太阳能热水器毕业论文

毕 业 论 文

太阳能热水器

作 者 姓 名 ： 专 业、班 级： 学 号： 校内指导教师： 校外指导教师： 完 成 日 期 ：

黄河水利职业技术学院自动化工程系

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太阳能热水器

摘 要

我刚开始找工作时，也没有想到太阳热水器会在“天无三日晴，人物三分银”的贵州销售，经过一段时间的了解，太阳能热水器已经存在十年多了，普及是在这几年。但是很多偏僻的地方太阳能热水器很多人都不认识

太阳能热水器作为三大热水器之一，因其无污染、使用方便、长期投入成本低等特点，而越来越受到人们的青睐，但是很多的人去选太阳能要么就不懂他的原理，要么就不懂它的构成，把这些弄懂后。以后自己买太阳能热水器就不会那么盲目了。

全文分三大部分。第一部分描述太阳能的利用和前景发展状况。第二部分描述太阳能系统组成及工作原理。第三部分为太阳能的外观组成和软件设计，分别介绍了传感器的特点及应用、一般的太阳能热水器及循环系统、单片机发展和原理，这也是此款太阳能热水器的理论基础和必要前提。

关键词：太阳能的发展；太阳能系统组成及工作原理；太阳能热水器外观组成；太阳能的软件设计

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目录

摘 要 ................................................................................................................ IV 1.绪论 ................................................................................................................... 1

1.1太阳能热水器的发展 ............................................................................ 1 1.2太阳能热水器的应用及意义 ................................................................ 2 2.太阳能热水器的组成及工作原理 ................................................................... 4

2.1 系统总体结构设计 ............................................................................... 4 2.2太阳能热水器组成及原理 .................................................................... 7 2.3 主要芯片的结构与特点 ....................................................................... 9

2.3.1.DS12887时钟芯片简介 ............................................................. 9 2.3.2 80C51单片机结构特点 ........................................................ 17 2.3.3 数字温度传感器DS18B20主要特性及测温原理 ................ 20

3.太阳能热水器的外观组成 ............................................................................. 24

3.1 水箱 ..................................................................................................... 24

3.1.1聚氨酯 ....................................................................................... 24 3.1.2不锈刚内胆 ............................................................................... 27 3.2 真空管 ................................................................................................. 29

3.2.1真空管的形成 ........................................................................... 29 3.2.2真空管的种类 ........................................................................... 33 3.3 支架 ..................................................................................................... 38

3.3.1支架的材料 ............................................................................... 38 3.3.2支架的外表处理 ....................................................................... 39

4.太阳能的软件设计 ......................................................................................... 41

4.1 主程序设计 ......................................................................................... 41 4.2显示子程序设计 .................................................................................. 42 结束语 ................................................................................................................ 46 参考文献 ............................................................................................................ 48 致谢 .................................................................................................................... 48

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1.绪论

1.1太阳能热水器的发展

世界镀膜之父”是澳大利亚国家科学工程院杰夫瑞.哈丁博士。 上个世纪七十年代，出现了石油危机，发达国家纷纷寻找可再生能源，太阳热水器在那个时候出世。

澳大利亚悉尼大学在泰伯先生选择性吸收涂层的基础之上，于1977年发明了渐变膜，渐变膜膜分九层，由里到外膜吸收光线的性能逐渐变高，在一定温度下有很好的集热防热损功能。

率先研制出“全玻璃真空集热管”的，则是美国欧斯公司。 八十年代初，友好的美籍华人贝律昆先生从美国给我国送来几只“全玻璃真空集热管”，沈阳玻璃仪器厂工程师经过艰苦研究，使中国的太阳真空管在中国东北问世。

1991年，悉尼大学又创出了“干涉膜”，耐高温多年不老化，性能又进一步提高。作为最早进行太阳真空管研究并取得丰硕成果的悉尼大学，既吸引了世界各地人才也培养出了自己优秀的科学家。其中，杰夫瑞.哈丁博士就是一位核心成员。哈丁早年毕业于英国剑桥大学Gonville和Caius学院，获博士学位。后任澳大利亚联邦科学和工业研究组织CSIRO首席研究科学家。

