通用型太陽能熱水器控制系統的研究與設計

郭燦彬 羅 嵐

（1.廣東機電職業技術學院，廣州 510515；2.中山華帝股份有限公司，中山 528415）

目前，市場上太陽能熱水器控制器品種類型多達上百種，且產品質量參差不齊，雖經過了一定的篩選，但仍然有不少種控制系統存在各種問題，主要是設備接口、顯示界面及操作習慣的不統一。如果一個企業使用多個廠家的代工產品，缺乏自主開發的產品，將會造成企業的太陽能熱水器產品外觀和操作使用等不統一，且硬件成本偏高，資源利用率低[1]。因此，有必要按照項目合作企業標準化的要求，結合企業實際情況，設計和開發一款通用型太陽能熱水器控制器（控制系統）。該控制系統是一款新型太陽能熱水器自動控制系統，能夠自動檢測和顯示當前水箱內的水溫和水位等信息。在經過軟件仿真和實際的應用調試后，設計的太陽能熱水器控制系統達到了預期設計要求，成本低，工作安全可靠，具有廣闊的應用前景[2]。

1 整體方案設計

控制系統可以根據安裝在水箱內的多個高精度水位傳感器探針檢測的結果，自動識別和判斷當前的水位情況。當水箱內的水位達到100%時，控制系統停止加水；當水位低于10%時，控制系統自動報警，并停止輔助加熱，系統進入自動加水或保護狀態，以防空燒。用戶可以根據實際需要，通過鍵盤按鈕操作選擇水箱中的水溫和水位參數，溫度最高可以調節到75 ℃，從而滿足不同的實際使用需求[3]。系統以PIC18Fxxx系列單片機為控制核心，控制系統硬件電路全部采用模塊式設計，主要包括溫度檢測電路模塊、水位傳感器模塊、液晶顯示電路模塊、鍵盤操作電路模塊以及輔助加熱電路模塊等。此外，軟件編程部分也全部采用模塊化和功能化的設計方法，將各個功能模塊單獨編寫成獨立子程序，通過調用子程序實現熱水器控制系統的各種功能。系統總體控制功能如圖1所示。

圖1 系統總體控制框圖

在實際工程應用中，用戶現場安裝了按鍵操作模塊，可以在現場通過操作面板設置太陽能熱水器溫度和參數等各項操作。網絡接入模塊只是一個選配模塊，當控制系統標配該模塊時，支持用戶從手機應用（Application，App）端操作或者查看控制系統太陽能熱水器的各項工作狀態，且可按照各自需求設置電加熱溫度。在天氣不好的情況下，需提前通過遠程控制方式啟動電加熱。

以下為控制系統標配的功能。

（1）大發光二極管（Light-Emitting Diode，LED）彩屏顯示水位、水溫和工作狀態。其中：二位LED數碼管顯示溫度0～99 ℃；4位小數碼管顯示時間；圓圈內紅、黃、綠、藍發光條指示5檔水位，藍光閃爍為第1檔，常亮為第2檔；文字及符號指示工作狀態。

（2）啟動上水的水位下限和終止上水的水位值可任意設定。用戶可以根據天氣情況和自己所需水量，任意設定加水上下限水位（上下限水位的范圍為50%～100%）。

（3）缺水報警、自動上水和自動報警。水位降低至1檔水位時（20%水位閃爍），報警5聲，延時15 min后自動上水。水位上升至設定水位后，自動停止或者手動按加水及上行鍵加水或關水。

（4）自動溫控電加熱功能。設定溫度下限后，當水溫低于設定下限時，自動啟動電加熱，達到溫度上限自動停止。

（5）斷電自動記憶保護。停電時，系統自動保存所有設定參數，來電后無需重新設置。

（6）防干燒功能。當水箱內無水或水位過低時（低于50%），系統電加熱自動鎖定，停止電加熱。

（7）防止高溫空曬后進水。本功能用于防止太陽能熱水器高溫（≥95 ℃）空曬后突然進冷水而使真空管破裂。

（8）智能防溢水保護。當長時間加水而水位無變化時，將自動關閉電磁閥，防止因系統故障而溢水。

（9）故障自動檢測排除功能。控制器在停水或水壓過低時，自動停止電磁閥或增壓泵工作。

2 硬件設計

控制系統主控芯片采用Microchip公司的PIC18Fxxx系列單片機。該系列單片機外圍接口較豐富，工作穩定性好，開發工具簡單易用。控制系統的傳感器電路檢測模塊（部分硬件傳感器電路）的電路原理圖，如圖2所示。本系統傳感器模塊主要包括水溫檢測傳感器電路和水位檢測傳感器電路[4]。

圖2 傳感器電路檢測模塊

圖3 繼電器（電磁閥）控制電路模塊（部分硬件電路）

控制系統的繼電器或電磁閥控制電路模塊主要包括進水電磁閥控制電路模塊、增壓水泵繼電器控制電路模塊和循環水泵繼電器控制電路模塊。其中，一個電路模塊的控制原理圖，如圖4所示。

