基于单片机的太阳能热水器控制系统的设计与实现

济南大学毕业设计摘 要随着全球人口和经济规模的不断增长，能源使用带来的环境问题及其诱因逐渐为人们所认识,“低碳经济”这一概念开始进入人们的视野。太阳能具有储量的“无限性"、存在的普遍性，并且几乎不产生任何污染。鉴于此，人们在大力的发展太阳能产业。太阳能热水器顺应时代发展的要求,满足人们对环保绿色产品的需求。在人类文明程度日益提高的今天，它是现代文明社会的最佳选择。本文提出了一种新型的太阳能热水器控制系统设计方案。本设计采用MSC51系列单片机AT89S52作为中央处理器，采用DS1302实时时钟，12864点阵式液晶显示屏等模块，完成时间温度水位的显示，以及时间和温度的设定等功能。关键词：太阳能热水器；单片机；实时时钟;液晶显示屏ABSTRACTAs the global population and economic growth， energy use of environmental problems and causes gradually recognized， ”lowcarbon economy," the concept became part of the people of vision。 Solar energy has reserves of the limitless ", the universality of existing， and almost does not produce any pollution. In view of this， people in the development of solar energy industry. Solar water heaters， in conformity with the requirements of the times, are meeting the demand for green products。 In human civilization increasingly today， it is a modern civilized society. A new solar water heater control system design. This design incorporates MSC51 MCU AT89S52 as central processors， a realtime clock using DS1302, 12864， dotmatrix LCD module， completion time display of the temperature level, as well as the time and temperature setting. Key words：Solar water heater; chip； clock; LCD screen目 录摘 要IABSTRACTII1 前言11.1 太阳能热水器的组成与工作原理11。2 太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析21.3 太阳能热水器的应用及意义22 太阳能热水器控制系统的硬件设计42。1 主控芯片模块42.1。1 主控芯片模块电路42.1。2 主控芯片简介52。2 实时时钟模块72。2。1 实时时钟模块电路72.2。2 实时时钟简介82。3 温度传感器模块102.3。1 温度传感器模块电路102.3。2 温度传感器简介102.4 液晶显示模块122。4.1 液晶显示模块电路122。4.2 液晶显示屏简介132.5 键盘输入模块153 太阳能热水器控制系统软件设计173.1 KEIL uVISION 3软件环境173。2 太阳能热水器控制系统软件设计流程图173.3 太阳能热水器控制系统软件功能的实施183.3.1 初始化程序183.3。2 按键检测及处理程序193。3。3 读取温度的程序214 太阳能热水器控制系统整体调试234.1 Proteus仿真环境234。2 太阳能热水器控制系统调试过程24结 论27参 考 文 献28致 谢29附 录30- 15 -1 前言在我设计太阳能热水器的控制系统之前，首先了解一下太阳能热水器的组成与工作原理,了解一下太阳能热水器的基本构架和工作过程，以及太阳能热水器发展概况和深远利用价值。1.1 太阳能热水器的组成与工作原理图1.1 热水器装置简图1-集热器 2-下降水管3-循环水管4-补给水箱5-上升水管6自来水管7热水出水管热水器主要由集热器、循环管道和水箱等组成，图中为典型的热水器装置图。图中集热器1按最佳倾角放置，下降水管2的一端与循环水箱3的下部相连，另一端与集热器1的下集管接通。上升水管5与循环水箱3上部相连，另一端与集热器1的上集管相接。补给水箱4供给循环水箱3所需的冷水。集热器吸收太阳辐射后,集热器内温度上升,水温也随之升高。水温升高后，水的比重减轻,便经上升水管进入循环水箱上部。而循环水箱下部的冷水比重较大,就由水箱下流到集热器下方,在集热器内受热后又上升。这样不断对流循环，水温逐渐提高，直到集热器吸收的热量与散失的热量相平衡时，水温不再升高。这种热水利用循环加热的原理,因此又称循环热水器.集热器是一种利用温室效应，将太阳能辐射转换为热能的装置，该装置与一般热水交换器不一样，热交换器通常只是液体到液体,或是液体到气体的热交换过程，而平板行集热器时直接将太阳辐射传给液体或气体，是一个复杂的传热过程。平板型集热器结构形式很多,世界上已实用的集热器就有直管式、瓦楞式、扁管式、铝翼式等二十多种。1。