1983年哈丁博士和同事S.克雷格博士发明了有着喷溅A1/A1N选择性吸收的薄膜，这种选择性膜层目前已在中国多家公司大规模生产。除此，作为镀膜专家，哈丁的成果还广泛应用于金属、半导体和电介质以及一些非常新颖的溅射材料中。

1982—1983年，清华大学殷志强教授到悉尼大学作访问学者，归国后在数千个日日夜夜中不知熬白了多少根青丝，1984年发明了渐变“AlN/Al”选择性吸收涂层技术，以出色的性能奠定了中国太阳能热利用行业大发展的基础，开创了中国太阳真空管的产业化；

80年代末，章其初先生进入悉尼大学物理系从事材料物理研究工作，他在渐变膜的基础上发明了三靶干涉膜，性能再度提高。2000年

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T3：集热器中的温度传感器 F1：循环水阀门 F2：冷水阀门 F3：热水阀门

此款热水器利用微机控制主要有以下几种控制功能：晨水加热控制、温水循环控制、冷水集热控制、水箱加热控制。

1. 早晨水温控制

由于清晨太阳光较弱，所以太阳能热水器从系统发挥作用。为了提供温度不低于30摄氏度的水，热水器在清晨4-7点之间对水箱进行电加热，具体控制过程如下：

首先，关闭冷水阀门F2和循环水阀门F1，然后微机开始进行水箱的温度采集，同时进行温度的比较，当水箱的温度小于30摄氏度时，电热器D接通进行加热，同时微机继续对热水箱的温度进行采集。当温度加热到大于30摄氏度时电热器断开，如此反复循环保证了温度的稳定。

2. 循环水集热过程

早晨水温控制之后（7～9点），设定当日的水箱温度N（由两位BCD次齿轮开关设定），输入微机，再利用微机控制系统，通过太阳光能对热水箱加热以达到理想温度N。具体控制过程如下：

打开循环阀门F1，关闭冷水进水阀门F2，热水阀门F3处于空控状态。然后开始比较温度，若（T3-T1>5摄氏度，T2>T1）为止。如若T1=N，那么循环水集热过程结束，进入冷水集热控制过程。

3. 冷水集热控制

此时热水箱温度已达到了N，冷水要进入太阳能集热器，这时温度为T3，和当日的设定温度值相比较，若T3>N则将已加热的水送入热水箱，每天的控制时段大概为9点～20点。具体控制过程如下：

关闭循环水阀门F2，打开冷水阀门F2，热水阀门F3处于可控状态。若T3>N，打开热水阀门F3并将保持一段时间，若T3N阀门F3继续保持打开状态，否则关闭F3。

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可见，次过程充分利用太阳光能转化为热能，方便快捷。

4. 水箱加热控制

此时，也许你会问如果没有日照或者日照较弱时，到了晚上我们是否还能洗上热水澡吗？答案是肯定的，不要忘了这款热水器还有一个从系统，这时它就要发挥作用了。热水箱温度为T1，将它和设定值N相比较，从而控制是否打开电加热，控制时段为下午，具体过程如下：

若T1

表2-1

时间（时） 温度比较 加热值（度） 15 T1<35

综上所述，太阳能供热控制系统不仅节约而且高度只能化，方便省事，不论日常家居，还是对宾馆、学校等都是最佳选择。

2.2太阳能热水器组成及原理

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5

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2-3 热水器装置简图

1-集热器 2-下降水管 3-循环水管

4-补给水箱 5-上升水管 6-自来水管 7-热水出水管 热水器主要由集热器、循环管道和水箱等组成，图中为典型的热水器装置图。图中集热器1按最佳倾角放置，下降水管2的一端与循环水箱3的下部相连，另一端与集热器1的下集管接通。上升水管5与循环水箱3上部相连，另一端与集热器1的上集管相接。补给水箱4供给循环水箱3所需的冷水。

