家用太陽能熱水器控制器系統的設計與實現

【摘要】本文提出由水溫水位傳感器、單片機、加熱繼電器和上水電磁閥構成的太陽能熱水器控制器系統的軟硬件設計方法。尤其重點闡述了水位水溫一體化傳感器的設計方法并和企業聯合研制太陽能熱水器的控制板并投入量產，經濟社會效益明顯。該系統實現了自動手動上水、自動手動加熱和管道保溫等控制功能，具有雷擊、漏電和系統過熱保護功能。

【關鍵詞】太陽能熱水器控制器;單片機;水溫水位一體化傳感器;繼電器;電磁閥

0 引言

太陽能作為綠色能源尤其在太陽能熱水器中的應用深得廣大用戶的好評。但與之配套的太陽能熱水器的控制器存在諸多的問題尤其在水溫水位一體化傳感器工藝的設計、防雷擊、漏電和過熱保護上影響了其推廣和使用。本文就以上太陽能熱水器控制器存在的問題進行了研究，并提出了切實有效的解決方案。設計制作的太陽能熱水器的控制板如圖1所示。

圖1 太陽能熱水器控制板

1 太陽能熱水器控制器的硬件組成

太陽能熱水器控制器硬件系統組成框圖如圖2所示，它以新型單片機STC12C5A60S2為控制核心，外接功能按鍵電路、水位水溫一體化傳感器、漏電過熱保護電路、電磁閥繼電器電流驅動電路、報警蜂鳴器、LED數碼管顯示電路和系統電源電路等組成。

系統通過水位水溫一體化傳感器將水箱的水位和水溫參數轉化為單片機能夠識別的電信號，經過軟件算法處理實時將水位和水溫顯示在LED數碼管上，系統首次上電后水箱內的水位不足20%時為了避免干曬和干燒，系統會啟動蜂鳴器報警同時啟

動上水電磁閥進行自動上水，但水位達到100%時自動停止上水，期間用戶也可以通過按鍵進行手動上水;陰雨天氣或者陽光不足時可以手動啟動電輔加熱，當水箱的水溫加熱到用戶的設定溫度時系統自動切斷電輔加熱也可手動隨時停止加熱;秋冬天氣太陽能的上水管極易凍裂系統可以手動啟動管道保溫功能，最大限度的提高太陽能熱水器的使用效率。

圖2 太陽能熱水器控制器硬件系統組成框圖

2系統各功能硬件電路設計

2.1水溫水位傳感器結構原理

水溫水位一體化傳感器結構原理如圖3所示

圖3 水溫水位一體化傳感器

此水位水溫傳感器包括1個10K熱敏電阻、4個色環電阻、橡膠外套和4段不銹鋼彈簧組成。傳感器內的熱敏電阻和控制器內的5K電阻組成一個串聯電路，根據串聯分壓原理，通過A/D轉換單片機即可將水箱內的溫度信息進行采樣并實時顯示和控制。其中熱敏電阻的兩端包裹有高溫導線，此高溫導線貫穿于傳感器的頂端和末端，最大限度的保證采集溫度的準確性。傳感器內的的4個色環電阻和4個不銹鋼彈簧管之間串聯焊接，然后用橡膠包裹固定。其中不銹鋼彈簧主要起到增加水位傳感器的長度的作用，4個色環電阻將水位分成4個檔位，由于包裹在每個檔位處的橡膠是導電的，而檔位以處的橡膠是絕緣的，不同的水位即可等效為不同的電阻，通過震蕩電路即可產生不同的頻率，從而實現了水位的檢測。

2.2水溫水位傳感器測試原理

圖3中的4個檔位不銹鋼彈簧對應的水位等效電阻1、2腳接口與圖4中的1、2接口相連，等效電阻RF、R1、R2、R3、U1A、U1B和C1構成非對稱式多諧震蕩器[1]，經過反向驅動器U1C和濾波電容C2整形后接到單片機的P1_0，單片機通過測量P1_0引腳的方波頻率即可得到水位的位置。

圖4 ?水溫水位傳感器信號調理電路

電路的震蕩周期由式（1）給出：

T=2.2RFC，=?????????????（1）

式中的RF為等效電阻，根據4檔水位對應的不同

等效電阻得到不同的信號頻率如表1所示：

表1 ?水位/頻率值變換表

圖3中的10K負溫度系數的熱敏電阻與圖4中5K電阻R4串聯分壓后經C3濾波后接到單片機的P1_1（ADC0通道）引腳，通過測量該引腳的水溫電壓對應的ADC值，再通過查表即可獲取水箱內水溫值。

單片機P1_1處的電壓（2）

式2中的R1為10K熱敏電阻的水溫阻值。通常將熱敏電阻的阻值和水溫做成一張表格如表2所示，表格中的每個元素由水溫對應的ADC值和水溫組成存放在單片機的ROM內，當檢測的水溫對應的電壓AD轉換后，通過查表得到對應的水溫。電阻R5、R6、R7為壓敏電阻【2】。避免水溫水位傳感器因遭受雷擊影響電路控制系統的整體壽命。

