毕业设计---太阳能热水器自动上水控制系统设计

太阳能热水器自动上水控制系统设计1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、环保事业及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及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、实用及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及环保事业的发展，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广普及，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：太阳能热水器自动上水控制系统设计2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。太阳能热水器自动上水控制系统设计3图1-2电磁阀控制原理图注：1为水箱2为套管3为滑竿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，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。基太阳能热水器自动上水控制系统设计4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及发展会更加迅速。太阳能热水器自动上水控制系统设计5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及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及指令，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、使用以及维修的需要。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逻辑操作及位处理功能，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。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太阳能热水器自动上水控制系统设计6想，这是由于单片机具有体积小，重量轻，价格便宜，功耗低，控制功能强以及运算速度快等特点，且在国民经济建设，军事以及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，控制功能强以及运算速度快等特点，且在国民经济建设，军事以及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!、太阳能热水器自动上水控制系统设计7第三章设计所用材料及其工作原理3.1传感器的介绍及应用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、现代化农业及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”及机电结合的接口，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、化工、电力、钢铁、机械等工业生产中，需要及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、灵巧的居室装置以及新的智能建筑结构，都要应用各种传感器。（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、微波及图像等传感器。（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、心脑电波及肿瘤等进行准确地测量与诊断。（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，水质及噪声污染的传感器，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及火箭等飞行器上，要使用传感器对飞太阳能热水器自动上水控制系统设计8行速度、加速度、飞行距离及飞行方向、飞行姿态进行检测。（10）传感器在摇杆技术中的应用在飞机及卫星等飞行器上利用紫外、红外光电传感器及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、发现地物及敌方各种军事目标；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单片机的介绍及选择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，单片机只需要适当的软件及外部设备相结合，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