單片機(jī)畢業(yè)設(shè)計開題報告

1、<p>　　本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告</p><p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 基于MSP430的太陽能 </p><p>　　熱水器控制系統(tǒng)的設(shè)計 </p><p>　　院 系： </p><p>　　專業(yè)班級：

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　開題時間： 2014年 3 月 20 日</p><p>　　1. 課題的目的和意義</p><p>　　隨著經(jīng)濟(jì)

3、的發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快和人民生活水平的提高,我國各地的城</p><p>　　市建筑面積急劇增加,建筑面積的增加也導(dǎo)致供熱與制冷所需能源的快速增長,目前我國的建筑能耗己占整體能耗的20%。未來,我國的建筑能耗占整體能耗的比例將超過30%,因此建筑節(jié)能將是整個社會的節(jié)能重點(diǎn)。</p><p>　　為了解決這些問題,從20世紀(jì)70年代開始,科學(xué)家就開始研究可再生能源的利用,太陽能以其可再生、

4、安全等優(yōu)點(diǎn),成為可再生能源開發(fā)中的重要組成部分。如果說20世紀(jì)是石油世紀(jì)的話,那么,21世紀(jì)則是太陽能的世紀(jì)。</p><p>　　太陽能熱水器是目前在太陽能利用領(lǐng)域中技術(shù)發(fā)展最成熟、經(jīng)濟(jì)上也具有競爭力的綠色能源技術(shù)。這不僅由于太陽能熱水器構(gòu)造比較簡單,價格相對來說不太高,同時還因?yàn)樘柲軣崴饕荒晁募揪砂l(fā)揮效益,設(shè)備利用率較高。目前我國太陽能光熱產(chǎn)業(yè)每年以30%的速度遞增,不僅可供給家庭生活、企業(yè)生產(chǎn)所需的熱

5、水,同時也可供應(yīng)房屋采暖，化工工藝干燥、蒸餾及熱動力系統(tǒng)使用,為國家能源環(huán)保事業(yè)和改善人民群眾生活做出了巨大的貢獻(xiàn)。推廣利用太陽能技術(shù),改善城市健康衛(wèi)生和能源環(huán)境狀況,服務(wù)社會主義現(xiàn)代化建設(shè),己經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。鑒于國內(nèi)太陽能熱水器市場不斷擴(kuò)大,太陽能采暖的低廉、潔凈、安全、環(huán)保效益好的背景,設(shè)計了這套太陽能熱水器采暖控制系統(tǒng)。</p><p>　　2. 國內(nèi)、外現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢</p><p&g

6、t;　　2.1國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　圖1 太陽能熱水器</p><p>　　太陽能熱水器(系統(tǒng))是太陽的光熱利用裝置,它是目前在太陽能利用領(lǐng)域中技術(shù)發(fā)展較成熟、經(jīng)濟(jì)上也具有競爭力的綠色能源技術(shù)。當(dāng)前在全世界范圍內(nèi),各種太陽能熱水器裝置的生產(chǎn)已經(jīng)成為一個新興的產(chǎn)業(yè),并在生活生產(chǎn)領(lǐng)域得到了普遍的推廣應(yīng)用。其發(fā)展過程從總體上來講大約可分為三個階段,創(chuàng)造了三種產(chǎn)品。</p&g

7、t;<p>　　第一種太陽能熱水器產(chǎn)品是美國馬里蘭州的肯普于1891年發(fā)明的,當(dāng)時他稱其為“頂峰”熱水器,也就是現(xiàn)在我們稱為悶曬式的太陽能熱水器。在之后的半個多世紀(jì)里,人們創(chuàng)造了各式各樣的悶曬式太陽能熱水器,如開放式、塑料薄膜袋式、圓筒式、滴水式等。20世紀(jì)70年代末期,隨著世界性能源危機(jī)日趨嚴(yán)重,迫使人們對太陽能的利用更加重視起來,許多國家投人了不少物力和人力,用于大力研究和開發(fā)太陽能熱利用技術(shù),尤其是太陽能熱水器。&l

