基于单片机的太阳能热水器控制系统的设计毕业论文开题报告.doc

1、毕业设计（论文）开题报告题目 基于单片机的太阳能热水器控制系统的设计 一、 选题的依据及意义：1、依据 太阳能资源丰富, 既可免费使用, 又无需运输, 对环境无任何污染. 由此可见使用家用太阳能热水器解决中低温用水无论是经济设益, 还是节能减排效应, 都是非常明显的. 对促进可再生能源的开发利用, 增加能源供应, 改善能源结构, 保护环境, 实现经济社会的可持续发展起到积极的作用, 是一项惠及子孙后代、利国利民的绿色工程.随着全球人口和经济规模的不断增长，能源使用带来的环境问题及其诱因逐渐为人们所认识，“低碳经济”这一概念开始进入人们的视野。人们在大力的发展太阳能产业。 能源问题将更为突出：从

2、长远来看，全球已探明的石油储量只能用到2020 年，天然气也只能延续到2040 年左右，即使储量丰富的煤炭资源也只能维持二三百年。环境污染温室效应引起全球气候变化。因此，人类在解决上述能源问题，实现可持续发展，只能依靠科技进步，大规模地开发利用可再生洁净能源。 太阳能具有：储量的“无限性”太阳每秒钟放射的能量大约是1.610 的23 次方kW，一年内到达地球表面的太阳能总量折合标准煤共约1.89210 的13 次方千亿t。太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就地取用。发利用时几乎不产生任何污染。鉴于此，太阳能必将在世界能源结构转换中担纲重任，成为理想的替代能源。 然而，目前市场上太

3、阳能热水器的控制系统大多存在功能单一、操作复杂、控制不方便等问题，很多控制器具有温度和水位显示功能，却不具有温度控制功能，致使热水器阴天的时候不能方便使用。即使热水器具有辅助加热功能，也可能由于加热时间不能控制而产生过烧，从而浪费电能。2、意义 能源问题与安全问题是现代社会各界普遍关注的焦点之一。目前市场上存在三种样式的热水器：电热水器、燃气热水器和太阳能热水器。近年来，电热水器的大规模用电，并不能给人们的正常生活带来便利，作为后来者的太阳能热水器，因其安全性好、节能、绿色环保等优点，近几年呈现出爆发式的发展趋势。选择太阳能热水器这个课题，不仅可以让我运用大学四年所学的专业知识来学习、了解太阳

4、能热水器控制系统的设计，起到巩固理论知识，增强动手能力和创新意识的作用。更是理论结合实际的良好见证。此外，太阳能热水器已经走进千家万户,控制系统是太阳能的核心,可以尽可能做到节能环保,作这样一个设计,同时产品具有很大的市场前景。二、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述）：目前,在世界范围内同，太阳能热水器控制已经进入智能化阶段, 市面上在售的控制器绝大部分具备温度、水位显示功能和自动控制功能. 有的控制器配备有辅助电加热装置, 自动实现了比较理想的人机交互界面.，并已形成行业，正在以优良的性能不断地冲击电热水器市场和燃气热水器市场。2000 年太阳能热水器取代47000 套家用电热水器；200

5、0 年日本太阳能热水器的拥有量将翻一番；以色列更是明文规定，所有新建房屋必须配备太阳能热水器。目前，我国是世界上太阳能热水器生产量和销售量最大的国家。太阳能热水器技术正在向更加方便、更加绿色、更加节能方向发展，为此，更加先进的硬件和更合理的软件被开发出来。现在有太阳能热水器的水位分8 级，分辨率高，完全能满足用户的需求。且还具有良好的用户界面，可以定时，随心所欲调节水温、水位。当阳光不足时，系统可以启动电加热装置，对水进行加热到设定温度，从而达到全天24 小时供应热水，实现智能化。三、研究内容及实验方案：1、（1）设计工具太阳能热水器控制系统的设计方式很多。本设计采用MSC-51 系列单片机A

6、T89S52 作为中央处理器，采用12864 液晶显示模块，热电偶温度采集模块，4x4 行列式键盘，水位采集模块，1302时钟模块，电加热模块，以及电热温度参数设置模块。 2、设计方案 本设计以MSC-51系列单片机AT89C51作为中央处理器，采用由4 x4行列键盘输入加热时间、水温设置等要求，利用温度采集模块和水位采集模块进行对热水器中的水位和水温的信息采集，这些信息经由数据处理模块处理后，一旦水温达不到预设的水温要求，便会启用电加热模块，对水进行加热，并将水温显示在显示模块上，而当水温达到设置要求时，便会触发报警模块，并同时停止加热。而如果在这个过程中水位没有达到预设时的要求，加热器也会

