1、沈陽工業(yè)(gngy)大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(b y sh j)（論文）開題報告畢業(yè)設(shè)計（論文(lnwn)）題目： 基于MSP430的太陽能 熱水器控制系統(tǒng)的設(shè)計 院 系： 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 開題時間： 2014年 3 月 20 日1. 課題(kt)的目的和意義隨著經(jīng)濟的發(fā)展(fzhn)，城市化進(jìn)程的加快和人民生活水平的提高,我國各地的城市建筑面積急劇增加,建筑面積的增加也導(dǎo)致供熱與制冷所需能源的快速增長,目前我國的建筑能耗己占整體能耗的20%。未來,我國的建筑能耗占整體能耗的比例(bl)將超過30%,因此建筑節(jié)能將是整個社會的節(jié)能重點。為了解決這些問題,從20世紀(jì)70年代開始,科

2、學(xué)家就開始研究可再生能源的利用,太陽能以其可再生、安全等優(yōu)點,成為可再生能源開發(fā)中的重要組成部分。如果說20世紀(jì)是石油世紀(jì)的話,那么,21世紀(jì)則是太陽能的世紀(jì)。太陽能熱水器是目前在太陽能利用領(lǐng)域中技術(shù)發(fā)展最成熟、經(jīng)濟上也具有競爭力的綠色能源技術(shù)。這不僅由于太陽能熱水器構(gòu)造比較簡單,價格相對來說不太高,同時還因為太陽能熱水器一年四季均可發(fā)揮效益,設(shè)備利用率較高。目前我國太陽能光熱產(chǎn)業(yè)每年以30%的速度遞增,不僅可供給家庭生活、企業(yè)生產(chǎn)所需的熱水,同時也可供應(yīng)房屋采暖，化工工藝干燥、蒸餾及熱動力系統(tǒng)使用,為國家能源環(huán)保事業(yè)和改善人民群眾生活做出了巨大的貢獻(xiàn)。推廣利用太陽能技術(shù),改善城市健康衛(wèi)生和能

3、源環(huán)境狀況,服務(wù)社會主義現(xiàn)代化建設(shè),己經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。鑒于國內(nèi)太陽能熱水器市場不斷擴大,太陽能采暖的低廉、潔凈、安全、環(huán)保效益好的背景,設(shè)計了這套太陽能熱水器采暖控制系統(tǒng)。2. 國內(nèi)、外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢2.1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 圖1 太陽能熱水器太陽能熱水器(系統(tǒng))是太陽的光熱利用裝置,它是目前(mqin)在太陽能利用領(lǐng)域中技術(shù)發(fā)展較成熟、經(jīng)濟上也具有競爭力的綠色能源技術(shù)。當(dāng)前在全世界范圍內(nèi),各種太陽能熱水器裝置的生產(chǎn)已經(jīng)成為一個新興的產(chǎn)業(yè),并在生活生產(chǎn)領(lǐng)域得到了普遍的推廣應(yīng)用。其發(fā)展過程從總體上來講大約可分為三個階段,創(chuàng)造了三種產(chǎn)品。第一種太陽能熱水器產(chǎn)品(chnpn)是美國馬里蘭州的肯普于189

4、1年發(fā)明的,當(dāng)時他稱其為“頂峰(dngfng)”熱水器,也就是現(xiàn)在我們稱為悶曬式的太陽能熱水器。在之后的半個多世紀(jì)里,人們創(chuàng)造了各式各樣的悶曬式太陽能熱水器,如開放式、塑料薄膜袋式、圓筒式、滴水式等。20世紀(jì)70年代末期,隨著世界性能源危機日趨嚴(yán)重,迫使人們對太陽能的利用更加重視起來,許多國家投人了不少物力和人力,用于大力研究和開發(fā)太陽能熱利用技術(shù),尤其是太陽能熱水器。第二種太陽能熱水器平板型集熱器。其后隨著集熱器設(shè)計不斷向前發(fā)展,結(jié)構(gòu)上從最早的翼管式,到扁盒式;材料上從最早的鍍鋅管板式、全銅管板、全鋁翼管板到銅鋁復(fù)合式等;表面吸收涂層從最早的無光黑漆,發(fā)展到了各種選擇性吸收涂層,如陽極氧化、

