新型太阳能热水器资料Word文档下载推荐.docx
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专业技
术职务
高级
中级
初级
申报课题名称
新型太阳能热水器温控进水控制装置的设计
课题类别
设计
论文
其它
课题来源
生产实践
科研
实验室建设
自拟
√
课题简介
设计（论文）要求（包括应具备的条件）
本毕业设计要求学生：
1、毕业设计必须符合指导老师下达的各项要求；
2、要尊敬老师、团结互助，虚心接受老师及有关工程技术人员的指导；
3、要独立完成规定的工作任务，不弄虚作假，不抄袭别人的成果；
4、要有努力学习、刻苦钻研、勇于创新、勤于实践的精神；
5、能独立进行调查研究、方案确定、分案比较；
6、能设计、计算、绘图与使用计算机；
7、能进行仪器设备的安装、调试。
课题预计
工作量大小
大
适中
小
难易程度
难
一般
易
是否是新拟课题
是
否
√
所在专业审定意见
负责人（签名）：
年月日
********技术学院
综合毕业实践任务书
2007—2008学年
系别：
专业：
计
班级：
学号：
起迄日期：
2007年10月～2008年6月
实践地点：
教研室主任：
系主任：
发任务书日期：
2007年10月8日
一、题目及专题：
1、题目：
2、专题：
二、课题来源及选题依据：
三、本设计（论文或其他）应达到的要求：
本毕业设计要求学生：
1、毕业设计必须符合指导老师下达的各
项要求；
2要尊敬老师、团结互助，虚心接受老师及有关工程
技术人员的指导；
3、要独立完成规定的工作任务，不弄虚作假，
不抄袭别人的成果；
4、要有努力学习、刻苦钻研、勇于创新、
勤于实践的精神；
5、能独立进行调查研究、方案确定、分案比
较；
7、能进行仪器设
备的安装、调试
其他：
参考文献：
[1]梁森.自动检测技术与应用[M].机械工业出版社,2005
[2]江晓安、董秀.模拟电子技术[M].西安电子科技大学出版社,2003
[3]金发庆.传感器技术与应用[M].机械工业出版社,2004
[4]杨帮文.实用电路集锦[M].北京电子工业出版社,2005
[5]徐江海.单片机实用教程[M].机械工程出版社,2006
[6]曹建平.智能化仪器原理及应用[M].西安电子科技大学出版社,2004
[7]冷建华、立萍.数字信号处理[M].北京国防工业出版社,2002
综合毕业实践进度计划
起迄日期
工 作 内 容
2007年10月—2007年12月
查阅资料、方案论认
2007年12月—2008年2月
编写提纲、确定元件
2008年2月—2008年3月
编写程序、调试程序
2008年3月—2008年4月
设备调试、撰写论文
2008年4月—2008年6月
修改论文、准备答辩
综合毕业实践报告（论文）
系部:
电气工程系
所学专业：
2007.10
*************学院
专业技术职务：
讲师
顾问教师：
2008
年
6
月
摘要
太阳能热水器因其为绿色产品、无污染、使用方便、成本低等特点,因而被广泛应用于人民生活中。
本设计是以单片机为核心，用于通过温度控制进水的新型太阳能热水器的控制装置，主要分为自动控制和手动控制两大部分，自动控制部分中通过软件程序来实现水位的自动显示、检测与控制以及温度控制进水,手动控制部分中通过人为的需要进行按键，实行相应的功能。
本文首先介绍了当前太阳能热水器的现状及其本设计的优点；
其次介绍了控制装置的系统组成及工作原理；
再次介绍了太阳能热水器控制装置的硬件设计和软件设计，在设计硬件设计时为了使系统设计得更加科学合理，并在选择了电路时对主要参数进行了详细的计算；
最后介绍了控制系统的调试过程。
关键词：
新型太阳能热水器、单片机、温度控制、电阻温度传感器
目录
第1章绪论…………………………………………………………………………1
1.1太阳能热水器的现状…………………………………………………………1
1.2本设计的优点…………………………………………………………………1
