太陽能熱水器控制裝置本科畢業(yè)論文

1、摘摘 要要 隨著新世紀人類的發(fā)展，節(jié)能環(huán)保成為了二十一世紀的關鍵詞，能源危機 環(huán)境污染成為全球性的危機，清潔能源與可再生能源成為人們最關注的主題。 太陽能取之不盡、用之不竭、干凈且無污染，因此，積極鼓勵太陽能的應用具 有非常大的意義。本文將設計一種適合于家用、高性能的太陽能熱水器控制裝 置，實現(xiàn)多種自動化功能，使用方便、人性化。該設計綠色環(huán)保，符合國內(nèi)低 碳經(jīng)濟，具有可持續(xù)發(fā)展性。這一設計將鼓勵太陽能熱水器更廣泛的使用，從 而推動低碳能源的利用，環(huán)保節(jié)能。 本論文在介紹傳感器、單片機、時鐘芯片的特點基礎上，詳細描述了太陽 能熱水器的工作原理和設計方案。這里根據(jù)太陽能熱水器對控制器的要求，提 出

2、了以 atmeg16 單片機為檢測控制核心，結合 sd2200 實時時鐘，控制水溫 水位的定時設定，并利用液晶顯示屏實時顯示時間、溫度、水位等信息，五個 按鍵可以實現(xiàn)對水溫和水位的設定。 全文分三大部分。第一部分包括第一章，描述太陽能的應用意義和前景發(fā) 展狀況，并將太陽能熱水器與燃氣熱水器等做出相應的比較，突出太陽能熱水 器的優(yōu)勢與更廣闊的發(fā)展前景。第二部分包括第二章，描述太陽能系統(tǒng)組成及 本設計的相應技術指標和要求。第三部分包括第三、四章硬件設計及電路原理 和軟件設計，分別介紹了單片機的結構與要求，溫度傳感器的特點及應用、水 位檢測結構的原理，以及顯示器的結構等等，都是此款太陽能熱水器的理論

3、基 礎和必要前提。 關鍵詞： 太陽能熱水器 單片機 溫度傳感器 實時時鐘 abstract with the development of human race during the new century, energy conservation and environmental protection becomes one of the most important things in 21st century. clean and renewable energy sources are stepping on to the stage of the new century. as a

4、 result, it would be of great significance to use solar energy which is both clean and inexhaustible in certain areas. this paper proposes a design of a smart solar water heater controller which could realize several kinds of automatic functions to make the use more convenient and humanized. i belie

5、ve that this design of smart controller would encourage the use of solar water heater. on the basis of the introduction to the solar energy, sensor and sim, this paper gives the detail information of the working principle of solar water heater and also describes the design scheme. according to the c

6、haracteristics of the controller and the function of the solar water heater, the controller is based on atmega16, sd2200, and lcd, realizing the function of real time display to show the value of temperature and water level. moreover, users could set the temperature and the water level by 6 differen

7、t bottoms on the controller. this article is divided into 3 parts. part one includes chapter 1 introducing the use and perspective of solar energy. part two includes chapter 2 and 3 and describes the structure and use of solar water heater. part three, including chapter 3 and chapter 4, introduces t

8、he design of hardware and software and the theory of the circuit as well. all of the theories above make up of the foundation of this design of smart solar water heater controller. key words： solar water heater temperature sensor real clock scm 目錄 第一章第一章 緒論緒論.- 1 - 1.1 國際太陽能熱水器的發(fā)展現(xiàn)狀.- 1 - 1.2 中國太陽能熱

9、水器行業(yè)的發(fā)展概況.- 3 - 1.3 太陽能熱水器的應用及其意義.- 4 - 1.4 論文的主要工作.- 6 - 第二章第二章 太陽能熱水器的結構及工作原理太陽能熱水器的結構及工作原理.- 8 - 2.1 太陽能熱水器綜述.- 8 - 2.2 太陽能熱水器智能控制裝置的主要功能.- 9 - 2.3 太陽能熱水器智能控制器的主要技術指標.- 11 - 2.3.1 溫度檢測.- 11 - 2.3.2 水位檢測.- 11 - 2.3.3 可控水泵和熱泵.- 11 - 第三章第三章 太陽能熱水器智能控制器的硬件設計太陽能熱水器智能控制器的硬件設計.- 13 - 3.1 太陽能熱水器的基本控制原理.-

10、 13 - 3.3 溫度檢測部分.- 17 - 3.3.1溫度傳感器ds18b20簡介.- 17 - 3.3.2 ds18b20與單片機接口.- 19 - 3.3.3 ds18b20工作時序.- 19 - 3.3.4溫度標定與精度處理.- 21 - 3.3.5 ds18b20溫度傳感器的多點測量.- 22 - 3.4 時鐘電路部分.- 22 - 3.4.1 sd2200系列實時時鐘芯片簡介.- 22 - 3.4.2 sd2200的工作原理.- 23 - 3.4.3時鐘芯片與單片機接口電路.- 24 - 3.4.4時鐘芯片的工作時序.- 24 - 3.5 水位檢測部分.- 26 - 3.5.1

11、水位檢測原理.- 26 - 3.5.2 水位檢測裝置.- 26 - 3.6 鍵盤電路部分.- 28 - 3.6.1 鍵盤電路.- 28 - 3.7 顯示器部分.- 28 - 3.7.1 顯示器lcm12864zk簡介.- 28 - 3.7.2 顯示器與單片機接口電路.- 29 - 第四章：太陽能熱水器控制器的軟件設計第四章：太陽能熱水器控制器的軟件設計.- 31 - 4.1 主程序設計.- 31 - 4.2 輔助熱源啟動子程序.- 33 - 4.3 溫度檢測子程序.- 34 - 4.3.1 ds18b20溫度顯示.- 34 - 4.3.2 ds18b20子程序流程圖.- 35 - 4.3.3