5、鍍黑鎳、鍍黑鉻等;透明蓋板從普通平板玻璃發(fā)展到鋼化玻璃。第三種是全玻璃真空管太陽集熱器,是由美國歐文斯伊得諾依公司發(fā)明并于1975年率先推向市場的。我國清華大學(xué)于1979年初,開始研制全玻璃真空管太陽集熱器。目前,我國的全玻璃真空管和熱管式真空管太陽集熱器主要技術(shù)己處于國際領(lǐng)先水平。從全球的產(chǎn)品類型看,太陽能熱水器包括無蓋板太陽能熱水器、平板型太陽能熱水器、真空管太陽能熱水器。這3種產(chǎn)品在總保有量中的比例分別是23%、35%和42%.各種產(chǎn)品的地域性分布非常明顯。真空管太陽能熱水器主要分布在我國(占全球總量的97%),主要用于提供生活洗浴用熱水;無蓋板太陽能熱水器主要分布在美國和澳大利亞(占全

6、球總量的90%)，主要用于游泳池的加熱;平板型太陽能熱水器的分布較廣,廣泛地分布在歐洲、亞洲、美洲和大洋洲。2.2國內(nèi)外發(fā)展趨勢 圖2 平板(pngbn)型太陽能集熱器目前國外太陽能集熱器的主要發(fā)展趨勢是平板型太陽能集熱器，國內(nèi)集熱器雖然仍以真空管集熱器為主,但隨著太陽能在建筑工程中的不斷應(yīng)用和平板集熱器技術(shù)的進(jìn)步以及節(jié)能減排指標(biāo)的要求,真空管的弊端逐漸顯露出來,而平板太陽能憑借其成熟的技術(shù)、較高效率、承壓性強、便于(biny)實施太陽能建筑一體化等優(yōu)點,在太陽能工程應(yīng)用比例上逐漸增加。2011年平板式太陽能熱水器在城市工程市場呈增長趨勢,全國同比增長50%以上。3.課題(kt)的主要工作本課

7、題主要研究的是基于MSP430F449單片機的太陽能熱水器采暖控制系統(tǒng)，包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。通過編制C語言程序?qū)崿F(xiàn)太陽能熱水器采暖控制系統(tǒng)的正常運行，系統(tǒng)實現(xiàn)的功能包括溫差跟蹤循環(huán)控制、光熱電熱智能互補、管道防凍、采暖控制、定時加熱。利用觸摸屏實現(xiàn)人機交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、手動控制和顯示功能。通過系統(tǒng)的調(diào)試仿真實現(xiàn)對系統(tǒng)動態(tài)過程的模擬，提高系統(tǒng)的可靠性。3.1控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的硬件設(shè)計 圖1 太陽能熱水器采暖控制系統(tǒng)(kn zh x tn)硬件 溫度、水位采集模塊是將溫度、水位信號(xnho)采集放大，送到控制器MSP430F449單片機中，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和處理，之后送采暖

8、、洗浴控制模塊，通過繼電器來控制集熱器循環(huán)泵B1、采暖泵B2、加熱器以及伴熱帶的啟停，同時也將采集處理后的溫度水位信息和執(zhí)行器的狀態(tài)信息送給中文液晶顯示模塊顯示。另一方面，觸摸屏采集到觸摸信息，可以改變參數(shù)設(shè)置，還可以通過執(zhí)行器來進(jìn)行手動操作。3.2控制系統(tǒng)硬件介紹3.2.1MSP430單片機本設(shè)計要求系統(tǒng)達(dá)到體積小、功耗低等優(yōu)點,所以系統(tǒng)采用MSP430F449單片機作為系統(tǒng)CPU。MSP430F449單片機是美國德州儀器公司(TI)推出的一種16位超低功耗FLASH型精簡指令集(RISC)單片機,適合各種功率要求相對較低的場合。(1)超低功耗MSP430F449單片機的電源電壓采用1.83

9、.6V低電壓,RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0.luA,活動模式耗電250uA/MIPS(MIPS:每秒百萬條指令),I/O輸入端口的漏電流最大值僅50nA。用戶可以根據(jù)CPU和外圍模塊對時鐘的需求,通過軟件控制MSP430F449時鐘系統(tǒng),合理的利用系統(tǒng)資源,實現(xiàn)整個應(yīng)用系統(tǒng)的超低功耗。該系列單片機提供了5種低功耗工作模式和1種活動模式,這些工作模式只依靠對狀態(tài)寄存器SR的低功耗控制位和時鐘的控制來實現(xiàn)。(2)強大(qingd)的處理能力16位MSP430F449單片機采用精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu),一個時鐘周期可以執(zhí)行一條指令(傳統(tǒng)的MCS51單片機要12個時鐘周期才可執(zhí)行一條指令),在8MH

