太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)畢業(yè)設(shè)計

太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)緒論太陽能熱水器已經(jīng)進入千家萬戶，太陽能熱水器給人們的生活或工作提供了很大的便利，但是還存在著很大的不足。比如夜間用水，太陽能即便有很強的保溫設(shè)備，但收到外接溫差的影響，內(nèi)部溫度還是會下降。如何實現(xiàn)熱水的實時供給，成為一個研究的方向。本課題根據(jù)上述問題，提出解決方案，重在研究自動加熱系統(tǒng)，完善太陽能熱水器的功能，提高使用性。本設(shè)計使用STC89C52系列單片機作為主節(jié)制模塊,實現(xiàn)太陽能自動控制系統(tǒng)設(shè)計，該系統(tǒng)由八個基本模塊組成，實現(xiàn)對太陽能水箱水位、溫度的實時檢測并報警，通過按鍵調(diào)整時間設(shè)置，切換夜間自動加熱和手動加熱等多種功能。本設(shè)計進行了proteus仿真，驗證可行之后，通過軟件繪制電路原理圖，然后根據(jù)電氣路焊接實物，在實物上完成所有預(yù)期功能。關(guān)鍵詞：單片機太陽能自動控制軟件仿真ABSTRACTThedesignisdesignedbasedonSTC89C52microcontrollertocontrolthesmartcarautomatictracingsystemiseasytouse,whichcoversthedesignofmodulesandsoftwareofautomatictracingsmartcarhardwareonthemainpart.ThesmartcarautomatictracingsystemisbasedonC52microcontrollerbasedcontrollercore,thenthefourroadtopavementofinjectiontubeofinfrareddetectionsystemtodetectthetrack,thenthesignaldetectedbythereal-timefeedbacktransmissionforC52mcu.C52microcontrollerreceivesthedetectionsignal,comparestherelativesoftwareaccordingtointernalprocedures,obtainedthroughtheanalysisresultstocontrolthedrivemotorrunning,drivingdirectionwhichdrivesrotationcontroltocontrolthewheelsofthecarcar,allowingthecartotraveltotheirownalongthetracklaying.Inthisway,theautomatictracingsmartcarisbasicallycanbecompletedalongtheselflayingautomatictracingonthetracktorun.Keywords:STC89C52，Infraredsystem，Direct-currentmachine，Auto-tracking目錄TOC\o"1-3"\h\u97041概述 1219711.1本課題的研究意義 182541.2本課題研究的應(yīng)用前景與國內(nèi)外進展 1163451.2.1國內(nèi)wai進展及應(yīng)用前景 2245931.2.2本論文的研究目標(biāo)與研究內(nèi)容 2293852系統(tǒng)總體設(shè)計 293252.1系統(tǒng)設(shè)計規(guī)劃 285862.2模塊方案論證 3178643硬件設(shè)計 5207983.1傳感器檢測模塊 596013.1.1液位傳感器原理與應(yīng)用 5264233.1.2水溫傳感器檢測模塊 7162023.2液晶顯示模塊 754753.3單片機 857143.3.1單片機晶振模塊 9284833.3.2單片機復(fù)位模塊 9248003.3.3單片機P0口上拉電阻 10101563.3.4最小系統(tǒng)原理圖 1034753.4時鐘模塊 10177713.5光耦繼電器模塊 11225053.6電源模塊 12200443.7按鍵模塊 1235174軟件設(shè)計 