基于51單片機的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計

劉鑫海　夏清華

摘 要：設(shè)計了一種具有太陽能與電加熱的熱水器恒溫控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由硬件和軟件兩個部分組成。硬件以51單片機芯片為核心，DS18B20和AT35-3芯片為傳感器，再加上一些其它外圍電路組成了熱水器控制系統(tǒng)；軟件采用的是模塊化設(shè)計方法。通過硬件和軟件的合理設(shè)計，系統(tǒng)具有功耗低、反應(yīng)快、節(jié)能性好等優(yōu)點，同時還可對溫度和水位的最低值進行設(shè)定，極大地滿足了人們對熱水的要求。

關(guān)鍵詞：太陽能熱水器；AT35-3；DS18B20；51單片機；模塊化設(shè)計

中圖分類號：TU822 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）35-0094-04

Abstract： A constant temperature control system of water heater with solar energy and electric heating is designed. The system consists of hardware and software. The control system of the water heater is composed of the chip of 51 single chip computer as the core of the hardware， the DS18B20 and AT35-3 chips as the sensors， and some other peripheral circuits. The software adopts the modular design method. Through the reasonable design of hardware and software， the system has the advantages of low power consumption， fast response， good energy saving and so on. At the same time， it can also set the minimum value of temperature and water level， which greatly meets the requirements of people for hot water.

Keywords： solar water heater； AT35-3； DS18B20； 51 microcontroller； modular design

目前，由于能源的日益匱乏，能源使用問題已變成了當今社會各行各界所關(guān)注的焦點。現(xiàn)在市場常用的熱水器有以下幾種，分別是太陽能熱水器、燃氣熱水器以及電熱水器。其中燃氣熱水器在使用過程中存在的安全隱患最大，最容易產(chǎn)生事故。由于現(xiàn)在人們正在大規(guī)模用電，電熱水器也已經(jīng)不能為人們帶來更大的便利，擁有環(huán)保、綠色、節(jié)能等優(yōu)點的太陽能熱水器作為新時代的產(chǎn)物，已為人們所喜愛，在近年來形勢越來越好。

據(jù)調(diào)查，現(xiàn)在市場上很多太陽能熱水器控制系統(tǒng)都存在著功能較少、操作比較繁瑣、控制不便等問題，雖然很多控制器也具備了水位和溫度顯示功能，但是并不具有溫度控制功能，導(dǎo)致熱水器在陰雨天的時候就不能正常使用了。即使有少些熱水器也具備電加熱功能，但是也因為加熱的時間不能進行控制而產(chǎn)生事故，從中還浪費了能源。根據(jù)以上，因此我設(shè)計出了一種以51單片機芯片為核心，具有低高溫報警、低液位加水、輔助加熱和萬年歷顯示功能的太陽能熱水器控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 總體硬件設(shè)計

系統(tǒng)主要由水位檢測電路、溫度檢測電路、LCD顯示電路、時鐘電路、水泵驅(qū)動電路等幾大部分組成。經(jīng)過合理的軟件設(shè)計，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的各個功能，下面簡單地介紹一下系統(tǒng)所實現(xiàn)的功能：水位檢測電路和溫度檢測電路是系統(tǒng)的核心，通過這兩個電路可以檢測出熱水器集水箱的溫度以及水位的高度，AT35-3用來測量當前的水位值，同時單片機可以設(shè)定水位的最低值；若檢測的水位低于設(shè)定的水位高度時，此時水位報警電路會進行報警，指示燈點亮，由單片機發(fā)出控制命令來控制水泵給系統(tǒng)加水。當水位高于設(shè)定值時，報警電路斷開，指示燈熄滅；溫度傳感器主要用來實時檢測集水器里水的溫度，當溫度低于設(shè)定溫度時，溫度報警電路也會工作，單片機會發(fā)出命令指示加熱裝置進行加熱，直到高于設(shè)定值；按鍵輸入電路用來設(shè)置水位高度、水的溫度以及萬年歷的時間；LCD液晶顯示電路用來顯示和更新這些數(shù)據(jù)，以便人們更好地了解熱水器內(nèi)部的情況。

依據(jù)以上設(shè)計任務(wù)和系統(tǒng)所需要實現(xiàn)的功能，綜合成本等考慮設(shè)計出如下的硬件結(jié)構(gòu)框圖，如圖1所示。

1.2 單元電路設(shè)計

1.2.1 溫度檢測電路的選擇與設(shè)計

采用的是由DALLAS 公司出產(chǎn)的DS18B20芯片，該產(chǎn)品的特點有：獨特的1-Wire接口僅僅占用一個通信端口；內(nèi)置溫度傳感器和EEPROM，減少了外部元件的數(shù)量；測量溫度的范圍：-55°C至+125°C（-67°F至+257°F），-10°C至+85°C范圍內(nèi)測量精度為±0.5°C；具有9位至12位的可編程分辨率；無需另接外部元件；寄生供電模式下只需要2個操作引腳（DQ和GND）；多點通信以簡化分布式溫度測量工作；每個器件具有唯一的64位序列號，存儲在器件的ROM內(nèi)；用戶可以靈活地定義溫度報警門限，通過報警搜索指令來找到溫度超出門限的器件；提供8引腳SO，8引腳？滋SOP，3引腳TO-92多種封裝形式，DS18B20各種封裝及引腳圖，如圖2所示。