10、Z晶振下工作時,指令速度(sd)可達(dá)8MIPS。MSP430F449單片機采用了16位多功能硬件乘法器加強了單片機的功能并提供了軟硬件相兼容的范圍,提高了數(shù)據(jù)處理能力和運算能力,可以有效地實現(xiàn)一些數(shù)字信號處理(xn ho ch l)的算法(如FFT、DTMF等)。(3)豐富的片內(nèi)外圍模塊MSP430F449單片機片內(nèi)集成了豐富的功能模塊:看門狗定時器(WDT)可以在程序失效時迅速復(fù)位；模擬比較器A為精確的比較測量而設(shè)計,結(jié)合定時器可實現(xiàn)精確的A/D轉(zhuǎn)換功能；16位定時器TimerA和TimerB具有捕獲和比較功能；多功能串口USART可實現(xiàn)異步、同步串行通信；6個8位I/O口線PlP6,其中P

11、l、P2口具有中斷功能；8路外部通道和4路內(nèi)部通都的12位A/D轉(zhuǎn)換模塊,最大轉(zhuǎn)換速率可達(dá)200KsPs；LCD驅(qū)動模塊可直接驅(qū)動液晶多達(dá)160段。(4)系統(tǒng)工作穩(wěn)定上點復(fù)位后,默認(rèn)時鐘是DCO數(shù)字振蕩器,由其啟動CPU保證程序從正確位置執(zhí)行并且保證晶體振蕩器有足夠時間起振及穩(wěn)定時間,再由軟件設(shè)置相應(yīng)寄存器的控制位來確定最后的系統(tǒng)時鐘。如果晶振在用做CPU時鐘時MCLK發(fā)生故障,DCO會自動啟動。另外,MSP43O單片機運行環(huán)境溫度-40+85,運行穩(wěn)定,可靠性高,所設(shè)計的產(chǎn)品適合各種民用和工業(yè)環(huán)境。(5)方便高效的開發(fā)環(huán)境MSP43OF449是Flash型器件,片內(nèi)有JTAG調(diào)試接口和電可擦

12、寫的Flash存儲器,可以先下載程序到Flash內(nèi),再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運行、讀取片內(nèi)信息供設(shè)計師調(diào)試,整個開發(fā)(編譯、調(diào)試)都可以在同一個軟件集成環(huán)境中進(jìn)行。這種方式不需要仿真器和編程器,調(diào)試十分方便。3.2.2 LCD液晶顯示器圖3-3 ZJM12864BSBD液晶(yjng)顯示器 本設(shè)計中采用(ciyng)的是點陣液晶顯示器ZJM12864BSBD。帶中文字庫的12864是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864,內(nèi)置8192個16*16點漢字和128個16*8點ASCII字符集,利用

13、該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令(zhlng)，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面。ZJM12864BSBD可以顯示84行1616點陣的漢字也可完成圖形顯示,低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。3.2.3 鍵盤電路圖3-4 鍵盤(jinpn)電路 本設(shè)計采用四個獨立鍵盤，名稱分別是PAG、INC、DEC、CON，起到翻頁、設(shè)置(shzh)加、設(shè)置減、確認(rèn)的作用。3.2.4 時鐘(shzhng)芯片圖3-5 DS1302時鐘芯片本設(shè)計中時鐘部分選用DS

14、1302芯片,DS1302是DALLAS公司推出涓流充電時鐘芯片,內(nèi)含一個實時(sh sh)時鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM,可以通過串行接口與單片機進(jìn)行通信。實時時鐘(shzhng)舊歷電路提供秒、分、時、日、日期、月、年的信息,對于小于31天的月,月末的日期可自動進(jìn)行調(diào)整,還包括閏年的校正功能。時鐘操作可通過AMPM標(biāo)志位決定采用24或12小時時間格式。Ds1302與單片機之間簡單地采用同步串行的方式進(jìn)行通信,僅需用到3根口線:RST(復(fù)位)、I/O數(shù)據(jù)線、SCLK(串行時鐘)。數(shù)據(jù)可以以每次1字節(jié)或多達(dá)31字節(jié)的多字節(jié)形式傳至?xí)r鐘RAM,同時還傳出給上位(shn wi)機。 3.2.5 溫