表2 水溫/電壓ADC變換表

2.3上水電磁閥、電輔加熱和管道保溫繼電器驅動電路設計

圖5 上水、電加熱和水管保溫驅動電路

電加熱、管道保溫繼電器和上水電磁閥的驅動電路如圖5所示，STC12C5A60S2單片機對于繼電器、電磁閥這種大的負載很難驅動，故采用ULN2001A驅動芯片控制電磁閥的線圈通斷電。ULN2001A內部集成3路達林頓電流放大電路，只需用單片機的P1_6和P1_7腳在ULN2001A的輸入管腳1、2、3輸入TTL高電平（5V左右），輸出腳8、7、6即可輸出最大500MA的控制電流足以驅動電加熱和管道保溫繼電器線圈的工作。單片機的P1_5腳輸出高電平通過三極管Q1的飽和導通，即可控制12V的上水電磁閥工作，反之即可關閉上水電磁閥。由于電磁閥線圈關斷瞬間產生反向電動勢，故采用IN4007二極管吸收反向電流從而保護三極管Q1的使用壽命。圖5中的B1、BZ1和BZ3為壓敏電阻，保護上水電磁閥、電加熱和管道保溫繼電器線圈遭受雷擊的損壞。

2.4系統漏電、過熱保護電路設計

圖6 漏電檢測、過熱保護電路

系統保護電路如圖6所示，將電感線圈套裝在220V的交流電源上，然后將線圈的2根引出線接在J4插座上，二極管D11、D12并接在線圈的兩端。電源一當漏電，流過漏電線圈的電流不平衡，線圈將產生感應電壓和電流，通過D11、D12構成續流回路，以免互感線圈二次側開路，產生較高的危險電壓[3]。單片機管腳P1_4檢測經C11、C12、R10濾波后的漏電電壓，一旦漏電發生即可關斷繼電器，切斷電源保護系統和人員的安全。當系統內的溫度超出75℃時，單片機P1_3腳檢測熱敏電阻3470分得的電壓變化，從而切斷系統電源，起到系統過熱保護的作用。

2.5系統電源電路設計

圖7 系統電源電路

系統電源電路如圖7所示，太陽能控制器系統需要的直流電源有+12V，+5V兩種電源，使用變壓器將交流220V轉化為交流12后，接到接口J1上，經過D1、D2、D3、D4全波整流后，得到12V直流電，經7805穩壓后得到5V直流電，電容C1、C2、C3、C4為濾波作用，濾除電源中的高頻和低頻分量保證系統電源的穩定可靠。

2.6按鍵、蜂鳴器及LED顯示接口電路設計

太陽能熱水器控制器系統采用模式選擇、加熱、保溫和上水4個獨立按鍵實現系統的外部輸入功能，按鍵去抖動包括軟件和硬件方法，本系統采用軟件算法實現按鍵去抖處理既可靠又降低了系統的硬件成本。LED顯示采用的8*8點陣原理（共陽）共64只發光二極管實現水位、水溫、時間和特殊功能的顯示，LED顯示尤其注意驅動電流保證每只發光二極管的工作電流在5～10ms，從而保證顯示的亮度。本系統蜂鳴器采用的是脈沖驅動的無源蜂鳴器，一當開機或用戶用水的過程中水位低于20%，便觸發蜂鳴器，實現聲光報警自動上水功能。以上3項子功能電路簡單，原理圖略。

3 系統軟件設計

太陽能熱水器控制器系統采用基于C程序[4]的模塊化結構編程，包括主程序、自動加熱子程序、自動上水子程序、LED數碼管動態掃描子程序和按鍵去抖動算法設計。

按鍵去抖動[5]采用定時器每2ms中斷一次，每次中斷讀取4個按鍵的狀態并存儲起來;連續掃描8次后，看看這連續8次的狀態是否一致，8次按鍵的時間大概是16ms，這16ms內如果按鍵的狀態保持一致，那就確定現在按下的按鍵處于穩定狀態，而非處于抖動階段，從而實現按鍵的去抖動。按鍵從按下到彈起的狀態檢測過程如圖8所示。系統主循環程序根據去抖動后的按鍵值，執行不同的操作，系統主程序流程圖如圖9所示。

圖8 ?按鍵連續掃描判斷

圖9 主程序流程圖

主程序在檢測顯示水溫水位環節，采用數字濾波處理即連續讀3次，取排序后的中間值為讀取到的水溫水位值，提高系統的抗干擾能力。

4 結束語

本次設計實現的太陽能熱水器控制器系統主要的創新點有：1）采用自制的水溫水位一體化傳感器，檢測效果穩定可靠，成本低廉;2）具有防雷、漏電和過熱保護功能，性價比高較易被用戶接受。該系統將以其安裝操作方便、顯示精度高、穩定可靠等優越性能目前已批量生產，為企業創造了可觀的經濟和社會效益。附PCB控制板如圖10：

圖10 太陽能熱水器控制板PCB

參考文獻：

[1]閻石.數字電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2012.P332～P334.

[2]牛小玲.太陽能水溫水位控制器設計.實驗技術與管理，2014，31（1）：75-76.

[3]馬敏.太陽能熱水器控制器的設計，河南科學2003，21（2）：225

[4]徐意.單片機技術與應用[M].浙江：浙江大學出版社，2012.

[5]宋雪松.手把手教你學51單片機[M].北京：清華大學出版社，2014.

基金項目：本項目來自浙江省教育廳一般科研項目：新型太陽能熱水器控制儀的應用研究，編號：Y201224827。

作者簡介：

戴仔龍（1981-），男，江蘇南京人，講師，碩士研究生，主要從事智能儀器與智能控制方面的研究。