通用型太陽能熱水器控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計

郭燦彬 羅 嵐

（1.廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣州 510515；2.中山華帝股份有限公司，中山 528415）

目前，市場上太陽能熱水器控制器品種類型多達(dá)上百種，且產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊，雖經(jīng)過了一定的篩選，但仍然有不少種控制系統(tǒng)存在各種問題，主要是設(shè)備接口、顯示界面及操作習(xí)慣的不統(tǒng)一。如果一個企業(yè)使用多個廠家的代工產(chǎn)品，缺乏自主開發(fā)的產(chǎn)品，將會造成企業(yè)的太陽能熱水器產(chǎn)品外觀和操作使用等不統(tǒng)一，且硬件成本偏高，資源利用率低[1]。因此，有必要按照項目合作企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的要求，結(jié)合企業(yè)實際情況，設(shè)計和開發(fā)一款通用型太陽能熱水器控制器（控制系統(tǒng)）。該控制系統(tǒng)是一款新型太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)，能夠自動檢測和顯示當(dāng)前水箱內(nèi)的水溫和水位等信息。在經(jīng)過軟件仿真和實際的應(yīng)用調(diào)試后，設(shè)計的太陽能熱水器控制系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期設(shè)計要求，成本低，工作安全可靠，具有廣闊的應(yīng)用前景[2]。

1 整體方案設(shè)計

控制系統(tǒng)可以根據(jù)安裝在水箱內(nèi)的多個高精度水位傳感器探針檢測的結(jié)果，自動識別和判斷當(dāng)前的水位情況。當(dāng)水箱內(nèi)的水位達(dá)到100%時，控制系統(tǒng)停止加水；當(dāng)水位低于10%時，控制系統(tǒng)自動報警，并停止輔助加熱，系統(tǒng)進(jìn)入自動加水或保護(hù)狀態(tài)，以防空燒。用戶可以根據(jù)實際需要，通過鍵盤按鈕操作選擇水箱中的水溫和水位參數(shù)，溫度最高可以調(diào)節(jié)到75 ℃，從而滿足不同的實際使用需求[3]。系統(tǒng)以PIC18Fxxx系列單片機(jī)為控制核心，控制系統(tǒng)硬件電路全部采用模塊式設(shè)計，主要包括溫度檢測電路模塊、水位傳感器模塊、液晶顯示電路模塊、鍵盤操作電路模塊以及輔助加熱電路模塊等。此外，軟件編程部分也全部采用模塊化和功能化的設(shè)計方法，將各個功能模塊單獨編寫成獨立子程序，通過調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)熱水器控制系統(tǒng)的各種功能。系統(tǒng)總體控制功能如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體控制框圖

在實際工程應(yīng)用中，用戶現(xiàn)場安裝了按鍵操作模塊，可以在現(xiàn)場通過操作面板設(shè)置太陽能熱水器溫度和參數(shù)等各項操作。網(wǎng)絡(luò)接入模塊只是一個選配模塊，當(dāng)控制系統(tǒng)標(biāo)配該模塊時，支持用戶從手機(jī)應(yīng)用（Application，App）端操作或者查看控制系統(tǒng)太陽能熱水器的各項工作狀態(tài)，且可按照各自需求設(shè)置電加熱溫度。在天氣不好的情況下，需提前通過遠(yuǎn)程控制方式啟動電加熱。

以下為控制系統(tǒng)標(biāo)配的功能。

（1）大發(fā)光二極管（Light-Emitting Diode，LED）彩屏顯示水位、水溫和工作狀態(tài)。其中：二位LED數(shù)碼管顯示溫度0～99 ℃；4位小數(shù)碼管顯示時間；圓圈內(nèi)紅、黃、綠、藍(lán)發(fā)光條指示5檔水位，藍(lán)光閃爍為第1檔，常亮為第2檔；文字及符號指示工作狀態(tài)。

（2）啟動上水的水位下限和終止上水的水位值可任意設(shè)定。用戶可以根據(jù)天氣情況和自己所需水量，任意設(shè)定加水上下限水位（上下限水位的范圍為50%～100%）。

（3）缺水報警、自動上水和自動報警。水位降低至1檔水位時（20%水位閃爍），報警5聲，延時15 min后自動上水。水位上升至設(shè)定水位后，自動停止或者手動按加水及上行鍵加水或關(guān)水。

