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基于单片机的太阳能热水器控制系统设计开题报告


上海 XX 大学 毕业设计(论文)开题报告





基于单片机的太阳能热水器控制 系统设计

学 院(系) 专 年 学 姓 导 业 级 号 名 师

电气学院 测控技术与仪器

定稿日期:







基于单片机的太阳能热水器控制系统 设计
摘 要: 当今社会资源日益紧张, 环境污染愈加严重的情况下下,太阳能热水器与 传统的燃气热水器和电热水器相比有着无比的优越性,太阳能热水器的控制系统也随 着科学技术的发展正在朝着智能化的方向发展。本课题是以 MCS-51 系列单片 AT89S52 为核心,并采用 12864 液晶显示模块,传感器温度采集模块,键盘,水位采集模块水 温采集模块等,实现对太阳能热水器水位和水温的测量与控制和报警,做到既能手动 操作,又能单片机控制,从而很好的解决太阳能热水器使用过程中易受季节、气候影 响、浪费水资源等缺点。 关键词:单片机;太阳能;热水器;控制系统;

1.文献综述
太阳能是一种古老能源,也是一种安全、洁净、价廉、无污染的绿色能源。在传统 化石燃料日趋枯竭的今天,太阳能作为新能源的一种,在多元化能源消费结构中占有重 要地位,正越来越受到人们的重视 。 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。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。 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[2]。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。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
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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。

2. 选题背景及其意义
随着全球人口和经济规模的不断增长,能源使用带来的环境问题及其诱因逐渐为 人所认识, “低碳经济”这一概念开始进入人们的视野。人们在大力发展太阳能产业。 太阳能具有:①储量的“无限性。②太阳能对于地球上的绝大多数地区具有存在 的普遍性,可就地取用。③开发利用时几乎不产生任何污染。鉴于此,太阳能必将在 世界能源结构转换中担纲重任,成为理想的替代能源。 在世界范围内,太阳能热水器技术已经很成熟,并已形成行业,正在以优良的性 能不断的冲击电热水器市场和燃气热水器市场[3]。 目前,中国已成世界上最大的太阳能热水器生产国,年产量约为世界各国总和。 但是与之相配套的太阳能热水器控制系统却一直处于研究和开发阶段。目前市场上太 阳能热水器的控制系统大多存在功能单一、操作复杂、控制不方便等问题, 很多控制 器只具有温度和水位显示功能, 不具有温度控制功能, 即使热水器具有辅助加热功能, 也可能由于加热时间不能控制而产生过烧, 从而浪费电能 。 本课题设计的太阳能热水器控制系统以MCS-51单片机为检测控制中心单元, 采用 DS1302实钟,不仅实现了时间、温度和水位三种参数实时显示功能, 而且具有时间设 定、温度设定与控制功能。控制系统可以根据天气情况利用辅助加热装置(电加热器) 使蓄水箱内的水温达到预先设定的温度, 从而达到24小时供应热水的目的。控制器和 以往显示仪相比具有性价比高、 温度控制与显示精度高、 使用方便和性能稳定等优点, 对提高我国太阳能应用领域控制水平, 具有可观的经济效益和社会效益[5,9] 。
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3. 研究内容
3.1 基于单片机的太阳能热水器控制系统的总体设计 本课题设计的基于单片机的太阳能热水器在软件程序的控制下完成时间、温度和 水位的实时显示功能,并能完成时间设定、温度设定等功能,具体实现的功能目标为: 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时间的控制; 5) 报警;

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3.2 基于单片机的太阳能热水器控制系统设计控制系统的硬件设计 3.2.1 本次设计是以 AT89S52 单片机为核心的系统,其系统框图如图 3-1: 键盘输入模 块

12864 显 示 模块

光敏电阻测 量光照强度 模块

数据处理模块 MSC-51 系列单片 机

电加热模块

时钟模块

温度采集模 块

水位采集模块

报警模块

图 3-1 系统原理框图

3.2.2 单片机控制系统:AT89S52 单片机结构和特点 AT89S52是MCS- 51单片机的基础上精心设计,由美国ATMEL公司生产的高性能八位 单片机。内置2KBEPROM的20脚AT89C2051以及内置1KBEPROM的20脚AT89C1051。 AT89S52是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器,片内有4K字节的在线可重复 编程快擦快写程度存储器,能重复写入擦除解1000 次,数据保存时间为十年。它与 MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容, 不仅可完全代替MCS-51系列单片机, 而且能使系统具有许多MCS-51系列产品没有的功能。 AT89S52可构成真正的单片机最小 应用系统,缩小系统体积,增加系统的可靠性,降低了系统成本。只要程序长度小于 4KB, 四个I/O口全部提供给用户。 可用5V电压编程, 而且擦写时间仅需10ms, 仅为87C51 的擦除时间的百分之一,与87C51的12V电压擦写相比,不易损坏器件,没有两种电源

