1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

1 研究的背景和意义

人口和经济的快速发展,不可再生能源却越来越少，而它所带来的环境污染问题逐渐被人们认识，”低碳经济”这一概念开始进入人们的视野。在这历史背景下，为了实现可持续发展，太阳能这一可再生洁净能源越来越被大力应用与发展。太阳热水器是我国太阳能利用中应用最广泛，产业发展最迅猛的太阳能产品，它以其诸多的优点受到人们的欢迎，它的造价比较低廉，同时给人们提供节省资源，绝对安全的热水。

太阳能热水器行业经历了近20年的发展历程，该产业已经从最初的小而少发展到现在的大而多，产品类型也不断成熟，由最初的燃气热水器发展到现在的燃气式、电热式、太阳能等多种类型。目前这个产业从产品的核心技术到零件部件基本实现了国内自主生产，一直拥有良好的市场空间和利益水平。据统计，中国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国，年产量约为世界各国之和。我国太阳能热水器的使用以相当普及，而与之相配各种电子控制装置却鱼龙混杂充斥市场。

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

1 本课题要解决的问题

本课题要解决的问题主要是如何即时监控到的太阳能热水器的水位、水温数据信息通过无线传输系统进行传输，使用户能够在家中远程接收到太阳能水位、水温的动态情况。其中包括水位、水温的即时监控，无线传输系统，水位报警系统，检测水位自动上水系统，以及自由调节预警水位线系统。

关键问题：

（1）硬件方面的难点：水温的测量电路中的传感器接口电路，水位的检测电路、对水位进行预警和最低水位自动上水的驱动电路及对温度信号的采集转换处理，硬件材料采集和制作等。

（2）软件方面的难点：对水温水位数据进行处理的算法程序，和水位测试程序电路的设计。

（3）调试方面的难点：对系统软硬件的不断调试和修改。

设计要求：

室外控制器负责检测水温，水位，并按控制要求进行控制。将水温，水位等传送（无线）给室内控制器。

室内控制器负责水温，水位的设定显示，水位检测，超过预警线报警。当水位低于最低水位时，将自动启动上水阀（本设计中通过启动马达来模拟上水功能）。

两个控制器采取无线方案通信。

需要设计出无线传输模块如何将数据传送给另一个无线模块。

系统功能

（1）显示器上显示的数据：

水温0-99显示：通过热敏电阻传入的数据按照一定的算法将数据显示在显示器上。

水位0-99cm显示：将水位检测模块测到的数据通过算法传输给显示器。

（2）设置与控制

水位设置：设置水位警报线，预警线可以通过按键来设置。

（3）保护报警

水位警报：上水到预警线，蜂鸣器报警。

（4）上水系统

低水位自动上水功能。

（5）按键功能：

通过按钮来调节水箱最大的高度，这样可以适应于任何热水器水箱，简单方便。还可以调节水位预警线高度。

2 本课题拟采用的研究手段

本课题研究基于单片机MSP430F149为核心配合DS18B20温度传感器，1602显示器件，超声波模块，无线控制24I01，报警器等外围器件的太阳能热水器无线控制系统。

测水位模块采用的是HC-SR04超声波，通过模块自动发送方波，采集返回的信号来计算水位的高度，对水无污染。

显示模块采用的是LCD1602，显示器通过指令编程来实现将水温水位各数据显示出来。

研究手段步骤：

（1）先认清单片机的控制过程：单片机水温水位控制系统的控制过程是：单片机定时对水温水位进行检测，经A/D转换芯片得到相应的数字量，经过计算机进行数据转换，得到应有的控制量，去控制预警功能和上水功能，从而实现对水温水位的控制和检测。

（2）对系统进行整体设计：系统的设计分为硬件设计和软件设计，先进行硬件部分的设计，再根据硬件的设计来进行软件的程序编写。硬件设计时，要先将大的硬件系统分为不同功能的小硬件部分，逐个击破。进行系统设计时应考虑如下问题：水温变化规律的控制。即水温按预定的温度-时间关系变化。这主要在控制程序设计中考虑。温度控制范围：如0~100℃，这就涉及到测温元件的选择。

（3）对系统进行调校，修改和问题分析。

系统框图：

显示接收端结构图：

接收端由MSP430F149主控芯片，1602显示模块，按键模块，无线传输模块和蜂鸣器组成，如图1所示：

1602显示模块

按钮模块

NRF24L01无线传输模块

MSP430F149主控芯片

图1接收端结构图

发送端结构图：

发送端由MSP430F149主控芯片，超声波测距测水位模块，DS18B20温度传感模块，无线传输模块，如图2所示：

水位监测模块 超声波测距

MSP430F149 主控芯片

DS18B20温度传感模块

NRF24L01无线传输模块

图2 发送端结构图

1 本课题要解决的问题

本课题要解决的问题主要是如何即时监控到的太阳能热水器的水位、水温数据信息通过无线传输系统进行传输，使用户能够在家中远程接收到太阳能水位、水温的动态情况。其中包括水位、水温的即时监控，无线传输系统，水位报警系统，检测水位自动上水系统，以及自由调节预警水位线系统。

关键问题：

（1）硬件方面的难点：水温的测量电路中的传感器接口电路，水位的检测电路、对水位进行预警和最低水位自动上水的驱动电路及对温度信号的采集转换处理，硬件材料采集和制作等。

（2）软件方面的难点：对水温水位数据进行处理的算法程序，和水位测试程序电路的设计。

（3）调试方面的难点：对系统软硬件的不断调试和修改。

设计要求：

室外控制器负责检测水温，水位，并按控制要求进行控制。将水温，水位等传送（无线）给室内控制器。

室内控制器负责水温，水位的设定显示，水位检测，超过预警线报警。当水位低于最低水位时，将自动启动上水阀（本设计中通过启动马达来模拟上水功能）。

两个控制器采取无线方案通信。

需要设计出无线传输模块如何将数据传送给另一个无线模块。

系统功能

（1）显示器上显示的数据：

水温0-99显示：通过热敏电阻传入的数据按照一定的算法将数据显示在显示器上。

水位0-99cm显示：将水位检测模块测到的数据通过算法传输给显示器。

（2）设置与控制

水位设置：设置水位警报线，预警线可以通过按键来设置。

（3）保护报警

水位警报：上水到预警线，蜂鸣器报警。

（4）上水系统

低水位自动上水功能。

（5）按键功能：

通过按钮来调节水箱最大的高度，这样可以适应于任何热水器水箱，简单方便。还可以调节水位预警线高度。

2 本课题拟采用的研究手段

本课题研究基于单片机MSP430F149为核心配合DS18B20温度传感器，1602显示器件，超声波模块，无线控制24I01，报警器等外围器件的太阳能热水器无线控制系统。

测水位模块采用的是HC-SR04超声波，通过模块自动发送方波，采集返回的信号来计算水位的高度，对水无污染。

显示模块采用的是LCD1602，显示器通过指令编程来实现将水温水位各数据显示出来。

接收端由MSP430F149主控芯片，1602显示模块，按键模块，无线传输模块和蜂鸣器组成，如图1所示：

1602显示模块

按钮模块

NRF24L01无线传输模块

MSP430F149主控芯片

图1接收端结构图

发送端由MSP430F149主控芯片，超声波测距测水位模块，DS18B20温度传感模块，无线传输模块，如图2所示：

水位监测模块 超声波测距

MSP430F149 主控芯片

DS18B20温度传感模块

NRF24L01无线传输模块

图2 发送端结构图