基于單片機的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設計

摘 要：本文設計了一種適合于家用、高性能的太陽能熱水控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以AT89S52單片機為控制核心，采用PCF8563實時時鐘，能夠實現(xiàn)溫度、水位檢測、報警、按鍵輸入、液晶顯示信息等功能。系統(tǒng)具有控制精度高、抗干擾能力強、實用方便等優(yōu)點。

關鍵詞：太陽能熱水器；AT98S52；水溫；水位

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.053

太陽能作為綠色環(huán)保的能源在現(xiàn)今社會的使用相當普及，太陽能熱水器是太陽能利用最常見的一種裝置，它將太陽能轉化為熱能，將水從低溫加熱到高溫。本文設計的太陽能熱水器控制系統(tǒng)以單片機AT89S52為主控芯片，能夠實時測量水溫、水位，并將數(shù)據(jù)顯示于液晶屏，同時顯示時間；可以根據(jù)用戶實際需求和季節(jié)變化預先設置水位和溫度；根據(jù)天氣情況啟動輔助加熱（電加熱），使水溫達到預先設定的溫度；同時通過軟件來實現(xiàn)自動上水、循環(huán)加熱、防凍控制、自動報警等功能[1]。

1 系統(tǒng)主要硬件設計

太陽能熱水器控制系統(tǒng)采用MCS-51系列單片機AT89S52作為主控芯片，本系統(tǒng)主要由水位檢測電路、溫度檢測電路、鍵盤輸入、液晶顯示、報警電路、數(shù)據(jù)存儲、通訊接口、時鐘電路、輸出控制電路等部分組成[2]，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1 溫度檢測電路

在整個太陽能熱水器控制系統(tǒng)中溫度的檢測對整個系統(tǒng)能否選擇正確的工作狀態(tài)起著重要作用。根據(jù)系統(tǒng)測量精度要求及考慮成本因素，溫度傳感器選用熱敏電阻，通過多個熱敏電阻分別來檢測供水箱溫度、集熱器溫度、出水管溫度、回水管溫度，采集到的信號放大后送多路模擬開關CD4052，在此選用ADOP-07放大器。再經(jīng)電壓/頻率轉換器LM331實現(xiàn)A/D轉換[3][4]，最后送至AT89S52的T0通道，通過軟件實現(xiàn)溫度參數(shù)計算。

1.2 水位檢測電路

水位檢測選用不銹鋼針進行采樣，水位高度分為5級，用5根不銹鋼針分別置于水箱內的5個不同高度位置。當水位低于鋼針高度時，輸出為高電平；水位高于鋼針高度時，輸出為低電平。采樣得到的信號經(jīng)電子開關CD40106送至單片機P2口，單片機根據(jù)引腳狀態(tài)判斷出相應的水位值，送液晶屏顯示電路，顯示共分5檔，每檔為滿水位的20%。

1.3 通訊電路

系統(tǒng)主控電路板主要與兩種顯示電路進行通訊，一是近程顯示電路，由于距離較近，直接采用排線方式實現(xiàn)通訊；二是遠程顯示電路，采用串行異步通信方式，系統(tǒng)通過RS-485接口進行遠程通信[5]，發(fā)送與接收器選用DS3695A來實現(xiàn)。

1.4 其他硬件電路

輸出控制電路。AT89S52的P1口與六路光電耦合器TIL621相連，由光電耦合電路驅動六路繼電器輸出，驅動電加熱、電磁閥等工作。

鍵盤輸入電路。系統(tǒng)設定六個按鍵，分別用作設定、左移、右移、上移、下移、退出功能。按鍵一端接10K上拉電阻，另一端接地，為確保按鍵的準確性在上拉電阻與按鍵的連接端接有一個0.1uF濾波電容。