当集热器吸收太阳辐射后，集热器内温度上升，水温也随之升高。水温升高后，水的比重减轻，便经上升水管进入循环水箱上部。

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而循环水箱下部的冷水比重较大，就由水箱下流到集热器下方，在集热器内受热后又上升。这样不断对流循环，水温逐渐提高，直到集热器吸收的热量与散失的热量相平衡时，水温不再升高。这种热水利用循环加热的原理，因此又称循环热水器。

集热器是一种利用温室效应，将太阳能辐射转换为热能的装置，该装置与一般热水交换器不一样，热交换器通常只是液体到液体，或是液体到气体的热交换过程，而平板行集热器时直接将太阳辐射传给液体或气体，是一个复杂的传热过程。平板型集热器结构形式很多，世界上已实用的集热器就有直管式、瓦楞式、扁管式、铝翼式等二十多种。

2.3 主要芯片的结构与特点

2.3.1.DS12887时钟芯片简介

随着2000 年的即将来临，“千年虫”问题成为困扰当今世界的一大难题。过去采用两位数表示年度的日历系统将要用四位数来表示，因此有关的计算机操作系统和应用软件都要作相应的修改。据此，美国达拉斯半导体公司(Dallas)最新推出DS12887的串行接口实时时钟芯片，采用CMOS 技术制成，具有内部晶振和时钟芯片备份锂电池，同时它与目前IBMAT计算机常用的时钟芯片MC146818B 和DS1287 管脚兼容，可直接替换。它所提供的世纪字节在位置32h，世纪寄存器32h到2000 年1月1日从19递增到20。采用DS12887 芯片设计的时钟电路不需任何外围电路和器件，并具有良好的微机接口。DS12887芯片具有微功耗，外围接口简单，精度高，工作稳定可靠等优点，可广泛用于各种需要较高精度的实时时钟系统。美国Dallas公司推出两款数字时钟芯片DS12887/DS12C887，两款时钟芯片都将在1999年12月31日23时59分59秒时顺利地跳到2000 年1月1日零时，并能实2000 年2月29 日的闰年提示，是时钟芯片DS1287 的增强型品种，结构上相当于MC146818B 的改进型。芯片都采用24引脚双列直插式封装，其引脚接口逻辑和内部操作方式与MC146818 基本一致，所不同的是DS12887/DS12C887 芯片的晶体振荡器、振荡电路、充电电路和可充电

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锂电池等一起封装在芯片的上方，组成一个加厚的集成电路模块，因此，DS12887/ DS12C887时钟芯片无需MC146818 的电源电位检测端( PS)，电路通电时其充电电路便自动对可充电电池充电，充足一次电可供芯片时钟运行半年之久，正常工作时可保证时钟数据十年内不会丢失。此外，片内

通用的RAM 为MC146818 的两倍以上。DS12887/DS12C887 内部有专门的接口电路，从而使得外部电路的时序要求十分简单，使它与各种微处理器的接口大大简化。使用时无需外围电路元件，只要选择引脚MOT 电平，即可和不同计算机总线连接。

1.主要技术特点

DS12887/DS12C887 具有下列主要技术特点：

(1) 具有完备的时钟、闹钟及到2100年的日历功能，可选择12小时制或24小时制计时，有AM和PM、星期、夏令时间操作，闰年自动补偿等功能。

(2) 具有可编程选择的周期性中断方式和多频率输出的方波发生器功能。

(3) DS12887内部有14个时钟控制寄存器，包括10个时标寄存器，4个状态寄存器和114bit作掉电保护用的低功耗RAM。

(4) 由于该芯片具有多种周期中断速率时钟中断功能，因此可以满足各种不同的待机要求，最长可达24小时，使用非常方便。

(5) 时标可选择二进制或BCD码表示。

(6) 工作电压： + 4. 5～5. 5V、工作电流：7～15mA。 (7) 工作温度范围：0～70°C。 2.DS12887/ DS12C887 的内部结构

DS12887/DS12C887为24引脚芯片，内部结构如下图。

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图2-4 DS18B20内部框图

其中：MOT：计算机总线选择端；SQW：方波输出，速率和是否输出由专用寄存器A、B的预置参数决定；AD0～AD7：地址/数据(双向)总线，由AS 的下降沿锁存8位地址；R/W：读/写数据;AS：地址锁存信号端；DS：数据读信号端；CS：选通信号端，低电平有效；IRQ：中断申请，由专用寄存器决定；RESET：复位端；NC：空引脚。