12、ds18b20多點測量.- 36 - 4.4 顯示子程序.- 36 - 總總 結結.- 38 - 附附 錄錄.- 40 - 致致 謝謝.- 51 - 第一章 緒論 1.1 國際太陽能熱水器的發(fā)展現(xiàn)狀 太陽能熱利用，以其易于實現(xiàn)而在世界各地得到迅速發(fā)展，應用規(guī)模越來 越大。在歐洲，過去 10 年來太陽能熱水器的增長率一直保持在 18左右，預 計未來十年增長率會達到 20%。歐盟提出到 2010 年安裝 1 億平方米太陽能熱 水器的規(guī)劃，歐洲太陽能學會預算 2020 年歐洲太陽能熱水器應用高達 14 億平 方米。但歐洲的太陽能熱水器行業(yè)發(fā)展與中國有許多不同。 中國的太陽能熱水器市場發(fā)展很快，總的保

13、有量和年生產(chǎn)能力世界第一。 但主要是以真空管直插式的簡易產(chǎn)品為主，工程也以非承壓單循環(huán)為主。而歐 洲以平板式承壓雙循環(huán)為主，且多以生活熱水和采暖相結合的復合系統(tǒng)，很少 以單一熱水供應為主，并且產(chǎn)業(yè)化 水平已到了非常高的地步，這是中國太陽 能行業(yè)望塵莫及的。在中國有一種普遍的點，真空管熱水器是平板熱水器的換 代產(chǎn)品，將最終全面取代平板熱水器。這種說法過于偏激，應該說在像真空管 直插式這種低端產(chǎn)品上，真空管配不銹鋼非承壓水箱確實比平板熱水器具有相 當?shù)膬?yōu)勢，但在分體式與建筑結合特別是與采暖配套的大型工程應用上，平板 還具有相當強的優(yōu)勢。這類系統(tǒng)還特別適合承壓應用，這兩種產(chǎn)品在今后很長 一段時問內(nèi)會

14、同時存在，不存在誰替代誰的問題。當然真空管熱水器的增長率 會高于平板熱水器，但由于平板熱水器在世界的普及率很高，在奧地利和荷蘭， 接近 100的太陽能熱水系統(tǒng)是平板，真空管產(chǎn)品在國外市場的普及還需相當 長的時問。 中國的太陽能廠家追求全面，主要生產(chǎn)廠家不僅生產(chǎn)水箱、支架還生產(chǎn)真 空管，而歐洲生產(chǎn)廠商分工很細、很專業(yè)。生產(chǎn)廠商只專做某一部件， 如 green one tec 專做平板集熱器，為歐洲最大的平板集熱器制造商，而水 箱則由專業(yè)的水箱制造商制作。中國企業(yè)追求大而全， 想所有的錢自己賺， 怕被別人賺錢，國外企業(yè)賺自己認為應該賺的錢。 而這種專業(yè)化的分工便于 各個廠家將產(chǎn)品做細做精， 所以歐

15、洲產(chǎn)品的工藝水平是中國產(chǎn)品在短時問內(nèi) 很難達到的。 中國太陽能市場運作主要是以制造商發(fā)展經(jīng)銷商，以專賣店形式銷售產(chǎn)品。 制造商不僅制造產(chǎn)品還負責市場及品牌運作、工程安裝和售后服務。而歐洲的 太陽能市場與中國有很大的區(qū)別，他們的運作方式般如下： 制造商負責提供質(zhì)優(yōu)價廉的產(chǎn)品；系統(tǒng)集成商負責系統(tǒng)的開發(fā)、設計、試驗及 推廣（自己的品牌）及安裝公司的人員培訓；安裝公司( 相當于經(jīng)銷商) 負責 銷售、安裝及售后服務。中國太陽能市場運作方式與中國的真空管直插式產(chǎn)品 的結構與安裝方式有關。真空管直插式產(chǎn)品結構簡單、安裝方便，安裝工人不 需太多的專業(yè)知識，經(jīng)銷商自己很容易解決安裝及售后服務問題。這一市場運 作

16、方式對中國初期的太陽能市場做了很大貢獻。 這樣的好處是使營銷渠道扁 平化，減少中間環(huán)節(jié)，降低了市場運作成本。制造商直接面對消費者，面對終 端用戶，便于掌握市場的變化和需求。 而這一運作方式的弊端在目前已逐漸 呈現(xiàn)， 限制了先進的熱水器系統(tǒng)的應用與推廣。因為即便像清華陽光至尊 1+1 及力諾的分體式熱水中心這種已經(jīng)簡化得不能再簡化的熱水系統(tǒng)， 也需 要經(jīng)銷商具有較高的專業(yè)安裝技能及售后服務能力。如果再與建筑及采暖結合， 則更不可能是一個普通經(jīng)銷商所能完成的。而生產(chǎn)企業(yè) 自己到全國各地去安 裝及售后服務則更不現(xiàn)實。這就最終導致先進但比較復雜的熱水系統(tǒng)很難得到 推廣普及 1 。 中國的太陽能產(chǎn)品開發(fā)

17、主要由各個制造廠的技術部負責，各自為政，包括 工程系統(tǒng)應用也是如此。由于各個廠所能聘用的專業(yè)研發(fā)人員數(shù)量和質(zhì)量有限， 導致了中國太陽能的利用從“殷自強” 發(fā)明真空管以后這么多年再也沒有大 的突破。中國以前也有一些國營的太陽能研究所，但大多由于體制問題及研發(fā) 向與市場嚴重脫節(jié)而解體或即將解體。 而歐洲主要由一些專業(yè)的系統(tǒng)集成商 及工程設計公司進行新產(chǎn)品的研發(fā)、 系統(tǒng)的設計以及與建筑及其他系統(tǒng)的結 合，由他們提出設計要求，由生產(chǎn)廠家制作完成，制造商只負責工藝及產(chǎn)品的 完善， 這樣就 便于整合整個國家甚至歐洲的技術優(yōu)勢進行產(chǎn)品及系統(tǒng)的開發(fā)。 1.2 中國太陽能熱水器行業(yè)的發(fā)展概況 中國的太陽能熱水器

