太阳能热水器控制装置本科毕业论文1

摘摘 要要随着新世纪人类的发展，节能环保成为了二十一世纪的关键词，能源危机环境污染成为全球性的危机，清洁能源与可再生能源成为人们最关注的主题。太阳能取之不尽、用之不竭、干净且无污染，因此，积极鼓励太阳能的应用具有非常大的意义。本文将设计一种适合于家用、高性能的太阳能热水器控制装置，实现多种自动化功能，使用方便、人性化。该设计绿色环保，符合国内低碳经济，具有可持续发展性。这一设计将鼓励太阳能热水器更广泛的使用，从而推动低碳能源的利用，环保节能。本论文在介绍传感器、单片机、时钟芯片的特点基础上，详细描述了太阳能热水器的工作原理和设计方案。这里根据太阳能热水器对控制器的要求，提出了以 ATmeg16 单片机为检测控制核心，结合 SD2200 实时时钟，控制水温水位的定时设定，并利用液晶显示屏实时显示时间、温度、水位等信息，五个按键可以实现对水温和水位的设定。全文分三大部分。第一部分包括第一章，描述太阳能的应用意义和前景发展状况，并将太阳能热水器与燃气热水器等做出相应的比较，突出太阳能热水器的优势与更广阔的发展前景。第二部分包括第二章，描述太阳能系统组成及本设计的相应技术指标和要求。第三部分包括第三、四章硬件设计及电路原理和软件设计，分别介绍了单片机的结构与要求，温度传感器的特点及应用、水位检测结构的原理，以及显示器的结构等等，都是此款太阳能热水器的理论基础和必要前提。关键词： 太阳能热水器 单片机 温度传感器 实时时钟 AbstractWith the development of human race during the new century, energy conservation and environmental protection becomes one of the most important things in 21st century. Clean and renewable energy sources are stepping on to the stage of the new century. As a result, it would be of great significance to use solar energy which is both clean and inexhaustible in certain areas. This paper proposes a design of a smart solar water heater controller which could realize several kinds of automatic functions to make the use more convenient and humanized. I believe that this design of smart controller would encourage the use of solar water heater.On the basis of the introduction to the solar energy, sensor and SIM, this paper gives the detail information of the working principle of solar water heater and also describes the design scheme. According to the characteristics of the controller and the function of the solar water heater, the controller is based on ATmega16, SD2200, and LCD, realizing the function of real time display to show the value of temperature and water level. Moreover, users could set the temperature and the water level by 6 different bottoms on the controller. This article is divided into 3 parts. Part One includes Chapter 1 introducing the use and perspective of solar energy. Part Two includes Chapter 2 and 3 and describes the structure and use of solar water heater. Part three, including Chapter 3 and Chapter 4, introduces the design of hardware and software and the theory of the circuit as well. All of the theories above make up of the foundation of this design of smart solar water heater controller.Key Words： solar water heater temperature sensor real clock SCM目录第一章第一章 绪论绪论.- 1 -1.1 国际太阳能热水器的发展现状.- 1 -1.2 中国太阳能热水器行业的发展概况.- 3 -1.3 太阳能热水器的应用及其意义.- 4 -1.4 论文的主要工作.- 6 -第二章第二章 太阳能热水器的结构及工作原理太阳能热水器的结构及工作原理.- 8 -2.1 太阳能热水器综述.- 8 -2.2 太阳能热水器智能控制装置的主要功能.