太阳能热水器控制系统的设计 下载本文

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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。应该注意到,集体单位对太阳能热水器的用量很大。

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。随着世界上煤、石油、天然气的存储量日益减少,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。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,因而尚未被人们大规模使用。

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,同时给人民提供低耗能源、保护环境、绝对安全的热水而受到人们的欢迎。世界各国的太阳能热水器生产发展也很快。例如:澳大利亚政府规定,在北部地区新建房屋一定要设置太阳能热水器,已经有25%的新住宅安装了太阳能热水器。日本现在每年安装太阳能热水器近50万台,计划今后普及率更高。有些国家法令规定所有新建筑物必须配备太阳能热水器。

太阳能热水器的推广应用及经济效益据不完全统计,迄今全国太阳能热水器累计安装使用总量已达到300万平方米以上。所以该控制器具有使用方便、性价比高、工作可靠、精度高等特点,为太阳能热水器的进一步推广具有积极的推动作用。

1.2 本课题研究内容与主要工作

本设计主要利用单片机为核心,选择适当的传感器作为信号的采集来源,温度传感器选择数字式的DS18B20。水位信号的检测选择PTJ204/205/206/207压力传感器,将检测的模拟信号经过A/D转换后送入单片机处理。通过LED数码管来显示温度和水位。要经过几部分的设计来完成:

(a)LED数码管显示部分设计 (b)A/D转换部分设计 (c)温度采集部分设计 (d)控制加热和上水电路设计

从系统需要和研究内容可以看出,本设计需要做的主要工作有:查阅相关资料,了解各部分功能原理。查阅元器件资料,掌握器件工作原理和硬件实现方法。利用电脑仿真,对设计的电路进行模拟检测。

1.3 本课题的研究预期成果

设计出太阳能热水器控制器,编写出稳定简洁的程序,调试成功,并在硬件电路上进行仿真达到预期的目的,完成设计任务。

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2 总体系统设计

总体设计之前,根据该系统所要达到的功能,选择适当的元器件和合适的芯片来设计系统,了解各器件的原理和功能。太阳能热水器控制器设计,就要有温度采集器件,根据相关参数范围选择了DS18B20数字温度传感器,采集到的数据为数字量,可以直接送入单片机处理,电路简单,数字温度传感器比模拟温度传感器测量结果精确。要显示水位量就要有单片机能处理的水位量,这个量就要由传感器来测量,这里的水位检测传感器选择模拟的传感器,模拟量不能直接进入单片机进行处理,要变成二进制的数字量才能送入单片机进行处理,这就要进行A/D转换,把采集到的水位信号转换成为数字量。A/D转换的器件选择为ADC0832转换芯片,它是一个两路模拟量输入,转换完的数字量串行输出,ADC0832转换芯片引脚少,能达到相同的功能,而且电路简单,方便。显示所测量的结果要用到LED数码管,用LED数码管来显示结果比较清楚,防水和磨损,是比较好的显示方式。要实现温度稳定控制,就需要设定温度的标准量,是和当前水的温度进行比较的,看当前水的温度有没有达到或者大于标准的温度,然后加以控制,要设置给定的温度就要有输入装置,采用简单的按键作为输入是很简便的,不会带来复杂的问题。控制装置要采用电磁开关控制,这样就不用人为的操作,电磁开关在闭合或打开的时候在电磁线圈上会产生电流,为了防止这样的电流对前面的电路产生不良效果,与线圈并联一个二极管,利用二极管的单项导通性就能阻止电流流回电路,保证电路的安全。为了保证单片机输出的控制信号稳定而且有足够大的电流,在单片机输出信号后加上正向驱动器来增大信号强度,再在电磁开关之前加上光电隔离,会阻隔掉不必要的干扰,通过光电隔离的电压信号是稳定的,这样的控制系统才能稳定可靠的工作。

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3 总体硬件设计

3.1 系统总体硬件框图与工作原理

经过对所要设计的控制系统的功能要求进行分析,可以得道系统的总体硬件设计框图,如图3-1所示。

由系统的总框图可以看出该系统的工作原理为:单片机89S52作为控制核心并协调整个系统的工作,通过数字温度传感器检测当前水的温度,由于数数字信号就直接送入单片机89S52内,通过单片机的处理在LED数码管上显示当前的温度值。另外一路是在水箱中的水压传感器测水的压力从而得到水位的高低,水压传感器输出的是0~5V的模拟量,要经过A/D转换成为数字量再送入单片机89S52进行处理,在LED数码管上显示水位值。按键用来设定想要的温度值,单片机在内部通过比较设定的温度和当前温度,当前温度小于设定值时就会闭合电磁开关,开启加热装置。自动上水方面是设置水位的上下限,水位小于下限时就会闭合电磁开关,就会开始上水,水位到达上线时就会自动断开电磁开关,停止上水。温度和水位值在时时检测,达到控制目的[1]。

温度传感器温度显示单片机89S52水压传感器A/D转换水位显示上水控制电磁开关加热控制电磁开关图3-1 系统总体硬件框图

按键 3.2 温度传感器

3.2.1 温度传感器DS18B20

温度传感器选择DS1820数字温度计,它以9位数字量的形式反映器件的温度值。DS1820通过一个单线接口发送或接收信息,因此在中央微处理器和DS1820之间仅需一条连接线(加上地线)。用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得,无需外部电源。因为每个DS1820都有一个独特的片序列号,所以多只DS1820可以同时连在一根

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单线总线上,这样就可以把温度传感器放在许多不同的地方。这一特性在HVAC环境控制、探测建筑物、仪器或机器的温度以及过程监测和控制等方面非常有用。

图3-2 DS18B20引脚排列与封装形式 表3-1 DS18B20引脚说明 引脚 1 2 3 符号 GND DQ VDD 接地 数据输入/输出脚。对于单线操作:漏极开路 可选的VDD引脚。 说明 DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口少等优点,但在实际应用中也应注意一下问题:

(a)较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行连接补偿,DS18B20与微处理器间采用穿行数据传送,编程时要严格保证读写时序,否则将无法读取测温结果。

(b)连接DS18B20的总线电缆长度是有长度限制的。当采用普通信号电缆传输长度不能超过50m,采用双绞线带屏蔽电缆时可达到150m。

(c)在DS18B20测温程序中,向DS18B20发出温度转换命令后,程序总要等待DS18B20的返回信号,要保持接触良好,否则会进入死循环。

DS18B20的特性:

(a)独特的单总线接口方式。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。

(b)DS18B20支持组网功能,多个DS18B20多个DS18B20可以并联在唯一的单线上,实现多点测温。

(c)DS18B20的测温范围为:-55℃~+125℃,在-10℃~+85℃时,其精度

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为+0.15℃。

(d)DS18B20的测量结果的数字量位数从9~12位,可编程进行选择。 (e)DS18B20内部寄生电源,器件既可以由单线总线供电,也可以用外部电源供电。

DS18B290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[2]。 3.2.2 DS18B20的结构

DS18B20有三个主要数字部件: 1. 64位激光ROM, 2. 温度传感器,

3. 非易失性温度报警触发器TH和TL。

器件用如下方式从单线通讯线上汲取能量:在信号线处于高电平期间把能量储存在内部电容里,在信号线处于低电平期间消耗电容上的电能工作,直到高电平到来再给寄生电源(电容)充电。DS1820也可用外部5V电源供电。

DQ存储器和控制逻辑温度传感器64位ROM和单线端口暂存器上限触发VCC电源检测8位CRC产生器下限触发 图3-3 DS18B20的内部结构

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[2]。

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测量。DS18B20传感器的精度高、互换性好;它直接将温度数据进行编码,