1389764.1軟件架構(gòu)圖 13301604.2系統(tǒng)設(shè)計總流程圖 14236374.3水位檢測軟件設(shè)計 1519594.4液晶顯示軟件設(shè)計 16142084.5溫度傳感器軟件設(shè)計 18264284.6時鐘模塊軟件設(shè)計 20235854.7按鍵掃描軟件設(shè)計 21274785測試和分析 22177835.1測試 22275265.2性能分析 2314578總結(jié) 2415126致謝 2514822參考文獻 261概述1.1本課題的研究意義隨著科技的進步，太陽能熱水器逐步進入千家萬戶。太陽能熱水器給你人們的生活或工作提供了很大的便利，但是還存在著很大的不足。比如夜間用水，太陽能熱水器即便有很強的保溫設(shè)備，但受到外接溫差的影響，內(nèi)部溫度還是會下降。如何實現(xiàn)熱水的實時供給，成為一個研究的方向。1.2本課題研究的應(yīng)用前景與國內(nèi)外進展1.2.1國內(nèi)外進展及應(yīng)用前景中國現(xiàn)在已經(jīng)成為了世界上產(chǎn)量最大的太陽熱水器生產(chǎn)國家，我國慢慢地出現(xiàn)了一些太陽能熱水器溫度測控，但是絕大多數(shù)熱水器存在著比如性能不夠穩(wěn)定，經(jīng)常產(chǎn)生錯誤的操作；溫度、水位檢測、控制誤差大，太陽熱水器，尤其是太陽熱水系統(tǒng)及其控制器有著廣闊的發(fā)展前景。國外太陽能熱水器技術(shù)已日趨成熟，國外近幾年主要發(fā)展的仍是管板式，主要研究如何繼續(xù)降低成本提高可靠性。國外太陽能熱水器的普及面積廣，很多國家已經(jīng)把太陽能熱水器發(fā)展到工業(yè)化生產(chǎn)階段。1.2.2本論文的研究目標(biāo)與研究內(nèi)容本論文主要研究一種智能化控制的太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對水位溫度檢測，時間顯示和控制，自動/手動加熱和報警功能。2系統(tǒng)總體設(shè)計2.1系統(tǒng)設(shè)計規(guī)劃太陽能自動控制設(shè)計系統(tǒng)，實現(xiàn)智能控制。主要實現(xiàn)以下功能：水位檢測和顯示。水位傳感器使用光電傳感器，實物和仿真中可以使用撥碼開關(guān)代替，并設(shè)置水位上限，當(dāng)實際水位超過溫度上限是，報警并停止加水。溫度檢測和顯示。溫度檢測使用DS18B20實時檢測溫度，通過LCD1602顯示，設(shè)置溫度上限。自動加熱時，如果溫度達到上限，則停止加熱。時間顯示及調(diào)整。使用DS1302做時鐘芯片，該芯片參考資料豐富，開發(fā)簡單，并且功能強大，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計要求。專門設(shè)置三個按鍵，一個用來選擇日期/時間，另外兩個用來調(diào)整時間。根據(jù)水位高低自動調(diào)整水位。自動/手動電加熱、晚上用電低谷時實現(xiàn)自加熱。2.2模塊方案方案：單片機通過引腳實時檢測水位高低和當(dāng)前水溫，當(dāng)溫度達到上限時報警，并通過三個按鍵實現(xiàn)溫室上限的設(shè)定，顯示器字符、數(shù)字的LCD1602顯示，兩行顯示足夠。由于本設(shè)計是弱電控制強電，所以加上光耦和外部鏈接會更安全，當(dāng)外部電壓過大時能有效保護單片機，然后通過繼電器控制加熱和加水的關(guān)閉狀態(tài)。為了實現(xiàn)智能加熱，本設(shè)計另外加了時鐘模塊，實現(xiàn)在規(guī)定時間內(nèi)自加熱，如圖2-22.圖2-22太陽能自動控制設(shè)計由八個基本模塊組成，他們分別是電源模塊，水位檢測模塊，溫度檢測模塊，時鐘模塊，按鍵掃描模塊，液晶屏顯示模塊，光耦繼電器模塊，報警模塊。太陽能自動控制電路實現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-23。圖2-23系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3硬件設(shè)計3.1傳感器檢測模塊3.1.1液位傳感器原理與應(yīng)用光電液位傳感器是利用光在有水和無水兩種不同狀態(tài)下發(fā)生反射折射效果不同的原理而開發(fā)的點液位測控傳感器。工作圖3-11。