課程設計---太陽能熱水器溫度控制系統(tǒng)的設計

1、<p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　題 目: 太陽能熱水器溫度控制系統(tǒng)的設計</p><p><b>　　初始條件： </b></p><p>　　設計一個太陽能熱水器溫度控制系統(tǒng)，實現水溫的自動檢測及低于某一溫度時自動啟動輔助加熱裝置。同時用戶可以自定義加熱溫度。</p>

2、;<p>　　要求完成的主要任務: （包括課程設計工作量及其技術要求，以及說明書撰寫等具體要求）</p><p>　　構建計算機控制系統(tǒng)的硬件、軟件框架，并詳細說明理由及思路；</p><p>　　顯示水溫，電加熱水溫可任意設定；</p><p>　　設置溫度參數后，自動啟動電輔助設備加熱；</p><p>　　4.說明書撰寫格

3、式應符合《課程設計說明書統(tǒng)一書寫格式》。</p><p><b>　　時間安排：</b></p><p>　　1.系統(tǒng)框架、控制方案設計，2天；</p><p>　　2.硬件系統(tǒng)設計，3天；</p><p>　　3.軟件系統(tǒng)設計，3天；</p><p>　　4.編寫設計報告，3天。</p&g

4、t;<p>　　指導教師簽名： 年 月 日</p><p>　　系主任（或責任教師）簽名： 年 月 日</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　在太陽能熱利用技術中，太陽能熱水器是技術上比較成熟、造價比較低廉的產品，同

5、時給人們提供不耗能源、保護環(huán)境、絕對安全的熱水而受到人們的歡迎。</p><p>　　目前,太陽能熱水器控制器還一直處于研究與開發(fā)階段,市面在售的控制器絕大部分只具備溫度和水位顯示功能,不具備溫度水位的自動控制功能。雖然有的控制器配有電加熱輔助裝置,但都不是全智能型的,給用戶使用帶來許多不便。單片機控制系統(tǒng)是對其水溫與水位的不同進行檢測和控制。</p><p>　　本文設計了一個基于集成溫

6、度傳感器AD590的溫度測試儀設計（LCD），它的主要功能是利用集成溫度傳感器AD590作為傳感元件，集成放大器作為放大電路，A/D轉換器作為數據采集器件，單片機作為數據處理器件，數碼管作為顯示器件。設計最終目的為了要實現一個能對重量信息進行實時數據采集、處理及顯示，并可用鍵盤設定閾值。</p><p>　　關鍵詞：單片機 太陽能熱水器 溫控系統(tǒng)</p><p><b>　　目錄

7、</b></p><p><b>　　摘要II</b></p><p><b>　　引言1</b></p><p>　　1 設計目的與要求2</p><p>　　1.1 設計目的2</p><p>　　1.2 設計要求2</p><p

8、><b>　　2 設計思路3</b></p><p><b>　　3 硬件設計4</b></p><p>　　3.1 傳感器的選擇4</p><p>　　3.2 放大電路4</p><p>　　3.3 數據采集電路5</p><p>　　3.4 顯示電路6&

9、lt;/p><p>　　3.5 按鍵部分8</p><p>　　3.6 加熱部分9</p><p><b>　　4 軟件設計10</b></p><p>　　4.1 總程序流程設計10</p><p>　　4.2 監(jiān)控子程序的設計11</p><p>　　4.3 顯示

10、子程序的設計11</p><p>　　4.4 鍵盤掃描子程序的設計12</p><p><b>　　總結體會13</b></p><p><b>　　參考文獻14</b></p><p>　　附錄1：總電路圖15</p><p>　　附錄2：本科生課程設計成績評定表

11、16</p><p><b>　　引言</b></p><p>　　在世界范圍內，太陽能熱水器技術已很成熟，并已形成行業(yè)，正在以優(yōu)良的性能不斷地沖擊電熱水器市場和燃氣熱水器市場。2000年太陽能熱水器取代47000套家用電熱水器；2000年日本太陽能熱水器的擁有量將翻一番；以色列更是明文規(guī)定，所有新建房屋必須配備太陽能熱水器。目前，我國是世界上太陽能熱水器生產量和銷