1.3本设计的主要内容及思路……………………………………………………2
第2章控制装置的系统组成及工作原理…………………………………………3
2.1系统组成………………………………………………………………………3
2.2控制装置的工作原理…………………………………………………………4
2.3控制器的组成及工作流程……………………………………………………4
第3章新型太阳能热水器控制装置的硬件设计…………………………………6
3.1直流稳压电源电路……………………………………………………………6
3.2水温检测电路…………………………………………………………………6
3.3水位检测电路…………………………………………………………………9
3.4键盘及显示电路……………………………………………………………10
3.5驱动电路……………………………………………………………………12
第4章新型太阳能热水器控制装置的软件设计…………………………………14
4.1主程序设计…………………………………………………………………14
4.1.1水位检测程序设计……………………………………………………15
4.1.2键盘功能处理程序设计………………………………………………16
4.1.3显示程序设计…………………………………………………………17
4.2中断程序设计………………………………………………………………21
第5章控制装置的调试及控制器的使用说明……………………………………24
5.1控制装置的调试过程………………………………………………………24
5.2控制器的使用说明…………………………………………………………24
第6章结论与展望…………………………………………………………………26
6.1结论…………………………………………………………………………26
6.2展望…………………………………………………………………………26
致谢…………………………………………………………………………………27
参考文献……………………………………………………………………………28
附录1：
原理图………………………………………………………………………29
附录2：
程序清单……………………………………………………………………30
第1章绪论
能源是人类赖以生存的五大要素之一，是国民经济和社会发展的主要战略物质。
我国人口众多，能源资源相对匮乏，人均能源占有量不到世界平均水平的一半。
“开发与节约并重，近期把节约放在优先地位”是能源发展方针，节能已成为国家发展经济的一项长远战略方针。
近年来，使用太阳能作为城市基础设施，在节约能源，减少环境污染，改善人民生活质量等方面的优点早已成为社会的共识。
随着社会经济的发展，生活水平的提高，人们对太阳能热水器的需求量也越来越大，太阳能热水器也随之蓬勃发展，在城市环境可持续发展的战略中，太阳能热水器的优越性越发地突现出来。
随之而来的一个问题是，不能自动进水、没有水温水位显示、不能自动加热、浪费水资源严重、真空管易爆炸等。
尽管目前市场上为解决上述问题相继出现了各式各样的控制仪或控制装置，这些装置只解决了部分问题，未能达到全智能控制效果。
我们本次所做的毕业设计就是针对太阳能热水器功能问题，力图解决自动进水、水温水位显示、自动加热、水资源、真空管等问题，使用户在使用一些关于太阳能热水器的设备时，更好地享受其全智能的功能所带来的方便。
1.1太阳能热水器的现状
太阳能热水器因其为绿色产品、无污染、使用方便、成本低等特点,越来越受到人们的青睐，同时也存在一些不足之处，如：
不能自动进水、没有水温水位显示、不能自动加热、浪费水资源严重、真空管易爆炸等。
尽管目前市场上为解决上述问题相继出现了各式各样的控制仪或控制装置，这些控制装置只解决了部分问题未能达到全智能控制效果。
1.2本设计的优点
本设计结合实际研制出一种全智能太阳能热水器温控进水及水温水位显示控制装置。
