基于單片機的通用太陽能熱水器控制器設計研究

張震 趙天翔 黃進明 張小波

摘 要：隨著太陽能市場規模的逐漸擴大，市場上出現越來越多的太陽能熱水器控制器，大部分控制器不夠完善。目前，市場上的太陽能熱水器控制系統基本實現數字化，以單片機為核心的控制器占據太陽能熱水器控制器的主要市場，其中應用最多的是51系列和PIC系列單片機。太陽能熱水器控制器是熱水器系統的關鍵部分，是整個系統的核心。文章以STC89C52單片機為核心，設計了一個通用太陽能熱水器控制器。其整體思路是實現控制器對太陽能熱水器容器內的水位、水溫測量與顯示；缺水時自動上水、手動上水；手動加熱等功能，并通過仿真與實物連接加以驗證。

關鍵詞：熱水器控制器；設計研究；整體結構

中圖分類號：TK515 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）24-0093-03

Abstract： With the gradual expansion of the solar market， there are more and more solar water heater controllers in the market， most of which are not perfect. At present， the control system of solar water heater in the market is basically digitized. The controller based on single-chip computer occupies the main market of solar water heater controller， among which 51 series and PIC series single-chip computers are the most widely used. The controller of solar water heater is the key part of the water heater system and the core of the whole system. Based on STC89C52 single-chip microcomputer， a general controller of solar water heater is designed in this paper. The whole idea is to realize the controller's measurement and display of the water level and water temperature of solar water heater container； once it is short of water， it is ensured that there are functions such as automatic water supply， manual water supply and manual heating， and simulation and physical connection are means of verification.

Keywords： water heater controller； design research； whole structure

1 概述

太陽能熱水器是利用太陽光將水從低溫加熱到高溫，但在陰天時太陽光照不足會導致水溫較低，故需配合輔助加熱裝置進行電加熱將溫度升高到所需溫度，以滿足人們的熱水使用。目前，市場上太陽能熱水器的控制系統大多存在功能單一、操作復雜、控制不方便等問題，很多控制器雖然具有溫度和水位顯示功能，卻不具有溫度控制功能或控制精度誤差較大，系統可靠性不足，致使熱水器陰天的時候使用不方便。即使熱水器具有輔助加熱功能，也因加熱時間不能控制而產生過燒現象，從而浪費電能。為此結合所學相關知識，在保證基本功能較為完善的前提下，考慮經濟性，提供了一種以51單片機為核心，具有低液位加水和輔助加熱功能的太陽能熱水器控制器的思路。

2 太陽能熱水器整體結構介紹

一個太陽能熱水系統主要由以下幾部分組成：集熱器、儲水箱、連接管路、輔助加熱器、控制器等。按照熱水系統的構造特點可以將太陽能熱水系統分為強制循環系統、自然循環系統以及直流式系統三種類型。

太陽能熱水器集熱器是太陽能熱水系統最關鍵的裝置。根據集熱器的構造以及熱能的吸收方式的不同，目前市場上的太陽能集熱器主要分為三種類型，包括真空管式集熱器、平板式集熱器以及熱管式真空管集熱器。

太陽能熱水器的輔助能源加熱系統有多種形式，現實設計中應按照用戶實際情況，操控便捷性等綜合考慮。目前常見的輔助能源加熱形式包括內置式電加熱器、電鍋爐、空氣源熱等方式。用戶可根據需要選用相應的輔助熱源，其中，電加熱是使用發熱電阻加熱冷水，它的特點是成本低、安裝簡便，但運行成本較高且因為電加熱器直接與水接觸易產生水垢，故其使用壽命短；空氣源熱泵的集熱效率高、運行成本低、綠色、環保，但其結構復雜，初期的投入成本高。

本次設計的太陽能熱水器控制器以STC89C52單片機為核心，與其他器件配合實現熱水器的基本功能，控制系統硬件框圖見圖1。

2.1 水位檢測電路

本設計采用4檔電阻式水位傳感器，其內部結構很簡單，儲水箱內水面每接觸一個探針就多并聯一個25kΩ電阻，接入電路中的電阻值隨水位變化而規律的變化。利用電阻式水位傳感器測量水位的優勢是節約成本，降低電路復雜度，便于及時更換。不足之處是電阻探針在水里使用時間過長會產生大量的水垢，為防止這個現象發生，用不銹鋼材料將電阻探針包裝起來，延長水位傳感器的使用壽命。

2.2 溫度檢測電路

采用負溫度系數NTC熱敏電阻溫度傳感器，測溫元件采用NTC熱敏電阻，負溫度系數的熱敏電阻的阻值變化特點是溫度變大，電阻值減小；溫度變小，電阻值增大。

2.3 顯示電路

顯示電路包括水位顯示和溫度顯示兩部分。

水位顯示電路由單片機P2.4-P2.7口來控制，單片機處理采集的水位變量，使P2.4-P2.7口輸出高低電平控制4個發光二極管亮滅的個數，從而顯示水位的高低。

溫度顯示電路采用數碼管顯示溫度。7段式LED數碼管是利用7個LED和1個代表小數點的LED組合而成的顯示器件，能用來顯示0～9等10個數字以及小數點，電路連接及使用原理較為簡單。7段式LED數碼管分為共陰極與共陽極兩種，共陽極是指LED的陽極都連接到共同的結點，每個LED的陰極分別為a、b、c、d、e、f、g、dp（小數點）；共陰極是指把LED的陰極連接到共同的結點，每個LED的陽極分別為a、b、c、d、e、f、g及dp。