- 9 -2.3 太阳能热水器智能控制器的主要技术指标.- 11 -2.3.1 温度检测.- 11 -2.3.2 水位检测.- 11 -2.3.3 可控水泵和热泵.- 11 -第三章第三章 太阳能热水器智能控制器的硬件设计太阳能热水器智能控制器的硬件设计.- 13 -3.1 太阳能热水器的基本控制原理.- 13 -3.3 温度检测部分.- 17 -3.3.1温度传感器DS18B20简介.- 17 -3.3.2 DS18B20与单片机接口.- 19 -3.3.3 DS18B20工作时序.- 19 -3.3.4温度标定与精度处理.- 21 -3.3.5 DS18B20温度传感器的多点测量.- 22 -3.4 时钟电路部分.- 22 -3.4.1 SD2200系列实时时钟芯片简介.- 22 -3.4.2 SD2200的工作原理.- 23 -3.4.3时钟芯片与单片机接口电路.- 24 -3.4.4时钟芯片的工作时序.- 24 -3.5 水位检测部分.- 26 -3.5.1 水位检测原理.- 26 -3.5.2 水位检测装置.- 26 -3.6 键盘电路部分.- 28 -3.6.1 键盘电路.- 28 -3.7 显示器部分.- 28 -3.7.1 显示器LCM12864ZK简介.- 28 -3.7.2 显示器与单片机接口电路.- 29 -第四章：太阳能热水器控制器的软件设计第四章：太阳能热水器控制器的软件设计.- 31 -4.1 主程序设计.- 31 -4.2 辅助热源启动子程序.- 33 -4.3 温度检测子程序.- 34 -4.3.1 DS18B20温度显示.- 34 -4.3.2 DS18B20子程序流程图.- 35 -4.3.3 DS18B20多点测量.- 36 -4.4 显示子程序.- 36 -总总 结结.- 38 -附附 录录.- 40 -致致 谢谢.- 51 -第一章 绪论1.1 国际太阳能热水器的发展现状 太阳能热利用，以其易于实现而在世界各地得到迅速发展，应用规模越来越大。在欧洲，过去 10 年来太阳能热水器的增长率一直保持在 18左右，预计未来十年增长率会达到 20%。欧盟提出到 2010 年安装 1 亿平方米太阳能热水器的规划，欧洲太阳能学会预算 2020 年欧洲太阳能热水器应用高达 14 亿平方米。但欧洲的太阳能热水器行业发展与中国有许多不同。 中国的太阳能热水器市场发展很快，总的保有量和年生产能力世界第一。但主要是以真空管直插式的简易产品为主，工程也以非承压单循环为主。而欧洲以平板式承压双循环为主，且多以生活热水和采暖相结合的复合系统，很少以单一热水供应为主，并且产业化 水平已到了非常高的地步，这是中国太阳能行业望尘莫及的。在中国有一种普遍的点，真空管热水器是平板热水器的换代产品，将最终全面取代平板热水器。这种说法过于偏激，应该说在像真空管直插式这种低端产品上，真空管配不锈钢非承压水箱确实比平板热水器具有相当的优势，但在分体式与建筑结合特别是与采暖配套的大型工程应用上，平板还具有相当强的优势。这类系统还特别适合承压应用，这两种产品在今后很长一段时问内会同时存在，不存在谁替代谁的问题。当然真空管热水器的增长率会高于平板热水器，但由于平板热水器在世界的普及率很高，在奥地利和荷兰，接近 100的太阳能热水系统是平板，真空管产品在国外市场的普及还需相当长的时问。 中国的太阳能厂家追求全面，主要生产厂家不仅生产水箱、支架还生产真空管，而欧洲生产厂商分工很细、很专业。生产厂商只专做某一部件， 如GREEN ONE TEC 专做平板集热器，为欧洲最大的平板集热器制造商，而水箱则由专业的水箱制造商制作。中国企业追求大而全， 想所有的钱自己赚，怕被别人赚钱，国外企业赚自己认为应该赚的钱。 而这种专业化的分工便于各个厂家将产品做细做精， 所以欧洲产品的工艺水平是中国产品在短时问内很难达到的。 中国太阳能市场运作主要是以制造商发展经销商，以专卖店形式销售产品。制造商不仅制造产品还负责市场及品牌运作、工程安装和售后服务。而欧洲的太阳能市场与中国有很大的区别，他们的运作方式般如下：制造商负责提供质优价廉的产品；系统集成商负责系统的开发、设计、试验及推广（自己的品牌）及安装公司的人员培训；安装公司( 相当于经销商) 负责销售、安装及售后服务。中国太阳能市场运作方式与中国的真空管直插式产品的结构与安装方式有关。真空管直插式产品结构简单、安装方便，安装工人不需太多的专业知识，经销商自己很容易解决安装及售后服务问题。这一市场运作方式对中国初期的太阳能市场做了很大贡献。 这样的好处是使营销渠道扁平化，减少中间环节，降低了市场运作成本。制造商直接面对消费者，面对终端用户，便于掌握市场的变化和需求。 而这一运作方式的弊端在目前已逐渐呈现， 限制了先进的热水器系统的应用与推广。因为即便像清华阳光至尊1+1 及力诺的分体式热水中心这种已经简化得不能再简化的热水系统， 也需要经销商具有较高的专业安装技能及售后服务能力。如果再与建筑及采暖结合，则更不可能是一个普通经销商所能完成的。而生产企业 自己到全国各地去安装及售后服务则更不现实。这就最终导致先进但比较复杂的热水系统很难得到推广普及 1 。 中国的太阳能产品开发主要由各个制造厂的技术部负责，各自为政，包括工程系统应用也是如此。由于各个厂所能聘用的专业研发人员数量和质量有限， 导致了中国太阳能的利用从“殷自强” 发明真空管以后这么多年再也没有大的突破。中国以前也有一些国营的太阳能研究所，但大多由于体制问题及研发向与市场严重脱节而解体或即将解体。 而欧洲主要由一些专业的系统集成商及工程设计公司进行新产品的研发、 系统的设计以及与建筑及其他系统的结合，由他们提出设计要求，由生产厂家制作完成，制造商只负责工艺及产品的完善， 这样就 便于整合整个国家甚至欧洲的技术优势进行产品及系统的开发。 1.2 中国太阳能热水器行业的发展概况中国的太阳能热水器行业是名副其实的本土行业，是国内为数不多的拥有自主知识产权的产业之一。