新型太阳能热水器温控进水控制装置的设计.doc
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1、新型太阳能热水器温控进水控制装置的设计摘 要太阳能热水器因其为绿色产品、无污染、使用方便、成本低等特点,因而被广泛应用于人民生活中。本设计是以单片机为核心,用于通过温度控制进水的新型太阳能热水器的控制装置,主要分为自动控制和手动控制两大部分,自动控制部分中通过软件程序来实现水位的自动显示、检测与控制以及温度控制进水,手动控制部分中通过人为的需要进行按键,实行相应的功能。本文首先介绍了当前太阳能热水器的现状及其本设计的优点;其次介绍了控制装置的系统组成及工作原理;再次介绍了太阳能热水器控制装置的硬件设计和软件设计,在设计硬件设计时为了使系统设计得更加科学合理,并在选择了电路时对主要参数进行了详细
2、的计算;最后介绍了控制系统的调试过程。关键词:新型太阳能热水器;单片机;温度控制AbshractThe solar energy water heater because of it for green products、 pollution-free、 Easy to use、 Cost low characteristic, They have been widely used for peoples life. This design is based on single chip microcomputer as the core, For through the temperatur
3、e control of the new type of solar energy water heater water control device, Mainly divided into automatic control and manual control most of the two, Automatic control part through the software program to realize automatic display of water level、Test and control, and the temperature control water,
4、Manual control part through the human needs buttons, Implement the corresponding function.This paper first introduces the present situation of the solar energy water heater and the advantages of this design; Secondly introduces the control device of system structure and working principle; Again the
5、solar energy water heater control device introduced the hardware design and software design, In the design of hardware design in order to make the system design more scientific and reasonable, And in the choice of main circuit parameters for the detailed calculation principle; At last, the paper int
6、roduces the control system of the testing process.Key words: New solar water heater; Single-chip microcomputer; Temperature control35 目 录第一章 绪论11.1 太阳能热水器的现状11.2 本设计的优点11.3 本设计的主要内容及思路2第一章 控制装置的系统组成及工作原理32.1 系统组成32.2 控制装置的工作原理42.3 控制器的组成及工作流程4第二章 新型太阳能热水器控制装置的硬件设计63.1 直流稳压电源电路63.2 水温检测电路63.3 水位检测电路9
7、3.4 键盘及显示电路 103.5 驱动电路 12第四章 新型太阳能热水器控制装置的软件设计144.1 主程序设计 144.1.1水位检测程序设计 154.1.2 键盘功能处理程序设计 164.1.3显示程序设计 174.2 中断程序设计 21第五章 控制装置的调试及控制器的使用说明24 5.1 控制装置的调试过程 24 5.2 控制器的使用说明 24第六章 结论与展望266.1 结论 266.2 展望 26致谢27参考文献28附录1:控制电路原理图29附录2:程序清单30第一章 绪 论能源是人类赖以生存的五大要素之一,是国民经济和社会发展的主要战略物质。我国人口众多,能源资源相对匮乏,人均能
8、源占有量不到世界平均水平的一半。“开发与节约并重,近期把节约放在优先地位”是能源发展方针,节能已成为国家发展经济的一项长远战略方针。近年来,使用太阳能作为城市基础设施,在节约能源,减少环境污染,改善人民生活质量等方面的优点早已成为社会的共识。 随着社会经济的发展,生活水平的提高,人们对太阳能热水器的需求量也越来越大,太阳能热水器也随之蓬勃发展,在城市环境可持续发展的战略中,太阳能热水器的优越性越发地突现出来。随之而来的一个问题是,不能自动进水、没有水温水位显示、不能自动加热、浪费水资源严重、真空管易爆炸等。尽管目前市场上为解决上述问题相继出现了各式各样的控制仪或控制装置,这些装置只解决了部分问
9、题,未能达到全智能控制效果。我们本次所做的毕业设计就是针对太阳能热水器功能问题,力图解决自动进水、水温水位显示、自动加热、水资源、真空管等问题,使用户在使用一些关于太阳能热水器的设备时,更好地享受其全智能的功能所带来的方便。1.1 太阳能热水器的现状太阳能热水器因其为绿色产品、无污染、使用方便、成本低等特点,越来越受到人们的青睐,同时也存在一些不足之处,如:不能自动进水、没有水温水位显示、不能自动加热、浪费水资源严重、真空管易爆炸等。尽管目前市场上为解决上述问题相继出现了各式各样的控制仪或控制装置,这些控制装置只解决了部分问题未能达到全智能控制效果。1.2 本设计的优点本设计结合实际研制出一种