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的要求,改写时不拔下芯片,适合许多嵌入式控制领域。工作电压范围宽2. 7V~6V, 全静态工作,工作频率宽,在0Hz~24MHz内,比8751及87C51等51系列的6MHz~12MHz 更具有灵活性,系统能快能慢。AT89S52芯片提供三级程序存储器加密,提供了方便灵 活而可靠的硬加密手段,能完全保证程序或系统不被仿制。 另外,AT89S52 还具有 MCS51 系列单片机的所有优点。128×8 位内部 RAM,32 位双向 输入输出线,两个十六位定时/计时器,5 个中断源,两级中断优先级,一个全双工异 步串行口及时钟发生器等[10]。 3.2.3 键盘及 12864 显示模块 本系统可以通过键盘来设置和调整实时时钟及温度,并且 12864 显示模块可以更 直观的显示时间以及水温。 3.2.4 实时时钟模块 本系统采用实时时钟DS1302芯片进行实时时间显示及加热时间设置,由于时钟芯 片的精度较单片机内部定时器的要高并且通过时钟模块设置热水器定时加热的时间。 3.2.5 温度采集模块 采用 DS18B20 温度传感器。DS18B20 是智能温度传感器,它的输入/输出采用数字 量,以单总线技术,接收主机发送的命令,根据 DS18B20 内部的协议进行相应的处理, 将转换的温度以串口发送给主机。 主机按照通信协议用一个 IO 口模拟 DS18B20 的时序, 发送命令(初始化命令、ROM 命令、功能命令)给 DS18B20,并读取温度值,在内部进 行相应的数值处理,用 12864 模块显示各点的温度[11]。 3.2.6 水位采集模块 采用水位检测电极,将水箱分为四等分,通过 5 个水位检测电极进行检测,接地 的电极放在水箱最底下,其余 4 个按四等分分别放取。如此根据在相应等分点检测到 的水位信息判断水箱中的水位,并通过采用 LED 数码管显示水位。 3.2.7 电加热模块 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,本系统将 电加热模块与单片机 I/O 口接上, 由键盘设定需加热的设定值, 并由红黄绿三色的 LED, 红黄绿用数码管显示。 3.2.8 报警模块 本设计里,我们采用有源蜂鸣器,由于蜂鸣器的工作电流一般比较大,以至于单 片机的 I/O 口是无法直接驱动的,所以要利用放大电路来驱动,我们使用三极管来放 大电流,驱动蜂鸣器,此模块只要通过 BELL(连接到到单片机 P2.7)输入的 PWM 波既 可以使蜂鸣器分出声音,我们的设计可以在闹钟定时中作为声音提醒信号。 3.2.9 光敏电阻测量光照强度模块 本设计选用光敏来对光照强度进行测量,获取光能。光敏电阻器是利用半导体 的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器,入射光强,电阻 减小,入射光弱,电阻增大。

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3.3主程序流程图

主程序

系统初始化

Y

漏电吗?

N

所有执行机构断点

读取键盘状态

报警模块工作,报警

读取水温,水位

调取控制子程序

图3-2主程序流程图

3.4 系统的软件设计 本课题采用 C 语言编程实现对太阳能热水器水位及水温的控制,并用 Keil C51 进行软件的调试。

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4.工作特色及其难点,拟采取的解决措施
4.1 工作特色及难点: 随着单片机及太阳能热水器的普及和完善,两者相结合的智能控制系统发展会越 来越迅速,并且其技术会更加人性化,具体化。本次设计课题的太阳能热水器控制系 统特点如下: 1.成本低廉, 节能降耗,安全环保,易于推广。 2.采用的都是已经发展成熟的芯片及模块,其可靠性,普及性都是优良的。 但本次设计还是具有相当多的难点有待处理: 1.在软件程序的控制下如何实现时间、温度和水位的实时显示功能,并实现时间 设定、水温设定等功能。 2.整个系统共分为主程序、键盘扫描、显示、温度水位采集、时钟和电加热等模 块,各个模块的功能如何编程实现。 4.2 拟采取的解决措施 (1) 查找相关资料,做到在完全了解的基础上进行使用。 (2) 查找 C 语言书籍和单片机书籍,多加仿真与调试。 (3) 大量查阅相应参考文献,阅读书籍,增加知识贮备。多与指导老师和同学 进行交流、沟通,多学多问。

