1. 研究目的与意义
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所认识，“低碳经济”庖桓拍羁冀肴嗣堑氖右啊Ｈ嗣窃诖罅Ψ⒄固裟懿怠#65533;
在世界范围内，太阳能热水器技术已经很成熟，并已形成行业，正在以优良的性能不断的冲击电热水器市场和燃气热水器市场。
目前，中国已成世界上最大的太阳能热水器生产国，年产量约为世界各国总和。但是与之相配套的太阳能热水器控制系统却一直处于研究和开发阶段。目前市场上太阳能热水器的控制系统大多存在功能单一、操作复杂、控制不方便等问题, 很多控制器只具有温度和水位显示功能, 不具有温度控制功能，即使热水器具有辅助加热功能, 也可能由于加热时间不能控制而产生过烧, 从而浪费电能。
2. 课题关键问题和重难点
本文将研究一种基于单片机加热时间，水温设置等要求，利用温度采集模块和水温采集模块进行对热水器中的水位和水温的信息采集，这些信息经由数据处理模块处理后，一旦水温打不到预设的水温要求是便会启用电加热模块，对水进行加热，并将水温显示在显示模块上，而当水温达到设置要求时便会触发报警模块，并同时停止加热。而如果在这个过程中水位没有达到预设时的要求时热水器也会进行注水，直至预设时的水位后停止注水。
阳能热水器控制系统的最大特点是所有功能模块均由软件控制以完成各自功能。本系统包括主程序模块、键盘扫描模块、显示模块、温度水位采集、时钟模块、电加热模块等模块。
课题难点:
3. 国内外研究现状（文献综述）
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1、太阳热水器和电热水器的不同 目前热水器已成为日常生活中不可缺少的家用电器，设计制造更实用、更方便、更安全、更节能的热水器是产品设计师和生产厂商不断追求的目标。快热式家用电热水器无需储水罐，热水即开即用，无需预热，减少了电能的浪费，应用价值极高。另外还具有体积小、使用安全、安装方便等优点。设计采用数码显示水温，有功率调节，出水温度自动控制。系统硬件电路设计包括加热控制、温度检测等电路的设计，系统程序设计包括主函数程序、显示扫描子函数程序、按键扫描处理子程序、加热控制函数程序与温度检测函数程序等的设计[1]。 电热水器可实现对家用电器的远程集中控制，从而使人们的生活更加轻松方便。生活质量的提高使得消费者对电热水器的要求越来越趋向于智能化和数字化，因此我们采用ＭC68HC908单片机作为控制中心设计了这款家用电热水器，型号暂定为ＭＨL—Ｉ。它抗干扰能力强，工作可靠稳定，完全满足高性能的电热水器的控制要求[2]。 太阳能热水器作为三大热水器之一，因其无污染、使用方便、长期投入成本低等特点，而越来越受到人们的青睐，但与之配套的控制器却还一直处于研究和开发阶段，为解决水温水位的自动控制问题，本电路专门设计水温的实时监测，并在设计中将水位多级化，实现更精确的测量。本次设计运用AT89C52单片机，设计一种自动控制电路，该电路用于太阳能热水器。当使用热水器时，可以自动进行温度检测，使太阳能自动补水或排水，真正做到最简单化。并且该电路易于扩展，可实现多点的温度检测，或者更多点的液位检测。文章详细介绍基于单片机的太阳能热水器自动控制系统组成、硬件设计。太阳能热水器自动控制电路采用AT89S52单片机作为控制核心，外围加蜂鸣器控制电路、数码显示电路、水位检测电路、电机控制电路、按键电路、温度检测电路等[3]。数码管实时切换显示当前温度与当前液位。当液位过高时，蜂鸣器报警：本系统设计简单，成本低，性能优良，具有一定的稳定性和实用性。 基于$3F9488单片机的太阳能热水器控制器是了一款以三星$3F9488单片机为核心的控制器。该控制器由主控板和液晶操作板构成，主控制板由多路温度与压力数据采集、开关量输入／输出控制、缺相与相序检测等硬件模块构成；液晶操作板具有系统参数显示、按键输入、故障报警等人机交互操作功能，主控制板和液晶操作板之间通过串口通讯进行数据交换。采用IAR for Samsung SAM8开发环境完成了软件设计。实际使用表明，该控制器可以安全可靠地控制家用、小型太阳能热水器正常运行，操作简便、功能完善，具有较高的性价比[4]。为了满足对太阳能热水器智能控制的需求，本研究采用双$3F9488单片机开发了一款太阳能热水器控制器。实际使用结果表明，该控制器工作安全可靠、操作简易、成本低廉，能够满足家用和太阳能热水器的控制应用需求。 