太陽能熱水器水位和電加熱溫度控制系統(tǒng)--畢業(yè)設計論文

1、密級：科學技術學院NANCHANG UNIVERSITY COLLEGE OFSCIENCE AND TECHNOLOGY學 士 學 位 論 文THESIS OF BACHELOR2021 2021年題 目太陽能熱水器水位和電加熱溫度控制系統(tǒng)學 科 部： 信息學科部 專 業(yè)： 自動化 班 級： 自動化121 學 號： 學生姓名： 指導教師： 起訖日期：2021年12月2021年6月2日 目錄摘要IAbstractII第一章 引言11.1 選題的依據(jù)及意義1國內外研究現(xiàn)狀及開展趨勢1第二章 論證設計方案32.1 課題的任務32.2 選擇設計方案3第三章 系統(tǒng)主要硬件設計43.1 超聲波測距系統(tǒng)原

2、理43.3 水溫檢測原理63.3.1 傳 感 器 的 確 定63.3.2 DS18B20簡介6 DS18B20工 作 原 理6 液晶顯示器16027 系統(tǒng)整體電路圖8 系統(tǒng)控制流程框圖9第五章 系統(tǒng)的調試10結論11參考文獻(References)12致 謝13太陽能熱水器水位和電加熱溫度控制系統(tǒng)專業(yè)：自動化121學號：7021311051學生姓名：鄭朋濤 指導教師；何尚平摘要：溫度控制的精細在設計高性能的控制是個重要的參考指標，還經常會影響到產品的生產質量因此在工業(yè)生產領域中，經常需要對溫度進行監(jiān)控。高性能的計算機和電子設備、家用電器如熱水器，空調，冰箱等也會用到溫度控制系統(tǒng)，可以說它幾乎處

3、處可見。這個系統(tǒng)能在熱水器系統(tǒng)、飲水機的控制溫度電路中使用。AT89S52單片機是它的控制核心。DS18B20用來實現(xiàn)它對溫度的收集和監(jiān)控，并將相應的數(shù)據(jù)最終顯示在1602這個液晶屏上面。此外，此系統(tǒng)還有LED通過亮暗進行標識，從而方便人們判斷系統(tǒng)所處的各種工作情況。初始溫度和水位的值，可以通過幾個按鍵在啟動的初始階段被人為的設定，滿足實際中的需求。關鍵詞： 單片機，液晶顯示器，溫度傳感器Solar-powered water heater water level and electric heating temperature control systemAbstract：In the fi

4、eld of industrial control, temperature control is used widely, the control precision will directly affect the quality of products and service, research and design of high performance of the temperature control system has very important significance. The control system of Temperature can be said to b

5、e omnipresent, water heater system, air conditioning system, refrigerator, electric cooker, electric blanket temperature control system and other household electrical appliances as well as a high performance computer and electronic equipment, are required to provide temperature control function. The

6、 design of this system can be used for water heater temperature control system and drinking fountains and various electrical circuits. It uses single chip computer of AT89S52 as the core, through the LCD1602 LCD display temperature and 3 keys to achieve the set temperature, the use of single bus tem

7、perature conversion chip DS18B20 real time collecting temperature by liquid crystal display, and providing LED running indicating lamp is used to indicate the operating state of the system, the whole system through the three buttons to set the heating temperature and control the operation mode, conv

8、enient and practical.Key words: MCU, liquid crystal display, temperature sensor.第一章 引言1.1 選題的依據(jù)及意義一選題依據(jù)太陽能作為一種清潔能源，它以零本錢，分布廣泛，無需運輸?shù)戎T多優(yōu)點具有無限的開發(fā)潛力。科技迅猛開展的今天，像光伏電池、太陽能熱水器等利用太陽能的技術日趨成熟，極大地便利了人們日常生產生活。中國作為一個人口大國，也面臨著資源匱乏的窘境。工業(yè)長期開展伴隨著資源的過度消耗，開發(fā)利用可再生的清潔能源成為國人必須的面臨的課題。增加能源供給量，改善能源結構，切實關系到可持續(xù)開展道路的落實?！暗吞肌碍h(huán)保理念

