太阳能热水器智能控制器毕业设计剖析.docx
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太阳能热水器智能控制器毕业设计剖析
南京工程学院
自动化学院
本科毕业设计（论文）
题目：
太阳能热水器智能控制器设计
专业：
自动化
班级：
学号：
学生姓名：
指导教师：
起止日期：
设计地点：
2015年6月
GraduationDesign（Thesis）
ResearchontheDesignofIntelligentController
ofSolarWaterHeater
By
ChenKang
Supervisedby
SeniorEngineerQuBo
SchoolofAutomation
NanjingInstituteofTechnology
June,2015
摘要
近年来，太阳能热水器的普及面已越来越广，其具有的方便、快捷、节能等特点深受广大用户的青睐。
而其智能控制器的逐步改进与完善日趋重要。
本文设计的太阳能热水器智能控制器，主要是针对家用太阳能热水器，它以单片机AT89S52、温度传感器DS18B20、液位传感器为核心，同时增加液晶显示、键盘输入、上下水电磁阀的操控及加热控制等电路。
不仅可以实现水温水位的实时显示与设定自动控制功能，而且可以对缺水、过热等故障发出报警提示。
完成的工作主要有：
（1）实现最小系统电路、电磁阀、加热丝控制电路、水温水位检测电路、
报警提示电路、电源电路等各个功能模块电路的设计；
（2）实现各个功能模块软件控制程序的设计；
（3）实现焊接和硬件电路的调试；
（4）实现软件程序的调试运行以及软硬件同步联调
硬件设计电路使用AltiumDesigner6.9软件，软件程序的设计和调试则使用KeiluVision4软件，二者结合使用，有效地解决了控制器从原理图的设计到仿真调试再到实物制作等一系列相关的问题。
关键词:
太阳能热水器；AT89S52；DS18B20；水温水位控制；软件硬件同步
调试
ABSTRACT
Inrecentyears,thepopularityoftheapplicationofsolarwaterheatershavebeenmorewidely,ithasaconvenient,fastandenergy-savingfeaturesbythemajorityofusersofallages.Graduallyimproveandperfecttheirsmartcontrollerincreasinglyimportant.
ThisdesignofasolarwaterheaterintelligentcontrollerDS18B20,mainlyfordomesticsolarwaterheaters,whichcontainsmicrocontrollerAT89S52,temperaturesensors,levelsensorsatthecore,whileexpandingLCD,keyboard,solenoidvalveandheatingcontrolcircuit.Notonlycanachievereal-timedisplayandsettheautomaticcontrolofwatertemperature,andcansendoutalarmondry,overheatingandotherfailures.Completetheworkasbellows:
（1）CompletingThecontrolsystemcircuit,Thedrivingcircuit,Thedetecting
circuitoftemperatureandwaterlevel,Thealarmcircuit,Thepowersupply
Designofeachfunctionalmodulecircuitsandroadsetc;
（2）Thecompletionofeachmodulesoftwarecontrolprogramdesign;
（3）Finishingtheinstallationandcommissioningofhardwarecircuit;
（4）Thesynchronousalignmentofsoftwareprogramsandhardware
HardwarecircuitdesignusingAltiumDesigner6.9software,softwaredesignanddebugprogramsusingKeiluVision4software,useacombinationofboth,toeffectivelysolvethecontrollerfromschematicdesigntosimulationdebuggingaseriesofrelatedissuesandthentothephysicalproduction,etc.
Keywords：
SolarWaterHeaters;AT89S52;DS18B20;TheControlSystemOf
WaterTemperatureAndWaterLevel;TheAlignmentOfSoftware
AndHardware.
