太陽能熱水器溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)任務(wù)書學(xué)生姓名： 黎德剛 專業(yè)班級(jí)： 自動(dòng)化0801 指導(dǎo)教師： 張 銳 工作單位： 自動(dòng)化學(xué)院 題 目: 太陽能熱水器溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初始條件： 設(shè)計(jì)一個(gè)太陽能熱水器溫度控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)水溫的自動(dòng)檢測(cè)及低于某一溫度時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)輔助加熱裝置。同時(shí)用戶可以自定義加熱溫度。要求完成的主要任務(wù): （包括課程設(shè)計(jì)工作量及其技術(shù)要求，以及說明書撰寫等具體要求）1. 構(gòu)建計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的硬件、軟件框架，并詳細(xì)說明理由及思路；2. 顯示水溫，電加熱水溫可任意設(shè)定；3. 設(shè)置溫度參數(shù)后，自動(dòng)啟動(dòng)電輔助設(shè)備加熱；4.說明書撰寫格式應(yīng)符合課程設(shè)計(jì)說明書統(tǒng)一書寫格式。時(shí)間安排：1.系統(tǒng)框架、控制方案設(shè)計(jì)，2天

2、；2.硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，3天；3.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，3天；4.編寫設(shè)計(jì)報(bào)告，3天。指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日系主任（或責(zé)任教師）簽名： 年 月 日摘要在太陽能熱利用技術(shù)中，太陽能熱水器是技術(shù)上比較成熟、造價(jià)比較低廉的產(chǎn)品，同時(shí)給人們提供不耗能源、保護(hù)環(huán)境、絕對(duì)安全的熱水而受到人們的歡迎。目前,太陽能熱水器控制器還一直處于研究與開發(fā)階段,市面在售的控制器絕大部分只具備溫度和水位顯示功能,不具備溫度水位的自動(dòng)控制功能。雖然有的控制器配有電加熱輔助裝置,但都不是全智能型的,給用戶使用帶來許多不便。單片機(jī)控制系統(tǒng)是對(duì)其水溫與水位的不同進(jìn)行檢測(cè)和控制。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于集成溫度傳感器AD590的溫度測(cè)試儀設(shè)計(jì)（

3、LCD），它的主要功能是利用集成溫度傳感器AD590作為傳感元件，集成放大器作為放大電路，A/D轉(zhuǎn)換器作為數(shù)據(jù)采集器件，單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理器件，數(shù)碼管作為顯示器件。設(shè)計(jì)最終目的為了要實(shí)現(xiàn)一個(gè)能對(duì)重量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理及顯示，并可用鍵盤設(shè)定閾值。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) 太陽能熱水器 溫控系統(tǒng)目錄摘要II引言11 設(shè)計(jì)目的與要求21.1 設(shè)計(jì)目的21.2 設(shè)計(jì)要求22 設(shè)計(jì)思路33 硬件設(shè)計(jì)43.1 傳感器的選擇43.2 放大電路43.3 數(shù)據(jù)采集電路53.4 顯示電路63.5 按鍵部分83.6 加熱部分94 軟件設(shè)計(jì)104.1 總程序流程設(shè)計(jì)104.2 監(jiān)控子程序的設(shè)計(jì)114.3 顯示子程序的設(shè)

4、計(jì)114.4 鍵盤掃描子程序的設(shè)計(jì)12總結(jié)體會(huì)13參考文獻(xiàn)14附錄1：總電路圖15附錄2：本科生課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表16引言在世界范圍內(nèi)，太陽能熱水器技術(shù)已很成熟，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(chǎng)和燃?xì)鉄崴魇袌?chǎng)。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(chǎn)量和銷售量最大的國家。然而，目前市場(chǎng)上太陽能熱水器的控制系統(tǒng)大多存在功能單一、操作復(fù)雜、控制不方便等問題，很多控制器具有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(shí)候不