8、t;/p><p>　　第二種太陽能熱水器—平板型集熱器。其后隨著集熱器設(shè)計不斷向前發(fā)展,結(jié)構(gòu)上從最早的翼管式,到扁盒式;材料上從最早的鍍鋅管板式、全銅管板、全鋁翼管板到銅鋁復(fù)合式等;表面吸收涂層從最早的無光黑漆,發(fā)展到了各種選擇性吸收涂層,如陽極氧化、鍍黑鎳、鍍黑鉻等;透明蓋板從普通平板玻璃發(fā)展到鋼化玻璃。</p><p>　　第三種是全玻璃真空管太陽集熱器,是由美國歐文斯·伊得諾依

9、公司發(fā)明并于1975年率先推向市場的。我國清華大學(xué)于1979年初,開始研制全玻璃真空管太陽集熱器。目前,我國的全玻璃真空管和熱管式真空管太陽集熱器主要技術(shù)己處于國際領(lǐng)先水平。</p><p>　　從全球的產(chǎn)品類型看,太陽能熱水器包括無蓋板太陽能熱水器、平板型太陽能熱水器、真空管太陽能熱水器。這3種產(chǎn)品在總保有量中的比例分別是23%、35%和42%.各種產(chǎn)品的地域性分布非常明顯。真空管太陽能熱水器主要分布在我國(占

10、全球總量的97%),主要用于提供生活洗浴用熱水;無蓋板太陽能熱水器主要分布在美國和澳大利亞(占全球總量的90%)，主要用于游泳池的加熱;平板型太陽能熱水器的分布較廣,廣泛地分布在歐洲、亞洲、美洲和大洋洲。</p><p>　　2.2國內(nèi)外發(fā)展趨勢</p><p>　　圖2 平板型太陽能集熱器</p><p>　　目前國外太陽能集熱器的主要發(fā)展趨勢是平板型太陽能集熱

11、器，國內(nèi)集熱器雖然仍以真空管集熱器為主,但隨著太陽能在建筑工程中的不斷應(yīng)用和平板集熱器技術(shù)的進(jìn)步以及節(jié)能減排指標(biāo)的要求,真空管的弊端逐漸顯露出來,而平板太陽能憑借其成熟的技術(shù)、較高效率、承壓性強(qiáng)、便于實(shí)施太陽能建筑一體化等優(yōu)點(diǎn),在太陽能工程應(yīng)用比例上逐漸增加。2011年平板式太陽能熱水器在城市工程市場呈增長趨勢,全國同比增長50%以上。</p><p><b>　　3.課題的主要工作</b>

12、</p><p>　　本課題主要研究的是基于MSP430F449單片機(jī)的太陽能熱水器采暖控制系統(tǒng)，包括硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。通過編制C語言程序?qū)崿F(xiàn)太陽能熱水器采暖控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能包括溫差跟蹤循環(huán)控制、光熱電熱智能互補(bǔ)、管道防凍、采暖控制、定時加熱。利用觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置、手動控制和顯示功能。通過系統(tǒng)的調(diào)試仿真實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)動態(tài)過程的模擬，提高系統(tǒng)的可靠性。</p>&l

13、t;p>　　3.1控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計</p><p>　　圖1 太陽能熱水器采暖控制系統(tǒng)硬件</p><p>　　溫度、水位采集模塊是將溫度、水位信號采集放大，送到控制器MSP430F449單片機(jī)中，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和處理，之后送采暖、洗浴控制模塊，通過繼電器來控制集熱器循環(huán)泵B1、采暖泵B2、加熱器以及伴熱帶的啟停，同時也將采集處理后</p><p>　　的溫度

