论文总字数：29877字

摘 要

进入二十一世纪以来，尤其是在第三次工业革命以后，因为传统能源的减少，可再生的新型能源日益受到人们的关注。其中太阳能是运用范围最广，最普及的一种新能源，在人们生活中的各个方面都有着大规模的运用。太阳能热水器则是太阳能在人们生活中使用的一个具体事例。

本文基于AT89C51单片机，配合其他的元器件，设计出了一款使用方便，可靠性高的新型的家用太阳能智能控制器。针对太阳能热水器智能控制器的功能要求，使用AT89C51单片机为核心，配合DS18B20温度传感器及其水位探针，完成对于水温水位的实时监测与控制。利用电子管显示器和键盘电路，实现用户对于水温水位的预先设置，以及各种数据的实时显示。并且实现对于在水温水位不正常时，控制器可以进行保护动作并报警提醒用户。

关键词：AT89C51；太阳能热水器；温度传感器；控制器

Abstract

Since the 21st century, especially after the third industrial revolution，because of the decrease of traditional energy, people pay more and more attention to renewable new energy. Among them, solar energy as a new energy, is widely used in all aspects of people's life. Solar water heater is a typical example of solar energy used in daily life.

Based on AT89C51 single chip microcomputer and other components, this paper designs a new type of home solar intelligent controller which is easy to use and humanized. According to the functional requirements of the intelligent controller of solar water heater, AT89C51 single chip microcomputer is used as the core, and DS18B20 temperature sensor and its water level probe are used to complete the real-time monitoring and control of water temperature and level. By using the electronic tube display and keyboard circuit, the user can preset the water temperature and water level, and display all kinds of data in real time. In addition, when the water temperature and water level are abnormal, the controller can take protective actions and give an alarm to remind the user.

Key Words：；AT89C51；solar heater；Temperature sensor；controller

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的和意义 1

1.2 太阳能热水器的国内外市场发展现状 2

第2章 太阳能热水器系统简介 3

2.1 太阳能热水器的基本种类 3

2.1.1 平板型太阳能集热器 3

2.1.2 真空管型太阳能集热器 3

2.2 太阳能热水器器的工作原理 4

2..3 家用太阳能热水器智能控制器的主要功能 4

第3章 家用太阳能热水器智能控制器硬件设计 6

3.1 控制装置的硬件结构 6

3.2 键盘电路 10

3.3 显示器电路 11

3.4 温度检测电路 11

3.4.1 温度传感器DS18B20的特点 12

3.4.2 DS18B20温度传感器的工作原理 13

3.4.3 DS18B20温度传感器的工作时序 14

3.5 水位检测电路 16

3.6 辅助加热电路 17

第4章 太阳能热水器控制器的软件设计 19

4.1 主程序框架 19

4.2 键盘设置子程序 20

4.3 显示子程序 22

4.4 水温检测子程序 25

4.5 水位检测子程序 26

4.6 辅助加热子程序 26

4.7 保护报警子程序 28

第5章 家用太阳能热水器智能控制器实验与仿真 31

总结 32

参考文献 33

致谢 35

附录 36

第1章 绪论

1.1 研究的目的和意义

第三次工业革命以后，随着人类科技工业水平的不断进步发展，各个方面的科技都有了极大的提高。与此相对的，人类对于能源的需求也是日益提高。如果再仅仅依靠传统的化石能源，如石油，煤炭等。则无法再满足人类对于能源的巨大需求，拖累整个社会的进步脚步。并且随着人们现在日益重视对于大自然环境的保护，而继续使用传统能源所带来的污染问题，比如雾霾和空气污染等问题。因为过度使用以煤炭石油为代表的化石燃料，从而导致温室气体被过量的排放到大气层中，导致全球变暖，气温升高等弊端也已经开始逐渐显现。而其他传统能源，比如水能，由于受到地域的影响无法大规模使用。而且化石能源为不可再生资源，在地球上的储量有限，按照目前人类使用的速度来计算，石油资源储备将在未来四十年后枯竭，天然气资源储备将在未来六十年枯竭，煤炭资源储备将在未来一百年枯竭。在这种情况下，最近几十年以来，尤其是第三次工业革命之后，以太阳能为代表的新型可再生能源，开始逐渐被认知并快速发展起来。因为太阳能光伏发电技术的发展和成熟，太阳能成为了目前二十一世纪使用范围最广，效果最好的新型能源。

我们国家的太阳能资源数量及其庞大，在我国广阔的陆地及其海洋领地中，除了部分地区比如四川盆地，因为地势原因太阳能资源不足，不太适宜大规模使用太阳能以外。在我们国家其他的绝大部分地区，都十分适合使用太阳能这种安全可靠的新能能源来代替传统能源。根据科学估算，每年我国陆地面积接收的太阳能辐射总量，如果换算成标准煤来计算大约有24000亿吨。

