基于單片機的太陽能熱水器控制系統設計

摘 要：本文設計了一種適合于家用、高性能的太陽能熱水控制系統。系統以AT89S52單片機為控制核心，采用PCF8563實時時鐘，能夠實現溫度、水位檢測、報警、按鍵輸入、液晶顯示信息等功能。系統具有控制精度高、抗干擾能力強、實用方便等優點。

關鍵詞：太陽能熱水器；AT98S52；水溫；水位

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.053

太陽能作為綠色環保的能源在現今社會的使用相當普及，太陽能熱水器是太陽能利用最常見的一種裝置，它將太陽能轉化為熱能，將水從低溫加熱到高溫。本文設計的太陽能熱水器控制系統以單片機AT89S52為主控芯片，能夠實時測量水溫、水位，并將數據顯示于液晶屏，同時顯示時間；可以根據用戶實際需求和季節變化預先設置水位和溫度；根據天氣情況啟動輔助加熱（電加熱），使水溫達到預先設定的溫度；同時通過軟件來實現自動上水、循環加熱、防凍控制、自動報警等功能[1]。

1 系統主要硬件設計

太陽能熱水器控制系統采用MCS-51系列單片機AT89S52作為主控芯片，本系統主要由水位檢測電路、溫度檢測電路、鍵盤輸入、液晶顯示、報警電路、數據存儲、通訊接口、時鐘電路、輸出控制電路等部分組成[2]，系統框圖如圖1所示。

1.1 溫度檢測電路

在整個太陽能熱水器控制系統中溫度的檢測對整個系統能否選擇正確的工作狀態起著重要作用。根據系統測量精度要求及考慮成本因素，溫度傳感器選用熱敏電阻，通過多個熱敏電阻分別來檢測供水箱溫度、集熱器溫度、出水管溫度、回水管溫度，采集到的信號放大后送多路模擬開關CD4052，在此選用ADOP-07放大器。再經電壓/頻率轉換器LM331實現A/D轉換[3][4]，最后送至AT89S52的T0通道，通過軟件實現溫度參數計算。

1.2 水位檢測電路

水位檢測選用不銹鋼針進行采樣，水位高度分為5級，用5根不銹鋼針分別置于水箱內的5個不同高度位置。當水位低于鋼針高度時，輸出為高電平；水位高于鋼針高度時，輸出為低電平。采樣得到的信號經電子開關CD40106送至單片機P2口，單片機根據引腳狀態判斷出相應的水位值，送液晶屏顯示電路，顯示共分5檔，每檔為滿水位的20%。

1.3 通訊電路

系統主控電路板主要與兩種顯示電路進行通訊，一是近程顯示電路，由于距離較近，直接采用排線方式實現通訊；二是遠程顯示電路，采用串行異步通信方式，系統通過RS-485接口進行遠程通信[5]，發送與接收器選用DS3695A來實現。

1.4 其他硬件電路

輸出控制電路。AT89S52的P1口與六路光電耦合器TIL621相連，由光電耦合電路驅動六路繼電器輸出，驅動電加熱、電磁閥等工作。

鍵盤輸入電路。系統設定六個按鍵，分別用作設定、左移、右移、上移、下移、退出功能。按鍵一端接10K上拉電阻，另一端接地，為確保按鍵的準確性在上拉電阻與按鍵的連接端接有一個0.1uF濾波電容。

LCD顯示電路。系統選用LCM12864ZK點陣式液晶顯示模塊[6]，與LED相比具有低功耗、顯示信息量大、控制簡單等優點，用來實時顯示“溫度”、“水位”和“時間”。當用戶未做任何設置時，液晶屏分別顯示水箱的實時溫度、實時水位和時間。當用戶需要預設參數時，通過按鍵利用光標選擇所要設定的菜單，進入后通過按鍵設置參數值。

時鐘電路。為實現控制系統24小時能供應熱水，需要有一個實時時鐘向系統提供準確的基準時間，要求實時時鐘精度高、功耗低、工作穩定。系統選用PCF8563低功耗CMOS實時時鐘/日歷芯片。

數據存儲電路。系統采用16K的CAT1161串行存儲器，集硬件存儲寫保護串行E2PROM存儲器、復位控制器和看門狗定時器于一體。該芯片是帶I2C存儲器的監控芯片，與單片機的連線較為簡單，具有功耗低、工作電壓寬、實用可靠等優點。

漏電保護電路。系統選用漏電互感器TA1016，當發生漏電時，TA1016兩次檢測到10～16V的交流電壓信號，經二極管整流電容濾波后使三極管導通，此時三極管集電極輸出低電平，單片機檢測到低電平后將電加熱迅速關掉，從而保護用戶的用電安全。

2 系統軟件設計

系統軟件程序采用模塊化的方法完成控制器的軟件設計，主要包括主程序、溫度檢測程序、顯示程序、鍵盤中斷程序等。主程序流程如圖2所示，系統初始化所要完成的工作包括，單片機工作時鐘的設置、管腳配置、中斷初始化設置、看門狗初始化、各傳感器的參數配置等工作[7]。

系統初始化結束后進入系統工作模式選擇，工作模式分為系統模式和用戶模式，流程圖如圖3所示。系統模式是系統根據大多數用戶的使用習慣來設置各類參數，不需要用戶自己設定；用戶模式是用戶可以根據自己的使用習慣自行設置各類參數。工作模式選擇完后進行水溫、水位檢測，然后檢測系統是否存在故障，若有故障則將故障數據存儲到E2PROM中，若沒有則回到系統工作模式選擇。兩種工作模式都可以強制啟動輔助加熱，加熱到預定溫度后自動停止輔助加熱，返回到原來的工作模式，進行后續工作。

3 結束語

模式設置流程圖本控制系統采用AT89S52單片機作為控制核心，實現水位、水溫的檢測、自動上水、輔助加熱等功能的控制，經測試達到所需功能要求，具有抗干擾能力強、精度高、使用方便、價格低廉等優點，具有較好的推廣和經濟價值。

參考文獻：

[1]張先臣.一種實用的太陽能熱水器單片機控制器的設計[J].自動化與儀器儀表，2005：19-21.

[2]程佩青.數字信號處理基礎[M].北京： 清華大學出版社，2002： 201-246.

[3]赫飛.LM331在AD轉換電路中的應用[J].微計算機信息，2004：116-117.

[4]洪家平.LM331在溫度測控中的應用[J].傳感器與儀器儀表，2004：53-54.

[5]畢博，王春平，孫書鷹.應用RS-485的PC與單片機通信研究[J].科學技術與工程，2008：236-238.

[6]胡建波.LCM12864ZK圖形液晶顯示模塊并行實用技術[J].信息技術與信息化，2006：67-69.

[7] 張景文，王震宏，高為浪，李桂花.基于單片機的太陽能熱水器智能控制系統[J].西華大學學報（自然科學版），2008：25-27.

作者簡介：沈凱（1978-），女，江蘇常州人，碩士，副教授，研究方向：電子信息技術及應用。