它的设计思想是人性化和智能化，其主要优点有：
1、根据水位和水温两个条件控制是否需要进水，每次只进适量的水。
若温度再次达到设置值时则再次进水，不会出现浪费水资源或进水过多导致水温落差较大的现象，而且还可以避免在夏天中午前后真空管处于高温状态时补水引起的爆管问题；
2、具有进水超水位和超水温报警指示；
3、用水时若水温达不到设置值时，则自行起动加热装置，使水温具有无级调节的功能，同时还能起到节能的效果；
4、具有水温和水位显示功能，这样则不会出现在洗澡时突然断水现象；
5具有手动和自动切换功能，当处于手动时可以人为进水或电加热；
6、本装置还具有价格低、安装维护方便、操作简单等优点。
1.3本设计的主要内容及思路
本设计首先介绍了控制装置的系统组成和工作原理及控制器的组成和工作流程；
其次介绍了新型太阳能热水器控制装置的硬件设计，主要有直流稳压电源设计、水温检测电路设计、水位检测电路设计、键盘及显示电路设计和电磁阀及其驱动电路设计；
再次介绍了新型太阳能热水器控制装置的软件设计，主要包括主程序设计和中断程序设计，其中主程序设计有水温检测电路的软件设计、水位检测电路的软件设计、键盘电路的软件设计和显示电路的软件设计；
最后介绍了控制系统的调试，主要有介绍了控制面板组成和调试中遇到的问题及解决的方法，结尾论述了主要结论与展望。
第2章控制装置的组成及工作原理
2.1系统组成
如图2-1所示，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。
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。
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。
手动控制阀：
当自动阀损坏时，可以通过手动阀进行上下水。
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。
水温检测传感器：
主要用来检测水箱中水的实际温度。
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。
2.2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）。
2.3控制器的组成及工作流程
2.3.1控制器的组成
本控制器主要由单片机AT89S51，键盘电路、水位检测电路、水温检测电路、显示电路、驱动电路等组成，具体控制系统结构框图如图2-2所示。
2.3.2控制器的工作流程
控制器的工作流程如图2-3所示。
第3章新型太阳能热水器控制装置的硬件设计
3.1直流稳压电源电路
直流稳压电源由变压器、单相桥式整流电路、三端集成稳压器等组成。
3.1.1工作原理
220V市电经过变压器降压后得到15V交流电压，该电压经过单相桥式整流后获得近18V的直流电压，为了不使电路中产生电路突发的情况，还要经过滤波电路，把电容和负载电阻并联以便吸收脉动电压，并使输出电压保持平稳。
为了不受市电波动的影响，提高系统工作的稳定性，我们采用相应的稳压块来获得控制电路所需的电压等级，具体电路如图3.1所示。
3.1.2元器件的选择
我们采用AT89S51单片机作为整个控制系统的核心元件，因为AT89S51的电源是+5V，所以选用7805稳压块，输出控制电路用的是+12V直流继电器，所以选7812稳压块，在温度检测电路中用了OP07放大器，它需要+12V和-12V的电压，所以选7912稳压块。
3.2水温检测电路
3.2.1水温检测电路原理
本设计采用了电阻温度传感器来测量温度，主要是利用其温度特性。
当温度变化时，电阻值发生改变即温度升高（降低）时，电阻增大（变小），这样测温就变成了测量电阻值，从而改变输出电压值。
其原理主要为温度传感器所测温度经惠斯登电桥转换后送运放
OP07进行放大。
具体电路设计如图3-2所示。
图3-2水温检测电路