从产生到技术研发，到市场培育没有任何外力介入，完全由国内需求拉动而成。国内最早的太阳能热水器产生于二十世纪五、六十年代，当时的太阳能热水器是闷晒式，简单朴实，七、八十年代发展为平板式及直管式。到了二十世纪九十年代，清华阳光的殷志强教授发明真空玻璃管技术，并推广使用，中国的太阳能热水器从此进入真空管时代。从最初的大锤加榔头的制造手段，发展到现在的部分自动化，所有涉及这一领域和产品的发展，都是依靠企业的推广和科研院所教授的执著追求，造就了我国太阳能产业的规模化扩张。中国太阳能热水器的年生产量是欧洲的 2 倍，北美的 4 倍，现已成为世界上最大的太阳能热水器生产国和最大的太阳能热水器市场。中国的太阳能热水器市场经过几年的培育，已经步入快速发展期。2009年太阳能热水器“下乡”是太阳能热水器行业的一件大事，标志着太阳能热水器得到国家认可，我国太阳能热水器行业已迈入新的时代。太阳能热水器“下乡”正式开标意味着太阳能热水器行业得到了政策支持，太阳能热水器“下乡”如一缕春风，使整个行业焕发强大的生命力。农村市场是太阳能热水器的主要销售市场，太阳能热水器的销售 70%在农村，而随着新农村建设的推进，使用环保、洁净能源意识的推广，太阳能热水器在农村仍有广阔的空间。城市市场中，随着寿命到期热水器产品更新浪潮的到来，节能环保意识的深入，城市的太阳能热水器潜在消费量将逐步显现。未来 5-10 年中国太阳能热水器市场保有量仍将保持 20%-30%的增长率。目前中国太阳能热水器行业缺乏统一的行业标准，行业门槛较低，产品整体技术含量低，生产厂家多达 5000 余家，鱼目混杂。整个行业处于“行业大、企业小，数量多、规模小”的尴尬格局。行业内的一些二线牌子因为没有核心竞争力，产品高度同质化，只能靠低价格来谋取生存空间，在管理水平、生产规模都有限的情况下低价格只能靠低成本甚至“拼装”来获取，如此的低成本势必导致低质量。太阳能热水器国家标准正陆续出台，行业开始洗牌，品牌集中是趋势。行业集中度会进一步提高，而技术的升级、安全性能的提升、产品的创新将是企业发展的方向。我国能源发展工作正处在关键的历史时期，太阳能利用技术是可再生资源领域推广应用最普遍技术之一，太阳能是新能源，清洁、无限、安全，太阳能热水器应用最为广泛。近年来，我国国内的太阳能热水器市场开始进入快速增长期，以每年 20%-30%的速度递增，太阳能光热应用面积已占到全球的76%，是整个欧美地区的 4 倍之多。国外各个国家对太阳能新能源的利用也非常重视，现在欧洲、美国和日本等先进国家也积极推进太阳能应用技术。目前我国大多数太阳能热水器使用方便，节能，但功能单一，操作较复杂，控制起来不能达到理想效果，只有温度、水位、时间的显示功能，而对其控制的智能化水平不高。即使热水器具有辅助加热功能，也可能由于加热时间不能控制而产生过烧，从而浪费电能。鉴于此，为了使使用者可以根据自己的需求将水温、水位调节到所需值，而且通过显示屏可知道实时水温、时间、水位，特对太阳能热水器控制器进行研究。1.3 太阳能热水器的应用及其意义随着世界上煤、油、气的储量日益减少，能源危机已日益增长，环境污染的危机已威胁着生态平衡，太阳能开发利用的课题已提到人类的面前。众所周知，太阳能是取之不尽，用之不竭，没有污染的巨大能源。有人预测：二十一世纪太阳能将由辅助能源上升为主要能源。但由于太阳能的分散性、季节性和地区性又给太阳能利用带来重重困难，有些技术难点尚未突破，产品造价偏高（如光电池） 。因而尚未被人们大规模的使用。在太阳能热利用技术中，太阳能热水器是技术上比较成熟、造价比较低廉的产品，同时给人民提供不耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。随着人们环保意识的不断加强，越来越多的消费者倾向于选择太阳能热水器，但很多人对使用这种产品又不是很了解。在这里，我们将太阳能热水器、电热水器和燃气热水器的性能作一个粗略的比较。 1、热水产量方面 燃气热水器有 5L、7L、8L 等不同的型号，是指在 1 分钟内将水温升高25时所产的热水量，如果自来水的温度为 25，则每分钟可产 50的热水5 升、7L 或 8L。电热水器的标注则是 30L、60L、90L 等等，这是指电热水器的容水量，相当于我们在电炉子上加一个水壶，这个水壶的盛水量是 30L、60L、90L。拿一个 8L 的燃气热水器与一个 40L 的电热水器相比较，8L 的燃气热水器可连续不断地产生每分钟 8L 的热水，而电热水器需要间隔半小时加热一罐水。如果这一罐水用完，还要等半小时左右。 太阳能热水器按照年平均气温 15.7、年日照时数 2014 小时、太阳总辐射总量年均为 111.59kcal计算，如果集热面积为 2，年吸收太阳辐射能量为 9.37106kJ，按把水温升高 35计算（基础水温 10） ，全年可提供生活用热水（45）53.5t，每人每次洗澡用热水约需 50kg，则全年可洗 1070 人次，平均每天可洗 2.93 人次。 2、加热速度方面 目前生产的燃气热水器大多为快速热水器，不论什么时候，只要想用热水，打开燃气阀和水龙头，热水就会流出来。而电热水器需要预先通电半小时左右，才能开始使用。太阳能热水器在天气晴朗的时候使用更好，最理想的楼层在六至八层。 3、温度稳定性方面 燃气热水器由于是快速加热，并有调整温度装置，只要在使用开始时调到人体感觉舒适的温度，而后就会一直保持在这一温度恒定地供应热水。 电热水器在使用时需要另外接一根冷水管兑入冷水，当罐内水不断流出，冷水不断加入时，水温就会逐渐下降，直到全部是冷水。所以在使用时，需要不停地去调整冷热水的比例。 太阳能热水器使用起来暂时还不大方便，要上水，且不能保证时时有热水。 4、功率方面 燃气热水器的功率要比电热水器大很多，拿一个 8L 的燃气热水器和 40L的电热水器相比较，8L 燃气热水器的功率相当于 1617kW，而 40L 的电热水器一般为 3kW，这也是为什么燃气热水器可连续供应热水的缘故。