12、售量最大的國家。</p><p>　　然而，目前市場上太陽能熱水器的控制系統(tǒng)大多存在功能單一、操作復雜、控制不方便等問題，很多控制器具有溫度和水位顯示功能，卻不具有溫度控制功能，致使熱水器陰天的時候不能方便使用。即使熱水器具有輔助加熱功能，也可能由于加熱時間不能控制而產生過燒，從而浪費電能。</p><p>　　目前市場上存在三種樣式的熱水器：電熱水器、燃氣熱水器和太陽能熱水器。近年來，在

13、一氧化碳中毒事故中，由燃氣熱水器造成的約占1/3；電熱水器的大規(guī)模用電，并不能給人們的正常生活帶來便利，作為后來者的太陽能熱水器，因其安全性好、節(jié)能、綠色環(huán)保等優(yōu)點，近幾年呈現出爆發(fā)式的發(fā)展趨勢。</p><p>　　選擇太陽能熱水器這個課題，可以讓我更好的認知可持續(xù)發(fā)展問題，看清目前的能源現狀，以及各國在節(jié)約能源上的措施，在太陽能革新上運用的新技術。</p><p>　　太陽能熱水器溫度

14、控制系統(tǒng)的設計</p><p><b>　　1 設計目的與要求</b></p><p><b>　　1.1 設計目的</b></p><p>　　通過本次課程設計使學生初步了解計算機控制技術在生產生活中的應用領域，了解如何將計算機技術和自動控制理論應用于工業(yè)生產過程，并設計出所需要的計算機控制系統(tǒng)。這是對學生學習《計算機控

15、制技術》基本功的綜合訓練。本課程設計以太陽能熱水器溫度控制系統(tǒng)的設計為例，運用課程所學內容，進行一次計算機控制系統(tǒng)的設計演習，使學生具備一定的開發(fā)計算機控制系統(tǒng)的能力。</p><p>　　設計過程中會涉及到一些檢測，數據轉換，數據處理顯示等模塊，如何選擇元器件以及熟練掌握這些器件的使用也是課程設計的一個目的。</p><p>　　1.2 設計要求 </p><p&g

16、t;　　本課題設計的基于單片機的太陽能熱水器在軟件程序的控制下完成溫度實時顯示功能，并能完成溫度設定等功能，具體實現的功能目標為：</p><p>　　顯示水溫，電加熱水溫可任意設定；</p><p>　　設置溫度參數后，自動控制電輔助設備加熱。</p><p><b>　　2 設計思路</b></p><p>　　為保

17、證一天24小時都能提供熱水，系統(tǒng)設計思路如下：當日照條件比較好的時候由太陽能對水進行加熱，水自動升溫，當用戶用水時發(fā)現水溫過高時可以利用冷熱水出水閥來調節(jié)從而降低水溫到適宜溫度；若日照條件比較差（比如夜晚或者陰雨天）時，CPU 根據數據采集系統(tǒng)采集的數據,當發(fā)現水溫低于30 ℃時,自動啟動電加熱并通過自動控制使水溫恒定。如果當用戶用水時覺得30 ℃不理想，想要更高的水溫，這時可以啟動手動加熱，設定需要的溫度,系統(tǒng)啟動電加熱裝置加熱到設定

18、溫度并保持恒定。設定溫度的范圍控制為在30 ℃至65 ℃。</p><p>　　其中水溫采集模塊用到AD590集成溫度傳感器；</p><p>　　電加熱模塊用電阻絲加熱，通過繼電器控制器開通與關斷；</p><p>　　水溫由兩個LED數碼管顯示，水溫有效值最多可顯示為99℃。</p><p><b>　　3 硬件設計</b

19、></p><p>　　3.1 傳感器的選擇</p><p>　　本此次課設選用的傳感器型號是AD590溫度傳感器。AD590是單片集成兩端感溫電流源。它的主要特性有： </p><p>　　1、AD590的輸出電流I=(273+T)μA(T為攝氏溫度)，因此量測的電壓V為(273+T)μA ×10K= (2.73+T/100)V，即流過器件的電流（

