1、太阳能热水器的自动控制目录摘 要3第一章：绪论太阳能热水器的应用及前景4第二章：设计目的与设计思路2.1 设计目的52.2 设计要求52.3 设计思路5第三章：太阳能热水器控制系统的组成及原理3.1 控制系统的组成63.2 控制系统的原理8第四章：硬件电路的设计4.1 检测电路的设计水温检测电路设计9水位检测电路设计104.2 驱动电路设计114.3 键盘电路设计124.4 显示电路设计134.5 51 系列单片机简介144.6 数字温度传感器简介17第五章：软件设计控制软件设计19心得体会21附录摘要太阳能热水器很早就被人们所熟知，广泛应用于人们的日常生活。但是目前,太阳能热水器控制器还一直
2、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。太阳能热水器控制系统的设计方案有很多，本设计采用MSC-51系列单片机作为中央处理器，采用12846液晶显示模块，本课题的设计基于单片机的软件控制下完成时间、温度、水位的显示。基本显示目标为：（1） 显示水温和水位，电加热水温可任意设定；（2） 显示时间，可通过键盘设置时间参数；（3） 设置温度参数后，自动控制电辅助设备加热； 关键词：单片机，太阳能热水器，自动控制绪论太阳能热水器的应用及前景太阳能热水器应用较好的国家有西班牙、以色列、意大利、希腊、德国、荷兰、澳大利亚、日本、美国等国家。一些国
3、家利用太阳能热水器除了提供家庭热水外，还用于采暖、空调及泳池加热等领域，其中美国的太阳能热利用主要用于泳池加热。目前太阳能热水器已在我国城乡开始推广使用，主要供应生活和洗浴热水，我国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和应用国。太阳能热水器节能减排，实现能源替代，效果显著。经过两年多的实践，人们认识到太阳能热利用是投资少、见效快、经济实用、节能减排，实现我国能源替代的一个好产业，国家也正大力扶持和支持，学校、宾馆、饭店、洗浴中心纷纷建设太阳你洗浴系统，太阳能热水器的市场存在扩大空间。新农村建设与建筑节能也为太阳能热水器的应用推广带来机遇。但是市面上绝大多数的控制器结构简单，功能单一，智能化程度
4、低下，用户界面不人性化，只具有水位显示功能，不具有温度显示功能。并且当水位加到一定的程度的时候也没什么措施，只能通过手动的方法来控制水位的高度。因此根据以上要求为核心，开发出一种太阳能热水器智能控制系统，解决了目前市面上太阳能热水器控制系统存在的问题。第二章 设计目的与设计思路2.1 设计目的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。 2.2 设计要求1、能够根据水位和水
5、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（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、用水时若水温达不到设置值时，可手动起动加热装置，这样可在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。2.3 设计思路水位由潜入储水容器不同深度的水位电极和潜入容器底部的公共电极（导线）检测；并由四个绿色 LED 发光二极管显示：若无水则绿灯不亮；若有四分之一储水箱的水亮一盏绿灯；通过观察绿灯点亮的数量
6、可识别水位的高低，这里取 5 段显示，也可根据需要进行增减。水温由四个 LED 数码管显示，前三个数码管显示的为温度最后一个数码管我们只用到了四段码显示为温度的符号 C，水温有效值最多可显示为 99.9。第三章 太阳能控制系统的组成及工作原理3.1 控制系统的组成系统组成 ： 本系统主要由控制器、自动控制阀、手动控制阀、水位检测电极、水温检测传感器、电阻加热丝、储水箱等组成。(1) 控制器：主要通过里面的电磁阀控制 YV1 和 YV2 的通断，控制水温检测传感器检测水温、控制水位检测传感器检测水在水箱中的位置以及控制电阻加热丝加热。(2)自动控制阀：主要通过控制器控制，当水箱中的水的实际温度大
