基于单片机的太阳能热水器智能控制器的设计本科毕业设计论文.docx
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基于单片机的太阳能热水器智能控制器的设计本科毕业设计论文
本科毕业设计论文
课题：
基于单片机的太阳能热水器智能控制器的设计
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2）附件：
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3）其它
摘 要
太阳能热水器以其诸多的优点受到人们的欢迎。
本文结合实际太阳能热水器的具体应用，在介绍太阳能热水器、传感器、单片机的特点基础上，详细描述了太阳能热水器的工作原理和设计方案。
这里根据太阳能热水器对控制器的要求与特点，提出了一种基于DS12887的太阳能热水器智能控制器的设计方法，本设计给出了系统的硬件设计及软件实现方法。
全文分三大部分。
第一部分为第一章，主要描述太阳能热水器的前景、发展状况应用及意义。
第二部分为第二章，主要描述太阳能热水器系统组成及工作原理。
第三部分包括第三章太阳能热水器控制器硬件设计及电路原理和第四章软件设计，分别介绍了传感器的特点及应用、一般的太阳能热水器及循环系统、单片机发展和原理，这是此款太阳能热水器的理论基础和必要前提，本文就在此基础上设计了一款基于DS12887的太阳能热水器智能控制器。
关键词：
太阳能热水器;传感器;模糊控制;实时时钟;单片机
Abstract
SolarWaterHeaterispopularwithitsprettybenefits,Basedonauthor’srealexperienceonSolarWaterHeaterdesign,thisarticledescribestheworkingtheoryofthissolarwaterhearerafterintroducingthecharactersofsolar、sensor、SingleChipMicrocomputer（SCM）.AccordingtotherequestandcharacteristicofSolarWaterheaterforthecontroller.ProvidingadesignofIntelligentControllerforSolarWaterheaterbasedonDS12887.TheSumupadesignwayofthesystem’shardwareandsoftware.
Thisarticleisdividedinto3parts.PartOneisChapter1,includingthescene、developing、Applicationandsignificanceofandperspectiveofsolarenergy.PartTwo,includingChapter2,describingtheincludingandthetheoryofthissolarwaterheater.Partthree,includingChapter3,Chapter4:
thedesignofhardwareandsoftware、thetheoryofthecircuit.Separatelyintroducingthecharactersanduseoftransducer,commonsolarwaterheaterandcyclesystem,thedevelopmentandtheoryofSingleChipMicrocomputer（SCM）,whicharethebasictheoryandnecessaryprecondition.OnthebasisofthisarticledesignedanIntelligentCon-trollerforSolarWaterheaterbasedonDS12887.
[KeyWords]：
SolarWaterHeater、Sensor、Vaguecontrol、Realclock、SingleChipMicrocomputer（SCM）.
第一章绪论
1.1太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析
太阳能热水器是我国太阳能产业中技术最成熟的产品。
产业规模在不断扩大，到现在为止，中国太阳能热水器的年产量是欧洲的2倍，北美的4倍，是世界上最大的太阳能热水器生产国和最大的太阳能热水器市场，并且仍以每年20%-30%的速度增长。
太阳能热水器在我国市场有两大主导产品：
真空管太阳能热水器和平板式太阳能热水器。