18、行業(yè)是名副其實的本土行業(yè)，是國內(nèi)為數(shù)不多的擁有 自主知識產(chǎn)權的產(chǎn)業(yè)之一。從產(chǎn)生到技術研發(fā)，到市場培育沒有任何外力介入， 完全由國內(nèi)需求拉動而成。國內(nèi)最早的太陽能熱水器產(chǎn)生于二十世紀五、六十 年代，當時的太陽能熱水器是悶曬式，簡單樸實，七、八十年代發(fā)展為平板式 及直管式。到了二十世紀九十年代，清華陽光的殷志強教授發(fā)明真空玻璃管技 術，并推廣使用，中國的太陽能熱水器從此進入真空管時代。從最初的大錘加 榔頭的制造手段，發(fā)展到現(xiàn)在的部分自動化，所有涉及這一領域和產(chǎn)品的發(fā)展， 都是依靠企業(yè)的推廣和科研院所教授的執(zhí)著追求，造就了我國太陽能產(chǎn)業(yè)的規(guī) ?；瘮U張。中國太陽能熱水器的年生產(chǎn)量是歐洲的 2 倍，北美

19、的 4 倍，現(xiàn)已成 為世界上最大的太陽能熱水器生產(chǎn)國和最大的太陽能熱水器市場。 中國的太陽能熱水器市場經(jīng)過幾年的培育，已經(jīng)步入快速發(fā)展期。2009 年太陽能熱水器“下鄉(xiāng)”是太陽能熱水器行業(yè)的一件大事，標志著太陽能熱水 器得到國家認可，我國太陽能熱水器行業(yè)已邁入新的時代。太陽能熱水器“下 鄉(xiāng)”正式開標意味著太陽能熱水器行業(yè)得到了政策支持，太陽能熱水器“下鄉(xiāng)” 如一縷春風，使整個行業(yè)煥發(fā)強大的生命力。農(nóng)村市場是太陽能熱水器的主要 銷售市場，太陽能熱水器的銷售 70%在農(nóng)村，而隨著新農(nóng)村建設的推進，使 用環(huán)保、潔凈能源意識的推廣，太陽能熱水器在農(nóng)村仍有廣闊的空間。城市市 場中，隨著壽命到期熱水器產(chǎn)品

20、更新浪潮的到來，節(jié)能環(huán)保意識的深入，城市 的太陽能熱水器潛在消費量將逐步顯現(xiàn)。未來 5-10 年中國太陽能熱水器市場 保有量仍將保持 20%-30%的增長率。 目前中國太陽能熱水器行業(yè)缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標準，行業(yè)門檻較低，產(chǎn)品整 體技術含量低，生產(chǎn)廠家多達 5000 余家，魚目混雜。整個行業(yè)處于“行業(yè)大、 企業(yè)小，數(shù)量多、規(guī)模小”的尷尬格局。行業(yè)內(nèi)的一些二線牌子因為沒有核心 競爭力，產(chǎn)品高度同質(zhì)化，只能靠低價格來謀取生存空間，在管理水平、生產(chǎn) 規(guī)模都有限的情況下低價格只能靠低成本甚至“拼裝”來獲取，如此的低成本 勢必導致低質(zhì)量。太陽能熱水器國家標準正陸續(xù)出臺，行業(yè)開始洗牌，品牌集 中是趨勢。行業(yè)集

21、中度會進一步提高，而技術的升級、安全性能的提升、產(chǎn)品 的創(chuàng)新將是企業(yè)發(fā)展的方向。 我國能源發(fā)展工作正處在關鍵的歷史時期，太陽能利用技術是可再生資源 領域推廣應用最普遍技術之一，太陽能是新能源，清潔、無限、安全，太陽能 熱水器應用最為廣泛。近年來，我國國內(nèi)的太陽能熱水器市場開始進入快速增 長期，以每年 20%-30%的速度遞增，太陽能光熱應用面積已占到全球的 76%，是整個歐美地區(qū)的 4 倍之多。國外各個國家對太陽能新能源的利用也非 常重視，現(xiàn)在歐洲、美國和日本等先進國家也積極推進太陽能應用技術。目前 我國大多數(shù)太陽能熱水器使用方便，節(jié)能，但功能單一，操作較復雜，控制起 來不能達到理想效果，只有

22、溫度、水位、時間的顯示功能，而對其控制的智能 化水平不高。即使熱水器具有輔助加熱功能，也可能由于加熱時間不能控制而 產(chǎn)生過燒，從而浪費電能。鑒于此，為了使使用者可以根據(jù)自己的需求將水溫、 水位調(diào)節(jié)到所需值，而且通過顯示屏可知道實時水溫、時間、水位，特對太陽 能熱水器控制器進行研究。 1.3 太陽能熱水器的應用及其意義 隨著世界上煤、油、氣的儲量日益減少，能源危機已日益增長，環(huán)境污染 的危機已威脅著生態(tài)平衡，太陽能開發(fā)利用的課題已提到人類的面前。眾所周 知，太陽能是取之不盡，用之不竭，沒有污染的巨大能源。有人預測：二十一 世紀太陽能將由輔助能源上升為主要能源。但由于太陽能的分散性、季節(jié)性和 地區(qū)

23、性又給太陽能利用帶來重重困難，有些技術難點尚未突破，產(chǎn)品造價偏高 （如光電池） 。因而尚未被人們大規(guī)模的使用。 在太陽能熱利用技術中，太陽能熱水器是技術上比較成熟、造價比較低廉 的產(chǎn)品，同時給人民提供不耗能源、保護環(huán)境、絕對安全的熱水而受到人們的 歡迎。隨著人們環(huán)保意識的不斷加強，越來越多的消費者傾向于選擇太陽能熱 水器，但很多人對使用這種產(chǎn)品又不是很了解。在這里，我們將太陽能熱水器、 電熱水器和燃氣熱水器的性能作一個粗略的比較。 1、熱水產(chǎn)量方面 燃氣熱水器有 5l、7l、8l 等不同的型號，是指在 1 分鐘內(nèi)將水溫升高 25時所產(chǎn)的熱水量，如果自來水的溫度為 25，則每分鐘可產(chǎn) 50的熱水

