太阳能热水器控制器的设计硬件设计(附件)
随着居民节能环保意识的增强和消费观念的转变等因素，太阳能热水器在市场上的需求量越来越大。因此开发出与太阳能热水器相配套的方便使用的控制器将会有很好的市场前景。太阳能热水器控制器硬件设计部分采用 STC89C52RC 单片机作为热水器控制器的主控制芯片。通过设置上、下、中上、中下四个水位对水箱里的水进行检测控制。水箱缺水时电机自动上水。下水位检测到有水且当前温度低于下限温度时开启加热。温度达到上限后关闭加热。上水位检测到水后自动停水。LCD显示当前温度、预约开启加热的时间、上下限加热温度。系统出错时蜂鸣器报警。同时通信模块向用户手机发送系统出错提示短信。关键词 太阳能热水器控制器，检测控制，自动上水，通信模块目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 热水器国内外发展状况 1
1.3 太阳能热水系统控制器的使用状况和发展方向 3
1.4 本课题所要完成的工作 3
2 系统总体方案设计 4
2.1 系统设计原则 4
2.2 系统方案论证 4
2.3 方案选择 5
3 太阳能热水器控制器硬件设计部分 5
3.1 本课题设计流程 5
3.2 热水器控制器硬件框图 5
3.3 主控芯片STC89C5RC单片机 6
3.4 检测模块 9
3.5 外围电路 12
3.6 按键模块 14
3.7 LCD1602显示电路 15
3.8 驱动模块 17
3.9 报警及短信模块 18
3.10 LED灯功能 19
4 本课题的硬件制作 20
4.1 电路板的制作 20
4.2 电路板的焊接步骤 22
4.3 电路板测试 22
5 硬件部分调试 23
5.1 PROTUES仿真调试 23
5.2 LCD液晶显示模块调试 23
5.3 水位检测模块调试 24
5.4 按键及CP2102下载器调试 26
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
br /> 4.1 电路板的制作 20
4.2 电路板的焊接步骤 22
4.3 电路板测试 22
5 硬件部分调试 23
5.1 PROTUES仿真调试 23
5.2 LCD液晶显示模块调试 23
5.3 水位检测模块调试 24
5.4 按键及CP2102下载器调试 26
5.5 SIM900A模块及驱动模块调试 26
附录1 硬件电路原理图 31
附录2 硬件PCB电路板图 32
附录3 硬件PCB电路板连线图 33
附录4 硬件实物图 34
附录5 元器件清单 35
1 绪论
1.1 课题研究背景和意义
随着地球上煤、石油、天然气的储量日益减少，能源危机逐步显现，环境污染已威胁着人类生态平衡，而太阳能作为取之不尽，用之不竭的能源，其开发和利用引起科研工作者的广泛关注。太阳能热水器是一种利用太阳光加热的热水器，不会对环境造成任何破坏，并且技术成熟、造价低廉，能够给人们提供不消耗能源、绝对安全的热水[1]。
随着政府对节能减排重视程度地不断提高，以及鼓励太阳能热利用发展的政策相继出台，使得太阳能热水系统的工程市场得到迅速发展，虽然我国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国，但其发展主要是在集热板的材料和结构上，与太阳能热水器配套的控制器却一直处于初步的研究和开发阶段。太阳能控制器承担了太阳能热水工程运行现场的全部监控信息，它的功能和质量直接影响着系统的运行性能，是太阳能热水工程现场监控的核心部件。由于用户需求模式复杂，且太阳能受季节和天气影响较大，因此在保证热水供应充足的基础上，如何充分利用太阳能以减少辅助能源的消耗，这对控制系统提出较高的要求。现有太阳能热水控制器大多采用了单一固定的电路板，对于不同用户需求采用不同程序。不同类型的工程程序不同，不但质量难以保证，系统扩展性差，而且控制水平参差不齐，节能效率不高，故无法满足用户的个性化设置及太阳能热水工程发展的需求[2]。因此，研究开发出质量相当高的太阳能热水器控制器是目前以及未来太阳能热水器市场必然的需求。
作为一名大学生选择智能型太阳能热水器控制器这个课题，能够更好地让我们自己甚至更多人认识到能源可持续发展这一概念，更能够看清目前的能源危机，对于世界各国应对能源问题，并且采取有效措施具有一定的现实意义。
1.2 热水器国内外发展状况
