水溫檢測電路如圖3所

15、示。本設計中的水溫檢測電路采用廉價的熱敏電阻作為水溫傳感器，在測量電路中r20用來調整工作電流，r22用于熱敏電阻非線性補償。熱敏電阻rt具有負溫度系數，通過調整阻值，使溫度測量范圍在1060時，經運算放大后的rt兩端電壓為4.6v-5v。水溫檢測電路2.3 水位檢測電路設計考慮系統成本，設計中采用分段式液位檢測方法。水箱內安裝了4個傳感器探針，以感知水位變化情況，水位檢測電路如圖4所示。微控制器根據水位檢測電路檢測的結果，自動加水至水位設定的檔位。當水位低于10%時，自動報警并停止電加熱，以防空燒空曬；當水位高于90%時,自動停止加水。水位指示是用四個發光二極管作為四檔水位指示(10%、40

16、%、70%、90%)。水位檢測與指示接口電路 2.4 報警電路設計當水滿、水位較低時，對太陽能熱水器使用都是不利的，通過外圍硬件電路和軟件設計可實現報警23。本設計采用的是單頻聲光報警電路。蜂鳴器采用壓電式蜂鳴器。這種蜂鳴器只需在兩引線加310v直流電壓就能產生較高頻率的蜂鳴聲響。非常適用于單片機控制系統，報警器接口電路如圖5所示。當p2.1輸出高電平“1”時，晶體管導通，發光二極管點亮，并為蜂鳴器提供足夠大的工作電流，蜂鳴器得電而鳴叫；當p2.1輸出低電平“0”時，晶體管截止，二極管熄滅，蜂鳴器停止鳴響。對報警器的控制是通過三極管驅動直流蜂鳴器來實現的，通過控制p2.1輸出高、低電平時間來控

17、制蜂鳴器的接通和斷開時間，從而發出不同長短的斷續報警器。報警電路2.5 加熱控制電路設計加熱器接220v交流電源，由雙向晶閘管控制其電源的接入與斷開電加熱絲來實現的。為了提高系統的抗干擾能力，使強電與弱電有效地分離，在設計中采用了光電隔離措施以保證電路可靠的工作。加熱器控制電路如圖6所示。當單片機p2.2輸出低電平“0”時，發光二極管發光，經光電隔離，給加熱絲接通電源，電熱絲加熱；反之，當p2.2輸出高電平“1”時，發光二極管不發光，晶閘管不導通，加熱絲未接通電源，停止加熱<SUP加熱控制電路2.6 水位控制電路設計自動進水是由電磁閥的開通與斷開來控制實現的。在電路設計中，為了實現強電與

18、弱電的隔離，采用了繼電器控制技術，由單片機的p2.0來控制電磁閥的工作。由p2.0經74ls04反向后控制直流繼電器線圈。當p2.0輸出“1”，經74ls04反向后為低，使繼電器線圈得電其常開觸點閉和，從而接通電磁閥工作，控制進水。當p2.0輸出“0”，經74ls04反向后為高，使繼電器線圈失電，其常開觸點斷開，從而斷開電磁閥，停止進水。2.7 鍵盤、顯示電路設計在本設計中采用led顯示器顯示實際水溫,顯示電路用四個數碼管顯示溫度,采用靜態顯示方式,當顯示器顯示某一字符時，相應段的發光二極管恒定地導通或截止，并且顯示器的各位可同時顯示。四個數碼管為共陽極連接，顯示器可顯示溫度設定值、實際溫度測

19、量值。通過串入/并出移位寄存器74ls164做led顯示器的接口，移位寄存器74ls164的使用主要是為整個系統設計節省i/o口。至于鍵盤，由于控制系統中的按鍵較少，可利用i/o直接驅動按鍵的形式實現。3 自動控制系統軟件的設計3.1 I/O口的說明0.00.6分別用于輸出7個字型碼給顯示器，同時，P0.0也作為缺水燈指示控制口，P0.1作為20%水位燈指示的控制口，P0.4作為50%水位燈指示的控制口，P0.5作為80%水位燈指示的控制口，P0.6作為100%水位燈指示的控制口。P0.3口還作為水位設置的輸入口，在軟件中可查看該口的電平高低，以確認水位設置鍵是否被按下。同理，P0.2口作為上