15、度檢測圖3-6 DS18B20芯片(xn pin)本設(shè)計采用5個DS18B20數(shù)字溫度傳感器，分別檢測集熱器溫度T1、回水溫度T2、水箱溫度T3、室溫T4、伴熱帶(rdi)溫度T5。DSl8B20是美國DALLAS公司推出的一線制數(shù)字溫度傳感器,其器件內(nèi)部集成了溫敏元件、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片、存儲器芯片和計算機接口芯片等多功能模塊,該器件可將溫度信號直接轉(zhuǎn)換成16位串行數(shù)字信號,并通過串行輸出方式與單片機通訊。測溫范圍一40+l20,可編程的分辨率為912位,對應(yīng)的可分辨(fnbin)溫度分別為0.5、0.25、0.125和0.0625,可實現(xiàn)高精度測溫。適應(yīng)電壓范圍：3.05.5V,工作電壓既可以遠(yuǎn)

16、端引入,也可以采用寄生電源的方式提供。本設(shè)計采用DS18B20是3引腳小體積封裝形式。3.2.6水位(shuwi)檢測圖3-12 水位(shuwi)檢測電路 首先將水箱分為五檔水位:20%、40%、60%、80%、100%,采用電極(dinj)點的方式來測量水位。當(dāng)某個電極浸沒在水中,則該電極點相當(dāng)于接地。測量時,電極上通有電源電壓,當(dāng)水位下降到只接觸20%檔的電極點時,電極間就有電流流過從而產(chǎn)生液面信號,控制板接收到液面信號后,進(jìn)行處理后,繼電器閉合控制電磁閥上水;當(dāng)液位上升接觸到80%檔的電極時,電極間有電流流過,控制板接收到液面信號,經(jīng)控制板處理,繼電器又恢復(fù)成釋放狀態(tài)。因此通過液體與電

17、極接觸與不接觸,繼電器吸合與斷開,就能正確測量出液位高低位置,實現(xiàn)液位的自動控制。五檔水位開關(guān)分別接單片機接口P2.2、P2.1、P2.0、P1.7和P1.6。3.2.7執(zhí)行機構(gòu)圖3-13 執(zhí)行機構(gòu)電路 溫差跟蹤(gnzng)循環(huán)方式是本系統(tǒng)所具有的重要特征之一,該方式既實現(xiàn)了太陽能加熱的目的,又充分利用了太陽能并且降低了系統(tǒng)無用消耗。在控制電路中使用NPN管驅(qū)動5V繼電器，用一對常開常閉觸點控制繼電器工作和LED亮滅。其中,繼電器J1控制電加熱器,繼電器J2控制上水閥,繼電器J3控制采暖循環(huán)泵,繼電器J4控制伴熱帶,繼電器J5控制集熱器循環(huán)泵,指示燈和繼電器依次對應(yīng),標(biāo)志著各個執(zhí)行器的狀態(tài)。

18、單片機采集溫度水位信號之后,進(jìn)行內(nèi)部處理,通過P5.0P5.4來控制繼電器J1J5和LED。3.3控制系統(tǒng)(kn zh x tn)的軟件設(shè)計 圖2 太陽能熱水器采暖控制系統(tǒng)(kn zh x tn)程序流程圖3.4控制系統(tǒng)(kn zh x tn)實現(xiàn)的功能(l)溫差跟蹤(gnzng)循環(huán)控制與光熱電熱智能互補功能當(dāng)集熱器溫度(wnd)T1達(dá)到其上限溫度50,才允許啟動溫差跟蹤循環(huán);否則,不允許啟動溫差跟蹤循環(huán)。此時,集熱器溫度T1與回水溫度T2滿足T1T28,同時水箱出水溫度T3小于上限溫度75時,啟動集熱循環(huán)泵進(jìn)行溫差循環(huán);而當(dāng)集熱器溫度T1與回水溫度T2滿足T1T24,或者水箱出水溫度T3小