7、进行注水，直至预设时的水位后停止注水。1、 硬件设计 太阳能热水器控制系统的主体部分为单片机AT89C51芯片，其外围电路由键盘输入模块、显示模块、热电偶温度采集模块、温度和水位采集模块、光敏电阻测量光照强度模块、电加热模块、以及电热温度参数设置模块构成。单片机部分主要用于控制和处理各功能模块的工作，实现时间设定、水位和温度显示、加热等功能。硬件框图如图1 所示。（1）主控芯片模块电路单片机系统由AT89C51和一定功能的外围电路组成，包括为单片机提供复位电压的复位电路，提供系统频率的晶振。这部分电路主要负责程序的存储和运行。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低

8、、谐振器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。晶体可在1.2MHz12MHz之间任选，电容C1和C2的典型值在20pF100pF之间选择，但在60pF70pF时振荡器具有较高的频率稳定性。典型值通常选择为30pF左右，但本电路采用30pF。AT89C51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。本设计中所用到的是上电按钮复位。（2）光敏电阻测量光照强度模块本设计选用光敏来对光照强度进行测量，获取光能。光敏电阻获取的是模拟信号，需通过ADC0809CCN将模拟信号转化为数字信号。光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，

9、入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。光敏电阻器的阻值随入射光线（可见光）的强弱变化而变化，在黑暗条件下，它的阻值（暗阻）可达110M欧,在强光条件（100LX）下，它阻值（亮阻）仅有几百至数千欧姆。光敏电阻器对光的敏感性（即光谱特性）与人眼对可见光（0.40.76）m的响应很接近，只要人眼可感受的光，都会引起它的阻值变化。在本设计中使用光敏电阻的好处在于，可选取用白炽灯泡（小电珠）光线或自然光线作控制光源，使设计大为简化。（3）温度传感器模块DS18B20是智能温度传感器，它的输入/输出采用数字量，以单总线技术，接

10、收主机发送的命令，根据DS18B20内部的协议进行相应的处理，将转换的温度以串口发送给主机。主机按照通信协议用一个IO口模拟DS18B20的时序，发送命令（初始化命令、ROM命令、功能命令）给DS18B20，并读取温度值，在内部进行相应的数值处理，用图形液晶模块显示各点的温度。在系统启动之时，可以通过44键盘设置各点温度的上限值，当某点温度超过设置值时，报警器开始报警，从而实现了对各点温度的实时监控。每个DS18B20有自己的序列号，因此本系统可以在一根总线上挂接了4个DS18B20，通过CRC校验，对各个DS18B20的ROM进行寻址，地址符合的DS18B20才作出响应，接收主机的命令，向主

11、机发送转换的温度。采用这种DS18B20寻址技术，使系统硬件电路更加简单。 （4）液晶显示模块液晶显示模块以其微功耗、体积小、显示内容丰富、模块化、接口电路简单等诸多优点得到广泛应用。液晶显示模块分字符型和点阵型两种，前者只能显示常用的字符，点阵型液晶显示模块除显示字符外还能显示各种图形和汉字。12864是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集。该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面，可以显示8

12、4行1616点阵的汉字，可完成图形显示。电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。（5）键盘输入模块键盘和显示电路是人机交互的重要手段。控制键是用户干预系统运行的唯一接口，也是用户比较关心的问题。为了实现控制器对时间与温度的设定及显示功能，本设计采用芯片8279配合SN74LS138N和SN74LS240P驱动4位数码管和LED管实现时间与温度的设定与静态显示。数码管的段选码由B口和C口输出，经74LS240驱动后送给共阴极LED。数码管的位扫描信号经74LS1

13、38译码驱动后提供给LED的公共极。RL0RL7提供了键盘列扫描接口，SL0SL2盘的行扫描接口。（6）智能加水设计中南地区天气多变, 日照量不充足, 尤其是春冬两季, 每天天气更是变化无常. 目前太阳能热水器加水是由用户预先估计天气情况设定加水量, 用户对一天的天气情况无法准确估计, 一旦加水太多, 天气变冷,水温不够热则不能使用( 温度要在45 摄氏度以上才方便洗澡、洗碗等) , 用辅助电加热又达不到节能目的.加水量太少, 天气变好时又不能充分利用光照生产更多的可用的热水, 因为水温低时, 真空管转换效率高, 升温快, 所以在低温时能尽量多加水就能充分利用光照最大量地生产热水. 对现有太阳

14、能热水器的软件进行升级, 在现有功能的基础上, 增加智能控制模式. 在智能控制模式下控制器能根据天气情况自动加水, 在保证水温达到可用的前提下( 用户可自行设定最低温度T设, 比如设为50 c) 使可用的水量达到最大, 最大程度地满足人们的生活需要.智能控制过程: 每天早上控制器自动控制水箱水量达到1/ 3, 避免真空管空烧. 当条件1 成立即水箱内水温大于或等于T 设+ $ T( 用户可自行设定$T时, 控制器自动加水; 当条件2 成立, 即水箱水温小于或等于T设- $ T 时停止加水, 当水箱已加满水或用户定时到了认定时间则自动退出智能控制模式.在智能控制模式中不进行管道排空处理, 当退出

