太陽能熱水器自動控制系統(tǒng) 緒論 太陽能熱水器 已經(jīng) 進(jìn)入千家萬戶 ， 太陽能熱水器給人們的生活或工作提供了很大的便利，但是還存在著很大的不足。比如夜間用水，太陽能即便有很強(qiáng)的保溫設(shè)備，但收到外接溫差的影響，內(nèi)部溫度還是會下降。如何實(shí)現(xiàn)熱水的實(shí)時(shí)供給，成為一個研究的方向。本課題根據(jù)上述問題，提出解決方案，重在研究自動加熱系統(tǒng)，完善太陽能熱水器的功能，提高使用性。 本設(shè)計(jì)使用 列單片機(jī)作為主 節(jié) 制模塊 ,實(shí)現(xiàn)太陽能自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)由八個基本模塊組成 ， 實(shí)現(xiàn)對太陽能水箱水位、溫度的實(shí)時(shí)檢測并報(bào)警，通過按鍵調(diào)整時(shí)間設(shè)置，切換夜間自動加熱和手動加熱等多種功能。本設(shè)計(jì)進(jìn)行了 真，驗(yàn)證可行之后，通過軟件繪制電路原理圖，然后根據(jù)電氣路焊接實(shí)物，在實(shí)物上完成所有預(yù)期功能。 關(guān)鍵詞： 單片機(jī) 太陽能 自動控制 軟件仿真 he is to is to of of on is 52 to of of to by 52 to to to of to to In is be on to 錄 1 概述 . 4 課題的研究意義 . 4 課題研究的應(yīng)用前景與國內(nèi)外進(jìn)展 . 4 內(nèi) 展及應(yīng)用前景 . 4 論文的研究目標(biāo)與研究內(nèi)容 . 4 2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) . 4 統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃 . 4 塊方案論證 . 5 3 硬件設(shè)計(jì) . 6 感器檢測模塊 . 6 位傳感器原理與應(yīng)用 . 6 溫傳感器檢測模塊 . 7 晶顯示模塊 . 8 片機(jī) . 8 片機(jī)晶振模塊 . 9 片機(jī)復(fù)位模塊 . 9 片機(jī) 上拉電阻 . 9 小系統(tǒng)原理圖 . 10 鐘模塊 . 10 耦繼電器模塊 . 11 源模塊 . 11 鍵模塊 . 12 4 軟件設(shè)計(jì) . 13 件架構(gòu)圖 . 13 統(tǒng)設(shè)計(jì)總流程圖 . 13 位檢測軟件設(shè)計(jì) . 14 晶顯示軟件設(shè)計(jì) . 15 度傳感器軟件設(shè)計(jì) . 16 鐘模塊軟件設(shè)計(jì) . 17 鍵掃描軟件設(shè)計(jì) . 18 5 測試和分析 . 19 試 . 19 能分析 . 20 總 結(jié) . 20 致 謝 . 21 參考文獻(xiàn) . 22 1 概述 課題的研究意義 隨著科技的進(jìn)步，太陽能熱水器逐步進(jìn)入千家萬戶。太陽能熱水器給你人們的生活或工作提供了很大的便利，但是還存在著很大的不足。比如夜間用水，太陽能 熱水器 即便有很強(qiáng)的保溫設(shè)備，但 受 到外接溫差的影響，內(nèi)部溫度還是會下降。如何實(shí)現(xiàn)熱水的實(shí)時(shí)供給，成為一個研究的方向。 課題研究的應(yīng)用前景 與 國內(nèi)外進(jìn)展 進(jìn)展及應(yīng)用前景 中 國 現(xiàn)在 已 經(jīng) 成為 了 世界上 產(chǎn)量 最大的太陽熱水器生產(chǎn)國 家 ， 我國慢慢地 出現(xiàn)了一些太陽能熱水器 溫度測控 ，但 是絕 大多數(shù) 熱水器 存在著 比如 性能不 夠 穩(wěn)定，經(jīng)常產(chǎn)生錯誤的操作 ；溫度、水位檢測、控制誤差大 ， 太陽熱水器，尤其是太陽熱水系統(tǒng)及其控制器有著廣闊的發(fā)展前景 。 