太阳能热水器的智能控制器的硬件设计629.pdf
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1、第 1 页 太阳能热水器的智能控制器的硬件设计 前 言 一直以来,我国在利用非可再生能源的同时,也在努力寻找合适的可再生能源,用来替代或减少对不可再生能源的使用,为以后的可持续发展创造好的条件。在可再生能源中太阳能是利用最早、最广泛的一种,它自身具有清洁、环保、安全、无污染、取之不尽用之不竭的特点,怎样才能充分、高效的利用太阳能呢?就目前来看,是利用太阳能热水器进行光热转换,给水加热,满足人们的日常用水需求,如:洗澡、洗菜、洗衣服,还有平时的洗梳,拖地洗车等。为了进一步推进太阳能技术的应用,为国家节约能源,减少环境污染,选择了该课题。我国的太阳能热水器行业,发展到现在,已经有十几个年头了,已由
2、幼年成长到了青年,正是飞速成长的时期,现在每年大约有 20%30%的新用户使用太阳能热水器,尤其在南方,太阳能热水器的普及率基本达到了 40%;在北方消费者也正在接受太阳能产品,目前普及率也基本达到了 15%;而在国外,该行业发展缓慢,现在国外的一些国家给予了该行业足够得重视,使第 2 页 它较以前步伐有所加快,总体来说普及率仍然很低。目前我国多数太阳能热水器功能单一,操作不方便,控制起来不能达到理想效果,只有温度、水位的显示功能,而对其控制的智能化水平不高。为了较好的处理这一问题,现对太阳能热水器的智能控制器进行如下设计设计。本文的 CPU 为 89C51 单片机,用它来做为检测控制的核心,
3、并采用美国达拉斯公司生产的 DS12887 实时时钟芯片,不仅实现了水位、水温、时间三种参数的实时显示功能,而且还通过其他的一些芯片,辅助与相关的软件程序实现了水温、水位、时间的设定。其中,数据采集系统,分别用水温、水位传感器采集连续变化的水温、水位模拟量信号,用 ADC0809 进行 A/D 转换,形成数字信号,送到 CPU 89C51 中进行处理,实现水温、水位的显示。对于时间的显示,采用美国达拉斯公司生产的 DS12887 实时时钟芯片,利用它自身断电不易丢失数据,准确的时钟功能的特点来实现。该智能控制器与同类产品相比具有很大的优势,很多同类的控制器只有进行简单的水温、水位等的显示功能,
4、不能智能控制;即使部分产品具有控制功能,也只是单一功能的设定,尤其是具有水温智能控制功能的产品更少。而本文设计的智能控制器不仅有水温、水位、时间的显示和设定功能,而且对于水温的第 3 页 设定还可以综合考虑外界环境因素,进行智能化的控制,它是采用了模糊控制技术7,利用它可以用电辅助加热系统使储水箱内的水温在预定时间达到定的温度,从而达到一天 24 小时提供热水,使你一年四季天天都有热水用。从可行性方面分析,现在市场上的太阳能热水器的智能控制器,基本具备了所有的功能,但具体到一款产品上,往往是功能单一,有的只有时间、水温的显示,有的只能显示水温、水位,而控制这方面有的只能设定时间,有的只能设定水
5、位,本课题研究的智能控制器是对以上产品各功能的集成,有由于当前市场上众多的功能模块,该实验方案的可行性很强,完全有把握完成该实验。一 太阳能热水器系统的总体结构 太阳能热水器系统整体结构如图 1-110。在真空管太阳能热水器的保温储水箱内增加一个与电热水器类似的电热元件,并固定在绝缘底座上,引出交流电源线入户,有辅助控制系统的继电器控制通断电。它安装在水箱的一侧,是一个热辅系统(如图 1-2),它的作用是在连续阴雨或者寒冷季节时,给水箱内胆的水加热,使其达到用户的使用要求。水位、温度探测器从保温储水箱的另一侧放入水箱的内胆,通过电缆线接入用户的智能控制器。电磁阀是系统上水的直接控制器件,它接受
6、智能控制器的信号,实现自动上水,水满自止的功能。在上、下水管外加伴热带和保温材料,防止寒冷季节,管道的冻堵,影响第 4 页 用户的使用。图 1-1 太阳能热水器系统整体结构图 第 5 页 图 1-2 太阳能热水器热辅助系统结构图 二 智能控制器的硬件部分 太阳能热水器的智能控制器设计实现主要有硬件和软件部分组成,本文主要针对控制器设计的硬件部分9。2.1 硬件结构图 硬件系统结构图如图 2-1 所示。该系统主要包括 89C51 单片机系统3,DS12887 实时时钟芯片、储水箱水位温度检测接口、控制键及串行显示、硬件看门狗和复位接口电路及继电器输出接口电路等1。图 2-1 太阳能热水器智能控制
