一種新型太陽(yáng)能熱水器控制電路的設(shè)計(jì)

饒鉆萬(wàn)

福建師范大學(xué)福清分校 福州 350300

一種新型太陽(yáng)能熱水器控制電路的設(shè)計(jì)

饒鉆萬(wàn)

福建師范大學(xué)福清分校 福州 350300

隨著人們生活水平的提高，各種熱水器的使用已相當(dāng)普及。與之相配套的控制儀也相繼問(wèn)世。然而，目前市場(chǎng)上的各種熱水器控制電路還與理想要求相差甚遠(yuǎn)。消費(fèi)者需要真正的“自動(dòng)”控制，以實(shí)現(xiàn)使用的最簡(jiǎn)單化。就像家用電視機(jī)、電冰箱一樣，接通電源、設(shè)定完畢就不用再操心了。太陽(yáng)能熱水器作為三大熱水器之一，因其無(wú)污染、使用方便、長(zhǎng)期投入成本低等特點(diǎn)，而越來(lái)越受到人們的青睞，但與之配套的控制器卻還一直處于研究和開(kāi)發(fā)階段，為解決水溫水位的自動(dòng)控制問(wèn)題，本電路專門設(shè)計(jì)水溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并在設(shè)計(jì)中將水位多級(jí)化，實(shí)現(xiàn)更精確的測(cè)量。本次設(shè)計(jì)運(yùn)用AT89C52單片機(jī)，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)控制電路，該電路用于太陽(yáng)能熱水器。當(dāng)使用熱水器時(shí)，可以自動(dòng)進(jìn)行溫度檢測(cè)和液位檢測(cè)，使太陽(yáng)能自動(dòng)補(bǔ)水或排水，真正做到最簡(jiǎn)單化。并且該電路易于擴(kuò)展，可實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的溫度檢測(cè)，或者更多點(diǎn)的液位檢測(cè)。文章詳細(xì)介紹基于單片機(jī)的太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)控制系統(tǒng)組成、硬件設(shè)計(jì)。

單片機(jī)；自動(dòng)控制；太陽(yáng)能熱水器；溫度檢測(cè)

Author’s addressFujian Normal University in Fuqing, Fuzhou, China 350300

在全球能源形勢(shì)緊張、氣候變暖嚴(yán)重威脅經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活健康的今天，世界各國(guó)都在尋求新的能源替代戰(zhàn)略，以求得可持續(xù)發(fā)展和在日后的發(fā)展中獲取優(yōu)勢(shì)地位。太陽(yáng)能以其清潔、源源不斷、安全等顯著優(yōu)勢(shì)，成為關(guān)注重點(diǎn)。在太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，太陽(yáng)能熱水器的熱利用轉(zhuǎn)換技術(shù)無(wú)疑是最為成熟的，其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也較光伏電池、太陽(yáng)能發(fā)電等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先一步。

太陽(yáng)能熱水器已成為我國(guó)第一個(gè)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的可再生能源產(chǎn)業(yè)。自1998年起，中國(guó)就成為太陽(yáng)能熱水器第一大制造和消費(fèi)的市場(chǎng)，現(xiàn)已經(jīng)發(fā)展成為一個(gè)重要的產(chǎn)業(yè)。目前，太陽(yáng)能熱水器與電、燃?xì)鉄崴魅譄崴魇袌?chǎng)。2007年，我國(guó)太陽(yáng)能熱水器年產(chǎn)量達(dá)2 340萬(wàn)平方米，比2006年同期增長(zhǎng)30%；總保有量達(dá)10 800萬(wàn)平方米，比2006年同期增長(zhǎng)20%；市場(chǎng)銷售額約為320億元人民幣。

目前，太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)一直處在研究與開(kāi)發(fā)階段。市面上絕大多數(shù)的控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能單一，智能化程度低下，用戶界面不人性化，只具有液位顯示功能，不具有溫度顯示功能。并且當(dāng)水位加到一定程度時(shí)也沒(méi)有什么措施，只能通過(guò)手動(dòng)的方法來(lái)控制水位的高度。根據(jù)以上情況，開(kāi)發(fā)出一種太陽(yáng)能熱水器智能控制系統(tǒng)，解決目前市面上太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)存在的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原理