國外太陽能熱水器技術(shù)已日趨成熟， 國外近幾年主要發(fā)展的仍是管板式，主要研究如何繼續(xù)降低成本提高可靠性。國外太陽能熱水器的普及面積廣，很多國家已經(jīng)把太陽能熱水器發(fā)展到工業(yè)化生產(chǎn)階段。 本論文主要研究一種智能化控制的太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對水位溫度檢測，時(shí)間顯示和控制，自動 /手動加熱和報(bào)警功能。 2 系 統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)劃 太陽能自動控制設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)智能控制。主要實(shí)現(xiàn)以下功能： 1、 水位檢測和顯示。水位傳感器使用光電傳感器，實(shí)物和仿真中可以使用撥碼開關(guān)代替，并設(shè)置水位上限，當(dāng)實(shí)際水位超過溫度上限是，報(bào)警并停止加水。 2、 溫度檢測和顯示。溫度檢測使用 時(shí)檢測溫度，通過 置溫度上限。自動加熱時(shí)，如果溫度達(dá)到上限，則停止加熱。 3、 時(shí)間顯示及調(diào)整。使用 時(shí)鐘芯片，該芯片參考資料豐富，開發(fā)簡單，并且功能強(qiáng)大，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)要求。專門設(shè)置三個按鍵，一個用來選擇日期 /時(shí)間，另外兩個用來調(diào)整時(shí)間。 4、 根據(jù)水位高低自動調(diào)整水位。 5、 自動 /手動電加熱、晚上用電低谷時(shí)實(shí)現(xiàn)自加熱。 塊方案 方案： 單片機(jī)通過引腳實(shí)時(shí)檢測水位高低和當(dāng)前水溫，當(dāng)溫度達(dá)到上限時(shí)報(bào)警，并通過三個按鍵實(shí)現(xiàn)溫室上限的設(shè)定，顯示器 字符、數(shù)字的 示，兩行顯示足夠。由于本設(shè)計(jì)是弱電控制強(qiáng)電，所以加上光耦和外部鏈接會更安全，當(dāng)外部電壓過大時(shí)能有效保護(hù)單片機(jī)，然后通過繼電器控制加熱和加水的關(guān)閉狀態(tài)。為了實(shí)現(xiàn)智能加熱，本設(shè)計(jì)另外加了時(shí)鐘模塊，實(shí)現(xiàn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)自加熱， 如圖 2圖 2太陽能自動控制設(shè)計(jì)由八個基本模塊組成，他們分別是電源模塊，水位檢測模塊，溫度檢測模塊，時(shí)鐘模塊，按鍵掃描模塊，液晶屏顯示模塊，光耦繼電器模塊，報(bào)警模塊 。 太陽能自動控制電路實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 圖 2統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 3 硬件設(shè)計(jì) 感器檢測模塊 光電液位傳感器是利用光在有水和無水兩種不同狀態(tài)下發(fā)生反射折射效果不同的原理而開發(fā)的點(diǎn)液位測控傳感器。工作圖 3 圖 3電液位傳感器工作示意圖 考慮到液位傳感器種類較多，單片機(jī)引腳有限，選定如下光電液位傳感器：美國 電液位傳感器 實(shí)物如圖 3 圖 3電液位傳感器 太陽能熱水器檢測液位的方法是把傳感器按一定比例安插到太陽能水管中，通過液位浸沒傳感器的數(shù)目來確定當(dāng)前的水位 。 本設(shè)計(jì)采用了 4 個水位傳感器。