15、智能控制模式时进行排空处理. 在智能控制模式中, 由于冷水从水箱上面加入, 避免了由底部进水, 冷水直接进入真空管导致真空管破裂的可能, 保险起见还可控制进行间歇式加水, 智能控制模式子流程图如图3 所示.（7）管道排空功能对现有太阳热水器管道进行改造,（图2） 在热水器下的进水口下增加一个电磁阀3和一个三通, 三通的一头接至水箱的溢出口. 加水时, 打开电磁阀1, 通过三通从溢出口进水, 达到设定水量时电磁阀1 自动关闭, 控制器打开电磁阀2, 使管道中的水通过电磁阀2 流进备用水箱( 水箱通过排气口与外界保持气压一致) , 延时一段时间使电磁阀2 自动关闭, 备用水箱大小根据管道中的水量而

16、定. 用热水时, 用户打开电磁阀3, 一开龙头, 马上就有热水可用了, 根据所需热水用量考虑管道的长度, 提前关闭电磁阀3, 管道中的热水会从排气口吸气, 使管道中的热水放光, 达到排空目的. 由于管道已排空, 还彻底解决了冬季太阳能热水器管道冻结甚至冻裂的问题, 备用水箱中的水可用于洗手、洗衣或冲厕所等2、 软件设计 太阳能热水器控制系统的最大特点是所有功能模块均由软件控制以完成各自功能。本系统软件包括主程序模块、键盘扫描模块、显示模块、温度水位采集、时钟模块、电加热模块等模块。 显示模块由12864 液晶屏显示，键盘处理子程序包括温度的设置和控制加热以及时间的设置等。软件流程图如 图8所示

17、。图8 软件流程图（1）初始化程序 太阳能热水器控制系统在接通电源后，首先要对系统进行初始化。初始化的过程包括启动DS1302，启动12864，对12864进行清屏。（2）按键检测及处理程序在太阳能热水器初始化完成之后，系统便会进入键盘扫描状态，此状态下，主控芯片AT89S52会不断扫描是否有键按下，即等待用户输入。在检测到有键按下后，根据按下的次数（按一下设置“分”，按两下设置“时”，三下设置“星期”，以此类推），在运用“加”“减”分别设置。（3）读取温度的程序本设计采用while循环，在没有键按下时，跳出while循环，进行下边的语句，即读取温度，并将其显示在12864上。在读取的过程中，

18、要注意温度的正负。四、目标、主要特色及工作进度1、 能够根据水位和水温两个条件控制是否需要进水，每次只进整个水箱的四分之一水量，也可以在手动状态下自由进水或停水进水。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、 具有进水位和超水温报警指示。5、 用水时若水温达不到设置值时，可手动韦动加热装置，这样可以很大程度上节约电能。6、 用水时可自由调节水温。7、 控制系统具体管道排空功能，这样防止冬天时因水管内有积水而在夜间冻裂水管。第 1 周至第 3周 ：搜集并阅读相关的资料和文献，阅读有关温度采集方面的知识，对单片机、DS18B20和显示器方面有较深刻的理解，达到对本课题

19、有个整体的思路并拟定开题报告；第 4 周至第 9 周：通过方案的确定和整体思路的把握进实验室做本课题；第 10 周至第 16周：对本次毕业设计整个过程进行总结，完成毕业设计论文；第 17周 ：毕业设计答辩。五、参考文献1刘松.单片机原理与接口技术M.天津:天津电子信息职业技术学院,20092李忠国,陈刚.单片机应用技能实训M.北京:人民邮电出版社,20063曹金玲.单片机原理与接口技术课程设计指导书M.天津:天津电子信息职业技术学院,20084王毅.单片机器件应用手册M.北京:人民邮电出版社,19945胡汉才.单片机原理及接口技术M.北京:清华大学出版社,19966邵敏权,刘刚.单片机原理实验

20、及应用M.长春:吉林科学技术出版社,19957刘笃仁,韩保君.传感器原理及应用技术M.北京:机械工业出版社,20038童诗白.模拟电子技术基础M.北京:高等教育出版社,20019周航慈.单片机应用程序设计M.北京:北京航空航天大学出版社,199110赖麒文.8051单片机C语言彻底应用M.北京:科学出版社,200211王正彦,范延滨,汪健. 太阳能热水器控制器的设计与实现J.仪表技术与传感器,2004,11:5358.12李书泽,张武高,张荣荣,黄震. 高精度铂电阻测温电路优化设计J.工业仪表与自动化装置,2005,01:18-23.13赵桂青,于会山,王敦强. 太阳热水器智能水温控制的EDA 实现J.微计算机信息, 2008,1-2:293-295.14杨效余,钱玮. 实时时钟/日历芯片PCF8563 在智能火灾报警控制器中的应用J.仪器仪表与检测技术,2006,02:64-66.15刘和平,郑群英等. 单片机C 语言编译器及其应用M.北京:北京航空航天大学出版社,2007:153-169.