24、 5 升、7l 或 8l。 電熱水器的標注則是 30l、60l、90l 等等，這是指電熱水器的容水量， 相當于我們在電爐子上加一個水壺，這個水壺的盛水量是 30l、60l、90l。 拿一個 8l 的燃氣熱水器與一個 40l 的電熱水器相比較，8l 的燃氣熱水器可 連續(xù)不斷地產(chǎn)生每分鐘 8l 的熱水，而電熱水器需要間隔半小時加熱一罐水。 如果這一罐水用完，還要等半小時左右。 太陽能熱水器按照年平均氣溫 15.7、年日照時數(shù) 2014 小時、太陽總輻 射總量年均為 111.59kcal計算，如果集熱面積為 2，年吸收太陽輻射能 量為 9.37106kj，按把水溫升高 35計算（基礎水溫 10） ，

25、全年可提供生活 用熱水（45）53.5t，每人每次洗澡用熱水約需 50kg，則全年可洗 1070 人次， 平均每天可洗 2.93 人次。 2、加熱速度方面 目前生產(chǎn)的燃氣熱水器大多為快速熱水器，不論什么時候，只要想用熱水， 打開燃氣閥和水龍頭，熱水就會流出來。而電熱水器需要預先通電半小時左右， 才能開始使用。太陽能熱水器在天氣晴朗的時候使用更好，最理想的樓層在六 至八層。 3、溫度穩(wěn)定性方面 燃氣熱水器由于是快速加熱，并有調(diào)整溫度裝置，只要在使用開始時調(diào)到 人體感覺舒適的溫度，而后就會一直保持在這一溫度恒定地供應熱水。 電熱水器在使用時需要另外接一根冷水管兌入冷水，當罐內(nèi)水不斷流出， 冷水不斷

26、加入時，水溫就會逐漸下降，直到全部是冷水。所以在使用時，需要 不停地去調(diào)整冷熱水的比例。 太陽能熱水器使用起來暫時還不大方便，要上水，且不能保證時時有熱水。 4、功率方面 燃氣熱水器的功率要比電熱水器大很多，拿一個 8l 的燃氣熱水器和 40l 的電熱水器相比較，8l 燃氣熱水器的功率相當于 1617kw，而 40l 的電熱水 器一般為 3kw，這也是為什么燃氣熱水器可連續(xù)供應熱水的緣故。那么，電 熱水器是否也可做成 16kw 的呢？這是不可能的，因為家用電表、電線都無法 承受。 5、價格方面 8l 的燃氣熱水器價格一般在 800 元以上，再加上安裝費，大約在 1000 元 以上，有的甚至接近

27、 2000 元。電熱水器現(xiàn)在都在 500 元以上，加上安裝費用， 一般不到 1000 元。太陽能熱水器的價格都在 3000 元以上。 使用費用方面，目前天然氣每立方米為 1.7 元，每度電為 0.44 元，而太陽 能熱水器僅耗水費。 6、安全性方面 燃氣熱水器的優(yōu)點是加熱快、出水量大、溫度穩(wěn)定、結水垢少、占地小、 不受水量控制。缺點是使用時要排出大量的廢氣，廢氣中除了二氧化碳以外， 還有一氧化碳，如果使用時關閉門窗，通風不良，一氧化碳會增加，嚴重時會 發(fā)生中毒事故，但如果能正確地了解這一點，使用時注意，也是很安全的；另 外，燃氣熱水器啟動水壓高，有些住高層的用戶如果不裝增壓泵就無法起動； 安裝

28、不方便，要在墻上打洞、安排氣扇等。 電熱水器的優(yōu)點是能適應任何天氣變化，普通家庭可直接安裝使用，長時 間通電可以大流量供熱水；使用時不產(chǎn)生廢氣，所以從這一點上講是既安全又 衛(wèi)生，目前市場上銷售的電熱水器多數(shù)還帶有防觸電裝置。缺點是體積大、占 用室內(nèi)空間大、易結水垢、對電能浪費大，最新型的電熱水器內(nèi)置了陽極鎂棒 除垢裝置，解決了產(chǎn)品容易結垢的問題，但陽極鎂棒須兩年更換一次，給保養(yǎng) 帶來了麻煩。 太陽能熱水器的優(yōu)點是安全、節(jié)能、環(huán)保、經(jīng)濟，尤其是帶輔助電加熱功 能的太陽能熱水器，它以太陽能為主、電能為輔的能源利用方式，可全年全天 候使用。缺點是安裝復雜，安裝不當會影響住房的外觀、質(zhì)量及城市的市容市

29、 貌；因要安裝在室外，維護較麻煩。 1.4 論文的主要工作 本文介紹的太陽能熱水器以微控制器 atmega16 單片機控制中心，選用 sd2200 作為時鐘芯片。并采用兩個 ds18b20 溫度傳感器串行，實現(xiàn)對水溫的 測量。同時，采用 lcm12864zk 液晶顯示屏實現(xiàn)顯示溫度水位信息，利用按 鍵電路設定水溫水位值，并可設定加熱上水時間。本設計還添加了輔助熱源， 在陰雨天太陽能不足的情況下，單片機開啟熱源，對水進行加熱，方便用戶的 使用。同時設定各種報警功能，包括水滿報警，缺水報警，加熱完成時報警等 功能。令產(chǎn)品的使用安全，放心。 第二章 太陽能熱水器的結構及工作原理 2.1 太陽能熱水器

30、綜述 圖 2-1 為智能太陽能熱水器的整體系統(tǒng)結構圖。圖中，太陽能集熱器用來 收集太陽能對水進行加熱，并輸進熱水箱供浴室的正常使用。水量不夠時，輔 助水箱補充太陽能集熱器的水源。太陽能集熱器中裝有溫度傳感器 1，此裝置 用來感應太陽能集熱器中水的溫度，從而判定太陽能是否充足。熱水箱具有保 溫功能，其中裝有溫度傳感器 2 和水位傳感器，分別用來檢測箱內(nèi)的溫度和水 位，并在控制器顯示屏上顯示，便于用戶根據(jù)情況設定溫度和水位。 浴浴室室 輔輔 助助 水水 箱箱 熱熱水水箱箱 太太陽陽能能 集集熱熱器器 輔輔助助 熱熱源源 回回水水閥閥 循循環(huán)環(huán)泵泵 溫溫度度傳傳感感器器1 水水位位傳傳感感器器 熱熱