20、水鍵的輸入口，在軟件中可查看該口的電平高低，以確認水位設置鍵是否被按下。P1.0作為顯示器顯示溫度值十位的位選，當P1.0=0時，顯示器才能顯示個位，否則 不顯示。P1.7作為水位燈顯示的位選，P1.7為高電平時，不顯示水位燈，P1.7為低電平時，水位燈才能顯示。P1.3口用于控制低水壓上水指示燈，當系統正處于低水壓上水時，低水壓上水指示燈閃亮，即P1.3先處于高電平1s，再處于低1s，重復一段時間。P1.6口用于控制蜂鳴器，當系統處于缺水狀態或低水壓上水時，蜂鳴器都會鳴叫，即讓P1.6處于高電平1 s，低電平1s，重復一定時間，以實現蜂鳴。P1.4口控制電磁閥，當系統需要上水或不上水時，即需

21、通過軟件使P1.4處于高低電平，將P1.4置1時，打開電磁閥上水，將P1.4清0時，關電磁閥。P2.1及P2.0口用于外接晶振，為單片機提供工作所需的脈沖。P1.2口是定時/計數器T0的接口，用于對溫度傳感器，通過環形振蕩器產生的方波進行計數，以求通過軟件來計算出所測溫度值。P0.7口用于定時/計數器T1的接口，水位傳感器通過環形振蕩器后，產生的方波的頻率（或周期），即可由T1的計數，與T0的定時來求得。3.2 系統存儲器功能本設計中將溫度傳感器所測出的溫度值的個位放入內部RAM 30H中，將十位放入內部RAM 31H中，將計數器T1讀取的計數值放入50H中，在測水位時，將T0計數器讀取的計數

22、值存入60H中，經軟件計算后，所得的用于衡量水位高度的頻率值放入20H中。查表程序中的數據表格，十六進制數字形代碼表如下：TABLE+00H TABLE+01HTABLE+02H.TABLE+0FH3FH012.F06H5BH.71H3.3 水溫顯示子程序 ORG 0050HLOOP1：MOV R0，#30HMOV DPTR，#TABLECLR P1.1SETB P1.7SETB P1.0ACALL LOOP2 ；先顯示個位ACALL DEL1SETB P1.1CLR P1.0INC R0ACALL LOOP2 ；再顯示十位RETORG 0070HLOOP2： MOV A，R0 ；查表子程序M

23、OVC A，A+DPTRTABLE： DB 3FH，06H，5BH，4FH，66HDB 6DH，7DH，07H，7FH，6FHDB 77H，7CH，39H，5EH，79HDB 71H，00HMOV P0，ARETORG 0090HDEL1： MOV R6，#0F9H ；1ms延時子程序LOOP3： DJNZ R6，LOOP3RETFH： MOV A，31HRL AADD A，30HCJNE A，#60H，PD0SJMP MAINZP0： MOV A，20HCJNE A，#d SH0 ；水位小于100%則上水至500CSJMP MAINSH0： MOV R3，#09HZL2： MOV R7，#O

24、FFHZL1： MOV R6，#OFFHZL0： SETB P1.4ACALL DEL1 ；1msACALL LOOP1 ；1ms調水溫顯示ACALL DEL1 ；1msSETB P1.0SETB P1.1CLR P1.7ACALL TD0 ；調水位顯示MOV A，31HRL AADD A，30HCJNE A，#50H，JXX ；30分鐘內有沒上水到500C，若沒轉移CLR P1.4SJMP MAINJXX： DJNZ R6，ZL0DJNZ R7，ZL1DJNZ R3，ZL2CJNE A，#50HCLR P1.4SJMP MAINZZH： ACALL DSH ；調低水壓上水SJMP SH03.