5、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(shí)間不能控制而產(chǎn)生過燒，從而浪費(fèi)電能。目前市場(chǎng)上存在三種樣式的熱水器：電熱水器、燃?xì)鉄崴骱吞柲軣崴鳌＝陙恚谝谎趸贾卸臼鹿手校扇細(xì)鉄崴髟斐傻募s占1/3；電熱水器的大規(guī)模用電，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(diǎn)，近幾年呈現(xiàn)出爆發(fā)式的發(fā)展趨勢(shì)。選擇太陽能熱水器這個(gè)課題，可以讓我更好的認(rèn)知可持續(xù)發(fā)展問題，看清目前的能源現(xiàn)狀，以及各國在節(jié)約能源上的措施，在太陽能革新上運(yùn)用的新技術(shù)。太陽能熱水器溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)目的與要求1.1 設(shè)計(jì)目的通過本次課程設(shè)計(jì)使學(xué)生初步了解計(jì)算

6、機(jī)控制技術(shù)在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用領(lǐng)域，了解如何將計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制理論應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程，并設(shè)計(jì)出所需要的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。這是對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)基本功的綜合訓(xùn)練。本課程設(shè)計(jì)以太陽能熱水器溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為例，運(yùn)用課程所學(xué)內(nèi)容，進(jìn)行一次計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)演習(xí)，使學(xué)生具備一定的開發(fā)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的能力。設(shè)計(jì)過程中會(huì)涉及到一些檢測(cè)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)處理顯示等模塊，如何選擇元器件以及熟練掌握這些器件的使用也是課程設(shè)計(jì)的一個(gè)目的。1.2 設(shè)計(jì)要求 本課題設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的太陽能熱水器在軟件程序的控制下完成溫度實(shí)時(shí)顯示功能，并能完成溫度設(shè)定等功能，具體實(shí)現(xiàn)的功能目標(biāo)為：（1） 顯示水溫，電加熱水溫可

7、任意設(shè)定；（2） 設(shè)置溫度參數(shù)后，自動(dòng)控制電輔助設(shè)備加熱。2 設(shè)計(jì)思路為保證一天24小時(shí)都能提供熱水，系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路如下：當(dāng)日照條件比較好的時(shí)候由太陽能對(duì)水進(jìn)行加熱，水自動(dòng)升溫，當(dāng)用戶用水時(shí)發(fā)現(xiàn)水溫過高時(shí)可以利用冷熱水出水閥來調(diào)節(jié)從而降低水溫到適宜溫度；若日照條件比較差（比如夜晚或者陰雨天）時(shí)，CPU 根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù),當(dāng)發(fā)現(xiàn)水溫低于30 時(shí),自動(dòng)啟動(dòng)電加熱并通過自動(dòng)控制使水溫恒定。如果當(dāng)用戶用水時(shí)覺得30 不理想，想要更高的水溫，這時(shí)可以啟動(dòng)手動(dòng)加熱，設(shè)定需要的溫度,系統(tǒng)啟動(dòng)電加熱裝置加熱到設(shè)定溫度并保持恒定。設(shè)定溫度的范圍控制為在30 至65 。數(shù)據(jù)處理模塊AT89C52數(shù)碼管顯示

8、模塊溫度采集模塊電加熱模塊鍵盤輸入模塊圖2.1 系統(tǒng)框圖其中水溫采集模塊用到AD590集成溫度傳感器；電加熱模塊用電阻絲加熱，通過繼電器控制器開通與關(guān)斷；水溫由兩個(gè)LED數(shù)碼管顯示，水溫有效值最多可顯示為99。3 硬件設(shè)計(jì)3.1 傳感器的選擇本此次課設(shè)選用的傳感器型號(hào)是AD590溫度傳感器。AD590是單片集成兩端感溫電流源。它的主要特性有： 1、AD590的輸出電流I=(273+T)A(T為攝氏溫度)，因此量測(cè)的電壓V為(273+T)A ×10K= (2.73+T/100)V，即流過器件的電流（uA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)。式中： I流過器件（AD590）的電流

9、，單位為uA； T熱力學(xué)溫度，單位為K； 2、AD590的測(cè)溫范圍為-55+150； 3、AD590的電源電壓范圍為4V30V。電源電壓可在4V6V范圍變化，電流變化1uA，相當(dāng)于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會(huì)被損壞。 3.2 放大電路本設(shè)計(jì)利用集成溫度傳感器AD590，因?yàn)槠漭敵鲭娏魇且越^對(duì)溫度零度（-273）為基準(zhǔn)，每增加1，它會(huì)增加1A輸出電流，因此在室溫25時(shí)，其輸出電流Iout=（273+25）=298A。由于一般電源供應(yīng)教多器件之后，電源是帶雜波的，因此我們使用齊納二極管作為穩(wěn)壓元件，再利用可變電阻分壓，其輸出電壓V1需調(diào)整至2.