31、源源泵泵 自自來來水水 溫溫度度傳傳感感器器2 圖 2-1 太陽能熱水器結構圖 如圖 2-1 太陽能熱水器結構圖所示，當溫度傳感器 1 檢測的溫度過低，表 示太陽能不充足。此時，系統(tǒng)將啟動輔助熱源，通過熱源泵，將輔助水箱中的 水加熱并輸入熱水箱，此功能可以讓熱水器在陰雨天也可以繼續(xù)使用，不影響 日常生活。這種智能太陽能熱水器不僅使用方便、人性化，而且能有效地節(jié)約 能量，減少污染。是符合現(xiàn)代環(huán)保理念的綠色低碳智能系統(tǒng)，應該積極的普及。 2.2 太陽能熱水器智能控制裝置的主要功能 本設計要求設計出一個智能化的太陽能熱水器控制裝置，需具有時間顯示 功能、定時上水加熱功能，用戶可以實時查看溫度水位狀態(tài)

32、，并自由設定溫度 水位。實現(xiàn)一種方便的，人性化的控制方式。 具體功能如下： 1、北京時間：實時顯示北京時間。 2、水位預置：可預置加水水位 50 、 80 、 100% 3、水溫預置：可預置加熱溫度范圍： 30 80 ，若不需要啟動電加 熱，可預置為 00 。 4、水溫指示：顯示太陽能熱水器內(nèi)部實際水溫。 5、水位指示：顯示太陽能熱水器內(nèi)部所存水量 。 6、缺水提示：當水位從高變低，出現(xiàn)缺水狀態(tài)時，蜂鳴報警，同時 20% 水位閃爍。 7、缺水上水：當水位從高變低，出現(xiàn)缺水狀態(tài)時，延時 30 分鐘自動上 水至預置水位。 8、溫控上水：當水箱水未加滿，水溫高于用戶設定的溫控上水溫度（原 廠設制為

33、60 ）自動補水至低于溫控溫度 10 的合水溫，此功能可防止出現(xiàn) 低水量、高水溫的不合理現(xiàn)象。當正在用水（水位發(fā)生變化）時，則延時 60 分鐘啟動，以避名用戶正在用水時啟動上水。具備溫控功能的時間：8:00 17:50 。 9、手動控制：可手動啟動上水，加熱，在操作時首先顯示預置的水位或 水溫，用戶可利用“”和“”鍵調(diào)整參數(shù)，確認后，測控儀蜂鳴提示啟動 上水、加熱，也可手動關閉。啟動加熱時若低于 50% 水位，則先啟動上水再 加熱，并將水位加至 80% 。正在加熱時水位低于 50% 水位自動關閉加熱， 保護電加熱管。 10、全天候模式：可按用戶個人需要，全天 24 小時內(nèi)，可分別設定早、 中、

34、晚三次定時上水及三次定時加熱，并且可分別設定每次定時上水的水位和 定時加熱的溫度。原廠設置為第一次早晨 3：00 啟動上水至 50%水位，4：00 啟動加熱至 50 ，提供用戶早上起床后的洗喇用水，第二次 9：00 啟動上水 至水滿，中午不加熱，以便盡量利用太陽能光能量提供加熱，第三次 15：00 啟動上水至 100% 水位，16：00 啟動上水至 50 給用戶晚上提供大量熱水隨 心所?。ㄈ衾锰柲芤堰_到 50 不啟動加熱節(jié)約電能） 。用戶自行設定定時， 建議將定時上水的時間提前定時加熱的時間 1 小時以上，以便先上水再加熱， 建議加熱溫度不超過 60 以免燙傷并節(jié)約電能。若需取消全能候模式

35、，持續(xù) 按住加熱鍵，則取消定時加熱。持續(xù)按住上水鍵，則取消定時上水，同時自動 啟動溫控上水模式（因自動上水是必需的） 。反之操作可分另恢復全天候模式 中的定時上水和定時加熱，全天候圖標對應顯示。 11、防輔助熱源起火：在啟動管道保溫功能廳，測控議在輔助熱源加熱管 道溫度平衡后（通電約 10 分鐘） ，自動關閉，等管道溫度下降后，在次按用戶 自行設定的延時時間（原廠設置 30 分鐘，若設置為 0 分鐘，則電熱帶長期通 電）啟動電熱帶，過程自動重復動行，可避免長期通電電熱帶，節(jié)約電能，并 有效防止因長期通電造成電熱帶老化起火等惡性事故。 12、自動防溢流：因真空管破裂或水位傳感器故障等原因造成溢流

36、，自動 停止上水。 13、斷電顯示：當停電時，測控議保留用戶預置的所有參數(shù)，同時繼續(xù)顯 示水溫水位及北京時間，斷電時測控議將按鍵自動鎖死，以防誤操作。當來電 時能按以前設定的工作模式及功能繼續(xù)動行。 14、恒溫加熱：水箱水溫低于預置溫度 5 ，立即啟動加熱至恒溫水溫， 保證水箱水溫恒定。若水位低于 50%，先立即自動啟動上水，再啟動加熱， 以免干燒。因此水位不能低于 50%建議采用上下水雙管安裝，以便不影響用 戶持續(xù)大量用水。 15、強制上水： 水位傳感器出現(xiàn)故障后，可按上水鍵，實現(xiàn)強制上水， 每分鐘會出現(xiàn)蜂鳴提示，注意有無溢水，8 分鐘后自動關閉上水。 16、低水壓上水：在上水過程中，水壓過

37、低或停水，控制器會自動進入低 水壓模式，在此上水模式中，控制器會間隔 30 分鐘啟動上水，若 30 分鐘仍不 能使水位上升一檔，則停止 30 分鐘，然后再啟動上水，反復循環(huán)運行，以避 免在低水壓或停水時發(fā)生以下嚴重后果： (1)電磁閥、水泵長期通電運行，造成水泵空轉燒毀；(2)由于太陽能真空管破 裂或其它原因漏水，造成不斷上水而水箱、屋頂長期流水；(3)停水后，突然 來水，由于空曬，太陽能水箱溫度過高，而造成炸管。 17、管道循環(huán)：可設置水泵循環(huán)時間 130 分鐘（原廠設置為 3 分鐘） 。 實現(xiàn)一開出熱水增壓效果。 18、管道保溫：冬天室外氣溫較低時，可按（管道保溫）鍵，啟動電熱帶， 防止水