25、4 中斷服務程序ORG 0100HINT1： 0PUSH ACCMOV A，TH0CJNE A，61H，ZHYD2MOV A，TL0 ；讀低八位CJNE A，50H ；比較低八位SJMP ZHYD3 ；T0值沒有變化轉移ZHYD程序ZHYD2：MOV A，TH0 ；存放高八位MOV 61H，AMOV A，TL0MOV 60H，A ；存放低八位MOV 20H，#H ； 把所測水位值放入20H中ZHYD3：MOV TMOD，#51H ；設置T0定時，T1計數并采用方式2MOV TH0，#00HMOV TL0，#00HMOV TH1，#00HMOV TL1，#00HSETB TR0 ；啟動T0SET

26、B TR1 ；啟動T1POP ACCRET3.5 T0中斷服務程序 ORG 0200HINT0： CLR TR1MOV SP，PUSH ACCMOV A，TH1 ；讀高八位CJNE A，51H，ZHYD0 ；高八位不等，則兩數不等轉移MOV A， TL1 ；讀低八位CJNE A，50H ；比較低八位SJMP ZHDY1 ；相等則轉移ZHYD0：MOV A，TH1 ；放入高八位MOV 51H，AMOV A，TL0 ；放入低八位MOV 50H，ALOOP： MOV B，#XXHMUL ABMOV A，#YYHCLR CSUBB A，BCJNE A，#6AH ；看下所測溫度有沒超1000CLOOP1

27、：JNC LOOP2 ；低于1000C順序執行，高于1000C轉移MOV R0，#00HCLR CCHAN2：SUBB A，#0AH ；減10JC CHAN3 ；不夠減轉移INC R0 ；夠減，十位數加1SJMP CHAN2 ；重復減10CHIN3： ADD A，#0AHMOV 31H，R0 ；BCD碼十位送顯緩MOV 30H，A ；BCD碼個位送顯緩ZHYD1：MOV TMOD，#15H ；設置T1定時，T0計數并采用方式1MOV TH0，#00H ；送初值MOV TL0，#00HMOV TH1，#00HMOV TL1，#00HSETB TR0 ；開啟T0計數SETB TR1 ；開啟T1定時

28、SJMP LOOP3LOOP2：MOV 30H，0FHMOV 31H，0FHACALL LOOP1 ；顯示溫度LOOP3：POP ACCRETI3.6 水位設置及缺水上水至預置水位的程序ORG 0300HSHSH： MOV R1，#00HMOV AUXR1，#00H ；先將置位端KBF清 0MOV KBI，#0CH ；允許.P0.3，P0.2口中斷SETB EKB ；使能觸發MOV A，P0ORL A，#0CH ；將P0.2，P0.3位先置高，其它位不變MOV P0，AMOV A，P0JNB ACC.3，KEY ；P0.3為0，即鍵被按下ACALL SH50 ；未被按下，預置水位為50%SJM

29、P FHZKEY3： INC R1MOV AUXR1，#00HCJNE R1，#05H，BJ1MOV R1，#01HACALL SH80SJMP FHZBJ1： CJNE R1，#01H，BJ2ACALL SH80SJMP FHZBJ3： CJNE R1，#03H，ZHD ACALL SH20SJMP FHZZHD： ACALL SH50FHZ： RETI3.7 上水及低水壓上水子程序 ORG 0400HSH50: MOV R4，#09HJX3： MOV R3，#6AHJX2： MOV R7，#04HJX1： MOV R6，#0FAHJX0： SETB P1.0SETB P1.1SETB P1

30、.7SETB P0.4SETB P1.4 ；開電磁閥ACALL DEL1 ；1msMOV A，20HCJNE A，#b，JXSETB P1.3CLR P1.4 ；上水完畢關電磁閥SJMP FHDJX： DJNZ R6，JX0DJNZ R7，JX1DJNZ R3，JX2DJNZ R4，JX3MOV A，20HCJNE A，#b，CY ；采用低水壓上水SETB P1.3CLR P1.4SJMP FHDCY： ACALL DSHSJMP SH50FHD： RETORG 0500HSH80： MOV R4，#09HJX3： MOV R3，#6AHJX2： MOV R7，#04HJX1： MOV R6，

31、#0FAHJX0： SETB P1.0SETB P1.1CLR P1.7SETB P0.5SETB P1.4 ；開電磁閥ACALL DEL1 ；1msMOV A，20HCJNE A，#c，JXSETB P1.3CLR P1.4 ；上水完畢關電磁閥SJMP FHD1JX： DJNZ R6，JX0DJNZ R7，JX1DJNZ R3，JX2DJNZ R4，JX3MOV A，20HCJNE A，#a，CY ；采用低水壓上水CY： ACALL SDHSJMP SH80FHD： RETORG 0600HSH20： MOV R4，#09HJX3： MOV R3，#6AHJX2： MOV R7，#04HJX

