太阳能热水器控制器的设计硬件设计(附件)
针对目前资源的短缺和环境污染日益加重的现状，各种新型能源的应用愈发受到社会关注，其中太阳能热水器已经走进千家万户,但一个完善的太阳能热水器控制器的设计还不够完善。传统的太阳能热水器对水加热时会出现水箱没水还继续加热，产生空烧现象；还会出现水箱水满后不能自动停止加水，因而造成水资源的浪费。
本课题是太阳能热水器控制器的设计，主要是通过软硬件相结合实现水温设定、显示和自动调温；实现对太阳能热水器的水位检测、显示和自动上水；根据检测到的温度、水位值的高低超限启动报警系统，并且根据硬件设计将其做成实物。
本设计使用单片机STC89C52作为中央控制模块，主要功能是控制和处理各功能模块能够有条不紊的工作。本设计采用四个按键控制水温设置和单片机复位。采用温度采集和水位采集两部分进行水温和水位的采集，并且将采集到的水温显示出来，如果水温低于下限值时，本系统就会启动蜂鸣器和加热器，对水箱内的水进行加热，当水温高于上限值时，就触发报警模块，并同时停止加热。当水位过低，电磁阀门打开，对水箱内加水，加水到高水位时关闭电磁阀门；当水位过高，电磁阀关闭。
关键词 新型能源，太阳能，STC89C52，热水器控制器
目录
1 引言 1
1.1 课题目的 1
1.2 课题背景及意义 1
1.2.1 课题背景 1
1.2.2 课题意义 2
2 太阳能热水器的组成及工作原理 2
2.1 太阳能热水器的组成 2
2.2 太阳热水器的工作原理 3
3 系统总体方案 3
3.1 系统方案介绍 3
3.1.1 设计思想 3
3.1.2 实现功能 4
3.1.3 方案论证 4
3.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
系统组成框图 5
3.2.1 硬件框图 5
3.2.2 按键模块 5
3.2.3 采集模块 5
3.2.4 执行模块 6
3.2.5 显示模块 6
3.2.6 控制模块 6
4 硬件设计 6
4.1 控制模块 6
4.1.1 单片机简介 6
4.1.2 最小系统 8
4.2 按键模块 9
4.3 采集模块 10
4.3.1 水位采集模块 10
4.3.2 温度采集 11
4.4 执行模块 12
4.4.1 加热模块 13
4.4.2 水位控制模块 14
4.5 报警模块 15
4.5.1 蜂鸣器介绍 15
4.5.2 报警模块 16
4.6 显示模块 16
4.6.1 LCD1602显示 16
4.6.2 水位显示 18
5 软件设计 19
6 仿真结果 20
6.1 PROTEUS 仿真软件简介 20
6.2 仿真结果 21
6.2.1 仿真结果 21
6.2.2 实物效果 23
7 硬件调试 25
7.1 温度的标定 25
7.2 单片机控制问题 26
7.3 水位采集的调试 26
结 论 27
致 谢 28
参 考 文 献 29
附 录一 总体原理图 30
附 录二 PCB图 31
1 引言
1.1 课题目的
随着人们生活水平的提高，热水器除用于家庭热水外，还用于工业热水、空调、干燥、农业种植、水产养殖、海水淡化等领域。但其功能、特点、质量、能耗等性能有待改善，其控制部分往往需要大量中间继电器来满足控制要求，结果电路设计复杂、繁琐，还将增加设计成本。系统本身完全跟随太阳能热水器，其智能化着重于太阳能热水器的自动控制功能，而且还需要求太阳能热水器能够实现自动调节水位、水温和超限报警功能，本设计采取的设计理念和实践操作简单，系统运行稳定，日常和维护方便 [1]。控制方法确定后投入生产要缩短控制系统的设计时间、调试周期，且要降低成本。本设计是在日常实践的过程中总结与讨论得到，在加上自己在大学生活中学习到的理论知识相结合，进行设计而成的太阳能热水器控制器的设计。
1.2 课题背景及意义
1.2.1 课题背景
在全球人口和经济规模的不断增长背景之下，人们对资源的需求量也不断增加，所造的结果就是资源的紧张，所以人们开始关注低碳环保经济的消费理念。天然无污染高效节能的太阳能资源逐渐映入人们的眼帘。
相对于常见的化石能源太阳能具有更多突出的优点：（1）储量大。太阳可以在每一秒钟释放KW的能量，按一年量折合计算相当于煤炭的千亿吨。（2）太阳能资源的使用不会受到地理位置的影响，取用方便。（3）、环保无污染,开发利用时几乎不产生任何污染[2]。
