基于單片機的太陽能熱水器控制系統的設計畢業(yè)論文開題報告

1、<p>　　畢業(yè)設計（論文）開題報告</p><p>　　題目 基于單片機的太陽能熱水器控制系統的設計</p><p>　　專 業(yè) 名 稱 飛行器制造工程</p><p>　　班 級 學 號 </p><p>　　學 生 姓 名 </p><p>

2、;　　指 導 教 師 </p><p>　　填 表 日 期 2012 年 3 月 20 日</p><p><b>　　選題的依據及意義：</b></p><p><b>　　1、依據</b></p><p>　　太陽能資源豐富, 既可免費使

3、用, 又無需運輸, 對環(huán)境無任何污染. 由此可見使用家用太陽能熱水器解決中低溫用水無論是經濟設益, 還是節(jié)能減排效應, 都是非常明顯的. 對促進可再生能源的開發(fā)利用, 增加能源供應, 改善能源結構, 保護環(huán)境, 實現經濟社會的可持續(xù)發(fā)展起到積極的作用, 是一項惠及子孫后代、利國利民的綠色工程.隨著全球人口和經濟規(guī)模的不斷增長，能源使用帶來的環(huán)境問題及其誘因逐漸為人們所認識，“低碳經濟”這一概念開始進入人們的視野。人們在大力的發(fā)展太陽能產

4、業(yè)。</p><p>　　能源問題將更為突出：①從長遠來看，全球已探明的石油儲量只能用到2020 年，天然氣也只能延續(xù)到2040 年左右，即使儲量豐富的煤炭資源也只能維持二三百年。②環(huán)境污染③溫室效應引起全球氣候變化。因此，人類在解決上述能源問題，實現可持續(xù)發(fā)展，只能依靠科技進步，大規(guī)模地開發(fā)利用可再生潔凈能源。</p><p>　　太陽能具有：①儲量的“無限性”太陽每秒鐘放射的能量大約是

5、1.6×10 的23 次方kW，一年內到達地球表面的太陽能總量折合標準煤共約1.892×10 的13 次方千億t。②太陽能對于地球上絕大多數地區(qū)具有存在的普遍性，可就地取用。③發(fā)利用時幾乎不產生任何污染。鑒于此，太陽能必將在世界能源結構轉換中擔綱重任，成為理想的替代能源。 </p><p>　　然而，目前市場上太陽能熱水器的控制系統大多存在功能單一、操作復雜、控制不方便等問題，很多控制器具有

6、溫度和水位顯示功能，卻不具有溫度控制功能，致使熱水器陰天的時候不能方便使用。即使熱水器具有輔助加熱功能，也可能由于加熱時間不能控制而產生過燒，從而浪費電能。</p><p><b>　　2、意義</b></p><p>　　能源問題與安全問題是現代社會各界普遍關注的焦點之一。目前市場上存在三種樣式的熱水器：電熱水器、燃氣熱水器和太陽能熱水器。近年來，電熱水器的大規(guī)模用

7、電，并不能給人們的正常生活帶來便利，作為后來者的太陽能熱水器，因其安全性好、節(jié)能、綠色環(huán)保等優(yōu)點，近幾年呈現出爆發(fā)式的發(fā)展趨勢。</p><p>　　選擇太陽能熱水器這個課題，不僅可以讓我運用大學四年所學的專業(yè)知識來學習、了解太陽能熱水器控制系統的設計，起到鞏固理論知識，增強動手能力和創(chuàng)新意識的作用。更是理論結合實際的良好見證。此外，太陽能熱水器已經走進千家萬戶,控制系統是太陽能的核心,可以盡可能做到節(jié)能環(huán)保,作

8、這樣一個設計,同時產品具有很大的市場前景。</p><p>　　二、國內外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）：</p><p>　　目前,在世界范圍內同，太陽能熱水器控制已經進入智能化階段, 市面上在售的控制器絕大部分具備溫度、水位顯示功能和自動控制功能. 有的控制器配備有輔助電加熱裝置, 自動實現了比較理想的人機交互界面.，并已形成行業(yè)，正在以優(yōu)良的性能不斷地沖擊電熱水器市場和燃氣熱水器市

9、場。2000 年太陽能熱水器取代47000 套家用電熱水器；2000 年日本太陽能熱水器的擁有量將翻一番；以色列更是明文規(guī)定，所有新建房屋必須配備太陽能熱水器。目前，我國是世界上太陽能熱水器生產量和銷售量最大的國家。太陽能熱水器技術正在向更加方便、更加綠色、更加節(jié)能方向發(fā)展，為此，更加先進的硬件和更合理的軟件被開發(fā)出來。現在有太陽能熱水器的水位分8 級，分辨率高，完全能滿足用戶的需求。且還具有良好的用戶界面，可以定時，隨心所欲調節(jié)水溫、