9、的日漸深入人心，人們把眼光投向風能、潮汐、太陽能等清潔能源。太陽能作為綠色能源，節(jié)能環(huán)保。中國擁有最大的生產地和最大的太陽能市場，太陽產業(yè)的開展迅速，規(guī)模逐漸增大。太陽能產業(yè)也作為一個朝陽產業(yè)，支持著國民經濟的蓬勃增長。于是，我選擇這個課題進行研究，更好的推動新能源的開發(fā)與利用。二選題意義目前，熱水器的種類有四種：電熱水器、燃氣熱水器、太陽能熱水器和新興起的空氣能熱水器。燃氣熱水器由于平安性低，易發(fā)生事故而導致使用率下降；電熱水器使用電能加熱，能源消耗量大；空氣能熱水器由于受環(huán)境溫度的限制，在北方寒冷地域無法大面積推廣使用；反觀太陽能熱水器因光照分布普遍，平安節(jié)能而受到人們的一致好評。對這個課

10、題進行設計研究，能讓我充分利用大學所學電子知識，深入了解太陽能控制原理。通過這次理論結合實際的實踐，加強穩(wěn)固所學理論知識，練習動手能力，提高創(chuàng)新能力，增強自己發(fā)現(xiàn)并解決問題的能力，為以后走向社會邁向工作崗位積累珍貴的經驗。另外，由于太陽能熱水器的使用性得到了市場群眾的認可，而改善控制系統(tǒng)，提高控制的精確性和可靠性將能更好地做到環(huán)保節(jié)能。本設計以太陽能加熱為主，以電熱器加熱為輔助，將太陽能熱水器和電熱水器有效結合，既能彌補太陽能光照缺乏時水溫過低的缺陷，又能節(jié)省大量能源。國內外研究現(xiàn)狀及開展趨勢在全球內，太陽能以清潔可再生能源，一直是解決能源危機的關注焦點。像光伏電池、太陽能熱水等以太陽能為能源

11、的技術的利用，為走能源可持續(xù)開展道路提出來一條解決方案，也正逐漸改變人們的生產生活。西方歐美等國家在太陽熱水器研究方面開展較早，普及率很高，科學技術含量也較高。隨著巴黎氣候大會的舉行，全球變暖和能源問題等又被世界各國人們更加關注。更多的國家又將進一步重視有節(jié)約常規(guī)能源和減少排放CO2方面潛力太陽能熱水器的開發(fā)和利用，甚至局部西方國家倡導并規(guī)定，正在建設的民居應該包含的配套設備中一定要含有太陽能熱水器。在太陽能熱水器研究開發(fā)的領域中，我國起步較晚，但在國家政策的大力扶持下開展迅速，我國已經成為世界上最大的熱水器生產國。我國幅員遼闊，地大物博，擁有最多的人口，太陽能熱水器的推廣應用潛力很大，將會成

12、為最大的太陽能熱水器銷售場地。 世界范圍內，太陽能產業(yè)作為新能源行業(yè)蓬勃開展，推動著經濟增長。雖然如此，但國內熱水器市場依然面臨一些問題。目前，我國熱水器的開展全在于銷售量的提升，用產銷來推動產業(yè)經濟的增長，大多數(shù)企業(yè)只是瞄準利潤，并不太注意產品的性能。他們往往通過大力推廣產品來保持經濟的增長，與此同時，技術層面卻顯得有些開展滯后，以至于漸漸不能滿足廣闊消費者的各種需求，這種現(xiàn)象更是造成生產研發(fā)的停滯，市場人才匱乏。熱水器生產廠家多如牛毛，產品卻大同小異，而且面臨結構功能單一、操作不便等問題。作為行業(yè)持續(xù)開展的重要因素專業(yè)人才的缺乏更進一步導致創(chuàng)新能力低下，限制企業(yè)的開展。一些中小企業(yè)面臨窘境