7、于所设置的温度时，自动阀就自动打开往水箱中上水，直到上到上一个目标水位为止。 (3)手动控制阀：当自动阀损坏时，可以通过手动阀进行上下水。(4)水位检测电极：主要用来检测水箱中水的位置，主要把水箱分成四等分，一共有五个电极，接地的电极放在最水箱的最底下，其余分别放在四等分点上，比如当水箱中的水在第一等分和第二等分之间，则显示水箱中有四分之一的水，当超过第二等分，则显示二分之一的水。(5)水温检测传感器：主要用来检测水箱中水的实际温度。(6)电阻加热丝：主要用来加热水箱中水，使其达到用户所需要的温度。 系统组成示意图系统组成示意图图 2-1 系统组成示意图太阳能热水器利用微机控制主要有以下几种控
8、制功能：晨水加热控制、温水循环控制、冷水集热控制、水箱加热控制。（1）早晨水温控制由于清晨太阳光较弱，所以太阳能热水器从系统发挥作用。为了提供温度不低于 30 摄氏度的水，热水器在清晨 4-7 点之间对水箱进行电加热，具体控制过程如下：首先，关闭冷水阀门 F2 和循环水阀门 F1，然后微机开始进行水箱的温度采集，同时进行温度的比较，当水箱的温度小于 30 摄氏度时，电热器 D 接通进行加热，同时微机继续对热水箱的温度进行采集。当温度加热到大于 30 摄氏度时电热器断开，如此反复循环保证了温度的稳定。（2）循环水集热过程早晨水温控制之后（79 点） ，设定当日的水箱温度 N（由两位 BCD 次齿
9、轮开关设定） ，输入微机，再利用微机控制系统，通过太阳光能对热水箱加热以达到理想温度 N。具体控制过程如下：打开循环阀门 F1，关闭冷水进水阀门 F2，热水阀门 F3 处于空控状态。然后开始比较温度，若（T3-T15 摄氏度，T2T1 ）为止。如若 T1=N，那么循环水集热过程结束，进入冷水集热控制过程。（3）冷水集热控制此时热水箱温度已达到了 N，冷水要进入太阳能集热器，这时温度为 T3，和当日的设定温度值相比较，若 T3N 则将已加热的水送入热水箱，每天的控制时段大概为 9 点20 点。具体控制过程如下：关闭循环水阀门 F2，打开冷水阀门 F2，热水阀门 F3 处于可控状态。若T3N，打开
10、热水阀门 F3 并将保持一段时间，若 T3N 阀门 F3 继续保持打开状态，否则关闭 F3。可见，次过程充分利用太阳光能转化为热能，方便快捷。（4）水箱加热控制此时，也许你会问如果没有日照或者日照较弱时，到了晚上我们是否还能洗上热水澡吗？答案是肯定的，不要忘了这款热水器还有一个从系统，这时它就要发挥作用了。热水箱温度为 T1，将它和设定值 N 相比较，从而控制是否打开电加热，控制时段为下午，具体过程如下： 若T1N，电加热接通；否则，电加热断开，而且，15点20点中的每个小时有下表的关系：表一 温度比较时间（时） 温度比较 加热值（度）15 T135N 3516 T140N 4017 T145
11、N 4518 T150N 5019 T155N 5520 T160N 60最终热水箱的温度加热到设定值 N。由此可见，即使没有日照我们照样可以洗上热水澡了。综上所述，太阳能供热控制系统不仅节约而且高度只能化，方便省事，不论日常家居，还是对宾馆、学校等都是最佳选择。3.2 控制装置的工作原理本控制系统分为手动和自动两种控制方式，在系统处于自动状态下，当检测温度高于设置温度，且水位未达到最高时，控制器打开电磁水阀 YV1 和YV2 进行上水，同时点亮上水指示灯，当水位上至上一目标水位时，自动停止上水（即关闭电磁水阀 YV1 和 YV2） ，若水箱内无水，则自动上水至最低水位处。在系统处于手自动状态
