論新型太陽能熱水器控制器系統的改進與提高

戴仔龍

【摘要】針對目前家用太陽能熱水器控制器存在的自動上水、溫度水位實時控制和空燒空曬等問題，本文提出了一種新型的太陽能熱水器控制系統設計方案。采用新型單片機STC12C5A60S2以及高性能的DS18820溫度傳感器和分段式液位傳感器對水箱溫度和水位進行實時測量，結合DS1302實時時鐘從而實現水箱溫度和液位實時檢測、實時控制、實時顯示及空曬、越限報警等功能，本文給出了系統硬件設計及軟件實現方法。該系統解決了早期控制器存在的自動上水，溫度水位實時控制和空燒空曬等問題，具有良好的抗干擾性能。

【關鍵詞】溫度液位自動控制；單片機；單總線溫度傳感器；實時時鐘

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A

引言

目前市場上太陽能熱水器的控制器存在自動上水誤控制、水箱溫度和水位只具有顯示功能而沒有控制功能。本文設計的太陽能熱水器控制系統以新型單片機STC12C5A60S2為控制核心，采用DSl302時鐘芯片作為系統的實時時鐘，不僅能顯示系統的北京時間，且為定時加熱和定時上水控制提供條件。由于陰天、夜晚等光照不充分時間，太陽能熱水器的使用效率低，通過電輔助加熱的預熱時間控制，解決熱水器24小時提供熱水的難題。實際應用結果表明，該控制器與以往的控制儀表相比具有溫度、水位雙重精度控制，性價比高，抗干擾能力強等優點，推動了太陽能熱水器進一步的普及和推廣。

一、系統硬件設計

本系統主要實現溫度、水位的精度控制，算法運算量和中間處理的數據量較少，為了提高系統的穩定性和可靠性采用單片機集成的AD模塊，本次系統采用STCI2C5A60S2已完全能夠滿足要求。系統原理如圖1所示。

（一）實時時鐘模塊接口電路設計

實時時鐘可以采用單片機內部的定時器和外擴時鐘芯片，由于本系統需要一個精確的時鐘為系統的控制提供一個基準時間，而定時器提供的時間基準精度低，很難實現加熱時間控制，故本系統采用美國DALLAS公司的時鐘芯片DS1302，通過突發模式連續讀出芯片內部的時鐘與設定時間值比較，從而控制系統的工作狀態。

（二）溫度采集接口電路設計

有多種方法實現溫度的自動檢測與控制，常用的方法有熱電偶、紅外測溫儀、集成電路IC。熱電偶測溫的基本技術和主要性能指標均依賴熱電偶，可實現較寬溫度范圍的精確測量，但連續測量能力低，不適合連續快速在線的測控；紅外測溫儀的特點是響應速度快、使用安全壽命長，但測量精密度和連續跟隨性方面存在缺陷；考慮到高性能、低功耗、微型化、便于微控制系統應用等優點；故本系統選用美國DALLAS半導體公司推出的單總線溫度傳感器DS18820。

溫度信息通過單線接口DQ串行方式進行讀取，減少了系統的接線和硬件接口開銷，尤其適合惡劣環境下水箱溫度的測量，溫度傳感器雖接線簡單，但對微控制器的讀寫時序有嚴格的要求，故需要相對復雜的軟件進行補償，否則將無法讀取測溫結果。

（三）水位測量與顯示的分析設計

系統只有準確的檢測出水位和溫度，才能通過軟件計算提前開始輔助加熱的預加熱時間。要實現輔助加熱的提前時間的精確計算，最好采用連續液位傳感器，但考慮成本和安裝，本設計采用分段式液位傳感器，在水位顯示上也采用分段顯示（共4段），I_O～I_3為最低水位到最高水位的傳感信號，通過電壓比較器的作用，對應的4盞指示燈%25～%100指示水箱的當前水位，STC單片機通過P1_4～P1_7采集水位信號，為系統軟件設計階段水位控制算法提供條件。

（四）時鐘溫度顯示接口電路設計

本系統通過按鍵K4對北京時間與當前水溫顯示進行切換；北京時間采用6位數碼管顯示時分秒信息，范圍為00：00：00～23：59：59；水溫采用3位數碼管顯示范圍為-9.5℃～99.5℃，數碼管的位顯控制由單片機驅動3/8譯碼器實現，而段碼控制由單片機的PO口控制；

（五）系統電源設計

整個系統采用220V交流電，經變壓器將220V交流輸入轉換成17V和10V交流輸入，再經整流、濾波以及7812和7805穩壓，就可得到上水電磁閥的12V直流電源和單片機系統的5V直流電源

二、系統軟件設計

系統軟件設計時必須明確系統的控制要求，當檢測水位低于水位下限時，先檢測熱水器是否處于使用狀態，若使用中則報警并提示上水再使用，此過程中由于水箱水位留有余量，用戶仍然可以繼續完成淋浴；根據上面的要求，控制器采用模塊化結構編程，包括主程序、液位控制子程序、溫度計算模塊、顯示模塊、鍵盤掃描子程序。

系統主程序主要完成系統中斷初始化、溫度水位采樣顯示、當前液位和最低液位或次低液位進行比較，解決客戶熱水器正在使用中的上水問題；通過按鍵中斷掃描，進入相應溫度設定和電輔助加熱溫度控制中斷服務程序；系統主程序流程圖如圖2所示。

主程序中在讀取溫度時，采用讀3次，取排序后的中間值為讀取到的水箱溫度值，對讀取的溫度進行數字濾波處理，提高系統的抗干擾能力。

三、結束語

該新型太陽能熱水器控制器系統克服傳統控制器在客戶使用中自動上水、溫度水溫精度控制和空曬空曬等問題，具有良好的抗干擾性能，且成本低廉，較易被用戶接受。該系統將以其更優越的功能、控制靈活、顯示精度高、可靠性好、操作方便和成本低等優點能為企業創造可觀的經濟效益和社會效益。