太阳能热水器全自动控制器设计

 
摘  要：太阳能被认为是一种新型的、可无限使用的、无污染的能源，对太阳能的合理利用具有深远的意义。以89C51单片机为控制核心，设计了一个太阳能热水器全自动控制器，可以对水温、水位进行监测并显示，能够实现自动上水和定点加热功能，具有智能、方便、低能耗的特点。从实际应用出发详细介绍了家用太阳能热水器系统的硬件部分和软件部分。
关键词：89C51；太阳能热水器；智能控制；低能耗

1  引言

太阳能是目前地球上能被利用的最清洁的能源之一，其储量也是最丰富的。目前化石燃料还在被大量使用，全球的环境问题日渐突出，人们也开始意识到太阳能的优势，利用太阳能生产出来各种环保产品，其中太阳能热水器的生产和研发技术是比较成熟的，生产成本也相对较低。它能提供给人们方便、安全的热水，大大减少了电能的损耗。在国家政策扶持下，太阳能热水器被迅速地推广开来，并对传统热水器造成了很大的冲击，很快就占领了大部分的市场。但目前市面上使用的太阳能热水器的功能太过简单，控制起来不怎么方便，操作也比较繁琐。很多热水器不具备手动加热功能，这使得在长期阴天或下雨的情况下热水器无法正常提供足够的热水，即使拥有了手动加热功能，也很少有能控制加热时间的，这就使得人们在使用太阳能热水器时不够方便，同时也会因为系统过度加热而造成电能的浪费。根据上述情况，设计出一种新型的太阳能热水器智能控制系统，来解决目前市场上太阳能热水器存在的问题是非常必要的。

2  系统主要功能

（1）能够实时监测水温水位并显示。
（2）上水控制功能：低位自动上水、定温上水控制。
（3）辅助加热控制功能：手动定温、定时加热控制。
（4）自我保护控制功能：低水位自动上水、高水位停止上水、水温低于设定点自动加热，水温高于沸点停止加热。
（5）报警提示控制功能：高、低水位及水温报警控制，水位、水温达到预设值提示控制。

3  硬件设计

太阳能热水器控制器主要由单片机、显示部分、测量部分、按键部分、上水控制电路、加热电路、报警电路组成，其硬件结构框图如图1所示。

3.1  单片机选型

根据设计要求，本系统选用89C51单片机，它是由美国ATMEL公司设计出来的，与之前的MSC-51相比具有更高的性能。89C51单片机是一种具有高性能的微处理器，它拥有4K字节的存储中心，可以反复多次擦写程序，自身的损耗也比较低。它能完美兼容以往的MCS-51系列单片机，并且新增了许多功能，这些功能都是MCS-51系列单片机所不具备的。89C51单片机不仅缩小了整个系统的体积，而且增加了系统的稳定性，使整个制造成本得到了大幅度的降低。89C51单片机还具有硬加密功能，以确保一些重要程序的安全。

3.2  显示电路设计

显示电路由6个8段LED数码管组成，采用并行动态显示的方法。将每个数码管的 a，b，c，d，e，f，g，h的同名端连接在同一个节点上，同时每个数码管的COM端口必须增加位选通控制电路，位选通由相对应的单片机的I/O端口控制，当单片机向外界输出一个字形码时，电路中的每一个数码管都可以接收到这个字形码，之后单片机再对位选通电路进行控制，确定字形由哪一个数码管来显示。所以系统只要打开对应的数码管的位选通控制，该数码管就能显示出相应的字形。

3.3  上水控制电路设计

本设计利用电磁阀通电导通、断电闭合的特点，来控制太阳能热水器是否上水。上水控制电路通过89C51单片机的P3.6端口输出的电信号来控制电磁阀的通断。单片机P3.6端口先与一个阻值为2.2 kΩ的限流电阻串联，该电阻的另一端再连接到三极管的基极上，其中三极管的发射极与一个单刀继电器相连，集电极直接接地，单刀继电器的另一端连着一个+5 V的电压源。当单片机的P3.6端口输出的电信号为高电平时，三极管立即截止，流过三极管的电流可以被忽略。此时，由于电路中的电磁继电器没有电流通过，导致继电器断开连接。当单片机的P3.6端口输出的电信号为低电平时，三极管立即导通。此时，由于电路中的电磁继电器有较大的电流流过，导致电磁继电器吸合，即电磁阀电路为通路，电磁阀管道导通。其电路图如图2所示。