安裝效果如圖 3 圖 3 位 傳感器安裝效果如圖 采用 4 位撥碼開關(guān)模擬光電液位傳感器。 4位撥碼開關(guān)如圖 3 3碼開關(guān) 圖 3溫探頭 在設(shè)計(jì)實(shí)物中為了檢測溫度方便，采用 封裝 片方便演示和操作。仿真、原理圖中對應(yīng) 片 /接口如圖 3圖 3度傳感器 真圖 晶顯示模塊 液晶顯示模塊采用 1602主要技術(shù)參數(shù)：顯示容量 :16 2個字符，芯片工作電壓 :作電流 :符尺寸 : H)以直接和單片機(jī)引腳鏈接。 物和電路原理圖如圖 3 圖 3晶顯示屏實(shí)物和電路原理圖 片機(jī) 單片機(jī)采用 片機(jī)，實(shí)物如圖 3 圖 3有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k 字節(jié) 512 字節(jié) 32 位 I/O 口線， 看門狗定時(shí)器 ，內(nèi)置 4位電路， 3 個 16 位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ，其中定時(shí)器 0還可以當(dāng)做兩個八位定時(shí)器使用。 本設(shè)計(jì)采用 12M 晶振，它的時(shí)鐘周期是 1/12片機(jī)工作是 每完成 一個機(jī)器周期執(zhí)行一次程序，而一個機(jī)械周期是 12個時(shí)鐘周期即 容的取值采用值 : 圖 3振電路 當(dāng)單片機(jī)運(yùn)行中出現(xiàn)錯誤，或調(diào)試時(shí)用于觀察現(xiàn)象，要不斷進(jìn)行復(fù)位，讓單片機(jī)從程序的開頭重新執(zhí)行 ， 電路原理圖如圖 3 圖 3位電路 復(fù)位 電路工作原理如圖 3示， 電時(shí)， 10K 電阻上出現(xiàn)電壓，使得單片機(jī)復(fù)位；幾個毫秒后， 10K 電阻上電流降為 0，電壓也為 0，使得單片機(jī) 進(jìn)入工作狀態(tài) 。 0 口上拉電阻 本設(shè)計(jì)中的上拉電阻選型： 330R 9 腳 物如圖 3 圖 3阻 圖 3小系統(tǒng)原理圖 鐘模塊 本設(shè)計(jì)采用 進(jìn)行 器件簡單介紹：采用普通 可以對年、月、日、周、時(shí)、分、秒進(jìn)行計(jì)時(shí)，具有閏年補(bǔ)償功能，工作電壓為 用三線接口與 行 同步通信 ，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的 時(shí)鐘信號 或 據(jù)。 圖 3 3鐘模塊 物和原理圖 耦繼電器模 塊 本設(shè)計(jì)通過光電隔離的方法，有效的控制了強(qiáng)電電路，而且很好的保護(hù)了單片機(jī)等低電壓工作芯片。 這里 取其中一個光耦繼電器 熱模塊如圖 3 圖 3耦繼電器模塊 工作流程： 當(dāng) 為高電平時(shí)， 光耦的輸出 引腳為高電平， 三極管導(dǎo)通，繼電器內(nèi)部線圈通電， 合，外部電路導(dǎo)通。反之，當(dāng) 為低電平時(shí)， 光耦的輸出 引腳為低電平， 極管 不導(dǎo)通 ，繼電器內(nèi)部線圈不 通電 ， 法吸合，外部電路不導(dǎo)通。 源模塊 本設(shè)計(jì)主要元器件工作電壓統(tǒng)計(jì)如下： 器件 電壓 單片機(jī) 5V 溫度傳感器 5V 光耦 +5V 蜂鳴器 +5V 液晶顯示屏 5V 繼電器 +5V 時(shí)鐘模塊 5V 圖 3源模塊 鍵模塊 設(shè)計(jì)中采用四個按鍵。