太阳能热水器的智能控制器毕业设计论文

1 绪论 (1)1.1太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析 (1)1.2太阳能热水器的应用及意义 (2)2 系统组成及工作原理 (4)2.1系统设计要求 (4)2.2系统总体结构设计 (4)2.3太阳能热水器组成及原理 (6)2.4系统的组成框图 (7)3 硬件设计 (9)3.1最小系统板设计 (9)3.2按键及显示电路 (11)3.3温度采集模块电路设计 (11)3.5报警电路模块 (16)3.6继电器控制加热电路 (17)3.7水位检测接口电路 (18)3.8水位控制电路 (19)4 系统软件设计 (20)4.1软件设计分析 (20)4.2软件程序设计要求 (20)4.3主程序模块 (22)4.4中断服务程序设计 (22)4.5子程序模块 (23)5 系统调试 (30)6 结论 (32)参考文献 (33)致谢 (34)附录A 电路原理图 (35)附录B PCB图 (36)附录C 程序代码 (37)1.1太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析目前，中国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国，年产量约为世界各国之和，已有一百多家太阳能热水器生产厂。

但是与之配套的太阳能热水器控制器却一直处在研究与开发阶段。

这种控制器只具有温度和液位显示功能，而且为分段显示，温度显示误差为10%，水位显示误差为25%。

这种显示器(还称不上控制器)不具有温度控制功能，当由于天气原因而光强不足时，就会给热水器用户带来不便；即使热水器具有辅助加热功能，由于加热时间不能控制而产生过烧，从而浪费大量的电能。

本文设计的太阳能热水器控制器以80C51单片机为检测控制核心，采用DS12887 实时时钟，不仅实现了时间、温度和水位三种参数实时显示和FUZZY控制功能，而且具有时间设定、温度设定与控制功能。

温度控制采用模糊控制，控制器可以根据天气情况利用辅助加热装置使蓄水箱内的水温在设定时间达到预先设定的温度，从而达到24小时供应热水的目的。

太阳能热水器是太阳能利用中最常见的一种装置，经济效益明显，正在迅速的推广应用，太阳能热水器能够将太阳辐射能转换热能，供生产和生活使用。

他主要由平板集热器、蓄水器和连接管道等部件组成，可分循环式、直流式和闷晒式。

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[5]。

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当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。

太阳能作为一种可再生的新能源，越来越引起人们的关注。

中国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔。

太阳能（Solar Energy），一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。

自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。

但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。

太阳能的利用有被动式利用（光热转换）和光电转换两种方式。

太阳能发电一种新兴的可再生能源。

广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能，化学能，水的势能等。

利用太阳能的优缺点优点：(1)没有地域的限制无论陆地或海洋，无论高山或岛屿，都处处皆有，可直接开发和利用，且无须开采和运输。

(2)开发利用太阳能不会污染环境，它是最清洁能源之一，在环境污染越来越严重的今天，这一点是极其宝贵的。

(3)每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，其总量属现今世界上可以开发的最大能源。

(4)根据目前太阳产生的核能速率估算，氢的贮量足够维持上百亿年，而地球的寿命也约为几十亿年，从这个意义上讲，可以说太阳的能量是用之不竭的。

缺点：(1)分散性：到达地球表面的太阳辐射的总量尽管很大，但是能流密度很低。

在利用太阳能时，想要得到一定的转换功率，往往需要面积相当大的一套收集和转换设备，造价较高。

(2)不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐照度既是间断的，又是极不稳定的，这给太阳能的大规模应用增加了难度。

(3)效率低和成本高：目前太阳能利用的发展水平，有些方面在理论上是可行的，技术上也是成熟的。

但有的太阳能利用装置，因为效率偏低，成本较高，总的来说，经济性还不能与常规能源相竞争。

2 系统组成及工作原理本系统功能由硬件和软件两大部份协调完成，硬件部分主要完成信号的采集、转换及各种信息的显示等；软件主要完成功能计算和控制功能等。

2.1 系统设计要求本课题以51单片机为检测控制核心，采用实时时钟，不仅实现了时间﹑温度﹑水位三种参数实时显示，而且具有时间设定，温度设定与控制功能。

系统要求：1.采用传感器对信号进行采集，温度误差≤0.1℃水位显示误差≤5%2.有数据和状态显示功能。

2.2系统总体结构设计图2.1 系统结构图图2.1为系统设计的结构图，该图的系统控制原理图如下图2.2：图2.2 系统控制原理图注释：C1：热水箱的温度传感器C2：循环水管中的温度传感器C3：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T3<N，关闭F3继续给太阳能集热器加热，知道温度答应N，当打开F3时此时比较水管水温T2与N的值，若T2>N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.水箱加热控制此时，也许你会问如果没有日照或者日照较弱时，到了晚上我们是否还能洗上热水澡吗？答案是肯定的，不要忘了这款热水器还有一个从系统，这时它就要发挥作用了。

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。

2.3太阳能热水器组成及原理图2.3 热水器装置简图注释：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。

2.4 系统的组成框图本次太阳能热水器系统是一种新型的智能温控系统系统，该系统的设计以AT89C51为核心，将传感器检测技术、智能控制相结合，整个系统可分为单片机最小系统模块、DS18B20检测温度模块，报警模块、检测水位模块、控制水位模块和7279键盘显示模块。

1.具体原理框图如图2.23 硬件设计根据控制要求，采用80C51单片机的智能控制器结构框图如图所示。

由于本系统运算量不是很大，没有太多的中间数据需要处理、保存，因此不再外扩数据存储器。

仅使用STC80C51 内部RAM已完全能够满足要求。

系统的硬件接口电路包括：控制器实时时钟接口电路，蓄水箱温度和水位检测接口电路、设定键和串行显示接口电路、看门狗和复位接口电路以及继电器输出接口电路等。

3.1 最小系统板设计根据本次毕业设计的技术要求和总体设计方案,设计中用了最小系统板。

最小系统板的主要芯片为STC89C52单片机和HD7279A，STC89C52单片机是主要程序控制芯片，HD7279A是显示电路的主要芯片。

STC89C52单片机是E2PROM型单片机，可寻址64KB字节的程序存储器和64KB字节的外部数据存储器。

以单片机为核心，配以一定的外围电路和软件，实现某些功能，就组成了单片机应用系统。

STC89C5单片机是一个低功耗、高性能、带FLASH存储器的8位微处理器。