我国热水器的发展与国内整个家电行业的发展历史同步：从1979年诞生的第一台热水器开始，热水器行业从为数不多的品牌发展到现在的品牌林立，从单一燃气热水器到电热水器、太阳能热水器，从产品功能单一到今天的功能多样、造型各异，甚至有不少品牌还走向世界，整个行业取得了长足的进步[3]。根据不同时期竞争及产品特点，热水器发展大致可以分为三个阶段：
第一阶段：1979到1996 年，整个行业的起步阶段（即燃气热水器阶段。在这个阶段国内的太阳能热水器发展才刚刚开始。随着79年我国国内的第一台燃气热水器的诞生，使得在接下来的几年里一些燃气热水器品牌很快的崛起并成为行业的主角。燃气热水器在我国经历了从直排到烟道直排再到烟道强排的三个发展阶段。而每个阶段的发展都离不开环境安全问题得到不断改善和提高有关，由于运用了烟道强排技术的燃气热水器的内部必须要加一个电压为200V 的电动机，以及燃气式热水器的小内部空间设计，使得其内部的零件都比较靠近，如果某个部件一旦发生漏电，水管内部就会产生大量电流，安全事故常有发生。由于行业的进入门槛较低，导致很多不良品牌进入市场随意生产销售不合格的热水器，从而导致了多起安全事故的发生[3]。
第二阶段：1997到2001 年，快速发展阶段即电热水器阶段。随着城镇居民收入提高以及国家推行货币分房等政策，市场需求规模急速扩大，以海尔为代表的国内家电品牌和许多国际加入热水器的竞争阵营，电热水器在这一阶段开始高速发展，特别是在 1999 年时，电热水器首次超越燃气热水器成为市场主流，成为行业发展的一个重要里程碑，在接下来的几年里面电热水器的市场占有率得到了稳步的上升[3]。但是燃气热水器以及电热水器都有着漏电的隐患，这一直是这两种热水器存在的诟病，由于电热水器对用电环境要求较高而且占用的空间大，这方面的问题必定导致在一定程度上会消耗大量的能源和电力。
第三个阶段：从2001到2006 年，进入热水器基本成型阶段，太阳能热水器得到广泛使用。进入到新千年后，热利用得到了快速的发展，传统加热产生能量的方式被太阳能发生产生的能量方式所取代，随着太阳能热水器相关研究成果的出现，越来越多的加热技术也随之出现。从起初的选择性涂层作为集成加热到目前的采用真空管集热器，太阳能热水器的创新发展和改革从未间断过。据统计，在2005 年的时候，我国年产的太阳能热水器已达到了1500万台，到了2006年，甚至又达到了1800万台，整个行业的产值突破了200亿元。就目前的态势来看，我国毫无疑问是世界上最大的太阳能热水器生产国和销售国[4]。目前，我国在生产研发以及使用太阳能
1 绪论 1
1.1 课题研究背景和意义 1
1.2 热水器国内外发展状况 1
1.3 太阳能热水系统控制器的使用状况和发展方向 3
1.4 本课题所要完成的工作 3
2 系统总体方案设计 4
2.1 系统设计原则 4
2.2 系统方案论证 4
2.3 方案选择 5
3 太阳能热水器控制器硬件设计部分 5
3.1 本课题设计流程 5
3.2 热水器控制器硬件框图 5
3.3 主控芯片STC89C5RC单片机 6
3.4 检测模块 9
3.5 外围电路 12
3.6 按键模块 14
3.7 LCD1602显示电路 15
3.8 驱动模块 17
3.9 报警及短信模块 18
3.10 LED灯功能 19
4 本课题的硬件制作 20
4.1 电路板的制作 20
4.2 电路板的焊接步骤 22
4.3 电路板测试 22
5 硬件部分调试 23
5.1 PROTUES仿真调试 23
5.2 LCD液晶显示模块调试 23
5.3 水位检测模块调试 24
5.4 按键及CP2102下载器调试 26
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
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4.2 电路板的焊接步骤 22
4.3 电路板测试 22
5 硬件部分调试 23
5.1 PROTUES仿真调试 23
5.2 LCD液晶显示模块调试 23
5.3 水位检测模块调试 24
5.4 按键及CP2102下载器调试 26
5.5 SIM900A模块及驱动模块调试 26
附录1 硬件电路原理图 31
附录2 硬件PCB电路板图 32
附录3 硬件PCB电路板连线图 33
附录4 硬件实物图 34
附录5 元器件清单 35
1 绪论
1.1 课题研究背景和意义