其中真空管太阳能热水器占据着主要的市场份额，占市场总额的90%左右。
当今社会发展日新月异，人们衣食住行也在不断的提高。
现有电热型热水器费用昂贵及燃气型的不安全性，且排放二氧化碳污染大气，北方用煤气取暖造成城市空气环境污染，这些都是太阳能热水器良好的外部生存环境。
太阳能热水器克服了上述缺点，他是绿色环保产品。
它使用简单、方便。
太阳能热水器顺呼时代发展的要求，满足人们对环保绿色产品的需求。
在人类文明程度日益提高的今天，它是现代文明社会的最佳选择。
应该注意到，集体单位对太阳能热水器的用量很大。
新建商住楼安装热水器，已是房屋开发公司计划之内的事，配套热水器的商品房销势更好。
此款热水器包括主、从两大系统：
主系统的特点是在晴好的天气利用太阳光能为热水器加热；从系统相当于电热水器，它在无光照的情况下利用电辅助加热。
它充分利用太阳能的丰富的免费的资源的优势，同时考虑到在阴天及夜间无法利用太阳能的缺点，充分发挥太阳能热水器和电热水器的各自优势，这是世面上大部分热水器所不能比拟的。
1.2太阳能热水器的应用及意义
众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭，没有污染的巨大能源。
随着世界上煤、油、气的储量日益减少，能源危机已日益增长，环境污染的危机已威胁着生态平衡，太阳能开发利用的课题已提到人类的面前。
有人预测：
二十一世纪太阳能将由辅助能源上升为主要能源。
但由于太阳能的分散性、季节性和地区性又给太阳能利用带来重重困难，有些技术难点尚未突破，产品造价偏高（如光电池）。
因而尚未被人们大规模的使用。
在太阳能利用技术中，太阳能热水器是技术上比较成熟、造价比较低廉的产品，同时给人民提供不耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。
能源问题、环保问题是当今世界各国面临的主要问题之一。
太阳能热水器是节能、环保产品，故受到广泛重视，发展极快，预计今后每年将以15%～20%的速度发展。
根据理论计算及实际应用证明，太阳能热水器每平方米光面积一年可节约标准煤200-300公斤节电1500度，或节约液化气180公斤。
采用太阳能热水器与电热水器、燃气热水器相比，还具有绝对安全，最为卫生的特点，在电费，液化气、煤气价格较高的地区，用户1-3年即收回投资。
第二章：
太阳能热水器的组成及工作原理
2.1系统总体结构设计
2上排气口
1不锈钢保温水箱
6溢流管
3真空集热管
5进出水口
4支撑架
托盘
8保温水管自来水
10地脚
7淋浴喷头
9调节阀
图2-1系统结构图
1不锈钢保温水箱：
储存热水的容器。
通过集热管采集的热水必须通过保温水箱储存，防止热量损失
2上排气口：
保持系统气压稳定。
3真空集热管：
系统中的集热元件。
太阳能透过外玻璃照射到内管外表面吸热体上转换为热能，然后加热内玻璃管内的传热流体，由于夹层之间被抽真空，有效降低了向周围环境散失的热损失，使集热效率得以提高。
4支撑架：
支撑集热器与保温水箱的架子。
结构牢固，稳定性高，抗风雪，耐老化，不生锈。
材质一般为不锈钢、铝合金或钢材喷塑。
5进出水口：
上冷水自动止水下热水。
6溢流管：
为了保持一定液位而设置的管口，当液位超过时，多余的液体能迅速溢流排出。
7淋浴喷头：
将有压的水喷洒成细小水滴。
8保温水管：
在规定温度下，恒温保持一定时间。
9调节阀：
调节水流大小。
10地脚：
增加受力面积。
注释：
T1：
热水箱的温度传感器T2：
循环水管中的温度传感器T3：
集热器中的温度传感器F1：
循环水阀门F2：
冷水阀门F3：
热水阀门
此款热水器利用微机控制主要有以下几种控制功能：
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（7～9点），设定当日的水箱温度N（由两位BCD次齿轮开关设定），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-T1>5摄氏度，T2>T1）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T3>N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T3>N，打开热水阀门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
在没有日照或者日照较弱时，热水器的从系统发挥作用了。
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T1表一水箱温度加热时间段表
时间（时）温度比较加热值（度）
