太陽能熱水器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

朱欣穎　陳曦

摘 要：設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)太陽能熱水器的水溫水位進(jìn)行測(cè)量和控制的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它以單片機(jī)為核心，溫度檢測(cè)電路采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，通過在水箱內(nèi)放置電極接觸式傳感器測(cè)量水位，使用LCD1602、發(fā)光二極管來顯示水溫水位，并通過電輔助加熱和電磁閥實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加熱和自動(dòng)上水功能。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了太陽能熱水器的智能化控制。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；DS18B20；太陽能熱水器

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-2163（2015）03-

Design of Solar Energy Water Heater Control System

ZHU Xinying， CHEN Xi

（School of Phycis Mechanical & Electrical Engineering， Zhoukou Normal University， Zhoukou Henan， China）

Abstract： This topic designs an automatic control system of the water level and water temperature of the solar water heater of measurement and control. The system adopts the single chip processor as the core， realizes the temperature detection circuit by using DS18B20 digital temperature sensor， and by placing electrodes contact sensor measuring water level in the tank， meanwhile using the LCD1602 and LED to show the water temperature and water level. After that， the paper realizes the function of automatic heating and automatic water electromagnetic through the electric auxiliary heating and solenoid valve. This system has realized the intelligent control of the solar energy water heater.

Keywords： MCU； DS18B20； Solar Energy Water Heater

0引 言

太陽熱水器具有安全穩(wěn)定、環(huán)保節(jié)能、操作方便等優(yōu)點(diǎn)而走進(jìn)千家萬戶。隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，目前太陽能熱水器的溫度和水位顯示功能已非常成熟[1，2]。但是，太陽能熱水器對(duì)太陽能資源依賴性大，易受天氣的影響。當(dāng)遇到陰雨天氣時(shí)，水箱的溫度就不能滿足用戶的需求，利用單片機(jī)搭建太陽能熱水器控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光感加熱、電能加熱的互補(bǔ)控制。MCS-51系統(tǒng)是在國(guó)內(nèi)廣泛采用的單片機(jī)，通過合理配置硬件軟件，設(shè)計(jì)出一套價(jià)格低廉、自動(dòng)化程度高、并具有一定智能化程度的控制系統(tǒng)來控制太陽熱水器[3]，充分發(fā)揮太陽熱水器和MCS-51單片機(jī)的各自優(yōu)勢(shì)，使太陽熱水器使用更加靈活、方便。

近年來，利用太陽能和其它能源的結(jié)合，使得太陽能熱水器的功能更加完善，在任何天氣情況下都能使用熱水。此款熱水器包括主、從兩大系統(tǒng)：主系統(tǒng)的特點(diǎn)是在晴好的天氣利用太陽光能為熱水器加熱，從系統(tǒng)相當(dāng)于電熱水器，在無光照的情況下利用電輔助加熱。充分利用太陽能的資源優(yōu)勢(shì)，同時(shí)克服環(huán)境的局限，全面整定太陽能熱水器和電熱水器的實(shí)際應(yīng)用效果，這是市面上大部分熱水器所不能比擬的[4]。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)以51單片機(jī)為中央處理器，由單片機(jī)最小系統(tǒng)，電源與復(fù)位模塊，顯示模塊，水位、水溫測(cè)量模塊，加熱模塊等組成。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)原理框圖

Fig.1 System hardware block diagram

由圖1可見，電源電路對(duì)單片機(jī)進(jìn)行上電，讓單片機(jī)保持工作狀態(tài)，水位測(cè)量電路和水溫測(cè)量電路測(cè)得的水位和水溫信息傳達(dá)到單片機(jī)內(nèi)部，由LCD顯示器顯示出水溫信息，再由單片機(jī)決定是否啟動(dòng)溫度控制和水位控制電路。當(dāng)水位或水溫低于設(shè)置值時(shí)，自動(dòng)控制電路運(yùn)行工作。此外，還可以根據(jù)天氣用鍵盤電路控制溫度和水位的初始值。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1 水位測(cè)量模塊