3.4  键盘控制电路

为了方便现实中的操作和后续的软件编程，本设计采用了独立式键盘设计。由于I/O端口不够用，控制键盘设计成由两个按键S₁和S₂共同组合而成的形式。当手动按下S₁键时，系统控制上水电磁阀打开，自来水管开始给水箱上水；当水箱快上满水时，系统控制上水电磁阀关闭，自来水管停止给水箱供水。当按下S₂键时，显示器弹出设定水温的界面，再按S₁键对水温进行设置，最后按下S₂键，加热器开始加热，显示器跳回主界面。当系统检测到水箱中的水温达到预设温度时，系统就会停止对水箱中的水加热。

3.5  报警电路

VCC

报警电路主要用于提醒用户，以确保设备安全。当水箱中的水位达到警戒值时，报警电路就会给蜂鸣器通电，使其发出报警提示，提醒用户水箱中的水位过低或过高。报警电路也是通过单片机进行控制的。比方说：当水箱里面的水位过低时，I/O端口就会输出低电平信号，使三极管导通，从而使电路中的蜂鸣器发出报警提示。其报警电路图如图3所示。

4  软件设计

在对太阳能热水器的中央控制器进行硬件电路的设计之后，为了使系统的设计更加完善，需要对太阳能热水器的中央控制器进行软件设计。软件通过与硬件紧密配合，使得系统能实时采集各种数据，并将其与对应的设定值进行比较、判断，然后控制相应电路的通断，从而实现各种智能控制。并且，如果控制器的系统一开始就进行了良好的软件设计，那么系统的硬件结构就可以得到进一步的简化，系统的性能也会得到很大提升，整个系统的成本也会得到一定的降低。

4.1  总体软件设计

系统的硬件设计是所有电路设计中最为基础的部分，系统的软件设计则是所有电路设计的重中之重。只有对系统软件设计的每一个组成部分进行详细分析并编写出相对应的驱动程序，才能让系统中相应的控制芯片发挥出原有的作用。其主程序流程图如图4所示。

4.2  按键扫描流程图

在本系统中采用的是独立式键盘设计。按键的整个运行过程如下：首先由系统判断按键有没有被按下，如果按键被按下，系统将会延时一会儿，并消除抖动造成的干扰；如果按键没有被按下，系统将继续检测下去。再判断此次动作是否有效，如果是有效按键，系统就会获取按键对应的数值，并在显示器上显示出来；如果是无效按键，系统将继续检测按键是否有效。其流程图如图5所示。

4.3  自动上水流程图

由于在实际使用过程中，太阳能热水器的水箱会存在空箱加热或空箱暴晒的情况，本系统专门设计了一个自动上水电路来解决这个问题。当太阳能热水器的水箱处于低水位时，89C51单片机的P3.6端口就会呈现低电平，电磁阀通电处于开启状态，水箱开始上水，等到水箱中的水上满之后，89C51单片机的P3.6端口就会呈现高电平，电磁阀断电处于端口状态，水箱停止上水，并返回主程序。其自动上水流程图如图6所示。

5  结论

本设计中的太阳能热水器不仅具有多种控制功能，而且制造成本较低，易于生产。此系统充分发挥了89C51单片机抗干扰能力强、功能强劲、小巧灵活的优点，系统的硬件电路设计相对简单但功能齐全，软件设计通俗易懂、十分灵活。理论上，本文设计的控制器相比目前市面上存在的大多数太阳能热水器控制器具有更高的性价比，而且具有很强的安全性和很好的稳定性。本文所设计的以单片机为控制核心的系统能有效地保护用电设备、延长设备的使用年限并且可以减少系统对电能的消耗。控制器的智能化不仅为人们提供了更加舒适的生活，而且节约了能源。

参考文献

[1]     郭雄飞，刘颖琦．中外太阳能热水器产业政策比较研究[J]．生产力研究，2011(01)：163-165．
[2]    袁小平，陈跃．一种智能型太阳能热水器控制器的研制[J]．江苏煤炭．
[3]    张学峰．太阳能热水器的全自动控制电路[J]．科技资讯，2007，29：25-27．
[4]    唐德礼，鲍连升．太阳能热水器水温水位控制器[J]．十堰职业技术学院学报，2002，15(4)．
[5]    马本，宋国君，等．中国太阳能热水器成本分析方法与应用研究[J]．中国人口·资源与环境，2012，11(22)：150-156．
[6]    沈权．太阳能热水器控制器的设计[J]．科技风，2010(3)：192．
[7]    孙东胜．新型电热水器控制器的研制[D]．上海：上海交通大学，2004．
[8]    欧阳乔．时钟芯片DS1302的原理及其Proteus仿真设计[J]．科技信息，2006(6)：19-20．