太陽能熱水器自動上水系統設計

陳蘇杭?陸榮鑑

摘 要：太陽能是目前地球上巨大的財富之一，人們利用太陽能可以節省許多其他有限能源。太陽能熱水器因利用太陽能、無污染、長期使用的投入費用低等特點而倍受人們青睞，近些年得到了很好的推廣和發展。本設計采用MICROCHIP公司的PIC系列單片機作為主要控制器，使用C語言來編寫程序，設計了一款智能太陽能熱水器自動上水控制器。通過數字溫度傳感器檢測當前的水溫，通過單片機的處理在LCD12864上顯示當前的溫度值。水位探測方面是在水箱中放置兩個探針，分別代表高和低兩個水位。溫度和水位都是實時檢測，以此達到控制的目的。

關鍵詞：太陽能熱水器;單片機;傳感器;智能控制

0 引言

在科技快速發展的今天，環境的破壞日益嚴重，人們逐漸意識到保護環境的重要性。[1，2]太陽能熱水器具有以下這些特點：水質潔凈、節省電能、安全可靠等等，所以受到群眾的廣泛歡迎。[3]隨著太陽能熱水器的快速發展，太陽能熱水器智能控制器這一行業隨之崛起，共同推動了太陽能熱能利用技術行業的進步。

智能控制器的核心技術主要包括以下兩個方面：一個是控制器功能的完善方面，另一個是自身安全可靠性方面。在功能上，方便實用是重點;在可靠性上，把硬件和軟件相結合，并且注意用水、用電的安全。早期用戶只是通過數碼管直接看出當前熱水器的水溫，水位顯示則用簡單直觀的發光二極管來表示。如果LED亮了，那么表示當前水位已達百分之多少;后來設計者換成了液晶顯示屏或彩色發光屏幕，使用戶能夠更方便、直觀地看到熱水器的工作狀態。通常顯示器上顯示有溫度顯示、液位顯示、時間顯示、出故障報警提示、工作狀態等。[4]

1 太陽能熱水器系統總體設計

單片機PIC16F1826作為控制核心并協調整個系統的工作，通過數字溫度傳感器檢測當前水的溫度，由于是數字信號就直接送入單片機內，通過單片機的處理在LCD12864上顯示當前的溫度值。用水箱中的兩個探針得到水位的高低，并用LCD顯示水位的高低。自動上水方面是設置水位的上下限，水位低于上限時就會閉合電磁開關，就會開始上水，水位到達上限時就會自動斷開電磁開關，停止上水。[5]按鍵用來設定時間以及手動上水。溫度和水位值處于時時檢測的狀態，以此達到控制的目的。

2 熱水器控制系統電路設計

2.1 水位檢測電路

本設計所使用的測水位方式是探針測水位，液位的高低是控制自動上水停水的關鍵，及時準確地檢測出水位高度，實現水位的自動控制。該設計所使用的測水位方式是探針測水位。檢測原理為：本電路里放置了兩個水位探針，分別代表水箱的最高水位和最低水位，當水位低于最高水位時，單片機控制繼電器閉合上水，當水位到達最高水位時，繼電器斷開，停止上水。

2.2 自動上水停水控制電路

本電路中利用電磁繼電器來實現自動控制。當繼電器線圈通以電流，根據電磁感應定律，鐵芯產生磁性，把開關吸合，從而繼電器回路形成。

自動上水停水控制電路工作原理：當水位檢測電路得出太陽能蓄水池當前水容量低于最高水位時，單片機處理后送低電平信號，后端電路接通，輸出電壓分壓后使三極管導通，電磁繼電器達到工作電壓，常開觸點閉合，開始上水，到達最高水位后觸電斷開，停止上水。[6]

2.3 時鐘模塊

本設計所使用的DS1302計時芯片可以做到可靠的計時。更重要的是，該芯片可以在擁有后備電源時持續計時。在斷電等特殊情況下，可以保證計時的準確性，并能夠使熱水器準時上水。