13、，銷售增長量停滯。一些品牌企業(yè)迫不得已開始加大產品創(chuàng)新力度，設計更多產品滿足消費者不同需求，改變營銷策略，拓寬銷售渠道，培養(yǎng)后續(xù)儲藏人才，逐漸成為市場主導品牌。與此同時，受到新一代熱水器空氣能熱水器的沖擊，太陽熱水器銷量有點波動?？諝饽軣崴鲗⒖諝庵械臒崃课眨瑐鲗Ыo中間介質冷媒，在冷凝器中將冷媒的熱量傳導給水箱中的水，從而到達加熱保溫箱中水的目的。然而由于技術的不太成熟，空氣能熱水器在群眾面前依舊不太被認可，市場占有率遠遠不能和太陽能熱水器相提并論。目前，在世界范圍內。太陽能熱水器依舊是主流熱水器。太陽能熱水器以其節(jié)能綠色環(huán)保的理念深受廣闊群眾的喜愛。太陽能市場上售賣的熱水器多半有水位控制、

14、水溫控制和自動控制功能，更為便利的方便百姓生活。市場上的太陽能熱水器按照集熱方式的不同，大致分為兩種類型。一種是采用真空玻璃管收集光能的熱水器。這種熱水器能吸收大量的光照輻射，并將其轉化的熱量用來加熱水箱中熱水。另一種熱水器是平板集熱式熱水器，正如其名，它外形就是平板。提到這兩種熱水器，就不得不說現(xiàn)在太陽能熱水器技術面臨的三個問題。熱水器的用途是利用光照用來給水進行加熱，因此如何提高效率是首先第一個需要考慮的問題。真空管集熱的熱水器因其構造和材料，集熱效率遠遠高于平板式熱水器。除去效率問題，平安性也是一個必須要重視的問題。在這個方面，可以說二者有著相同缺陷。在寒冷地區(qū)或者冬季嚴寒時，集熱管中的

15、水倘假設不能及時被完全排出，往往會存在著“炸管的隱患。最后我們還需要考慮實際生活應用中的一個問題，那就是城市容量的問題。在鄉(xiāng)村，地廣人稀，各家各戶可以在房頂上安裝熱水器。然而，城市里，一棟樓房能安裝的熱水器的數(shù)目是被受到限制的，完全不能滿足所有住戶的需求。這將是一個制約熱水器使用率的問題，開發(fā)設計熱水器時不得不進行考慮。目前，歐洲國家廣泛采用平板熱水器。平板式熱水器能和建筑物在空間上完美契合，使用條件限制小。但中國市場卻截然不同，真空管熱水器在太陽能熱水器中占有很大比例。個人認為，一旦技術問題被攻克，平板熱水器在中國也將會擁有廣泛的使用率。國外生產商通過使用較高性能的吸熱板提高集熱能力。對于“

16、炸管問題，他們設計熱量的循環(huán)交替，使用泵驅動防凍液在平板太陽能集熱器及儲熱水箱的換熱器間循環(huán)換熱，解決了平安性的隱患?，F(xiàn)如今，我國太陽能熱水器的研發(fā)更加趨于成熟化，多樣化，控制智能化。太陽能熱水器的蓬勃開展同時也沖擊著電熱水市場和燃氣熱水器市場，促進了熱水器行業(yè)的變革。隨著整體行業(yè)技術的開展，太陽能利用技術也將向更為節(jié)能、更為綠色、更為便利的方向開展。個人認為，可以設計電輔助加熱，也能從一定程度上解決“炸管的隱患，另外電加熱還能緩解集熱效率低下時的熱水供求缺乏的問題。為此設計這種太陽能-8電熱器智能加熱的熱水器，并增加水溫控制功能，以實現(xiàn)太陽能熱水24小時不間斷，更為智能化的控制。第二章 論證

17、設計方案2.1 課題的任務針對太陽能熱水器，設計構成一個控制系統(tǒng)，控制水位上下和水溫的大小。日常使用時，可通過人工進行水溫的預設，及水量的大小調控。本設計用水桶作為容器來表示熱水器水箱，用電機代替水泵進行上水的操作，用電熱器進行補償加熱來到達需求的溫度。當水位小于平安界限或者預設水溫值時，電機被啟動用來注水提升水箱的水位值；電加熱局部電路會在水溫小于設定值時被啟動，此時通過加熱設備進行調節(jié)，使水箱中水溫得到控制，使得熱水器中的水溫與設定水溫的±范圍內保持大致相同。本次設計的溫度被控值可以在設定值的±范圍內保持根本不變。2.2 選擇設計方案本次研究對水位的檢測可以使用壓力傳感