那么，电热水器是否也可做成 16kW 的呢？这是不可能的，因为家用电表、电线都无法承受。 5、价格方面 8L 的燃气热水器价格一般在 800 元以上，再加上安装费，大约在 1000 元以上，有的甚至接近 2000 元。电热水器现在都在 500 元以上，加上安装费用，一般不到 1000 元。太阳能热水器的价格都在 3000 元以上。使用费用方面，目前天然气每立方米为 1.7 元，每度电为 0.44 元，而太阳能热水器仅耗水费。 6、安全性方面 燃气热水器的优点是加热快、出水量大、温度稳定、结水垢少、占地小、不受水量控制。缺点是使用时要排出大量的废气，废气中除了二氧化碳以外，还有一氧化碳，如果使用时关闭门窗，通风不良，一氧化碳会增加，严重时会发生中毒事故，但如果能正确地了解这一点，使用时注意，也是很安全的；另外，燃气热水器启动水压高，有些住高层的用户如果不装增压泵就无法起动；安装不方便，要在墙上打洞、安排气扇等。 电热水器的优点是能适应任何天气变化，普通家庭可直接安装使用，长时间通电可以大流量供热水；使用时不产生废气，所以从这一点上讲是既安全又卫生，目前市场上销售的电热水器多数还带有防触电装置。缺点是体积大、占用室内空间大、易结水垢、对电能浪费大，最新型的电热水器内置了阳极镁棒除垢装置，解决了产品容易结垢的问题，但阳极镁棒须两年更换一次，给保养带来了麻烦。太阳能热水器的优点是安全、节能、环保、经济，尤其是带辅助电加热功能的太阳能热水器，它以太阳能为主、电能为辅的能源利用方式，可全年全天候使用。缺点是安装复杂，安装不当会影响住房的外观、质量及城市的市容市貌；因要安装在室外，维护较麻烦。1.4 论文的主要工作本文介绍的太阳能热水器以微控制器 ATmega16 单片机控制中心，选用SD2200 作为时钟芯片。并采用两个 DS18B20 温度传感器串行，实现对水温的测量。同时，采用 LCM12864ZK 液晶显示屏实现显示温度水位信息，利用按键电路设定水温水位值，并可设定加热上水时间。本设计还添加了辅助热源，在阴雨天太阳能不足的情况下，单片机开启热源，对水进行加热，方便用户的使用。同时设定各种报警功能，包括水满报警，缺水报警，加热完成时报警等功能。令产品的使用安全，放心。第二章 太阳能热水器的结构及工作原理2.1 太阳能热水器综述图 2-1 为智能太阳能热水器的整体系统结构图。图中，太阳能集热器用来收集太阳能对水进行加热，并输进热水箱供浴室的正常使用。水量不够时，辅助水箱补充太阳能集热器的水源。太阳能集热器中装有温度传感器 1，此装置用来感应太阳能集热器中水的温度，从而判定太阳能是否充足。热水箱具有保温功能，其中装有温度传感器 2 和水位传感器，分别用来检测箱内的温度和水位，并在控制器显示屏上显示，便于用户根据情况设定温度和水位。 浴浴室室辅辅助助水水箱箱热热水水箱箱太太阳阳能能集集热热器器辅辅助助热热源源回回水水阀阀循循环环泵泵温温度度传传感感器器1水水位位传传感感器器热热源源泵泵自自来来水水温温度度传传感感器器2图 2-1 太阳能热水器结构图 如图 2-1 太阳能热水器结构图所示，当温度传感器 1 检测的温度过低，表示太阳能不充足。此时，系统将启动辅助热源，通过热源泵，将辅助水箱中的水加热并输入热水箱，此功能可以让热水器在阴雨天也可以继续使用，不影响日常生活。这种智能太阳能热水器不仅使用方便、人性化，而且能有效地节约能量，减少污染。是符合现代环保理念的绿色低碳智能系统，应该积极的普及。2.2 太阳能热水器智能控制装置的主要功能本设计要求设计出一个智能化的太阳能热水器控制装置，需具有时间显示功能、定时上水加热功能，用户可以实时查看温度水位状态，并自由设定温度水位。实现一种方便的，人性化的控制方式。具体功能如下：1、北京时间：实时显示北京时间。2、水位预置：可预置加水水位 50 、 80 、 100% 3、水温预置：可预置加热温度范围： 30 80 ，若不需要启动电加热，可预置为 00 。4、水温指示：显示太阳能热水器内部实际水温。5、水位指示：显示太阳能热水器内部所存水量 。6、缺水提示：当水位从高变低，出现缺水状态时，蜂鸣报警，同时 20% 水位闪烁。 7、缺水上水：当水位从高变低，出现缺水状态时，延时 30 分钟自动上水至预置水位。 8、温控上水：当水箱水未加满，水温高于用户设定的温控上水温度（原厂设制为 60 ）自动补水至低于温控温度 10 的合水温，此功能可防止出现低水量、高水温的不合理现象。当正在用水（水位发生变化）时，则延时 60分钟启动，以避名用户正在用水时启动上水。具备温控功能的时间：8:00 17:50 。9、手动控制：可手动启动上水，加热，在操作时首先显示预置的水位或水温，用户可利用“”和“”键调整参数，确认后，测控仪蜂鸣提示启动上水、加热，也可手动关闭。启动加热时若低于 50% 水位，则先启动上水再加热，并将水位加至 80% 。正在加热时水位低于 50% 水位自动关闭加热，保护电加热管。10、全天候模式：可按用户个人需要，全天 24 小时内，可分别设定早、中、晚三次定时上水及三次定时加热，并且可分别设定每次定时上水的水位和定时加热的温度。原厂设置为第一次早晨 3：00 启动上水至 50%水位，4：00 启动加热至 50 ，提供用户早上起床后的洗喇用水，第二次 9：00 启动上水至水满，中午不加热，以便尽量利用太阳能光能量提供加热，第三次 15：00 启动上水至 100% 水位，16：00 启动上水至 50 给用户晚上提供大量热水随心所浴（若利用太阳能已达到 50 不启动加热节约电能） 。用户自行设定定时，建议将定时上水的时间提前定时加热的时间 1 小时以上，以便先上水再加热，建议加热温度不超过 60 以免烫伤并节约电能。若需取消全能候模式，持续按住加热键，则取消定时加热。持续按住上水键，则取消定时上水，同时自动启动温控上水模式（因自动上水是必需的） 。反之操作可分另恢复全天候模式中的定时上水和定时加热，全天候图标对应显示。