32、1： MOV R6，#0FAHJX0： SETB P1.0 ；位選置1，不顯示十位SETB P1.1 ；不顯示個位CLR P1.7 ；顯示水位燈SETB P0.1 ；20%水位燈亮SETB P1.4 ；開電磁閥ACALL DEL1ACALL LOOP1MOV A，20HCJNE A，#a，JXSETB P1.3CLR P1.4SJMP FHDJX： DJNZ R6，JX0DJNZ R7，JX1DJNZ R3，JX2DJNZ R4，JX3MOV A，20HCJNE A，#a ，CYDSETB P1.3CLR P1.4SJMP FHDCYD： ACALL DSHSJMP SH20FHD； RETO

33、RG 0700HSH100： MOV R4，#09HJX3： MOV R3，#6AHJX2： MOV R7，#04HJX1： MOV R6，#0FAHJX0： SETB P1.0 ；位選置1，不顯示十位SETB P1.1 ；不顯示個位CLR P1.7 ；顯示水位燈SETB P0.1 ；20%水位燈亮SETB P1.4 ；開電磁閥ACALL DEL1ACALL LOOP1MOV A，20HCJNE A，#a, CYDSETB P1.3CLR P1.4SJMP FHDCYD： ACALL DSHSJMP SH20FHD： RET3.8 手動上水程序 ORG 0900HPUSH ACC ；保護現場M

34、OV R2，#00HMOV AUXR1，#00H MOV KBI，#0CH ；允許P0.2，P0.3引發鍵盤中斷 SETB EKB ；使能觸發MOV A，P0ORL A，#0CHMOV P0，AMOV A，P0JNB ACC、2，KEY2 ；判斷鍵盤有沒被按下SJMP HDKEY2： INC R2MOV AUXR1，#00HCJNE R2，#03H，ZHD1MOV R2，#01HSJMP SY0ZHD1： CJNE R2，#01H，ZHD2DY0： CJNE R1，#00H，ZHD3MOV A，20HCJNE A，#b，ZHD6ACALL SH80SJMP HDZHD6： JNC ZHD7AC

35、ALL SH50SJMP HDZHD7： CJNE A，#c，ZHD8ACALL SH100SJMP HDZHD8： JNC ZHD9ACALL SH80SJMP LOOP1ZHD9： CJNE A，#d，ZHD10CLR P1.4SJMP HDZHD10： ACALL SH100SJMP HDZHD3: CJNE R1,#01H,ZHD4CJNE A，#CH，ZHD11ACALL SH100SJMP HDZHD11： JNC ZHD12ACALL SH80SJMP HDZHD12： CJNE A，#d，ZHD13CLR P1.4SJMP HDZHD13： ACALL SH100SJMP HD

36、ZHD4： CJNE R1，#02H，ZHD5CJNE A，#d，ZHD14CLR P1.4SJMP HDZHD14： ACALL SH100SJMP HDZHD5： CJNE R1，#03H，ZHD15CJNE A， #a， ZHD16ACALL SH50SJMP HDZHD16： JNC ZHD17ACALL SH20SJMP HDZHD17： CJNE A，#b，ZHD18ACALL SH80SJMP HDZHD18： JNC ZH19ACALL SH50SJMP HDZHD20： CJNE A，#c，ZHD21ACALL SH100SJMP HDZHD21： JNC ZHD22ACAL

37、L SH80SJMP HDZHD22： CJNE A，#d，ZHD23CLR P1.4SJMP HDZHD23： JNC ZHD24ACALL SH100SJMP HDZHD2： CLR P1.4 ；當在上水過程中按下手動上水鍵時，即關電磁閥POP ACC ；現場恢復END結 論該控制器和以往顯示儀相比具有性能價格比高、溫度控制與顯示精度高、實用方便和性能穩定等有點。單片機控制系統具有低價、智能的優勢，能夠根據需要的不同而相應的調整，更加具有個性化。同時，使用單片機控制系統能夠節約能源，保護設備，延長設備的使用時間。該熱水器具備以下特點：1.結構簡單、運行可靠、操作維護簡便。2.熱源取之不盡用之不竭，不需要運輸，節省燃料。3.無污染，不會對周圍環境造成任何影響。4