14、水位信息和執(zhí)行器的狀態(tài)信息送給中文液晶顯示模塊顯示。另一方面，觸摸屏采集到觸摸信息，可以改變參數(shù)設(shè)置，還可以通過執(zhí)行器來進(jìn)行手動操作。</p><p>　　3.2控制系統(tǒng)硬件介紹</p><p>　　3.2.1MSP430單片機(jī)</p><p>　　本設(shè)計要求系統(tǒng)達(dá)到體積小、功耗低等優(yōu)點(diǎn),所以系統(tǒng)采用MSP430F449單片機(jī)作為系統(tǒng)CPU。MSP430F449單片

15、機(jī)是美國德州儀器公司(TI)推出的一種16位超低</p><p>　　功耗FLASH型精簡指令集(RISC)單片機(jī),適合各種功率要求相對較低的場合。</p><p><b>　　(1)超低功耗</b></p><p>　　MSP430F449單片機(jī)的電源電壓采用1.8～3.6V低電壓,RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0.luA,活動模式耗電250uA

16、/MIPS(MIPS:每秒百萬條指令),I/O輸入端口的漏電流最大值僅50nA。用戶可以根據(jù)CPU和外圍模塊對時鐘的需求,通過軟件控制MSP430F449時鐘系統(tǒng),合理的利用系統(tǒng)資源,實(shí)現(xiàn)整個應(yīng)用系統(tǒng)的超低功耗。該系列單片機(jī)提供了5種低功耗工作模式和1種活動模式,這些工作模式只依靠對狀態(tài)寄存器SR的低功耗控制位和時鐘的控制來實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　(2)強(qiáng)大的處理能力</p><p>

17、　　16位MSP430F449單片機(jī)采用精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu),一個時鐘周期可以執(zhí)行一條指令(傳統(tǒng)的MCS51單片機(jī)要12個時鐘周期才可執(zhí)行一條指令),在8MHZ晶振下工作時,指令速度可達(dá)8MIPS。MSP430F449單片機(jī)采用了16位多功能硬件乘法器加強(qiáng)了單片機(jī)的功能并提供了軟硬件相兼容的范圍,提高了數(shù)據(jù)處理能力和運(yùn)算能</p><p>　　力,可以有效地實(shí)現(xiàn)一些數(shù)字信號處理的算法(如FFT、DTMF等)

18、。</p><p>　　(3)豐富的片內(nèi)外圍模塊</p><p>　　MSP430F449單片機(jī)片內(nèi)集成了豐富的功能模塊:看門狗定時器(WDT)可以在程</p><p>　　序失效時迅速復(fù)位；模擬比較器A為精確的比較測量而設(shè)計,結(jié)合定時器可實(shí)現(xiàn)精確的A/D轉(zhuǎn)換功能；16位定時器Timer＿A和Timer＿B具有捕獲和比較功能；多功能串口USART可實(shí)現(xiàn)異步、同步串行

19、通信；6個8位I/O口線Pl～P6,其中Pl、P2口具有中斷功能；8路外部通道和4路內(nèi)部通都的12位A/D轉(zhuǎn)換模塊,最大轉(zhuǎn)換速率可達(dá)200KsPs；LCD驅(qū)動模塊可直接驅(qū)動液晶多達(dá)160段。</p><p><b>　　(4)系統(tǒng)工作穩(wěn)定</b></p><p>　　上點(diǎn)復(fù)位后,默認(rèn)時鐘是DCO數(shù)字振蕩器,由其啟動CPU保證程序從正確位置執(zhí)行并且保證晶體振蕩器有足夠時

20、間起振及穩(wěn)定時間,再由軟件設(shè)置相應(yīng)寄存器的控制位來確定最后的系統(tǒng)時鐘。如果晶振在用做CPU時鐘時MCLK發(fā)生故障,DCO會自動啟動。另外,MSP43O單片機(jī)運(yùn)行環(huán)境溫度-40～+85℃,運(yùn)行穩(wěn)定,可靠性高,所設(shè)計的產(chǎn)品適合各種民用和工業(yè)環(huán)境。</p><p>　　(5)方便高效的開發(fā)環(huán)境</p><p>　　MSP43OF449是Flash型器件,片內(nèi)有JTAG調(diào)試接口和電可擦寫的Flas