太阳能热水器的模糊控制技术是一种具有广阔应用前景的技术,采用16 位高性能单片机SPCE061A 结合模糊控制技术,设计了家用太阳能热水器模糊控制系统,完成了系统硬件和软件设计, 增强了系统功能,提高了系统的安全性[6]。目前市场上有两种太阳能热水器,连续水流式和储水式。前者虽然具有加热速度快和体积小等优点,但需要功率大, 储水式太阳能热水器大多数采用机械式,存在温度控制简单、精度低、加热时间长、可靠性差且功能单一等不足。针对上述情况, 基于单片机太阳能热水器模糊控制系统设计是利用先进的16位SPCE061A单片机作为控制器的核心,结合模糊控制技术,设计了一种多功能家用太阳能热器模糊控制器[5]。 2、太阳能热水器的使用和原理 太阳能热水器用于房间内的热水供应,不需人员值班操作,只需预先设定(存储)上、下限温度值。当供热系统水温升到上限温度时,系统自动停止工作,散热器自然放热降温,降至下限温度时,自动开机工作加热升温;上、下限时刻,控制器还可以发出持续一分钟的声、光报警;显示循环水当前温度的液晶屏还具有时钟功能。系统控制参量可以是水温、室温和时间。具有显著的节能效果[7]。热效率达87%, 是普通燃煤锅炉热效率的二倍以上。 基于单片机AT89太阳能热水器控制系统，该系统的功能是对太阳能热水器进行温度采集与显示、时钟的显示、热水器的开机方式控制等。设计了系统硬件以微控制器为控制核心，由外围温度检测电路、实时时钟电路、键盘、热水器加热开关、LED显示电路、功能指示电路、报警电路等组成。其中温度测量是太阳能热水器控制系统的重要组成部分，主要采用的是Ptl000铂电阻温度传感器进行温度采集。基于单片机控制的太阳能热水器，具有反应灵敏，抗干扰能力强，达到设定的温度时间短，节省电能等要求[8]。 3、智能型太阳能热水器的特点 智能型太阳能热水器的控制系统设计是利用PIC16C27单片机实现了对智能型太阳能热水器的控制。其主要控制功能除了通常的控制加热和保护外，还具有较强的智能，包括根据用户设定的温度自动调节冷热水的混水比例，给出恒定温度的出水等* 同时介绍了系统的结构、硬件和软件设计。由于太阳能热水器进入市场的时间不长，所以在功能和控制方面还远没有达到成熟的程度[9]。目前，安全、节能、多功能、智能化是其主要发展方向。现在市场上一部分电储水式太阳能热水器甚至还采用可靠性较差的机械式温度控制，同时由于没有S-H 芯片的参与,一般只有简单的测量和控制，难以满足人们对现代电器的要求。利用目前微电子的最新成果改善电热水器的性能已经完全可能和必要。
4、总结： 设计一种太阳能热水器控制器，使人们使用更加方便舒适。方法：利用单片机实时监测水温及水位。用水时，若日晒水温达不到设定值，单片机控制电加热器自动补温至设定温度，无须人为控制加热时问；缺水时能自动上水到设定值。采用外扩EEPROM对设置的参数具有断电保留功能，断电后，参数无须重新设置。结果：设计出一种太阳能热水器控制器．结论：该系统具有使用方便、稳定性高。节能等特点，实用性高。 太阳能热水器是一种可供浴室洗手间及厨房使用的家用电器,市场上传统的机械式电热水器控制精度低、可靠性差, 随着人们生活质量的提高, 人们对太阳能热水器的要求越来越趋向于智能化和数字化,笔者采用AT89C51单片机作为控制器设计了一款智能家用太阳能热水器,基本实现了智能控制功能。该太阳能热水器具有以下功能使用高清晰度数码管实时显示水温。可用键盘方便地设定水温,并显示设定的温度。按设定温度加热到相应水温,并具有保温功能。系统利用集成温度传感器AD590完成温度测量并转换成模拟电压信号,根据比较结果, 控制加热器的开断,同时将温度值实时显示在LED显示器上。 太阳能热水器--从7升/小时-15升/小时每集热面积---是最有前途的方式改善太阳能热水器性能。太阳能热水器，取得了较好的在坦克的分层。为了这个目的，最有前途的技术。这篇文章的目的是介绍一些数值从一个低流量的储罐和测试结果太阳能热水器。一个太阳能生活热水系统模型的设计这种方法目前在几个欧洲探索国家提高太阳能电池的性能热水器在强烈的流量减少在主回路的一个因素率从5到10比较的一个经典的太阳能热水器，即从一个7至15升/小时每太阳能集热器面积，而不是50至70升/小时（国际能源机构，1996年）[10]。 [1] 徐鹏,谭智,但远宏.双功能燃气热水器模糊控制系统设计[J].Automation＆Instrumentation,2010(7):24-27 [2] 张平川,许兴广.