DS12887内部由振荡电路，分频电路，周期中断/方波选择电路，14字节时钟和控制单元，114字节用户非易失RAM，十进制/二进制计加器，总线接口电路，电源开关写保护单元和内部锂电池等部分组成。DS12887管脚分配如图：

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图2-5 管脚分配图

VCC：直流电源+ 5V 电压。当5V电压在正常范围内时，数据可读写;当VCC低于4.25V，读写被禁止，计时功能仍继续;当VCC下降到3V以下时，RAM和计时器供电被切换到内部锂电池。

MOT(模式选择)：MOT 管脚接到VCC时，选择MOTOROLA时序，当接到GND 时，选择INTEL时序。

SQW(方波信号输出)：SQW 管脚能从实时时钟内部15级分频器的13个抽头中选择一个作为输出信号，其输出频率可通过对寄存器A编程改变。AD0 —AD7(双向地址/ 数据复用线)：总线接口，可与MOTOROLA微机系列和INTEL 微机系列接口。

AS (地址选通输入)：用于实现信号分离，在AD/ ALE 的下降沿把地址锁入DS12887。

DS(数据选通或读输入)：DS/ RD 管脚有两种操作模式，取决于MOT管脚的电平，当使用MOTORO2LA 时序时，DS是一正脉冲，出现在总线周期的后段，称为数据选通；在读周期，DS指示DS12887驱动双向总线的时刻; 在写周期，DS的后沿使DS12887锁存写数据。选择INTEL时序

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时，DS称作(RD)，RD与典型存贮器的允许信号(OE) 的定义相同。

R/W(读/ 写输入) ： R/ W 管脚也有两种操作模式。选MOTOROLA 时序时，R/W 是一电平信号，指示当前周期是读或写周期，DS为高电平时，R/ W高电平指示读周期，R/W 信号是一低电平信号，称为WR。在此模式下，R/ W管脚与通用RAM 的写允许信号(WE) 的含义相同。CS(片选输入)：在访问DS12887 的总线周期内片选信号必须保持为低。IRQ(中断申请输入)：低电平有效，可作微处理的中断输入。没有中断的条件满足时，IRQ处于高阻态。IRQ线是漏极开中输入，要求外接上接电阻。RESET(复位输出)：当该脚保持低电平时间大于200ms，保证DS12887有效复位。

3.DS12887/ DS12C887 内部寄存器的功能

因DS12887 和DS12C887 结构功能上类似，现以DS12887 为例说明如下：CPU通过读DS12887的内部时标寄存器得到当前的时间和日历，也可通过选择二进制码或BCD码初始化芯片的10个时标寄存器。其114bit非易失性静态RAM 可供用户使用，对于没有RAM的单片机应用系统，可在主机掉电时来保存一些重要的数据。DS12887 的4个状态寄存器用来控制和指DS12887模块的当前工作状态，除数据更新周期外，程序可随时读写这4个寄存器，各寄存器的功能和作用如下。

寄存器A各位不受复位的影响，UIP 位为只读位，其它各位均可读写。寄存器的控制字的格式如下表2所列：

表2-2 DS12887 控制寄存器A 各布尔位定义： IT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0 UIP DV2 DV1 DV0 RS3 RS2 RS1 RS0

1.IP 位：更新周期标志位。该位为“1”时，表示芯片正处于或即将开始更新周期，此时程序不准读写时标寄存器；该位为“0”时，表示至少在244μs 后才开始更新周期，此时程序可读芯片内时标寄存器。该位是只读位。