水位測(cè)量模塊采用在水箱中不同位置排放電極的方案獲取水位測(cè)量信號(hào)，再通過74LS373鎖存器來鎖存水位信息，將水位當(dāng)前值傳入單片機(jī)進(jìn)行處理。

電極接觸式傳感器是利用水的導(dǎo)電性原理設(shè)計(jì)制作而成。在傳感器上安裝多個(gè)金屬導(dǎo)電電極，兩個(gè)金屬電極用水短路即產(chǎn)生信號(hào)，從而顯示出水箱中水量的多少。此種傳感器在多年實(shí)際使用中性能較穩(wěn)定，在正常情況下一般壽命能達(dá)到5年以上。在水箱內(nèi)把D4，D5，D6，D7放在不同位置。當(dāng)水位到達(dá)指定值時(shí)，電極端變?yōu)榈兀存i存器74LS373的輸入端D接地，輸入端數(shù)據(jù)為0，輸出端Q為0，此時(shí)LED發(fā)光二極管接低電平，燈亮；當(dāng)水位下降時(shí)，輸入端數(shù)據(jù)為1，輸出端為1，即LED發(fā)光二極管負(fù)極接高電平，燈滅；鎖存器的OE端接地，保持低電平；LE端一直保持高電平。D端的信號(hào)直接從輸出端Q輸出給單片機(jī)，Q隨數(shù)據(jù)D而變。通過發(fā)光二極管可以得知水位信息，同時(shí)通過鎖存器讓單片機(jī)得到水位信息。具體實(shí)現(xiàn)電路如圖2所示。

圖2 水位測(cè)量電路

Fig.2 Circuit diagram of level measurement

在實(shí)際測(cè)量水位的過程中，水的電阻太大而不足以觸發(fā)74LS373鎖存器時(shí)，就需要在下到水箱中的電極端后加入三極管，起放大作用，這樣水位測(cè)量模塊才能正常工作。在下到水箱的電極后，接上簡(jiǎn)單的上拉電阻，由于有4個(gè)不同位置的電極，所以需要4個(gè)9012型PNP三極管來放大水位信號(hào)，而后接D4，D5，D6，D7端，即接入74LS373鎖存器。

2.2 水溫測(cè)量電路

水溫測(cè)量模塊用數(shù)字溫度傳感器DS18B20來取得水箱內(nèi)的水溫信息，連接上拉電阻后再接至單片機(jī)，由單片機(jī)P1.7口接收當(dāng)前水溫信息，電路如圖3所示。

圖3溫度測(cè)量電路

Fig.3 Circuit diagram of temperature measurement

DS18B20測(cè)溫系統(tǒng)具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)。其主要特性為電壓范圍在3.0～5.5V之內(nèi)，使得適應(yīng)電壓范圍更寬。采用單線接口方式，只要一條口便可實(shí)現(xiàn)微處理器和DS18B20的雙向通訊。所有傳感器元件以及轉(zhuǎn)換電路都集成在一支形如三極管的集成電路內(nèi)，使用時(shí)不需要任何外圍元件。多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，支持多點(diǎn)組網(wǎng)功能。測(cè)溫范圍可達(dá)-55℃～+125℃，且可精確到±0.1℃的量值。可編程的分辨率為12位。可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫。以“一線總線”串行傳送方式傳送給CPU，測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，抗干擾糾錯(cuò)能力極強(qiáng)，上述特點(diǎn)即使得DS18B20更加適合于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測(cè)的情況。電源極性接反時(shí)，芯片并不會(huì)因溫度過高而燒毀，但此時(shí)卻不能正常工作。

為了提高DS18B20進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換的精確度，I/O線必須保證在溫度轉(zhuǎn)換期間提供足夠的能量。如果用幾個(gè)溫度傳感器掛在同一根I/O線上進(jìn)行多點(diǎn)測(cè)溫時(shí)，只配備一只5.1K上拉電阻將無法提供足夠的能量，就會(huì)造成無法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換溫度或轉(zhuǎn)換溫度誤差極大的結(jié)果。