第1章绪论
1.1课题诠释和选题依据
1.1.1课题诠释
本次毕业设计选择研究的课题是：
太阳能热水器智能控制器设计（DesignofIntelligentControllerofSolarWaterHeater）。
太阳能热水器大都属于贮水式热水器，主要由保温水箱、集热管、加热棒、水温、水位传感器及自动控制和保护系统组成。
集热管主要利用冷热水密度不同即热水向上流动而冷水向下沉降的原理，从而使水流产生上下微循环进而达到整体温度的提升，实现光能向热能的转换。
其实现的主要功能便是把光能转换成热能，即给水加热至适宜的温度，以满足人们在生活中的种种需求。
1.1.2选题依据
目前，太阳能热水器的应用市场已经十分广阔，然而其控制器的深层次研发却一直停留在初级阶段，迟迟没有大的发展。
比如市场上流行的太阳能热水器控制器仅拥有水温和水位的显示功能，而存在这种弊端难免会使得温度和水位的显示误差均偏大。
一方面，这种控制器不具有温度调节功能，当接收到的光强不足时，太阳能热水器便无法实现加热功用，从而给用户带来许多的不便之处，另一方面，即便这类热水器具有辅助加热功能，但是也不能很好的控制水温，无法达到用户的要求，同时由于不能良好的控制水位或者需要用户手动的调节水位等问题，因此受到诸多诟病。
本文设计太阳能热水器控制器的思路主要通过单片机进行控制，来实现水温水位的自动调节与控制功能。
单片机是一台计算机系统浓缩后的集成部件，拥有计算机系统的完整功能，因此它能够被广泛的用于电器的智能控制中，并且取得了良好的效果。
在电子技术领域的伊始，我们需要将复杂的大规模电路集成压缩进控制器中，进而保证电器设备的正常运行，但是也因此带来诸多问题，比如携带不便，成本高，生产工艺难以掌握，而且在使用过程中随着某些原有器件的老化，电器中主控系统开始逐渐失去原有的功能。
而单片机的出现很好的解决了这些问题，在现代的电子产品设计与开发中，将单片机嵌入电器的控制部件中就能够实现对电器一定的智能控制，不仅使成本大大降低，而且实现的技术要求不高，使用寿命也有所增加。
在生活步调日益加快的当今社会，应用单片机特有的性能实现智能控制已经成为人们解决生活问题的不二选择[1]。
本文设计的控制器可以根据天气的具体实际情况，同时利用辅助加热电路使储水箱内的水可以在较为短暂的时间内达到用户设定的温度，在光照强度较大时，利用太阳光能给水加热，在光照强度较弱水温达不到预定的要求时，则利用电辅助加热。
从而实现24小时供应热水。
在太阳能热水器智能控制器的不断改进当中，太阳能热水器未来必定拥有更为宽泛的市场。
1.2课题探究背景及国内外发展近况
当下，能源短缺问题逐渐成为制约世界各个国家经济发展的瓶颈，因而也促使愈来愈多的国家开始实行“采光计划”，以充分挖掘太阳能资源，寻求经济发展的新动力已成为一种发展趋势。
而太阳能本身作为一种可再生的新能源，其具有的储量丰富、清洁安全、经济、长久、普遍等优势，使其越来越受到人们的青睐，并且已成为应对能源短缺、气候变化与节能减排的重要选择之一，其发展前景被世界各国看好。
与其他常见的能源相比，太阳能资源主要拥有以下特别之处[2]:
（1）储量雄厚。
据有关人士估算，平均每年到达地球表面的太阳辐射能为一
百多亿吨的标准煤所产生的能量，足以支撑现今人类各方面的能源需求。
（2）洁净安全。
太阳能在使用的过程中几乎不会产生任何污染环境的废物，
十分环保。
（3）经济性。
利用太阳能发电的成本很低，可以很好地向全民普及推广使用。
（4）长久性。
据科学家推测太阳能可使用几百亿年，而地球的寿命不过区区
几十亿年，因此可以认为，这种资源是取之不尽用之不竭的。
（5）普及性。
相对其他新近开发的能源来讲，太阳辐射能遍布全球各地，在
任何地区都有被充分开发使用的可能。
就国内而言，蕴藏的太阳能资源也十分丰富，理论上存储量可达17000亿吨标准煤每年。
另外从国土资源分布来看，能接受太阳能的区域，也十分广阔。
全国各个地区可供收集的辐射太阳能总量大概为5852兆焦耳每平米。
近年来，在新能源开发领域中，太阳能热水器的开发与利用是发展最快的产业。
太阳能被使用的方式主要是满足城市乡村住民生活中的热水提供需求。
目前我们国家太阳能热水器的相关生产已经完全实现商业化，不论是生产量或是使用量都排名世界第一位，因此太阳能热水器功用的不断开发显得很重要，未来一定会带来更大的效益。