圖3-11光電液位傳感器工作示意圖考慮到液位傳感器種類較多，單片機引腳有限，選定如下光電液位傳感器：美國Honeywell光電液位傳感器LLE101000。實物如圖3-12。圖3-12光電液位傳感器LLE101000太陽能熱水器檢測液位的方法是把傳感器按一定比例安插到太陽能水管中，通過液位浸沒傳感器的數(shù)目來確定當(dāng)前的水位。本設(shè)計采用了4個水位傳感器。安裝效果如圖3-13。圖3-13液位傳感器安裝效果如圖采用4位撥碼開關(guān)模擬光電液位傳感器。4位撥碼開關(guān)如圖3-14圖3-14撥碼開關(guān)3.1.2水溫傳感器檢測模塊圖3-15TO-92水溫探頭在設(shè)計實物中為了檢測溫度方便，采用TO-92式封裝ds18b20芯片方便演示和操作。仿真、原理圖中對應(yīng)DS18B20芯片/接口如圖3-16圖3-16溫度傳感器DS18B20仿真圖3.2液晶顯示模塊液晶顯示模塊采用1602LCD，主要技術(shù)參數(shù)：顯示容量:16×2個字符，芯片工作電壓:4.5—5.5V，工作電流:2.0mA，字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm?？梢灾苯雍蛦纹瑱C引腳鏈接。LCD1602實物和電路原理圖如圖3-2：圖3-2液晶顯示屏實物和電路原理圖3.3單片機單片機采用STC89c52單片機，實物如圖3-3。圖3-3STC89c52STC89c52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KBEEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個16位定時器/計數(shù)器，其中定時器0還可以當(dāng)做兩個八位定時器使用。3.3.1單片機晶振模塊本設(shè)計采用12M晶振，它的時鐘周期是1/12us,單片機工作是每完成一個機器周期執(zhí)行一次程序，而一個機械周期是12個時鐘周期即1us.與晶振一起組成晶振模塊的還有兩個電容，電容的取值采用值:30pf.電路原理圖3-31。圖3-31晶振電路3.3.2單片機復(fù)位模塊當(dāng)單片機運行中出現(xiàn)錯誤，或調(diào)試時用于觀察現(xiàn)象，要不斷進行復(fù)位，讓單片機從程序的開頭重新執(zhí)行，電路原理圖如圖3-32。圖3-32復(fù)位電路復(fù)位電路工作原理如圖3-421所示，VCC上電時，C充電，在10K電阻上出現(xiàn)電壓，使得單片機復(fù)位；幾個毫秒后，C充滿，10K電阻上電流降為0，電壓也為0，使得單片機進入工作狀態(tài)。3.3.3單片機P0口上拉電阻本設(shè)計中的上拉電阻選型：A331型330R9腳A型排阻。實物如圖3-33。圖3-33排阻3.3.4最小系統(tǒng)原理圖圖3-34最小系統(tǒng)原理圖3.4時鐘模塊本設(shè)計采用DS1302，現(xiàn)進行DS1302元器件簡單介紹：采用普通32.768kHz晶振。它可以對年、月、日、周、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V～5.5V。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)。DS1302如圖3-4圖3-4時鐘模塊DS1302實物和原理圖3.5光耦繼電器模塊本設(shè)計通過光電隔離的方法，有效的控制了強電電路，而且很好的保護了單片機等低電壓工作芯片。這里取其中一個光耦繼電器-加熱模塊加以詳細的說明。加熱模塊如圖3-5。圖3-5光耦繼電器模塊工作流程：當(dāng)P2.1口為高電平時，光耦的輸出引腳為高電平，三極管導(dǎo)通，繼電器內(nèi)部線圈通電，OUT1和OUT2吸合，外部電路導(dǎo)通。反之，當(dāng)P2.1口為低電平時，光耦的輸出引腳為低電平，PNP三極管不導(dǎo)通，繼電器內(nèi)部線圈不通電，OUT1和OUT2無法吸合，外部電路不導(dǎo)通。3.6電源模塊本設(shè)計主要元器件工作電壓統(tǒng)計如下：器件電壓單片機Stc89c52+5V溫度傳感器DS18B20+5V光耦+5V蜂鳴器+5V液晶顯示屏LCD1602+5V繼電器+5V時鐘模塊DS1302+5V圖3-6電源模塊3.7按鍵模塊設(shè)計中采用四個按鍵。完成對萬年歷時間、溫度上限的修改，按鍵電路和對應(yīng)功能如圖3-7。