設(shè)計中采用的是TO-92形式的封裝，其尺寸形狀便于安裝在熱水器中。通過屏蔽雙絞線與單片機相連，可以實現(xiàn)長距離測量工作。各種封裝的引腳，如表1。

DS18B20采用的獨特的一線式結(jié)構(gòu)，其僅需一根線就能夠?qū)崿F(xiàn)通信。溫度傳感器一共有三條線：電源線、地線及數(shù)據(jù)線，以上所述特點表明DS18B20非常適合用于長距離多點溫度檢測系統(tǒng)。由DS18B20所組成的溫度檢測電路，如圖3。

1.2.2 水位檢測電路的選擇與設(shè)計

系統(tǒng)選用的是電極式傳感器AT35-3芯片，電極板式水位檢測電路結(jié)構(gòu)簡單，其精度也足夠控制系統(tǒng)的使用。利用導(dǎo)電液體開關(guān)電路的原理，適用于單片機等邏輯控制器。當水漫過電極，電路接通，電平發(fā)生改變，主控芯片依靠電平的狀態(tài)判斷液位。采用電極式液位檢測電路控制了成本，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，也方便自主選擇安裝位置。而且AT35-3芯片采用的是不銹鋼材料制作，探測面能可靠接收和傳遞所處水中位置信號，可長期使用，不易銹蝕脫落，且能有效抵抗表面結(jié)垢問題，維修也十分簡便容易，由電極式傳感器（仿真中用按鍵代替）所組成的水位檢測電路，如圖4。

其中一檔水位表示為1L，二檔水位表示為2L，三檔水位表示為3L，四檔水位表示為4L。

1.2.3 顯示電路的選擇與介紹

LCD1602顯示分為字段進行顯示和字符進行顯示兩種。其中字段進行顯示與LED顯示原理大致相似，只需要把信號送到相應(yīng)的管腳就能進行顯示。而字符進行顯示是根據(jù)需要顯示的字符送到LCD上顯示。其中顯示數(shù)據(jù)包括數(shù)字、字母以及ASCII碼。本次我設(shè)計采用的是字符型顯示。系統(tǒng)中采用的是LCD1602顯示屏作為顯示器件。與傳統(tǒng)的LED顯示相比較，LCD1602液晶顯示模塊具有以下優(yōu)點：體積小、功耗低以及顯示內(nèi)容豐富，并且也不需要外加驅(qū)動電路，LCD1602液晶顯示屏也已被廣大人們所認可，它可以顯示2行16漢字。

1.2.4 時鐘電路的選擇與介紹

本次系統(tǒng)采用的是DS1302實時時鐘芯片，它的工作是靠串口與單片機進行通信。DS1302時鐘內(nèi)部提供年、月、日、時、分、秒以及星期等信息，通過一定的配置都可以送到顯示屏上進行顯示。并且每月的天數(shù)以及每年的閏年天數(shù)都可以實現(xiàn)自動調(diào)整，時鐘的操作可以通過AM/PM 指示決定采用是24小時顯示格式還是12小時顯示格式。單片機與DS1302之間采用的通信方式是串行通信，它們之間的連接只需要用到三根線：一根是時鐘的復(fù)位線（RST）、一根是數(shù)據(jù)線（DO）以及串行時鐘線（SCLK）。時鐘的數(shù)據(jù)傳輸可以是一個字節(jié)或者是多個字節(jié)。并且該芯片在工作時功耗很低，正常顯示時功率低至1mw，操作起來也非常方便。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 軟件總體流程

具體的設(shè)計流程：首先給系統(tǒng)上電，緊接著是對系統(tǒng)進行初始化，初始化包括I/O輸入/輸出配置、LCD1602初始化設(shè)置、溫度傳感器初始化等。系統(tǒng)初始化完成后，執(zhí)行以下功能，首先讀取DS18B20溫度傳感器的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成實際溫度，同時檢測水位高度的變化，將溫度和水位高度等信息送入LCD顯示，接著進行按鍵掃描，在按鍵掃描的過程中可以進行溫度和水位高度的設(shè)定，自動/手動模式切換等操作。最后是控制功能，判斷溫度是否到達設(shè)定溫度，若無則打開加熱裝置給系統(tǒng)加熱，判斷水位高度是否到達設(shè)定值，若無則打開加水泵給系統(tǒng)加水，直到到達設(shè)定值，關(guān)閉加熱裝置和加水泵。同時需要判斷是否低于最低水位，若水位低于最低的水位高度，打開蜂鳴器，通知用戶采取相應(yīng)的應(yīng)急措施，系統(tǒng)的整體程序設(shè)計的流程圖如圖5。

