關于單片機控制的智能太陽能熱水器的研究

摘 ?要：本文提出了一種以 MCS—52 系列單片機AT89C52為主要控制芯片，輔之以其他功能芯片對太陽能熱水器進行控制的設計方案，使太陽能熱水器使用起來更加方便，安全。該系統(tǒng)由主控芯片模塊、DS18B20 溫度檢測模塊、LED 顯示模塊、水位檢測模塊、鍵盤控制模塊、報警模塊和電磁閥控制模塊組成。給出了各個模塊地結(jié)構(gòu)及其工作原理、系統(tǒng)硬件原理圖、程序流程圖和部分源程序，并結(jié)合理論設計進行仿真。本設計充分利用AT89C52單片機系統(tǒng)的三總線控制，即數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線的設計方式，為應用系統(tǒng)功能的實現(xiàn)奠定了基礎。通過對AT89C52單片機的外部功能擴展使系統(tǒng)具有自動上水與保溫的功能，還能自動驅(qū)動加熱及上水裝置來滿足系統(tǒng)的設置，使用起來安全可靠。此外，設計方案中還考慮了一些抗干擾措施，例如采用光電隔離器4N25使輸入輸出有效隔離，采用硬件去抖動措施解決按鍵抖動的問題等等。該系統(tǒng)與傳統(tǒng)的機械式控制系統(tǒng)相比較，具有結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強，使用方便等特點。

關鍵詞：單片機;溫度控制;水位控制;智能制造

1、緒論

目前，中國已成為世界上最大的太陽能熱水器生產(chǎn)國，年產(chǎn)量約為世界各國之和，已有一百多家太陽能熱水器生產(chǎn)廠。但是與之配套的太陽能熱水器控制器卻一直處在研究與開發(fā)階段。本文設計的太陽能熱水器控制器以80C52單片機為檢測控制核心，采用DS1302實時時鐘，不僅實現(xiàn)了時間、溫度和水位三種參數(shù)實時顯示，而且具有時間設定、溫度設定與控制功能。溫度控制采用模糊控制，控制器可以根據(jù)天氣情況利用輔助加熱裝置使蓄水箱內(nèi)的水溫在設定時間達到預先設定的溫度，從而達到24小時供應熱水的目的。太陽能熱水器是太陽能利用中最常見的一種裝置，經(jīng)濟效益明顯，正在迅速的推廣應用，太陽能熱水器能夠?qū)⑻栞椛淠苻D(zhuǎn)換熱能，供生產(chǎn)和生活使用。

2、單元模塊設計

2.1各單元模塊功能介紹及電路設計物

2.1.1單片機系統(tǒng)設計

復位電路通常采用上電自動復位和按鈕復位兩種方式，如下圖所示。

單片機系統(tǒng)

單片機系統(tǒng)由AT89C52和一定功能的外圍電路組成，包括為單片機提供復位電壓的復位電路，提供系統(tǒng)頻率的晶振。這部分電路主要負責程序的存儲和運行。上圖中MCS-52內(nèi)部時鐘方式電路外接晶體以及電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。對外接電容的值雖然沒有嚴格的要求，但電容的大小會影響振蕩器頻率的高低、諧振器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。晶體可在1.2MHz～12MHz之間任選，電容C1和C2的典型值在20pF～100pF之間選擇，但在60pF～70pF時振蕩器具有較高的頻率穩(wěn)定性。典型值通常選擇為30pF左右，但本電路采用33pF。在設計印刷電路板時，晶體或陶瓷振蕩器和電容應盡可能安裝的與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠的工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應采用溫度穩(wěn)定性能好的高頻電容。AT89C52的復位是由外部的復位電路來實現(xiàn)的。本設計中所用到的是上電按鈕復位。

2.1.2控制器實時時鐘接口電路

為實現(xiàn)熱水器24小時供應熱水的目的，控制器必須有一個實時時鐘來為系統(tǒng)提供準確的基準時間;在軟件設計上則要實時地讀出當前時間，同設定時間比較，以決定系統(tǒng)工作狀態(tài)。

2.1.3水位檢測接口電路

蓄水箱水位和溫度檢測部分是實現(xiàn)溫度智能控制的重要環(huán)節(jié)，只有準確地檢測出水位和溫度，才能通過軟件計算提前開始輔助加熱的預加熱時間。要實現(xiàn)輔助加熱提前時間的精確計算，最好是采用連續(xù)液位傳感器，但考慮系統(tǒng)成本，本設計仍采用分段式液位傳感器（通過軟件來提高精度），在水位顯示上也仍采用分段顯示。

2.1.4 DS18B20與單片機接口電路設計

基于DS18B20多點溫度測量系統(tǒng)以AT89C52為中心器件，以KEIL為系統(tǒng)開發(fā)平臺，用C語言進行程序設計，以PROTEUS作為仿真軟件設計而成的。

DS18B20是智能溫度傳感器，它的輸入/輸出采用數(shù)字量，以單總線技術，接收主機發(fā)送的命令，根據(jù)DS18B20內(nèi)部的協(xié)議進行相應的處理，將轉(zhuǎn)換的溫度以串口發(fā)送給主機。主機按照通信協(xié)議用一個IO口模擬DS18B20的時序，發(fā)送命令（初始化命令、ROM命令、功能命令）給DS18B20，并讀取溫度值，在內(nèi)部進行相應的數(shù)值處理，用圖形液晶模塊顯示各點的溫度。在系統(tǒng)啟動之時，可以通過4×4鍵盤設置各點溫度的上限值，當某點溫度超過設置值時，報警器開始報警，從而實現(xiàn)了對各點溫度的實時監(jiān)控。

每個DS18B20有自己的序列號，因此本系統(tǒng)可以在一根總線上掛接了4個DS18B20，通過對各個DS18B20的ROM進行尋址，地址符合的DS18B20才作出響應，接收主機的命令，向主機發(fā)送轉(zhuǎn)換的溫度。采用這種DS18B20尋址技術，使系統(tǒng)硬件電路更加簡單。

2.1.5 蜂鳴器報警電路

蜂鳴器俗稱喇叭，是廣泛應用于各種電子產(chǎn)品的一種元器件，它用于提示、報警、音樂等許多應用場合。

蜂鳴器通常工作電流比較大，電路上的TTL電平基本上驅(qū)動不了蜂鳴器，需要增加一個電流放大的電路才可以。蜂鳴器由振蕩器、磁鐵、振動膜片以及外殼等組成，接通電源后，振蕩器產(chǎn)生音頻信號，電流通過電磁線圈使電磁線圈產(chǎn)生磁場，振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發(fā)聲。

2.1.7 光電隔離與輔助加熱電路

當室外光強不足（陰天、下雨）時，對水箱的水提前加熱是很必要的，這一電路恰好能完成這一功能。工作原理：當單片機P3.2口輸出高電平時，三極管T1導通，致使發(fā)光二極管發(fā)光，同時光敏三極管T2導通，繼電器閉合，電阻絲R1～R4發(fā)熱，這樣就完成了加熱任務，此電路雖然簡單，但在太陽能熱水器中是必不可少的。

3、結(jié)束語

采用本熱水器與電熱水器、燃氣熱水器相比，還具有絕對安全，最為衛(wèi)生的特點，在電費，液化氣、煤氣價格較高的地區(qū)，用戶1-3年即收回投資，在這以后提供的熱水是免費的。

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作者簡介：彭國欽，男，出生年月：19881220，廣東珠海，助理工程師，本科。