（4）自動溫控電加熱功能。設(shè)定溫度下限后，當(dāng)水溫低于設(shè)定下限時，自動啟動電加熱，達(dá)到溫度上限自動停止。

（5）斷電自動記憶保護(hù)。停電時，系統(tǒng)自動保存所有設(shè)定參數(shù)，來電后無需重新設(shè)置。

（6）防干燒功能。當(dāng)水箱內(nèi)無水或水位過低時（低于50%），系統(tǒng)電加熱自動鎖定，停止電加熱。

（7）防止高溫空曬后進(jìn)水。本功能用于防止太陽能熱水器高溫（≥95 ℃）空曬后突然進(jìn)冷水而使真空管破裂。

（8）智能防溢水保護(hù)。當(dāng)長時間加水而水位無變化時，將自動關(guān)閉電磁閥，防止因系統(tǒng)故障而溢水。

（9）故障自動檢測排除功能。控制器在停水或水壓過低時，自動停止電磁閥或增壓泵工作。

2 硬件設(shè)計

控制系統(tǒng)主控芯片采用Microchip公司的PIC18Fxxx系列單片機(jī)。該系列單片機(jī)外圍接口較豐富，工作穩(wěn)定性好，開發(fā)工具簡單易用。控制系統(tǒng)的傳感器電路檢測模塊（部分硬件傳感器電路）的電路原理圖，如圖2所示。本系統(tǒng)傳感器模塊主要包括水溫檢測傳感器電路和水位檢測傳感器電路[4]。

圖2 傳感器電路檢測模塊

圖3 繼電器（電磁閥）控制電路模塊（部分硬件電路）

控制系統(tǒng)的繼電器或電磁閥控制電路模塊主要包括進(jìn)水電磁閥控制電路模塊、增壓水泵繼電器控制電路模塊和循環(huán)水泵繼電器控制電路模塊。其中，一個電路模塊的控制原理圖，如圖4所示。

圖4 電源管理模塊

電源是控制系統(tǒng)的重要組成部分。穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)模塊必不可少。控制系統(tǒng)的電源管理模塊，如圖4所示。系統(tǒng)主要為直流模式供電，單相220 V交流輸入。輸出直流電壓主要包括12 V和5 V兩種形式。控制系統(tǒng)其他硬件電路模塊包括主控制器電路模塊、安全保護(hù)電路模塊、鍵盤及顯示控制電路模塊、水泵、電加熱控制電路模塊以及網(wǎng)絡(luò)接入控制電路模塊等，這里不再贅述。

3 軟件設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件設(shè)計部分采用模式化設(shè)計方式完成，將所有軟件子模塊都封裝成子程序，并在主流程中調(diào)用系統(tǒng)錯誤處理子程序errorDeal（）和加水處理子程序waterIn（）等。系統(tǒng)底層控制軟件設(shè)計主要包括A/D檢測與轉(zhuǎn)換軟件模塊、數(shù)字量端口檢測軟件模塊、LED顯示驅(qū)動軟件模塊、檢測參數(shù)設(shè)置軟件模塊、按鍵掃描與處理軟件模塊以及串口通信軟件模塊等。此外，控制系統(tǒng)在軟件中設(shè)置了多種安全保護(hù)功能，如防漏電功能（硬件保護(hù)）、缺水保護(hù)功能（waterOff）、防干燒保護(hù)功能、智能防溢保護(hù)功能、斷電自動記憶保護(hù)功能、防高溫空嗮后進(jìn)水保護(hù)功能以及故障自動檢測排除功能等。控制系統(tǒng)的程序工作主流程，如圖5所示。當(dāng)日常天氣條件不好或者用戶設(shè)定進(jìn)入電加熱模式時，都會進(jìn)入此流程。

圖5 系統(tǒng)控制主流程

4 功能測試

在實際應(yīng)用中，控制系統(tǒng)支持兩種操作方式。一種是通過控制系統(tǒng)的控制面板操作，控制面板通常安裝在用戶低樓層現(xiàn)場，通過有線方式與太陽能熱水器相連，控制面板顯示屏主界面如圖6所示。另一種是通過手機(jī)App查看或控制操作工作狀態(tài)（該項功能未開放測試）。