10、水位。當陽光不足時，系統可以啟動電加熱裝置，</p><p>　　對水進行加熱到設定溫度，從而達到全天24 小時供應熱水，實現智能化。</p><p>　　三、研究內容及實驗方案：</p><p><b>　　1、（1）設計工具</b></p><p>　　太陽能熱水器控制系統的設計方式很多。本設計采用MSC-51 系列

11、單片機AT89S52 作為中央處理器，采用12864 液晶顯示模塊，熱電偶溫度采集模塊，4x4 行列式鍵盤，水位采集模塊，1302</p><p>　　時鐘模塊，電加熱模塊，以及電熱溫度參數設置模塊。 </p><p><b>　　2、設計方案 </b></p><p>　　本設計以MSC-51系列單片機AT89C51作為中央處理器，采用由4

12、x4行列鍵盤輸入加熱時間、水溫設置等要求，利用溫度采集模塊和水位采集模塊進行對熱水器中的水位和水溫的信息采集，這些信息經由數據處理模塊處理后，一旦水溫達不到預設的水溫要求，便會啟用電加熱模塊，對水進行加熱，并將水溫顯示在顯示模塊上，而當水溫達到設置要求時，便會觸發(fā)報警模塊，并同時停止加熱。而如果在這個過程中水位沒有達到預設時的要求，加熱器也會進行注水，直至預設時的水位后停止注水。</p><p><b>

13、;　　硬件設計</b></p><p>　　太陽能熱水器控制系統的主體部分為單片機AT89C51芯片，其外圍電路由鍵盤輸入模塊、顯示模塊、熱電偶溫度采集模塊、溫度和水位采集模塊、光敏電阻測量光照強度模塊、電加熱模塊、以及電熱溫度參數設置模塊構成。單片機部分主要用于控制和處理各功能模塊的工作，實現時間設定、水位和溫度顯示、加熱等功能。硬件框圖如圖1 所示。</p><p>　　（

14、1）主控芯片模塊電路</p><p>　　單片機系統由AT89C51和一定功能的外圍電路組成，包括為單片機提供復位電壓的復位電路，提供系統頻率的晶振。這部分電路主要負責程序的存儲和運行。對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響振蕩器頻率的高低、諧振器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。晶體可在1.2MHz～12MHz之間任選，電容C1和C2的典型值在20pF～100pF之間選擇，但在60pF～70p

15、F時振蕩器具有較高的頻率穩(wěn)定性。典型值通常選擇為30pF左右，但本電路采用30pF。AT89C51的復位是由外部的復位電路來實現的。復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式。本設計中所用到的是上電按鈕復位。</p><p>　?。?）光敏電阻測量光照強度模塊</p><p>　　本設計選用光敏來對光照強度進行測量，獲取光能。光敏電阻獲取的是模擬信號，需通過ADC0809CCN將模擬信

16、號轉化為數字信號。光敏電阻器是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器，入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉換（將光的變化轉換為電的變化）。光敏電阻器的阻值隨入射光線（可見光）的強弱變化而變化，在黑暗條件下，它的阻值（暗阻）可達1~10M歐,在強光條件（100LX）下，它阻值（亮阻）僅有幾百至數千歐姆。光敏電阻器對光的敏感性（即光譜特性）與人眼對可見光（0.4~0.

17、76）μm的響應很接近，只要人眼可感受的光，都會引起它的阻值變化。在本設計中使用光敏電阻的好處在于，可選取用白熾燈泡（小電珠）光線或自然光線作控制光源，使設計大為簡化。</p><p>　　（3）溫度傳感器模塊</p><p>　　DS18B20是智能溫度傳感器，它的輸入/輸出采用數字量，以單總線技術，接收主機發(fā)送的命令，根據DS18B20內部的協議進行相應的處理，將轉換的溫度以串口發(fā)送給

18、主機。主機按照通信協議用一個IO口模擬DS18B20的時序，發(fā)送命令（初始化命令、ROM命令、功能命令）給DS18B20，并讀取溫度值，在內部進行相應的數值處理，用圖形液晶模塊顯示各點的溫度。在系統啟動之時，可以通過4×4鍵盤設置各點溫度的上限值，當某點溫度超過設置值時，報警器開始報警，從而實現了對各點溫度的實時監(jiān)控。</p><p>　　每個DS18B20有自己的序列號，因此本系統可以在一根總線上掛接

