饒鉆萬

福建師范大學(xué)福清分校 福州 350300

一種新型太陽能熱水器控制電路的設(shè)計

饒鉆萬

福建師范大學(xué)福清分校 福州 350300

隨著人們生活水平的提高，各種熱水器的使用已相當(dāng)普及。與之相配套的控制儀也相繼問世。然而，目前市場上的各種熱水器控制電路還與理想要求相差甚遠(yuǎn)。消費者需要真正的“自動”控制，以實現(xiàn)使用的最簡單化。就像家用電視機、電冰箱一樣，接通電源、設(shè)定完畢就不用再操心了。太陽能熱水器作為三大熱水器之一，因其無污染、使用方便、長期投入成本低等特點，而越來越受到人們的青睞，但與之配套的控制器卻還一直處于研究和開發(fā)階段，為解決水溫水位的自動控制問題，本電路專門設(shè)計水溫的實時監(jiān)測，并在設(shè)計中將水位多級化，實現(xiàn)更精確的測量。本次設(shè)計運用AT89C52單片機，設(shè)計一種自動控制電路，該電路用于太陽能熱水器。當(dāng)使用熱水器時，可以自動進(jìn)行溫度檢測和液位檢測，使太陽能自動補水或排水，真正做到最簡單化。并且該電路易于擴展，可實現(xiàn)多點的溫度檢測，或者更多點的液位檢測。文章詳細(xì)介紹基于單片機的太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)組成、硬件設(shè)計。

單片機；自動控制；太陽能熱水器；溫度檢測

Author’s addressFujian Normal University in Fuqing, Fuzhou, China 350300

在全球能源形勢緊張、氣候變暖嚴(yán)重威脅經(jīng)濟發(fā)展和人們生活健康的今天，世界各國都在尋求新的能源替代戰(zhàn)略，以求得可持續(xù)發(fā)展和在日后的發(fā)展中獲取優(yōu)勢地位。太陽能以其清潔、源源不斷、安全等顯著優(yōu)勢，成為關(guān)注重點。在太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展中，太陽能熱水器的熱利用轉(zhuǎn)換技術(shù)無疑是最為成熟的，其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程也較光伏電池、太陽能發(fā)電等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)先一步。

太陽能熱水器已成為我國第一個實現(xiàn)商業(yè)化的可再生能源產(chǎn)業(yè)。自1998年起，中國就成為太陽能熱水器第一大制造和消費的市場，現(xiàn)已經(jīng)發(fā)展成為一個重要的產(chǎn)業(yè)。目前，太陽能熱水器與電、燃?xì)鉄崴魅譄崴魇袌觥?007年，我國太陽能熱水器年產(chǎn)量達(dá)2 340萬平方米，比2006年同期增長30%；總保有量達(dá)10 800萬平方米，比2006年同期增長20%；市場銷售額約為320億元人民幣。

目前，太陽能熱水器控制系統(tǒng)一直處在研究與開發(fā)階段。市面上絕大多數(shù)的控制器結(jié)構(gòu)簡單，功能單一，智能化程度低下，用戶界面不人性化，只具有液位顯示功能，不具有溫度顯示功能。并且當(dāng)水位加到一定程度時也沒有什么措施，只能通過手動的方法來控制水位的高度。根據(jù)以上情況，開發(fā)出一種太陽能熱水器智能控制系統(tǒng)，解決目前市面上太陽能熱水器控制系統(tǒng)存在的問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計原理

太陽能熱水器自動控制電路采用AT89S52單片機作為控制核心，外圍加蜂鳴器控制電路、數(shù)碼顯示電路、水位檢測電路、電機控制電路、按鍵電路、溫度檢測電路等。數(shù)碼管實時切換顯示當(dāng)前溫度與當(dāng)前液位。當(dāng)液位過高時，蜂鳴器報警，并且電機反轉(zhuǎn)進(jìn)入排水過程；當(dāng)液位過低時，蜂鳴器報警，并且電機正轉(zhuǎn)進(jìn)入進(jìn)水過程。本系統(tǒng)設(shè)計簡單，成本低，性能優(yōu)良，具有一定的穩(wěn)定性和實用性。