18、器，超聲波測距等一些方法，對水溫的檢測可以采用DS18B20。經過查閱相關文獻資料，由于設計熱水器需要對水溫水位進行有效監(jiān)控，那么要使用傳感器對水位水溫進行測量，并將水位水溫這樣的物理量轉化為能被單片機識別的數(shù)字信號，進而編寫程序進行控制。因此對水位水溫測控十分重要，水箱中水位和溫度檢測信號將被用來作為被判斷的數(shù)值，而確保得到這些檢測值的準確性和快速性，將是控制設計中一個必須重視的關鍵局部。及時準確地對水位和溫度這兩個變量進行測控,就能通過利用程序開始輔助加熱和水位調節(jié) 。 對水位水溫測控中溫度監(jiān)控相對較簡單，水位測控初步確定是有以下幾種方案：方案一：用分段式液位傳感器檢測水位，使水位分段顯示

19、，測控水位有點像階梯形變化，并不是太平滑。用溫度傳感器DS18B20構建電路測控溫度。方案二：采用超聲波測距，由超聲波反射時間差計算探頭到水面距離，從而知道水位的高度 。方案三：利用壓力傳感器測量液體底部壓力的大小，將壓力值轉化，從而知曉水位的實際高度。綜合以上的論述，我們可以選用超聲波測距，省去了中間A/D轉換，而且測量簡單。本系統(tǒng)采用AT89S52作為熱水器控制核心處理器，當水位低于設定時，水泵電機被啟動，開始注水；溫度小于設定要求時，啟動電熱器進加熱升溫。單片機具有多個中斷系統(tǒng)，配合外部電路，能很好的控制水泵和電熱器，從而擔任本次課題的控制核心部件，可以對其進行編程，從而到達控制的要求。

20、作為本系統(tǒng)設計的控制器，AT89S52擔當?shù)闹骺刂破魇强刂频闹行?。它不僅僅是構本錢系統(tǒng)的硬件局部，更是利用軟件設計程序對被控模塊運行進行控制，因此它將決定著整個系統(tǒng)能否正常運行。單片機的本錢也相對低廉，但應用范圍卻相當廣泛，能夠用以解決一些比擬復雜的控制環(huán)節(jié)。 圖2.2 單片機最小系統(tǒng)圖第三章 系統(tǒng)主要硬件設計本課題的硬件主要有兩個局部組成：水溫監(jiān)控模塊，水位監(jiān)控模塊?，F(xiàn)擬定對水位利用超聲測距模塊對其進行測量，對水溫利用DS18B20芯片進行測量，最后利用單片機結合一些其他的外圍電路進行控制?，F(xiàn)對硬件設計中用到的模塊以及核心元件的工作原理和性能進行初步介紹。詳細電路圖將在了解主要硬件后，在下一

21、章節(jié)逐一進行介紹。整體框圖見圖3.1。3.1 超聲波測距系統(tǒng)原理超聲波測距原理：在超聲波在空氣中傳播速度的前提下，模塊內部輸出一列穩(wěn)定的方波到超聲波發(fā)射探頭，發(fā)射探頭產生的聲波在遇到障礙物后被反射回來，測量從發(fā)射到返回到接受探頭的時間，根據(jù)這個時間就可以計算發(fā)射點到障礙物的距離。超聲探測工作時，發(fā)射穩(wěn)定方波。測量產生超聲波的輸出端脈沖的寬度，可知發(fā)射超聲波與接收超聲波的時間間隔t，便可由公式S=12vt得知被測距離。實際過程中，超聲波的聲速會受到溫度影響，而且探測角度也會造成測量值產生系統(tǒng)誤差。當溫度幾乎不變，且測量角度也相對較小時，就可認為聲波以勻速垂直到達水面，而且勻速垂直發(fā)射回來。倘假設

