家用太陽能熱水器智能控制系統(tǒng).doc

學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）摘要I摘要如何很好的節(jié)約和利用能源，特別是可持續(xù)能源，一直是人類所面臨的問題。所以研究智能化家庭住宅里的能源如何被更有效地節(jié)約和利用，也有著十分現(xiàn)實和長遠(yuǎn)的意義。而家用太陽能熱水器就是一個節(jié)約能源，有效利用能源的典型。該太陽能熱水器智能控制系統(tǒng)主要是由AT89C51單片機(jī)控制、DS18B20溫度傳感器、獨立鍵盤、LED數(shù)碼管和報警系統(tǒng)五大部分組成。該系統(tǒng)能測量并顯示水溫、設(shè)置水溫的范圍，如果水溫不處于所設(shè)置水溫的范圍則報警。同時還能對水位進(jìn)行設(shè)置及加水，預(yù)先設(shè)置好需要加水的水位段數(shù)，單片機(jī)會根據(jù)這個數(shù)來進(jìn)行判別是否需要加水。通過Protues軟件仿真以上所述的功能都能正常實現(xiàn)。關(guān)鍵詞太陽能熱水器，傳感器，AT89C51，溫度控制，水位控制學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）ABSTRACTIIABSTRACTToeconomizeandutilizeenergyresource,especiallythelastingenergyresource,isaproblemthathumankindhasfaced.Soitissorealisticandsignificanttoresearchhowtoeconomizeandutilizeenergyresourceishomeusing.AndtheSolarHeaterisagoodexampleineconomizingandutilizingenergyresource.Thedesignofsolarwaterheatersintelligentcontrolsystemismainlycomposedofsingle-chipAT89C51,DS18B20temperaturesensor,anindependentkeyboard,LEDandalarmsystem.Thesystemcanmeasureanddisplaywatertemperature,settherangeofwatertemperature,ifthewatertemperatureisnotintherangeofsettingtemperatureisalarming.Atthesametime,youcansetthewaterlevelandaddwater,first,needtosetupthewaterlevelabovethewater,single-chipwilldeterminewhetheraddthewaterornotaccordingtothenumber.TheusesofProtuessoftwarecanimitablecometruethefunctions.KeywordsSolarEnergyHeater,Sensor,AT89C51,TheTemperatureControl,TheControlofWaterLevel學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）目錄1目錄摘要IABSTRACTII1緒論12太陽能熱水器介紹22.1太陽能熱水器的概述22.2太陽能熱水器的分類22.3我國太陽能熱水器發(fā)展歷史33系統(tǒng)方案設(shè)計43.1方案一43.2方案二43.3方案比較44硬件設(shè)計64.1AT89C51介紹64.2測溫電路設(shè)計84.3水位監(jiān)測電路設(shè)計124.4鍵盤電路設(shè)計134.5顯示電路設(shè)計174.6加熱和加水電路的設(shè)計194.7報警電路設(shè)計214.8電源電路設(shè)計225軟件設(shè)計235.1程序設(shè)計分析235.2程序流程圖236仿真及調(diào)試246.1程序編譯246.1.1KEILC51介紹246.1.2編譯過程246.2電路仿真25結(jié)論27參考文獻(xiàn)28附錄A：電路仿真圖29附錄B：源程序30致謝37學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）1緒論11緒論隨著全球人口和經(jīng)濟(jì)的不斷增長，能源使用帶來的環(huán)境問題及其誘因逐漸為人所認(rèn)識，“低碳經(jīng)濟(jì)”這一概念開始進(jìn)入人們的視野。