7、器的系统结构图 2.2 控制器的总体工作过程介绍 给太阳能热水器加装自动控制功能,是通过储水箱水位、水温检测部分获得水位、水温信息,经 A/D 转换器送入 89C51 单片第 6 页 机,处理后发送给显示器,实现了水温、水位的显示,在通过相关软件完成对水温、水位的设定4;采用 DS12887 实时时钟芯片为系统提供准确的基准时间,经 CPU 89C51 处理后送显示器,实现了时间的显示,同时发送信号给继电器、电磁阀,分别与设定的温度、设定的水位进行比较,决定继电器、电磁阀是否工作。本系统还采用了一系列抗干扰技术使其工作更可靠。下面介绍一下 89C51 单片机的各引脚及其功能5:在 89C51单
8、片机内部有一个 CPU 用来运算、控制,有四个幷行 I/O 口,分别是 P0、P1、P2、P3,有 ROM,用来存放程序,有 RAM,用来存放中间结果,此外还有定时/计数器,串行 I/O 口,中断系统,以及一个内部的时钟电路.对幷行 I/O 口的读写只要将数据送入到相应 I/O 口的锁存器就可以了。在单片机中有一些独立的存储单是用来控制这些器件的,被称之为特殊功能寄存器(SFR)。符号地址功能介绍备注:B F0H B 寄存器;ACC E0H 累加器;PSW D0H 程序状态字;IP B8H 中断优先顺序控制寄存器;P3 B0H P3 口锁存器;IE A8H 中断允许控制寄存器;第 7 页 P2
9、 A0H P2 口锁存器;SBUF 99H 串行口锁存器;SCON 98H 串行口控制寄存器;P1 90H P1 口锁存器 1;TH1 8DH 计时器/计数器 1(高 8 位);TH0 8CH 计时器/计数器 1(低 8 位);TL1 8BH 计时器/计数器 0(高 8 位);TL0 8AH 计时器/计数器 0(低 8 位);TMOD 89A 计时器/计数器方式控制寄存器;TCON 88H 计时器/计数器控制寄存器;DPH 83H 数据地址指标(高 8 位);DPL 82H 数据地址指标(低 8 位);SP 81H 堆栈指标;P0 80H P0 口锁存器;PCON 87H 电源控制寄存器;下面
10、,我们介绍一下几个常用的 SFR;ACC:累加器,通常用 A 表示;B:一个寄存器;PSW:程序状态字 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0;CY AC F0 RS1 RS0 OV P。下面我们逐一介绍各位的用途 第 8 页 CY:进位标志.89C51 中的运算器是一种 8 位的运算器;AC:半进位标志;F0:用户标志位;RS1、RS0:工作寄存器组选择位;0V:溢出标志位;P:奇偶校验位;DPTR(DPH、DPL):数据指标,可以用它来访问外部数据记忆体中的任一单,也可以作为通用寄存器来用;P0、P1、P2、P3:四个幷行输入/输出口的寄存器;SP:堆栈指针;2.3 各功能模块及实
11、现过程进行介绍 2.3.1 控制器的实时时钟功能模块 实时时钟功能模块主要是完成 24 小时定时和实时显示功能。本系统中的实时时钟,选用美国达拉斯公司生产的 DS12887 实时时钟芯片,在硬件设计上,该芯片能为系统提供准确的基准时间,而且在软件上也能定时的读出当前的时间,并与设定时间相比较以决定系统的工作情况,完全满足需求。该芯片的主要特点是,断电情况下运行十年以上不丢失数据,计秒、分、时、日、月、年,并具有闰年补偿功能,可用二进制数码或 BCD码表示时间、日历和报警,所以该芯片被广泛的勇于计算机、电力仪表、工控机中,现就该芯片在这款智能控制器中的具体第 9 页 应用进行介绍。DS12887
