太阳能热水器控制系统的设计与研究
太阳能热水器控制系统的设计与研究
本文介绍了一种基于AT89C51单片机的太阳能热水器控制系统设计。该系统通过集成实时时钟模块、温度传感器模块和液晶显示模块，实现了对水位、温度等信息的实时监测和智能化控制。在阴雨天等光照不足的情况下，系统还能通过电加热模块继续提供热水，具有较高的实用性和市场前景。
系统简介
当前世界人口数量不断攀升，经济发展速度也越来越快，此时在能源领域也出现了越来越多的问题：能源消耗、环境在不断地，不断地污染，而这些问题也逐渐被了解。这个时候“低碳生活”就成为了人们所关心的问题，逐渐踏入社会人们的视野。众所周知，太阳能是再生能源，在世界各地是取之不尽，用之不竭的，与环境保护问题相符合，本质上基本未受到污染。基于此，我国必须对太阳能有关技术引起足够重视，并发展有关产业。需要看到的是，太阳能是一种极具市场前景的能源。在此基础上，出现的太阳能热水器不但满足了时代发展需要，同时也令人们在环保方面的需要得到了满足，这是一种我们应该提倡使用的绿色节能产品。
此提出了一种基于控制系统微控制器的设计一种新型的太阳能热水器。这种太阳能热水器不同以往。此次设计中选择的中央处理器是AT89C51单片机，选择的显示屏是12864点阵式液晶屏，选择的温度传感模块是DS18B20温度传感模块，通过上述器件来设置和显示时间以及水位等信息，并且能够在阴雨天进行电加热等功能。通过分析这些信息模块，太阳能热水器能够进行全天候的提供热
1 绪论
在当今社会的不断发展，人们的衣食住行正在改善。现在我们许多城镇小区都在使用一次性能源，绿色建筑、节能技术产品还没得到普及，排放出的大量不利于人们身体健康的气体和物质。近些年PM2.5已经成为我们生活中的热门话题。与风能，水能，太阳能等一系列的可重复使用的能源，逐渐应用到生活中。太阳能热水器能够得到满足人们对环境进行保护、绿色金融产品的需求。因此，每个家庭将太阳能转化为市场潜力非常大。太阳能热水器能够进行控制一次性能源造成环境污染的问题，并且还可以通过减少地球上的一次性能源的消耗，太阳能作为一种新型发展绿色可再生的资源，资源丰富并且我国绿色环保。太阳能已经逐渐被认可，很多地方都在使用太阳能电池板等太阳能设备。它的市场发展前景十分巨大，商机无处不在。它使用一个非常的轻松、方便，适用于企业各个不同年龄段的人群。
1.1 研究目的及意义
社会的不断发展，人们对资源的日益依赖。许多一次性使用能源被企业（煤、石油、天然气）一一开发出来。然而，随着这些能源的不断使用，全球能源将持续减少；而且，这些资源的使用将继续污染我们赖以生存的环境。
目前，PM2.5、温室效应等环境问题成为了人们生活中的话题。从环保的角度来看，太阳能热水器不会污染环境。因此设计一款节约能源，并且还不会污染环境的设备，无论对于社会还是家庭来讲，都是具有实用而又经济的重要意义。
太阳能热水器的使用寿命长，并且投资还很小，一个太阳热水器可以使用十几年之久，而它的投资也仅仅只有两三千左右，这个费用只要一些一次性能源的六七分之一。从长远角度来看，非常符合现在的社会环境，并且市场前景也非常广阔。在学校、商场、酒店等地方可以普及太阳能的相关装置。
1.2 研究的主要内容
本文主要研究的是太阳能热水器。这个太阳能热水器与市场上不同的是：它不仅仅是一个阳光灿烂的日子可以提供热水，即使是阴天下雨天，它仍然能够源源不断地提供热水。这主要分功于其中的电加热模块，可以在没有太阳的时候我们用电给水进行加热，满足社会和人们的需求。它还有一个实时的时间控制，根据实时时钟的控制，它能够提供一种相应的工作状态。
2 系统介绍
2.1工作原理
热水器主要由集热板、循环系统管道和水箱等重要组成。太阳能热水器是将太阳光能转化为热能，将水从低温加热到高温的装置。而当充分吸收太阳能量以后，集热器温度便会增加，此时水温也会上升，之后水开始通过循环水管上升，冷水通过下循水管下沉，就按照这个方式进行循环，当集热器吸收和丢失的能量达到平衡状态之后，水温便不会再继续上升。它是对热水利用循环加热这一原理进行了运用，因此又被叫作循环热水器。即使没有太阳的情况下，我们的电加热模块也可以供电给水提供加热。
2.2系统结构框图
系统结构框图如图2.1所示。
图2.1 结构框图
2.3系统电路图
图2.2系统电路图
2.4系统PCB图
图2.3 系统PCB图
3 太阳能热水器控制系统的硬件设计
3.1 AT89C51单片机
单片机AT89C51作为控制器，配有4KBflash存储器，其拥有128B的内部随机存储器。该单片机采用了Flash存储制造技术。兼容工业标准MCS-51引脚和产品指令。因为将多功能的八位CPU和可编程Flash存储器组合在一个芯片中，所以单片机 AT89C51不但十分灵活，而且效率也很高，这令诸多嵌入式控制应用系统得到了高性价比的方案。
（1）内核：8位CPU，全静态工作，工作频率的24MHz。
（2）存储器：一种带4K字节的flash存储器。
（3）一般采用4.5V-5.5V的电压。复位输入（RST）12-40MHz的晶振。
（4）AT89C51具有两个16位的T0和T1定时器。