圖3-7按鍵模塊按鍵具體操作過程如下：按鍵次數(shù)功能備注P12功能鍵********************1年修改加/減2月修改加/減3日修改加/減4星期（LCD1602沒地方顯示，直接按一下）5時修改加/減6分修改加/減7秒修改加/減8溫度上限修改加/減9寫保護禁止修改P32自動/手動切換鍵****************1自動模式（夜間自加熱模式）2手動加熱（沒有溫度上限）3回復(fù)初始狀態(tài)既不是自動也不是手動4軟件設(shè)計4.1軟件架構(gòu)圖圖4-1軟件流程圖4.2系統(tǒng)設(shè)計總流程圖圖4-2系統(tǒng)總流程圖要求系統(tǒng)能實時檢測太陽能水箱內(nèi)部的水位變化、檢測太陽能水箱內(nèi)部的溫度變化、準(zhǔn)確的顯示當(dāng)前日期和時間、根據(jù)水位的高低自動調(diào)整水位、實現(xiàn)自動/手動電加熱、晚上用電低谷時實現(xiàn)自加熱、水位報警、通過按鍵調(diào)節(jié)水位上限值、溫度上限值、日期和時間等。系統(tǒng)流程圖如圖4-2。4.3水位檢測軟件設(shè)計圖4-3水位檢測流程圖單片機和4個水位傳感器的輸出接口連接，通過實時檢測對應(yīng)接口的狀態(tài)判斷，判斷當(dāng)前水位。定義單片機四個引腳對應(yīng)四個水位開關(guān)。把讀取的數(shù)據(jù)在shuiwei()函數(shù)中比較，如果第一個水位輸入為低，則把wei賦值為1，如前兩個水位輸入為低，則把wei賦值為2，依次類推。然后單片機通過控制顯示模塊LCD1602液晶屏把水位”wei”顯示出來。本設(shè)計中設(shè)置了水位報警功能：當(dāng)水位超過第四個水位時，視為太陽能水箱水位接近滿的狀態(tài)，則進行報警，并停止加水。水位的檢測流程圖如圖4-3。sbitshuiwei1=P1^4; //四個水位sbitshuiwei2=P1^5;sbitshuiwei3=P1^6;sbitshuiwei4=P1^7;voidshuiwei(){if(shuiwei1==0)wei=1;if(shuiwei1==0&&(shuiwei2==0))wei=2;if(shuiwei1==0&&(shuiwei2==0)&&(shuiwei3==0))wei=3;if(shuiwei1==0&&(shuiwei2==0)&&(shuiwei3==0)&&(shuiwei4==0))wei=4;if(shuiwei1==1&&(shuiwei2==1)&&(shuiwei3==1)&&(shuiwei4==1))wei=0;}4.4液晶顯示軟件設(shè)計圖4-41LCD1602顯示流程圖1602LCD的指令說明及時序1602液晶模塊內(nèi)部的控制器共有11條控制指令。程序流程圖如圖4-41。4.5溫度傳感器軟件設(shè)計圖4-5溫度獲取流程圖溫度傳感器采用DS18B20芯片，測溫軟件流程圖如圖4-5。部分DS18B20溫度傳感器程序：voidtempchange() //啟動溫度轉(zhuǎn)換{ ds18b20init();//初始化 delayms(1); //延時 tempwritebyte(0xcc); //跳過RAM tempwritebyte(0x44); //啟動溫度轉(zhuǎn)換}uintget_temp() //獲取溫度{ uchara,b; ds18b20init(); delayms(1); tempwritebyte(0xcc); tempwritebyte(0xbe); //讀暫存器 a=tempread(); b=tempread(); temp=b; temp<<=8; temp=temp|a;//溫度處理 f_temp=temp*0.0625; //前五位為0時，讀取的溫度為正值，只需將測得的數(shù)值乘以0.0625即可得到溫度實際值 //前五位為1時，讀取的溫度為負(fù)值，且測到的數(shù)值取反加1再乘以0.0625才得到實際溫度 temp=f_temp*100+0.5 f_temp=f_temp*10+0.05; returntemp;//返回溫度}4.6時鐘模塊軟件設(shè)計圖4-6時鐘模塊流程圖時鐘模塊DS1302流程圖如圖4-6。DS1302的操作時序。