2 太阳能热水器的发展概况及市场竞争分析我国自78年引进全玻璃真空集热管的样管以来,经过20多年的努力，攻克了热压封等许多技术难关，已经建立了拥有自主知识产权的现代化全玻璃真空集热管产业，用于生产集热管的磁控溅射镀膜机已有745台，产品质量达到世界先进水平,产量雄居世界首位。 1978年中国诞生第一台太阳能热水器，到1986年卧式磁控溅射镀膜机的设计制造,是在政策扶持下的研究开发阶段。1987年，我国制造了第一支全玻璃真空集热管。在之后的几年里,全玻璃和热管式真空管集热器实现了产业化，产业规模达到中试水平，为下一阶段产业的规模化奠定了良好的基础，成为产业的孕育发展阶段。1993年太阳能产业进入初级发展阶段：由于成果转化需要很长一段时间的磨合,特别是受技术人员缺乏的影响，此阶段的产品质量有待于进一步提高,整体来讲，发展速度较为缓慢。这时候以山东力诺集团为主的真空管生产企业的产品占了真空管生产绝大部分市场。1997-2001年太阳能产业得到高速发展，逐渐形成北京、鲁东、泰安、扬州、海宁等5个产业基地，并以此向周围不断辐射，产能得以迅速提升。目前,我国是世界上太阳能热水器生产量和销售量最大的国家.太阳能热水器是太阳能利用中最常见的一种装置，经济效益明显，正在迅速的推广应用，太阳能热水器能够将太阳辐射能转换热能，供生产和生活使用。当今社会发展日新月异，人们衣食住行也在不断的提高。现有电热型热水器费用昂贵及燃气型热水器的不安全性，且排放二氧化碳污染大气，北方用煤气取暖造成城市空气环境污染，这些都是太阳能热水器良好的外部生存环境。太阳能热水器 克服了上述缺点，他是绿色环保产品。它使用简单、方便.太阳能热水器顺应时代发展的要求，满足人们对环保绿色产品的需求.1。3 太阳能热水器的应用及意义资源是社会经济发展的物质基础,经济愈发展,对资源的依赖性愈强。许多资源（如煤、石油、天然气等）是不可再生的，而且在利用过程中给人类生存环境带来极大污染，人类繁衍生息的物质和环境基础受到严峻挑战。加强清洁、可再生资源的开发利用,已引起全世界的普遍重视.太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的可再生资源，有节能、环保、安全和永续利用等优点，理应成为开发利用的首选。其中太阳能热水器作为家庭生活用品，其开发利用在我国已走过了二十多年的历程,生产技术成熟，具有明显优点：（一)从节能环保的角度讲，使用太阳能热水器不会对环境造成污染，同时为国家节约了大量能源，社会效益明显,是国家重点推广项目，使用前景广阔。（二）太阳能热水器的使用寿命较长，使用太阳能热水器经济实惠。若使用合理，其寿命可达15年甚至更长。据测算，使用平方米太阳能热水器，相当于每年节约310度电。太阳能热水器的费用只有燃气热水器的七分之一,电热水器的六分之一。购置太阳能热水器一次性投资3000元左右,使用5至6年就可实现与其热水器的支出对比平衡.按照装置寿命15年计算，其经济效益是十分明显的。（三）太阳能热水器集热效果好，集热时间更长.只要阳光能照射到的地方，就可以使用太阳能热水器，即使在高寒地区一年四季也可以正常使用。在我国浙江、江苏、山东等地，太阳能热水器的研发和生产已形成规模，应用太阳能热水器的场所也由家居使用扩展到医院、学校、宾馆、饭店、游泳池、洗浴场所等。2 太阳能热水器控制系统的硬件设计 2.1 主控芯片模块 2.1。1 主控芯片模块电路单片机系统由AT89C52和一定功能的外围电路组成，包括为单片机提供复位电压的复位电路，提供系统频率的晶振。这部分电路主要负责程序的存储和运行。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、谐振器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性.晶体可在1。2MHz12MHz之间任选,电容C1和C2的典型值在20pF100pF之间选择,但在60pF70pF时振荡器具有较高的频率稳定性。典型值通常选择为30pF左右，但本电路采用30pF.AT89C52的复位是由外部的复位电路来实现的.复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。本设计中所用到的是上电按钮复位，如图2。1所示。图2.1 单片机系统2。1。2 主控芯片简介AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口,片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止1。8位微控制器8K字节在系统可编程Flash AT89S52。图2。2为AT89S52的引脚图图2。2 AT89S52的引脚图AT89S52引脚功能说明如下：VCC：电源电压GND：地2P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口,也即地址/数据总线复用口.作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入.当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0内部上拉电阻被激活。在flash编程时,P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1 口：P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1输出缓冲器能驱动(吸收或输出电流）4个T