太陽能自動(dòng)進(jìn)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張志勇，熊朝軍

（西北農(nóng)林科技大學(xué) 信息學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

目前小區(qū)住宅大多數(shù)普及太陽能熱水器，但半數(shù)用戶仍使用人工上水，該類熱水器存在諸如水注滿時(shí)因疏忽未及時(shí)關(guān)進(jìn)水閥而造成水資源浪費(fèi)、空曬上水爆管、進(jìn)水管在冬季易于破裂、用戶在急需使用時(shí)太陽能熱水器碰巧少水等缺陷[1]。同時(shí)，太陽能熱水器對(duì)于不同的地區(qū)使用者所產(chǎn)生的限制也有顯著的差別。在我國(guó)農(nóng)村地區(qū)，很大一部分沒有穩(wěn)定的自來水供應(yīng)，用戶要通過安裝水泵來達(dá)到應(yīng)用太陽能洗浴的目的，操作較為繁瑣，而且副水箱多在室外，冬季應(yīng)用有結(jié)冰的危險(xiǎn)，不能夠做到提前上水，自動(dòng)上水。而對(duì)于我國(guó)城市由于水壓?jiǎn)栴}難以將水注入房頂上的儲(chǔ)水器。這種情況不僅影響太陽能熱水器的正常使用，同時(shí)由于儲(chǔ)水器中的水量不足，導(dǎo)致水溫過高，甚至出現(xiàn)“干燒”的情形[2]，嚴(yán)重地影響了熱水器的使用壽命。

本文針對(duì)當(dāng)前這兩種存在的問題進(jìn)行了調(diào)研。農(nóng)村用戶針對(duì)供水不穩(wěn)情況的解決方法主要為手動(dòng)解決——手動(dòng)開啟水泵抽取地下水（儲(chǔ)水器內(nèi)的水）上水。因?yàn)楹芏噢r(nóng)村存在自來水定時(shí)供水（如中午）或者水壓過低的情況，無法實(shí)現(xiàn)給太陽能直接上水，只有利用水泵將地下水儲(chǔ)存起來再抽到太陽能內(nèi)。若需要手動(dòng)控制水泵，管路和水泵冬季防凍困難，而且水泵易因頻繁啟動(dòng)而導(dǎo)致故障頻發(fā)。同時(shí)，太陽能熱水器容易引起太陽能熱水器的老化。在大城市中，經(jīng)常由于用水高峰而出現(xiàn)水壓偏低，難以將水注入房頂上的儲(chǔ)水器。因此城市用戶會(huì)采用增加水泵或者采取避開高峰期用水，但這種方法難以緩解太陽能熱水器干燒的問題。

本文針對(duì)上述情況，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的自動(dòng)控制裝置，以實(shí)現(xiàn)用戶太陽能熱水器的自動(dòng)上水。實(shí)現(xiàn)了水壓24小時(shí)全天候監(jiān)測(cè)，選擇在高水壓的時(shí)段自動(dòng)控制上水，在低水壓時(shí)，啟動(dòng)增壓裝置，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制上水的功能。同時(shí)還利用單片機(jī)控制系統(tǒng)具有的智能、節(jié)能、保護(hù)設(shè)備以及延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命等方面的優(yōu)勢(shì)[3-4]，增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

1 系統(tǒng)的硬件組成

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)為核心，用4檔水位測(cè)量法測(cè)量水位，根據(jù)DS18B20傳感器檢測(cè)的溫度變化信號(hào)，實(shí)現(xiàn)七段數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示、蜂鳴器報(bào)警以及電磁閥開關(guān)等操作，從而實(shí)現(xiàn)單片機(jī)監(jiān)控溫度和水位的目的。其設(shè)計(jì)思路是：當(dāng)上水至水箱滿時(shí)，則蜂鳴器提醒，并停止上水；當(dāng)水箱未滿時(shí)，電磁閥開啟，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)上水控制。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 太陽能自動(dòng)進(jìn)水系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 溫度檢測(cè)和顯示電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的溫度數(shù)據(jù)采集選用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，溫度顯示用4個(gè)七段數(shù)碼管來實(shí)現(xiàn)。數(shù)字信號(hào)由P3.0端口送入單片機(jī)中，溫度顯示由 P0.0～P0.7端口傳入數(shù)碼管，并通過P2.0～P2.3端口來選擇數(shù)碼管點(diǎn)亮。其溫度檢測(cè)和顯示電路如圖2所示。其基本原理是，DS18B20將溫度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，然后通過DQ端口與單片機(jī)P3.0端口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，單片機(jī)的P0.0～P0.7端口分別與數(shù)碼管 a～g、dp端口相連接，經(jīng)單片機(jī)處理后，由P2.0～P2.3端口依次輪流、循環(huán)輸出低電平位選信號(hào)接通數(shù)碼管的公共端，實(shí)現(xiàn)水溫的檢測(cè)與顯示功能。鑒于本系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)適用的特點(diǎn)，特將循環(huán)頻率設(shè)為50 Hz，這樣既保障了系統(tǒng)數(shù)字的對(duì)應(yīng)顯示，又不會(huì)出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)掃描顯示。