11、防辅助热源起火：在启动管道保温功能厅，测控议在辅助热源加热管道温度平衡后（通电约 10 分钟） ，自动关闭，等管道温度下降后，在次按用户自行设定的延时时间（原厂设置 30 分钟，若设置为 0 分钟，则电热带长期通电）启动电热带，过程自动重复动行，可避免长期通电电热带，节约电能，并有效防止因长期通电造成电热带老化起火等恶性事故。12、自动防溢流：因真空管破裂或水位传感器故障等原因造成溢流，自动停止上水。13、断电显示：当停电时，测控议保留用户预置的所有参数，同时继续显示水温水位及北京时间，断电时测控议将按键自动锁死，以防误操作。当来电时能按以前设定的工作模式及功能继续动行。 14、恒温加热：水箱水温低于预置温度 5 ，立即启动加热至恒温水温，保证水箱水温恒定。若水位低于 50%，先立即自动启动上水，再启动加热，以免干烧。因此水位不能低于 50%建议采用上下水双管安装，以便不影响用户持续大量用水。 15、强制上水： 水位传感器出现故障后，可按上水键，实现强制上水，每分钟会出现蜂鸣提示，注意有无溢水，8 分钟后自动关闭上水。 16、低水压上水：在上水过程中，水压过低或停水，控制器会自动进入低水压模式，在此上水模式中，控制器会间隔 30 分钟启动上水，若 30 分钟仍不能使水位上升一档，则停止 30 分钟，然后再启动上水，反复循环运行，以避免在低水压或停水时发生以下严重后果：(1)电磁阀、水泵长期通电运行，造成水泵空转烧毁；(2)由于太阳能真空管破裂或其它原因漏水，造成不断上水而水箱、屋顶长期流水；(3)停水后，突然来水，由于空晒，太阳能水箱温度过高，而造成炸管。 17、管道循环：可设置水泵循环时间 130 分钟（原厂设置为 3 分钟） 。实现一开出热水增压效果。18、管道保温：冬天室外气温较低时，可按（管道保温）键，启动电热带，防止水管冻裂，再按（管道保温）键，则关闭电热带。 19、自动增压：在供水压较低时，可选择上水增压功能，在上水时，控制器打开电磁阀同步启动水泵加压供水，水上满后，两者同时关闭。2.3 太阳能热水器智能控制器的主要技术指标2.3.1 温度检测本设计要求的测温精度：2；测温范围：099；控温精度：2；动作时间：30s。2.3.2 水位检测水位分档：五档，分别为 20%、40%、60%、80%、100%；水位报警：当水位从高变低，出现缺水状态时，蜂鸣报警，同时20%水位闪烁。2.3.3 可控水泵和热泵可控水泵或热泵功率：500W。电磁阀参数：直流DC12V，可选用有压阀或无压阀，有压阀工作压力：0.02Mpa0.8Mpa，适用于直供水无压阀工作压力：0.0Mpa，适用于水箱供水或低水压供水。热泵热水器原理图如2-1所示。冷冷凝凝器器蒸蒸发发机机压压缩缩机机Qa环环境境中中吸吸收收空空气气的的能能量量Qb能能电电Qc膨膨胀胀丝丝热热水水出出冷冷水水进进水水泵泵图 2-2 空气源热泵热水器原理图热泵输出的能量为压缩机做的功和热泵从环境中吸收的热量之和；bQaQ通常为的 3 倍以上，即能源利用效率达 300以上，而通常的电热水器aQbQ能源利用效率仅为 95左右。第三章 太阳能热水器智能控制器的硬件设计3.1 太阳能热水器的基本控制原理图 3-1 是以 ATmega16 单片机为核心的控制系统的原理框图。温度、水位等传感器测得的信息送入单片机进行处理，并直接显示在液晶显示屏上，用户接收到显示屏上的信息，根据需要，通过键盘设定期望的水位水温值。单片机启动扫描键盘命令，将设定值与实际水位和温度进行对比分析，如果测量水温水位值与键盘设定的水温水位值有差异，则单片机会向执行机构发出相应控制指令，控制电磁阀和继电器工作，调节水温和水位，直到水温水位值达到键盘设定值。本设计将选用 ATmega16 单片机作为中央微处理器，DS18B20 作为温度传感器，以及时钟芯片 SD2200。同时，系统还包括热水箱水位温度检测接口、键盘及串行显示、复位接口电路及继电器输出接口电路等。Atmega16温温度度传传感感器器液液晶晶显显示示屏屏电电磁磁阀阀看看门门狗狗电电路路报报警警电电路路辅辅助助热热源源水水位位传传感感器器键键盘盘时时钟钟电电路路驱驱动动电电路路图 3-1 智能太阳能热水器控制系统原理图具体工作流程描述如下：水位设置：按设置(水位)键，预置水位指示快速跳动，提示可设置水位。根据气候及日照强度，将水位设置到所需水位，以得到合适的水温。太阳能自动上水：太阳能上水是全自动运行的，因此用户不必作任何操作，当缺水时，延时15分钟，微电脑会自动启动缺水上水功能，将水位加到预置水位。当水未加满水温又偏高时，会自动启动温控上水功能，至水温50左右，若水位加满至100%，则停止补水。上水启动时，蜂鸣一长声，关水时，则蜂鸣三短声。手动上水、关水：可利用手动上水键实现手动上水关水，调兑水箱水温。按一下(上水)键启动手动上水，加水到预置水位后，自动关闭上水。在上水过程中，按一下(上水)键可关水。定时上水：若需定时上水，按(定时)键，预约定时上水时间。例如：现在是上午6：00，准备在上午9：00启动上水，则按(定时)键，调时至03，即在3小时后启动上水，同时定时指示灯闪亮，时间度定时时刻越近，定时指示灯闪烁越快。一经预约，则每天在此时刻启动上水，若需退出预约，只需按住(定时)键不松手，听到“嘀”提示音，并且定时指示灯熄灭后，即可。图 3-2 太阳能热水器结构图太阳能智能控制器具体操作如下：1、设置上限水位：设置水位上限，可选择 3099之间。 （默认下限水位为 30） 。 图 3-3 ATmega16 的引脚图2、设置水温：设置电加热的温度上限，可选择 080。3、水温水位指示：均具有图形数字两种显示形式。4、干晒保护：为防止干晒，当水位低于 15时，无条件上水到 30。 5、冰冻保护：为防止水箱冻裂，当水温低于 5时，无条件电加热到15。6、智能模式：如果系统处于智能保温区间时，系统自动加温，处于智能区间以外时，如达到设定温度，则自动上水到低于设定温度 5。