10、73V，接下來我們使用差動(dòng)放大器其輸出Vo為（100K/10K）×（V2-V1）=T/10，如果現(xiàn)在為攝氏28，輸出電壓為2.8V，輸出電壓接AD轉(zhuǎn)換器，那么AD轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量就和攝氏溫度成線形比例關(guān)系。溫度傳感器放大電路圖如圖3.1。圖3.1 溫度傳感器的放大電路 3.3 數(shù)據(jù)采集電路ADC0809是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8路多路開關(guān)以及微處理機(jī)兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，可以和單片機(jī)直接接口。 ADC0809由一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A

11、/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。在此實(shí)驗(yàn)中我們用0到5V變化的滑動(dòng)變阻器代替溫度傳感器的0到5V電壓。實(shí)驗(yàn)電路圖如圖3.2所示。模擬的電信號(hào)由ADC0809的IN0口進(jìn)入，進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換得到的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果D為： D=Vo×255/5 (3-1)圖3.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路3.4 顯示電路圖3.3 八段數(shù)碼管顯示部分為兩個(gè)八段數(shù)碼管，分時(shí)顯示當(dāng)前溫度和用戶設(shè)定的溫度值。當(dāng)用戶未設(shè)定溫度值時(shí)，數(shù)碼管不閃爍，始終顯示當(dāng)前溫度，當(dāng)用戶設(shè)定了溫度值時(shí)，數(shù)碼管閃爍并分時(shí)顯示當(dāng)前溫度值和設(shè)定的值。LED數(shù)碼管由發(fā)光

12、二極管作為顯示字段的數(shù)碼型顯示器件。右圖為L(zhǎng)ED數(shù)碼管外形和引腳圖，其中7只發(fā)光二極管分別對(duì)應(yīng)a-g筆段，構(gòu)成“日”字形，另一只發(fā)光二極管DP作為小數(shù)點(diǎn)，因此這種LED顯示器稱為八段數(shù)碼管。（如圖3.3所示）表3.1所示為共陰極LED所顯示的不同字符的字段碼，測(cè)量范圍為099 0C，當(dāng)溫度超出范圍時(shí)，顯示器均顯示F。表3.1 共陰極LED字符段碼顯示字符共陰極字段碼03FH106H25BH34FH466H56DH67DH707H87FH96FHF71H當(dāng)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中的LED顯示器位數(shù)較多時(shí)，為了簡(jiǎn)化電路降低成本，本設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)顯示的方式。其接線圖如圖3.4。動(dòng)態(tài)掃描顯示控制方式就是逐個(gè)地循

13、環(huán)點(diǎn)亮各位顯示器，即在某一瞬間，只讓某一位的位選線處于選通狀態(tài)（共陽極的為高電平，共陰極的為低電平）其它各位的位選線處于段開狀態(tài)，同時(shí)段選線上輸出相應(yīng)位要顯示字符的字段碼。這樣在每一個(gè)瞬間，8位LED中只有選通的那一位LED顯示出字符，而其它7位則是熄滅的。同樣，在下一瞬間，只顯示下1位LED。如此繼續(xù)下去，等8位LED都顯示完畢后，在循環(huán)進(jìn)行。雖然這些字符是在不同的瞬時(shí)輪流點(diǎn)亮的，但由于人眼的視覺殘留效應(yīng)，看到的是8位穩(wěn)定顯示的字符，與靜態(tài)顯示的效果完全一樣。所以為了簡(jiǎn)化電路、降低成本，此系統(tǒng)中采用動(dòng)態(tài)顯示方式。圖3.4 數(shù)碼管顯示電路3.5 按鍵部分采用矩陣鍵盤方式輸入設(shè)計(jì)鍵盤控制電路部分

