基于单片机的太阳能热水器测控系统

1引言

1.1本设计的目的与意义
环境污染、家用电器安全隐患、环保节能这一系列问题一直都备受关注与重视，就如家用热水器，因热水器引发的煤气事件、中毒事件频频发生，因此传统的燃煤、燃气热水器渐渐淡出市场，取而代之的是发展十分迅速的太阳能热水器，新兴的太阳能热水器每年都呈现出数倍的增长势头。
根据不完全统计，电热水器的市场占率约为百分之六十，国内绝大多数的家庭以使用电热水器为主，而传统的燃气热水器因一系列的安全隐患问题慢慢被淘汰，目前市场占有率已不到百分之二十；新起的太阳能热水器，以清洁环保、节能减排、安全高效的优势受到了广大消费者青睐，发展尤为迅速，虽然太阳能热水器的安装会受到各种问题的较大限制以及容易受天气影响，但依旧在短短的几年市场占有率已经达到百分之二十。相信在太阳能科技的迅速发展下太阳能电器存在的不足将会逐渐被克服，太阳能家电会更多的走进我们的，太阳能家电也会更加生活智能化、环保化，功能也更加丰富更加人性化。
在这样的社会背景下，本次太阳能热水器的测控系统设计，以AT89C52型号单片机为CPU，通过各类传感器、数字式显示器等组成的控制系统来实现水位、水温的测控和显示，缺水、过热的报警，以及可以通过使用者的设定来实现如定时加热，设定加热温度等功能。基于单片机的控制系统优势在于，单片机作为一种为微控制处理器，具有体积小、功耗低、稳定性强、廉价且能通过编程实现各类智能化功能等优点。单片机因其飞快的发展速度而被广泛运用与各类智能控制系统之中，因此以单片机作为控制芯片的测控系统是非常不错的选择，有着非常广阔的市场前景。

1.2国内外现状及分析
能源在人类的生存发展中扮演着着至关重要的角色，新能源的兴起与旧能源的淘汰是每一次人类文明进步的标志，从第一次工业革命，蒸汽机的出现逐步使煤炭代替了木材的燃烧；在到上个世纪，石油成为全世界大力开采与使用的主导能源，石油又代替了燃煤；再到今日的新能源太阳能、风能、潮汐能等一系列的可再生环保能源，又必将代替传统的能源。
传统的能源一直面临着两大严峻的问题，一是当前占主导的各类化石能源属于不可再生能源，面对着日益增长的人口与飞速发展的经济，有限的化石能源越来越难以满足世界庞大的需求量；二是煤矿安全事件频频发生，开采技术与安全保障不足的同时还会对土壤、水源造成不可逆的生态环境污染，同时化石能源燃烧产生的二氧化碳、重金属污染物等废气废渣是生态环境污染的主要凶手，面对这一系列日益严重的能源危机与生态问题，世界各国开始大力发展新能源技术，积极开发新能源以降低对传统能源的依靠。
就我国国情而言，积极推广新能源，让绿色环保的新能源代替大部分化石能源，这是保障我国能源安全、优化能源结构、促进社会与经济可持续发展、保护环境、应对气候生态变化、调整产业结构的战略部署。[ 张铮, 赵一心. 浅析我国的新能源发电[J]. 科技资讯, 2012, 000(026):4-4.]近年来，新能源的发展不论是在国内还是国外都相当重视。未来新兴能源开发利用的战略定位是：到2020年，核能、风能、太阳能等新兴能源要成为能源总需求中增量部分的主力军，加上水能共提供约6亿吨标准煤，占一次能源消费总量的15%；到2030年，新兴能源要成为主流能源之一，加上水能共提供20%以上的一次能源消费量。[ 史丹,李琼慧,李鹏飞.“十二五”新能源开发七大重点[N].北京:中国社会科学院财贸经济研究所,2011.]
作为一个发展中的强国，中国的太阳能资源十分丰富。我国拥有世界第一的太阳能热水器安装量，但是中国人口数量庞大，换句话来说中国人均占有量却远不及以色列和奥地利等国家。根据我国可再生能源发展规划，太阳能热水器累计安装应在2020年达到3亿平方米，每千人拥有量达128至203平方米。根据这一计划，2020年中国的太阳能热水器的持有率只相当于2000年奥地利的水平，仍远低于2000年以色列的太阳能热水器安装量。[ 胡润清,李俊峰.全球太阳能热水器产业与技术发展状况及启示[J].北京: 国家发改委能源研究所, 2007.]
1.3中心论点
本次基于单片机的太阳能智能测控系统的设计以AT89C52单片机测控系统的处理芯片配合水位模块、水温模块、输入模块、显示模块、驱动模块、时钟模块和报警模块相辅相成实现智能测控系统的功能需求。
水温模块通过相应的温度传感器来实现高精度的温度监测与控制；水位模块通过水位传感器获取热水器的水位状态并反馈到单片机进行运算实；显示模块利用显示器直观的向用户显示水位、水温、时间等信息；输入模块利用键盘实现人机互动来实现用户需要的各种功能；时钟模块为单片机提供准确的时间及日期，同时配备备用电源能在断电时保持时钟运行；驱动模块在检测温度低于设定温度使驱动热水器进行加热，同时加热指示灯亮起；报警模块通过声光报警向使用者报警异常信息。
基本架构图：