熱水器溫度需能夠顯示0至99°C，本設計采用數碼管動態掃描方式，利用單片機P0口控制數碼管的段選，P2.0和P2.1口控制位選，實現溫度顯示。注意當P0口作為I/O口時需加上拉電阻。本設計采用共陰極數碼管，將0～9這十個數字的字形碼定義成一個數組，通過對溫度數據查表，就能顯示相應的數字。

2.4 驅動電路

2.4.1 上水控制電路

通過按按鈕給單片機發送上水信號，由單片機P3.0口輸出高低電平來控制三極管的導通和截止，進而控制上水繼電器的導通和關斷。P3.0口通過一個1K的電阻接三極管Q1的基極，基極與射極之間連接1K電阻，Q1的集電極通過上水繼電器接+12V電源，將繼電器與反向二極管并聯，Q1射極接地。當P3.0輸出低電平時，三極管截止，即集電極電流Ic≈0，基極電流Ib≈0，此時流過繼電器的電流幾乎為0，繼電器打開。當P3.0口輸出為高電平時，三極管Q1導通，有較大的飽和電流流過繼電器，使其吸合關閉，實現上水操作。

2.4.2 加熱控制電路

通過按按鈕給單片機發送加熱信號，由單片機P3.1口控制加熱電磁繼電器，當P3.1輸出低電平時，三極管Q2不導通，流過繼電器地電流幾乎為0，開關開啟，電加熱器未接入電路，不加熱；當P3.1口輸出高電平時，三極管Q2導通，繼電器有較大飽和電流流過，開關閉合，電加熱器開始工作。

3 模塊選擇

依據設計思路，控制系統硬件整體結構分為四個模塊：

3.1 水位測量模塊

使用電阻型4檔水位傳感器，采用RC充放電并用單片機記錄時間的方法，通過記時時間的改變間接地采集并處理水位信號，達到測量水位的目的。

3.2 水溫測量模塊

采用負溫度系數NTC熱敏電阻溫度傳感器，同樣用RC充放電、單片機記錄不同的定時時間的方法，實現水溫的測量。

上述兩個模塊是太陽能熱水器控制系統最關鍵的部位。

3.3 水位與水溫顯示模塊

依據4個并排的發光二極管的亮滅顯示不同的水位，使用數碼管顯示水的溫度。此模塊主要用于人機信息交互，能較為直觀地顯示太陽能熱水器儲水箱內水的狀況。

3.4 驅動模塊

此模塊是系統的執行部分，包括上水電路（三極管、上水繼電器）、加熱電路（三極管、加熱繼電器）等。

在整個控制系統中，微處理器是控制器的控制核心，需具備較強的控制能力、較快的運算速度以及豐富的外設資源。同時，為降低控制器的成本，微處理器需具備一定的價格優勢。本設計采用STC公司生產的STC89C52單片機。

4 系統的調試與功能實現

4.1 系統初步設計的調試

本系統設計的是基于STC89C52的太陽能熱水器控制器，在連接復雜的電路前先在 Proteus中進行模擬仿真，測試程序設計是否符合電路的相關要求，程序是否運行正確合理。用Proteus軟件把電路中所需要的元器件調出，繪制出具體的電路圖，設置好元器件相應的參數。然后把用Keil軟件編寫好的程序導入到單片機中。

4.2 系統硬件電路的調試

根據仿真電路，通過電路板和單片機最小系統板搭建電路，按模塊分別搭建獨立調試成功后，搭建完整電路進行綜合調試。

調試的一個關鍵是溫度校準。要根據具體的電路實現溫度的校準，采用線性校準法，測量0°C、100°C時熱敏電阻的阻值，根據熱敏電阻的指數遞減的特性，可求出其他的溫度時的阻值。查表法是一種線性插值法，將非線性函數分段，即將每小段曲線用直線代替，分段越多誤差越小，將折點坐標值畫入圖中，利用兩點的直線方程可求得其兩點之間其他點的值，即可實現溫度的校準。

水位顯示的實物連接圖如圖2所示，電路板上面是555定時器產生方波的電路、RC充放電電路、LM358構成的跟隨器、LM393構成的比較器以及4個LED，上側為+5V、+12V電源，右側為水位水溫傳感器。

4.3 系統電路功能實現

實物調試實現了下列功能：

當水位變化時，4個發光二極管亮滅相應變化，能較準確地表示出水位的變化。當水的溫度變化時，數碼管能較準確地顯示溫度，誤差在3°C以內。當按下上水按鈕時，上水繼電器動作，模擬加水。當按下加熱按鈕后，若溫度低于65°C，則電加熱繼電器動作，模擬輔助加熱；當溫度上升到設定溫度時，電加熱繼電器失電，停止加熱。基本達到設計的期望與要求。

5 結束語

本文以STC89C52單片機為核心，配合4檔電阻型水位傳感器、負溫度系數NTC熱敏電阻溫度傳感器、數碼管以及驅動電路（上水繼電器、電加熱繼電器）等外圍器件實現控制器對太陽能熱水器容器內的預期功能，并通過仿真和實物連接進行了驗證。

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