21、h存儲器,可以先下載程序到Flash內(nèi),再在器件內(nèi)通過軟件控制程序的運(yùn)行、讀取片內(nèi)信息供設(shè)計師調(diào)試,整個開發(fā)(編譯、調(diào)試)都可以在同一個軟件集成環(huán)境中進(jìn)行。這種方式不需要仿真器和編程器,調(diào)試十分方便。</p><p>　　3.2.2 LCD液晶顯示器</p><p>　　圖3-3 ZJM12864BSBD液晶顯示器</p><p>　　本設(shè)計中采用的是點(diǎn)陣液晶顯示

22、器ZJM12864BSBD。帶中文字庫的12864是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級、二級簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64, 內(nèi)置8192個16*16點(diǎn)漢字和128個16*8點(diǎn)ASCII字符集,利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。ZJM12864BSBD可以顯示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字也

23、可完成圖形顯示,低電壓低功耗是其又一顯著特點(diǎn)。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點(diǎn)陣的圖形液晶模塊。</p><p>　　3.2.3 鍵盤電路</p><p>　　圖3-4 鍵盤電路</p><p>　　本設(shè)計采用四個獨(dú)立鍵盤，名稱分別是PAG、INC、DEC、CON，起

24、到翻頁、設(shè)置加、設(shè)置減、確認(rèn)的作用。</p><p>　　3.2.4 時鐘芯片</p><p>　　圖3-5 DS1302時鐘芯片</p><p>　　本設(shè)計中時鐘部分選用DS1302芯片,DS1302是DALLAS公司推出涓流充電時鐘芯片,內(nèi)含一個實(shí)時時鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM,可以通過串行接口與單片機(jī)進(jìn)行</p><p>　　通信

25、。實(shí)時時鐘舊歷電路提供秒、分、時、日、日期、月、年的信息,對于小于31天的月,月末的日期可自動進(jìn)行調(diào)整,還包括閏年的校正功能。時鐘操作可通過AMPM標(biāo)志位決定采用24或12小時時間格式。Ds1302與單片機(jī)之間簡單地采用同步串行的方式進(jìn)行通信,僅需用到3根口線:RST(復(fù)位)、I/O數(shù)據(jù)線、SCLK(串行時鐘)。數(shù)據(jù)可以以每次1字節(jié)或多達(dá)31字節(jié)的多字節(jié)形式傳至?xí)r鐘RAM,同時還傳出</p><p><b&

26、gt;　　給上位機(jī)。</b></p><p>　　3.2.5 溫度檢測</p><p>　　圖3-6 DS18B20芯片</p><p>　　本設(shè)計采用5個DS18B20數(shù)字溫度傳感器，分別檢測集熱器溫度T1、回水溫度T2、水箱溫度T3、室溫T4、伴熱帶溫度T5。DSl8B20是美國DALLAS公司推出的一線制數(shù)字溫度傳感器,其器件內(nèi)部集成了溫敏元件

27、、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換芯片、存儲器芯片和計算機(jī)接口芯片等多功能模塊,該器件可將溫度信號直接轉(zhuǎn)換成16位串行數(shù)字信號,并通過串行輸出方式與單片機(jī)通訊。測溫范圍一40℃～+l20℃,可編程的分辨率</p><p>　　為9～12位,對應(yīng)的可分辨溫度分別為0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃,可實(shí)現(xiàn)高精度測溫。適應(yīng)電壓范圍：3.0～5.5V,工作電壓既可以遠(yuǎn)端引入,也可以采用寄生電源的方式提供。本設(shè)計采用DS18B2