15T1<3516T1<4017T1<4518T1<5019T1<5520T1<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。
2.2太阳能热水器组成及原理
6自来水
5上升水管
4-补给水箱
7热水出水管
2下降水管
集热器1
3循环水管
2-3热水器装置简图
1-集热器2-下降水管3-循环水管4-补给水箱5-上升水管6-自来水管7-热水出水管
热水器主要由集热器、循环管道和水箱等组成，图中为典型的热水器装置图。
图中集热器1按最佳倾角放置，下降水管2的一端与循环水箱3的下部相连，另一端与集热器1的下集管接通。
上升水管5与循环水箱3上部相连，另一端与集热器1的上集管相接。
补给水箱4供给循环水箱3所需的冷水。
当集热器吸收太阳辐射后，集热器内温度上升，水温也随之升高。
水温升高后，水的比重减轻，便经上升水管进入循环水箱上部。
而循环水箱下部的冷水比重较大，就由水箱下流到集热器下方，在集热器内受热后又上升。
这样不断对流循环，水温逐渐提高，直到集热器吸收的热量与散失的热量相平衡时，水温不再升高。
这种热水利用循环加热的原理，因此又称循环热水器。
集热器是一种利用温室效应，将太阳能辐射转换为热能的装置，该装置与一般热水交换器不一样，热交换器通常只是液体到液体，或是液体到气体的热交换过程，而平板行集热器时直接将太阳辐射传给液体或气体，是一个复杂的传热过程。
平板型集热器结构形式很多，世界上已实用的集热器就有直管式、瓦楞式、扁管式、铝翼式等二十多种。
2.3主要芯片的结构与特点
2.3.1.DS12887时钟芯片简介
到了2000年，“千年虫”问题成为困扰当今世界的一大难题。
过去采用两位数表示年度的日历系统将要用四位数来表示，因此有关的计算机操作系统和应用软件都要作相应的修改。
据此，美国达拉斯半导体公司（Dallas）最新推出DS12887的串行接口实时时钟芯片，采用CMOS技术制成，具有内部晶振和时钟芯片备份锂电池，同时它与目前IBMAT计算机常用的时钟芯片MC146818B和DS1287管脚兼容，可直接替换。
它所提供的世纪字节在位置32h，世纪寄存器32h到2000年1月1日从19递增到20。
采用DS12887芯片设计的时钟电路不需任何外围电路和器件，并具有良好的微机接口。
DS12887芯片具有微功耗，外围接口简单，精度高，工作稳定可靠等优点，可广泛用于各种需要较高精度的实时时钟系统。
美国Dallas公司推出两款数字时钟芯片DS12887/DS12C887，两款时钟芯片都将在1999年12月31日23时59分59秒时顺利地跳到2000年1月1日零时，并能实2000年2月29日的闰年提示，是时钟芯片DS1287的增强型品种，结构上相当于MC146818B的改进型。
芯片都采用24引脚双列直插式封装，其引脚接口逻辑和内部操作方式与MC146818基本一致，所不同的是DS12887/DS12C887芯片的晶体振荡器、振荡电路、充电电路和可充电锂电池等一起封装在芯片的上方，组成一个加厚的集成电路模块，因此，DS12887/DS12C887时钟芯片无需MC146818的电源电位检测端（PS），电路通电时其充电电路便自动对可充电电池充电，充足一次电可供芯片时钟运行半年之久，正常工作时可保证时钟数据十年内不会丢失。
此外，片内通用的RAM为MC146818的两倍以上。
DS12887/DS12C887内部有专门的接口电路，从而使得外部电路的时序要求十分简单，使它与各种微处理器的接口大大简化。
使用时无需外围电路元件，只要选择引脚MOT电平，即可和不同计算机总线连接。
1.主要技术特点
DS12887/DS12C887具有下列主要技术特点：
（1）具有完备的时钟、闹钟及到2100年的日历功能，可选择12小时制或24小时制计时，有AM和PM、星期、夏令时间操作，闰年自动补偿等功能。
（2）具有可编程选择的周期性中断方式和多频率输出的方波发生器功能。
（3）DS12887内部有14个时钟控制寄存器，包括10个时标寄存器，4个状态寄存器和114bit作掉电保护用的低功耗RAM。
（4）由于该芯片具有多种周期中断速率时钟中断功能，因此可以满足各种不同的待机要求，最长可达24小时，使用非常方便。
（5）时标可选择二进制或BCD码表示。
（6）工作电压：
+4.5～5.5V、工作电流：
7～15mA。
（7）工作温度范围：
0～70°C。
2.DS12887/DS12C887的内部结构
DS12887/DS12C887为24引脚芯片，内部结构如下图。
CS
图2-4DS12887内部框图
其中：
MOT：
计算机总线选择端；SQW：
方波输出，速率和是否输出由专用寄存器A、B的预置参数决定；AD0～AD7：