20、uA）等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度（開爾文）度數。式中： I—流過器件（AD590）的電流，單位為uA； T—熱力學溫度，單位為K； </p><p>　　2、AD590的測溫范圍為-55℃～+150℃； </p><p>　　3、AD590的電源電壓范圍為4V～30V。電源電壓可在4V~6V范圍變化，電流變化1uA，相當于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因

21、而器件反接也不會被損壞。 </p><p><b>　　3.2 放大電路</b></p><p>　　本設計利用集成溫度傳感器AD590，因為其輸出電流是以絕對溫度零度（-273℃）為基準，每增加1℃，它會增加1μA輸出電流，因此在室溫25℃時，其輸出電流Iout=（273+25）=298μA。由于一般電源供應教多器件之后，電源是帶雜波的，因此我們使用齊納二極管作為穩(wěn)

22、壓元件，再利用可變電阻分壓，其輸出電壓V1需調整至2.73V，接下來我們使用差動放大器其輸出Vo為（100K/10K）×（V2-V1）=T/10，如果現在為攝氏28℃，輸出電壓為2.8V，輸出電壓接AD轉換器，那么AD轉換輸出的數字量就和攝氏溫度成線形比例關系。</p><p>　　溫度傳感器放大電路圖如圖3.1。</p><p>　　圖3.1 溫度傳感器的放大電路</p&

23、gt;<p>　　3.3 數據采集電路</p><p>　　ADC0809是帶有8位A/D轉換器、8路多路開關以及微處理機兼容的控制邏輯的CMOS組件。它是逐次逼近式A/D轉換器，可以和單片機直接接口。 </p><p>　　ADC0809由一個8路模擬開關、一個地址鎖存與譯碼器、一個A/D轉換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共

24、用A/D轉換器進行轉換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉換完的數字量，當OE端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉換完的數據。</p><p>　　在此實驗中我們用0到5V變化的滑動變阻器代替溫度傳感器的0到5V電壓。</p><p>　　實驗電路圖如圖3.2所示。</p><p>　　模擬的電信號由ADC0809的IN0口進入，進行模數轉換得到的A/D轉換結果D為

25、：</p><p>　　D=Vo×255/5 (3-1)</p><p>　　圖3.2 模數轉換電路</p><p><b>　　3.4 顯示電路</b></p><p>　　顯示部分為兩個八段數碼管，分時顯示當前溫度和用戶設定的溫度值。當用戶未設定溫度值時，數碼管不閃爍

26、，始終顯示當前溫度，當用戶設定了溫度值時，數碼管閃爍并分時顯示當前溫度值和設定的值。</p><p>　　LED數碼管由發(fā)光二極管作為顯示字段的數碼型顯示器件。右圖為LED數碼管外形和引腳圖，其中7只發(fā)光二極管分別對應a-g筆段，構成“日”字形，另一只發(fā)光二極管DP作為小數點，因此這種LED顯示器稱為八段數碼管。（如圖3.3所示）</p><p>　　表3.1所示為共陰極LED所顯示的不同

27、字符的字段碼，測量范圍為0~99 0C，當溫度超出范圍時，顯示器均顯示F。</p><p>　　表3.1 共陰極LED字符段碼</p><p>　　當單片機應用系統(tǒng)中的LED顯示器位數較多時，為了簡化電路降低成本，本設計采用動態(tài)顯示的方式。其接線圖如圖3.4。</p><p>　　動態(tài)掃描顯示控制方式就是逐個地循環(huán)點亮各位顯示器，即在某一瞬間，只讓某一位的位選線處于

28、選通狀態(tài)（共陽極的為高電平，共陰極的為低電平）其它各位的位選線處于段開狀態(tài)，同時段選線上輸出相應位要顯示字符的字段碼。這樣在每一個瞬間，8位LED中只有選通的那一位LED顯示出字符，而其它7位則是熄滅的。同樣，在下一瞬間，只顯示下1位LED。如此繼續(xù)下去，等8位LED都顯示完畢后，在循環(huán)進行。雖然這些字符是在不同的瞬時輪流點亮的，但由于人眼的視覺殘留效應，看到的是8位穩(wěn)定顯示的字符，與靜態(tài)顯示的效果完全一樣。所以為了簡化電路、降低成本，