12、 与 89C51 的接口电路图如图 2-2 所示。模式选择脚 MOT 接地,选择 INTEL 时序。DS12887 的高位地址用 89C51 的 P2.4 选择,DS12887 的中断输出端 接上电阻同89C51 中断线 相连,为单片机提供中断信号,SQW 端口编程为方波输出,其输出的频率为 2Hz,为了得到 1Hz 的秒输出,用74LS74 进行二分频,驱动两个发光二级管做为数码管显示器的秒闪烁显示。图 2-2 单片机 89C51 与 DS12887 的接口图 2.3.2 水箱的水温检测接口 该系统中水温检测是利用热敏电阻搭成电桥6,先经过集成运算放大器进行放大,再送入 A/D 转换器把该模
13、拟量转换为数字量送入 CPU89C51 进行处理,从而完成温度的检测。所用热敏电阻为标称电阻为 10K 的负温度系数的热敏电阻。对于电桥的差压信号放大采用了性能稳定的集成运算放大器 CF741。对于 A/D 转换器件,本系统采用了 TLC0831 芯片,该芯片是新型的串行 A/D 转换器,只有一个输入通道,采用了 8 位逐次逼近的方式,其 REF 端输入等于最大模拟信号输入值,可以得到满比例尺转换,获得最高的转换分辨率。89C51 通过 RXD 和 TXD采用串行通信方式 0,向串入并出 74LS164 发送显示代码,从而实现时间和温度的显示功能。第 10 页 本设计可选选用具有负温度系数的热
14、敏电阻来测水温12,热敏电阻与普通电阻不同,它具有负的温度特性,当温度升高时,电阻值减小,为了感知温度。热式负温度系数热敏 电阻,它的技术特性如表 2-1。表 21 热式负温度系数热敏电阻技术特性 型号 标称电阻()材料常数()温度系数()使用温度范围 MF51 15K 5 3300 5 3.7 -55+300 520K 3600 4.0 2080K 3900 4.3 80100K 4300 4.7 它能满足本设计的测量灵敏度要求和2%的测量精度要求,性价比较高。水温测量原理图如图 2-3 所示 图 2-3 水温测量原理图 第 11 页 与水位传感器一样,在设定好合适的参数(R1、R2、Rs、
15、C)后,对应每个热敏电阻 阻值,环形振荡器便能产生一个特定周期的矩形波。(21)T可通过单片机的 T0 外部计数和 T1 内部定时的方式确定。(22)然后通过下列公式求温度:(23)其中-被测温度 -与热敏电阻特性有关的参数-与热敏电阻特性有关的系数 -热敏电阻阻值 以上计算均可由软件编程实现,把计算出的温度转化成BCD 码,然后再存放于显示缓 冲区中,执行相应的功能程序。第 12 页 1.CF741 特性 CF741 是单片高性能内补偿运算放大器13。具有较宽的共模电压范围,在使用中不会出现闩锁现象。可用作积分器、求和放大器及普通反馈放大器。不需外部频率补偿;具有短路保护;失调电压调到零的能
16、力;较宽的共模和差模电压范围;功耗低;无阻塞现象。该器件有两种工作温度范围如下:CF741M -55125 CF741C 070 2.引脚功能说明 IN+同向输入;IN-反向输入;OA1、OA2 调零;OUT 输出;V+正电源;V-负电源。3.极限参数 电源电压 CF741M 22V 第 13 页 CF741C 18V 差模输入电压 30V 共模输入电压 15V 工作温度范围 CF741M -55125 CF741C 070 贮存温度范围 -65150 2.3.3 储水箱水位的检测接口 本系统中水位检测的实现,是在水箱中用四个探针取 4 段水位8,来检测水的位置。工作原理是利用水的导电作用,当
17、某一探针接触水时,会使某“非”门输入为低电平,输出变为高电平,使与之相对应的 LED 被点亮,例如:探针从低到高位置依次为 1、2、3、4,分别对应 LED1、LED2、LED3、LED4,当水位到达探头 1 时,其输入低电平,输出高电平,LED1 被点亮,显示水位为一格,当达到探头 2 时,LED2 被点亮,显示水位为二格,依次类推,可显示整个水箱的储水位置。接下来,将水位信息传给 CPU 89C51,采用的是 20 引脚的三态八缓冲器74LS244,当水位读入 CPU 后,则完成了对水位的检测和显示。2.3.4 控制键及串行显示部分 该智能控制器的显示部分主要用于显示设定温度、时间和水位,
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