38、管凍裂，再按（管道保溫）鍵，則關閉電熱帶。 19、自動增壓：在供水壓較低時，可選擇上水增壓功能，在上水時，控制 器打開電磁閥同步啟動水泵加壓供水，水上滿后，兩者同時關閉。 2.3 太陽能熱水器智能控制器的主要技術指標 2.3.1 溫度檢測 本設計要求的測溫精度：2； 測溫范圍：099； 控溫精度：2； 動作時間：30s。 2.3.2 水位檢測 水位分檔：五檔，分別為 20%、40%、60%、80%、100%； 水位報警：當水位從高變低，出現(xiàn)缺水狀態(tài)時，蜂鳴報警，同時20%水位 閃爍。 2.3.3 可控水泵和熱泵 可控水泵或熱泵功率：500w。 電磁閥參數(shù)：直流dc12v，可選用有壓閥或無壓閥，

39、有壓閥工作壓力： 0.02mpa0.8mpa，適用于直供水無壓閥工作壓力：0.0mpa，適用于水箱供水 或低水壓供水。熱泵熱水器原理圖如2-1所示。 冷冷凝凝器器 蒸蒸發(fā)發(fā)機機 壓壓縮縮機機 qa環(huán)環(huán)境境中中吸吸收收空空氣氣的的能能量量 qb 能能 電電 qc 膨膨脹脹絲絲 熱熱水水出出 冷冷水水進進 水水泵泵 圖 2-2 空氣源熱泵熱水器原理圖 熱泵輸出的能量為壓縮機做的功和熱泵從環(huán)境中吸收的熱量之和； b q a q 通常為的 3 倍以上，即能源利用效率達 300以上，而通常的電熱水器 a q b q 能源利用效率僅為 95左右。 第三章 太陽能熱水器智能控制器的硬件設計 3.1 太陽能熱

40、水器的基本控制原理 圖 3-1 是以 atmega16 單片機為核心的控制系統(tǒng)的原理框圖。溫度、水位 等傳感器測得的信息送入單片機進行處理，并直接顯示在液晶顯示屏上，用戶 接收到顯示屏上的信息，根據(jù)需要，通過鍵盤設定期望的水位水溫值。單片機 啟動掃描鍵盤命令，將設定值與實際水位和溫度進行對比分析，如果測量水溫 水位值與鍵盤設定的水溫水位值有差異，則單片機會向執(zhí)行機構發(fā)出相應控制 指令，控制電磁閥和繼電器工作，調(diào)節(jié)水溫和水位，直到水溫水位值達到鍵盤 設定值。本設計將選用 atmega16 單片機作為中央微處理器，ds18b20 作為 溫度傳感器，以及時鐘芯片 sd2200。同時，系統(tǒng)還包括熱水箱

41、水位溫度檢測 接口、鍵盤及串行顯示、復位接口電路及繼電器輸出接口電路等。 atmega16 溫溫度度傳傳感感器器液液晶晶顯顯示示屏屏 電電磁磁閥閥 看看門門狗狗電電路路 報報警警電電路路 輔輔助助熱熱源源 水水位位傳傳感感器器 鍵鍵盤盤 時時鐘鐘電電路路 驅驅 動動 電電 路路 圖 3-1 智能太陽能熱水器控制系統(tǒng)原理圖 具體工作流程描述如下： 水位設置：按設置(水位)鍵，預置水位指示快速跳動，提示可設置水位。 根據(jù)氣候及日照強度，將水位設置到所需水位，以得到合適的水溫。 太陽能自動上水：太陽能上水是全自動運行的，因此用戶不必作任何操作， 當缺水時，延時15分鐘，微電腦會自動啟動缺水上水功能，

42、將水位加到預置水 位。當水未加滿水溫又偏高時，會自動啟動溫控上水功能，至水溫50左右， 若水位加滿至100%，則停止補水。上水啟動時，蜂鳴一長聲，關水時，則蜂 鳴三短聲。 手動上水、關水：可利用手動上水鍵實現(xiàn)手動上水關水，調(diào)兌水箱水溫。 按一下(上水)鍵啟動手動上水，加水到預置水位后，自動關閉上水。在上水過 程中，按一下(上水)鍵可關水。 定時上水：若需定時上水，按(定時)鍵，預約定時上水時間。例如：現(xiàn)在 是上午6：00，準備在上午9：00啟動上水，則按(定時)鍵，調(diào)時至03，即在3 小時后啟動上水，同時定時指示燈閃亮，時間度定時時刻越近，定時指示燈閃 爍越快。一經(jīng)預約，則每天在此時刻啟動上水

43、，若需退出預約，只需按住(定 時)鍵不松手，聽到“嘀”提示音，并且定時指示燈熄滅后，即可。 圖 3-2 太陽能熱水器結構圖 太陽能智能控制器具體操作如下： 圖 3-3 atmega16 的引腳圖 1、設置上限水位：設置水位上限，可選擇 3099之間。 （默認下限水 位為 30） 。 2、設置水溫：設置電加熱的溫度上限，可選擇 080。 3、水溫水位指示：均具有圖形數(shù)字兩種顯示形式。 4、干曬保護：為防止干曬，當水位低于 15時，無條件上水到 30。 5、冰凍保護：為防止水箱凍裂，當水溫低于 5時，無條件電加熱到 15。 6、智能模式：如果系統(tǒng)處于智能保溫區(qū)間時，系統(tǒng)自動加溫，處于智能 區(qū)間以外

44、時，如達到設定溫度，則自動上水到低于設定溫度 5。 7、手動上水：當蓄水量不足時，可按設定鍵，光標閃動，按“左”或 “右”鍵移動光標，待光標移動到水位設定欄，按“+”鍵設定水位檔位，當 水位上升至設置水位時，系統(tǒng)自動停止上水。在此上水過程中再按設定鍵可立 即停止上水。 8、手動加熱：當前水溫偏低時，可按設定鍵，光標閃動，按“左”或 “右”鍵移動光標，待光標移動到溫度設定欄，按“+”鍵設定溫度值，開啟 電加熱器加熱水溫。當水溫上升至所設置的溫度時停止加熱。進入保溫狀態(tài)， 在此電加熱的過程中再按設定鍵立即停止電加熱。 9、自動增壓：在上水過程中，系統(tǒng)會自動監(jiān)測上水過程，監(jiān)測目前水壓 是否過低，或是