3.2.2元器件的选择及参数计算
1、元器件选择
常用的温度传感器有热电阻、热敏电阻温度传感器，热电偶及集成对管温度传感器等，因电阻温度传感器有1）测量精度高，对非温度量不敏感；
2）有较大的测量范围，灵敏度高；
3）线性度好，便于自动测量等优点，故本电路采用电阻温度传感器，
2、参数计算
在进行电路设计时，一般是已知传感器饿温度特性，根据测温环境确定电桥平衡方式，激励源选择，电压灵敏度，放大与引线电阻补偿等。
此设计采用的是热敏电阻。
已知t=0℃,R（t）=100Ω;
t=100℃时,R（t）=125Ω;
则ΔR=0.25Ω/℃。
设通过R（t）的电流小于2mA，输出电压U0=U100℃-U0℃
1）电桥结构的选择
如图3-3所示，电桥采用等臂电桥，选择R29=R30=R31=R32，铂电阻R（t）＜R30。
为了调整电桥平衡，采用可变电阻RW，这样RW就分为两部分。
电桥平衡时，（RW1+R29）R32=［R30+R（t）］（RW2+R31）,则UO=0。
因为R（t）冷电阻为100Ω，所以可选择R1
10R（t）。
设选取R=R29=R30=R31=R32=2KΩ，则RW可调电阻为200Ω，这时可用RW调整电桥平衡，Rw称为调零电位器。
在0℃时调整，使电桥平衡，即调节RW，使得U0=0V。
图3-3单电桥测温电路原理图
2）激励电源电压的估算
单电桥电路中激励电源的主要作用是：
在电阻温度传感器R（t）以及固定电阻R29、R30、R31、R32中产生一定的电流，将电阻的变化转变为电压的变化。
但R（t）中电流是有限的，不能通过，否则由于本身电流发热而影响温度的测量。
对于固定电阻中的电流也不能过大，并要求固定电阻有较大的功率容量，其近似估算是：
先设定一较低电压，例如E选用5V，则总电流Ｉ为
则每臂电流I1、I2分别为:
从上面估算可以看到，流过R（t）的电流小于2mA,故本身的热量变化不会影响环境的变化。
同样，流过固定电阻上的电流也小于2mA。
所以，选取E=5V是可行的。
3）电桥电路输出电压的计算
当0℃时：
代入参数R29＝2K，R30＝2K，R0＝0.1K，E=5V，RW1+RW2=200Ω
得：
RW1＝54ΩRW2=146Ω
当100℃时：
代入参数R29＝2K，R30＝2K，R100＝0.125K，E=5V，RW1＝54ΩRW2=146Ω
UO＝0.13V
4）单电桥电路输出信号的放大
如图3-3所示电桥是双端输出的，若采用运算放大器，则要用差动放大器，如图3-4所示，其输出电压为B、D点的电位差。
如电路选用R35＝R36，R33＝R34＝R，则运算放大器放大的电压为:
因此R35选40K,RW选20K。
图3-4差动放大电路
选择不同的R35与R33，运用电位器，则可以得到所放大的信号。
注：
U0’由所选的A/D转换器所决定的。
具体算法如下：
本设计控制装置所测的温度范围为0℃-100℃，精确到0.5℃，需要200个数字量，因此选用了ADC0832，所选的参考电压为5V,则根据比例式：
求得U0’=3.9V
5）串行A/DADC0832及其接口电路
ADC0832是具有多路转换开关的8位串行A/D转换器,末位数1、2、4、8为其转换通道数，转换速度较高，单电源供电，功耗低。
1ADC0832引脚功能
图3-5a为ADC0832芯片引脚。
VDD、VSS：
电源、接地端，VDD同时兼任UREF；
CS:
片选端，低电平有效；
DI:
数据信号输入端；
DO:
数据信号输出端；
CLK:
时钟信号输入端，要求低于600KHZ
CH0、CH1:
模拟信号输入端。
2硬件连接电路
图3-5b为ADC0832与AT89S51应用接口电路，图中：
P3.6片选CS；
TXD发送时钟信号输入ADC0832CLK；
RXD与DI、DO端连接在一起，根据ADC0832特点，DI端在接收主机起始和通道配置信号关断，直至CS再次出现跳变，DO端在DI端有效期间始终处于三态，因此DI端与DO端可与RXD端连接在一起，不会引起冲突。