人們在大力發(fā)展太陽能產(chǎn)業(yè)。能源問題將更為突出：（1）從長遠(yuǎn)來看，全球已探明石油儲量只能用到2020年，天然氣也只能延續(xù)到2040年左右，即使儲量豐富的煤炭資源也只能持續(xù)二三百年。（2）環(huán)境污染。（3）溫室效應(yīng)引起全球氣候變化。因此，人類在解決上述能源問題，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進(jìn)步，大規(guī)模開發(fā)利用可再生潔凈能源。太陽能具有：（1）儲量的“無限性”。（2）太陽能對于地球上的絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。（3）開發(fā)利用時幾乎不產(chǎn)生任何污染。鑒于此，太陽能必將在世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換中擔(dān)綱重任，成為理想的替代能源。在世界范圍內(nèi)，太陽能熱水器技術(shù)已經(jīng)很成熟，并已形成行業(yè)，正在以優(yōu)良的性能不斷的沖擊電熱水器市場和燃?xì)鉄崴魇袌觥?000年太陽能熱水器取代47000套家用電熱水器；2000年日本太陽能熱水器的擁有量將翻一番；以色列更是明文規(guī)定，所有新建房屋必須配備太陽能熱水器。目前，我國是世界上太陽能熱水器生產(chǎn)量和銷售量最大的國家。能源問題與安全問題是現(xiàn)代社會各界普遍關(guān)注的焦點之一。目前市場上存在三種樣式的熱水器：電熱水器、燃?xì)鉄崴骱吞柲軣崴?。近年來，在一氧化碳中毒事故中，由燃?xì)鉄崴髟斐傻募s占1/3；電熱水器的大規(guī)模用電，并不能給人們的正常生活帶來便利，作為后來者的太陽能熱水器，因其安全性好、節(jié)能、綠色環(huán)保等優(yōu)點，近幾年呈現(xiàn)出爆發(fā)式的發(fā)展趨勢。選擇太陽能熱水器這個課題，可以讓我更好的認(rèn)知可持續(xù)發(fā)展問題，看清目前的能源現(xiàn)狀，以及各國在節(jié)能能源上的措施，在太陽能革新上運用的新技術(shù)。此外，太陽能熱水器已經(jīng)走進(jìn)千家萬戶，控制系統(tǒng)是太陽能的核心，可以盡可能做到節(jié)能環(huán)保，作這樣一個設(shè)計，不僅可以考察自己大學(xué)四年的專業(yè)課的理論與動手實踐能力，產(chǎn)品也具有一定的市場前景。學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）2太陽能熱水器介紹22太陽能熱水器介紹2.1太陽能熱水器的概述太陽能熱水器把太陽光能轉(zhuǎn)化為熱能，將水從低溫度加熱到高溫度，以滿足人們在生活、生產(chǎn)中的熱水使用。太陽能熱水器是由全玻璃真空集熱管、儲水箱、支架及相關(guān)附件組成，把太陽能轉(zhuǎn)換成熱能主要依靠玻璃真空集熱管。集熱管受陽光照射面溫度高，集熱管背陽面溫度低，而管內(nèi)水便產(chǎn)生溫差反應(yīng)，利用熱水上浮冷水下沉的原理，使水產(chǎn)生微循環(huán)而達(dá)到所需熱水。2.2太陽能熱水器的分類（1）從集熱部分來分：真空玻璃管太陽能熱水器：目前吸熱效率最高的集熱部分，優(yōu)點在于不需要在集熱部分在增加保溫層，而且現(xiàn)在的真空玻璃管無論在抗高溫，抗打擊和保溫上，性能都是一流的，也被絕大部分太陽能熱水器生產(chǎn)廠家所采用。其缺點在于體積比較龐大，管中容易集結(jié)水垢。金屬平板太陽能熱水器：是在傳熱性能極佳的金屬片上，覆蓋上吸熱涂層，利用金屬的傳熱性，將吸收的熱量傳于水箱中。其有點是外觀美觀，安裝方便，可以做成平板，而且不容易損壞。缺點在于：保溫要花很大的代價，成本高，間接的就是增加消費者負(fù)擔(dān)。