19、了4個DS18B20，通過CRC校驗，對各個DS18B20的ROM進行尋址，地址符合的DS18B20才作出響應，接收主機的命令，向主機發(fā)送轉換的溫度。采用這種DS18B20尋址技術，使系統硬件電路更加簡單。 </p><p><b>　?。?）液晶顯示模塊</b></p><p>　　液晶顯示模塊以其微功耗、體積小、顯示內容豐富、模塊化、接口電路簡單等諸多優(yōu)點得到廣泛

20、應用。液晶顯示模塊分字符型和點陣型兩種，前者只能顯示常用的字符，點陣型液晶顯示模塊除顯示字符外還能顯示各種圖形和漢字。</p><p>　　12864是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64, 內置8192個16*16點漢字，和128個16*8點ASCII字符集。該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，

21、可構成全中文人機交互圖形界面，可以顯示8×4行16×16點陣的漢字，可完成圖形顯示。電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結構或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。</p><p><b>　　（5）鍵盤輸入模塊</b></p><p>　　鍵盤和顯示電

22、路是人機交互的重要手段?？刂奇I是用戶干預系統運行的唯一接口，也是用戶比較關心的問題。為了實現控制器對時間與溫度的設定及顯示功能，本設計采用芯片8279配合SN74LS138N和SN74LS240P驅動4位數碼管和LED管實現時間與溫度的設定與靜態(tài)顯示。數碼管的段選碼由B口和C口輸出，經74LS240驅動后送給共陰極LED。數碼管的位掃描信號經74LS138譯碼驅動后提供給LED的公共極。RL0~RL7提供了鍵盤列掃描接口，SL0~SL2

23、盤的行掃描接口。</p><p><b>　　（6）智能加水設計</b></p><p>　　中南地區(qū)天氣多變, 日照量不充足, 尤其是春冬兩季, 每天天氣更是變化無常. 目前太陽能熱水器加水是由用戶預先估計天氣情況設定加水量, 用戶對一天的天氣情況無法準確估計, 一旦加水太多, 天氣變冷,水溫不夠熱則不能使用( 溫度要在45 攝氏度以上才方便洗澡、洗碗等) , 用輔

24、助電加熱又達不到節(jié)能目的.加水量太少, 天氣變好時又不能充分利用光照生產更多的可用的熱水, 因為水溫低時, 真空管轉換效率高, 升溫快, 所以在低溫時能盡量多加水就能充分利用光照最大量地生產熱水. 對現有太陽能熱水器的軟件進行升級, 在現有功能的基礎上, 增加智能控制模式. 在智能控制模式下控制器能根據天氣情況自動加水, 在保證水溫達到可用的前提下( 用戶可自行設定最低溫度T設, 比如設為50 c) 使可用的水量達到最大, 最大程度地滿

25、足人們的生活需要.智能控制過程: 每天早上控制器自動控制水箱水量達到1/ 3, 避免真空管空燒. 當條件1 成立即水箱內水溫大于或等于T 設+ $ T( 用戶可自行設定$T時, 控制器自動加水; 當條件2 成立, 即水箱水溫小于或等于T設- $ T 時停止加水, 當水箱已加滿水或用戶</p><p><b>　?。?）管道排空功能</b></p><p>　　對現有太

26、陽熱水器管道進行改造,（圖2） 在熱水器下的進水口下增加一個電磁閥3和一個三通, 三通的一頭接至水箱的溢出口. 加水時, 打開電磁閥1, 通過三通從溢出口進水, 達到設定水量時電磁閥1 自動關閉, 控制器打開電磁閥2, 使管道中的水通過電磁閥2 流進備用水箱( 水箱通過排氣口與外界保持氣壓一致) , 延時一段時間使電磁閥2 自動關閉, 備用水箱大小根據管道中的水量而定. 用</p><p>　　熱水時, 用戶打開

27、電磁閥3, 一開龍頭, 馬上就有熱水可用了, 根據所需熱水用量考慮管道的長度, 提前關閉電磁閥3, 管道中的熱水會從排氣口吸氣, 使管道中的熱水放光, 達到排空目的. 由于管道已排空, 還徹底解決了冬季太陽能熱水器管道凍結甚至凍裂的問題, 備用水箱中的水可用于洗手、洗衣或沖廁所等</p><p><b>　　軟件設計</b></p><p>　　太陽能熱水器控制系統的