太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)控制電路采用AT89S52單片機(jī)作為控制核心，外圍加蜂鳴器控制電路、數(shù)碼顯示電路、水位檢測(cè)電路、電機(jī)控制電路、按鍵電路、溫度檢測(cè)電路等。數(shù)碼管實(shí)時(shí)切換顯示當(dāng)前溫度與當(dāng)前液位。當(dāng)液位過(guò)高時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，并且電機(jī)反轉(zhuǎn)進(jìn)入排水過(guò)程；當(dāng)液位過(guò)低時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，并且電機(jī)正轉(zhuǎn)進(jìn)入進(jìn)水過(guò)程。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低，性能優(yōu)良，具有一定的穩(wěn)定性和實(shí)用性。

1.2 基本原理框圖

1）太陽(yáng)能熱水器控制裝置主要組成。由單片機(jī)、顯示電路、按鍵電路、蜂鳴器電路、電機(jī)電路、液位檢測(cè)電路、溫度檢測(cè)電路、電源電路組成，如圖1所示。

圖1 原理框圖

2）太陽(yáng)能熱水器控制裝置的工作原理。接通電源后，顯示當(dāng)前水位，水位被分為16個(gè)點(diǎn)。并且顯示當(dāng)前溫度。液位顯示與溫度的顯示切換進(jìn)行。當(dāng)水位顯示低于或等于1時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，并且電機(jī)正轉(zhuǎn)，表示進(jìn)水；當(dāng)水位顯示高于或等于15時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，并且電機(jī)反轉(zhuǎn)，表示排水。液位檢測(cè)利用CD4051電路實(shí)現(xiàn)。

1.3 各部分電路原理

1）最小系統(tǒng)。太陽(yáng)能熱水器控制電路數(shù)控部分采用AT89S52單片機(jī)作為控制核心。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8 k在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器[1-2]。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8 k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口，看門狗定時(shí)器，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路。另外，AT89S52可降至0 Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，單片機(jī)停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。8位微控制器8 k字節(jié)為在系統(tǒng)可編程Flash。

圖2 最小系統(tǒng)

圖3 顯示電路

所謂最小系統(tǒng)就是指由單片機(jī)和一些基本的外圍電路所組成的一個(gè)可以工作的單片機(jī)系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，它包括單片機(jī)、晶振電路和復(fù)位電路[3]。①晶振電路：AT89S52片內(nèi)有一個(gè)由高增益反相放大器構(gòu)成的振蕩電路。XTAL1和XTAL2分別為振蕩電路的輸入輸出端。其振蕩電路有2種組成方式：片內(nèi)振蕩器和片外振蕩器。②復(fù)位電路：在RST輸入端出現(xiàn)高電平時(shí)實(shí)現(xiàn)復(fù)位和初始化。

最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

2）顯示電路。由6個(gè)數(shù)碼管和6個(gè)74LS164組成，采用串行靜態(tài)顯示的方法。將數(shù)碼管的8個(gè)輸入端與74LS164的輸出端Q0～Q7相連。P1.0和74LS164的CLK連接，作為時(shí)鐘；P1.4接74LS164的A端，作為顯示數(shù)據(jù)的輸入端[4-6]。顯示電路如圖3所示。

但是使用74LS164串顯會(huì)出現(xiàn)消隱的問(wèn)題。為了消除消隱，必須硬件與軟件結(jié)合來(lái)消除消隱的問(wèn)題。消隱電路如圖4所示。軟件上，在傳數(shù)據(jù)時(shí)，先傳一個(gè)高電平，直到數(shù)據(jù)傳完再傳送一個(gè)低電平即可。

圖4 消隱電路

3）蜂鳴器電路。以Q51的基極作為蜂鳴器控制信號(hào)的輸入端與單片機(jī)I/O口相連，主要由蜂鳴器、9013與9014兩個(gè)三極管及5.1 k偏置電阻組成。當(dāng)輸入端為高電平時(shí)，Q51導(dǎo)通，Q52截止，蜂鳴器回路開(kāi)路，蜂鳴器不響；當(dāng)輸入端為低電平時(shí)，Q51截止，Q52導(dǎo)通，蜂鳴器回路閉合，蜂鳴器發(fā)出響聲。蜂鳴器電路如圖5所示。

圖5 蜂鳴器電路

4）電機(jī)電路。控制信號(hào)從IN端輸入并經(jīng)前級(jí)緩沖后送入片內(nèi)控制器，然后由控制部分處理并驅(qū)動(dòng)晶體管，最后由OUT端輸出方波信號(hào)以控制電機(jī)的運(yùn)行。觸發(fā)使能端口（CE）的作用是分別對(duì)兩個(gè)通道的輸出進(jìn)行控制，當(dāng)CE端為低電平時(shí)，無(wú)論有無(wú)輸入控制信號(hào)，輸出端OUT始終呈高阻抗?fàn)顟B(tài)。因此，要使FAN8200控制器輸出工作正常，器件的觸發(fā)使能端必須為高電平。當(dāng)CE為高電平，IN1為1時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；IN1為0時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。電機(jī)電路如圖6所示。