究其根本，太阳能热水器是把太阳能转换为热能资源并对水进行加热的一种电器设备，与燃气热水器、电热水器合称为三大热水器。
太阳能热水器的使用在中国也十分普遍。
但对比国外差距仍然很明显，市场仍需进一步深层开发[3]。
目前国内研发的太阳能热水器与国外的产品存在诸多不足之处，主要表现在外观设计、结构设计、功能设计以及外壳材料的选择。
在外观设计上，欧洲对太阳能热水系统的研发和应用早于中国，主要以分离式太阳能热水系统为主，控制器是必不可少的部件之一。
其较注重产品的实用性，外观设计方面则相对较简单，通常采用曲面设计，设计巧妙、结构紧密以及单色调无背景光小屏幕，凸显出其精益求精的设计风格，另一方面也可以体现出它的节能设计理念。
相比之下，国内太阳能热水系统控制器的发展不到10年，外观造型通常以平面为主，多采用大显示屏、彩色显示、带背景光，色彩艳丽。
这种设计只考虑了外形美观、艳丽，视觉感觉较好，但并不节能。
在结构设计上，国外产品采用接线简单的绝缘壳体，因而重新方便拆卸组装，兼有防水功能。
特别需要指出的是，在线路板上元器件多采用表面贴装技术、模块化分布设计、各个端子排的分布按照强弱电严格用绝缘壳体分离开来，从而有效避免信号采集时受电源干扰影响。
相比之下，国内的同类产品，不易拆卸，且在接线端子引线布局上没有严格的区分，因此信号采集时受电源干扰影响较大，同时强弱电没有严格按要求划分具体的区域，接线时易出现弱电端子被强电击穿的隐患。
在功能设计上，国外多采用分体承压式系统，主要用于温度的采集控制、循环泵的控制、电磁阀的控制和热量计算等。
同时在系统安装模式和控制器设置两个方面的模式均有不同。
相比之下，现今国内市场正在流通的太阳能热水器控制器则主要采用敞口式，用于上水电磁阀、电加热棒、上水增压泵等电路的控制。
在外壳材料上，欧洲多选用阻燃级别制造材料，同时在元器件的选择上，也有考虑到环保原料可降解性。
其控制器相关使用的所有配件均严格按标准选用，包括接线连接部分也是如此，所以给安装带来很大方便。
相比之下，国内控制器的外壳材料多采用ABS，即原材料中只添加了较少的阻燃成分，假如内部元器件发热达到外壳的着火点，很有可能会引起外壳自燃，具有相当大的安全和环境污染等问题[4]。
面对这些方面存在差距，在未来太阳能热水器的不断改进中起到了不可或缺的作用。
1.3课题设计的初步分析与构思
此次课题设计是针对家用太阳能热水器智能控制器设计来说的。
控制器的硬件电路设计拟采用AT89S52单片机、DS18B20线式温度传感器、液位传感器为中心，同时增添液晶显示、键盘输入、上水、进水电磁阀的操控及加热控制等有关辅助电路。
控制器的软件程序设计拟采用KeiluVision4软件，用以完成程序的开发与初步仿真调试，在充分考虑整个系统所要实现的各项功能以后，设计各个子程序的流程图，然后根据后续的调试结果，修改程序，直至最终调试出结果。
由于AT89S52单片机内部含有看门狗电路，所以在系统功能模块电路设计中不需要考虑额外添加看门狗电路。
总之，单片机在太阳能热水器中的使用，可以显著的提高系统可观性，使得水温及水位的监测和液晶显示更加智能、更加人性，给用户带来极大的方便，安全值得信赖。
相信会有良好的市场前景。
第二章系统总体设计分析
2.1设计目的及要求
2.1.1设计目的
此次课题设计在实际生产生活中，具有很强的实用性,最主要的特色在于，以单片机为主控芯片，同时扩展相关外围电路，采用模块化结构设计，配之十分常用的元器件，从而使得整体架构简洁明了，方便实用。
并且由于控制器本身易操作使用，节约成本，因而便于大面积推广使用。
换言之，它可以广泛的应用于家用太阳能热水器的智能控制器中，相信在未来会具有良好的市场前景[5]。
2.1.2设计要求
（1）该控制器可根据自动或手动操作方式设定用水温度、上水水位等相关参数
同时控制上水、进水电磁阀、节流阀、加热丝的工作；
（2）设计最小系统控制电路、水温水位检测电路、报警提示电路、键盘输入电
路和电源电路以及上水、进水电磁阀操控、节流阀、加热棒的自动控制电
路[6][7]；
（3）设计上水水位控制程序、加热控制算法程序和异常情况报警程序等；
（4）实现水温水位的显示功能，给水超水位或超水温等异常情况的报警功能；
2.2系统整体设计框图及分析
正如我们所知，太阳能热水器系统主要可分为外围设备和控制器模块，由用户向控制器模块输入相关的数据指令，进一步控制外围设备功能的实现。