28、0是3引腳小體積封裝形式。</p><p><b>　　3.2.6水位檢測</b></p><p>　　圖3-12 水位檢測電路</p><p>　　首先將水箱分為五檔水位:20%、40%、60%、80%、100%,采用電極點(diǎn)的方式來</p><p>　　測量水位。當(dāng)某個電極浸沒在水中,則該電極點(diǎn)相當(dāng)于接地。測量時,電

29、極上通有電源電壓,當(dāng)水位下降到只接觸20%檔的電極點(diǎn)時,電極間就有電流流過從而產(chǎn)生液面信號,控制板接收到液面信號后,進(jìn)行處理后,繼電器閉合控制電磁閥上水;當(dāng)液位上升接觸到80%檔的電極時,電極間有電流流過,控制板接收到液面信號,經(jīng)控制板處理,繼電器又恢復(fù)成釋放狀態(tài)。因此通過液體與電極接觸與不接觸,繼電器吸合與斷開,就能正確測量出液位高低位置,實(shí)現(xiàn)液位的自動控制。五檔水位開關(guān)分別接單片機(jī)接口P2.2、P2.1、P2.0、P1.7和P1.6

30、。</p><p>　　3.2.7執(zhí)行機(jī)構(gòu)</p><p>　　圖3-13 執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路</p><p>　　溫差跟蹤循環(huán)方式是本系統(tǒng)所具有的重要特征之一,該方式既實(shí)現(xiàn)了太陽能加熱的目的,又充分利用了太陽能并且降低了系統(tǒng)無用消耗。在控制電路中使用NPN管驅(qū)動5V繼電器，用一對常開常閉觸點(diǎn)控制繼電器工作和LED亮滅。其中,繼電器J1控制電加熱器,繼電器J2控制上水

31、閥,繼電器J3控制采暖循環(huán)泵,繼電器J4控制伴熱帶,繼電器J5控制集熱器循環(huán)泵,指示燈和繼電器依次對應(yīng),標(biāo)志著各個執(zhí)行器的狀態(tài)。單片機(jī)采集溫度水位信號之后,進(jìn)行內(nèi)部處理,通過P5.0～P5.4來控制繼電器J1～J5和LED。</p><p>　　3.3控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計</p><p>　　圖2 太陽能熱水器采暖控制系統(tǒng)程序流程圖</p><p>　　3.4控制系統(tǒng)

32、實(shí)現(xiàn)的功能</p><p>　　(l)溫差跟蹤循環(huán)控制與光熱電熱智能互補(bǔ)功能</p><p>　　當(dāng)集熱器溫度T1達(dá)到其上限溫度50℃,才允許啟動溫差跟蹤循環(huán);否則,不允許啟動溫差跟蹤循環(huán)。</p><p>　　此時,集熱器溫度T1與回水溫度T2滿足T1－T2＞8℃,同時水箱出水溫度T3小于上限溫度75℃時,啟動集熱循環(huán)泵進(jìn)行溫差循環(huán);而當(dāng)集熱器溫度T1與回水溫度T

33、2滿足T1－T2＜4℃,或者水箱出水溫度T3小于下限溫度45℃時,則關(guān)閉集熱循環(huán)泵,通過太陽能對循環(huán)水繼續(xù)進(jìn)行加熱。如此往復(fù)循環(huán),利用太陽能加熱循環(huán)水,將熱量貯存的到保溫水箱中。</p><p>　　而在連續(xù)陰雨天的情況下,集熱器溫度Tl達(dá)不到設(shè)定的集熱器上限溫度50℃,就不能啟動溫差循環(huán)。這時,如果水箱出水溫度T3低于設(shè)定的加熱下限溫度40℃時,就會啟動電加熱器給水箱加熱;直到水箱出水溫度T3達(dá)到設(shè)定的加熱上限