圖4 電源管理模塊

電源是控制系統的重要組成部分。穩定可靠的電源供應模塊必不可少。控制系統的電源管理模塊，如圖4所示。系統主要為直流模式供電，單相220 V交流輸入。輸出直流電壓主要包括12 V和5 V兩種形式。控制系統其他硬件電路模塊包括主控制器電路模塊、安全保護電路模塊、鍵盤及顯示控制電路模塊、水泵、電加熱控制電路模塊以及網絡接入控制電路模塊等，這里不再贅述。

3 軟件設計

控制系統軟件設計部分采用模式化設計方式完成，將所有軟件子模塊都封裝成子程序，并在主流程中調用系統錯誤處理子程序errorDeal（）和加水處理子程序waterIn（）等。系統底層控制軟件設計主要包括A/D檢測與轉換軟件模塊、數字量端口檢測軟件模塊、LED顯示驅動軟件模塊、檢測參數設置軟件模塊、按鍵掃描與處理軟件模塊以及串口通信軟件模塊等。此外，控制系統在軟件中設置了多種安全保護功能，如防漏電功能（硬件保護）、缺水保護功能（waterOff）、防干燒保護功能、智能防溢保護功能、斷電自動記憶保護功能、防高溫空嗮后進水保護功能以及故障自動檢測排除功能等。控制系統的程序工作主流程，如圖5所示。當日常天氣條件不好或者用戶設定進入電加熱模式時，都會進入此流程。

圖5 系統控制主流程

4 功能測試

在實際應用中，控制系統支持兩種操作方式。一種是通過控制系統的控制面板操作，控制面板通常安裝在用戶低樓層現場，通過有線方式與太陽能熱水器相連，控制面板顯示屏主界面如圖6所示。另一種是通過手機App查看或控制操作工作狀態（該項功能未開放測試）。

4.1 通過操作面板操作

圖6中顯示界面采用大屏幕彩色LED顯示，數字與文字符號相結合。LED顯示清晰明亮，面板各指示符號或說明清晰，不會因長期觸摸或光與化學浸蝕而模糊。

圖6 控制系統主界面

4.1.1 系統操作說明

控制器在測試時內部參數已設置合理，正確安裝后接通電源即能實現全自動運行。用戶設置參數時，按設置鍵3 s即可進入參數設置狀態。需要設置的參數依次為溫度上限、溫度下限、水位上限、時間、第一次定時上水時間、第二次定時上水時間、第一次定時加熱時間以及第一次定時加熱時間等。每設置完一個參數，按設置鍵跳到下一個參數的設置。例如，設置電加熱溫度上限時，進入設置后二位LED數碼管不停閃爍，右下角的上限指示燈亮，按加水及上行鍵或加熱及下行鍵改變溫度上限的數值（默認設定值50，設定范圍為50～90）。設定好溫度上限后，再按一下設置鍵進入溫度下限的設置。

設置水位上限時，水位圈內水位燈會不停閃爍，同時右下角的上限指示燈亮。此時，按加水及上行鍵或加熱及下行鍵改變水位上限的數值（默認設定值100%，設定范圍50%～100%），設置好水位上限后，再按一下設置鍵進入水位下限的設置，再按一下設置鍵進入時間的設置。

設置第一次定時上水時間時上水時間1指示燈亮，設置方法同上（默認設置為08：00）。設置完第一次上水時間后，再按一下設置鍵進入第二次定時加水時間的設置。

設置第一次定時加熱時間時加熱時間1指示燈亮，設置方法同上（默認值為16：00），設置完后再按一下設置鍵進入第二次定時加熱時間的設置。

以上所有的參數設置完后，按Home鍵保存并退出。在設置過程中或在參數設置完后，若連續5 s內無按鍵操作，系統將自動保存并退出設置狀態。如果參數被調亂或由于不正確的設置而導致控制器運行異常，只需按住智能開關鍵3 s，即可恢復默認參數，使控制器恢復正常運行。如果暫時不需要使用自動加熱功能，按智能開關鍵使智能加熱燈熄滅，所有自動加熱功能將被關閉；再按一下智能開關鍵，智能加熱燈點亮，自動加熱功能恢復。

4.2 通過手機App端遠程控制

該項功能是系統的選配模塊。控制系統通過預留的網絡接口專用模塊接入無線局域網后，可通過手機端App程序查看太陽能熱水器的工作狀態，遠程設置電加熱溫度和系統參數等。手機端主界面效果如圖7所示。

圖7 手機App控制界面效果圖

5 結語

相對于目前市面上種類繁多的太陽能熱水器控制器，通用型太陽能熱水器控制系統整體成本較低，工作安全可靠，控制精度能夠滿足家庭使用要求，軟件界面友好，操作簡單易用。通過手機App可實現遠程狀態監控、溫度設置以及參數調整等功能。實際測試應用結果表明：控制系統工作穩定可靠，外圍接口統一且擴展性好，可適配于多種機型，具有廣闊的應用前景。