（2）從結(jié)構(gòu)分：普通式太陽能熱水器：就是將真空玻璃管直接插入水箱中，利用加熱水的循環(huán)，使得水箱中的水溫升高，這是目前廠家都采用的。也是一只流行到現(xiàn)在的最常規(guī)的熱水器。一般改類熱水器只有頂層能用，除非頂層用戶和你樓下的關(guān)系特鐵，而且屋頂?shù)拿娣e是有限的。分體式熱水器：分體式熱水器是為了解決不是頂層用戶也能使用太陽能熱水器而誕生的。分體式循環(huán)有2種，一種是靠水的自然循環(huán)，這種熱水器熱交換效率很低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用水要求；另一種是靠泵循環(huán)熱交換，這也是為了解決自然循環(huán)效率低的問題，使用泵循環(huán)，可以明顯改善水的熱交換。（3）從水箱受壓來來分：承壓式太陽能熱水器：目前，無論是哪一種分體式熱水器，都有一個致命的缺點，必須使用承壓式水箱，這是所有分體式熱水器的基本思路，這就直接考驗?zāi)愕募療岵糠值拿芊庑阅?；還有制造承壓水箱成本極高，也存在安全性問題，一般要求耐壓7個大氣；而且循環(huán)效果不是很理想。雖然解決了水的循環(huán)問題和使用水時的方便性。非承壓式太陽能熱水器：目前裝在屋頂?shù)钠胀ㄌ柲軣崴鞫际菍儆诜浅袎菏綗崴?，它的水箱有一根管子與大氣相通，是利用屋頂和家里的高度落差，使學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）2太陽能熱水器介紹3用水時產(chǎn)生壓力。其安全性，成本，使用壽命都比承壓式要顯著得多。2.3我國太陽能熱水器發(fā)展歷史我國自78年引進(jìn)全玻璃真空集熱管樣管以來，經(jīng)過20多年努力，攻克了熱壓封等許多技術(shù)難關(guān)，已經(jīng)建立了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)代化全玻璃真空集熱管產(chǎn)業(yè)，用于生產(chǎn)集熱管的磁控濺射鍍膜機(jī)已有745臺，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到世界先進(jìn)水平，產(chǎn)量雄居世界首位。1978年中國誕生第一臺太陽能熱水器，到1986年臥式磁控濺射鍍膜機(jī)的設(shè)計制造，是在政策扶持下的研究開發(fā)階段。1987年，我國制造了第一支全玻璃真空集熱管。在之后的幾年里，全玻璃和熱管式真空管集熱器實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到中試水平，為下一階段產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；於肆己玫幕A(chǔ)，成為產(chǎn)業(yè)的孕育發(fā)展階段。1993年太陽能產(chǎn)業(yè)進(jìn)入初級發(fā)展階段：由于成果轉(zhuǎn)化需要很長一段時間的磨合，特別是受技術(shù)人員缺乏的影響，此階段的產(chǎn)品質(zhì)量有待于進(jìn)一步提高，整體來講，發(fā)展速度較為緩慢。這時候以山東力諾集團(tuán)為主的真空管生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品占了真空管生產(chǎn)絕大部分市場。1997-2001年太陽能產(chǎn)業(yè)得到高速發(fā)展，逐漸形成北京、魯東、泰安、揚(yáng)州、海寧等5個產(chǎn)業(yè)基地，并以此向周圍不斷輻射，產(chǎn)能得以迅速提升。繼2004年，太陽雨將中國的真空管太陽能產(chǎn)品第一次帶出國門，到2008年上半年出口80個國家、銷量繼續(xù)以兩倍速增長，力諾瑞特、桑樂、皇明等中國太陽能光熱行業(yè)的龍頭企業(yè)們也紛紛進(jìn)軍國際市場。除這些龍頭企業(yè)外，以生長于常州和浙江一帶為代表的部分中小企業(yè)，也在循著早年“浙商”闖蕩世界的模式，攜真空管產(chǎn)品的獨有優(yōu)勢和他們慣有的的低價思維，早已經(jīng)“漂洋過?！?，在國際太陽能光熱市場上形成了一定的沖擊力；還有一些原來只專注于國內(nèi)市場的企業(yè)，也開始參加廣交會或不惜成本參加國外的一些專業(yè)性展會，以尋求在國際市場分得一杯羹。