關(guān)于單片機(jī)控制的智能太陽(yáng)能熱水器的研究

摘 ?要：本文提出了一種以 MCS—52 系列單片機(jī)AT89C52為主要控制芯片，輔之以其他功能芯片對(duì)太陽(yáng)能熱水器進(jìn)行控制的設(shè)計(jì)方案，使太陽(yáng)能熱水器使用起來(lái)更加方便，安全。該系統(tǒng)由主控芯片模塊、DS18B20 溫度檢測(cè)模塊、LED 顯示模塊、水位檢測(cè)模塊、鍵盤(pán)控制模塊、報(bào)警模塊和電磁閥控制模塊組成。給出了各個(gè)模塊地結(jié)構(gòu)及其工作原理、系統(tǒng)硬件原理圖、程序流程圖和部分源程序，并結(jié)合理論設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真。本設(shè)計(jì)充分利用AT89C52單片機(jī)系統(tǒng)的三總線控制，即數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線的設(shè)計(jì)方式，為應(yīng)用系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)AT89C52單片機(jī)的外部功能擴(kuò)展使系統(tǒng)具有自動(dòng)上水與保溫的功能，還能自動(dòng)驅(qū)動(dòng)加熱及上水裝置來(lái)滿(mǎn)足系統(tǒng)的設(shè)置，使用起來(lái)安全可靠。此外，設(shè)計(jì)方案中還考慮了一些抗干擾措施，例如采用光電隔離器4N25使輸入輸出有效隔離，采用硬件去抖動(dòng)措施解決按鍵抖動(dòng)的問(wèn)題等等。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的機(jī)械式控制系統(tǒng)相比較，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，使用方便等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);溫度控制;水位控制;智能制造

1、緒論

目前，中國(guó)已成為世界上最大的太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)國(guó)，年產(chǎn)量約為世界各國(guó)之和，已有一百多家太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)廠。但是與之配套的太陽(yáng)能熱水器控制器卻一直處在研究與開(kāi)發(fā)階段。本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能熱水器控制器以80C52單片機(jī)為檢測(cè)控制核心，采用DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘，不僅實(shí)現(xiàn)了時(shí)間、溫度和水位三種參數(shù)實(shí)時(shí)顯示，而且具有時(shí)間設(shè)定、溫度設(shè)定與控制功能。溫度控制采用模糊控制，控制器可以根據(jù)天氣情況利用輔助加熱裝置使蓄水箱內(nèi)的水溫在設(shè)定時(shí)間達(dá)到預(yù)先設(shè)定的溫度，從而達(dá)到24小時(shí)供應(yīng)熱水的目的。太陽(yáng)能熱水器是太陽(yáng)能利用中最常見(jiàn)的一種裝置，經(jīng)濟(jì)效益明顯，正在迅速的推廣應(yīng)用，太陽(yáng)能熱水器能夠?qū)⑻?yáng)輻射能轉(zhuǎn)換熱能，供生產(chǎn)和生活使用。

2、單元模塊設(shè)計(jì)

2.1各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì)物

2.1.1單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式，如下圖所示。

單片機(jī)系統(tǒng)

單片機(jī)系統(tǒng)由AT89C52和一定功能的外圍電路組成，包括為單片機(jī)提供復(fù)位電壓的復(fù)位電路，提供系統(tǒng)頻率的晶振。這部分電路主要負(fù)責(zé)程序的存儲(chǔ)和運(yùn)行。上圖中MCS-52內(nèi)部時(shí)鐘方式電路外接晶體以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對(duì)外接電容的值雖然沒(méi)有嚴(yán)格的要求，但電容的大小會(huì)影響振蕩器頻率的高低、諧振器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。晶體可在1.2MHz～12MHz之間任選，電容C1和C2的典型值在20pF～100pF之間選擇，但在60pF～70pF時(shí)振蕩器具有較高的頻率穩(wěn)定性。典型值通常選擇為30pF左右，但本電路采用33pF。在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，晶體或陶瓷振蕩器和電容應(yīng)盡可能安裝的與單片機(jī)芯片靠近，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠的工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用溫度穩(wěn)定性能好的高頻電容。AT89C52的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本設(shè)計(jì)中所用到的是上電按鈕復(fù)位。

2.1.2控制器實(shí)時(shí)時(shí)鐘接口電路

為實(shí)現(xiàn)熱水器24小時(shí)供應(yīng)熱水的目的，控制器必須有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘來(lái)為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的基準(zhǔn)時(shí)間;在軟件設(shè)計(jì)上則要實(shí)時(shí)地讀出當(dāng)前時(shí)間，同設(shè)定時(shí)間比較，以決定系統(tǒng)工作狀態(tài)。