圖6 電機(jī)電路

圖7 液位檢測(cè)電路

5）液位檢測(cè)電路。液位檢測(cè)控制電路，由2片CD4051與1片CD4066構(gòu)成，但是考慮到成本，并且所設(shè)計(jì)的電路I/O口使用并不是太多，所以可以將CD4066省略，僅僅用2片CD4051即可實(shí)現(xiàn)功能。該芯片由DTL/TTL-COMS電平轉(zhuǎn)換器，帶有禁止端的8選1譯碼器輸入，分別加上控制的8個(gè)COMS模擬開(kāi)關(guān)TG組成[7]。

例如，當(dāng)檢測(cè)到液位在端點(diǎn)4位置時(shí)，0、1、2、3、4點(diǎn)被沒(méi)過(guò)，與公共端之間形成水電阻，由于水電阻阻值非常小，所以這幾點(diǎn)的電平被拉低。此時(shí)可以確定在ABC點(diǎn)讀到的數(shù)為“100”，就可以通過(guò)單片機(jī)計(jì)算得出液位的高度。液位檢測(cè)電路如圖7所示。

6）溫度檢測(cè)電路。DS18B20數(shù)字溫度傳感器溫度測(cè)量范圍為-55～+125℃，可編程為9～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測(cè)溫分辨率可達(dá)0.062 5 ℃，多個(gè)DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，單片機(jī)只需一根端口線就能與多個(gè)DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。以上特點(diǎn)使DS18B20非常適用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)[8]。溫度檢測(cè)電路如圖8所示。

圖8 溫度檢測(cè)電路

2 軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件分析

太陽(yáng)能熱水器控制電路設(shè)計(jì)的軟件部分由主程序、檢測(cè)溫度子程序、壓縮16進(jìn)制數(shù)變成壓縮10進(jìn)制數(shù)子程序、壓縮10進(jìn)制數(shù)變成非壓縮10進(jìn)制數(shù)子程序、代碼變段碼子程序、顯示子程序、液位檢測(cè)子程序以及延時(shí)子程序組成。在編程中，用C語(yǔ)言編寫(xiě)程序有利于實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的算法，但是匯編語(yǔ)言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計(jì)算程序運(yùn)行的時(shí)間。不論是什么語(yǔ)言，始終是要被電腦轉(zhuǎn)換成機(jī)器語(yǔ)言執(zhí)行的[9-10]。所以，此次設(shè)計(jì)中，編程采用的是匯編語(yǔ)言。

圖9

2.2 軟件流程圖（圖9）

3 結(jié)束語(yǔ)

本產(chǎn)品可靠性高、成本較低、制作簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、消耗小、易于系統(tǒng)設(shè)計(jì)、操作方便，只要上電，便可自動(dòng)控制，實(shí)用性強(qiáng)，不容易損壞；適應(yīng)性廣，不但適用太陽(yáng)能熱水器，還可以應(yīng)用于各種需要控制抽水的地方，如自來(lái)水儲(chǔ)水箱。但是由于其功能還有所局限，所以仍有需要改進(jìn)的地方。

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Design of A New Type of Solar Energy Water Heater

//Rao Zuanwan

With the socio-economic development, modern agricultural production can not be separated from environmental control, this article in the greenhouse at home and abroad to conduct in-depth analysis of intelligent control based on the existence of intelligent control for greenhouse many factors, the intelligent sensor monitoring and single-chip control by combining single-chip based on the temperature detection system design. The system uses a hierarchical, modular design, the entire system by the data acquisition system, single-chip control system, computer monitoring system. System to single-chip microcomputer as the core to a number of temperature and humidity sensor as a measurement component, through the single-chip smart sensor and connected to the storage collection of intelligent sensor measurement data. In single-chip system, but also the realization of the extended stored procedures, data, real-time display, alarm and data overrun voice auxiliary storage. Single-chip computer as a monitor connected with the center of intelligent sensors.

single-chip microcomputer; autocontroller; solar energy water heater; temperature measurement

TK515

B

1671-489X(2011)12-0091-04

10.3969/j.issn.1671-489X.2011.12.091