地址/数据（双向）总线，由AS的下降沿锁存8位地址；R/W：
读/写数据;AS：
地址锁存信号端；DS：
数据读信号端；CS：
选通信号端，低电平有效；IRQ：
中断申请，由专用寄存器决定；RESET：
复位端；NC：
空引脚。
DS12887内部由振荡电路，分频电路，周期中断/方波选择电路，14字节时钟和控制单元，114字节用户非易失RAM，十进制/二进制计加器，总线接口电路，电源开关写保护单元和内部锂电池等部分组成。
DS12887管脚分配如图：
CS
图2-5管脚分配图
VCC：
直流电源+5V电压。
当5V电压在正常范围内时，数据可读写;当VCC低于4.25V，读写被禁止，计时功能仍继续;当VCC下降到3V以下时，RAM和计时器供电被切换到内部锂电池。
MOT（模式选择）：
MOT管脚接到VCC时，选择MOTOROLA时序，当接到GND时，选择INTEL时序。
SQW（方波信号输出）：
SQW管脚能从实时时钟内部15级分频器的13个抽头中选择一个作为输出信号，其输出频率可通过对寄存器A编程改变。
AD0—AD7（双向地址/数据复用线）：
总线接口，可与MOTOROLA微机系列和INTEL微机系列接口。
AS（地址选通输入）：
用于实现信号分离，在AD/ALE的下降沿把地址锁入DS12887。
DS（数据选通或读输入）：
DS/RD管脚有两种操作模式，取决于MOT管脚的电平，当使用MOTORO2LA时序时，DS是一正脉冲，出现在总线周期的后段，称为数据选通；在读周期，DS指示DS12887驱动双向总线的时刻;在写周期，DS的后沿使DS12887锁存写数据。
选择INTEL时序时，DS称作（RD），RD与典型存贮器的允许信号（OE）的定义相同。
R/W（读/写输入）：
R/W管脚也有两种操作模式。
选MOTOROLA时序时，R/W是一电平信号，指示当前周期是读或写周期，DS为高电平时，R/W高电平指示读周期，R/W信号是一低电平信号，称为WR。
在此模式下，R/W管脚与通用RAM的写允许信号（WE）的含义相同。
CS（片选输入）：
在访问DS12887的总线周期内片选信号必须保持为低。
IRQ（中断申请输入）：
低电平有效，可作微处理的中断输入。
没有中断的条件满足时，IRQ处于高阻态。
IRQ线是漏极开中输入，要求外接上接电阻。
RESET（复位输出）：
当该脚保持低电平时间大于200ms，保证DS12887有效复位。
3.DS12887/DS12C887内部寄存器的功能
因DS12887和DS12C887结构功能上类似，现以DS12887为例说明如下：
CPU通过读DS12887的内部时标寄存器得到当前的时间和日历，也可通过选择二进制码或BCD码初始化芯片的10个时标寄存器。
其114bit非易失性静态RAM可供用户使用，对于没有RAM的单片机应用系统，可在主机掉电时来保存一些重要的数据。
DS12887的4个状态寄存器用来控制和指DS12887模块的当前工作状态，除数据更新周期外，程序可随时读写这4个寄存器，各寄存器的功能和作用如下。
寄存器A各位不受复位的影响，UIP位为只读位，其它各位均可读写。
寄存器的控制字的格式如下表2所列：
表2DS12887控制寄存器A各布尔位定义：
IT7BIT6BIT5BIT4BIT3BIT2BIT1BIT0
UIPDV2DV1DV0RS3RS2RS1RS0
1.IP位：
更新周期标志位。
该位为“1”时，表示芯片正处于或即将开始更新周期，此时程序不准读写时标寄存器；该位为“0”时，表示至少在244μs后才开始更新周期，此时程序可读芯片内时标寄存器。
该位是只读位。
2.DV0、DV1、DV2：
芯片内部振荡器RTC控制位。
当芯片解除复位状态并将010写入DV0、DV1、DV2后，另一个更新周期将在500ms后开始。
因此，在程序初始化时可用这三位精确地使芯片在设定的时间开始工作。
这与MC146818不同的是，DS12887固定使用32768Hz的内部晶体，所以，DV0=“0”，DV1=“1”，DV2=“0”，即只有一种010的组合选择即可启动RTC。
3.RS3、RS2、RS1、RS0：
周期中断可编程方波输出速率选择位。
各种不同的组合可以产生不同的输出。
程序可以通过设置寄存器B的SQWF和PIE位控制是否允许周期中断和方波输出。
其寄存器A输出速率选择位如表3所列。
表3DS12887控制寄存器A输出速率选择位定义
寄存器A输出速率选择位32768Hz时基
RS3RS2RS1RS0中断周期SQWF输出频
0000无无
00013.90625ms256Hz
00107.8125ms128Hz
0011122.0μs8.192k
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