單片機在太陽能熱水器輔助電加熱溫度控制器的應用與研究

沈陽師范大學軟件學院 陳永健 王 晨

單片機在太陽能熱水器輔助電加熱溫度控制器的應用與研究

沈陽師范大學軟件學院 陳永健 王 晨

隨著單片機技術的快速發展，已經在智能家居、工業控制、視頻監控、電子安防等領域得到廣泛普及和使用。太陽能熱水器是單片機應用的一個重要方向，其可以利用單片機的可編程性、高可靠性、高效率性等提升熱水器的自動控制水平。論文詳細地分析了AT89C51單片機在太陽能熱水器控制運行中的應用情況，重點設計了溫度控制器的設計流程和實現內容，提升太陽能熱水器溫度控制的成效。

單片機；AT89C51；溫度控制器；DS18B20

1.引言

太陽能熱水器是清潔能源發展的重要產品，其具有綠色環保、使用簡單等特點，已經在人們的工作、生活和學習中提供了大量的熱水資源。它在運行中，輔助電加熱溫度控制器是最重要的一個部件，影響太陽能熱水器使用的便捷性和壽命。輔助電加熱溫度控制器經過多年的研究，誕生了很多的設計方法，比如微程序控制技術、PLC技術、單片機技術等，單片機技術已經成為輔助電加熱溫度控制器設計的主流技術，能夠利用數字電路精準控制溫度，提升單片機溫度控制的有效性，確保太陽能熱水器正常運行。

2.單片機工作原理及過程

太陽能熱水器的控制器主要功能是水位控制、溫度控制、時間控制功能，能夠設定熱水器的水位和水溫。比如當水溫達到60℃時，自動停止加熱；當水溫低于25℃時，可以啟動溫度控制器加熱，必要時還可以提升上水和停水。太陽能熱水器控制器以AT89C51單片機為基礎進行設計，AT89C51是一個集成了Flash閃存的8位CMOS微處理器，其閃存大小為4KB，擁有32個I/O輸入輸出接口，一個5向量的兩級中斷結構，擁有128B的隨機訪問存儲器，可以實現全雙工串行通信模式，單片機內部具有時鐘電路和振蕩器，并且支持節電工作模式，控制器不工作時CPU不需要運行，定時器、計數器、終端系統和串行通信接口繼續工作。AT89C51單片機內部詳細結構如圖1所示。

圖1　AT89C51單片機電路功能結構圖

太陽能熱水器自動控制以AT89C51為基礎，其可以將單片機作為監測和控制中心，其主要包括六個關鍵組成功能，分別是水位檢測及顯示功能模塊、主控芯片功能模塊、報警和電磁閥控制功能模塊、DS18B20 溫度檢測及顯示功能模塊、時鐘控制功能模塊、輔助電加熱模塊。太陽能熱水器輔助電加熱溫度控制采用由DS18B20芯片進行實現，主控芯片可以協調各個功能實現溫度整體控制，可以實現水溫的數字化檢測、顯示和調整，通過電磁閥控制功能可以實現自動化上水，同時利用輔助加熱功能實現自動化溫度控制，如果水溫過高還可以實現報警控制功能。

3.單片機在溫度控制器中的應用

太陽能熱水器輔助電加熱溫度控制采用了先進的單總線DS18B20芯片，其可以將檢測到的溫度信號進行變換處理，轉換為脈沖信號之后，將其轉換為水溫高低相關的信號。DS18B20芯片是由美國DALLAS公司公司研發的一款溫度傳感器，其可以檢測的溫度范圍為-55℃～+125℃，能夠滿足輔助電加熱溫度設置范圍，并且對于當前太陽能采用的熱敏電阻檢測和設置精確度更高，并且檢測出來的熱水器輔助電加熱溫度可以直接使用數字化模式進行保存和顯示，只要傳感器發現單片機AT89C51發送的讀取信號，就可以將溫度信息從RAM中讀取數值內容，將其通過接口發送至單片機。DS18B20芯片在太陽能輔助電加熱溫度控制過程中存在以下幾個方面的優點：一是DS18B20芯片采用單總線架構模式，只需要一個引腳就可以實現AT89C51單片機和DS18B20芯片之間的數據通信傳輸；DS18B20芯片擁有一個獨一無二的序列號，因此可以精確的識別DS18B20芯片，能夠將多個DS18B20芯片并聯到一條總線上；DS18B20芯片的分辨率是可以自由調整的；溫度控制覆蓋范圍大，從-55℃～+125℃，波動范圍達到了180℃。DS18B20芯片如圖2所示。

圖2　DS18B20芯片內部結構圖

具體的設計過程中，DS18B20芯片的DQ端可以與AT89C51單片機的P3.7接口進行連接和通信，可以采用數字化設置方式將溫度信息存儲在AT89C51單片機的RAM中，并且可以通過DQ引腳直接讀取單片機RAM中保存的溫度值信息。另外溫度讀取轉換可以顯示在LED數碼管上，LED數碼電子顯示管上的段選信號可以接收AT89C51單片機P0接口輸出的數據信息，并且可以使用AT89C51單片機的P2.6引腳和P2.7引腳輸出一個位選信號。具體的，DS18B20芯片實現的溫度控制模塊主要由芯片初始化功能、ROM命令搜索功能、檢測芯片是否存在、溫度傳感器檢測、溫度控制設置、溫度LED顯示等幾個關鍵步驟。

4.結束語

太陽能熱水器是清潔能源發展和應用的重要方向，熱水器的輔助電加熱溫度控制對用戶使用、壽命延長具有較大的影響。太陽能熱水器輔助電加熱溫度控制采用單片機和傳感器集成模式，可利用現代化數字電子設計技術實現溫度精確控制，具有直接快速、操作方便、使用靈活的特點，并且不再使用模數轉換，減少了溫度信息傳輸的環節，也降低了輔助電加熱溫度數據出錯的的概率，保證太陽能熱水器安全可靠運行。

［1］楊然，李宇.基于RS-485通信和單片機的太陽能光伏組件溫度采集監測系統［J］.數字技術與應用，2012，21（2）：50-51.

指導老師：王晨。