2.2 溫度采集設(shè)計流程

DS18B20數(shù)據(jù)采集是根據(jù)其本身的通訊協(xié)議來實現(xiàn)的，它的工作流程基本如下：首先需要對其進行初始化，即完成寄存器的基本設(shè)置；然后再啟動DS18B20的溫度轉(zhuǎn)換功能，等待溫度的采集成功；當獲取到采集數(shù)據(jù)之后，然后再開始進行讀取數(shù)據(jù)寄存器，獲取高八位數(shù)據(jù)和低八位數(shù)據(jù)；最后將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進制然后再乘以0.625放到LCD1602上顯示，基本操作流程如圖6所示。

2.3 水位檢測流程

水位檢測電路程序設(shè)計比較簡單，僅需要讀取打片機的P3口，屏蔽低四位數(shù)據(jù)就可判斷水位的信息。水位檢測模塊的原理是：讀取水位檢測接口，然后進行查表，再根據(jù)預(yù)設(shè)的關(guān)鍵水位信息操作繼電器驅(qū)動電路。

3 系統(tǒng)測試

通過以上章節(jié)對系統(tǒng)軟件和硬件的設(shè)計，為驗證實際測試效果，于是做出了實物，并向單片機中下載程序代碼。經(jīng)過調(diào)試該系統(tǒng)實現(xiàn)了以下功能：

（1）水溫顯示：集水箱里的水溫通過DS18B20傳感器的檢測，在LCD1602上能夠顯示溫度值，且測量溫度在0-125℃，數(shù)值上精確到±0.5℃。實際測試中，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)對水溫的檢測具有響應(yīng)快速、測量準確等優(yōu)點，使用非常方便。

（2）水位顯示：實際測試當中，水位檢測電路會檢測當前的水位值并在LCD上會顯示，還有，如果當水位高于設(shè)定的水位值時，此時，系統(tǒng)不作出反應(yīng)，表示水量充足，不需要加水，當檢測出來水位值低于設(shè)定的水位值時，此時，蜂鳴器會發(fā)出報警，表示水量不足，需要加水；單片機會控制水泵進行加水，用戶也可以手動加水，大大提高了用水的效率。

（3）系統(tǒng)水位（水溫）自動控制：當系統(tǒng)的水位低于設(shè)定的水位值時，系統(tǒng)會給單片機發(fā)送消息，此時使單片機控制I/O口為低電平，使水泵開始工作自動開始加水，直到水位高于設(shè)定水位才開始停止加水，此時水位傳感器再將水位信息傳送給單片機，單片機控制I/O口為高電平，這樣就完成了水位控制。水溫控制電路的工作流程和水位控制電路基本一致。

（4）萬年歷顯示：當系統(tǒng)通上電后，LCD1602的第一行上會顯示當前時間，同時用戶也可以設(shè)置時間，時間信息包括年、月、日、時、分、秒等信息，系統(tǒng)上有功能選擇按鍵，當光標指到年月日時分秒某個選項上時，通過功能加或功能減按鍵就可以設(shè)置了，然后退出即可完成設(shè)置，此時萬年歷就可以正常地顯示時間。

4 結(jié)束語

通過51單片機實現(xiàn)了太陽能熱水器控制系統(tǒng)的設(shè)計，能夠很好地滿足用戶的實際需求，對比以往的設(shè)計方法，此系統(tǒng)采用了自動控制方式，即水量較少時，系統(tǒng)會自動加水，溫度過低時，系統(tǒng)會輔助加熱。這樣就避免了人們需要通過按鍵來加水和加熱的麻煩，同時能源也得到了很好地利用；而且系統(tǒng)設(shè)計的溫度跟蹤循環(huán)方式充分利用了太陽能進行加熱并且及時啟動輔助能源補充加熱，為用戶提供了不斷開電的同時，減少了能源消耗。并且此設(shè)計在許多方面也設(shè)計了保護電路、采用的也大多都是低功耗的器件，使得該系統(tǒng)有了更好的發(fā)展空間。

參考文獻：

[1]文 ，林聰，陳卿冶，等.基于FPGA太陽能熱水器的優(yōu)化控制及實現(xiàn)[J].湖南文理學(xué)院學(xué)報，2014，26（02）：62-69.

[2]金黎明.淺析太陽能熱水器智能控制器設(shè)計[J].湖北農(nóng)機化，2016（04）：49-50.

[3]王磊.家用太陽能熱水器控制器系統(tǒng)設(shè)計[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2016（19）：56.

[4]楊永剛.太陽能熱水器控制電路的設(shè)計[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2012，11（14）：63-64.

[5]蔡杰杰，王亞剛，沈進.基于Niagara平臺的太陽能熱水器智能控制系統(tǒng)[J].電子科技，2015（11）：110-112.

[6]劉小俊，黃鴻 .基于單片機的太陽能熱水器智能控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].可編程控制器與工廠自動化，2009（09）：87-89.