太阳能热水系统全功能控制仪的开发设计

【摘要】： 当前,能源和环境问题成为了人们最关心的热门问题,化石能源的大量使用带来了全球性的环境污染和生态破坏。太阳能是一种清洁的可再生能源,随着人们环保意识和节能意识的提高,太阳能的开发利用越来越受到人们的重视。在国内太阳能应用领域中,太阳能热水技术是较为成熟的,我国已成为最大的太阳能热水器生产国。 文中太阳能热水系统采用了强制循环的方式,系统集热量大、用户用水方便,并且由于其换热强烈,热效率也能有很大的提高。在分析该热水系统特点的基础上,本文为其进行了控制仪的软硬件开发设计,实现了该热水系统的全功能自动控制。该控制仪以ATmega16单片机为控制核心,实现了以下功能： (1)集热水泵温差循环控制：采用DS18B20测量水温,根据集热器和水箱中水温的差值控制集热循环水泵的启停,有利于提高集热循环效率和简化控制系统； (2)集热水泵定时循环控制：可以人为设定集热循环水泵的启停时间,在这段时间内水泵一直处于工作状态； (3)供水水泵控制：使用水流传感器检测用户用水信号,实现对用水水泵的控制,以提供较合适的供水压力； (4)补水、补温控制：对该热水系统的补水、补温进行了控制上的优化,随时可保证热水系统的水箱处于富水、适温状态,同时该热水系统还有定时加热功能； (5)防冻保护控制：检测集热系统中水温,当该温度过低时,启动集热循环水泵,利用水箱中的热水加热管路,保证集热系统在冬季的安全； (6)集热器高温保护：为避免初次给集热器加水时,由于冷激引起的炸管,只有在特定时间段内才让集热水泵初次工作,即控制仪每次初始化后都要读取当地时钟,然后自动启动定时循环模式,并自动设置循环启停时间,使集热循环水泵工作一段时间给集热器加水： (7)按键操作和液晶显示：用户通过按键操作可以调整系统时间、设定定时参数、并且还可以手动给水箱补水、补温；本控制仪使用LCM显示,显示内容包括：实时时钟、定时参数、集热循环工作模式、水箱水温及水位、用户当前的手动功能选择等。 【关键词】：太阳能热水系统 强制循环 AVR 控制仪
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TU822
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 引言10-12
• 1 太阳能资源及其开发利用12-23
• 1.1 能源与环境问题困扰着人类的发展12-15
• 1.1.1 世界能源现状12-13
• 1.1.2 我国能源现状13
• 1.1.3 主要环境问题13-15
• 1.2 太阳能资源15-18
• 1.2.1 太阳能资源的优点和缺点16
• 1.2.2 我国太阳能资源16-18
• 1.3 太阳能资源的利用18-21
• 1.3.1 太阳能资源的利用背景18-20
• 1.3.2 太阳能资源的光伏利用20
• 1.3.3 太阳能资源的光热利用20-21
• 1.4 本文主要工作21-23
• 2 太阳能热水系统23-37
• 2.1 太阳能热水系统的组成23-26
• 2.1.1 太阳能集热器23-25
• 2.1.2 贮热装置25
• 2.1.3 循环管路和辅助装置25-26
• 2.2 太阳能热水系统的分类26-27
• 2.2.1 自然循环系统26
• 2.2.2 强制循环系统26-27
• 2.2.3 直流式系统27
• 2.3 太阳能热水系统与建筑一体化27-30
• 2.3.1 目前太阳能热水器应用现状27-28
• 2.3.2 太阳能热水器的应用所带来的问题28-29
• 2.3.3 太阳能与建筑的一体化29-30
• 2.3.4 分体式太阳能热水器30
• 2.4 太阳能热水系统布局30-33
• 2.4.1 集热器31-32
• 2.4.2 系统运行和传热方式32
• 2.4.3 辅助热源32-33
• 2.5 太阳能热水系统控制分析33-37
• 2.5.1 热水系统控制仪输入信号33
• 2.5.2 执行部件的自动控制33-37
• 3 基于嵌入式技术的太阳能热水系统控制仪37-43
• 3.1 嵌入式系统简介37-39
• 3.1.1 嵌入式系统的定义38
• 3.1.2 嵌入式系统的发展38-39
• 3.2 基于ATmega16单片机的太阳能热水系统控制仪39-43
• 3.2.1 AVR系列单片机39-40
• 3.2.2 ATmega16单片机40-41
• 3.2.3 基于ATmega16单片机的控制仪硬件方案41-43
• 4 控制仪硬件设计43-59
• 4.1 主控制模块43-47
• 4.1.1 ATmega16单片机控制核心43-45
• 4.1.2 系统电源电路45-46
• 4.1.3 实时时钟电路46-47
• 4.1.4 ISP程序下载接口电路47
• 4.2 信号采集模块47-53
• 4.2.1 水温信号采集47-50
• 4.2.2 水位信号采集50-52
• 4.2.3 用水信号采集52-53
• 4.3 液晶显示接口及按键设计53-57
• 4.3.1 液晶显示模块原理53
• 4.3.2 液晶显示模块分类53-54
• 4.3.3 液晶显示模块接口设计54-55
• 4.3.4 按键设计与集热循环的工作模式55-57
• 4.4 继电器输出模块57-59
• 5 控制仪软件设计59-67
• 5.1 主要外围器件程序模块设计59-64
• 5.1.1 数字温度传感器DS18B20程序设计59-62
• 5.1.2 实时时钟芯片DS1302程序设计62-63
• 5.1.3 液晶显示模块程序设计63-64
• 5.2 主程序结构及流程图64-67
• 结论67-68
• 参考文献68-70
• 附录A 主要控制程序流程图70-74
• 附录B 按键扫描和液晶显示刷新子程序74-89
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况89-90
• 致谢90-92

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