7、手动上水：当蓄水量不足时，可按设定键，光标闪动，按“左”或“右”键移动光标，待光标移动到水位设定栏，按“+”键设定水位档位，当水位上升至设置水位时，系统自动停止上水。在此上水过程中再按设定键可立即停止上水。8、手动加热：当前水温偏低时，可按设定键，光标闪动，按“左”或“右”键移动光标，待光标移动到温度设定栏，按“+”键设定温度值，开启电加热器加热水温。当水温上升至所设置的温度时停止加热。进入保温状态，在此电加热的过程中再按设定键立即停止电加热。9、自动增压：在上水过程中，系统会自动监测上水过程，监测目前水压是否过低，或是停水，一旦出现这种情况，自动打开增压泵，并显示低水压同时蜂鸣报警，提示用户。3.2 ATmega16 微处理器ATmega16 是基于增强的 AVR RISC 结构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。其数据吞吐率高达 1MIPS/MHz 2 。ATmega16 的引脚如图 3-3所示。ATmega16 的主要特征：1、非易失性程序和数据存储器：16K 字节的系统内可编程 Flash，有 512 字节的EEPROM；1K 字节的片内 SRAM，通过 JTAG 接口实现对Flash、EEPROM、熔丝位和锁定位的编程。 12345678ABCD87654321DCBATitleNum berRevisionSizeA3Date:14- Jun-2010She et of File :E:上上 上上上 上上上 上1820上上 上-100614.ddbDra wn By:AG ND28X18X27RES ET4PD2 (INT 0)11PD3 (INT 1)12PD4 (OC1B)13PD5 (OC1A)14PB0 (T0)40PB1 (T1)41PB2 (AIN 0)42PB3 (AIN 1)43PB4 (SS)44PB5 (M O SI)1PB6 (M IS O)2PB7 (SCK )3(AD C0) P A037(AD C1) P A136(AD C2) P A235(AD C3) P A334(AD C4) P A433(AD C5) P A532(AD C6) P A631(AD C7) P A730PC019PC120PC221PC322PC423PC524(TO SC1) PC625(TO SC2) PC726PD7 (TOS C2)16PD6 (ICP )15AV CC27AR EF29PD1 (TXD )10PD0 (RXD )9GND39VCC38GND6GND18VCC5VCC17U1ATM EGA 16_TQ FP44LCD -K1LCD -A2GN D3VC C4RS(CS)6RW (S ID)7E(SCLK)8D09D110D211D312D413D514D615D716PS B17RST18VR19VO20LCM 1LCM 12864ZKVC CRM 210RM 110KLCM_CSLCM_SIDLCM_SC LK上上上上RT110KRT210KVC CT_S CLT_S DAVB AT2TES T3GN D10GN D11GN D12SCL13SDA15INT 119SDA E20SCL E21W P22INT 223VC C24UT1SD2200B /C/D/E-Z上上VC CRT520RT420T_I NT1CT1220uFCT2104DT1LLS D103ADT2LLS D103ART310KS1SW -PBS2SW -PBVC CR110KR210K KEY 2KEY 1C10.1uFC20.1uFR310K C30.1uFR410K C40.1uFS3SW -PBS4SW -PBKEY 4KEY 3S5SW -PBR510KC50.1uFKEY 5上上上上上上上上C15104C14104VC CR1010KC10RSTL210uHC16104C18470uFCPU VCCC17470uF47uFC12AV CCL110uH123456JISP 1CO N6RSTSCKM IS OM O SI104VC CVD 1LLS D103AVD 2LLS D103AD11N4148CPU VCCCPU VCCQ19013Q2901325134J3HG 412325134J4HG 4123DJ3RS1MDJ4RS1M+12V+12VOU T1OU T2CO MR710KR810KCPU VCCVCC3DQ2GND1U5DS18B20R94K7VC CLCM _CSLCM _SIDLCM _SC LKDS1820_DQC13104AV CCM O SIM IS OSCKT_S CLT_S DAS6SW -PBKEY 6R610KC6VCC3DQ2GND1U6DS18B20VC CT_I NT1P1P2RSTKEY 2KEY 1KEY 4KEY 3KEY 5KEY 6DS1820_DQ上上上上C23470uFC220.1C210.1+12VIN1GND2OU T3U3LM 7805VC CCPU VCC上上上上Q19013LS1R111KVC CLS上上AD 1AD 2AD 1AD 2上上上上上weigou2、外设特点：两个具有独立预分频器和比较器功能定时器/计数器。3、特殊的处理器特点：上电复位以及可编程的掉电检测，片内经过标定的RC振荡器，片内/片外中断源，6种睡眠模式。4、I/O和封装：具有32个可编程的I/O口，封装形式有：40引脚PDIP封装，44引脚TQFP封装，与44引脚MLF封装。图 3-4 太阳能热水器智能控制器硬件总结构图图 3-5 DS18B20 温度传感器外观设计图3.3 温度检测部分本设计中，笔者选用DS18B20温度传感器。DS18B20测量温度范围为-55+125，在系统所需要的-10+85范围内，精度为0.5，亦满足条件。同时，新的产品支持3V5.5V的电压范围，使系统设计更灵活、方便。