22、要求很高的測距精度時，就需要考慮溫度補償來校正被測數(shù)值。相對來說，超聲波測距在測量中長距離時還是有比擬高的精度。在空氣中，超聲波的傳播速度一般取定值340米/秒。單片機內部計時器負責計時，本設計采用12.0M的晶振，所以本設計中超聲模塊在理論上應該到了毫米級的測量精度。超聲波測距的算法設計:聲速取340米/秒計算， 聲波從發(fā)射探頭發(fā)出時刻是，接受聲波時刻是,得到傳播時間差，假定=0.05 S，那么聲波傳出距離有m 探測模塊到反射物的距離 圖3.2 超聲波測距原理簡圖單片機采用外部中斷的方法進行控制，聲波返回將引發(fā)的電位上升，用上升沿作為產生中斷請求的依據(jù)，能更好確實聲波測距結果值的準確性。對于

23、水位的控制，本次設計采用超聲測距模塊HC-SR04進行對水位的測控。HC-SR04模塊接口少，使用方便簡單,測量距離范圍2400cm，其精確值能到達3mm,足以滿足本次設計指標。超聲測距模塊中自帶超聲發(fā)射探頭、接受探頭、內部控制電路。模塊外形見圖3.3。圖3.3 HC-SR04模塊外形圖 根本工作原理：VCC和GND分別接上下電位；TRIG是觸發(fā)引腳，需要給一個10us以上的高電平信號觸發(fā)；ECHO是一個反響腳，當接受探頭接受到聲波回返時，ECHO呈現(xiàn)轉變成高電位，并持續(xù)一段時間T，這個持續(xù)時間T的大小在數(shù)值上等于超聲波從發(fā)射到返回的時間t。圖 3.4 HC-SR04構成的測量水位電路圖圖3.

24、5 水溫控制電路水位控制的電路局部，采用了L298N驅動電機，此處的電機用來代表抽水的水泵，單片機利用控制L298N 的5、7腳來控制電機的運轉，從而進行上水操作。測距電路中，傳感器利用聲波測量，單片機分析處理后，決定是否進行啟動電機的操作。3.3 水溫檢測原理3.3.1 傳 感 器 的 確 定工業(yè)生產時，溫度常常是關乎產品質量的重要的被控數(shù)據(jù)量，溫度被控精細程度有時還關系到某些化工生產的平安程度系數(shù)。在現(xiàn)有的工業(yè)生產過程中，檢測溫度是能熱電偶檢測，將微弱的電流表化轉化成溫度差值，得到溫度的修正值，再經過A/D轉換把檢測值轉化成數(shù)字信號，用來被處理器識別并進行相關處置。本設計采用單片機作為設計

25、的核心控制芯片，最好采用一種具有將物理量轉化成數(shù)字功能的傳感器，這樣，傳感器可以直接的得到完全能被單片機能識別數(shù)字信號，從而省去了A/D轉換，綜合選擇來說，DS18B20芯片可以完美符合本課題所有要求條件。3.3.2 DS18B20簡介數(shù)量種類繁多的溫度傳感器中， DS18B2 傳感器因其體積小、精度高、抗干擾性強等特點擁有其他傳感器不可相比的優(yōu)勢。另外，它獨特的單總線接口方式，和它支持多組網(wǎng)并聯(lián)的特性都比其他傳感器使用提供更多便利，且其內部更是有溫度上下限報警設置。內部的9個字節(jié)暫存器如圖3.6所示。 DS18B20工 作 原 理1DS18B20測 溫 原 理DS18B20溫 度 傳 感 器

26、 主 要 由 斜 率 累 加 器 、 溫 度 系 數(shù) 震 蕩 器 、 減 法 計 數(shù) 器 、 溫 度 寄 存 器 等 功 能 模 塊 組 成 。 D S 1 8 B 2 0 內 部 對 計 算 的 溫 度 值 提 供 了 0 .5 度 的 分 辨 率 。 它以帶符號位的16位二進制補碼的形式將檢測到的溫度表示出來。溫度計算算法：把表3.1中將由DS18B20溫度采集并轉化后的16位數(shù)據(jù)，分別存儲到倆8位的RAM中，符號位占據(jù)著數(shù)據(jù)的前5位，如果檢測到的溫度大于或者等于0時，符號位為0，將數(shù)據(jù)輸出的16進制轉化為十進制，就是16進制數(shù)值乘0.625得到；假設實際溫度處于0度以下，符號位全都被置1