45、停水，一旦出現(xiàn)這種情況，自動打開增壓泵，并顯示低水壓同 時蜂鳴報警，提示用戶。 3.2 atmega16 微處理器 atmega16 是基于增強的 avr risc 結構的 低功耗 8 位 cmos 微控制器。其數(shù)據(jù)吞吐率高 達 1mips/mhz 2 。atmega16 的引腳如圖 3-3 所示。 atmega16 的主要特征： 1、非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器：16k 字節(jié) 的系統(tǒng)內(nèi)可編程 flash，有 512 字節(jié)的 12345678 a b c d 87654321 d c b a title num berrevisionsize a3 date:14- jun-2010she et

46、of file :e:上上 上上上 上上上 上1820上上 上-100614.ddbdra wn by: ag nd 28 x1 8 x2 7 res et 4 pd2 (int 0) 11 pd3 (int 1) 12 pd4 (oc1b) 13 pd5 (oc1a) 14 pb0 (t0) 40 pb1 (t1) 41 pb2 (ain 0) 42 pb3 (ain 1) 43 pb4 (ss) 44 pb5 (m o si) 1 pb6 (m is o) 2 pb7 (sck ) 3 (ad c0) p a0 37 (ad c1) p a1 36 (ad c2) p a2 35 (ad

47、c3) p a3 34 (ad c4) p a4 33 (ad c5) p a5 32 (ad c6) p a6 31 (ad c7) p a7 30 pc0 19 pc1 20 pc2 21 pc3 22 pc4 23 pc5 24 (to sc1) pc6 25 (to sc2) pc7 26 pd7 (tos c2) 16 pd6 (icp ) 15 av cc 27 ar ef 29 pd1 (txd ) 10 pd0 (rxd ) 9 gnd 39 vcc 38 gnd 6 gnd 18 vcc 5 vcc 17 u1 atm ega 16_tq fp44 lcd -k 1 lcd

48、-a 2 gn d 3 vc c 4 rs(cs) 6 rw (s id) 7 e(sclk) 8 d0 9 d1 10 d2 11 d3 12 d4 13 d5 14 d6 15 d7 16 ps b 17 rst 18 vr 19 vo 20 lcm 1 lcm 12864zk vc c rm 2 10 rm 1 10k lcm_cs lcm_sid lcm_sc lk 上上上上 rt1 10k rt2 10k vc c t_s cl t_s da vb at 2 tes t 3 gn d 10 gn d 11 gn d 12 scl 13 sda 15 int 1 19 sda e 20

49、 scl e 21 w p 22 int 2 23 vc c 24 ut1 sd2200b /c/d/e-z 上上 vc c rt5 20 rt4 20 t_i nt1 ct1 220uf ct2 104 dt1 lls d103a dt2 lls d103a rt3 10k s1 sw -pb s2 sw -pb vc c r1 10k r2 10k key 2 key 1 c1 0.1uf c2 0.1uf r3 10k c3 0.1uf r4 10k c4 0.1uf s3 sw -pb s4 sw -pb key 4 key 3 s5 sw -pb r5 10k c5 0.1uf ke

50、y 5 上上 上上 上上 上上 c15 104 c14 104 vc c r10 10k c10 rst l2 10uh c16 104 c18 470uf cpu vcc c17 470uf 47ufc12 av cc l1 10uh 1 2 3 4 5 6 jisp 1 co n6 rst sck m is o m o si 104 vc cvd 1 lls d103a vd 2 lls d103a d1 1n4148 cpu vcc cpu vcc q1 9013 q2 9013 25 1 34 j3 hg 4123 25 1 34 j4 hg 4123 dj3 rs1m dj4 rs1

51、m +12v +12v ou t1 ou t2 co m r7 10k r810k cpu vcc vcc 3 dq 2 gnd 1 u5 ds18b20 r9 4k7 vc c lcm _cs lcm _sid lcm _sc lk ds1820_dq c13 104 av cc m o si m is o sck t_s cl t_s da s6 sw -pb key 6 r6 10k c6 vcc 3 dq 2 gnd 1 u6 ds18b20 vc c t_i nt1 p1 p2 rst key 2 key 1 key 4 key 3 key 5 key 6 ds1820_dq 上上

52、上上 c23 470uf c22 0.1 c21 0.1 +12v in 1 gnd 2 ou t 3 u3 lm 7805vc c cpu vcc 上上上上 q1 9013 ls1 r11 1k vc c ls 上上 ad 1 ad 2 ad 1 ad 2 上上上上上 weigou eeprom；1k 字節(jié)的片內(nèi) sram，通過 jtag 接口實現(xiàn)對 flash、eeprom、熔絲位和鎖定位的編程。 2、外設特點：兩個具有獨立預分頻器和比較器功能定時器/計數(shù)器。 3、特殊的處理器特點：上電復位以及可編程的掉電檢測，片內(nèi)經(jīng)過標定 的rc振蕩器，片內(nèi)/片外中斷源，6種睡眠模式。 4、i/o和封裝

53、：具有32個可編程的i/o口，封裝形式有：40引腳pdip封裝， 44引腳tqfp封裝，與44引腳mlf封裝。 圖 3-5 ds18b20 溫 度傳感器外觀設計 圖 圖 3-4 太陽能熱水器智能控制器硬件總結構圖 3.3 溫度檢測部分 本設計中，筆者選用ds18b20溫度傳感器。ds18b20測量溫度范圍為- 55+125，在系統(tǒng)所需要的-10+85范圍內(nèi)，精度為0.5，亦滿足 條件。同時，新的產(chǎn)品支持3v5.5v的電壓范圍，使系統(tǒng)設計更靈活、方便。 而且新一代產(chǎn)品更便宜，體積更小，大大提高了ds18b20產(chǎn)品的性價比，是本 設計理想的選擇。 3.3.1 溫度傳感器 ds18b20 簡介 “一