19、于下限溫度45時,則關(guān)閉集熱循環(huán)泵,通過太陽能對循環(huán)水繼續(xù)進(jìn)行加熱。如此往復(fù)循環(huán),利用太陽能加熱循環(huán)水,將熱量貯存的到保溫水箱中。而在連續(xù)陰雨天的情況下,集熱器溫度Tl達(dá)不到設(shè)定的集熱器上限溫度50,就不能啟動溫差循環(huán)。這時,如果水箱出水溫度T3低于設(shè)定的加熱下限溫度40時,就會啟動電加熱器給水箱加熱;直到水箱出水溫度T3達(dá)到設(shè)定的加熱上限溫度50,就會通過繼電器斷開電加熱器,保證了光熱和電熱的智能互補,實現(xiàn)了采暖和洗浴的正常進(jìn)行。(2)管道防凍功能在寒冷的冬季,室外溫度達(dá)到零下幾度,而太陽能熱水器的集熱器和管道一般放置在室外,就存在著管道凍壞問題。因此,我們在管道上安裝溫度傳感器,當(dāng)管道溫度

20、T5低于設(shè)定的下限溫度4O,就啟動伴熱帶加熱;當(dāng)管道溫度T5達(dá)到設(shè)定好的上限溫度8,伴熱帶就不必加熱了,起到了保護(hù)管道防凍的作用。(3)采暖控制功能在采暖系統(tǒng)中,中央控制系統(tǒng)控制采暖循環(huán)泵。二次側(cè)安裝采暖循環(huán)泵,在室內(nèi)安裝溫度傳感器。當(dāng)室內(nèi)溫度T4低于16,啟動采暖循環(huán)泵,將保溫水箱內(nèi)的熱水通過供暖管道輸送到室內(nèi)散熱器,利用散熱器將熱量散發(fā)出來實現(xiàn)對房屋的供暖;當(dāng)室內(nèi)溫度T4高于18時,停止循環(huán),始終保持室溫在16 18范圍內(nèi)。(4)定時加熱功能為了滿足用戶正常用水的需求,我們特意設(shè)置了定時加熱功能。用戶可以根據(jù)自己的需要，自行安排控制系統(tǒng)的加熱時間。這樣設(shè)計一方面可以節(jié)省電能，另一方面用戶可

21、以避開用電高峰期，提高用電效率。(5)參數(shù)設(shè)置、手動控制與顯示功能單片機將采集到的水溫、水位信息傳送給人機界面的中文液晶顯示模塊上顯示,用戶可以直觀的看到采集的水溫、水位信息;同時,用鍵盤可以修改參數(shù)的設(shè)定值,將新的值存儲到存儲器中,還可以控制繼電器執(zhí)行手動功能。4. 完成課題(kt)所需的條件（1）MSP430F449單片機技術(shù)(jsh)資料。（2）Protel99SE繪圖(hu t)軟件。（3）IAR Embedded Workbench及CSPY。5.課題的進(jìn)度安排（或課題的實施計劃）周 次課 題 安 排1熟悉設(shè)計任務(wù)，查閱相關(guān)資料，進(jìn)行總體方案設(shè)計，英文資料翻譯2查閱相關(guān)資料，進(jìn)行開題

22、報告的撰寫3熟悉MSP430F449的工作原理，了解輸入輸出及接線方式4查閱相關(guān)的資料，選定各模塊所用芯片，對其進(jìn)行深入了解。5依靠對各模塊芯片的進(jìn)一步認(rèn)識，完成MSP430F449控制器與芯片的接線，并且上交外文翻譯6利用Protel99SE完成系統(tǒng)硬件原理圖的繪制，并上交開題報告7利用IAR Embedded Workbench完成主程序的程序設(shè)計8利用IAR Embedded Workbench完成LCD液晶和時鐘驅(qū)動程序的子程序設(shè)計9利用IAR Embedded Workbench完成溫差跟蹤循環(huán)和光熱電熱智能互補功能的子程序設(shè)計10利用IAR Embedded Workbench完成管道防凍和采暖控制的子程序設(shè)計11利用IAR Embedded Workbench完成定時加熱、參數(shù)設(shè)置、手動控制和顯示功能的子程序設(shè)計12利用MSP430F449實驗裝置完成各芯片的組裝13 通過JTAG下載接口把實驗裝置連接到PC機上14通過IAR Embedded Workbench下載程序到MSP430F449單片機中15現(xiàn)場聯(lián)機調(diào)試16撰寫畢業(yè)設(shè)計論文17整體審查論文,