毕业设计太阳能热水器自动上水控制系统设计.docx

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1、毕业设计太阳能热水器自动上水控制系统设计 第一章选题背景 1.1 课题的设计背景 传感器技术、数字电子技术与自动控制技术在生产过程、科学研究、现实生活应用、医疗卫生、环保事业与其她各个领域的应用十分广泛。传感器技术、控制逻辑电路的设计与门电路芯片的选择是感应自动控制设计的重要环节，系统设计应满足环保、实用与课题要求的总体技术方案。这种专用感应控制装置的设计可以提升专业知识的运用能力，促进科技向生活的转化与环保事业的发展，对提高生活质量有重要作用。数字逻辑电路控制器使近十几年来发展起来的一种新型控制电路，具有功能齐全、控制简单、抗干扰能力强，价格便宜、重量轻、耗电省等优点。 随着太阳能热水器的推

2、广普与，在没有自来水的地方，如何使用水泵自动启停抽水并保证连续供水是一个现实的问题。由于太阳能热水器的注水箱大多安装在房顶上，是否缺水不易观察，如果使用自动水位控制装置来控制水泵的工作，就能够很好的解决这个问题，给广大的用户带来方便。 1.2 设计的内容和要求 1.2.1 内容 1、利用电导式传感器的三个电极设计一个太阳能热水器的水位报警器。 2、当水位处在高水位与底水位之间时，高水位与底水位的指示灯都处在熄灭的状态。 3、当水位低于低水位时，电源导通，低水位指示灯点亮，微分电路将产生脉冲，触发音乐集成电路工作。随之扬声器发出报警声，告知主人水箱的水已经空，单片机系统自动控制流向电磁阀往水箱注

3、水。 4、当水位高于高水位时，高水位指示灯导通微分电路将产生脉冲，触发音乐集成电路，随之扬声器报警，告知主人水箱的水已经注满，单片机系统自动控制控制阀断电，停止往水箱注水。 根据以上的要求，该水位传感器报警器系统电路大致设计为下图1-1： 图1-1 水位传感器控制原理图 1.2.2要求 1、当水位报警器接通电源时，主电路有相应的电源指示灯点亮，指示电源正常。 2、当太阳能热水器水箱缺水，电路能发出光报警，单片机系统控制电磁阀向水箱中送水。 3、当水箱中的水上升到需要的高度时，电路发出光报警，单片机系统控制电磁阀断电，停止向水箱中送水。 图1-2 电磁阀控制原理图 注：1为水箱 2为套管 3为滑

4、竿 4为浮球 5为接触开关 6为电磁阀 7为通水孔 8为连接支架 1.3课题设计的意义 单片机用于提升机监控系统中,通过对提升机的运行速度、加速度和控制线路中的继电器等元器件进行在线检测,以确保提升系统的安全,还可以根据负荷的变化,自动控制电阻的切除,从而使启动平衡,减少对机械系统的冲击;从而延长太阳能的使用寿命。 鉴于以上种种，本课题主要研究如何对水位如何进行有效监控的方法，以期能够对解决一些生活中水位监测提供一种思路。 在现实中人每天进行上下水要花费大量时间，还有可能忘记，而随着社会的进步，时间的经济化，加水时有会忘记，自动上水每天定时（一般是早晨，根据水压情况用户可自行设定）给太阳能上水

5、，清晨还可以洗热水澡。 而随着人们生活水平的不断提高，节能省时意识的日益加强，本人经多次实践和论证，积极开发研制出了太阳能热水器全自动定时上水控制系统。本系统能解除人们忘了上水没有热水用，上水后忘了关水流水不止的烦恼。能实现了节约用水，防止真空管暴裂的目的。 太阳能热水器的自动送水装置是目前现实生活中较为实用的生活环保用品，已得到广泛关注。在提高生活质量和环保事业中充分发挥了它的作用。基于数字控制电路更能显示出它的优越性与人性化。随着技术的不断进步，有理由相信未来的单片机技术与数字技术使用会更加普与发展会更加迅速。 第二章:设计方案比较 2.1PLC的应用特点 PLC是一种专门为在工业环境下应

6、用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。PLC与其有关的外围设备都应该按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。 1可靠性高，抗干扰能力强 2配套齐全，功能完善，适用性强 3易学易用，深受工程技术人员欢迎 4系统的设计，工作量小，维护方便，容易改造 利用PLC实现需深刻了解其梯形图与指令，目前市场较常用。PLC是计算机技术于继电接触器控制技术相结合的产物。它是满足生产机械和工艺的要求和电气控制系 统本身的制造、使用