54、線式”數(shù)字溫度傳感器 ds18b20 是 ds1820 的更新?lián)Q代產(chǎn)品(由美國 daiias 公司生產(chǎn))。它具有體積小，分辨率高，轉換快等優(yōu)點。由于每片 ds18b20 含有唯一的硅串行數(shù)，再加上 ds18b20 獨特的單線總線結構，決 定了 ds18b20 特別適合于大型的多路溫度實時測控系統(tǒng)的溫度檢測。溫度實 時測控集裝箱的設計，在實現(xiàn)測控系統(tǒng)的溫度檢測方面就較好地利用 ds18b20 的獨到特點，使系統(tǒng)得到了極大的簡化。 1、ds18b20的特性 (1) ds18b20 在 i/o 處理器連接時，僅需要一個 i/o 口 即可實現(xiàn)微處理器同 ds18b20 的雙向通訊。 (2) ds18b

55、20 支持組網(wǎng)功能，多個 ds18b20 可以并聯(lián)在 唯一的單線上，實現(xiàn)多點測溫。 (3) ds18b20 的測溫范圍為：- 55+125，在-10+ 85時， 其精度為+ 0.15。 (4) ds18b20 的測溫結果的數(shù)字量位數(shù)從 912 位，可編 程進行選擇。 (5) ds18b20 內(nèi)含寄生電源，器件既可以由單線總線供電， 也可用外部的電源(310v515v )供電。 2、ds18b20 測溫原理 ds18b20 內(nèi)部結構框圖，如圖 3-5 所示。 存儲器控制邏輯 8位crc觸發(fā)器 低溫低觸發(fā)器 高溫度觸發(fā)器 溫度傳感器 存 儲 器 電 源 檢 測 64位 rom 和 單線 接口 圖

56、3-6 ds18b20 內(nèi)部結構框圖 ds18b20 的測溫原理：ds18b20 測量溫度采用了特有的溫度測量技術， 它是通過計數(shù)時鐘周期來實現(xiàn)的，內(nèi)部計數(shù)器對一個受溫度影響的振蕩器的脈 沖計數(shù)。低溫時，振蕩器的脈沖可以通過門電路。而當?shù)竭_某一設置高溫時， 振蕩器的脈沖無法通過門電路。計數(shù)器設置為-55。同時，計數(shù)器復位在當 前的溫度值時，電路對振蕩器的溫度系數(shù)進行補償，計數(shù)器重新開始計數(shù)直到 回零。如果門電路仍未關閉，則系統(tǒng)重復上述過程。 3、ds18b20的操作協(xié)議 ds18b20 單純通信功能是分時完成的。單線信號包括復位脈沖，響應脈 沖，寫“0” ，寫“1” ，讀“1” 。它們有嚴格的

57、時隙概念。系統(tǒng)對 ds18b20 的 操作以 rom 命令(5 個)和存儲器命令(6 個)形式出現(xiàn)。對它的操作協(xié)議是：初 始化 ds18b20 發(fā)復位脈沖發(fā) rom 功能命令處理數(shù)據(jù)發(fā)存儲器命令處 理數(shù)據(jù)。各種操作都有相應的時序圖。 ds18b20 在使用時，一般都采用單片機來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。只需將 ds18b20 信號線與單片機 1 位 i/o 線相連，且單片機的 1 位 i/o 線可掛接多 個 ds18b20，就可實現(xiàn)單點或多點溫度檢測。ds18b20 傳感器精度高、互換 性好；它直接將溫度數(shù)據(jù)進行編碼，可以只使用一根電纜傳輸溫度數(shù)據(jù)，通信 方便，傳輸距離遠且抗干擾性好：與用傳統(tǒng)溫度傳感器組

58、成的多點測溫系統(tǒng)相 比可節(jié)省大量電纜，而且系統(tǒng)得以簡化，系統(tǒng)擴充維護十分方便。ds18b20 可以廣泛用于工廠工業(yè)過程、大型糧倉、釀酒廠、食品加工廠的溫度檢測以及 賓館、儀器儀表室等處的溫度檢測和控制。 3、ds18b20 封裝 圖 3-7 ds18b20 封裝圖 3.3.2 ds18b20 與單片機接口 atmega16 pb7 ds18b20 +3v +5.5v 4.7k gnd vcc i/o 圖 3-8 ds18b20 傳感器測溫電路圖 本系統(tǒng)中采用ds18b20作為溫度傳感器。ds18b20的測量范圍從-55 + 125，增量值為0. 5，可在1s (典型值) 內(nèi)把溫度變換成數(shù)字。因

59、此作為熱水 器的溫度測量，精度合乎要求。信息經(jīng)過單線接口入ds18b20或從ds18b20送 出因此從主機cpu到ds18b20僅需一條線(和地線)。ds1820的電源可以由數(shù)據(jù) 線本身提供而不需要部電源。但使用外部電源可以提高測量速度。具體的電路 如圖3-6所示。 3.3.3 ds18b20 工作時序 ds18b20 的所有通信都由復位脈沖組成的初始化序列開始。該初始化序 列由主機發(fā)出，后跟由 ds18b20 發(fā)出的存在脈沖（presence pulse） 。圖 3-8 闡 述了這一點。當發(fā)出應答復位脈沖的存在脈沖后，ds18b20 通知主機它在總 線上并且準備好操作了。在初始化步驟中，總線

60、上的主機通過拉低單總線至少 480s 來產(chǎn)生復位脈沖。然后總線主機釋放總線并進入接收模式。當總線釋放 后，5k 的上拉電阻把單總線上的電平拉回高電平。當 ds18b20 檢測到上升 沿后等待 15 到 60us，然后以拉低總線 60-240us 的方式發(fā)出存在脈沖。主機將 總線拉低最短 480us，之后釋放總線。由于 5k 上拉電阻的作用，總線恢復到 高電平。ds18b20 檢測到上升沿后等待 15 到 60us，發(fā)出存在脈沖：拉低總線 60-240us。至此，初始化和存在時序完畢。 vcc 單線總線 控制器tx復位脈沖 480us min 960us max ds1820 等待 15-60u