1.2 基本原理框圖

1）太陽能熱水器控制裝置主要組成。由單片機、顯示電路、按鍵電路、蜂鳴器電路、電機電路、液位檢測電路、溫度檢測電路、電源電路組成，如圖1所示。

圖1 原理框圖

2）太陽能熱水器控制裝置的工作原理。接通電源后，顯示當(dāng)前水位，水位被分為16個點。并且顯示當(dāng)前溫度。液位顯示與溫度的顯示切換進(jìn)行。當(dāng)水位顯示低于或等于1時，蜂鳴器報警，并且電機正轉(zhuǎn)，表示進(jìn)水；當(dāng)水位顯示高于或等于15時，蜂鳴器報警，并且電機反轉(zhuǎn)，表示排水。液位檢測利用CD4051電路實現(xiàn)。

1.3 各部分電路原理

1）最小系統(tǒng)。太陽能熱水器控制電路數(shù)控部分采用AT89S52單片機作為控制核心。AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8 k在系統(tǒng)可編程Flash存儲器[1-2]。AT89S52具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8 k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O口，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，3個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0 Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，單片機停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。8位微控制器8 k字節(jié)為在系統(tǒng)可編程Flash。

圖2 最小系統(tǒng)

圖3 顯示電路

所謂最小系統(tǒng)就是指由單片機和一些基本的外圍電路所組成的一個可以工作的單片機系統(tǒng)。一般來說，它包括單片機、晶振電路和復(fù)位電路[3]。①晶振電路：AT89S52片內(nèi)有一個由高增益反相放大器構(gòu)成的振蕩電路。XTAL1和XTAL2分別為振蕩電路的輸入輸出端。其振蕩電路有2種組成方式：片內(nèi)振蕩器和片外振蕩器。②復(fù)位電路：在RST輸入端出現(xiàn)高電平時實現(xiàn)復(fù)位和初始化。

最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

2）顯示電路。由6個數(shù)碼管和6個74LS164組成，采用串行靜態(tài)顯示的方法。將數(shù)碼管的8個輸入端與74LS164的輸出端Q0～Q7相連。P1.0和74LS164的CLK連接，作為時鐘；P1.4接74LS164的A端，作為顯示數(shù)據(jù)的輸入端[4-6]。顯示電路如圖3所示。

但是使用74LS164串顯會出現(xiàn)消隱的問題。為了消除消隱，必須硬件與軟件結(jié)合來消除消隱的問題。消隱電路如圖4所示。軟件上，在傳數(shù)據(jù)時，先傳一個高電平，直到數(shù)據(jù)傳完再傳送一個低電平即可。

圖4 消隱電路

3）蜂鳴器電路。以Q51的基極作為蜂鳴器控制信號的輸入端與單片機I/O口相連，主要由蜂鳴器、9013與9014兩個三極管及5.1 k偏置電阻組成。當(dāng)輸入端為高電平時，Q51導(dǎo)通，Q52截止，蜂鳴器回路開路，蜂鳴器不響；當(dāng)輸入端為低電平時，Q51截止，Q52導(dǎo)通，蜂鳴器回路閉合，蜂鳴器發(fā)出響聲。蜂鳴器電路如圖5所示。

圖5 蜂鳴器電路

4）電機電路?？刂菩盘枏腎N端輸入并經(jīng)前級緩沖后送入片內(nèi)控制器，然后由控制部分處理并驅(qū)動晶體管，最后由OUT端輸出方波信號以控制電機的運行。觸發(fā)使能端口（CE）的作用是分別對兩個通道的輸出進(jìn)行控制，當(dāng)CE端為低電平時，無論有無輸入控制信號，輸出端OUT始終呈高阻抗?fàn)顟B(tài)。因此，要使FAN8200控制器輸出工作正常，器件的觸發(fā)使能端必須為高電平。當(dāng)CE為高電平，IN1為1時，電機正轉(zhuǎn)；IN1為0時電機反轉(zhuǎn)。電機電路如圖6所示。