2.1.3水位檢測(cè)接口電路

蓄水箱水位和溫度檢測(cè)部分是實(shí)現(xiàn)溫度智能控制的重要環(huán)節(jié)，只有準(zhǔn)確地檢測(cè)出水位和溫度，才能通過(guò)軟件計(jì)算提前開(kāi)始輔助加熱的預(yù)加熱時(shí)間。要實(shí)現(xiàn)輔助加熱提前時(shí)間的精確計(jì)算，最好是采用連續(xù)液位傳感器，但考慮系統(tǒng)成本，本設(shè)計(jì)仍采用分段式液位傳感器（通過(guò)軟件來(lái)提高精度），在水位顯示上也仍采用分段顯示。

2.1.4 DS18B20與單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)

基于DS18B20多點(diǎn)溫度測(cè)量系統(tǒng)以AT89C52為中心器件，以KEIL為系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)，用C語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，以PROTEUS作為仿真軟件設(shè)計(jì)而成的。

DS18B20是智能溫度傳感器，它的輸入/輸出采用數(shù)字量，以單總線技術(shù)，接收主機(jī)發(fā)送的命令，根據(jù)DS18B20內(nèi)部的協(xié)議進(jìn)行相應(yīng)的處理，將轉(zhuǎn)換的溫度以串口發(fā)送給主機(jī)。主機(jī)按照通信協(xié)議用一個(gè)IO口模擬DS18B20的時(shí)序，發(fā)送命令（初始化命令、ROM命令、功能命令）給DS18B20，并讀取溫度值，在內(nèi)部進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)值處理，用圖形液晶模塊顯示各點(diǎn)的溫度。在系統(tǒng)啟動(dòng)之時(shí)，可以通過(guò)4×4鍵盤(pán)設(shè)置各點(diǎn)溫度的上限值，當(dāng)某點(diǎn)溫度超過(guò)設(shè)置值時(shí)，報(bào)警器開(kāi)始報(bào)警，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)各點(diǎn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

每個(gè)DS18B20有自己的序列號(hào)，因此本系統(tǒng)可以在一根總線上掛接了4個(gè)DS18B20，通過(guò)對(duì)各個(gè)DS18B20的ROM進(jìn)行尋址，地址符合的DS18B20才作出響應(yīng)，接收主機(jī)的命令，向主機(jī)發(fā)送轉(zhuǎn)換的溫度。采用這種DS18B20尋址技術(shù)，使系統(tǒng)硬件電路更加簡(jiǎn)單。

2.1.5 蜂鳴器報(bào)警電路

蜂鳴器俗稱(chēng)喇叭，是廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品的一種元器件，它用于提示、報(bào)警、音樂(lè)等許多應(yīng)用場(chǎng)合。

蜂鳴器通常工作電流比較大，電路上的TTL電平基本上驅(qū)動(dòng)不了蜂鳴器，需要增加一個(gè)電流放大的電路才可以。蜂鳴器由振蕩器、磁鐵、振動(dòng)膜片以及外殼等組成，接通電源后，振蕩器產(chǎn)生音頻信號(hào)，電流通過(guò)電磁線圈使電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，振動(dòng)膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動(dòng)發(fā)聲。

2.1.7 光電隔離與輔助加熱電路

當(dāng)室外光強(qiáng)不足（陰天、下雨）時(shí)，對(duì)水箱的水提前加熱是很必要的，這一電路恰好能完成這一功能。工作原理：當(dāng)單片機(jī)P3.2口輸出高電平時(shí)，三極管T1導(dǎo)通，致使發(fā)光二極管發(fā)光，同時(shí)光敏三極管T2導(dǎo)通，繼電器閉合，電阻絲R1～R4發(fā)熱，這樣就完成了加熱任務(wù)，此電路雖然簡(jiǎn)單，但在太陽(yáng)能熱水器中是必不可少的。

3、結(jié)束語(yǔ)

采用本熱水器與電熱水器、燃?xì)鉄崴飨啾龋€具有絕對(duì)安全，最為衛(wèi)生的特點(diǎn)，在電費(fèi)，液化氣、煤氣價(jià)格較高的地區(qū)，用戶(hù)1-3年即收回投資，在這以后提供的熱水是免費(fèi)的。

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作者簡(jiǎn)介：彭國(guó)欽，男，出生年月：19881220，廣東珠海，助理工程師，本科。