基于单片机的太阳能水温的智能控制文档格式.doc
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Solarenergywaterheatercontroller
目录
前言 1
第1章 课题研究的价值 2
第1.1节 课题的背景意义 2
第1.2节 太阳能热水器目前发展状况 2
第1.3节 研究目的与方法 4
第1.4节 设计实现的功能 4
第2章 控制系统的结构 5
第2.1节 太阳能结构 5
第3章 电路具体设计 14
第3.1节 水位测量 14
第3.2节 水温测量 19
第3.3节 水位、水温测量整体电路 23
第3.4节 上水电路 25
第3.5节 键盘和显示电路 28
第3.6节 时钟电路 35
第3.7节 加热电路 36
第3.8节 报警电路 37
第4章程序设计 40
第4.1节 主程序设计 40
第4.2节 显示子程序 42
结论 43
附录 44
参考文献 47
致谢 48
IV
前 言
随着城市化进程加快,世界能源危机告急,世界上许多国家掀起了开发利用太阳能的热潮,太阳能作为一种绿色可再生的资源,被充分利用到家庭热水,取暖领域,太阳能热水器无疑将会成为热水器行业的一个新星;
与电热水器相比太阳能热水器有很多优点。
其好处有一,是绿色可再生资源。
二经济效益显著。
三,可与其他资源配套使用。
四,绿色安全。
五使用寿命长。
虽然其有诸多优点。
当今社会人们的生活水平日益提高,同时也对生活质量提出了新的要求。
现有电热型热水器安全性差,给人们生活安全带来巨大隐患。
这为太阳能发展提供了良好的外部生存环境。
太阳能热水器克服安全问题且使用简单、方便。
太阳能热水器顺乎时代发展的要求,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。
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、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。
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,因而尚未被人们大规模的使用,太阳能热水器水温控制还处于初级阶段,大多数热水器用起来不方便,水温难以控制,不具备自主调温,自动上水等功能。
这些弊端给用户使用带来了种种的不便利。
第1章课题研究的价值
第1.1节 课题的背景意义
随着太阳能热水器的迅速推广,广大消费者对太阳能热水器特别是太阳能热水器控制器的要求越来越高,太阳能热水器商家为使自己的产品能在市场上生存和发展,在不断提高太阳能热水器热水性能的同时,也不断加大力度满足消费者对于太阳能使用方便的要求,于是太阳能热水器的智能化程度越来越高。
本设计根据市场的需要,以及我国研究的成果。
根据论文资料及市场现有产品模型,在加上自己的理解和创意,模仿出了一套太阳能水温智能控制系统。
这样可以大大满足不同人群的需要,降低操作的难易程度。
此系统根据太阳能热水器的程度。
为太阳能热水器提供了一套程度高、性能良好、使用方便、经济实惠的配套控制系统。
第1.2节太阳能热水器目前发展的状况
太阳能热利用是可再生能源技术领域商业化程度最高、推广应用最普遍的技术之一。
1998年世界太阳能热水器的总保有量约5400万平方米。
按照人均使用太阳能热水器面积,塞浦路斯和以色列居世界一、二位,分别为1平方米/人和O.7平方米/人。
日本有2O%的家庭使用太阳能热水器,以色列有80%的家庭使用太阳能热水器。
20多年来,太阳能热水器在我国得到了快速发展和推广应用。
7O年代后期开始开发家用热水器。
目前全国有5OO多个热水器生产厂家,1998年的产量约400万平方米,总安装量约1400万平方米,产量占世界第一位。
我国太阳能热水器平均每平方米每年可节约1OO~15O公斤标准煤。
8O年代后期,我国开始研制高性能的真空管集热器。
清华大学开发的全玻璃真空管集热器结构简单,类似拉长的暖水瓶,内管外表面上选择性吸收涂层是其关键技术。
全玻璃真空管集热器已经实现了产业化,目前全国有6O多个全玻璃真空管集热器生产厂,年产300多万只真空管。
8O年代后期至9O年代初,北京市太阳能研究所相继在我国政府、UNDP支持下,并与德国合作研制成功热管式真空管集热器,1996年与德国DASA公司合资建立了热管式真空管集热器生产厂,实现了规模化生产,1998年生产了11万只真空管,产品销往国内外。
目前在市场上占主导地位的太阳能热水器主要有平板型和真空管型两种。
平板型太阳能热水器国内市场份额约65%;
真空管热水器分全玻璃和热管式两种,国内市场份额约35%。
目前太阳能热水器主要用于家庭,其次是厂矿、机关、公共场所等。
我国的太阳能热水器工业逐步走向成熟,除了技术不断改进、产品质量不断提高外,几种热水器的国家标准已经颁布并开始实施。
如《平板热水器热性能评价实验方法)(GB4271-84)、《平板热水器产品技术指标)(GB6424--86)、《家用热水器热性能实验方法)(GB12915一91)、全玻璃真空管集热器)(GB/T17O49--1997)等。
但同时应当看到,我国太阳能热水器市场还远没有开发出来,热水器的户用比例只有3%,与日本的2O%和以色列的80%相比相差甚远,因此中国的市场容量还非常巨大。
目前太阳能控制器的控制器基本实现数字化,以单片机为控制核心的控制系统占领太阳能热水器的主要市场。
在市场调查中发现,太阳能控制单片机的型号较多,其中应用最多的是51系列和PIC系列单片机。
其基本框图如图1.1所示。
图1.1市场太阳能热水器基本框图
太阳能热水器控制系统可以实现水位显示、水位控制、温度显示、防冻等多种功能,其中对水位的检测、控制,实现水位显示、自动上水、超限报警是太阳能热水器控制系统的核心。