太阳能的利用方式基本可以被分为以下四种。第一种是太阳能光-热利用，例如应该广泛的太阳能热水器。第二种是太阳能光-电利用，例如使用单晶硅作为电池原料的太阳能光伏发电技术，以及以各种非金属化合物为核心的太阳能薄膜发电技术。第三种是太阳能光-化学应用，这种方式主要是依靠太阳能量来直接分解水制作氢气。第四种太阳能光-生物应用，植物的光合作用就是最为典型的应用。在这四种应用方式中，以太阳能光热应用和太阳能光电应用两种方式的技术最为先进，在世界范围内也被大规模使用。太阳能光电应用是以光生伏打效应为原理，利用光电效应来产生电能，主要的应用有太阳能光伏电池板和太阳能薄膜电池两种。在太阳能光-热应用中，技术最为成熟，市场化程度最高的就是太阳能热水器的应用。

1.2 太阳能热水器的国内外市场发展现状

从改革开放以来到现在，经过长时间的努力，现在我们国家太阳能热水器产量为全世界最高的。但是因为在快速发展的同时忽略了引导和整合，目前也产啥了一些问题。具体表现在：整个行业的门槛较低，虽然产量大但是产品的自身的包含的技术都比较低端，没有形成核心竞争力，同质化程度高，整个行业都在通过牺牲利润来降低价格的方式获得生存空间。因此目前市场上的太阳能热水器虽然使用方便，并有良好的节能效果。但是存在功能重复单一，操作繁琐，需要一定学习成本。控制效果不理想，对于温度、水位的检测误差较大；系统整体的抗干扰性不强，使用年限长后系统容易出现乱码现象，影响日常的使用。并且目前大部分热水器只能实现本地控制，不具备远程查看和控制功能，没有跟上目前火热的5G物联网，万物互联的发展趋势。

太阳能热水器作为目前应用最为广泛的家用新能源设备之一，具有清洁、环保、节能、一次消费终生使用的优点。世界各国都十分重视对于太阳能热水器的研究与推广使用，根据自己的实际情况，纷纷提出了符合自身的太阳能热水器行业的发展规划。例如美国的“百万太阳能屋顶计划”。欧共体提出了“太阳热水系统热能供给保证体制”,以合同的形式对用户实现供热水的承诺,先后在法国、西班和德国加以实施,已取得了良好的效果[1]。以色列是一个化石能源资源较少而太阳能资源十分丰富的国家，政府对太阳能热水器的开发利用进行了直接干预[2]。韩国，东南亚各国也制定了支持开发利用太阳能热水器的优惠政策，纷纷吸收外资到本国开办太阳能企业[3]。目前来看，太阳能热水器的功能也在随着时间不断的在改良提升。

第2章 太阳能热水器系统简介

2.1 太阳能热水器的基本种类

太阳能热水器作为一种使用范围广，技术发展成熟的商业产品。在漫长的发展过程中，逐渐形成了以平板型太阳能集热器、真空管型太阳能集热器为代表的两种成熟的太阳能集热器类型。

2.1.1 平板型太阳能集热器

平板型太阳能集热器在全世界范围内一直占据的太阳能应用市场较大的份额。平板型太阳能热水器在人们日常生活中的各种场合都有着运用，比如在工业用水加热，建筑内部的暖气，日常用水加热等多个方面，都使用的是平板型太阳能集热器。平板太阳能集热器的一大特点就是工作原理和结构都非常简单易懂。从结构上来说，吸热板，透明盖板，隔热层，外壳这四个部分一起，构成了一台完整的平板型太阳能集热器。而工作原理上，简单来说有两个环节。第一个环节是吸热板通过热辐射的方式吸收太阳能：阳光通过透明保护板，直接照射到涂有吸热板上，吸热板上的吸热涂层会将大部分太阳光能吸收，转变为热能。第二个环节是介质通过热传导的方式，吸收吸热板获取太阳能的热量。温度较低的冷介质从集热器下方的入口进入，在流过流体通道的过程中，被吸收了太阳能热量的吸热板所加热。在这个过程中介质获得能量，介质温度上升，由冷介质变成了热介质。吸收太阳能热量后的热介质从集热器的上端的出口流出，进入水箱中准备使用，这样就产生了能量收益。在同一时间里，因为整个装置吸收了热量，所以温度上升，部分能量以通过外壳和透明盖板散失到了环境中，平板型集热器大部分的热量损耗都是外壳和透明盖板通过热对流和热辐射方式散失掉的热量。