28、最大特點是所有功能模塊均由軟件控制以完成各自功能。本系統軟件包括主程序模塊、鍵盤掃描模塊、顯示模塊、溫度水位采集、時鐘模塊、電加熱模塊等模塊。 </p><p>　　顯示模塊由12864 液晶屏顯示，鍵盤處理子程序包括溫度的設置和控制加熱以及時間的設置等。軟件流程圖如 圖8所示。</p><p><b>　　圖8 軟件流程圖</b></p><p&

29、gt;<b>　?。?）初始化程序</b></p><p>　　太陽能熱水器控制系統在接通電源后，首先要對系統進行初始化。初始化的過程包括啟動DS1302，啟動12864，對12864進行清屏。</p><p>　?。?）按鍵檢測及處理程序</p><p>　　在太陽能熱水器初始化完成之后，系統便會進入鍵盤掃描狀態(tài)，此狀態(tài)下，主控芯片AT89S

30、52會不斷掃描是否有鍵按下，即等待用戶輸入。在檢測到有鍵按下后，根據按下的次數（按一下設置“分”，按兩下設置“時”，三下設置“星期”，以此類推），在運用“加”“減”分別設置。</p><p>　　（3）讀取溫度的程序</p><p>　　本設計采用while循環(huán)，在沒有鍵按下時，跳出while循環(huán)，進行下邊的語句，即讀取溫度，并將其顯示在12864上。在讀取的過程中，要注意溫度的正負。&l

31、t;/p><p>　　四、目標、主要特色及工作進度</p><p>　　能夠根據水位和水溫兩個條件控制是否需要進水，每次只進整個水箱的四分之一水量，也可以在手動狀態(tài)下自由進水或停水進水。</p><p>　　控制系統具有手動和自動切換功能。</p><p>　　具有水溫和水位顯示功能。</p><p>　　具有進水位和超水

32、溫報警指示。</p><p>　　用水時若水溫達不到設置值時，可手動韋動加熱裝置，這樣可以很大程度上節(jié)約電能。</p><p>　　用水時可自由調節(jié)水溫。</p><p>　　控制系統具體管道排空功能，這樣防止冬天時因水管內有積水而在夜間凍裂水管。</p><p>　　第 1 周至第 3周 ：搜集并閱讀相關的資料和文獻，閱讀有關溫度采集方面的

33、知識，對單片機、DS18B20和顯示器方面有較深刻的理解，達到對本課題有個整體的思路并擬定開題報告；</p><p>　　第 4 周至第 9 周：通過方案的確定和整體思路的把握進實驗室做本課題；</p><p>　　第 10 周至第 16周：對本次畢業(yè)設計整個過程進行總結，完成畢業(yè)設計論文；</p><p>　　第 17周 ：畢業(yè)設計答辯。</

34、p><p><b>　　五、參考文獻</b></p><p>　　[1]劉松.單片機原理與接口技術[M].天津:天津電子信息職業(yè)技術學院,2009</p><p>　　[2]李忠國,陳剛.單片機應用技能實訓[M].北京:人民郵電出版社,2006</p><p>　　[3]曹金玲.單片機原理與接口技術課程設計指導書[M].天津

35、:天津電子信息職業(yè)技術學院,2008</p><p>　　[4]王毅.單片機器件應用手冊[M].北京:人民郵電出版社,1994</p><p>　　[5]胡漢才.單片機原理及接口技術[M].北京:清華大學出版社,1996</p><p>　　[6]邵敏權,劉剛.單片機原理實驗及應用[M].長春:吉林科學技術出版社,1995</p><p>　

36、　[7]劉篤仁,韓保君.傳感器原理及應用技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003</p><p>　　[8]童詩白.模擬電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社,2001</p><p>　　[9]周航慈.單片機應用程序設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,1991</p><p>　　[10]賴麒文.8051單片機C語言徹底應用[M].北京:科學出版社,20

37、02</p><p>　　[11]王正彥,范延濱,汪健. 太陽能熱水器控制器的設計與實現[J].</p><p>　　儀表技術與傳感器,2004,11:53~58.</p><p>　　[12]李書澤,張武高,張榮榮,黃震. 高精度鉑電阻測溫電路優(yōu)化設</p><p>　　計[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2005,01:18-23.</

38、p><p>　　[13]趙桂青,于會山,王敦強. 太陽熱水器智能水溫控制的EDA 實</p><p>　　現[J].微計算機信息, 2008,1-2:293-295.</p><p>　　[14]楊效余,錢瑋. 實時時鐘/日歷芯片PCF8563 在智能火災報警</p><p>　　控制器中的應用[J].儀器儀表與檢測技術,2006,02:64-6