7、以与维修的需要。但所设计的东西较为烦琐，有一点的失误检查起来很难。所以此方法对于本课题不适合。 2.2 单片机的应用特点 单片机是把微型计算机主要部件都集成在一块芯片上，即一块芯片就是一个微型计算机。因此，单片机具有如下特点。 1控制能力强 单片机集成度为了满足控制要求，单片机的指令系统中均有极其丰富的条件转移指令、较强的I/O逻辑操作与位处理功能，因而其控制灵活、方便，容易满足工业控制的要求。 2抗干扰能力强，可靠性高 单片机集成度高，体积小，内容采用总线结构，减少了芯片内部之间的连线，大大提高了单片机的可靠性和抗干扰能力，适宜于恶劣环境工作下工作。 3性价比高 单片机功能丰富，而其价格仅为

8、5到30元 4易扩展 片内具有计算机正常运行所必要的部件，片外有许多供扩展用的三总线并行、串行输入输出管脚，很容易很容易构成各种规模的应用系统。 5低功耗、低电压 一般单片机的功耗仅为20到100mW,电压为2到6V（不同型号的数值完全不一样），便于成产便携产品。 6.种类多，型号全。很多单片机厂家逐年扩大适应各种需要，有针对性地推出一系列型号产品，使系统开发工程师有很大的选择余地。大部分产品有较好的兼容性，保证了已开发产品能顺利移植，较容易地使产品进行升级换代。 7使用寿命长。这里所说的长寿命，一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作十年、二十年，另一方面是指与微处理器相比的长寿命。 A

9、T89C51单片微型计算机为核心并根据频率的特性来构成本方案的基本设计思想，这是由于单片机具有体积小，重量轻，价格便宜，功耗低，控制功能强以与运算速度快等特点，且在国民经济建设，军事以与家用电器等各个领域均得到了广泛的应用。而单片机所具有的这些优点能够使得该设计满足以上要求，即技术新、先进、体积小、精度高、功能扩展极其方便，且衡量之下它的成本较之其它方案要低些。除此之外单片机的外围电路也非常的简单,系统紧凑,对于这种小规模的应用系统,单片机具备了最佳的价格和最简单的电路.而且更容易让更多的人控制使用. 2.3 单片机与PLC的比较 PLC是一种可编程的控制器，相当于一种控制设备，主要用于工业自

10、动化等领域，大都采用梯形图编程，也可以用组态软件。其特点是非常可靠。所以此方法对于本课题不适合。 单片机体积小，集成度高，成本低，抗干扰能力强，控制能力强。 应该说这两者有很大的区别，由于目前它们的应用需求都不少，前景都是不错的。这是因为单片机的外围电路非常的简单,系统紧凑,对于小规模应用系统,单片机又具备了最佳的价格和最简单的电路.而且更容易让更多的人控制使用. 本设计系统结构 简单，价格低廉，用单片机完全能够实现。 AT89C51单片微型计算机为核心并根据频率的特性来构成本方案的基本设计思想，这是由于单片机具有体积小，重量轻，价格便宜，功耗低，控制功能强以与运算速度快等特点，且在国民经济建

11、设，军事以与家用电器等各个领域均得到了广泛的应用。而单片机所具有的这些优点能够使得该设计满足以上要求，即技术新、先进、体积小、精度高、功能扩展极其方便，且衡量之下它的成本较之其它方案要低些。除此之外单片机的外围电路也非常的简单,系统紧凑,对于这种小规模的应用系统,单片机具备了最佳的价格和最简单的电路.而且更容易让更多的人控制使用. 因此,我采用单片机结构这种方案,来用于我的设计!、 第三章设计所用材料与其工作原理 3.1传感器的介绍与应用 3.1.1 传感器的介绍 传感器的定义：传感器是指能感受规定的被测量，并按照一定的归来转换成可用输出信号的器件或装置。传感器就是利用物理效应、化学效应、生物

12、效应，把被测的物理量、化学量、生物量等非电量转换成电量的器件或装置。 传感器技术对现代化科学技术、现代化农业与工业自动化的发展起到基础和支柱的作用，在世界各国已成为一种重要产业。可以说没有传感器就没有现代化的科学技术;没有传感器也就没有人类现代化的生活环境和条件。传感器技术已成为科学技术和国民经济发展水平的标志之一。 3.2.2 传感器的应用 传感器不仅充当着计算机、机器人、自动化设备的“感觉器官”与机电结合的接口，而且已渗透到军事和人类生命、生活、生产的各个领域，从太空到海洋，从各种复杂的工程系统到人们日常生活的衣食住行，都已经离不开各种各样的传感器。 （1）传感器在机械制造中的应用在石油、

