基于AVR單片機太陽能熱水器智能控制器硬件設計

李 暉 湖南理工職業技術學院 411104王 婷 衡陽技師學院 421001

電子科技 Electronics Technology

基于AVR單片機太陽能熱水器智能控制器硬件設計

李 暉 湖南理工職業技術學院 411104
王 婷 衡陽技師學院 421001

本文主要介紹了AVR單片機太陽能熱水器智能控制器的硬件部分。主要包括該設計的任務目標，各個硬件單元的介紹。

熱水器；控制器

在全球能源形勢緊張、氣候變暖嚴重威脅經濟發展和人們生活健康的今天，世界各國都在尋求新的能源替代戰略，以求得可持續發展和在日后的發展中獲取優勢地位。太陽能以其清潔、源源不斷、安全等顯著優勢，成為關注重點。在太陽能產業的發展中，太陽能熱水器的熱利用轉換技術是最為成熟的，其產業化進程也較光伏電池、太陽能發電等產業領先一步。太陽能熱水器已成為我國第一個實現商業化的可再生能源產業。從1998年起，中國就成為了太陽能熱水器第一大制造和消費市場，現市面上可供選擇的熱水器種類有電、燃氣、太陽能三種類型，近年來，隨著國家對新能源的重視和投入，太陽能熱水器的發展和市場占有率將會大大趕超其它兩種類型的熱水器。

1　任務目標

該系統設計應具有的功能有：北京時間顯示（可設置）。集熱器溫度T1顯示。水箱溫度T2顯示。供水端溫度T3顯示。回水溫度T4顯示。水箱水位顯示；水箱水位分檔。輔助加熱狀態顯示。進冷水狀態顯示。太陽能循環泵工作狀態顯示。供熱水泵工作狀態顯示。定水位進水；，當水箱水位低于設定水位A（可設置）一個水位檔時，啟動進冷水電磁閥，當水箱水位達到設定水位A 時，關閉進冷水電磁閥。定溫進水；當水箱溫度T5（可設置）時，啟動進冷水電磁閥，當水箱水位溫度T2高于設定溫度T6（可設置）時，關閉進冷水電磁閥。定時進水；當北京時間在設定的時間段t1-t2， t3-t4， t5-t6 內時，啟動定水位進水功能。當北京時間在設定的時間段外時，關閉定水位進水功能（t1-t2為A， t3-t4為B，t5-t6為C）。低水位保護；當水箱水位低于20% 時，強制啟動進冷水電磁閥補水，其他功能全部關閉，當水位達到40&時恢復正常運行。滿水保護；當水箱水位達到100%時強制關閉進冷水電磁閥。太陽能溫差循環；當集熱器溫度T1與水箱溫度T2相比， T1-T2＞=8時，啟動太陽能循環泵；當T1-T2＜=3時，關閉太陽能循環泵等功能。

2　硬件選型與電路設計

智能控制器硬件電路分成六大模塊：主控部分、水溫水位測量部分、水溫水位顯示和按鍵輸入電路、時鐘電路、各個閥門及泵的驅動電路、電源電路。

①主控部分：主控部分可以采用FPGA，也可以選用PLC ，本設計采用AVR單片機。AVR 單片機是一款基于 RISC 指令架構的 8位單片機。 RISC（ReducedInstructuin Set Computer，精簡指令集計算機）是 20 世紀90 年代開發出來的，綜合了半導體集成技術和軟件性能的新結構。 AVR 單片機采用 RISC結構，具有 1MIPS/MHz 的高速運行處理能力。 AVR 單片機運用 Harvard 結構，在前一條指令執行的時候就取出現行的指令，然后以一個周期執行指令。在其他的 RISC 以及類似RISC 結構的單片機中，外部振蕩器的時鐘被分頻降低到傳統的內部指令執行周期，這種分頻最大達 12倍（8051）。 AVR 單片機是用一個時鐘周期執行一條指令的，它是 8 位單片機中第一個真正的 RISC 結構的單片機。同時，AVR 單片機采用低功率非揮發的 CMOS 工藝制造，內部分別集成Flash、 E2PROM 和SRAM三種不同性能和用途的存儲器，除了可以通過 SPI口和一般的編程器對 AVR 單片機的Flash 程序存儲器和 E2PROM 數據存儲器進行編程外，絕大多數的 AVR 單片機還具有線編程（ISP）的特點。為調試和使用帶來了極大的方便。本設計采用ATmega16，不但具有以上特點同時還考慮了AD轉換和端口的需求。

②水溫水位檢測電路。太陽能熱水器的水位水溫傳感器是太陽能熱水器控制器的眼睛，它將太陽能熱水器的大部分的信息傳給控制器，控制器通過對這些信息的處理來管理太陽能熱水器，同時將熱水器的運行情況告訴用戶，讓用戶合理正確的利用太陽能。水溫水位檢測電路是太陽能熱水器的重要部件。常用的水位檢測原理主要有兩種一種是導電式，另一種是浮子式。檢測的方法不管是導電式還是浮子式，均采用開關控制法，利用開關接通和斷開所造成的電阻的串聯（并聯）產生的不同電阻值來傳遞水位信號，讓控制器通過AD轉換后判斷水位。本設計采用導電式傳感器，優點是成本低，安裝簡便；溫度傳感器采用熱敏電阻，目前統一的標準是Rt=10KΩ的NTC（負溫度系數）電阻， B值在3800左右，精度在3%左右即可。溫度傳感探頭一般是和水位傳感器裝在一起，一般放在水位傳感器的中間部位，它表示太陽能水箱中間部分的溫度。

③水位、溫度顯示和按鍵輸入電路。這部分用于系統和人的信息交互，本設計采用五個獨立按鍵； K1為加鍵；K2為減鍵， ；K3為菜單鍵， K4 為確定按鍵， K5為強制進水按鍵，具體操作過程為： 按菜單鍵一次，進相應的設置界面，通過加減鍵可以進入水位或水溫控制界面，在水位或水溫設置界面下，通過確定鍵和加減鍵可以設置水位水溫的上下限。強制進水鍵按下時實現手動強制上水功能，沒有進入菜單按下確定鍵時進行手動加熱。應用LCD12864液晶顯示器實現顯示功能。

④時鐘電路。給系統提供時間顯示和參考時間，采用DS1302，提供。

⑤驅動電路。包括電加熱、上水電磁閥、報警電路，是整個系統的執行部分。主要由光電耦合器P521-4，功率驅動芯片ULN2030以及繼電器三部分組成，共同完成對電磁閥和泵的驅動，本設計還采用了獨立的繼電器，通過光耦的隔離，驅動芯片帶動繼電器，繼電器把弱電和強電實現了隔離。

⑥電源電路。電源電路既要供給控制器，同時還要供給驅動部分。在控制器內加入了漏電檢測線圈，當各強電部分漏電時，控制器停止輸出，產生保護。

3　結語

本設計主要介紹了基于AVR單片機的太陽能熱水器控制器的硬件部分，通過軟硬件設計及系統調試，基本能現實預期功能。

［1］張先臣，王冬云.基于DS1302的太陽能熱水器智能控制器的設計［J］.自動化技術與應用.2006（02）

［2］曾健平，謝海情，周永峰.智能太陽能熱水器水溫水位控制系統［J］.計量技術.2006（12）

［3］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）

［4］李章勇，官方勇.太陽能熱水器控制器研制［J］.電子測試.2008（05）

［5］王俊杰.基于89C51單片機的太陽能熱水器智能控制器的設計［J］.鄭州輕工業學院學報.2005（03）