基于AT89C51的太陽能熱水器智能控制系統(tǒng)設(shè)計

雷祿燕

（福建福能南紡新材料有限公司，福建 南平 353000）

1 引言

隨著科技的發(fā)展及世界人口的增長，環(huán)境及能源問題越來越受到世界各國重視，特別是煤炭、石油及天然氣等不可再生資源的大規(guī)模開發(fā)與利用，在促進經(jīng)濟發(fā)展的同時，也帶來了環(huán)境問題。同時，不可再生能源的過度開采與利用，也會縮短其開采期，加速全世界進入能源枯竭時代。為了提高能源的利用率，倡導(dǎo)低碳、綠色、環(huán)保是當(dāng)前時代的主題。同時，積極努力尋找替代能源也是全世界各國研究的熱點及追尋的目標(biāo)。其中，太陽能以其無污染、無限開采等特點在眾多替代能源中受到青睞，進而成為了當(dāng)前新能源開發(fā)與利用的焦點。

隨著人們生活水平的提高，熱水器已成為各家各戶必備的生活用品，但其能源消耗已成當(dāng)前不容忽視的問題。單純的電熱水器或燃氣熱水器不僅容易受到能源供給的影響，同時在不可再生能源消耗方面也給全世界增加了負擔(dān)。考慮到開發(fā)新能源、節(jié)約不可再生能源的重要性，太陽能熱水器的開發(fā)與利用受到各國人們的歡迎。太陽能熱水器通過真空加熱管收集太陽熱輻射實現(xiàn)水加熱，無疑可以節(jié)約大量的電或燃氣資源，但是，單純太陽能的熱水器受天氣及晝夜情況影響極大。雨天及晚上基本無法實現(xiàn)水加熱，極大限制了其使用效果。因此，電輔加熱太陽能熱水器應(yīng)運而生，其在陽光充足時通過真空加熱管收集太陽能實現(xiàn)水加熱，當(dāng)陽光不充足時采用電輔加熱，大大提高了太陽能熱水器的使用便利性。由此可知加熱系統(tǒng)切換及溫度控制對其工作穩(wěn)定性及安全性至關(guān)重要。

本文基于AT89C51單片機實現(xiàn)了太陽能熱水器的控制系統(tǒng)設(shè)計。通過溫度傳感器實現(xiàn)儲水箱及混水箱溫度的檢測，進而實現(xiàn)出水溫度的調(diào)節(jié)及電輔加熱系統(tǒng)的智能開啟與關(guān)閉。在水路中設(shè)計加壓水泵穩(wěn)定水壓，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。在浴頭位置設(shè)計紅外傳感器實現(xiàn)淋浴裝置的自動開啟與關(guān)閉，達到節(jié)約淋浴用水量，實現(xiàn)了穩(wěn)定出水溫度及水壓，提高了淋浴人員的舒適度。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)主要包括溫度控制、水壓控制、淋浴開關(guān)控制、冷熱混水控制、故障報警、人機交互及信息顯示等模塊。溫度控制主要包括儲水箱及混水箱溫度控制。當(dāng)太陽充足時，儲水箱中的水由太陽能加熱。當(dāng)太陽能不足時，系統(tǒng)自動切換至電輔加熱。同時設(shè)置手動開關(guān)，可以通過人為控制強行切換至電輔加熱。混水箱溫度控制主要目的是控制淋浴出水溫度。混水箱的作用是穩(wěn)定淋浴出水的水溫。水壓控制主要包括水箱上水壓力、淋浴出水壓力及回水壓力控制。當(dāng)熱水器安裝位置較高，可能由于上水壓力不足出現(xiàn)水箱缺水現(xiàn)象，通過水泵調(diào)節(jié)上水壓力可以有效保障熱水器用水安全，當(dāng)上水壓力充足時，系統(tǒng)通過旁路上水，上水水泵自動關(guān)閉。淋浴出水壓力控制可以保障淋浴水流的穩(wěn)定性，提高淋浴舒適度。回水壓力控制可以有效回流管道中的冷水，達到節(jié)約用水目的。系統(tǒng)總體工作原理如圖1所示。在混水閥的前端設(shè)置小型的混水箱，通過冷水回流調(diào)節(jié)混水溫度，達到出水溫度恒定、水流量穩(wěn)定的效果。

本系統(tǒng)采用AT89C51單片機實施控制，控制系統(tǒng)包括的功能模塊如圖2所示。輸入信號主要有水箱水位、水箱水溫、淋浴水水溫、進水水壓、淋浴頭紅外信號，同時，還有用于人機交互的信息輸入，主要包括水溫設(shè)置、水壓設(shè)置、手動控制信號等信息。輸出信號主要包括水泵的啟停控制、各種閥門的開啟與關(guān)閉、電輔加熱控制、信號顯示及故障報警等信息。

圖 1 系統(tǒng)總體工作原理圖

圖2 控制系統(tǒng)功能模塊圖

3 硬件設(shè)計

在硬件設(shè)計中，溫度傳感器選擇了輸出信號為數(shù)字量的DS18B20，避免了設(shè)計AD轉(zhuǎn)換電路，提高了系統(tǒng)實施的便利性及可靠性。同時，DS18B20具有小體積、低硬件開銷、高精度等特點，其溫度測量范圍在-55～125℃，完全能夠滿足熱水器的測溫需求。

