太陽能熱水器自動控制系統

展赫 袁建川 駱瑩升 李杰 薛蕊

【摘?要】通過對市面上太陽能熱水器自動控制系統的分析，設計一種太陽能熱水器智能控制系統，能夠檢測水位水溫并且顯示到顯示屏幕，當水位低的時候能夠自動加水，擁有按鍵調節作用，也可以定期對水箱進行清理，藍牙預約加熱以及清理。保證用水時的溫度及質量。以STM32為主控芯片，通過傳感器來檢測水的位置跟溫度進行處理，并通過OLED顯示出來，是一款自動、節能設備。上水加有多出水位檢測，并且能夠更好的避開光照充足時上水時間進行補水。并且限制在白天的一定范圍內不會上水，防止產生爆管的情況。并且伴有輔助加熱功能，通過藍牙控制繼電器控制加熱，弱電控制強電起到更好的隔離保護。預約加熱能夠更節約電加熱的損耗。自動上水，溫度上下限控制，以及定期排污除垢清洗，使用的水更加干凈。使得控制系統更加自動化節能化。

【關鍵詞】STM32;OLED顯示;水位監測;藍牙;自動化;節能;太陽能熱水器

引言

在科技高速發展和科技以人為本的今天，目前的技術和產品是有缺陷的。實現太陽能熱水器的可控溫，實現光熱電熱、光熱氣熱的互補，是太陽能熱水器產品升級、換代的必然趨勢。現太陽能熱水器的可控溫是科技進步的象征，是社會經濟發展的需求。其主要意義在于市場競爭的需求：隨著太陽能熱水器的逐步普及，太陽能熱水器的同質化，已使這個行業從早年的技術競爭轉變為當前的價格之戰。太陽能熱水器的升級換代己迫在眉睫。消費目標的需求：太陽能熱水器的節能和環保已得到消費市場的認可，但消費者不滿足一個被動吸熱、冬冷夏熱的節能環保產品。節能的需求：在水資源日益缺乏的今天，為了反復兌水、調試水溫而造成浪費是十分不該的。安全的需求：用戶不喜歡有燙傷事故隱患的熱水器，研發制造一種可控溫的太陽能熱水器，具有十分重要的意義。如何實現太陽能熱水器的可控溫，面對一個被動吸熱的受熱體似乎是不可能的！科技創新的目的就是要把不可能的變成可能的。實現太陽能熱水器的可控溫關鍵在于控制軟件的研發及相關硬件的配合支持。

1硬件系統設計

本設計包括控制部分、檢測部分、執行部分、顯示部分、藍牙傳輸部分總體設計框圖見上圖1。

1.1電機調速電路

對于電機的調速，我們采用程序編寫進行PWM調速的方法。

PWM調速的原理是通過控制在一個周期內輸出高電平的時間大小，從而實現電機轉動的速度。在硬件電路的連接上，將CONTROL_1、CONTROL_2、CONTROL_3、CONTROL_4分別接在單片機4個I/O口上，通過控制I/O口輸出高電平確保2104S正常工作，將PWM_1、PWM_2、PWM_3、PWM_4分別接在單片機定時器引腳上上，通過改變輸出占空比，改變裝置的運行速度。MOS管全橋電機驅動電路配合PWM，保證有較大的的調節范圍和準確的調節速度，所以在這里采用MOS管驅動完全滿足工作要求，由于，信號源沒有足夠的電流輸出能力，為了保證MOS管能夠正常工作，需要加上IR2101驅動芯片，具體電機驅動電路圖見圖2。

N型MOS需要在柵極和源極之間加10V～20V電壓才能完全導通。電容C1和二極管DI的作用是與負載組成一個BOOST升壓電路，使得在IR2101S芯片的VB引腳上產生一個12V的電壓，IR2101S芯片會用VB腳的12V電壓來驅動NMOS上管。使用主動升壓電路來代替DI CI，主動升壓到12V，輸入到IR2101的VB引腳，電容C2保留去除二極管DI即可保證半橋恒導通。二極管的作用為：關斷時快速泄放柵源極電容上的電荷來加快關斷速度，減小關斷時間，進而降低關斷時的損耗。