13、化工、电力、钢铁、机械等工业生产中，需要与时检测各种工艺参数的相关信息，并通过电子计算机或控制器对生产过程进行自动化控制。 （2）传感器在汽车中的应用在汽车上，温度、压力、流量、湿度、气体、位置、速度、加速度、转矩等各种各样的传感器已经得到了广泛的应用。利用传感器检测的信息，实现发动机燃油喷射系统的精确控制，一保障汽车安全行驶。 （3）传感器在智能建筑中的应用采用新材料、新信息机通信技术的智能建筑是现代楼宇建设的发展趋势。在智能建筑物的各个方面，如信息和通信系统、交通管理、加热与通风机空气调节、能源管理、个人安全与保障系统、维护管理、灵巧的居室装置以与新的智能建筑结构，都要应用各种传感器。 （

14、4）传感器在家电中的应用现代家庭中，家电厨具、空调器、电冰箱、洗衣机、电热水器、安全报警器、吸尘器、电熨斗、照相机、音像设备等都用到了传感器。（5）传感器在安全防范重的应用火灾、盗窃，不断给人类生命和财产安全带来极大的威胁。安全防范技术在世界各国已经形成产业。防火、防盗，广泛应用了光电。热电、压电、气体、红外、超声波、微波与图像等传感器。 （6）传感器在机器人中的应用在生产用的单能机器人中，传感器用来检测臂的位置和角度；在智能机器人中，传感器用作视觉和嗅觉。传感器占机器人成本的二分之一以上。 （7）传感器在人体医学上的应用在医疗上应用的传感器可以对人体温度、血压、心脑电波与肿瘤等进行准确地测量

15、与诊断。 （8）传感器在环境保护中的应用为保护环境，研制用以检测大气，水质与噪声污染的传感器，已为世界各国所重视。 （9）传感器在航空航天种的应用在飞机与火箭等飞行器上，要使用传感器对飞行速度、加速度、飞行距离与飞行方向、飞行姿态进行检测。 （10）传感器在摇杆技术中的应用在飞机与卫星等飞行器上利用紫外、红外光电传感器与微波传感器探测气象、地质等；在船舶上利用超声波传感器进行水下探测。（11）传感器在军事方面的应用利用红外探测仪可以探测地形、发现地物与敌方各种军事目标；红外雷达具有搜索、跟踪、测距等功能，可以搜索几十到上千千米内的目标；其她还有红外制导、红外通信、红外夜视、红外对抗等。再如，用

16、压电陶瓷制成的压电引信称为弹丸起爆装置，具有瞬发度高、安全可靠、不可配置电源等特点，常用在破甲弹上。 3.2.3 传感器的选用 根据该次毕业设计要求，将感受到的水位信号传送到单片机，单片机内的计算机将实测的水位信号与设定信号进行比较，得出偏差，然后根据偏差的性质，向给水电动阀发出开关的指令，保证容器达到设定水位。 需对水位进行控制，因此综上选择水位传感器。 3.3单片机的介绍与选择 3.3.1 单片机的介绍 单片微型机简称单片机，特别适用于控制领域，故又称微控制器。 通常，单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含计算机的基本功能部件：中央处理器CPU、存储器和I/O接口电路等。因此，单片机只需要

17、适当的软件与外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。 单片机是微型机的一个主要分支，它的结构上的最大优点是把CPU、存储器、定时器和多种输入/输出接口集成在一块超大规模的集成电路芯片上。就其组成和基本工作原理而言，一块单片机芯片就是一台计算机。 1单片机的组成 单片机的核心部分是中央处理器CPU，它是单片机的大脑，由它统一指挥和协调各部分的工作。时钟电路用于给单片机提供工作时间所需有的时钟信号。程序存储器和数据库存储器分别用于存放单片机工作的用户软件和存储临时数据。中断系统用于处理系统工作时出现的突发事件。定时/输出接口（I/O接口）是计算机与输入/输出设备之间的接口。输入/输出设备是计算