學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）3系統(tǒng)方案設(shè)計43系統(tǒng)方案設(shè)計3.1方案一系統(tǒng)溫度采集選用PTl000鉑電阻溫度傳感器，PT100是鉑熱電阻，阻值隨溫度變化而改變。PT后的100表示它在0時阻值為100歐姆，在100時它阻值約為138.5歐姆。工業(yè)原理：當(dāng)PT100在0的時候他的阻值為100歐姆，阻值會隨著溫度上升成勻速增漲。采集的電壓信號經(jīng)集成運放LM324放大到2.O一5.0伏，轉(zhuǎn)換結(jié)果由單片機(jī)處理。水位檢測采用XYC-1型壓力水位變送器進(jìn)行液位值連續(xù)采集。XYC-1型壓力式液位變送器內(nèi)部采用進(jìn)口高精度擴(kuò)散硅敏感元件作為測量元件，敏感測量元件封裝在全不銹鋼探頭里，通過高強(qiáng)度防水通氣電纜與外部放大電路連接，采用直接驅(qū)動四位七段數(shù)碼管顯示，通過獨立式鍵盤進(jìn)行溫度和水位控制，通過軟件手段實現(xiàn)按鍵消抖。報警電路由一個蜂鳴器構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單。加熱部分采用光電隔離與輔助加熱電路。3.2方案二系統(tǒng)的溫度采集選用采用溫度傳感器DS18B20，它是美國Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20，它支持“一線總線”接口的溫度傳感器，全部傳感元件及轉(zhuǎn)化電路集成在形如一只三極管的集成電路內(nèi)。我們可以采用DS18B20采集溫度，再進(jìn)行溫度數(shù)值轉(zhuǎn)化，再在顯示電路上顯示。外圍電路只需通過DS18B20進(jìn)行接收溫度，一個顯示電路，一個報警電路。軟件部分只需要采集溫度，對溫度進(jìn)行轉(zhuǎn)換，再用顯示電路將其顯示出來。很明顯，環(huán)境對DS18B20影響不是很大，同時DS18B20的測量精度穩(wěn)定并可用軟件設(shè)置，接線簡單，大大的為單片機(jī)節(jié)省了數(shù)據(jù)口。3.3方案比較本設(shè)計主要是從溫度傳感器進(jìn)行考慮。傳統(tǒng)的測溫元件有熱電偶和熱電阻，但它們測出的一般都是電壓，再轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的溫度，需要較多的外部硬件，電路及軟件的調(diào)試較為復(fù)雜，制作難度高。從以上兩種方案中，很容易看出采用方案二所設(shè)計的電路相對來說較為簡單，采用一種智能溫度傳感器DS18B20作為檢測元器件，測溫范圍-55125，分辨率最大可達(dá)0.0625。DS18B20可以直接讀出被測溫度值。采用3線制與單片機(jī)相連，減少了外部硬件電路，具有低成本和易使用的特點。學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）3系統(tǒng)方案設(shè)計5本設(shè)計對水位檢測要求不高，只須知道大概水位就可以了，因此從功能、材料、價格多方面考慮，只需用水位傳感器檢測出水位段即可。綜上所述，最終決定采用方案二作為設(shè)計方案。本設(shè)計方案系統(tǒng)可由主控制器（AT89C51）、顯示電路、測溫器件（DS18B20）、抽水電動機(jī)、發(fā)光二極管報警、按鍵、水位顯示組成。總體結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1所示：圖3.1總體設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）4硬件設(shè)計64硬件設(shè)計4.1AT89C51介紹AT89C51是帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（EPEROM）的低電壓、高性能CMOS8位微處理器（俗稱單片機(jī)）。該單片機(jī)與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的M