完成對萬年歷時(shí)間、溫度上限的修改，按鍵電路和對應(yīng)功能如圖 3 圖 3鍵模塊 按鍵具體操作過程如下： 按鍵次數(shù) 功能 備注 * * 1 年修改 加 /減 2 月修改 加 /減 3 日修改 加 /減 4 星期 （ 地方顯示，直接按一下 ） 5 時(shí)修改 加 /減 6 分修改 加 /減 7 秒修改 加 /減 8 溫度上限修改 加 /減 9 寫保護(hù) 禁止修改 動 /手動切換鍵 * * 1 自動模式 （夜間自加熱模式） 2 手動加熱 （沒有溫度上限） 3 回復(fù)初始狀態(tài) 既不是自動也不是手動 4 軟件設(shè)計(jì) 件架構(gòu)圖 圖 4件流程圖 統(tǒng)設(shè)計(jì)總流程 圖 圖 4統(tǒng)總流程圖 要求系統(tǒng)能實(shí)時(shí)檢測太陽能水箱內(nèi)部的水位變化、檢測太陽能水箱內(nèi)部的溫度變化、準(zhǔn)確的顯示當(dāng)前日期和時(shí)間、根據(jù)水位的高低自動調(diào)整水位、實(shí)現(xiàn)自動/手動電加熱、晚上用電低谷時(shí)實(shí)現(xiàn)自加熱、水位報(bào)警、通過按鍵調(diào)節(jié)水位上限值、溫度上限值、日期和時(shí)間等 。 系統(tǒng)流程圖如圖 4 位檢測軟件設(shè)計(jì) 圖 4位檢測 流程圖 單片機(jī)和 4 個水位傳感器的輸出接口連接，通過實(shí)時(shí)檢測對應(yīng)接口的狀態(tài)判斷，判斷當(dāng)前水位。定義單片機(jī)四個引腳對應(yīng)四個水位開關(guān)。把讀取的數(shù)據(jù)在函數(shù)中比較，如果第一個水位輸入為低，則把 值為 1，如前兩個水位輸入為低，則把 值為 2，依次類推。然后單片機(jī)通過控制顯示模塊晶屏把水位” 示出來。本設(shè)計(jì)中設(shè)置了水位報(bào)警功能：當(dāng)水位超過第四個水位時(shí)，視為太陽能水箱水位接近滿的狀態(tài)，則進(jìn)行報(bào)警，并停止加水。水位的檢測 流程圖如圖 4 14; /四個水位 15; 16; 17; if(0) ; if(0&(0) ; if(0&(0)&(0) ; if(0&(0)&(0)&(0) ; if(1&(1)&(1)&(1) ; 晶顯示軟件設(shè)計(jì) 圖 4示流程圖 1602指令說明及時(shí)序 1602 液晶模塊內(nèi)部的控制器共有 11 條控制指令 。 程序流程圖如圖 4 度傳感器軟件設(shè)計(jì) 圖 4度獲取流程圖 溫度傳感器采用 片，測溫 軟件流程圖如 圖 4 部分 度傳感器程序： /啟動溫度轉(zhuǎn)換 ; /初始化 ); /延時(shí) /跳過 /啟動溫度轉(zhuǎn)換 /獲取溫度 a,b; ; ); /讀暫存器 a=; b=; b; =8; a; /溫度處理 /前五位為 0 時(shí)，讀取的溫度為正值，只需將測得的數(shù)值乘以 ，讀取的溫度為負(fù)值，且測到的數(shù)值取反加 1 得到實(shí)際溫度 00+0.5 0+ /返回溫度 鐘模塊軟件設(shè)計(jì) 圖 4鐘模塊流程圖 時(shí)鐘模塊 程圖如圖 4 操作時(shí)序。 單片機(jī) 進(jìn)行數(shù)據(jù) 交換 時(shí)，首先 是單片機(jī)通過5 腳（ 6 腳（ I/O） ,7 腳（ 現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，其中 7 腳（ 串行數(shù)據(jù)的同步時(shí)鐘信號， 6 腳（ I/O）進(jìn)行串行發(fā)送數(shù)據(jù)， 5 腳（ 通訊允許信號，當(dāng)其值為 1是表示禁止通信，當(dāng)其值為 0是表示允許通信。 