2太阳能热水器测控系统选择和分析

2.1太阳能热水器工作原理

3线路设计

3.1基本思路
太阳能热水器智能测控系统的是通过AT89C52单片机对进行需要实现的功能进行合理编程来实现：通过LCD1602液晶显示器和独立按键为控制系统信息的输入和输出，显示水位、水温、设定等信息以及接收使用者的设定指令，实现人机互动的功能需求。当检测温度低于设定温度时驱动电路工作指示灯亮起，同时驱动模块工作驱动热水器热水加热。以浮球式液位开关和DS18B20数字式温度测量芯片为水位水温传感器，负责获取准确的水位及水温信息并反馈给处理器，处理器经过预先编程好的程序和用户的设定进行系统的判断与执行指令，报警模块会在机器发生异常状态时发出声光报警。太阳能热水器智能测控系统将通过设计合理的线路来使处理器与各个模块相互配合来实现所需控制功能。
系统整体框架：

3.2单片机及最小控制系统
3.2.1AT89C52介绍
其主要性能指标：

3.2.3单片机及其最小控制系统
单片机及其最小系统由单片机和晶振电路、复位电路组成
复位电路：由电容串联电阻构成与单片机的RST端口相连。复位功能不会导致电路板任何器件的损坏或者程序的丢失。这是电路上的手动复位功能，复位按键，让程序重新被运行，相当于重启。

晶振电路：在单片机的内部具有时钟振荡电路，为使单片机获得时钟信号就需要在单片机的XTAL1端口和XTAL2端口间接入一般由 11.0592MHz或12MHz的晶振以及两个电容组成的反馈电路。晶振为单片机提供振荡信号，单片机才能运行，晶振的频率越大，系统运行的速度越快。

复位电路、晶振电路仿真图 3.5显示模块线路

液晶显示器在各类小功耗、小型仪器领域得到广泛应用是因为其拥有微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点。
LCD1602字符型液晶模块能显示丰富字符信息，工作电压与单品相近，LCD1602字符型液晶模块采用标准的16引脚接口
其引脚说明为：

4软件设计

4.1软件设计思路
能够通过时钟芯片和水温传感器获取的时间和水温显示到LCD1620显示器。当水温低于设定值时进行热水器进行加热并开启加热指示灯，水温达到设定值时停止加热，水温高于设计值时过热报警；当检测到缺水时会进行缺水报警。通过按键来设置时间、日期以及设定加热水温和加热起始时间。

4.2总体逻辑图
主程序首先初始化，首先进行水位检测，再到时间检测，最后为温度检测，其中一项未达到检测要求便执行停止或报警指令。

4.4小结
软件的设计需要我们有良好的逻辑概念，合理的计划软件功能实现的逻辑图能帮助我们的软件设计有序的进行，而不会杂乱无章，毫无秩序。其次便是C语言等编程语言的掌握，软件的编程需要我们做到精益求精、准确无误，有的时候往往就是缺少了一个标点符号就会使我们的程序错误无法运行。
软件的设计建立在硬件的基础之上，要深刻理解硬件部分的工作原理和接线方式，才能知道在软件上实现所需的功能。各类函数，语句需要正确的使用，如延时处理、语句格式等等。编程设计注重理论与实践相结合，很多时候看别人的程序很容易理解，但是自己动手时往往无从下手，因此软件编程需要经过不断的尝试与积累才能慢慢掌握编程的技巧。

5电路仿真

6结论

本次设计基于单片机的太阳能热水器测控系统，具有温度显示、时间显示、水位监测、水位水温报警、定时加热等功能，是个基于AT89C52单片机的低功耗、低成本的测控系统，具有性能稳定、测控准确、性价比高等优点。
本设计的不足之处：对热水器的加热线路原理理解不够深刻，驱动加热模块不够精细，为理想状态下的驱动加热，可能在实际中因驱动功率不足等原因无法实现。今后会在不断的学习的中掌握理解该方面的知识，逐渐改进。
在本次设计中发现了自己许多不足之处，也遇到了很多的困难，毕业设计考验我们理论与实践相结合的能力，空有理论知识是不够的，而基础理论不扎实更是我们遇到困难无法克服的弊端。令我印象深刻的是专业基础知识的掌握程度对理论分析、设计实现等方面有很大影响，只有真正掌握理解了专业基础知识，如元器件的工作原理、接线方式、编程语言等等，才能灵活的运用与客服困难。其次是资料的查阅与理解，很多成功的案例能给我们很大的启发，要善于查阅与理解文献资料，在不断学习中完善自我，克服自身的不足与困难。
本次设计给自我的反思，在今后的学习中不仅要在各方面不断完善自我还要善于将学习到的知识运用的实践中，要用理论铺垫实践、用实践验证理论才能真正掌握知识。

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