（5）具有5个中断源：INT0,INT1分别为外部中断0和1，分别由P3.2和P3.3端口引入；TO,T1,T2分别是定时器/计数器0，1，2中断，分别由T0,T1,T2计数器记满回零引起。
（6）具有32根可以编程的I/O总线。
（7）能够和MCS-51互相兼容。
引脚简介：
VCC：供电电压。
GND：接地。
P0口：P0口能够用于外部存储程序数据的I/O口。
P1口、P2、P3口：是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口。
对于单片机AT89C51而言，P3口也能够成为它的特殊功能口，具体而言：
管脚P3.0和P3.1各自的备选功能分别为RXD、TXD，也就是串行输入、输出口。管脚P3.2和P3.3各自的备选功能分别为/INT0、/INT1，也就是外部中断0、1。管脚P3.4 和P3.5 各自的备选功能分别为T0、T1，也就是计时器0、1外部输入。管脚P3.6 和P3.7 各自的备选功能分别为/WR、/RD，也就是外部数据存储器写、读选通。P3端口能够对部分控制信号进行接收，然后将其用在两方面，这两方面首先是编程验证；其次是闪烁编程。
RST指的是复位输入。
ALE/PROG指的是一种低位字节，它的用途是锁存地址。
XTAL1指的是两方面的输入，这两方面首先是内部时钟工作电路；其次是反向振荡放大器。而XTAL2则来自后者的输出。
通过对振荡器特性进行分析能够发现，反向放大器的输入、输出分别是XTAL1、XTAL2。此反向放大器作为片上振荡器之后，既可以选择陶瓷振荡，也可以选择石晶振荡。若是选择的是外部时钟源驱动器件，那么就不用接输出，有余输入需要通过二分频触发器才能够到达内部控制时钟，所以只需要确保脉宽达到相关要求，而不用理会外部系统时钟信号脉宽。
图3.1 单片机系统
3.2 实时时钟模块
3.2.1 实时时钟模块电路
从古代的沙漏计时到如今的机械钟表来记录时间，从以前的电子类的钟表计时器到现在的数字仪器来测量时间，人们总是在努力对计时工具进行优化和更新。而自从钟表数字化之后，计时不但变得更加可靠，其精确度也显著提升。对于单片机系统而言，实时时钟这一部件显得十分重要。
实际上，人们生活中常见的实时时钟都是通过单片机中断服务来实现功能的，这样的方式采用了计数器和需要设置中断，查询等，这两种方式都占用着硬件资源，同时部分测控系统还存在不允许的可能；此外还有一些时钟芯片，比如DS1337、PCF8563、S-35390等，这些电路的接口非常简单、价格十分便宜、使用方便，能够被许多操作控制应用系统广泛地采用。
图3.2 DS1302与单片机接口电路
3.3 温度传感器模块
3.3.1 温度传感器模块电路
通过对DS18B20进行分析能够发现，其温度传感器模块基于AT89C51单片机，每个DS18B20有自己独一无二的序列号，利用CRC校验手段，能够对它的只度存储器完成寻址操作，如果地址相符，那么DS18B20便会响应，对主机命令进行接收，同时将转换温度发送给主机。通过此类寻址技术，将会令系统硬件电路的复杂度大大降低，具体情况见图3.4。
图3.4 DS18B20与单片机的连接电路
。
4 太阳能热水器控制系统软件设计
4.1 KEIL 的软件环境
此次编程使用的软件为Keil软件。该软件的开发者来自美国，属于51系列单片机软件，由于C语言存在诸多优点，比如可维护性强等等，因此利用51系列单片机C语言可以对汇编软件进行学习。
4.2太阳能热水器系统
图4.1 系统主流程图
4.3 太阳能热水器水位调节子程序的流程
图4.3 水位调节的测试
4.4 水温调节
图4.6 水温调节流程图
5 系统调试
5.1太阳能热水器硬件调试
设定最低温度，最高温度，在低于设定最低水温，继电器进行对水的加热，左边灯泡亮，如图所示
图5.1 设定最高温度
图5.2 设定最低温度
图5.3 低于最低温度继电器开始加热
图5.4低于设定最低温度，继电器工作（a）
图5.5 低于设定最低温度，继电器工作（b）
结 论
从一开始接触了解这个太阳能热水器开始，就发现这个社会常见的热水器总是还欠缺些什么，后来结合自己生活经历，发现了阴天、下雨天时候家里就没有热水了，所以将电热模块和光照结合在一起。
经过查阅各种的资料完成了太阳能热水器这篇论文。论文介绍了基于AT89C51单片机的太阳能热水器系统的设计。它描述了实时时钟模块、温度传感器模块、液晶显示模块等方面。利用AT89C51单片机来控制各模块，不但能够实时检测水位、温度等信息，还能够对整个系统程序进行智能化控制。在设计完成后，通过Keil和Protues仿真软件的调试，整个系统都达到了预期的效果。后期把相关的程序写入单片机，并且连接各个端口，来实现所要的功能的。
整个太阳能热水器功能器件比市场上的性价比更高，不但性能稳定，而且使用便捷。通过这篇论文，我也加深了对51单片机的了解，对相关的元器件了解也更加深刻。
文章中介绍了太阳能热水器的发展现状以及未来的发展前景，因为选择了太阳能，我觉得太阳能在未来的很多行业都可以得到更好地满足。
此太阳能热水器具有以下特点：操作简单，维护起来并不复杂，运行起来的可靠性也较高。此热水器可以节省许多不可再生的能源，也没有任何污染，更不会对环境造成任何的影响。