1.3 水壓及4檔水位檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

正常工作時(shí)，傳感器檢測(cè)到入戶的水壓信號(hào)，并將信號(hào)傳輸給控制電路，控制電路對(duì)入戶水壓值和默認(rèn)用水壓初值進(jìn)行比較，控制自動(dòng)上水，完成上水功能后，當(dāng)太陽能熱水器的液位開關(guān)檢測(cè)到水箱中已達(dá)到環(huán)境要求后，控制水管電磁閥關(guān)閉。水壓傳感器位于太陽能水管支路上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水壓的信號(hào)，將水壓值反饋給單片機(jī)電路。在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間段內(nèi)，單片機(jī)將每一個(gè)時(shí)刻傳感器反饋的實(shí)時(shí)水壓值pt與閾值p0進(jìn)行對(duì)比。在判斷出實(shí)時(shí)水壓足以對(duì)太陽能熱水器進(jìn)行供水時(shí)（pt＞p0），發(fā)出指令，打開電磁閥，進(jìn)行上水。如果在預(yù)先設(shè)定的時(shí)間內(nèi)，水箱沒有上滿，即未能夠找到時(shí)間點(diǎn)滿足pt＞p1，單片機(jī)電路發(fā)出指令，開啟水泵，強(qiáng)制上水，系統(tǒng)在水箱的水位 1/4、2/4、3/4和4/4浸泡一根導(dǎo)線并使之與單片機(jī)P1.0～P1.3端口和GND端相連，當(dāng)水位下降到相應(yīng)位置時(shí)，與GND端相連的P1口由低電平轉(zhuǎn)換為高電平。P1.0～P1.3口各代表1個(gè)水位，當(dāng)P1.0從低電平變成高電平，說明水位超過了水箱容量的 1/4，同理，當(dāng)水位依次到達(dá)了 2/4、3/4、4/4，均能實(shí)現(xiàn)水位的檢測(cè)，4檔水位檢測(cè)電路如圖3所示。

1.4 增壓進(jìn)水及提醒電路設(shè)計(jì)

圖2 水溫檢測(cè)和顯示電路圖

一般由于水廠供水問題，入戶水壓圍繞上水允許最小壓力通常產(chǎn)生在-15%～10%范圍內(nèi)的波動(dòng)。在上午、下午及晚上各有一段時(shí)間為大家做飯等用水高峰時(shí)間，此時(shí)，水壓值可能低于允許壓力。以某天為例，智能增壓裝置不斷檢測(cè)水壓，當(dāng)在某時(shí)段測(cè)到水壓值超過允許用最小水壓或當(dāng)水箱未滿且當(dāng)前溫度高于設(shè)置值時(shí)，電磁閥開啟，使水位上升至水箱容量的上一個(gè)1/4處，電磁閥關(guān)閉；當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，電磁閥繼續(xù)開啟，直到水箱水滿。上水電路如圖4所示。當(dāng)水箱水滿且溫度達(dá)到人工設(shè)定的使用溫度時(shí)，為方便使用，特設(shè)計(jì)了使用提醒電路，如圖5所示，其采用了壓電式蜂鳴器。單片機(jī)P2.5口接 1 kΩ上拉電阻,9013三極管放大器基極接1 kΩ電阻，發(fā)射極接蜂鳴器負(fù)極，集電極接地，從而實(shí)現(xiàn)功率放大作用，蜂鳴器開啟提醒模式。

圖3 水位檢測(cè)電路圖

1.5 用戶按鍵電路設(shè)計(jì)

用戶按鍵電路是太陽能熱水器水位控制系統(tǒng)與用戶的接口。用戶通過顯示來觀察水溫狀態(tài)值，再根據(jù)觀察到的值，通過按鍵對(duì)太陽能熱水器進(jìn)行控制，以滿足不同用戶對(duì)水溫的不同要求，用戶按鍵電路如圖6所示。其中，S1為溫度設(shè)定鍵，S2、S3分別為溫度加、減鍵，S4為移位鍵。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，通過Proteus軟件和Keil軟件完成設(shè)計(jì)，主要由初始化程序、掃描按鍵程序、按鍵處理子程序、讀取水位和水溫信息、調(diào)用顯示子程序等6個(gè)部分組成。系統(tǒng)總體流程圖如圖7所示。

通過對(duì)水位和水溫等傳感器的設(shè)置，使整個(gè)控制成為一個(gè)負(fù)反饋系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過檢測(cè)到的數(shù)據(jù)對(duì)比當(dāng)前的控制情況，達(dá)到自動(dòng)控制的效果。其中，讀取水溫的主要代碼為：

圖4 進(jìn)水電路圖

圖5 使用提醒電路圖

圖6 用戶按鍵電路圖

圖7 軟件系統(tǒng)控制流程圖

整個(gè)程序使用自循環(huán)調(diào)用，不斷地調(diào)用重復(fù)，起到了循環(huán)負(fù)反饋的效果。從流程圖中也可以看出，全部設(shè)計(jì)流程能夠自適應(yīng)當(dāng)前的環(huán)境水溫水壓要求，解決存在的問題。

本系統(tǒng)基于單片機(jī)控制模塊化電路實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽能熱水器水位的檢測(cè)和進(jìn)水控制。對(duì)當(dāng)前太陽能熱水器存在的問題，選擇了相應(yīng)的元件，并運(yùn)用子程序?qū)崿F(xiàn)了太陽能熱水器的智能控制，具有自適應(yīng)、自協(xié)調(diào)等功能，同時(shí)還能保證水位控制系統(tǒng)具有較高控制精度、抗干擾能力及穩(wěn)定性。其主要特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、操作維護(hù)簡(jiǎn)便。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)前，先通過Keil軟件和Proteus仿真軟件進(jìn)行仿真，待達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)效果后，再將程序通過單片機(jī)下載程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。同時(shí)，該控制系統(tǒng)還具有性價(jià)比高、溫度控制與顯示穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。

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