基于單片機的分體非承壓太陽能熱水器控制器

摘要：分體式太陽能熱水器實現了集熱器與蓄熱水箱的分離，采用強制循環的換熱方式，以S3C9488芯片為核心部件，實現定溫上水、溫差循環、定時定溫加熱等功能，通過用戶界面可以設置時間、溫度、水位及實時顯示，并具有高溫保護、防溢流保護和防凍保護。

關鍵詞：分體非承壓：溫差循環;模糊控制

目前，市場上太陽能熱水器控制器多采用整體式結構，強電與弱電部分在同一塊線路板上，有一定的安全隱患;絕大部分控制器采用輕觸式按鍵，在使用一段時間后變得不靈敏甚至失效。為配合分體式太陽能熱水系統實現自動化、安全性能好、更具人性化的要求，開發出一款控制與顯示分開的太陽能自動控制系統是至關重要的。

1 系統構成及工藝要求

1.1系統結構

太陽能熱水系統是由集熱器、保溫水箱、控制系統、循環泵、管路配件等組成。系統采用的是分體直接式強制循環結構，不承壓運行，分為熱水系統和控制系統。系統結構如圖1所示。

1.2分體太陽能熱水器控制工藝分析

（1）定溫上水，溫控停水;（2）手動上水;（3）上水增壓：無論是定溫上水還是按上水鍵上水，增壓泵都延時5秒啟動;（4）溫差循環，氣堵保護;（5）用水保護：用水時，若正處于上水、循環、電加熱任何工作狀態都將自動關閉;（6）高溫放水; （7）防溢流保護;（8）電加熱：電加熱分手動和定時兩種，互相不能影響。水位大于等于75%時才允許開啟電加熱;（9）循環防凍保護：當集熱器溫度≤5℃，水箱溫度≥25℃，循環泵啟動，到集熱器溫度≥10℃，或連續循環5分鐘時停止。（10）伴熱帶防凍：檢測到伴熱帶溫度低于1度，且不滿足循環防凍條件時，開伴熱帶，加熱到伴熱帶溫度高于2度時停止加熱;（11）高溫保護：當集熱器溫度≥85℃時，上水、循環泵停止工作（程序中固化）。在集熱器溫度下降至80℃時恢復正常。

2 控制系統設計

2.1系統功能：1）水位、水溫的準確測定：通過傳感器較精確的測定實時水量、水位和水的溫度，并在控制器顯示面板上通過圖案和數值來顯示;根據需要，可以手動或自動選用輔助電加熱器。2）補水方式、補水時間選擇和設定：用戶可以根據需要選擇自動補水，也可以選擇手動補水，用戶可以根據自己的需要設定補水時間。3）斷電記憶：發生斷電，本機有記憶功能，無須重新設定參數和時鐘。4）其他控制與保護措施：控制系統還對多種意外情況做了相應的保護措施。如當電加熱啟動時，用戶如果正在用水，則自動切斷電加熱，直到用水完畢，再重新開啟電加熱，防止帶電用水造成危險等。5）模糊控制：采用傳統的單片機作為物理基礎，編制相應的軟件實現模糊推理和控制。

2.2系統總體設計。控制系統主要由五部分組成：單片機控制模塊、信號采集模塊、顯示模塊、繼電器輸出模塊、按鍵模塊。

控制器以S3C9488芯片為核心部件，實現的主要功能包括：循環增壓泵啟停自動控制、水箱補水和補溫的自動控制、集熱系統防凍保護控制、系統定時加熱以及用戶按鍵手動操作等。基于以上功能要求，開發了基于單片機的控制器軟、硬件系統。

3 單片機硬件系統

本控制系統采用S3C9488單片機為控制核心，采用熱敏電阻采集溫度信號，采用電阻式傳感器采集液位信號，采用水流開關采集用水的水流信號，使用繼電器進行輸出控制。

3.1信號采集模塊

（1）水溫信號采集。在溫度采集模塊中，溫度傳感器通過鉑電阻對溫度進行檢測、采集，采集到的信號經電阻電壓轉換電路，將鉑電阻的阻值變化量轉換成電壓信號，送至S3C9488的P1.1口（ADC2），通過A/D轉換，把模擬量信號轉換成數字信號，通過微控制器控制，對溫度范圍進行分段擬合，并進行誤差分析，實現在線校準，以實現輸出結果的線性化處理。

（2）水位信號采集。RC充放電式水位傳感器測量電路，它的工作原理是，水面每接觸一個鋼針就會多并聯一個電阻，電阻隨水位變化而規律的變化。利用單片機的一個口周期性的給電容電路充放電，然后用單片機監測電容兩端電壓的變化，因為電容電壓的上升或下降時間t=RC，所以用單片機記錄這個時間就能判別電阻的變化，進而轉化為水位的變化進行顯示及其他動作。

（3）用水信號采集。用水信號是通過供水支管內安裝的水流開關來獲得的。根據開關控制方式的不同，選用不同的連接方式，可用于出水通電或出水斷電兩種方式，如圖3所示。

3.2 繼電器輸出模塊。本控制器主控電路板輸出采用驅動芯片ULN2003來驅動繼電器輸出，對執行器進行啟停控制。上水電磁閥和循環電磁閥由大功率三極管進行控制。

4 軟件設計

控制要求，控制器軟件設計采用模塊化結構，由主程序、中斷服務子程序、若干功能模塊子程序構成。其中功能模塊子程序包括鍵盤掃描子程序、溫度控制子程序、A/D 轉換子程序、模糊控制子程序、顯示子程序、漏電保護子程序。其主程序流程圖如圖4所示。

5 結束語

系統中熱水器的水箱為分體式非承壓水箱，出熱水快，出水量大，冷熱水壓平衡，調溫方便，實現了智能化和人性化全方位控制，具有控制精確、方便的特點且成本低廉，較易被用戶接受。很適合商業和家用太陽能熱水器的使用，有很好的經濟價值。

參考文獻：

[1]張毅剛.單片機原理及應用[M].高等教育出版社，2004年.

[2]王國良.光控非承壓分體式太陽能熱水器設計及應用[J];能源研究與信息，2009年01期.

作者簡介：張旭芬（1979年-），女，漢，山東招遠，講師，控制理論與控制工程。