鍵掃描軟件設(shè)計(jì) 圖 4鍵流程圖 按鍵掃描函數(shù)在 環(huán)中不斷執(zhí)行并讀取按鍵狀態(tài)，當(dāng)功能鍵“ 第一下，系統(tǒng)變量 ，此時(shí)進(jìn)入時(shí)鐘中“年的修改”，繼續(xù)檢測按鍵狀態(tài)，若此時(shí)有“ 下，則把年的大小加 1 并寫入 ，若此時(shí)有“ 下，則把年的大小減 1并寫入 ；當(dāng)功能鍵“ 第二下，系統(tǒng)變量 ，此時(shí)進(jìn)入時(shí)鐘中“月的修改”，繼續(xù)檢測按鍵狀態(tài)，若此時(shí)有“ 下，則把月的大小加 1并寫入 ，若此時(shí)有“ 下，則把月 的大小減 1并寫入 ；依次類推，當(dāng)功能鍵“ 第八下，系統(tǒng)變量 ，此時(shí)進(jìn)入時(shí)鐘中“ 修改”，繼續(xù)檢測按鍵狀態(tài)，若此時(shí)有“ 下，則把 大小加 1，若此時(shí)有“ 下，則把 大小減 1；當(dāng)功能鍵“ 第九下，系統(tǒng)變量 ，此時(shí)進(jìn)入時(shí)鐘寫保護(hù)，結(jié)束對時(shí)鐘的修改。當(dāng)功能鍵“ 第十下，系統(tǒng)變量 ，重新開始對時(shí)鐘的修改。流程圖如下圖 4示。 5 測試和分析 試 仿真效果如圖 5 5真運(yùn)行圖 具體仿真測試情況如下： （ 1）水位的測試以及報(bào)警功能的測試：從圖中 以看到，水位目前是在三上，我們可以按圖中四個水位中的最下面的開關(guān)，水位就會變成四并有蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲。 （ 2）時(shí)間的修改測試：我們可以從圖 5有功能切換鍵，按一下功能切換鍵再通過加減來改變年月日時(shí)分秒。 （ 3）溫度的設(shè)置和修改測試：可以從圖 5示頻溫度上限是 31，我們同樣是用功能切換鍵控制的。當(dāng)功能切換鍵按到第八下的時(shí)候就可以通過加減改變溫度上限。 （ 4）自動手動加熱的測試：從圖中我們可以看到自動手動切換鍵，當(dāng)按第一 下 的時(shí)候是自動加熱，這是 示屏的時(shí)間必須要設(shè)定在晚上一點(diǎn)到五點(diǎn)，這時(shí)，加熱的 就會亮，當(dāng) 示頻中的溫度達(dá)到溫度上限是，加熱 就會自動滅掉。 當(dāng)按第二下自動手動切換鍵后，就切換到手動加熱，加熱 亮起并且當(dāng)加熱溫度超過溫度上限 依然還是在亮，仍然繼續(xù)加熱，是人為手動控制的。 能分析 測試結(jié)果與相關(guān)問題如下： 合開關(guān)代表水位加 1，顯示屏顯示水位相應(yīng)加 1，反應(yīng)速度較快，實(shí)時(shí)檢測性能較好。 間增加平穩(wěn)，具有掉電保持功能。本設(shè)計(jì)時(shí)間誤差很小。 高精度測溫，并且靈敏度較高。 然操作時(shí)反應(yīng)慢，但可以保證調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。 總 結(jié) 本設(shè)計(jì)太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)除了常用功能實(shí)現(xiàn)外，還完成了對夜間自動加熱的控制，并設(shè)置了手動加熱，完善了太陽能熱水器的功能 。 通過本文，我所想達(dá)到的功能要求就是： 1、 水位檢測和顯示。水位傳感器使用光電傳感器，實(shí)物和仿真中可以使用撥碼開關(guān)代替，并設(shè)置水位上限，當(dāng)實(shí)際水位超過水位上限時(shí)，報(bào)警并停止加水。 2、 溫度檢測和顯示。溫度檢測使用 時(shí)檢測溫度，通過 置溫度上限。自動加熱時(shí)，如果溫度達(dá)到上限，則停止加熱。 3、 時(shí)間顯示及調(diào)整。使用 時(shí)鐘芯片，該芯片參考資料豐富， 開發(fā)簡單，并且功能強(qiáng)大，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計(jì)要求。專門設(shè)置三個按鍵，一個用來選擇日 期 /時(shí)間，另外兩個用來調(diào)整時(shí)間。 4、 根據(jù)水