DS1302與單片機進行數(shù)據(jù)交換時，首先是單片機通過5腳（RST），6腳（I/O）,7腳（SCLK）實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，其中7腳（SCLK）是串行數(shù)據(jù)的同步時鐘信號，6腳（I/O）進行串行發(fā)送數(shù)據(jù)，5腳（RST）是通訊允許信號，當(dāng)其值為1是表示禁止通信，當(dāng)其值為0是表示允許通信。4.7按鍵掃描軟件設(shè)計圖4-7按鍵流程圖按鍵掃描函數(shù)在while循環(huán)中不斷執(zhí)行并讀取按鍵狀態(tài)，當(dāng)功能鍵“key1”按第一下，系統(tǒng)變量num=1，此時進入時鐘中“年的修改”，繼續(xù)檢測按鍵狀態(tài)，若此時有“key2”按下，則把年的大小加1并寫入DS1302中，若此時有“key3”按下，則把年的大小減1并寫入DS1302中；當(dāng)功能鍵“key1”按第二下，系統(tǒng)變量num=2，此時進入時鐘中“月的修改”，繼續(xù)檢測按鍵狀態(tài)，若此時有“key2”按下，則把月的大小加1并寫入DS1302中，若此時有“key3”按下，則把月的大小減1并寫入DS1302中；依次類推，當(dāng)功能鍵“key1”按第八下，系統(tǒng)變量num=8，此時進入時鐘中“wendu的修改”，繼續(xù)檢測按鍵狀態(tài)，若此時有“key2”按下，則把wendu的大小加1，若此時有“key3”按下，則把wendu的大小減1；當(dāng)功能鍵“key1”按第九下，系統(tǒng)變量num=9，此時進入時鐘寫保護，結(jié)束對時鐘的修改。當(dāng)功能鍵“key1”按第十下，系統(tǒng)變量num=1，重新開始對時鐘的修改。流程圖如下圖4-7所示。5測試和分析5.1測試仿真效果如圖5-1圖5-1仿真運行圖具體仿真測試情況如下：（1）水位的測試以及報警功能的測試：從圖中l(wèi)cd可以看到，水位目前是在三上，我們可以按圖中四個水位中的最下面的開關(guān)，水位就會變成四并有蜂鳴器發(fā)出警報聲。（2）時間的修改測試：我們可以從圖5-1中有功能切換鍵，按一下功能切換鍵再通過加減來改變年月日時分秒。（3）溫度的設(shè)置和修改測試：可以從圖5-1看到lcd顯示頻溫度上限是31，我們同樣是用功能切換鍵控制的。當(dāng)功能切換鍵按到第八下的時候就可以通過加減改變溫度上限。（4）自動手動加熱的測試：從圖中我們可以看到自動手動切換鍵，當(dāng)按第一下的時候是自動加熱，這是lcd顯示屏的時間必須要設(shè)定在晚上一點到五點，這時，加熱的led燈就會亮，當(dāng)lcd顯示頻中的溫度達到溫度上限是，加熱led燈就會自動滅掉。當(dāng)按第二下自動手動切換鍵后，就切換到手動加熱，加熱led燈亮起并且當(dāng)加熱溫度超過溫度上限led燈依然還是在亮，仍然繼續(xù)加熱，是人為手動控制的。5.2性能分析測試結(jié)果與相關(guān)問題如下：水位檢測，閉合開關(guān)代表水位加1，顯示屏顯示水位相應(yīng)加1，反應(yīng)速度較快，實時檢測性能較好。時鐘模塊，時間增加平穩(wěn)，具有掉電保持功能。本設(shè)計時間誤差很小。實時溫度檢測性能良好，0.1的高精度測溫，并且靈敏度較高。按鍵調(diào)整測試時按鍵后系統(tǒng)反應(yīng)較慢。雖然操作時反應(yīng)慢，但可以保證調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性?？偨Y(jié)本設(shè)計太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)除了常用功能實現(xiàn)外，還完成了對夜間自動加熱的控制，并設(shè)置了手動加熱，完善了太陽能熱水器的功能。通過本文，我所想達到的功能要求就是：1、水位檢測和顯示。水位傳感器使用光電傳感器，實物和仿真中可以使用撥碼開關(guān)代替，并設(shè)置水位上限，當(dāng)實際水位超過水位上限時，報警并停止加水。2、溫度檢測和顯示。溫度檢測使用DS18B20實時檢測溫度，通過LCD1602顯示，設(shè)置溫度上限。自動加熱時，如果溫度達到上限，則停止加熱。3、時間顯示及調(diào)整。使用DS1302做時鐘芯片，該芯片參考資料豐富，開發(fā)簡單，并且功能強大，能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計要求。專門設(shè)置三個按鍵，一個用來選擇日期/時間，另外兩個用來調(diào)整時間。4、根據(jù)水位高低自動調(diào)