14、，分別定義按鍵名稱為數(shù)字0到9，以及“設(shè)置”、“取消”、“確定”，其鍵盤結(jié)構(gòu)圖3.5所示：圖3.5 矩陣鍵盤3.6 加熱部分 加熱部分采用三極管控制繼電器，通過繼電器控制電熱絲加熱。此加熱方式可以通過軟件設(shè)計(jì)控制電熱絲的加熱時(shí)間。繼電器的選擇要考慮到電熱絲的功率。其電路原理如圖3.6所示：圖3.6 加熱電路圖4 軟件設(shè)計(jì)4.1 總程序流程設(shè)計(jì)按下設(shè)定鍵？當(dāng)前T<30啟動(dòng)電加熱斷開電加熱當(dāng)前T<30啟動(dòng)電加熱斷開電加熱當(dāng)前T<設(shè)定值當(dāng)前T<設(shè)定值中斷：按下取消設(shè)置鍵初始化開始圖4.1 總流程圖4.2 監(jiān)控子程序的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采樣子程序是將調(diào)理過的傳感器采樣數(shù)據(jù)通過IN0通道把

15、模擬量通過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字量然后暫存起來。采樣的流程框圖如圖4.2： 開啟轉(zhuǎn)換延時(shí)等待暫存結(jié)果返回圖4.2 數(shù)據(jù)采樣的流程圖4.3 顯示子程序的設(shè)計(jì)顯示部分主要是顯示當(dāng)前溫度值和用戶設(shè)定的溫度值。顯示程序嵌入在主程序中，當(dāng)基本數(shù)值顯示過程如圖4.3：送入單片機(jī)的數(shù)字量溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)碼管中相應(yīng)碼值送顯示圖4.3 顯示子程序流程4.4 鍵盤掃描子程序的設(shè)計(jì)鍵盤掃描子程序是用與閾值的輸入和設(shè)定。開始設(shè)定閾值，按兩次數(shù)字鍵，輸入閾值，如果輸入三次則重新輸入，輸入結(jié)束后按D鍵確定。開始按下設(shè)定？NY按鍵？NY判斷按鍵次數(shù)超過兩次？YN鍵值處理按下確定？NNY結(jié)束N圖4.4 鍵盤掃描的流程圖總結(jié)體會(huì)本次課

16、程設(shè)計(jì)是對(duì)所學(xué)知識(shí)的一次綜合性運(yùn)用。其中包括對(duì)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)、數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)、單片機(jī)等知識(shí)的運(yùn)用。在設(shè)計(jì)的過程中我發(fā)現(xiàn)了自身知識(shí)的不足，也發(fā)現(xiàn)我們必須具備專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)，才能成功的設(shè)計(jì)出一件合格的東西。這次課程設(shè)計(jì)收獲很多，體會(huì)也很深刻，并且對(duì)我們所學(xué)的東西也產(chǎn)生了濃厚的興趣。設(shè)計(jì)過程中，學(xué)到了很多新的東西，PROTEL軟件繪制電路原理圖，以及一些仿真軟件的應(yīng)用。當(dāng)然最重要的是學(xué)到了關(guān)于基本電子設(shè)計(jì)的一些基本方法，同時(shí)也加深了對(duì)一些常用的電子元件的理解及其基本用法的掌握。除此之外，我覺得在這次設(shè)計(jì)的過程中，我發(fā)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)精神的重要性，很多時(shí)候一個(gè)人的力量是有限的，一個(gè)人不可能什么都會(huì)，什么都能自

17、己解決，還是有需要他人幫助的時(shí)候，我覺得人與人之間的相互幫助很有必要，這樣不僅能幫助大家很快的解決問題，不僅能提高我們每個(gè)人的實(shí)際水平，還能培養(yǎng)我們的團(tuán)隊(duì)合作精神，這些能力對(duì)于我們今后的學(xué)習(xí)和工作都很有幫助。由于時(shí)間關(guān)系，本次設(shè)計(jì)中還有不盡完善之處。希望在以后的學(xué)習(xí)生涯中不斷的完善和改進(jìn)。參考文獻(xiàn)1 李念強(qiáng)主編. 單片機(jī)原理及應(yīng)用M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社, 20072 孫育才主編. MCS-51系列單片微型計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用. 東南大學(xué)出版社, 19973 張濤,王金崗主編. 單片機(jī)原理與接口技術(shù)M. 冶金工業(yè)出版社, 20074 閻石主編. 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M. 高等教育出版社. 19975 王長(zhǎng)胤，文軍主編. 單片單板機(jī)原理及應(yīng)用M. 武漢大學(xué)出版社, 19936 王俊杰主編. 基于89C51單片機(jī)的太陽能熱水器智能控制器的設(shè)