需要特別注意的是，本檢測(cè)元件是應(yīng)用在太陽能熱水器中，也就是用在水中，為此需將DS18B20進(jìn)行處理，使其具備防水功能。實(shí)現(xiàn)方法是：可在其外部套上導(dǎo)熱性較好的不銹鋼外殼，而在其殼內(nèi)充滿導(dǎo)熱性良好的硅膠，同時(shí)將其三個(gè)引腳用導(dǎo)線引出，使其可以應(yīng)用于遠(yuǎn)距離檢測(cè)。

2.3控制電路

自動(dòng)控制模塊主要分為電加熱模塊和電磁閥控制上水模塊，兩種模塊采用相同的方法，主要利用三極管，繼電器和二極管的配合工作完成自動(dòng)加熱和上水，初始狀態(tài)下設(shè)定內(nèi)水溫度為30℃下自動(dòng)加熱，加熱到30℃停止，初始水位3檔以下自動(dòng)上水，到3檔位停止上水。這樣可以保障一天24小時(shí)使用熱水洗澡，避免了因天氣原因帶來的不便，并可以有效防止冬天氣溫過低引起水管內(nèi)因存有 積水而凍裂水管。控制電路具有自動(dòng)加熱和加水功能。單片機(jī)對(duì)引腳P1.0給出高電平，對(duì)三極管進(jìn)行導(dǎo)通和斷開的控制，驅(qū)動(dòng)繼電器的導(dǎo)通和斷開，繼而控制電加熱裝置。當(dāng)三極管的基極處于高電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，即繼電器導(dǎo)通，線圈磁力把開關(guān)導(dǎo)通，則電加熱插座接上220V的交流電，開始工作。這一部分電路主要由繼電器組成，由主控單片機(jī)運(yùn)算輸出寬度可調(diào)的脈沖用于設(shè)定繼電器在1s內(nèi)的導(dǎo)通和關(guān)斷數(shù)從而調(diào)節(jié)輸出給電爐的功率，這樣使得水溫穩(wěn)定在預(yù)計(jì)數(shù)值之上，并當(dāng)檢測(cè)到的水溫低于設(shè)置溫度值時(shí)開始加熱。加水功能由引腳P1.2給出高低電平，控制自來水的開關(guān)，決定是否自動(dòng)上水。當(dāng)水位處于下限位置時(shí)，需要供水。在供水時(shí)，單片機(jī)控制電磁閥通電，當(dāng)水箱內(nèi)的水位上升到預(yù)設(shè)位置時(shí)，則支持接觸開關(guān)斷開，同時(shí)電磁閥關(guān)閉水源。

3 軟件設(shè)計(jì)

太陽能熱水器控制系統(tǒng)在接通電源后，首先要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，檢測(cè)水溫和水位。當(dāng)水位過低時(shí)，打開電磁閥開始上水，到指定水位時(shí)關(guān)閉電磁閥。當(dāng)水溫低于下限時(shí)，啟動(dòng)自動(dòng)加熱電路，達(dá)到上限后停止加熱，程序返回。系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。顯示子程序在初始化后分別在屏幕上顯示水溫字符、水溫小數(shù)點(diǎn)、水溫的設(shè)置值和當(dāng)前值。

圖4系統(tǒng)軟件流程圖

Fig.4 Flow chart of System software

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本次設(shè)計(jì)主要是為了改善太陽能熱水器控制系統(tǒng)的功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能熱水器水溫水位的檢測(cè)以及對(duì)整個(gè)熱水器水溫和水位的智能化控制。該控制系統(tǒng)考慮了太陽能熱水器的功能擴(kuò)展空間，具體實(shí)驗(yàn)仿真電路如圖5所示，實(shí)際運(yùn)行已達(dá)到預(yù)期結(jié)果。

圖5實(shí)驗(yàn)仿真電路

Fig.5 Circuit diagram of Experiments

5. 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用51單片機(jī)，成本低廉，適用性強(qiáng)。該控制系統(tǒng)具有輔助加熱功能，使熱水器克服溫度影響的弊端。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方案具有一定的可行性。

參考文獻(xiàn)：

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