目前大多数太阳能热水器的水位传感器都采用分段式水位传感器,因为太阳能热水器对水位精确度的要求不高,并且分段式传感器的成本很低。
图1.2是常用的一种分段式热水器传感器的基本原理。
对于温度的检测便于用户的使用和控制电加热。
目前,温度传感器的应用种类较为繁杂,有直接使用热电阻、热电偶的,也有使用数字温度变送器(如MAX6674)的。
在显示方面多采用LED显示或LCD液晶显示。
图1.2一种分段式水温传感器
第1.3节课题的研究内容
本课题主要是对市场现有产品的仿制,要能够实现太阳能热水器的完整功能。
本课题以89C52单片机为核心配合传感器、显示器件、电磁阀、电加热器、报警器等外围器件,采集热水器储水箱中的水位、水温信号,通过控制电动机的运转、电加热器加热来控制储水器的水位、温度,并完成水位、水温显示,时间显示,水溢报警等功能。
另外配有键盘,可以实现手动上水、手动电加热、设置水位、设置温度等功能。
第1.4节设计要求和目的
1.掌握太阳能热水器的工作原理及实现控制方法;
2.太阳能热水器水位的检测和显示;
3.太阳能热水器温度的检测和显示;
4.太阳能热水器水温的设定和电加热器的控制;
5.太阳能热水器上水水位的设定和控制;
第2章控制系统整体结构介绍
第2.1节太阳能热水器的整体结构
2.1.1太阳能的简易结构
太阳能的简易结构主要由集热器,下降水管,循环水管,补给水箱,上升水管,自来水管,热水出水管几部分构成如图2.1
图2.1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。
2.1.2系统结构图
图2.2统结构图
图2.2为系统设计的结构图,该图的系统控制原理图如下图2.3
图2.3系统控制原理图
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
(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。
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,知道温度达到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,这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T1<
N,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2.1的关系:
表2.1温度比较
时间(时)
温度比较
加热值(度)
15
T1<
35<
N
35
16
40<
40
17
45<
45
18
50<
50
19
55<
55
20
60<
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智能化,方便省事,不论日常家居,还是对宾馆、学校等都是最佳选择。
2.1.3关于辅助电加热的部分
1.系统组成:
如图2.4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。
太阳能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。
图2.4系统组成示意图
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。
2.光电隔离与辅助加热电路设计如下图2.5
图2.5辅助加热电路图
上图为太阳能热水器光电隔离与辅助加热电路设计。
当室外光强不足(阴天、下雨)时,对水箱的水提前加热是很必要的,这一电路恰好能完成这一功能。
工作原理:
当单片机89C52P2.1口输出高电平时,三极管T1导通,致使发光二极管发光,同时光敏三极管T2导通,继电器闭合,电阻丝R1~R4发热,这样就完成了加热任务,此电路虽然简单,但在太阳能热水器中是必不可少的。
2.1.4太阳能热水器总体
水位、水温测量电路。
这部分用于采集水位水温信号给单片机,是太阳能热水器控制器最关键的部位。
时间、水位、温度显示和键盘电路。
这部分用于系统和人的信息交互,有对太阳能热水器状态的直观显示,也有用于人对系统控制的键盘电路。
时钟电路。
给系统提供时间显示和参考时间。
驱动电路。
包括电加热、上水电磁阀、报警电路,是整个系统的执行部分。
系统的整体结构图如图2.6所示。
图2.6控制系统整体结构图
89C52引脚图如下图2.7:
图2.789c52的引脚图
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口作为AT89C52的一些特殊功能口,
管脚备选功能:
P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2/INT0(外部中断0)P3.3/INT1(外部中断1)P3.4T0(记时器0外部输入)P3.5T1(记时器1外部输入)P3.6/WR(外部数据存储器写选通)P3.7/RD(外部数据存储器读选通)
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;
当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
第3章水位和水温测量电路
第3.1节水位测量电路
3.1.1水位测量电路的选择
水位测量可以有多种方法,需从性能和成本两方面进行考虑,选择合适的方案。
1.排阻分档键盘式水位传感器
在许多资料中都介绍了一
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- 基于 单片机 太阳能 水温 智能 控制