而控制器性能主要由硬件和软件两大部份同时工作完成，硬件部分主要将所使用的各类元器件按模块化结构焊接在电路板上，然后由各个功能模块，来完成对信号的采集、转换以及其他相关信息交流显示等，软件程序主要完成数值计算和按键等功能的分配，从而实现系统的功能。
按照课题要求，初步拟定规划的太阳能热水器系统实物构成示意图，如下图图2.1所示，系统的组成部分主要有：
外、内部储水箱、加热棒、控制器、自动控制阀、手动控制阀、水位检测电极、水温检测传感器以及部分相关器件。
示意图分析主要涉及到系统外围设备功能的实现途径以及工作原理,具体内容如下分析：
图2.1太阳能热水器系统实物构成示意图
示意图分析：
首先由外界提供的自来水，通过上水电磁阀K1和手动辅助阀K4、进水电磁阀K2和手动辅助阀K5注入外、内储水箱，外部储水箱的作用主要是利用太阳能给水箱中的水加热实现光能向热能的转换，同时为内储水箱提供热水来源；同时实时检测外储水箱中的水位，水位过低时则产生报警提示，同时由控制器操作打开上水电磁阀进行注水；然后，如果供给内储水箱中的水温过低或达不到用户的设定值时，比如某些时候的光照强度不满足要求或者天气状况较差时，内部储水箱中的电阻加热丝开始工作，以确保水温可以达到用户要求的设定值，如果供给内储水箱中的水温过高时时，控制器操作打开进水电磁阀K2进行注水，用以降低水温。
多出的水流入外部储水箱，形成一个简易的水循环系统。
手动辅助阀K4和K5起到补充作用，即当上水、进水电磁阀出现故障时发挥补充作用，从而保证全天24小时不间断的热水供应。
其次，内部储水箱中的电阻加热丝是依靠外部提供的220V交流电供电开始工作的，从而起到一个加热源的作用。
内储水箱中放置的水温检测传感器用来实时检测水箱中水的温度。
外部储水箱中放置的水位检测电极则主要用来实时检测水箱中水的高度，外部储水箱的高度被5个电极作四等分，其中接地的电极放在水箱的底部，其余四个电极分别放置在四个等分点上，当水位高度没有达到第一个等分点时，说明水箱中的水不足四分之一，当水位高度处在第一个和第二个等分点时，说明水箱中有四分之一的水，当水位高度处在第二个和第三个等分点时，说明水箱中有二分之一的水，当水位高度处在第三个和第四个等分点时，说明水箱中有三分之二的水，当水位高度超过第四个等分点时，则说明水箱中的水已满。
再者，还有一种比较特殊的情况需要特别指出，当外部储水箱中水超过最高水位时，可以从溢流管的出口流出；而针对内部储水箱而言，其水箱中的水总是注满状态，当水流从溢流管中溢出时，直接循环流进外部储水箱，超过水位设定值时，报警处理，同时控制器控制进水电磁阀K2关闭。
这样的设计既可以避免空水箱加热的危险状况，同时也能最大效率的利用加热丝的加热作用，实现效益的最大化。
另一方面，通过手动阀K6可以将水管中残余的水有效排出，防止冬天因水管中的水发生冰冻，损坏水管。
综上所述，此次设计的智能控制器主要是通过下载端口接收软件程序进而操控上水、进水电磁阀K1、K2的通断、控制内储水箱水温检测传感器实时检测水温、控制外储水箱水位检测传感器实时检测外部储水箱中的水位和通过可控硅工作电路调节电阻加热丝的工作。
即在系统不需要人工操作调节的作用下，实现水温和水位的自我调节作用，达到一定程度上的智能效果。
2.3设计方案论证及选择
加热控制
显示器
水位监测
继电器
水温检测
AT89S52
水位控制
电磁阀
报警电路
键盘输入
图2.2控制器及功能模块设计示意图
分析：
此次关于“太阳能热水器智能控制器设计”探究课题的初步拟定设计方案，如上图图2.2所示，不难看出，其硬件电路设计主要以单片机最小主控系统、水位监测电路、水温检测电路为控制中心，同时增添键盘输入电路、液晶显示、上水、进水电磁阀操控、加热控制、电源电路及报警提示辅助电路。
（1）、在AT89S52最小系统电路的设计中，含有复位电路、晶振电路和下载程序的接口电路，由于AT系列的单片机不能使用串口通信模块进行下载程序，所以拟采用ISP下载接口进行程序的下载，另外，因为AT89S52单片机的P0口内部没有上拉电阻，所以P0口外部还需要接一个排阻，考虑到P1口内部上拉电阻阻值较小，因此同样接一个排阻；
（2）、在驱动模块电路的设计中，主要是关于加热棒和电磁阀的控制电路。
前者接收到加热信号时，使加热棒开始工作，对水箱中的水进行加热，直至达到用户设定的温度，后者在接收到进补水信号时，驱动上水电磁阀进行补水，直至达到用户所设定要求的水位。