圖6 電機電路

圖7 液位檢測電路

5）液位檢測電路。液位檢測控制電路，由2片CD4051與1片CD4066構(gòu)成，但是考慮到成本，并且所設(shè)計的電路I/O口使用并不是太多，所以可以將CD4066省略，僅僅用2片CD4051即可實現(xiàn)功能。該芯片由DTL/TTL-COMS電平轉(zhuǎn)換器，帶有禁止端的8選1譯碼器輸入，分別加上控制的8個COMS模擬開關(guān)TG組成[7]。

例如，當(dāng)檢測到液位在端點4位置時，0、1、2、3、4點被沒過，與公共端之間形成水電阻，由于水電阻阻值非常小，所以這幾點的電平被拉低。此時可以確定在ABC點讀到的數(shù)為“100”，就可以通過單片機計算得出液位的高度。液位檢測電路如圖7所示。

6）溫度檢測電路。DS18B20數(shù)字溫度傳感器溫度測量范圍為-55～+125℃，可編程為9～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達(dá)0.062 5 ℃，多個DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上，單片機只需一根端口線就能與多個DS18B20通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。以上特點使DS18B20非常適用于遠(yuǎn)距離多點溫度檢測系統(tǒng)[8]。溫度檢測電路如圖8所示。

圖8 溫度檢測電路

2 軟件設(shè)計

2.1 軟件分析

太陽能熱水器控制電路設(shè)計的軟件部分由主程序、檢測溫度子程序、壓縮16進(jìn)制數(shù)變成壓縮10進(jìn)制數(shù)子程序、壓縮10進(jìn)制數(shù)變成非壓縮10進(jìn)制數(shù)子程序、代碼變段碼子程序、顯示子程序、液位檢測子程序以及延時子程序組成。在編程中，用C語言編寫程序有利于實現(xiàn)較復(fù)雜的算法，但是匯編語言程序則具有較高的效率且容易精細(xì)計算程序運行的時間。不論是什么語言，始終是要被電腦轉(zhuǎn)換成機器語言執(zhí)行的[9-10]。所以，此次設(shè)計中，編程采用的是匯編語言。

圖9

2.2 軟件流程圖（圖9）

3 結(jié)束語

本產(chǎn)品可靠性高、成本較低、制作簡單、體積小、重量輕、消耗小、易于系統(tǒng)設(shè)計、操作方便，只要上電，便可自動控制，實用性強，不容易損壞；適應(yīng)性廣，不但適用太陽能熱水器，還可以應(yīng)用于各種需要控制抽水的地方，如自來水儲水箱。但是由于其功能還有所局限，所以仍有需要改進(jìn)的地方。

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Design of A New Type of Solar Energy Water Heater

//Rao Zuanwan

With the socio-economic development, modern agricultural production can not be separated from environmental control, this article in the greenhouse at home and abroad to conduct in-depth analysis of intelligent control based on the existence of intelligent control for greenhouse many factors, the intelligent sensor monitoring and single-chip control by combining single-chip based on the temperature detection system design. The system uses a hierarchical, modular design, the entire system by the data acquisition system, single-chip control system, computer monitoring system. System to single-chip microcomputer as the core to a number of temperature and humidity sensor as a measurement component, through the single-chip smart sensor and connected to the storage collection of intelligent sensor measurement data. In single-chip system, but also the realization of the extended stored procedures, data, real-time display, alarm and data overrun voice auxiliary storage. Single-chip computer as a monitor connected with the center of intelligent sensors.

single-chip microcomputer; autocontroller; solar energy water heater; temperature measurement

TK515

B

1671-489X(2011)12-0091-04

10.3969/j.issn.1671-489X.2011.12.091