随着地球上煤、石油、天然气的储量日益减少，能源危机逐步显现，环境污染已威胁着人类生态平衡，而太阳能作为取之不尽，用之不竭的能源，其开发和利用引起科研工作者的广泛关注。太阳能热水器是一种利用太阳光加热的热水器，不会对环境造成任何破坏，并且技术成熟、造价低廉，能够给人们提供不消耗能源、绝对安全的热水[1]。
随着政府对节能减排重视程度地不断提高，以及鼓励太阳能热利用发展的政策相继出台，使得太阳能热水系统的工程市场得到迅速发展，虽然我国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国，但其发展主要是在集热板的材料和结构上，与太阳能热水器配套的控制器却一直处于初步的研究和开发阶段。太阳能控制器承担了太阳能热水工程运行现场的全部监控信息，它的功能和质量直接影响着系统的运行性能，是太阳能热水工程现场监控的核心部件。由于用户需求模式复杂，且太阳能受季节和天气影响较大，因此在保证热水供应充足的基础上，如何充分利用太阳能以减少辅助能源的消耗，这对控制系统提出较高的要求。现有太阳能热水控制器大多采用了单一固定的电路板，对于不同用户需求采用不同程序。不同类型的工程程序不同，不但质量难以保证，系统扩展性差，而且控制水平参差不齐，节能效率不高，故无法满足用户的个性化设置及太阳能热水工程发展的需求[2]。因此，研究开发出质量相当高的太阳能热水器控制器是目前以及未来太阳能热水器市场必然的需求。
作为一名大学生选择智能型太阳能热水器控制器这个课题，能够更好地让我们自己甚至更多人认识到能源可持续发展这一概念，更能够看清目前的能源危机，对于世界各国应对能源问题，并且采取有效措施具有一定的现实意义。
1.2 热水器国内外发展状况
我国热水器的发展与国内整个家电行业的发展历史同步：从1979年诞生的第一台热水器开始，热水器行业从为数不多的品牌发展到现在的品牌林立，从单一燃气热水器到电热水器、太阳能热水器，从产品功能单一到今天的功能多样、造型各异，甚至有不少品牌还走向世界，整个行业取得了长足的进步[3]。根据不同时期竞争及产品特点，热水器发展大致可以分为三个阶段：
第一阶段：1979到1996 年，整个行业的起步阶段（即燃气热水器阶段。在这个阶段国内的太阳能热水器发展才刚刚开始。随着79年我国国内的第一台燃气热水器的诞生，使得在接下来的几年里一些燃气热水器品牌很快的崛起并成为行业的主角。燃气热水器在我国经历了从直排到烟道直排再到烟道强排的三个发展阶段。而每个阶段的发展都离不开环境安全问题得到不断改善和提高有关，由于运用了烟道强排技术的燃气热水器的内部必须要加一个电压为200V 的电动机，以及燃气式热水器的小内部空间设计，使得其内部的零件都比较靠近，如果某个部件一旦发生漏电，水管内部就会产生大量电流，安全事故常有发生。由于行业的进入门槛较低，导致很多不良品牌进入市场随意生产销售不合格的热水器，从而导致了多起安全事故的发生[3]。
第二阶段：1997到2001 年，快速发展阶段即电热水器阶段。随着城镇居民收入提高以及国家推行货币分房等政策，市场需求规模急速扩大，以海尔为代表的国内家电品牌和许多国际加入热水器的竞争阵营，电热水器在这一阶段开始高速发展，特别是在 1999 年时，电热水器首次超越燃气热水器成为市场主流，成为行业发展的一个重要里程碑，在接下来的几年里面电热水器的市场占有率得到了稳步的上升[3]。但是燃气热水器以及电热水器都有着漏电的隐患，这一直是这两种热水器存在的诟病，由于电热水器对用电环境要求较高而且占用的空间大，这方面的问题必定导致在一定程度上会消耗大量的能源和电力。
第三个阶段：从2001到2006 年，进入热水器基本成型阶段，太阳能热水器得到广泛使用。进入到新千年后，热利用得到了快速的发展，传统加热产生能量的方式被太阳能发生产生的能量方式所取代，随着太阳能热水器相关研究成果的出现，越来越多的加热技术也随之出现。从起初的选择性涂层作为集成加热到目前的采用真空管集热器，太阳能热水器的创新发展和改革从未间断过。据统计，在2005 年的时候，我国年产的太阳能热水器已达到了1500万台，到了2006年，甚至又达到了1800万台，整个行业的产值突破了200亿元。就目前的态势来看，我国毫无疑问是世界上最大的太阳能热水器生产国和销售国[4]。目前，我国在生产研发以及使用太阳能
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