而且新一代产品更便宜，体积更小，大大提高了DS18B20产品的性价比，是本设计理想的选择。3.3.1 温度传感器 DS18B20 简介“一线式”数字温度传感器 DS18B20 是 DS1820 的更新换代产品(由美国DAIIAS 公司生产)。它具有体积小，分辨率高，转换快等优点。由于每片DS18B20 含有唯一的硅串行数，再加上 DS18B20 独特的单线总线结构，决定了 DS18B20 特别适合于大型的多路温度实时测控系统的温度检测。温度实时测控集装箱的设计，在实现测控系统的温度检测方面就较好地利用DS18B20 的独到特点，使系统得到了极大的简化。1、DS18B20的特性(1) DS18B20 在 I/O 处理器连接时，仅需要一个 I/O 口即可实现微处理器同 DS18B20 的双向通讯。(2) DS18B20 支持组网功能，多个 DS18B20 可以并联在唯一的单线上，实现多点测温。(3) DS18B20 的测温范围为：- 55+125，在-10+ 85时， 其精度为+ 0.15。(4) DS18B20 的测温结果的数字量位数从 912 位，可编程进行选择。(5) DS18B20 内含寄生电源，器件既可以由单线总线供电，也可用外部的电源(310V515V )供电。2、DS18B20 测温原理DS18B20 内部结构框图，如图 3-5 所示。存储器控制逻辑8位CRC触发器低温低触发器高温度触发器温度传感器存储器电源检测64位 ROM和单线接口图 3-6 DS18B20 内部结构框图DS18B20 的测温原理：DS18B20 测量温度采用了特有的温度测量技术，它是通过计数时钟周期来实现的，内部计数器对一个受温度影响的振荡器的脉冲计数。低温时，振荡器的脉冲可以通过门电路。而当到达某一设置高温时，振荡器的脉冲无法通过门电路。计数器设置为-55。同时，计数器复位在当前的温度值时，电路对振荡器的温度系数进行补偿，计数器重新开始计数直到回零。如果门电路仍未关闭，则系统重复上述过程。3、DS18B20的操作协议DS18B20 单纯通信功能是分时完成的。单线信号包括复位脉冲，响应脉冲，写“0” ，写“1” ，读“1” 。它们有严格的时隙概念。系统对 DS18B20 的操作以 ROM 命令(5 个)和存储器命令(6 个)形式出现。对它的操作协议是：初始化 DS18B20 发复位脉冲发 ROM 功能命令处理数据发存储器命令处理数据。各种操作都有相应的时序图。DS18B20 在使用时，一般都采用单片机来实现数据采集。只需将DS18B20 信号线与单片机 1 位 I/O 线相连，且单片机的 1 位 I/O 线可挂接多个 DS18B20，就可实现单点或多点温度检测。DS18B20 传感器精度高、互换性好；它直接将温度数据进行编码，可以只使用一根电缆传输温度数据，通信方便，传输距离远且抗干扰性好：与用传统温度传感器组成的多点测温系统相比可节省大量电缆，而且系统得以简化，系统扩充维护十分方便。DS18B20 可以广泛用于工厂工业过程、大型粮仓、酿酒厂、食品加工厂的温度检测以及宾馆、仪器仪表室等处的温度检测和控制。3、DS18B20 封装图 3-7 DS18B20 封装图3.3.2 DS18B20 与单片机接口ATmega16 PB7DS18B20 +3V +5.5V 4.7K GND VCC I/O图 3-8 DS18B20 传感器测温电路图本系统中采用DS18B20作为温度传感器。DS18B20的测量范围从-55 + 125，增量值为0. 5，可在1s (典型值) 内把温度变换成数字。因此作为热水器的温度测量，精度合乎要求。信息经过单线接口入DS18B20或从DS18B20送出因此从主机CPU到DS18B20仅需一条线(和地线)。DS1820的电源可以由数据线本身提供而不需要部电源。但使用外部电源可以提高测量速度。具体的电路如图3-6所示。3.3.3 DS18B20 工作时序DS18B20 的所有通信都由复位脉冲组成的初始化序列开始。该初始化序列由主机发出，后跟由 DS18B20 发出的存在脉冲（presence pulse） 。图 3-8 阐述了这一点。当发出应答复位脉冲的存在脉冲后，DS18B20 通知主机它在总线上并且准备好操作了。在初始化步骤中，总线上的主机通过拉低单总线至少480s 来产生复位脉冲。然后总线主机释放总线并进入接收模式。当总线释放后，5k 的上拉电阻把单总线上的电平拉回高电平。当 DS18B20 检测到上升沿后等待 15 到 60us，然后以拉低总线 60-240us 的方式发出存在脉冲。主机将总线拉低最短 480us，之后释放总线。由于 5k 上拉电阻的作用，总线恢复到高电平。DS18B20 检测到上升沿后等待 15 到 60us，发出存在脉冲：拉低总线60-240us。至此，初始化和存在时序完毕。VCC单线总线控制器TX复位脉冲 480us min 960us max DS1820等待 15-60us DS1820 存在脉冲 60-240us 控制器RX 480us min GND图 3-9 DS18B20 初始化时序图DS18B20 读程序如图 3-10 所示，首先将数据线拉高“1” ，延时 2 微秒。然后将数据线拉低“0” 。延时 15 微秒。将数据线拉高“1” 。 延时 15 微秒。读数据线的状态得到 1 个状态位，并进行数据处理。GND控制器采样1us15us15us 30us15us 控制器读0时间隙 控制器采样控制器读1时间隙1usTrec图 3-10 DS18B20 读时序图DS18B20 的写操作如图 3-11 所示，数据线先置电平“0” ，延时确定的时间为 15 微秒然后按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位） 。 延时时间为 45 微秒。再将数据线拉到高电平。最后重复上面的操作直到所有的字节送完为止，将数据线拉高。