18、机或其她设备交换信息的装置，如显示器、键盘和打印机等。 2单片机的特点 由于单片机是把微型计算机主要部件都集成在一块芯片上，即一块芯片就是一个微型计算机。因此，单片机具有以下特点。 a控制功能强。为了满足工业控制要求，单片机的指令系统中均有极丰富的条件分支转移指令、较强的I/O逻辑操作与位处理功能，因而其控制灵活、方便，容易满足工业控制的要求。 b抗干扰能力强，可靠性好。单片机集成度高，体积小，内部采用总线结构，减少了芯片内部之间的连线，大大提高了单片机的可靠性和抗干扰能力，适宜于恶劣环境下工作。 C性能价格比高。单片机功能丰富，而其价格仅为530元。 D易扩展。片内具有计算机正常运行所必需的

19、部件，片外有许多扩展用的三总线并行、串行输入输出管脚，很容易构成各种规模的应用系统。 E低功耗、低电压。一般单片机的功耗仅为20100mW，电压为26V（不同型号的数值不完全一样），便于生产便携式产品。 3单片机的应用领域 单片机由于体积小、集成度高、成本低、抗干扰能力和控制能力强等优点，因而广泛应用于以下的各个领域中。例如工业自动化、智能仪器仪表、消费类电子产品、通信方面、武器装备和终端与外部设备控制等方面都得到广泛的应用。 在以控制为主，以数据为辅的系统中，使用单片机可以获得良好的效果。对于工作速度不高，数据处理量不大，控制过程不很复杂的场合，如家用电器。商用产品等，可选用四位单片机；对于

20、工业控制、智能仪表等，可选用八位单片机；对于要求很高的实时控制与复杂的过程控制，如机器人、信号处理等，则最好选用16位单片机。 4单片机的发展趋势 总的来说，单片机的发展趋势是向大容量、高性能化、外围电路内装化等方面发展。为满足不同用户要求，各公司相继推出了能满足不同需要的产品。 纵观单片机几十年的发展历程，单片机的今后发展方向将向多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、低价格、外围电路内装化，以与片内存储器容量增加和Flash 存储器化方向发展。但其位数不一定会继续增加，尽管现在已经有了32位单片机，但使用的并不多。可以预言，今后的单片机将是功能更强、集成度更高而功耗更低，以与使用更方便。

21、3.3.2 最小系统的应用 单片机系统的扩展是以基本的最小系统为基础的，故应首先熟悉最小应用系统的结构。实际上内部带有4KB程序存储器的8051或8751单片机本身就是一个最简单的最小系统，许多实际应用系统就是这种成本和体积小的单片机结构实现了高性能的控制。对于目前国内较多的内部无程序存储器的芯片8031来说，则要用外接程序存储器的方法才能构成一个最小应用系片内带程序存储器的8031，8751本身即可构成一片最小系统，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，同时/EA接高电平，ALE,/PSEN信号不用，系统就可以工作。 该系统的特点如下： (1)系统有大量的I/O线可供用户使用P0,P1,P

22、2,P3都可以作为I/O口使用。 (2)内部存储器的容量有限，只有128B的RAM和4KB的程序存储器。 (3)应用系统的开发具有特殊性，由于应用系统的P0口，P2口在开发时需要作为数据，地址总线，故这两个口上的硬件调式只能用模拟的方法进行。8051的应用软件必须依靠厂家用掩膜技术置入，故一般只适用于可作大批量生产的应用系统。 3.3.3 单片机的选用 由于该设计系统较为简单，应选择价格低廉，比较常见的单片机，因此综上所述单片机型号可以选用AT89C51。 3.4电磁阀的分类与选择 3.4.1电磁阀的分类 1.电磁阀从原理上分为三大类： 1、直动式电磁阀： 原理：通电时，电磁线圈产生电磁力把关

23、闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。 特点：在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm。 2、分布直动式电磁阀： 原理：它是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口没有压差时，通电后，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。当入口与出口达到启动压差时，通电后，电磁力先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。 特点：在零压差或真空、高压时亦能可*动作，但功率较大，要求必须水平安装。 3、先导式电磁阀： 原理：通电时，电磁力把

24、先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭件周围形成上低下高的压差，流体压力推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，流体压力推动关闭件向下移动，关闭阀门。 特点：流体压力范围上限较高，可任意安装（需定制）但必须满足流体压差条件。 2.电磁阀从阀结构和材料上的不同与原理上的区别，分为六个分支小类： 直动膜片结构、分步重片结构、先导膜式结构、直动活塞结构、分步直动活塞结构、先导活塞结构。 电磁阀在选型时的注意事项 一：适用性 管路中的流体必须和选用的电磁阀系列型号中标定的介质一致。 流体的温度必须小于选用电磁阀的标定温度。 电