LCD顯示電路。系統(tǒng)選用LCM12864ZK點陣式液晶顯示模塊[6]，與LED相比具有低功耗、顯示信息量大、控制簡單等優(yōu)點，用來實時顯示“溫度”、“水位”和“時間”。當用戶未做任何設置時，液晶屏分別顯示水箱的實時溫度、實時水位和時間。當用戶需要預設參數(shù)時，通過按鍵利用光標選擇所要設定的菜單，進入后通過按鍵設置參數(shù)值。

時鐘電路。為實現(xiàn)控制系統(tǒng)24小時能供應熱水，需要有一個實時時鐘向系統(tǒng)提供準確的基準時間，要求實時時鐘精度高、功耗低、工作穩(wěn)定。系統(tǒng)選用PCF8563低功耗CMOS實時時鐘/日歷芯片。

數(shù)據(jù)存儲電路。系統(tǒng)采用16K的CAT1161串行存儲器，集硬件存儲寫保護串行E2PROM存儲器、復位控制器和看門狗定時器于一體。該芯片是帶I2C存儲器的監(jiān)控芯片，與單片機的連線較為簡單，具有功耗低、工作電壓寬、實用可靠等優(yōu)點。

漏電保護電路。系統(tǒng)選用漏電互感器TA1016，當發(fā)生漏電時，TA1016兩次檢測到10～16V的交流電壓信號，經(jīng)二極管整流電容濾波后使三極管導通，此時三極管集電極輸出低電平，單片機檢測到低電平后將電加熱迅速關掉，從而保護用戶的用電安全。

2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件程序采用模塊化的方法完成控制器的軟件設計，主要包括主程序、溫度檢測程序、顯示程序、鍵盤中斷程序等。主程序流程如圖2所示，系統(tǒng)初始化所要完成的工作包括，單片機工作時鐘的設置、管腳配置、中斷初始化設置、看門狗初始化、各傳感器的參數(shù)配置等工作[7]。

系統(tǒng)初始化結束后進入系統(tǒng)工作模式選擇，工作模式分為系統(tǒng)模式和用戶模式，流程圖如圖3所示。系統(tǒng)模式是系統(tǒng)根據(jù)大多數(shù)用戶的使用習慣來設置各類參數(shù)，不需要用戶自己設定；用戶模式是用戶可以根據(jù)自己的使用習慣自行設置各類參數(shù)。工作模式選擇完后進行水溫、水位檢測，然后檢測系統(tǒng)是否存在故障，若有故障則將故障數(shù)據(jù)存儲到E2PROM中，若沒有則回到系統(tǒng)工作模式選擇。兩種工作模式都可以強制啟動輔助加熱，加熱到預定溫度后自動停止輔助加熱，返回到原來的工作模式，進行后續(xù)工作。

3 結束語

模式設置流程圖本控制系統(tǒng)采用AT89S52單片機作為控制核心，實現(xiàn)水位、水溫的檢測、自動上水、輔助加熱等功能的控制，經(jīng)測試達到所需功能要求，具有抗干擾能力強、精度高、使用方便、價格低廉等優(yōu)點，具有較好的推廣和經(jīng)濟價值。

參考文獻：

[1]張先臣.一種實用的太陽能熱水器單片機控制器的設計[J].自動化與儀器儀表，2005：19-21.

[2]程佩青.數(shù)字信號處理基礎[M].北京： 清華大學出版社，2002： 201-246.

[3]赫飛.LM331在AD轉換電路中的應用[J].微計算機信息，2004：116-117.

[4]洪家平.LM331在溫度測控中的應用[J].傳感器與儀器儀表，2004：53-54.

[5]畢博，王春平，孫書鷹.應用RS-485的PC與單片機通信研究[J].科學技術與工程，2008：236-238.

[6]胡建波.LCM12864ZK圖形液晶顯示模塊并行實用技術[J].信息技術與信息化，2006：67-69.

[7] 張景文，王震宏，高為浪，李桂花.基于單片機的太陽能熱水器智能控制系統(tǒng)[J].西華大學學報（自然科學版），2008：25-27.

作者簡介：沈凱（1978-），女，江蘇常州人，碩士，副教授，研究方向：電子信息技術及應用。