3.3水位检测电路
水位检测电路如图3-5所示。
水位传感器可以自制，在绝缘棒上固定5个铜柳钉作为电极（0-4），最下部的电极作为公共端，其余4个依次表示水位，电极间相当于一个开关，在没有水时，开关开路，有水时水中的离子导电，开关短路（实际不短路，电极间电阻约为十几K到几十K，与水质有关）。
通电后就可以
图3-5水位检测电路
检测水位，在电极间加电流，电路简单，直流电压通过470K电阻和水位开关（无水开路，有水十几K电阻）分压，无水水位开关上的压降大，送到P3.2口、P3.3口、P3.4口、P3.5口，检测到高电平，有水时水位开关上的压降很小，检测到低电平。
3.4键盘及显示电路
3.4.1键盘电路
1．键盘的选择
P1.0-P1.7口作为按键的输入信号，键按下，就执行该键的功能。
其电路图3-6所示。
独立式按键，各个按键相互独立，每个按键占用一根I/O口线，每根I/O口线上的按键工作状态不会影响其它I/O口线上的按键工作状态，而且独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，因此本设计采用独立式按键。
2．按键功能的介绍
S1键：
显示/设置键，用于实现水温的显示或者设置水温的值。
S2键：
选位键，用于选择数码管十位、个位，还是十分位的值。
S3键：
上调键，用于使设置的温度值向上增加。
S4键：
下调键，用于使设置的温度值向下减小。
S5键：
洗浴键，按此键可以进行洗浴。
S6键：
自动/手动键，按此键可以进行自动和手动的切换。
S7键：
上水/停止键，在手动键按下时，按上水键可以水阀上水，再按一下就停止上水。
S8键：
加热/停止键，在手动键按下时，按加热键可以启动加热器进行对水箱中水的加热，再按一下加热器就停止加热。
3．上拉电阻
10K的排阻为上拉电阻，键未按下时，P1口电平被电阻上拉为高；
键按下时，P1口电平被拉为低。
图3-6键盘电路图
3.4.2显示电路
本设计采用共阳型数码管，8个LED灯如图3-7所示，灯的负极依次接到数码管的a-f段，采用动态扫描电路，并把显示程序作为主程序。
数码管的段用P0口控制，P2.0口、P2.3口作为数码管的位控制,P2.4口作为指示灯的控制。
图3-7显示电路
图3-7显示电路
3.5驱动电路
3.5.1晶闸管驱动接口电路
1、晶闸管驱动接口电路工作原理
P2.5输出的控制信号控制1KW电加热器的通断，输出低电平时，双向晶闸管导通，经U4光耦，自动过零触发可控硅导通，接通1KW电加热器电源。
2、元器件选择
在用单片机对交流强电回路进行控制的实际应用中，一般都是使用晶闸管，
图3-8晶闸管驱动电路
用单片机进行控制。
由于晶闸管所在的主电路是交流强电回路，电压较高，电流较大，不宜用单片机直接控制，可用光耦合器将单片机控制信号与晶闸管触发电路进行隔离驱动，具体电路如图3-8所示。
为了减小晶闸管控制的时的误触发，提高抗干扰性能，在晶闸管的阴极和门极之间增加了R25，为了防止负载在通断时产生的过电压冲击损坏电路，电路中利用了R26和0.1uF电容串联电路来吸收。
3.5.2光电隔离输入、继电器输出驱动接口电路
1、电路工作原理
当P2.6、P2.7输出低电平的电信号送入光耦合器的输入端时，发光二级管通过电流而发光，光敏元件受到光照后产生电流，光敏晶体管导通，12V直流电源加到继电器线圈上，继电器吸合，常开触点接通，然后用继电器的触点再来控制电磁阀的接通。
反之，P2.6、P2.7输出高电平，晶体管截止，继电器线圈没有电源，继电器不吸合，则继电器的触点控制的电磁阀关闭。
具体电路如图3-9所示。
图3-9继电器驱动电路
在控制现场环境较恶劣时，会存在较大的燥声干扰，若这些干扰随输入信号一起进入单片机系统，会使控制的准确性降低，产生误动作。
因而，本设计在单片机的输出端，用光耦合器作
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