4.1 通過操作面板操作

圖6中顯示界面采用大屏幕彩色LED顯示，數(shù)字與文字符號相結(jié)合。LED顯示清晰明亮，面板各指示符號或說明清晰，不會因長期觸摸或光與化學(xué)浸蝕而模糊。

圖6 控制系統(tǒng)主界面

4.1.1 系統(tǒng)操作說明

控制器在測試時內(nèi)部參數(shù)已設(shè)置合理，正確安裝后接通電源即能實現(xiàn)全自動運行。用戶設(shè)置參數(shù)時，按設(shè)置鍵3 s即可進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)置狀態(tài)。需要設(shè)置的參數(shù)依次為溫度上限、溫度下限、水位上限、時間、第一次定時上水時間、第二次定時上水時間、第一次定時加熱時間以及第一次定時加熱時間等。每設(shè)置完一個參數(shù)，按設(shè)置鍵跳到下一個參數(shù)的設(shè)置。例如，設(shè)置電加熱溫度上限時，進(jìn)入設(shè)置后二位LED數(shù)碼管不停閃爍，右下角的上限指示燈亮，按加水及上行鍵或加熱及下行鍵改變溫度上限的數(shù)值（默認(rèn)設(shè)定值50，設(shè)定范圍為50～90）。設(shè)定好溫度上限后，再按一下設(shè)置鍵進(jìn)入溫度下限的設(shè)置。

設(shè)置水位上限時，水位圈內(nèi)水位燈會不停閃爍，同時右下角的上限指示燈亮。此時，按加水及上行鍵或加熱及下行鍵改變水位上限的數(shù)值（默認(rèn)設(shè)定值100%，設(shè)定范圍50%～100%），設(shè)置好水位上限后，再按一下設(shè)置鍵進(jìn)入水位下限的設(shè)置，再按一下設(shè)置鍵進(jìn)入時間的設(shè)置。

設(shè)置第一次定時上水時間時上水時間1指示燈亮，設(shè)置方法同上（默認(rèn)設(shè)置為08：00）。設(shè)置完第一次上水時間后，再按一下設(shè)置鍵進(jìn)入第二次定時加水時間的設(shè)置。

設(shè)置第一次定時加熱時間時加熱時間1指示燈亮，設(shè)置方法同上（默認(rèn)值為16：00），設(shè)置完后再按一下設(shè)置鍵進(jìn)入第二次定時加熱時間的設(shè)置。

以上所有的參數(shù)設(shè)置完后，按Home鍵保存并退出。在設(shè)置過程中或在參數(shù)設(shè)置完后，若連續(xù)5 s內(nèi)無按鍵操作，系統(tǒng)將自動保存并退出設(shè)置狀態(tài)。如果參數(shù)被調(diào)亂或由于不正確的設(shè)置而導(dǎo)致控制器運行異常，只需按住智能開關(guān)鍵3 s，即可恢復(fù)默認(rèn)參數(shù)，使控制器恢復(fù)正常運行。如果暫時不需要使用自動加熱功能，按智能開關(guān)鍵使智能加熱燈熄滅，所有自動加熱功能將被關(guān)閉；再按一下智能開關(guān)鍵，智能加熱燈點亮，自動加熱功能恢復(fù)。

4.2 通過手機(jī)App端遠(yuǎn)程控制

該項功能是系統(tǒng)的選配模塊。控制系統(tǒng)通過預(yù)留的網(wǎng)絡(luò)接口專用模塊接入無線局域網(wǎng)后，可通過手機(jī)端App程序查看太陽能熱水器的工作狀態(tài)，遠(yuǎn)程設(shè)置電加熱溫度和系統(tǒng)參數(shù)等。手機(jī)端主界面效果如圖7所示。

圖7 手機(jī)App控制界面效果圖

5 結(jié)語

相對于目前市面上種類繁多的太陽能熱水器控制器，通用型太陽能熱水器控制系統(tǒng)整體成本較低，工作安全可靠，控制精度能夠滿足家庭使用要求，軟件界面友好，操作簡單易用。通過手機(jī)App可實現(xiàn)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控、溫度設(shè)置以及參數(shù)調(diào)整等功能。實際測試應(yīng)用結(jié)果表明：控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，外圍接口統(tǒng)一且擴(kuò)展性好，可適配于多種機(jī)型，具有廣闊的應(yīng)用前景。