25、磁阀允许液体粘度一般在20CST以下，大于20CST应注明。 工作压差，管路最高压差在小于0.04MPa时应选用如ZS,2W,ZQDF,ZCM系列等直动式和分步直动式；最低工作压差大于0.04MPa时可选用先导式（压差式）电磁阀；最高工作压差应小于电磁阀的最大标定压力；一般电磁阀都是单向工作，因此要注意是否有反压差，如有安装止回阀。 流体清洁度不高时应在电磁阀前安装过滤器，一般电磁阀对介质要求清洁度要好。 注意流量孔径和接管口径；电磁阀一般只有开关两位控制；条件允许请安装旁路管，便于维修；有水锤现象时要定制电磁阀的开闭时间调节。 注意环境温度对电磁阀的影响 电源电流和消耗功率应根据输出容量选取

26、，电源电压一般允许10%左右，必须注意交流起动时VA值较高。 二、可靠性 电磁阀分为常闭和常开二种；一般选用常闭型，通电打开，断电关闭；但在开启时间很长关闭时很短时要选用常开型了。 寿命试验，工厂一般属于型式试验项目，确切地说我国还没有电磁阀的专业标准，因此选用电磁阀厂家时慎重。 动作时间很短频率较高时一般选取直动式，大口径选用快速系列。 三、安全性 一般电磁阀不防水，在条件不允许时请选用防水型，工厂可以定做。 电磁阀的最高标定公称压力一定要超过管路内的最高压力，否则使用寿命会缩短或产生其它意外情况。 有腐蚀性液体的应选用全不锈钢型，强腐蚀性流体宜选用塑料王（SLF）电磁阀。 爆炸性环境必须选

27、用相应的防爆产品。 四、经济性 有很多电磁阀可以通用，但在能满足以上三点的基础上应选用最经济的产品。电磁阀的选型 电磁阀选型首先应该依次遵循安全性，可靠性，适用性，经济性四大原则，其次是根据六个方面的现场工况(即管道参数、流体参数、压力参数、电气参数、动作方式、特殊要求进行选择)。 选型依据： 一、根据管道参数选择电磁阀的：通径规格(即DN)、接口方式 1、按照现场管道内径尺寸或流量要求来确定通径(DN)尺寸。 2、接口方式，一般DN50要选择法兰接口，DN50则可根据用户需要自由选择。 二、根据流体参数选择电磁阀的：材质、温度组 1、腐蚀性流体：宜选用耐腐蚀电磁阀和全不锈钢；食用超净流体：宜

28、选用食品级不锈钢材质电磁阀。 2、高温流体：要选择采用耐高温的电工材料和密封材料制造的电磁阀，而且要选择活塞式结构类型的。 3、流体状态：大至有气态，液态或混合状态，特别是口径大于DN25订货时一定要区分开来。 4、流体粘度：通常在50cSt以下可任意选择，若超过此值，则要选用高粘度电磁阀。 三、根据压力参数选择电磁阀的：原理和结构品种 1、公称压力：这个参数与其它通用阀门的含义是一样的，是根据管道公称压力来定。 2、工作压力：如果工作压力低则必须选用直动或分步直动式原理；最低工作压差在0.04Mpa以上时直动式、分步直动式、先导式均可选用。 四、电气选择：电压规格应尽量优先选用AC220V、

29、DC24较为方便。 五、根据持续工作时间长短来选择：常闭、常开、或可持续通电 2、要是开启的时间短或开和关的时间不多时，则选常闭型。 3、但是有些用于安全保护的工况，如炉、窑火焰监测，则不能选常开的，应选可长期通电型。 六、根据环境要求选择辅助功能：防爆、止回、手动、防水雾、水淋、潜水 1、爆炸性环境：必须选用相应防爆等级的电磁阀(我公司现有：d II BT4、d II CT5、Ex m I/II T4) 。 2、当管内流体有倒流现象时，可选择我公司OK71-N、OK72-N系列带止回功能电磁阀。 3、当需要对电磁阀进行现场人工操作时，可选择我公司OK71-S、OK72-S系列带手动功能电磁阀。 4、露天安装或粉尘多场合应选用防水，防尘品种(防护等级在IP54以上)。 5、用于喷泉必须采用潜水型电磁阀(防护等级在IP68以上)。 3.4.2电磁阀的选择 因此综上所述电磁阀可以选用价格低廉的直动式电磁阀。 3.5时钟电路 时钟电路:AT89C51内部有时钟电路,但石英晶体和微调电容是需要外接的.时钟电路为单片机产生时钟脉冲序列.本次设计选用的晶振频率为6MHZ. 时钟电路如下图所示: