太陽能熱水器自動上水系統(tǒng)設(shè)計

陳蘇杭?陸榮鑑

摘 要：太陽能是目前地球上巨大的財富之一，人們利用太陽能可以節(jié)省許多其他有限能源。太陽能熱水器因利用太陽能、無污染、長期使用的投入費(fèi)用低等特點(diǎn)而倍受人們青睞，近些年得到了很好的推廣和發(fā)展。本設(shè)計采用MICROCHIP公司的PIC系列單片機(jī)作為主要控制器，使用C語言來編寫程序，設(shè)計了一款智能太陽能熱水器自動上水控制器。通過數(shù)字溫度傳感器檢測當(dāng)前的水溫，通過單片機(jī)的處理在LCD12864上顯示當(dāng)前的溫度值。水位探測方面是在水箱中放置兩個探針，分別代表高和低兩個水位。溫度和水位都是實(shí)時檢測，以此達(dá)到控制的目的。

關(guān)鍵詞：太陽能熱水器;單片機(jī);傳感器;智能控制

0 引言

在科技快速發(fā)展的今天，環(huán)境的破壞日益嚴(yán)重，人們逐漸意識到保護(hù)環(huán)境的重要性。[1，2]太陽能熱水器具有以下這些特點(diǎn)：水質(zhì)潔凈、節(jié)省電能、安全可靠等等，所以受到群眾的廣泛歡迎。[3]隨著太陽能熱水器的快速發(fā)展，太陽能熱水器智能控制器這一行業(yè)隨之崛起，共同推動了太陽能熱能利用技術(shù)行業(yè)的進(jìn)步。

智能控制器的核心技術(shù)主要包括以下兩個方面：一個是控制器功能的完善方面，另一個是自身安全可靠性方面。在功能上，方便實(shí)用是重點(diǎn);在可靠性上，把硬件和軟件相結(jié)合，并且注意用水、用電的安全。早期用戶只是通過數(shù)碼管直接看出當(dāng)前熱水器的水溫，水位顯示則用簡單直觀的發(fā)光二極管來表示。如果LED亮了，那么表示當(dāng)前水位已達(dá)百分之多少;后來設(shè)計者換成了液晶顯示屏或彩色發(fā)光屏幕，使用戶能夠更方便、直觀地看到熱水器的工作狀態(tài)。通常顯示器上顯示有溫度顯示、液位顯示、時間顯示、出故障報警提示、工作狀態(tài)等。[4]

1 太陽能熱水器系統(tǒng)總體設(shè)計

單片機(jī)PIC16F1826作為控制核心并協(xié)調(diào)整個系統(tǒng)的工作，通過數(shù)字溫度傳感器檢測當(dāng)前水的溫度，由于是數(shù)字信號就直接送入單片機(jī)內(nèi)，通過單片機(jī)的處理在LCD12864上顯示當(dāng)前的溫度值。用水箱中的兩個探針得到水位的高低，并用LCD顯示水位的高低。自動上水方面是設(shè)置水位的上下限，水位低于上限時就會閉合電磁開關(guān)，就會開始上水，水位到達(dá)上限時就會自動斷開電磁開關(guān)，停止上水。[5]按鍵用來設(shè)定時間以及手動上水。溫度和水位值處于時時檢測的狀態(tài)，以此達(dá)到控制的目的。

2 熱水器控制系統(tǒng)電路設(shè)計

2.1 水位檢測電路

本設(shè)計所使用的測水位方式是探針測水位，液位的高低是控制自動上水停水的關(guān)鍵，及時準(zhǔn)確地檢測出水位高度，實(shí)現(xiàn)水位的自動控制。該設(shè)計所使用的測水位方式是探針測水位。檢測原理為：本電路里放置了兩個水位探針，分別代表水箱的最高水位和最低水位，當(dāng)水位低于最高水位時，單片機(jī)控制繼電器閉合上水，當(dāng)水位到達(dá)最高水位時，繼電器斷開，停止上水。

2.2 自動上水停水控制電路

本電路中利用電磁繼電器來實(shí)現(xiàn)自動控制。當(dāng)繼電器線圈通以電流，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，鐵芯產(chǎn)生磁性，把開關(guān)吸合，從而繼電器回路形成。

自動上水停水控制電路工作原理：當(dāng)水位檢測電路得出太陽能蓄水池當(dāng)前水容量低于最高水位時，單片機(jī)處理后送低電平信號，后端電路接通，輸出電壓分壓后使三極管導(dǎo)通，電磁繼電器達(dá)到工作電壓，常開觸點(diǎn)閉合，開始上水，到達(dá)最高水位后觸電斷開，停止上水。[6]

2.3 時鐘模塊

本設(shè)計所使用的DS1302計時芯片可以做到可靠的計時。更重要的是，該芯片可以在擁有后備電源時持續(xù)計時。在斷電等特殊情況下，可以保證計時的準(zhǔn)確性，并能夠使熱水器準(zhǔn)時上水。