27、，需要把輸出的16進制數(shù)值先進行取反操作，加1后再乘0.625，便可以得到實際十進制溫度。圖3.6 內部存放器 液晶顯示器1602圖3.7 LCD1602實物圖1602液晶顯示器是具備顯示符號、數(shù)字以及字符的一種液晶模塊。顯示屏上有一定數(shù)目的點陣字符位，當每顯示一個字符時，就會被占用一個點陣字符位。位與位、行與行之間都預留了間隔控線，以便于人們識別和識別。然而，它并不能很好勝任顯示圖形的工作。1602LCD是指可以分兩行顯示，且每行最多16個字符或數(shù)字的顯示屏。它的16個腳中，1和2腳負責接通電源，3腳被用來接電位器調整比照度，4腳負責存放器的選擇，5腳控制數(shù)據(jù)的讀寫，而6腳是使能控制腳，15

28、 16腳閑置，其他的7個腳用來進行數(shù)據(jù)的傳送。圖3.8 溫度測控及顯示電路 水溫控制模塊水溫控制相對較簡單，只要繼電器吸合，就能進行加熱，是水溫上升。該系統(tǒng)利用繼電器控制電加熱的開通與關斷，其常開觸點連接加熱器。當有電流流經線圈中時,常開觸點將會被吸合, 輔助加熱器開始被接通，開始加熱。與此同時，點亮一個發(fā)光二極管，用以指示當前工作狀態(tài)。加熱結束后，繼電器恢復，電熱絲斷開。系統(tǒng)整體電路圖如圖3.10所示。 系統(tǒng)整體電路圖第四章 軟件控制的設計本設計中的傳感器負責進行數(shù)據(jù)的時時監(jiān)控，并對數(shù)據(jù)進行采集送往單片機進行處理。單片機是系統(tǒng)的CPU。單片機對溫度和水位顯示及控制，都是通過內部燒錄的程序進行

29、完成處理工作的?？梢赃@樣說：外部電路就像是一座鞏固房子，而程序就是房子內的裝飾和家具。房子決定了你的活動空間，而各種家具和設施讓決定了生活的舒適程度。脫離了內部程序的控制，外部電路將毫無意義。現(xiàn)在對程序的設計思路和控制流程進行闡述。最開始啟動系統(tǒng)時，假定水箱中完全沒有水。通電后，可以進行按鍵設置初始水位和水溫。當設置完成時，此時，測水位的模塊開始檢測水位，水位未到達設定值，開始啟動電機，向熱水箱中一直注水，與此同時，水位的檢測也仍在進行。水位未到設定值將一直進行持續(xù)監(jiān)測，直到水位和設定值持平。.。 系統(tǒng)控制流程框圖第五章 系統(tǒng)的調試在硬件和軟件都按照系統(tǒng)電路和控制流程設計完好后，還有一件十分重

30、要的工作進行系統(tǒng)的調試。系統(tǒng)的調試是必不可少的工作過程。硬件和軟件都要進行調試，對硬件需要用萬能表對每一個元件進行測試，測試是否有無虛焊，有無斷點，以及元件的接線是否正確。軟件的測試需要在硬件確保正常的情況后才可以進行。利用單片機下載設定，并編譯通過后生成的HEX 文件進行軟件測試。本次調試中，硬件焊接制作良好，完全按照電路原理圖的設計進行制作，并正確制作成功。在軟件調試中，利用4個按鍵進行設定了溫度和水位后，開始調試。調試過程中，注水、加熱等過程中點亮的不同LED，這種情況與預定的工作狀況相符合；在水溫加熱停止時，我用水銀溫度計對水溫進行測試，在誤差的允許范圍內，可以認為兩者根本一致。經過初步調試，初步確定了設計課題的完成情況。結論本系統(tǒng)施行了