GND 控制器写0时间隙 60TX0240us控制器写1时间隙1usTrec1us15us15us30us15usDS1820MIN TYP MAXDS1820采样MIN TYP MAX15us30us图 3-11 DS18B20 写时序图3.3.4 温度标定与精度处理(1)温度标定水温信号由 DS18B20 测量，将测量数据传给 Atmega16 进行相应处理，存人 Atmega16 的 EEPROM，显示于液晶显示屏。考虑到每个 DS18B20 中存在系统误差，因此首次使用装置时，需对其进行校正并将测量值换算为水温，因此需要进行温度标定。首先将 DS18B20 与水银温度计一同放入温水中，改变水温并分别测定和校正，再执行标定程序将温度计读数由键盘输入，启动DS18B20 并自动将温度对应的转换值读入 Atmega16 的 EEPROM 内存，温度转换值的对应值自动存储，再执行处理程序，计算出回归方程的各个系数，并存储在另一文本中，开启使用时控制器自动调用查询。标定出各个整数点的温度数值以减少器件本身及外部环境带来的非线性误差，提高输出准确度。(2)精度处理DS18B20 完成对温度的测量，以 16 位符号扩展的二进制补码读数形式提供，默认以 0.0625LSB 形式表达，其中 S 为符号位。高速暂存器的字节0、1 存储数据格式如下： 0 字节 低位（A）1 字节 高位（B）232221202-12-22-32-4SSSSS262524温度算法是 SSSSS=0，温度大于 0，具体值为 T=(B&7)256+A0.0625。整数部分和小数部分单独处理。为了提高测量精度，DS18B20 采用 12 位 A/D 转换方式，百分位的数据采用“四舍五入”的原则处理。这样，精度可达 0.1，符合要求。3.3.5 DS18B20 温度传感器的多点测量本设计需要两个DS1820温度传感器，分别测量水箱温度和太阳能集热器中的温度。因此需要运用到DS18B20的多点测量，微机串口DS18B20的接口如图所示。图中为两个DS18B20并联情况。由于TXD的电压范围为-212 V，当TXD为-2 V时，为了防止三极管8050的PN结反向过压，在其基极和发射极之间跨接了1只二极管加以保护。图 3-12 DS18B20 并联与单片机接口电路图3.4 时钟电路部分本设计选用时钟芯片 SD2200。SD2200 时钟芯片是一款高精度实时时钟芯片，可以保证时钟精度为5ppm(在 251下)，年误差小于 2.5 分钟，完图 3-13 SD2200 时钟芯片引脚图全满足本设计的技术指标，是实时时钟芯片的理想选择。3.4.1 SD2200 系列实时时钟芯片简介SD2200L 系列是一种具有内置晶振、支持 I2C 总线的高精度实时时钟芯片。该芯片可保证时钟精度为5ppm(在 251下)，即年误差小于 2.5 分钟；该芯片内置时钟精度调整功能，可以在很宽的范围内校正时钟的偏差(分辨力3.052ppm 或 1.017ppm)，通过外置的温度传感器可设定适应温度变化的调整值，实现在宽温范围内高精度的计时功能；内置串行 E2PROM 为非易失性，可在3.0V5.5V 下工作,擦写次数可达 100 万次,数据保存时间为十年。内置一次性电池，电池使用寿命可在五年左右(工业级和民用级时间不同)。该芯片可满足对实时时钟芯片的各种需要，是在选用高精度实时时钟时的理想选 3 。SD2200 的引脚图如 3-13 所示。SD2200 性能特点：1、低功耗：工作电压：3.0V5.5V（其中NVSRAM 在 4.5V5.5V） ，内部时钟保持电压可低至 0.5V。2、年、月、日、星期、时、分、秒的 BCD码输入输出。自动日历到 2099 年（包括闰年自动换算功能） 。 3、I2C 总线 CPU 接口。 4、可设定的两路闹钟（定时）32768Hz1Hz 的方波信号输出。3.4.2 SD2200 的工作原理时钟调整寄存器实时时钟电路（年/月/日/星期/时/分/秒）低压检测电路电源切换电路振荡电路定时中断2定时中断1串行EEPROM（2Kbit-256Kbit）SD2200L系列单片机SCLESDAESDASCLINT2INT1VDD图 3-14 SD2200 时钟芯片工作原理框图3.4.3 时钟芯片与单片机接口电路SD2200既有实时芯片的功能，又可以存储数据到内置E2PROM中。因为SD2200是I2C总线接口方式，所以其硬件接口设计非常简单，可以大大简化单片如果外围器件是I2C接口类型，而单片机没有I2C接口，那么必须用软件模拟的方式来实现。AVR单片机功能很强它带有TWI接口，可以直接ATmega16的硬件I2C接口来对外围I2C器件进行操作，非常方便有效。这样可节省模拟I2C程序，为用户编程省去很多麻烦 4 。时钟芯片与单片机接口电路如下图所示。图 3-15 时钟接口电路3.4.4 时钟芯片的工作时序 读数据时，当检测到开始条件后，实时时钟接收器件代码和命令。当读/写位为“1”时，此时进入实时时钟读取模式或状态寄存器读取模式，数据则从LSB依次输出。每读完一个字节，MCU要向SD2200发送ACK或NO_ACK信号：当SD2200收到ACK信号，将继续发送下一个数据；当SD2200收到NO_ACK信号将停止向MCU发送数据，而随后的停止条件将结束本次的读数据操作。写数据时，当检测到开始条件后，实时时钟开始接收器件代码和命令。当读/写位为“0”时，此时进入实时时钟数据写模式或状态寄存器写模式，数据必须按顺序从LSB位开始依次输入。在实时时钟数据写入时，如有ACK信号紧跟着实时时钟数据写命令，则日历和时间计数器将被复位，并将停止内部时间累加操作。继续接收完分钟数据及秒数据，此时月末数据将被修正。当SD2200接收完秒数据同时发出ACK信号给CPU，从此新的计时开始 5 。(1)实时时钟数据读/写1(七字节数据：年-月-日-星期-小时-分钟-秒) .图 3-16 实时时钟数据读/写 1(2) 实时时钟数据读