34、溫度50℃,就會通過繼電器斷開電加熱器,保證了光熱和電熱的智能互補(bǔ),實(shí)現(xiàn)了采暖和洗浴的正常進(jìn)行。</p><p><b>　　(2)管道防凍功能</b></p><p>　　在寒冷的冬季,室外溫度達(dá)到零下幾度,而太陽能熱水器的集熱器和管道一般放置在室外,就存在著管道凍壞問題。因此,我們在管道上安裝溫度傳感器,當(dāng)管道溫度T5低于設(shè)定的下限溫度4O℃,就啟動伴熱帶加熱;當(dāng)

35、管道溫度T5達(dá)到設(shè)定好的上限溫度8℃,伴熱帶就不必加熱了,起到了保護(hù)管道防凍的作用。</p><p><b>　　(3)采暖控制功能</b></p><p>　　在采暖系統(tǒng)中,中央控制系統(tǒng)控制采暖循環(huán)泵。二次側(cè)安裝采暖循環(huán)泵,在室內(nèi)安裝溫度傳感器。當(dāng)室內(nèi)溫度T4低于16℃,啟動采暖循環(huán)泵,將保溫水箱內(nèi)的熱水通過供暖管道輸送到室內(nèi)散熱器,利用散熱器將熱量散發(fā)出來實(shí)現(xiàn)對房

36、屋的供暖;當(dāng)室內(nèi)溫度T4高于18℃時,停止循環(huán),始終保持室溫在16℃ ～18℃范圍內(nèi)。</p><p><b>　　(4)定時加熱功能</b></p><p>　　為了滿足用戶正常用水的需求,我們特意設(shè)置了定時加熱功能。用戶可以根據(jù)自己的需要，自行安排控制系統(tǒng)的加熱時間。這樣設(shè)計一方面可以節(jié)省電能，另一方面用戶可以避開用電高峰期，提高用電效率。</p>

37、<p>　　(5)參數(shù)設(shè)置、手動控制與顯示功能</p><p>　　單片機(jī)將采集到的水溫、水位信息傳送給人機(jī)界面的中文液晶顯示模塊上顯示,用戶可以直觀的看到采集的水溫、水位信息;同時,用鍵盤可以修改參數(shù)的設(shè)定值,將新的值存儲到存儲器中,還可以控制繼電器執(zhí)行手動功能。</p><p>　　4. 完成課題所需的條件</p><p>　　（1）MSP430F44

38、9單片機(jī)技術(shù)資料。</p><p>　?。?）Protel99SE繪圖軟件。</p><p>　?。?）IAR Embedded Workbench及C－SPY。</p><p>　　5.課題的進(jìn)度安排（或課題的實(shí)施計劃）</p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn)</b></p><p>　　[

39、1]洪利,章?lián)P,李世寶．MSP430 單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)例詳解．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.7</p><p>　　[2]花漢兵．MSP430F449在微型化低功耗數(shù)據(jù)采集模塊中的應(yīng)用．現(xiàn)代電子技術(shù)2007(9),141~142</p><p>　　[3]周樂安．基于MSp430單片機(jī)溫濕度控制器．四川兵工學(xué)報,2008(4),11～13</p><p>

40、;　　[4]胡大可．MSP430系列Flash型超低功耗16位單片機(jī)．北京,北京航空航天大學(xué)出版社,2001.</p><p>　　[5]李智奇,白小平,陳曉龍,樊曉紅.MSP430系列超低功耗單片機(jī)原理與系統(tǒng)設(shè)計．西安電子科技大學(xué)出版社,2008</p><p>　　[6]沈建華,楊艷琴,翟曉署．MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用．清華大學(xué)出版社,2004</p>

41、<p>　　[7]沙占友．.中外集成傳感器實(shí)用手冊．北京,電子工業(yè)出版社,2005．</p><p>　　[8]呂泉．現(xiàn)代傳感器原理及應(yīng)用．北京,清華大學(xué)出版社,2006．</p><p>　　[9]胡大可編著．MSP430系列單片機(jī)C語言程序設(shè)計與開發(fā)．北京航天航空大學(xué)出版社,2003</p><p>　　[10]何立民．單片機(jī)高級教程(應(yīng)用與設(shè)計)