5.论文工作量及预期进度
2012 年 12 月~ 2013 年 02 月:收集资料,确定设计系统总体方案,翻译有关外文 资料及文献,撰写开题报告,准备开题答辩。 2013 年 02 月~ 2013 年 03 月:购买实验元器件,完成硬件系统的设计及焊接。 2013 年 03 月~ 2013 年 04 月:完成软件编程及软硬件调试。 2013 年 05 月~ 2013 年 06 月:毕业论文的撰写,毕业答辩。

6. 预期成果及其可能的创新点
预期成果:顺利完成硬件设计和软件设计,并模拟仿真。 可能的创新点:在现有的太阳能热水器控制系统的基础上加以优化,并降低控制 系统的成本,更好的达到节能减排的效果,符合当今社会对新能源的开发利用及对环 境保护政策的要求。

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参考文献
[1] 周善元.取之不尽,用之不竭的洁净能源—太阳能[J].江西能源,2000年04期 [2] 刘福才, 刘丰, 刘立伟 .AVR单片机在太阳能热水器智能控制器中的应用[J].微计 算机信息,1999年04期 [3] 王俊杰, 基于89C51单片机的太阳能热水器只能控制器的设计[J].郑州轻工业学院 学报:自然科学版,2005(8):67-68 [4] 刘小俊,黄鸿谞.基于单片机的太阳能热水器智能控制系统的设计[J]. PLC&FA,2009 [5] 张景文,王震宏,高为浪,李桂花.基于单片机的太阳能热水器智能控制系统[J].西 华大学学报( 自然科学版),第27卷第5 期 [6] 刘文涛.单片机应用开发实例[M].北京:清华大学出版社,2005. [7] 童诗白,华成英. 模拟电子技术基础[M] 高等教育出版社,2000. [8] 宋彩利,孙友仓,吴宏岐.单片机原理与C51编程[M].西安:西安交通大学出版社, 2008. [9] 胥飞,戴 晔,盛纯.基于单片机的太阳能热水器出水恒温控制系统[J].上海电机学 院学报,第13卷第6期 [10] 张毅刚,彭喜元,姜守达,乔立岩.MCS-51单片机应用设计.哈尔滨:哈尔滨工业 大学出版社,2003 [11]胡汉才.单片机原理及接口技术[M].北京:清华大学出版社,1996 [12]冯海涛,马炳波,朱文峰.全自动热水器漏电保护电路分析[J].家用电器,2002 年第6 期 [13]马云峰,马海峰,陈子夫.基于单片机的太阳能热水器辅助控制系统 [J].电子世 界,2002年第1期 [14]李云阳.基于单片机的太阳能热水器模糊控制系统的设计[J].农机使用与维修, 2012 年第5 期 [15]杨永刚.太阳能热水器控制电路的设计[J].产业与科技论坛,2012年第11卷第14 期

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指导教师意见

该生资料准备充分,开题报告中心内容论述详实,有较强 的实践动手能力和综合分析能力。选题有实用价值,设计方案 可行,时间安排合理符合开题条件,同意开题。

导师签名: 年 月 日

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开题报告答辩评议表
1、论文选题:□有理论意义;□有工程背景;□有实用价值 □意义不大。 2、论文的难度:□偏高;□适当;□偏低。 3、论文的工作量:□偏大;□适当;□偏小。 4、设计或研究方案的可行性:□好;□较好;□一般;□不可行。 5、学生对文献资料及课题的了解程度:□好;□较好;□一般;□较差。 评议小 组意见 6、学生在论文选题报告中反映出的综合能力和表达能力: □好;□较好;□一般;□较差。 7、学生在论文选题报告中反映出的创新能力: □好;□较好; 一般;□较差。 8、对论文选题报告的总体评价:□好;□较好;□一般;□较差 (在相应的方块内作记号“√” ) 院、 系、 所确定 评议小 组名单 (3-5 人) 单位盖章 主管领导签名: 年 月 日 组员: 、 、 、 组长: 、

评议小组组长签名: 评议结 论 年 月 日

评议小组组员签名:

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