1.2電流檢測電路

電流檢測及過流保護電路如圖3所示。

電機的工作電流通過采樣電阻轉換為電壓信號。經過由精密放大器LM258組成的同向比例運算放大器電路放大后，作為電流閉環控制電流反饋信號輸入到微控制器進行AD采樣。

2 軟件系統設計

單片機供電開始工作進行檢測，當水位處于低水位時驅動電磁閥進行開閘供水，當水位到達中水位是指示燈亮起，當水位到達高水位時停止供水。通過藍牙進行預約加設定加熱溫度上下限，進行加熱。圖3所示。

（1）檢測流程

本設計通過DS18B20通過讀取數據反映給主控芯片，經過主控芯片對數據處理后傳給OLED屏幕把實時溫度顯示出來，主控系統檢測按鍵以及藍牙的動作，可通過藍牙對溫度定時控制，并設定溫度上下限。如果檢測到溫度到達上限，就給主控系統一個信號停止加熱，如果到達下限，就給主控系統加熱信號。

（2）上水流程

水位檢測傳感器為分段式檢測，根據水位到達不同的地方，對主控系統進行反應，水位分5個檔100%、75%、50%、25%、10%。能夠更好地顯示水量的位置，水位到達100%時，主控制器接收到信號停止加水并進行報警，當水位到達25%時，主控制器接收到信號，控制上水繼電器閉合進行上水動作。設置清理時間，到達進行清理。清理一段時間進行上水排水循環清理，最后停止清理再進行上水。

（3）按鍵流程

可通過按鍵對主控制器控制，不同按鍵有不同作用，SB1控制功能的確認，SB2控制數值的左移，SB3控制右移，SB4控制上移/切換SB5控制下移。按鍵模塊首先要判斷是否按下功能鍵，如果沒有按下就繼續等待，如果按下就保存這個功能命令;在進行按鍵輸入，直達按下確認鍵，數據有效。沒有按下則輸入的無效。根據不同的命令做不同的功能處理。按鍵抖動處理是對按鍵按下后延時一段時間再檢測來消除的。

（4）清理流程

清理設計可以通過定期以及定天進行控制清理，通過藍牙輸入要清理的日子進行清理，到達清理的時候，防水用水開關會打開，在清理的狀態不讓用水，然后進行添加除垢劑進行沉淀，一段時間打開排污口開關通過排污口排出水，排到水位很低的時候，防用水開關閉合，進行加水同時排污口保持打開，進行一個循環沖洗的過程一段時間后結束清理，回歸正常狀態，缺水就進行加水。

3 結論

太陽能熱水器自動控制系統可以實現水位檢測和提示、溫度檢測和加熱、時間顯示和調整，由于本設計是弱電控制強電，采用繼電器和外部鏈接會更安全，當外部電壓過大時能有效保護單片機，然后通過繼電器控制加熱和加水的關閉狀態，可通過藍牙預約開啟，加熱最大程度上節約能源，保證用水。此設計帶有報警提示，用來提示各種當前動作與不同的動作，測量水溫在溫度低于設定值時進行加熱到預定值溫度。控制系統可以根據天氣情況利用輔助加熱裝置（電加熱器）使蓄水箱內的水溫達到預先設定的溫度，從而達到24小時供應熱水的目的。

參考文獻：

[1]蘇賜民，李春杏，曾君，劉俊峰.太陽能熱水器自動控制系統的研究與設計[J].計算機測量與控制，2019，27（12）：106-110.

[2]周雪林.基于單片機和傳感器的太陽能熱水器自動控制系統[J].電子世界，2018（10）：172-173.

作者簡介：

展赫（1998-），男，山東省濟南人，學士，研究方向：控制工程。

李杰（1998-），男山東濟南人，學士，研究方向：控制工程。

駱瑩升（2001-），男，四川資陽人，學生，研究方向：機器人工程。

袁建川（1998-），女，重慶市人，學士，研究方向：控制工程。

薛蕊（1981-），女，山東省濟寧人，碩士，副教授，研究方向：控制工程。

該項目由國家級創新創業訓練項目《太陽能熱水器自動控制系統》（S202013320020）支持。

（作者單位：青島黃海學院）