10、全智能太阳能热水器温控进水及水温水位显示控制装置。它的设计思想是人性化和智能化,其主要优点有:1、根据水位和水温两个条件控制是否需要进水,每次只进适量的水。若温度再次达到设置值时则再次进水,不会出现浪费水资源或进水过多导致水温落差较大的现象,而且还可以避免在夏天中午前后真空管处于高温状态时补水引起的爆管问题;2、具有进水超水位和超水温报警指示;3、用水时若水温达不到设置值时,则自行起动加热装置,使水温具有无级调节的功能,同时还能起到节能的效果;4、具有水温和水位显示功能,这样则不会出现在洗澡时突然断水现象;5具有手动和自动切换功能,当处于手动时可以人为进水或电加热;6、本装置还具有价格低、安装
11、维护方便、操作简单等优点。1.3 本设计的主要内容及思路本设计主要为解决两大问题而提出,第一是节能、节水;第二是用户操作使用方面,人机界面清晰。本设计的主要思路:第一步从选题要求实际出发,拟定系统结构图;第二步细化每一功能模块;第三步制作产品及硬件设计;第四步软件设计与调试。元件器的选择(单片机型号规格、A/D转换、水位水温显示、键盘接口、报警等)本设计的主要内容:首先对课题的提出进行阐述;其次介绍了新型太阳能热水器控制装置的系统组成和工作原理;再次对硬件、软件进行了设计并进行了调试;最后对产品的操作进行了简要说明。第二章 控制装置的组成及工作原理2.1 系统组成 如图2-1所示,本系统主要由
12、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。图 2-1 系统组成示意图 图 2-1 系统组成示意图 图 2-1 系统组成示意图水位检测电极: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
13、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。 2.2 控制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(
14、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(即手动打开此阀放完水管中的积水)。2.3 控制器的组成及工作流程2.3.1 控制器的组成本控制器主要由单片机AT89S51,键盘电路、水位检测电路、水温检测电路、显示电路、驱动电路等组成,具体控制系统结构框图如图2-2所示。 最小系统键盘水位检
15、测显示水温检测电阻加热丝电磁阀1电磁阀2图2-2 控制器的结构框图N开 始水温、水位显示水温检测实测温度设置温度手动/自动水位是否最高关闭加热阀是否按下加热键是否有水开通加热阀是否按下停热健是否到达设置水温开通上水阀是否按下停水键是否按下上水键水位是否最高是否洗浴关闭上水阀开通上水阀是否到达目标水位YNNNNYYYNYYYYYNNYNN自动手动YN图2-3 控制器的流程图2.3.2 控制器的工作流程控制器的工作流程如图2-3所示。第三章 新型太阳能热水器控制装置的硬件设计3.1 直流稳压电源电路直流稳压电源由变压器、单相桥式整流电路、三端集成稳压器等组成。3.1.1 工作原理220V市电经过变
16、压器降压后得到15V交流电压,该电压经过单相桥式整流后获得近18V的直流电压,为了不使电路中产生电路突发的情况,还要经过滤波电路,把电容和负载电阻并联以便吸收脉动电压,并使输出电压保持平稳。为了不受市电波动的影响,提高系统工作的稳定性,我们采用相应的稳压块来获得控制电路所需的电压等级,具体电路如图3.1所示。+5VC1C2780578127912 12V220V15V15VC3C4C5+12V图3-1直流稳压电源电路 3.1.2元器件的选择 我们采用AT89S51单片机作为整个控制系统的核心元件,因为AT89S51的电源是+5V,所以选用7805稳压块,输出控制电路用的是+12V直流继电器,所
17、以选7812稳压块,在温度检测电路中用了OP07放大器,它需要+12V和-12V的电压,所以选7912稳压块。3.2 水温检测电路3.2.1 水温检测电路原理本设计采用了电阻温度传感器来测量温度,主要是利用其温度特性。当温度变化时,电阻值发生改变即温度升高(降低)时,电阻增大(变小),这样测温就变成了测量电阻值,从而改变输出电压值。其原理主要为温度传感器所测温度经惠斯登电桥转换后送运放 OP07进行放大。具体电路设计如图3-2所示。 图3-2水温检测电路3.2.2 元器件的选择及参数计算1、元器件选择常用的温度传感器有热电阻、热敏电阻温度传感器,热电偶及集成对管温度传感器等,因电阻温度传感器有
18、1)测量精度高,对非温度量不敏感;2)有较大的测量范围,灵敏度高;3)线性度好,便于自动测量等优点,故本电路采用电阻温度传感器,2、参数计算在进行电路设计时,一般是已知传感器负温度特性,根据测温环境确定电桥平衡方式,激励源选择,电压灵敏度,放大与引线电阻补偿等。此设计采用的是热敏电阻。已知t=0,R(t)=100;t=100时,R(t)=125;则R=0.25/。设通过R(t)的电流小于2mA,输出电压U0=U100-U01)电桥结构的选择如图3-3所示,电桥采用等臂电桥,选择R29=R30=R31=R32,铂电阻R(t)R30。为了调整电桥平衡,采用可变电阻RW,这样RW就分为两部分。电桥平
19、衡时,(RW1+R29)R32 =R30+R(t)(RW2+R31),则UO=0。因为R(t)冷电阻为100,所以可选择R110R(t)。设选取R=R29=R30=R31=R32=2K,则RW可调电阻为200,这时可用RW调整电桥平衡,Rw称为调零电位器。在0时调整,使电桥平衡,即调节RW,使得U0=0V。 图3-3 单电桥测温电路原理图2)激励电源电压的估算单电桥电路中激励电源的主要作用是:在电阻温度传感器R(t)以及固定电阻R29、R30、R31、R32中产生一定的电流,将电阻的变化转变为电压的变化。但R(t)中电流是有限的,不能通过,否则由于本身电流发热而影响温度的测量。对于固定电阻中的
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