2.4 溫度檢測電路

本設計采用DS18B20器件，該器件是目前較為先進的測溫方法。內部采完模擬信號后直接轉成數字信號，單片機對接收到的信號進行處理。DS18B20只有3根導線連接線，接到單片機I/O口進行測溫，電路簡單、方便使用。這種連接方式組合了電源和信號線，電路簡單，僅使用一根線，且DS18B20編碼唯一，各自連接網絡尋址，耗能很低。

2.5 鍵盤電路

軟件設計上，把事先的程序編譯好后下載到單片機，時間可以在程序中寫入，按鍵S1被按下，此時光標顯示到秒的位置，S2作為調節時間秒的加鍵，S3作為調節時間秒的減鍵;按鍵S1第二次被按下時，此時光標顯示到分鐘的位置，S2作為調節時間分鐘的上升按鍵，S3作為調節時間分鐘的下降按鍵;按鍵S1第三次被按下時，此時光標顯示到小時的位置，S2作為調節時間小時的上升按鍵，S3作為調節時間小時的下降按鍵，S4作為手動上水開關。

3 熱水器控制系統軟件設計

3.1 系統整體流程

軟件是用來控制硬件的正常運作，整體軟件的設計思路：采用多個模塊功能分別單獨設計的方式，將各個模塊統一后形成完整的系統。本設計的軟件主要包括主程序、鍵盤掃描子程序、DS18B20測溫子程序、LCD12864顯示子程序、水位檢測子程序。

主程序需要完成的功能有：系統對DS18B20以及12864顯示屏的初始化，讀取用戶通過鍵盤設置的時間，再讀取溫度和水位信息，然后對水位進行分析，執行相應的命令，完成后等待下一次啟動命令。系統整體流程為：先進行系統初始化，再掃描鍵盤，檢測當前水位和水溫，將參數顯示在顯示屏上，判斷水位是否低于設定值，如果水位定于設定值則打開電磁閥，否則關閉電磁閥。

3.2 DS18B20軟件設計

DS18B20溫度檢測流程為：先對DS18B20進行復位，然后讀取溫度數據，再對數據進行轉換，最后在LCD12864上顯示溫度數值。

3.3 LCD12864軟件設計

LCD12864顯示程序流程為：先對LCD初始化，清除顯示RAM區，接著處理單片機的命令，再置顯示初值，指針指向第一，顯示預設的水溫、水位和時間等數字在顯示屏上。

4 結語

本系統是一個可用于控制太陽能熱水器的智能控制系統，能夠進行水位、水溫的檢測和顯示，能夠對時間進行設定、對水位進行控制，能較好地對太陽能熱水器進行智能控制。

系統以PIC16F1826單片機為核心，有溫度檢測傳感器、水位檢測電路、上水控制、溫度顯示、水位顯示等模塊。其中，溫度顯示是通過溫度檢測傳感器DS18B20采集到的溫度數據經過單片機處理發送到LCD12864上實現的。鍵盤則是輸入時鐘時間和手動控制上水。水位顯示與上水控制是通過設置水位的探針來檢測不同的水位。水位低于最高水位，就會自動上水。當上水到最高水位時，停止上水。

參考文獻：

[1] 丁奉龍，周海燕.手持噴霧水電解機的控制裝置設計[J].藝術科技，2019，32（08）：241+243.

[2] 劉剛，趙晨陽.便攜式電動滑板的創新設計[J].科技與創新，2017（01）：88.

[3] 姚單，張冠男，程似騏，何俊藝.針對上水問題的太陽能熱水器增壓系統設計與實現[J].科協論壇（下），2012（01）：24-25.

[4] 應進平.太陽能熱水器自動控制系統設計[J].計算機測量與控制，2006（12）：1652-1653+1710.

[5] 吳磊，孟惠，周永軍，宋曉偉.一種機械式半自動太陽能熱水器上水裝置[J].太陽能，2018（03）：62-64+69.

[6] 嚴冬，趙玉榮，陳潤，金建，馬敏.基于單片機的太陽能熱水器自動上水系統設計[J].電腦知識與技術，2017，13（32）：255-256.

作者簡介：陳蘇杭（1997—），男，研究生在讀，主要從事機電一體化、嵌入式系統方向的研究。

通訊作者：陸榮鑑（1964—），男，研究生，講師，主要從事機電一體化、工業控制系統方向的研究。