同时在水箱中的水温超过设定值时，电磁阀也可以开始工作，进行补水，从而使得水温水位始终保持在一个恒定值范围；
（3）、在显示电路模块中，显示器可以分行显示水温和水位的参数，并且在用户操作按键时在对应的位置显示出光标；
（4）、在水温水位检测电路中，要求实现水温水位的实时检测与自动调节控制功能，即用按键预先设置所要求的水温水位后，系统会自动检测水箱中的水温水位，同时比较水温和水位的设定下限，如果达不到要求时，系统驱动加热控制电路和电磁阀进行及时的水温水位补偿；
（5）、在报警电路的设计中，拟采用一个蜂鸣器实现报警提示功能，同时为了保险起见，在蜂鸣器电路中可以考虑添加一个发光二极管，这样在系统感应到缺水或过热等安全隐患时，发光二极管在蜂鸣器发出响声的同时发光，从而有效的提醒用户解决问题。
或者可以直接使用一个电阻或电容接到蜂鸣器两端即可。
（6）、在键盘输入电路中，由于不需要众多的按键操作，也是为了系统实现功能的简单方便，因此拟采用三个独立按键，即系统工作模式的切换键S1，水温水位的增减键S2、S3，进而可以完成对设定值的操作；
（7）、在电源模块电路中，需要利用外界所能提供的电压值进行常用电压值的转换，比如将220V的交流电经过变压器整流转变成9V、18V的直流电，如果需要其他电压值，比如5V、12V直流电时，可在原来得到的9V、18V的基础上使用LM7812、LM7805等芯片进行转换。
当然，也可以使用电源适配器直接提供24V、12V、5V等等，考虑到电路中使用光电耦合器，因此需要使用两个不同来源的5V电压源，同时也需要接不同的共地端。
不同的5V电压可以通过设置两个排针接入到板子上。
综上所述，由于该研究课题已经指定要求使用的器件是AT89S52单片机、DS18B20线式温度测量传感器，所以真正可供选择的功能电路模块只有：
水位监测电路、液晶显示电路、键盘输入电路。
水位监测电路中采用不同种类“液位传感器”的设计方案有很多种，比如第一，利用液位浮力检测原理的浮球式液位传感器，浮球借着浮力伴随水面升降位移来间接反映水位高度的变化，但是由于其检测精度不高且安装操作不便，所以并不适用；第二，采用光电传感器，即使用红外对管来测量水位，将红外传感器分别安装于水箱的四个位置，通过接收信号来传输液位高度的信息，由于红外传感器在测量水位时没有与被测物体进行直接接触，因此也就没有摩擦作用的影响，并且灵敏度高，反应迅速，但成本较高且在测量时容易遭到干扰；第三，采用压力传感器，这类方法比较常用，可选用投入式静压液位变送器，然而它需要参考标准大气压才能进行准确测量，同时连接电缆中的通气会受到环境的影响，进而造成造成气管内壁冷凝，结露。
进而容易致使器件的使用寿命受到严重影响。
即此类此传感器很容易受到环境影响而造成测量数据不准确，带有诸多不便；第四，也可选用干簧管来进行开关信号的传送，在一端封闭的PVC管内，使用三个干簧管将保温桶的高度三等分，干簧管的公共端接+5V，另外三个端口分别为水位高、中、低的信号输出端。
由泡沫环与干簧管的吸合来间接的反映液位的高度。
综上所述，我们知道水位监测电路的设计方案各有不同，当然也各有优缺点，如何选用一种成本较低而测量效果更好的液位传感器才是研究重点[8]。
显示电路，平时更多的采用数码管来作数据的显示工作，但是实际作用效果往往不如液晶显示屏显示来得更好，而且液晶显示屏所具备的优良特点也更加适合此次课题要求。
键盘输入电路，可以考虑设置多个按键，但是根据此次控制器的设计需求，只需要保留三个按键即可，即功能模式切换确认键，水温水位增减键。
第三章硬件电路设计
3.1AT89S52最小控制系统
这次课题设计要求使用的是AT公司生产的AT89S52[9]单片机，即作为该智能控制器的主控芯片,AT89S52是功耗小、性能强的COMS8位微型控制器。
设计的AT89S52单片机最小主控系统如下图3.1所示：
图3.1AT89S52单片机最小主控系统
分析：
由上图可以看出，AT89S52单片机最小主控系统主要由AT89S52单片机芯片、以及复位、晶振两个小型电路构成。
AT89S52单片机芯片是由 CPU 、 RAM 和 ROM存储器 、 四组I/O 接口、定时 / 计数器、中断控制等有关功能的集成
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