基于单片机的太阳能热水器智能控制器的设计

南京信息工程大学滨江学院课程设计(论文)基于单片机的太阳能热水器智能控制器的设计姓名：季琪源黄盼盼黄兆宇纪宣李琴指导教师：李鹏所在班级：09电信〈3〉所在系部：信息工程二○一二年三月课程设计开题报告组长季琪源班级09电信3分数成员季琪源黄盼盼黄兆宇纪宣李琴设计题目基于单片机的太阳能热水器智能控制器的设计一、本设计的目的和意义本设计具有很强的实用性,用成本低廉的电阻式传感器以及电极配以单片机技术对生产实际中的太阳能热水器的水温的控制以及水位的显示。本装置电路简单、实用性强、性价比高、水温控制灵活，水位显示直观醒目。可广泛应用于家庭生活对太阳能热水器的水位显示与水温控制。具有良好的市场前景。具体安排进度：2012年3月1日—3月15日，方案论证；2012年3月15日—3月30日，系统总体结构设计；2010年4月1日—4月15日，系统控制原理设计。摘要目前,太阳能热水器控制器还一直处于研究与开发阶段,市面在售的控制器绝大部分只具备温度和水位显示功能,不具备温度水位的自动控制功能。虽然有的控制器配有电加热辅助装置,但都不是全智能型的,给用户使用带来许多不便。关键词：单片机、太阳能热水器、温控系统AbstractAtpresent,thesolar-poweredwaterheatercontrolleralsocontinuouslyisintheresearchandthephaseofexploitation,themarketconditionthecontrollermajorpartwhichsellsisonlyhavingthetemperatureandthewaterleveldemonstrationfunction,doesnothavethetemperaturewaterlevelautomaticcontrolfunction.Althoughsomecontrollershavetheelectricheatingauxiliaryunit,butisallnottheentireintelligence,theusebringsinconvenientlymanyfortheuser.Keyword:Themonolithicintegratedcircuit,thesolar-poweredwaterheater,warmcontrolthesystem一、序言1.1太阳能热水器的原理太阳能热水器把太阳光能转化为热能，将水从低温度加热到高温度，以满足人们在生活、生产中的热水使用。太阳能热水器按结构形式分为真空管式太阳能热水器和平板式太阳能热水器，目前真空管式太阳能热水器为主，占据国内95%的市场份额。真空管式家用太阳能热水器是由集热管、储水箱及支架等相关附件组成，把太阳能转换成热能主要依靠集热管。集热管利用热水上浮冷水下沉的原理，使水产生微循环而达到所需热水。1.2太阳能热水器的应用及意义众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭，没有污染的巨大能源随着世界上的煤、油、气的储量日益减少，能源危机日益增长，环境污染的危机已威胁着生态平衡，太阳能开发利用的课题已提到人类的面前。有人预测：二十一世纪太阳能将由辅助能源上升到主要能源。但由于太阳能的分散性、季节性和地区性又给太阳能利用带来重重困难，有些技术难点尚未突破，产品造价偏高（如光电池）。因而尚未被人们大规模的使用。在太阳能热利用技术中，太阳能热水器是技术上比较成熟、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。鉴于太阳能的诸多优点，目前市面上出售的太阳能产品中，太阳能热水器就占有了相当大的比例，它的生产简单并且节能，也基于此，国内许多大大小小的企业公司都在生产、出售各类太阳能热水器，竞争的确相当厉害。在实际生活中，由于太阳能的分散性、季节性和地区性以及阴雨天气给太阳能热水器带来了诸多影响，大大降低了实用性。为了克服这些缺点，我们设计了一个不仅实现了时间、温度和水位三种参数实时显示和FUZZY控制功能，而且具有温度设定与控制的功能。温度控制采用模糊控制，控制器可以根据水温的高低利用辅助加热装置使蓄水箱内的温度保持在所设定的温度内，从而达到24小时供应热水的目的。二、方案设计及论证在前面我们介绍了太阳能热水器的原理，除了太阳能热水器是以太阳光的辐射进行加热，当太阳光不强烈或者阴雨天时，太阳能热水器就处于“瘫痪”的状态中，我们的设计灵感也就来源于此。通过一个加热装置就可以使太阳能热水器在阴雨天正常工作，我们就选择了利用电热水器的原理来控制水箱中的温度，这样我们就可以全天候使用太阳能热水器了。2.1控制系统设计要求1、能够根据水位控制是否需要进水，每次进满整个水箱，也可以在手动状态下自由进水（上满时自由停止）或停止进水。2、控制系统具有手动和自动切换功能；3、具有水温和水位显示功能；4、具有进水超水位和超水温报警指示；5、用水时若内水箱水温达不到设置值时，能自动进行加热；6、用水时可自由调节水温；7、保证内水箱水位不低于设置值，温度达到设置值。8、有电路保护功能三、系统总体结构设计3.1系统结构太阳能热水器辅助控制系统结构图如图1所示，在内保温储水箱内增加一个与热水器类似的电热元件并固定在绝缘底座上，引出交流电源入户，由辅助控制系统的继电器控制通断电。水位、水温探测器从水箱顶部安装在水箱中，通过电缆线接入用户室内控制器。3.2工作过程该太阳能热水器通过2个水箱：一个内保温水箱，一个外储水箱，实现了最大程度上使用太阳能。通过控制系统，当内储水箱水位没达到预定值时开启延时开关，通过计算水的流速与进水的多少，计算出延时开关的延时时间，到设定的时间后自动关闭。当外储水箱水温高于内储水箱温度时（可设定5度的温差），开启延时开关并且启动水泵，通过内水箱的容积，计算出水泵的运行时间。当内储水箱的温度低于所设定的温度时，启动电加热。图1系统结构图四、控制系统组成太阳能热水器控制系统的组成如图2所示，整个系统以AT98C51单片机为核心，对水温、水位等参数进行智能检测和显示，经键盘操作和单片机内部运算比较，控制相应得执行机构进行通、断电，进行防漏电、防干烧保护，并进行相应得声光报警。通过光耦电路，使外部电路与内部电路隔离，实现了最大程度上的保护。.图24.1水箱温度检测图3此次课程设计选用的传感器型号是DS18B20温度传感器。它具有3个引脚TO-92小体积封装形式，CPU只需一跟端口就能与DS18B20通信控制读取温度该传感器工作电压：3V，测温范围：-55℃~+125℃，精确度：±0.5℃4.2压力传感器压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示：式中：ρ——金属导体的电阻率（Ω。cm2/m）S——导体的截面积（cm2）L——导体的长度（m）当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，从上式中可很容易看出，其电阻值即会发生改变，假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化（通常是测量电阻两端的电压），即可获得应变金属丝的应变情况。下图为全桥差动电路测量原理：R1=﹣R2=﹣R3=R4=R，如图b所示4.3控制软件设计主程序流程图如图4所示。子程序如图5所示。主程序首先完成串行口、定时器、中断源的初始化，设置初始运行参数、开中断，然后循环读取键盘状态、检测系统是否漏电。一旦检测到系统漏电，进行声音和显示报警，将所有执行机构断电；若系统不漏电则根据存储的键盘状态和检测的水温、水位等状态信号进行相应得处理等待中断服务程序的执行。图4图5五、关键技术1、通过2个连接水箱的水管，实现了内水箱与外水箱的循环，使太阳能得到最大的利用。而通过设定加热丝的工作范围，最大程度上节约了电能。2、利用AT89C51单片机实现了该系统的自动控制，可以根据用户的不同需求设定不同的值，也实现了2个水箱温度的比较是否需要开启延时开关或者水泵。