沈陽師范大學(xué)軟件學(xué)院 陳永健 王 晨

單片機(jī)在太陽能熱水器輔助電加熱溫度控制器的應(yīng)用與研究

沈陽師范大學(xué)軟件學(xué)院 陳永健 王 晨

隨著單片機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，已經(jīng)在智能家居、工業(yè)控制、視頻監(jiān)控、電子安防等領(lǐng)域得到廣泛普及和使用。太陽能熱水器是單片機(jī)應(yīng)用的一個重要方向，其可以利用單片機(jī)的可編程性、高可靠性、高效率性等提升熱水器的自動控制水平。論文詳細(xì)地分析了AT89C51單片機(jī)在太陽能熱水器控制運(yùn)行中的應(yīng)用情況，重點(diǎn)設(shè)計了溫度控制器的設(shè)計流程和實(shí)現(xiàn)內(nèi)容，提升太陽能熱水器溫度控制的成效。

單片機(jī)；AT89C51；溫度控制器；DS18B20

1.引言

太陽能熱水器是清潔能源發(fā)展的重要產(chǎn)品，其具有綠色環(huán)保、使用簡單等特點(diǎn)，已經(jīng)在人們的工作、生活和學(xué)習(xí)中提供了大量的熱水資源。它在運(yùn)行中，輔助電加熱溫度控制器是最重要的一個部件，影響太陽能熱水器使用的便捷性和壽命。輔助電加熱溫度控制器經(jīng)過多年的研究，誕生了很多的設(shè)計方法，比如微程序控制技術(shù)、PLC技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)等，單片機(jī)技術(shù)已經(jīng)成為輔助電加熱溫度控制器設(shè)計的主流技術(shù)，能夠利用數(shù)字電路精準(zhǔn)控制溫度，提升單片機(jī)溫度控制的有效性，確保太陽能熱水器正常運(yùn)行。

2.單片機(jī)工作原理及過程

太陽能熱水器的控制器主要功能是水位控制、溫度控制、時間控制功能，能夠設(shè)定熱水器的水位和水溫。比如當(dāng)水溫達(dá)到60℃時，自動停止加熱；當(dāng)水溫低于25℃時，可以啟動溫度控制器加熱，必要時還可以提升上水和停水。太陽能熱水器控制器以AT89C51單片機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計，AT89C51是一個集成了Flash閃存的8位CMOS微處理器，其閃存大小為4KB，擁有32個I/O輸入輸出接口，一個5向量的兩級中斷結(jié)構(gòu)，擁有128B的隨機(jī)訪問存儲器，可以實(shí)現(xiàn)全雙工串行通信模式，單片機(jī)內(nèi)部具有時鐘電路和振蕩器，并且支持節(jié)電工作模式，控制器不工作時CPU不需要運(yùn)行，定時器、計數(shù)器、終端系統(tǒng)和串行通信接口繼續(xù)工作。AT89C51單片機(jī)內(nèi)部詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　AT89C51單片機(jī)電路功能結(jié)構(gòu)圖

太陽能熱水器自動控制以AT89C51為基礎(chǔ)，其可以將單片機(jī)作為監(jiān)測和控制中心，其主要包括六個關(guān)鍵組成功能，分別是水位檢測及顯示功能模塊、主控芯片功能模塊、報警和電磁閥控制功能模塊、DS18B20 溫度檢測及顯示功能模塊、時鐘控制功能模塊、輔助電加熱模塊。太陽能熱水器輔助電加熱溫度控制采用由DS18B20芯片進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，主控芯片可以協(xié)調(diào)各個功能實(shí)現(xiàn)溫度整體控制，可以實(shí)現(xiàn)水溫的數(shù)字化檢測、顯示和調(diào)整，通過電磁閥控制功能可以實(shí)現(xiàn)自動化上水，同時利用輔助加熱功能實(shí)現(xiàn)自動化溫度控制，如果水溫過高還可以實(shí)現(xiàn)報警控制功能。

3.單片機(jī)在溫度控制器中的應(yīng)用

太陽能熱水器輔助電加熱溫度控制采用了先進(jìn)的單總線DS18B20芯片，其可以將檢測到的溫度信號進(jìn)行變換處理，轉(zhuǎn)換為脈沖信號之后，將其轉(zhuǎn)換為水溫高低相關(guān)的信號。DS18B20芯片是由美國DALLAS公司公司研發(fā)的一款溫度傳感器，其可以檢測的溫度范圍為-55℃～+125℃，能夠滿足輔助電加熱溫度設(shè)置范圍，并且對于當(dāng)前太陽能采用的熱敏電阻檢測和設(shè)置精確度更高，并且檢測出來的熱水器輔助電加熱溫度可以直接使用數(shù)字化模式進(jìn)行保存和顯示，只要傳感器發(fā)現(xiàn)單片機(jī)AT89C51發(fā)送的讀取信號，就可以將溫度信息從RAM中讀取數(shù)值內(nèi)容，將其通過接口發(fā)送至單片機(jī)。DS18B20芯片在太陽能輔助電加熱溫度控制過程中存在以下幾個方面的優(yōu)點(diǎn)：一是DS18B20芯片采用單總線架構(gòu)模式，只需要一個引腳就可以實(shí)現(xiàn)AT89C51單片機(jī)和DS18B20芯片之間的數(shù)據(jù)通信傳輸；DS18B20芯片擁有一個獨(dú)一無二的序列號，因此可以精確的識別DS18B20芯片，能夠?qū)⒍鄠€DS18B20芯片并聯(lián)到一條總線上；DS18B20芯片的分辨率是可以自由調(diào)整的；溫度控制覆蓋范圍大，從-55℃～+125℃，波動范圍達(dá)到了180℃。DS18B20芯片如圖2所示。

圖2　DS18B20芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

具體的設(shè)計過程中，DS18B20芯片的DQ端可以與AT89C51單片機(jī)的P3.7接口進(jìn)行連接和通信，可以采用數(shù)字化設(shè)置方式將溫度信息存儲在AT89C51單片機(jī)的RAM中，并且可以通過DQ引腳直接讀取單片機(jī)RAM中保存的溫度值信息。另外溫度讀取轉(zhuǎn)換可以顯示在LED數(shù)碼管上，LED數(shù)碼電子顯示管上的段選信號可以接收AT89C51單片機(jī)P0接口輸出的數(shù)據(jù)信息，并且可以使用AT89C51單片機(jī)的P2.6引腳和P2.7引腳輸出一個位選信號。具體的，DS18B20芯片實(shí)現(xiàn)的溫度控制模塊主要由芯片初始化功能、ROM命令搜索功能、檢測芯片是否存在、溫度傳感器檢測、溫度控制設(shè)置、溫度LED顯示等幾個關(guān)鍵步驟。

4.結(jié)束語

太陽能熱水器是清潔能源發(fā)展和應(yīng)用的重要方向，熱水器的輔助電加熱溫度控制對用戶使用、壽命延長具有較大的影響。太陽能熱水器輔助電加熱溫度控制采用單片機(jī)和傳感器集成模式，可利用現(xiàn)代化數(shù)字電子設(shè)計技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫度精確控制，具有直接快速、操作方便、使用靈活的特點(diǎn)，并且不再使用模數(shù)轉(zhuǎn)換，減少了溫度信息傳輸?shù)沫h(huán)節(jié)，也降低了輔助電加熱溫度數(shù)據(jù)出錯的的概率，保證太陽能熱水器安全可靠運(yùn)行。

［1］楊然，李宇.基于RS-485通信和單片機(jī)的太陽能光伏組件溫度采集監(jiān)測系統(tǒng)［J］.數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用，2012，21（2）：50-51.

指導(dǎo)老師：王晨。