面对能源危机问题越来越严重的情况，该危机表现在下面几个方面：（1） 从存储量上看石油资源最多可以使用10年，天然气相对多些，可以用30年左右，相比较最多的自然能源煤也只可以用300年左右。（2）环境污染。（3）温室效应引起全球性问题。面对这样的能源问题，可持续发展的经济理念得到越来越多的关注，并且首要的还要发展科学技术，只有科学技术得到发展，才能开发研究各种清洁能源，才能够为能源问题提供很好的帮助。由此可以看出，太阳能资源的优越性，势必会在以后代替化石资源，成为主流能源[3]。
到目前为止，世界范围内的太阳能热水器和与之相对应的控制器的生产技术接近成熟，各国都有不同品牌的行业，这样的发展趋势还不停地影响这电热和燃气热水器的市场，每年以一定的比例取代这两个行业。世界各国也出台了不同的措施推广使用太阳能热水器，这个则在这方面处在遥遥领先的位置[4]。
1.2.2 课题意义
迄今为止，在世界范围内，太阳能热水器在中国的发展尤为迅速，已经是最大的生产国，生产厂家都过百。现有的热水器虽可以进行上水的功能，但是这种上水功能不能及时准确的显示水位，导致上水过少，容易产生过烧或者使用量的减少，尤其常见的是上水过多，导致大量的水资源造成浪费，这样就有违节约的意识了，所以需要有一个准确显示水位的功能，并且还需要控制水位的功能，使资源得到充分利用[5]。
为了了解能源问题和看清其现状，更加为了认知不同太阳能控制器在设计技术方面上的新思路，所以我选择了这个设计。本设计实现不仅可以巩固所学知识，还可以增强社会实践能力，功能如果足够完善还可以做成产品进行销售，缓解现在能源的问题。
2 太阳能热水器的组成及工作原理
2.1 太阳能热水器的组成
太阳能热水器主要由连接套管、采热器、加热器和储水箱四部分组成。太阳能热水器简图如图2.1所示。
图2.1 太阳能热水器简图
连接套管
连接套管主要由进水口、出水口和循环套管组成。进水口功能主要是不断地往储水箱里加水，保证水箱的水得到不断地补充。出水口则是供使用者使用。循环套管主要使水箱的水经过在采热器中循环，将冷水加热。
采热器
采热器主要通过太阳能采热管吸收太阳光，对循环套管的水进行加热，这是太阳能热水器利用太阳能的最主要的体现。
加热器
加热器则是当天气不好的时候，采热器不能够工作，就需要自带的加热器工作，对水箱的水进行加热。
储水箱
（2）自动上水主要是由水位采集和水位控制模块组成，实现对太阳能热水器的水位检测、显示和自动上水；能够根据检测到的温度、水位值的高低超限启动报警系统。自动上水主要是通过三根不同长度的导线进行水位采集，然后反馈给单片机，然后再通过LED灯指示采集到的水位。当检测到低水位时，单片机P3.0口输出低电平，使三极管导通而且继电器线圈得电常开触点闭合，打开阀门进行加水；当检测到高水位时继电器失电，关闭阀门停止上水。
1 引言 1
1.1 课题目的 1
1.2 课题背景及意义 1
1.2.1 课题背景 1
1.2.2 课题意义 2
2 太阳能热水器的组成及工作原理 2
2.1 太阳能热水器的组成 2
2.2 太阳热水器的工作原理 3
3 系统总体方案 3
3.1 系统方案介绍 3
3.1.1 设计思想 3
3.1.2 实现功能 4
3.1.3 方案论证 4
3.2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
系统组成框图 5
3.2.1 硬件框图 5
3.2.2 按键模块 5
3.2.3 采集模块 5
3.2.4 执行模块 6
3.2.5 显示模块 6
3.2.6 控制模块 6
4 硬件设计 6
4.1 控制模块 6
4.1.1 单片机简介 6
4.1.2 最小系统 8
4.2 按键模块 9
4.3 采集模块 10
4.3.1 水位采集模块 10
4.3.2 温度采集 11
4.4 执行模块 12
4.4.1 加热模块 13
4.4.2 水位控制模块 14
4.5 报警模块 15
4.5.1 蜂鸣器介绍 15
4.5.2 报警模块 16
4.6 显示模块 16
4.6.1 LCD1602显示 16
4.6.2 水位显示 18
5 软件设计 19
6 仿真结果 20
6.1 PROTEUS 仿真软件简介 20
6.2 仿真结果 21
6.2.1 仿真结果 21
6.2.2 实物效果 23
7 硬件调试 25
7.1 温度的标定 25
7.2 单片机控制问题 26
7.3 水位采集的调试 26
结 论 27
致 谢 28