2.1.2 真空管型太阳能集热器

随着平板型集热器被广泛使用，人们逐渐发现了一些平板型太阳能集热器在结构上的不足，于是人们在平板型集热器上进行改进，创造出了真空管型太阳能集热器。人们发现平板型太阳能集热器造成能演浪费的主要原因，是因为在透明盖板和吸热板之间存在着热对流，热传导等现象。所以人们针对平板型集热器所存在的问题，想出了将吸热板和透明盖板之间的空气抽出，在他们中间形成真空状态，通过这种方式来减少他们之间的热对流与热辐射等现象，以此来达到减少热损耗，提高热能利用率，节约能源的目的。真空管型太阳能集热器就是在这种情况下出现的。真空管型太阳能集热器是目前在我们国家市场占有率最高的一种太阳能集热器。真空管型太阳能集热器主要由数跟真空集热管、翘片以及防止散热的真空活塞几部分共同组成。真空管型太阳能集热管利用水会因为温度不同，密度会产生变化，温度低时密度大而下沉，温度高时密度小而上浮的原理，让水在集热管内部形成微循环，从而达到加热水的目的。这个过程也是分为两个环节，第一个环节是集热膜吸收太阳能的热量:太阳辐射透过真空管外管，照射到真空管内部，然后被内管集热膜吸收。第二个环节是集热膜通过热传导的方式将热量传递给其中的水：冷水在管壁中流动，通过热传导的方式，热量会沿着管壁传递到管壁内部的水中。管壁内部的水吸收热能后温度上升，因为热胀冷缩的原因，导致这些温度较高的水的密度变小，于是这些热水就向上移动，而温度较低的冷水则是向下移动。热水不停向上移动，并最终储存到顶部的热水箱中，而温度较低的水沿真空管的另一侧不断补充，不停重复这个过程，直到最后所有的水都达到所需要的温度。因为热传递的方式只有三种：热辐射，热对流，热传导。与传统的平板型太阳能集热器相比，真空管型太阳能集热器的三种热量损耗的方式都很小，因为内管壁上有水银涂层，可以有效的避免热量辐射。内外管中间因为是真空状态，所以也避免了热传导的产生。而因为真空管型的结构设计，使得热对流现象几乎不会产生。因此，真空管式集热器热效率可达93%左右[4]。

2.2 太阳能热水器器的工作原理

太阳能热水器是一种利用太阳光的能量，来给水进行加热升温的设备。太阳能热水器被人们大范围使用，用来满足人们对于热水的需求。真空管式太阳能热水器是我们国家最为常见的一种太阳能热水器结构，我国九成以上的市场份额都被真空管式太阳能热水器占据着。一个完整的太阳能热水系统主要由水箱、集热器、辅助加热装置、连接管、控制器等部分构成。太阳能集热器在工作时吸收太阳光的热量来加热水箱中的水。在部分天气条件下，比如阴雨天，又或者太阳辐射强度较低的冬季，单单依靠太阳能集热器所产生的热量不足以使水温达到要求的温度，这时就需要辅助加热装置启动，与太阳能集热器公共工作，使水温达到要求只。控制器作为整个系统的控制核心，由它负责控制整个系统的正常运转，设定所需要的水温水位，决定辅助加热装置是否工作。控制器的设计也是这篇文章的核心。

2..3 家用太阳能热水器智能控制器的主要功能

随着人们生活水平的日益提高，人们对于太阳能热水器功能有了越来越高的要求。但是目前市面上的太阳能热水器都存在着各种各样的不足，其中的关键就是在热水器控制器的技术比较简陋，在很大程度上影响到了人们的日常使用。所以需要重新设计一种运行稳定，功能丰富，使用便捷的太阳能热水器智能控制器。新型太阳能热水器控制器以单片机AT89C51为核心，加以其他电子元件相配合，用来实现对于太阳能热水器水量和水位的实时监测与报警提示并进行相应的动作。

完成整个控制系统后，装置可以完成以下性能指标：（1）可以实现水温和水位的自动设定，并用电子管显示器进行显示。（2）可以对水温进行实施的监控并通过二极管显示器显示。（3）可以实现对水的辅助加热，在水温不满足要求时可以实现自动加热。（4）水位监控装置，可以实时监控水位，当水位过低或过高时自动报警并进行加水动作。（5）使用按键进行人机交互。

第3章 家用太阳能热水器智能控制器硬件设计

3.1 控制装置的硬件结构

家用太阳能热水器智能控制器的主要功能，是通过以AT89C51单片机为控制器件，并配合其他硬件辅助电路来实现。并通过其他的各种辅助电路来实现，水位检测、水温检测等数据的采集，用于人机交互的键盘输入电路、二极管显示电路，因为电机和加热电阻所需要的电流过大，单片机自己无法提供，所以通过电磁继电器来控制各种电机和加热电阻。通过这些电路共同配合，用户就可以根据自己的需求来设置水温，并且控制器可以快速根据用户的需求将水温达到目标水温。

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