1、太阳能热水器的智能控制器设计学士学位论文摘 要.IAbstract.II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1.2 太阳能热水器的应用及意义第二章：太阳能热水器的组成及工作原理2.1 系统总体结构设计2.2 太阳能热水器组成及原理2.3 主要芯片的结构与特点 2.3.1 DS12887实时时钟芯片简介 2.3.2 80C51单片机结构特点 2.3.3 数字温度传感器DS18B20主要特性及测温原理第三章：太阳能热水器硬件设计3.1 太阳能控制器硬件结构3.2 控制器实时时钟接口电路设计3.3 水位检测和温度检测接口电路设计3.4 看门狗和复位接口电路设计3.5 键盘和显示接
2、口电路设计 3.5.1 键盘电路 3.5.2 显示接口电路3.6 光电隔离与辅助加热电路设计 第四章：控制器的软件设计结束语参考文献致谢附录毕业论文（设计）原创性声明本人所呈交的毕业论文（设计）是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 日期： 毕业论文（设计）授权使用说明本论文（设计）作者完全了解*学院有关保留、使用毕业论文（设计）的规定，学校有权保留论文（设计）并向相关部门送交论文（设计）的电子版
3、和纸质版。有权将论文（设计）用于非赢利目的的少量复制并允许论文（设计）进入学校图书馆被查阅。学校可以公布论文（设计）的全部或部分内容。保密的论文（设计）在解密后适用本规定。 作者签名： 指导教师签名： 日期： 日期： 注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少
4、于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订太阳能热水器智能控制器的设计摘要太阳
5、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、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，给出了系统硬件设计及软件实现方法。全文分三大部分。第一部分包括第一章，描述太阳能的利用和前景发展状况。第二部分包括第二章，描述太阳能系统组成及工作原理。第三部分包括第三、四章硬件设计及电路原理和软件设计，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，这也是此款太阳能热水器的理论基础和必要前提。关键词：
6、 太阳能热水器;传感器; 模糊控制; 实时时钟;单片机 Design of intelligent controllerfor Solar Water HeaterAbstract Solar Water Heater is popular with its pretty benefits, Based on authors real experience on Solar Water Heater design, this article describes the working theory of this solar water hearer after introducing the
7、 characters of solar、sensor、Single Chip Microcomputer(SCM).According to the request and characteristic of Solar Water heater for the controller. Providing a design of Intelligent Con- troller for Solar Water heater based on DS12887. Sum up a design way of the systems hardware and software. This arti
8、cle is divided into 3 parts. Part One is Chapter 1,including the use and perspective of solar energy. Part Two, including Chapter 2, describing the including and the theory of this solar water heater. Part three, including Chapter 3,Chapter 4: the design of hardware and software、the theory of the ci
9、rcuit. Separately introducing the characters and use of transducer, common solar water heater and cycle system, the development and theory of Single Chip Microcomputer(SCM),which are the basic theory and necessary precondition.Key Words： Solar Water Heater、Sensor、Vague control、 Real clock、Single Chi
10、p Microcomputer(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，
11、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，
12、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
13、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。在太阳能热利用技术中，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
14、护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。太阳能热水器是以太阳能光热转换，利用温室效应和虹吸原理使水加热的装置，此装置分为两个不同的概念：1.太阳能热水工程系统，这种系统由太阳能集热器、储水箱管线、补水箱组成不同形式的热水系统，包括自然循环式、定温放水式等等，可构成提供热水10吨到100吨的装置，大多提供集体单位使用。2.太阳能热水器是指将上述各种不见组装成一个小系统，提供家庭或需要产热水1吨以下的单位使用，此种装置算为太阳能热水器。太阳能热水器（或系统）均以其采光面积作为计量单位，一般1平方米光面积可产热水100升，采光面积每种型号不同，一般在1.52.0平方米。我国从“六五”计划期间开始推广
15、太阳能热水器，到目前全国已有250万平方米采光面积的太阳能热水器，厂家又几家发展到全国约有180家左右，是目前世界上推广最大的国家之一，而且形成了规模，形成了中国特色的太阳能企业，有中国太阳能协会为中心的学术中心，以中国农村能源企业协会太阳能热利用专业委员会为中心，制定了产品标准、测试条件、产品合格证颁发等一系列措施。世界各国的太阳能热水器生产发展也很快。例如：澳大利亚政府规定，在北部地区新建房屋一定要设置太阳能热水器，西澳大利亚已有25%的新住宅安装了太阳能热水器。日本现在每年安装太阳能热水器近50万台，现在有20%的家庭安装了太阳能热水器，计划今后普及率达到25%，按照日本的“阳光计划”还
16、将为公寓，办公楼安装6500套太阳能热水系统，为工厂安装1900套工业用太阳能热水系统。以色列的法令规定所有新建筑物必须配备太阳能热水器，目前普及率已超过60%。英、法、德、意、希腊五国到2000年底推广热水器600万平方米，比1990年增长2倍多。国内外太阳能热水器使用量增长如此之快，其根本原因是：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。采用本热水器与电热水器
17、、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，在这以后提供的热水是免费的。设计可以参考以下的几个意见：1.在设计民用建筑时，若此地区没有集中热水供应，可给用户安装太阳能热水器，以提供热水，提高住房的档次，在设计时将冷、热水管线预埋，以平均每套住宅建筑面积65平方计算，工程造价大约每平方米增加18-20元，2.设计工厂浴室时，可考虑采用太阳能热水系统，每平方采光面积产热水100升计算，100平方米太阳能热水系统可产热水10吨，每人每次标准用水40升，可解决250人的洗浴用水。作为工厂中低温工业热水，可根据当地各种各样的不同条件予以特
18、殊设计。3.作为工厂中低温工业热水，可根据当地各种各样的不同条件予以特殊设计，太阳能热水器的推广应用及经济效益据不完全统计，迄今全国太阳能热水器累计安装使用总量已达300万平方米以上。所以该控制器具有使用方便、性价比高、工作可靠、精度高等特为太阳能热水器的进一步推广具有积极的推动作用。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 排气管 不锈钢保温水箱图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： T3 T2 F 3 热 集 水 热 太阳光 F1 箱 器 T1 D 自来水 F2图2-2 系统控制原理图注释：T1：热水箱的温度传感器T2：循环水管
19、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。
20、2. 循环水集热过程早晨水温控制之后（79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-T15摄氏度，T2T1）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T3N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
21、F2，热水阀门F3处于可控状态。若T3N，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，具体过程如下： 若T1N，电加热接通；否则，电加热断开，而且，15点20点中的每个小时有下表的关系：表一 时间（时） 温度比较 加热值（度） 15 T135N 35 16 T140
22、N 40 17 T145N 45 18 T150N 50 19 T155N 55 20 T160N 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 5 4 7 2 1 3 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
23、，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
24、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 随着2000 年的即将来临，“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MC1
25、46818B 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
26、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
27、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
28、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. 55. 5V、工作电流：715mA。(7) 工作温度范围：070C。2.DS12887/ DS12C887 的内部结构DS12887/DS12C887为24引脚芯片，内部结构如下图。图2-4 DS18B20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；AD0AD7：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，
29、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：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，
30、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
31、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DS128