参 考 文 献 29
附 录一 总体原理图 30
附 录二 PCB图 31
1 引言
1.1 课题目的
随着人们生活水平的提高，热水器除用于家庭热水外，还用于工业热水、空调、干燥、农业种植、水产养殖、海水淡化等领域。但其功能、特点、质量、能耗等性能有待改善，其控制部分往往需要大量中间继电器来满足控制要求，结果电路设计复杂、繁琐，还将增加设计成本。系统本身完全跟随太阳能热水器，其智能化着重于太阳能热水器的自动控制功能，而且还需要求太阳能热水器能够实现自动调节水位、水温和超限报警功能，本设计采取的设计理念和实践操作简单，系统运行稳定，日常和维护方便 [1]。控制方法确定后投入生产要缩短控制系统的设计时间、调试周期，且要降低成本。本设计是在日常实践的过程中总结与讨论得到，在加上自己在大学生活中学习到的理论知识相结合，进行设计而成的太阳能热水器控制器的设计。
1.2 课题背景及意义
1.2.1 课题背景
在全球人口和经济规模的不断增长背景之下，人们对资源的需求量也不断增加，所造的结果就是资源的紧张，所以人们开始关注低碳环保经济的消费理念。天然无污染高效节能的太阳能资源逐渐映入人们的眼帘。
相对于常见的化石能源太阳能具有更多突出的优点：（1）储量大。太阳可以在每一秒钟释放KW的能量，按一年量折合计算相当于煤炭的千亿吨。（2）太阳能资源的使用不会受到地理位置的影响，取用方便。（3）、环保无污染,开发利用时几乎不产生任何污染[2]。
面对能源危机问题越来越严重的情况，该危机表现在下面几个方面：（1） 从存储量上看石油资源最多可以使用10年，天然气相对多些，可以用30年左右，相比较最多的自然能源煤也只可以用300年左右。（2）环境污染。（3）温室效应引起全球性问题。面对这样的能源问题，可持续发展的经济理念得到越来越多的关注，并且首要的还要发展科学技术，只有科学技术得到发展，才能开发研究各种清洁能源，才能够为能源问题提供很好的帮助。由此可以看出，太阳能资源的优越性，势必会在以后代替化石资源，成为主流能源[3]。
到目前为止，世界范围内的太阳能热水器和与之相对应的控制器的生产技术接近成熟，各国都有不同品牌的行业，这样的发展趋势还不停地影响这电热和燃气热水器的市场，每年以一定的比例取代这两个行业。世界各国也出台了不同的措施推广使用太阳能热水器，这个则在这方面处在遥遥领先的位置[4]。
1.2.2 课题意义
迄今为止，在世界范围内，太阳能热水器在中国的发展尤为迅速，已经是最大的生产国，生产厂家都过百。现有的热水器虽可以进行上水的功能，但是这种上水功能不能及时准确的显示水位，导致上水过少，容易产生过烧或者使用量的减少，尤其常见的是上水过多，导致大量的水资源造成浪费，这样就有违节约的意识了，所以需要有一个准确显示水位的功能，并且还需要控制水位的功能，使资源得到充分利用[5]。
为了了解能源问题和看清其现状，更加为了认知不同太阳能控制器在设计技术方面上的新思路，所以我选择了这个设计。本设计实现不仅可以巩固所学知识，还可以增强社会实践能力，功能如果足够完善还可以做成产品进行销售，缓解现在能源的问题。
2 太阳能热水器的组成及工作原理
2.1 太阳能热水器的组成
太阳能热水器主要由连接套管、采热器、加热器和储水箱四部分组成。太阳能热水器简图如图2.1所示。
图2.1 太阳能热水器简图
连接套管
连接套管主要由进水口、出水口和循环套管组成。进水口功能主要是不断地往储水箱里加水，保证水箱的水得到不断地补充。出水口则是供使用者使用。循环套管主要使水箱的水经过在采热器中循环，将冷水加热。
采热器
采热器主要通过太阳能采热管吸收太阳光，对循环套管的水进行加热，这是太阳能热水器利用太阳能的最主要的体现。
加热器
加热器则是当天气不好的时候，采热器不能够工作，就需要自带的加热器工作，对水箱的水进行加热。
储水箱
（2）自动上水主要是由水位采集和水位控制模块组成，实现对太阳能热水器的水位检测、显示和自动上水；能够根据检测到的温度、水位值的高低超限启动报警系统。自动上水主要是通过三根不同长度的导线进行水位采集，然后反馈给单片机，然后再通过LED灯指示采集到的水位。当检测到低水位时，单片机P3.0口输出低电平，使三极管导通而且继电器线圈得电常开触点闭合，打开阀门进行加水；当检测到高水位时继电器失电，关闭阀门停止上水。
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