29、此系統(tǒng)中采用動態(tài)顯示方式。</p><p>　　圖3.4 數碼管顯示電路</p><p><b>　　3.5 按鍵部分</b></p><p>　　采用矩陣鍵盤方式輸入設計鍵盤控制電路部分，分別定義按鍵名稱為數字0到9，以及“設置”、“取消”、“確定”，其鍵盤結構圖3.5所示：</p><p><b>　　圖3

30、.5 矩陣鍵盤</b></p><p><b>　　3.6 加熱部分</b></p><p>　　加熱部分采用三極管控制繼電器，通過繼電器控制電熱絲加熱。此加熱方式可以通過軟件設計控制電熱絲的加熱時間。繼電器的選擇要考慮到電熱絲的功率。其電路原理如圖3.6所示：</p><p>　　圖3.6 加熱電路圖</p><

31、;p><b>　　4 軟件設計</b></p><p>　　4.1 總程序流程設計</p><p><b>　　圖4.1 總流程圖</b></p><p>　　4.2 監(jiān)控子程序的設計</p><p>　　數據采樣子程序是將調理過的傳感器采樣數據通過IN0通道把模擬量通過A/D轉換成數字量然后

32、暫存起來。</p><p>　　采樣的流程框圖如圖4.2：</p><p>　　圖4.2 數據采樣的流程圖</p><p>　　4.3 顯示子程序的設計</p><p>　　顯示部分主要是顯示當前溫度值和用戶設定的溫度值。顯示程序嵌入在主程序中，當基本數值顯示過程如圖4.3：</p><p>　　圖4.3 顯示子程序流

33、程</p><p>　　4.4 鍵盤掃描子程序的設計</p><p>　　鍵盤掃描子程序是用與閾值的輸入和設定。開始設定閾值，按兩次數字鍵，輸入閾值，如果輸入三次則重新輸入，輸入結束后按D鍵確定。</p><p>　　圖4.4 鍵盤掃描的流程圖</p><p><b>　　總結體會</b></p><

34、p>　　本次課程設計是對所學知識的一次綜合性運用。其中包括對模擬電子技術基礎、數字電子技術基礎、單片機等知識的運用。在設計的過程中我發(fā)現了自身知識的不足，也發(fā)現我們必須具備專業(yè)基礎知識，才能成功的設計出一件合格的東西。這次課程設計收獲很多，體會也很深刻，并且對我們所學的東西也產生了濃厚的興趣。設計過程中，學到了很多新的東西，PROTEL軟件繪制電路原理圖，以及一些仿真軟件的應用。當然最重要的是學到了關于基本電子設計的一些基本方法，

35、同時也加深了對一些常用的電子元件的理解及其基本用法的掌握。除此之外，我覺得在這次設計的過程中，我發(fā)現團隊精神的重要性，很多時候一個人的力量是有限的，一個人不可能什么都會，什么都能自己解決，還是有需要他人幫助的時候，我覺得人與人之間的相互幫助很有必要，這樣不僅能幫助大家很快的解決問題，不僅能提高我們每個人的實際水平，還能培養(yǎng)我們的團隊合作精神，這些能力對于我們今后的學習和工作都很有幫助。</p><p>　　由于時

36、間關系，本次設計中還有不盡完善之處。希望在以后的學習生涯中不斷的完善和改進。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 李念強主編. 單片機原理及應用[M]. 北京：機械工業(yè)出版社, 2007</p><p>　　[2] 孫育才主編. MCS-51系列單片微型計算機及其應用. 東南大學出版社, 1997</

37、p><p>　　[3] 張濤,王金崗主編. 單片機原理與接口技術[M]. 冶金工業(yè)出版社, 2007</p><p>　　[4] 閻石主編. 數字電子技術基礎[M]. 高等教育出版社. 1997</p><p>　　[5] 王長胤，文軍主編. 單片單板機原理及應用[M]. 武漢大學出版社, 1993</p><p>　　[6] 王俊杰主編. 基于