基于单片机电热水器模糊控制系统设计[J].2007（10）：145-146 [3] 季晓芳,张春来.家用电热水器控制系统的实验研究[J].电子测试,2009(10):77-81 [4] 李银华.家用电热水器模糊控制器的设计[J].家用电器科技,1999(3):23-24 [5] 董万春.家用燃气热水器智能供热系统[J].信息技术,2001(2):8-10 [6] 谭树龙,王瑞玲.家用太阳能热水器控制器[J].单片机及应用,1994(9):31 [7] 周云龙.家用太阳能热水器自动进水控制器的研究[J].电子仪器仪表用户,1999(6):8-10 [8] 郑权.可靠适用的温度控制器[J].电子制作,2000(1):17-19 [9] Huang Dinp jin,Fei Han，Li Liang，Zhu Yun zhou.Design for N I Fault-tolerantIntegrated Solar Controller[J].Automation＆Instrumentation,2010(10):151-154 [10] Surachai Panich.Development of FuzzyController for Water Level in Stream Boiler Tank[J].Journal of ComputerScience,2010(11):1233-1236 |
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4. 研究方案
1、设计方案
根据任务和实际要求，该总体方案主要有单片机、温度传感器模块、水位传感器模块数据处理模块、报警模块、LED显示等六部分构成。系统构成框图4-1所示。
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单 片 机 |
| 按键电路 |
| 报警电路 |
| 温度传感器 |
| 水位监测 |
| LED显示灯 |
图4-1系统构成框图
2、单片机型号的选择
随着计算机技术的发展，单片机因具有集成度高、体积小、速度快、价格低等特点而在许多领域如过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用，从而使这些领域的技术水平、自动化程度大大提高。
3、温湿度传感器的选择
温湿度传感器是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设备或装置。温湿度传感器一般是测量温度量和相对湿度量。鉴于测量温湿度的范围不大，精度要求不高额故采用数字温湿度传感器DHT11。DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为4针单排引脚封装，连接方便。 主要应用于暖通空调家电、湿度调节器、除湿器。
4、软件流程图
软件流程图的设计简单明了，通过对太阳能热水器的特点进行了简介的软件设计流程的逻辑，设计需要实现对温度的控制以及对水位的检测，当温度到一定程度时会对应的有显示所反映，同样当水位监测到一定情况时也会出现相应的反应，并且通过报警系统来检测到是否合格，这样的程序过程大大的减少了中间的复杂程度。
5. 工作计划
第1周（2.20-2.24） 接受任务书，领会课题含义，按要求查找相关资料；翻译相关英文资料第2周（2.27-3.3）阅读相关资料，理解有关内容；写出开题报告一份；第3周（3.6-3.10）确定传感器、无线传输电路，参阅有关资料，分析调理电路工作原理；第4周（3.13-3.17） 设计信号调理、无线传输电路参数；第5周（3.20-3.24） 设计单片机扩展电路并绘制单片机系统电路；期中检查；第6周（3.27-3.31） 购买材料，搭建硬件电路；第7周（4.3-4.7） 分析单片机扩展电路工作原理，设计控制软件框图；完成软件程序；第8周（4.10-4.14） 硬件制作调试和完善软件设计；第9周（4.17-4.21 软硬件联调；验收成果；
第10周（4.24-4.28）完成毕设论文查重，提交毕设论文终稿和查重报告，接受答辩资格审查；第11周（5.1-5.5） 评阅教师评阅论文；学生准备答辩；第12周（5.8-5.12）答辩结束。
第13周（5.15-5.19）检查毕设文档；毕设结束。课题毕业论文、开题报告、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