12、下，可自由上水或停止上水（上水时水箱水位必须未满） ，若水位达到最高则自动停止上水；若需要启动加热器则必须先设定加热温度，然后按下加热键进行加热；若需洗浴时，则需打开手动阀 YV4，系统自动打开电磁水阀 YV2，可通过 YV5 自由调节水温；当电磁水阀 YV1 和 YV2 损坏或停电时，可通过打开 YV5 和 YV6 进行上下水解决燃眉之急；此系统设置YV3 是为了防止冬天气温过低引起水管因内有积水而冻裂（即手动打开此阀放完水管中的积水）第四章 硬件电路设计4.1 检测电路设计 水温检测电路设计水温检测电路本设计温度传感器选用 AD590。AD590 属于半导体集成电路温度传感器，测温范围-5
13、5 - +150，在其二端加上一定的工作电压，其输出电流与温度变化成线性关系，1uA/K，误差有几种等级:1、0.5、0.3，本设计中选取0.5品种。OP07 为高精度运算放大器，AD590 电流流经 R1、RP1 转换为电压信号，R2 、 RP2 为运算负反馈电阻，成反相比例放大器，将温度信号转换成0-5V 的电压信号，ADC0832 再将其转换为数字信号，输入 CPU。控制器的操作使用方式自然合理。S1 用来切换操作状态。控制器有“直接控制”和“ 参数修改”两种工作状态。按 S1 键显示“00” ，控制器进入 “直接控制”状态，显示“01”、“02”、 “03”、 “04”分别表示“设定水
14、位上限”、 “设定定时上水时间 ”、 “设定定时加热时间”、 “设定加热温度”。进入“参数修改 ”状态后， S2、S3 用来修改规定的参数，S1 接受本次修改，并切换到下一个参数，S4 取消本次修改。进入“直接控制”后，S2 用来手动上水，S3 用来手动加热， S4 用来停止加热或上水;若水位已经超过设定水位上限，或水温已经超过设定温度， “直接控制” 将不起作用。设定水位上限：控制器可以监测 6 个水位，上限水位可以由用户设置，水位上限设置范围为位置 3、4、5、6。设定定时上水时间：每天在规定时间检查水位，并上满。若设定时间为00 或大于等于 24，则取消自动定时上水。设定定时加热时间：每
15、天在规定时间检查水温，若水温低于设定温度，则接通电加热器，将水温加热到设定温度。若设定时间为 00 或大于等于24，则取消自动定时加热。设定加热温度：定时加热温度也可以由用户设定，可设定范围为2060。水位检测电路设计实验证明，纯净水几乎是不导电的，但自然界存在的以及人们日常使用的水都会含有一定的 Mg2+、 Ca2+等离子，它们的存在使水导电。本控制装置就是利用水的导电性来完成的。我们把储水箱大致分为四个等份，水位由潜入太阳能热水器的储水箱不同深度的水位电极和潜入储水箱底部的公共电极（导线）进行检测；由单片机依次使各水位电极呈现高电平，由公共电极所接的三极管进行电位转换，水位到达的电极，转换
16、电位为低（0） ；水位没有到达的电极，转换电位为高（1） ；每水位检测电路检测一位便得到一位数据，5 个电极检测一遍以后便得到了 5 个串行数据，然后把这 5 个数据转化为字节一路送发光二极管；在这里我们可以用发光二极管亮的盏数来显示水位的高低。 （若没有发光二极管亮则表示箱内没有水或者只有少量的水，若有一个发光二极管灯亮则表示箱内有四分之一箱的水，以此类推，若有四个发光二极管亮，则表示水箱水是满的。 ）当水位未达到 a 时，即 ha 时、这时传感器的总阻值 为 4R，对应，系统处于缺水状态。当 a hb 时，传感器电阻阻值 为 3R，对应，系统处于 20%水位。当 b hc 时，传感器电阻阻值 为 2R，对应，系统处于 50%水位。当 c hd 时，传感器电阻阻值 为 R，对应，系统处于 80%水位。当 h=d 时，传感器电阻阻值 为 0，对应，系统处于 100%水位。其中，环形振荡器产生的方波周期 T（或 f）可通过单片机 P87LPC744BN 的两个定时/计数器（T0、T1）来确定，T1 用来计数，T0 用来定时。4.2 驱动电路设计在单片机控制系统中，需要用开关量去控制和驱动一些执行元件，如发光二极管、继电器、电磁阀、晶闸管等。但 AT89S51 单片机驱动能力有限，且高电平比低电平驱动低那六小。一般情况下，需要加驱动接口电路，且用低电平驱动。如图所示