2. DV0 、DV1 、DV2 ：芯片内部振荡器RTC 控制位。当芯片解除复位状态，并将010写入DV0、DV1、DV2后，另一个更新周期将在500ms后开始。因此，在程序初始化时可用这三位精确地使芯片在设定的时

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间开始工作。这与MC146818 不同的是，DS12887固定使用32 768Hz 的内部晶体，所以，DV0 =“0”，DV1 =“1”，DV2 =“0”，即只有一种010的组合选择即可启动RTC。

3. RS3、RS2、RS1、RS0：周期中断可编程方波输出速率选择位。各种不同的组合可以产生不同的输出。程序可以通过设置寄存器B的SQWF 和PIE 位控制是否允许周期中断和方波输出。其寄存器A输出速率选择位如表3所列。

表2-3 DS12887

寄存器A 输出速率选择位 32 768Hz 时基 RS3 RS2 RS1 RS0 中断周期 SQWF输出频 0 0 0 0 无 无 0 0 0 1 3.90625ms 256Hz 0 0 1 0 7. 8125ms 128Hz 0 0 1 1 122.0μs 8.192kHz 0 1 0 0 244.141μs 4.096kHz 0 1 0 1 488.281μs 2.048kHz 0 1 1 0 976.5625μs 1.024kHz 0 1 1 1 1.953125ms 512Hz 1 0 0 0 3.90625ms 256Hz 1 0 0 1 7.812ms 128Hz 1 0 1 0 15.625ms 64Hz 1 0 1 1 31.25ms 32Hz 1 1 0 0 62.5ms 16Hz 1 1 0 1 125ms 8Hz 1 1 1 0 250ms 4Hz 1 1 1 1 500ms 2Hz 控制寄存器A 输出速率选择位定义:

寄存器B允许读写，主要用于控制芯片的工作状态。寄存器B的控制字的格式如表4所列。

表2-4 DS12887

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BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0 SET PIE AIE UIE SQWE DM 24/12 DSE

控制寄存器B各布尔位定义:

(1) SET 位：当该位为“0”时，芯片处于正常工作状态，每秒产生一个更新周期来更新时标寄存器为“1”时，芯片停止工作，程序在此期间可初始化芯片的各个时标寄存器。

(2)PIE、AIE、UIE 位：分别为周期中断、报警中断、更新周期结束中断允许位。各位为“1”时，允许芯片发相应的中断。

(3)SQWE 位：方波输出允许位。SQWE“1”，按寄存器A 输出速率选择位所确定的频率输出方波;SQWE =“0”，脚SQW保持低电平。

(4) DM 位：时标寄存器用十进制BCD 码表示或用二进制表示格式选择位。DM =“0”时，为十进制BCD码;DM =“1”时，为二进制码。

(5) 24/ 12 位： 24/ 12 小时模式设置位。24/12位=“1”时，为24 小时工作模式;24/ 12 位=“0”时，为12 小时工作模式。

(6)DSE位：夏令时服务位。DSE=“1”，夏时制设置有效，夏时制结束可自动刷新恢复时间;DSE=“0”，无效。

寄存器C的控制字的格式如表4所列。该寄存器的特点是程序访问读该寄存器后，该寄存器的内容将自动清零，从而使IRQF 标志位变为高电平，

否则，芯片将无法向CPU 申请下一次中断。 表2-5 DS12887 控制寄存器C各布尔位定义 BIT7 BIT6 BIT5 BIT4 BIT3 BIT2 BIT1 BIT0 IRQF PF AF UF 0 0 0 0

(1) IRQF位：中断申请标志位。该位逻辑表达式为：IRQF = PF·PIE +AF·AIE+UF·UIE。当IRQF位变“1”时，引脚将变低电平引发中断申请。

(2) PF、AF、UF 位：这三位分别为周期中断、报警中断、更新周期结束中断标志位。只要满足各中断的条件，相应的中断标志位将置

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