2.4 溫度檢測電路

本設(shè)計采用DS18B20器件，該器件是目前較為先進(jìn)的測溫方法。內(nèi)部采完模擬信號后直接轉(zhuǎn)成數(shù)字信號，單片機(jī)對接收到的信號進(jìn)行處理。DS18B20只有3根導(dǎo)線連接線，接到單片機(jī)I/O口進(jìn)行測溫，電路簡單、方便使用。這種連接方式組合了電源和信號線，電路簡單，僅使用一根線，且DS18B20編碼唯一，各自連接網(wǎng)絡(luò)尋址，耗能很低。

2.5 鍵盤電路

軟件設(shè)計上，把事先的程序編譯好后下載到單片機(jī)，時間可以在程序中寫入，按鍵S1被按下，此時光標(biāo)顯示到秒的位置，S2作為調(diào)節(jié)時間秒的加鍵，S3作為調(diào)節(jié)時間秒的減鍵;按鍵S1第二次被按下時，此時光標(biāo)顯示到分鐘的位置，S2作為調(diào)節(jié)時間分鐘的上升按鍵，S3作為調(diào)節(jié)時間分鐘的下降按鍵;按鍵S1第三次被按下時，此時光標(biāo)顯示到小時的位置，S2作為調(diào)節(jié)時間小時的上升按鍵，S3作為調(diào)節(jié)時間小時的下降按鍵，S4作為手動上水開關(guān)。

3 熱水器控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)整體流程

軟件是用來控制硬件的正常運(yùn)作，整體軟件的設(shè)計思路：采用多個模塊功能分別單獨(dú)設(shè)計的方式，將各個模塊統(tǒng)一后形成完整的系統(tǒng)。本設(shè)計的軟件主要包括主程序、鍵盤掃描子程序、DS18B20測溫子程序、LCD12864顯示子程序、水位檢測子程序。

主程序需要完成的功能有：系統(tǒng)對DS18B20以及12864顯示屏的初始化，讀取用戶通過鍵盤設(shè)置的時間，再讀取溫度和水位信息，然后對水位進(jìn)行分析，執(zhí)行相應(yīng)的命令，完成后等待下一次啟動命令。系統(tǒng)整體流程為：先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，再掃描鍵盤，檢測當(dāng)前水位和水溫，將參數(shù)顯示在顯示屏上，判斷水位是否低于設(shè)定值，如果水位定于設(shè)定值則打開電磁閥，否則關(guān)閉電磁閥。

3.2 DS18B20軟件設(shè)計

DS18B20溫度檢測流程為：先對DS18B20進(jìn)行復(fù)位，然后讀取溫度數(shù)據(jù)，再對數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最后在LCD12864上顯示溫度數(shù)值。

3.3 LCD12864軟件設(shè)計

LCD12864顯示程序流程為：先對LCD初始化，清除顯示RAM區(qū)，接著處理單片機(jī)的命令，再置顯示初值，指針指向第一，顯示預(yù)設(shè)的水溫、水位和時間等數(shù)字在顯示屏上。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)是一個可用于控制太陽能熱水器的智能控制系統(tǒng)，能夠進(jìn)行水位、水溫的檢測和顯示，能夠?qū)r間進(jìn)行設(shè)定、對水位進(jìn)行控制，能較好地對太陽能熱水器進(jìn)行智能控制。

系統(tǒng)以PIC16F1826單片機(jī)為核心，有溫度檢測傳感器、水位檢測電路、上水控制、溫度顯示、水位顯示等模塊。其中，溫度顯示是通過溫度檢測傳感器DS18B20采集到的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機(jī)處理發(fā)送到LCD12864上實(shí)現(xiàn)的。鍵盤則是輸入時鐘時間和手動控制上水。水位顯示與上水控制是通過設(shè)置水位的探針來檢測不同的水位。水位低于最高水位，就會自動上水。當(dāng)上水到最高水位時，停止上水。

參考文獻(xiàn)：

[1] 丁奉龍，周海燕.手持噴霧水電解機(jī)的控制裝置設(shè)計[J].藝術(shù)科技，2019，32（08）：241+243.

[2] 劉剛，趙晨陽.便攜式電動滑板的創(chuàng)新設(shè)計[J].科技與創(chuàng)新，2017（01）：88.

[3] 姚單，張冠男，程似騏，何俊藝.針對上水問題的太陽能熱水器增壓系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[J].科協(xié)論壇（下），2012（01）：24-25.

[4] 應(yīng)進(jìn)平.太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制，2006（12）：1652-1653+1710.

[5] 吳磊，孟惠，周永軍，宋曉偉.一種機(jī)械式半自動太陽能熱水器上水裝置[J].太陽能，2018（03）：62-64+69.

[6] 嚴(yán)冬，趙玉榮，陳潤，金建，馬敏.基于單片機(jī)的太陽能熱水器自動上水系統(tǒng)設(shè)計[J].電腦知識與技術(shù)，2017，13（32）：255-256.

作者簡介：陳蘇杭（1997—），男，研究生在讀，主要從事機(jī)電一體化、嵌入式系統(tǒng)方向的研究。

通訊作者：陸榮鑑（1964—），男，研究生，講師，主要從事機(jī)電一體化、工業(yè)控制系統(tǒng)方向的研究。