考慮到熱水器并不需要精確測量水位，本文基于水的導(dǎo)電原理，設(shè)計了探針長度不一致的多探針?biāo)粶y定方法。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)水箱水量達到水位上限時，探針1～4均導(dǎo)通，關(guān)閉上水閥。隨著用水量增加，水箱水位下降，探針1斷開，探針2～4導(dǎo)通，水箱處于中高水位；隨著水箱水位進一步下降，探針1～2斷開，探針3～4導(dǎo)通，水箱處于中低水位；隨著水箱水位繼續(xù)下降，探針1～3斷開，探針4導(dǎo)通，水箱處于低水位；直到探針1～4全部斷開，水箱達到水位下限，系統(tǒng)啟動上水閥，水箱補水。

圖3 水位傳感器結(jié)構(gòu)圖

為了增強系統(tǒng)的智能性，增加了故障報警模塊，主要包括水箱缺水報警、傳感器故障報警、閥門及電輔加熱等器件損壞報警。顯示模塊主要用于顯示水箱水位、工作模式、日期時間、定時等信息。使用人員可以根據(jù)需求通過信息輸入進行系統(tǒng)設(shè)定。同時，為了節(jié)約淋浴用水，在淋浴頭位置安裝了紅外線傳感器用于檢測是否有人位于淋浴頭下方。在淋浴的過程中，如果人離開了檢測范圍，淋浴頭出水自動關(guān)閉，當(dāng)人重新回到檢測范圍內(nèi)，淋浴閥重新開啟。在淋浴閥關(guān)閉期間，通過冷水回流管道保障淋浴出水口的水溫恒定，進而實現(xiàn)淋浴閥重新開啟時刻的水溫符合設(shè)定值需求。

4 軟件設(shè)計

本文基于Keil軟件實現(xiàn)控制系統(tǒng)的編程，基于Prοteus進行硬件的設(shè)計。在完成硬件設(shè)計及軟件編程后，將控制程序?qū)隤rοteus硬件系統(tǒng)進行仿真調(diào)試。系統(tǒng)水位控制的流程如圖4所示，經(jīng)過初始化后，首先進行水位的判斷，當(dāng)水位未達到設(shè)定值時，啟動上水閥（如果水壓不達標(biāo)，則進一步啟動上水水泵），當(dāng)水位達到設(shè)定值后，關(guān)閉上水閥及水泵，并根據(jù)結(jié)束信號確定繼續(xù)執(zhí)行程序還是退出程序。其他程序還包括溫度控制程序、淋浴控制程序等。

圖4 水位調(diào)節(jié)流程圖

5 仿真與調(diào)試

基于上文流程圖通過Keil軟件編制相關(guān)程序后，以AT89C51單片機作為控制核心進行仿真調(diào)試，兩個DS18B20數(shù)字溫度傳感器分別位于儲水箱和混水箱中，用于檢測儲水箱及混水箱溫度。系統(tǒng)水位采用4個LED燈顯示，分別為高、中高、中低及低水位。電輔加熱采用紅色LED指示燈顯示。AT89C51單片機的P3.0驅(qū)動上水閥，P3.1～3.4為驅(qū)動水位指示LED，P3.5為接電輔加熱，P3.6為接熱水閥，P3.7為接冷水閥，P2.0為接總水泵控制，P2.1為接淋浴水泵控制，P2.2為接噴頭水閥，P2.3為控制冷水回水閥，P2.4～2.7為接水箱水位傳感器信號，P1.0～1.2為接水箱溫度、混水箱溫度、紅外傳感器，P1.3為接水壓傳感器。經(jīng)Keil軟件與Prοteus軟件結(jié)合仿真調(diào)試，本文設(shè)計的太陽能熱水器控制系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行。

6 總結(jié)

本文基于AT89C51單片機實現(xiàn)了太陽能熱水器的控制系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)通過DS18B20溫度傳感器實現(xiàn)儲水箱及混水箱溫度的檢測。基于測得儲水箱溫度實現(xiàn)電輔加熱的自動開啟與關(guān)閉，通過測得混水箱溫度實現(xiàn)冷熱水閥的開度調(diào)節(jié)。考慮到公共供水壓力不穩(wěn)定，本設(shè)計在水路中設(shè)計了加壓水泵，系統(tǒng)根據(jù)外界供水壓力情況，智能開啟水泵，達到穩(wěn)定水壓、保護相關(guān)設(shè)施及穩(wěn)定淋浴出水目的。此外，在淋浴頭位置設(shè)計了紅外傳感器。通過紅外傳感器檢測人員是否處于淋浴范圍內(nèi)，實現(xiàn)淋浴裝置的自動開啟與關(guān)閉，達到節(jié)約用水的目的。并通過Prοteus和Keil軟件結(jié)合實現(xiàn)了系統(tǒng)仿真，驗證了方案的可行性。