胡錦桐

摘要：人們生活水平的提升以及能源節(jié)約意識越來越強，人們對于節(jié)能環(huán)保型產(chǎn)品的需求越來越大，相應的，人們對太陽能熱水器這類型人們?nèi)粘Ｉ钪械漠a(chǎn)品性能要求越發(fā)嚴格。當前，我國在太陽能熱水器的控制系統(tǒng)上仍存在著一定的落后性，影響了人們的使用。開發(fā)一款高效便捷、使用方便的太陽能熱水器智能控制器成為當前急需解決的問題。基于此，本文以單片機為核心，為太陽能控制器增添了按鍵設置、顯示功能、報警功能等，了實現(xiàn)了加熱、上水等功能的自動化，實現(xiàn)了太陽能熱水器的職能控制。

關鍵詞：太陽能熱水器；智能控制器；單片機

前言

太陽能，是指太陽熱輻射能，是一種可再生能源，目前，太陽能的廣泛應用，已經(jīng)成為人類應用能源中的重要組成部分。太陽能強度隨著天氣變化與季節(jié)變化而變化，因此，太陽能熱水器需要添加輔助加熱裝置才能夠保障人們?nèi)暧玫綗崴．斍埃袌錾洗蠖喈a(chǎn)品的電輔助加熱方式多是采用開關控制或PID控制，然而，由于太陽能本身變化的復雜性，太陽能熱水器的集熱與輔助加熱過程難以精確利用數(shù)字模型表達，傳統(tǒng)的控制方式已經(jīng)難以達到客戶滿意效果，對此，智能型控制器已經(jīng)成為太陽能控制器發(fā)展的必然趨勢。

1.智能控制器的系統(tǒng)硬件設計

1.1設計任務

本次設計主要以應用較為廣泛的89C51單片機作為智能控制器的核心，溫度傳感器中的溫度信號、檢測傳感器中的水位信號通過單片機處理后，會直接將信號傳輸至液晶顯示屏中，顯示當前太陽能熱水器的水溫與水量，并且，當太陽能熱水器溫度不足需要加熱，或者水位不足需要供水，則控制器驅(qū)動熱水器上的輔助加熱裝置進入工作狀態(tài)，自動實現(xiàn)溫度的控制與水量的加載。同時，智能控制器還需要具備實現(xiàn)低溫、高溫報警、水位底線、高限報警等功能。

1.2總體硬件結(jié)構(gòu)

依據(jù)上述設計任務以及智能控制系統(tǒng)需要實現(xiàn)幾種功能，筆者綜合考慮了各種功能、控制器的智能化以及成本問題，實際了控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖，具體如圖1所示。

在本次設計研究中，筆者選用了STC89C51單片機作為智能控制器的中央控制系統(tǒng)，選用了DS18B20溫度傳感器作為檢測水溫的主要裝置，以1602液晶顯示屏作為顯示溫度與水位量的儀器。當智能控制器進入工作狀態(tài)，太陽能熱水器的水溫信號與水位信號將會通過單片機處理顯示在顯示屏上。

1.3溫度傳感器的簡單介紹

在本次設計研究中，筆者選用了DS18B20型號的溫度傳感器，該傳感器由美國達拉斯公司研發(fā)，將采集到的溫度值以九位數(shù)形式顯示。該類型溫度傳感器主要通過總線接口對數(shù)據(jù)進行收發(fā)，并且，傳感器能夠通過數(shù)據(jù)線直接獲得工作所需電壓，不需要外部供電，提高了其的安全性。在DS18B20型號溫度傳感器運行時，大多直接與單片機I/O口相連接。

1.4水位檢測電路設計

在本次設計中，筆者將儲水箱進行了三等分，水底設有公共電極，相應裝置能夠通過水位深度的不同以及電極電勢差判斷儲水箱水深。其具體原理如下：首先，單片機輪流向不同水位的電極輸送高電平；其次，公共電極實現(xiàn)不同水位的電位轉(zhuǎn)換，若水位達到對應電極，輸出低電平，若沒有達到，則輸入高電平；最后，相應裝置循環(huán)檢測電壓值，每次會得到4個串行數(shù)據(jù)，相關裝置通過對數(shù)據(jù)的分析來判定水位，并將具體數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上，水位檢測過程就此完成。

1.5繼電器電路與原理

在該系統(tǒng)設計中，筆者選用了的繼電器裝置為電磁繼電器。通過上文可知，當太陽能熱水器水溫過低時，智能控制器將會發(fā)出加熱命令，加熱裝置自動開啟。當熱水器儲水箱水位過低時，想要實現(xiàn)供水自動化，需要利用水位與也為信號的控制開關，即為利用繼電器控制開關，使其自動開啟供水模式。繼電器控制的工作原理具體如下：當繼電器線圈通電時，因繼電器具備電磁感應，鐵芯產(chǎn)生了磁性，對開關彈片產(chǎn)生吸附力，開關自動開啟，外部電路導通。電磁繼電器控制電路的主要原理如下：當開關需要閉合時，單片機將會輸出一個電平信號，發(fā)光二極管導通，之后，三極管導通，繼電器線圈獲得通電，驅(qū)動繼電器運行，后繼電器閉合，電路暢通。

1.6液晶顯示屏模塊選型與簡單介紹

本系統(tǒng)主要采用了LCD1602液晶顯示屏。該種型號的液晶顯示屏能夠同時顯示16×2個字符，模塊內(nèi)部主要存儲了阿拉伯數(shù)字0～9，二十六個英文字母的大小寫等。在模塊進入工作狀態(tài)時，只需要將顯示的字符對應地址中的點陣圖形顯示出來，我們就能夠在顯示屏中看到溫度、水位等相關系數(shù)。另外，因為1602顯示屏識別指代的是計算機系統(tǒng)中的ASCII碼，在顯示屏模塊工作時，可用ASCII碼直接賦值。1602液晶顯示屏內(nèi)部驅(qū)動模塊多會提供八位或者思維數(shù)據(jù)總線連接方式，模塊外部具有一些電源接口以及控制信號的接口。

2.太陽能熱水器智能控制器的系統(tǒng)軟件設計

2.1軟件設計任務

在系統(tǒng)智能化的軟件設計中，系統(tǒng)上電將自動完成初始化設置，使得智能控制器連接的各個傳感器以及控制電路完成準備工作。初始化結(jié)束，程序開始測量熱水器當前水溫與水位，并將測試結(jié)構(gòu)顯示在液晶屏上，便于用戶查看與使用。當顯示屏上水溫低于下限值時，控制器將自動閉合開關，加熱繼電器正式工作，提高水溫，當水溫上升至規(guī)定指，則加熱裝置自動閉合開關，切斷電源。同時，在本系統(tǒng)設計中，筆者為其設計了三個水位檔，水位檢測裝置將會根據(jù)水位的高度判斷當前水位，并以指示燈的形式告知用戶熱水器當前水位。當水位低于最低限值，則控制器將控制水繼電器閉合開關，相應裝置自動供水，當水位達到儲水裝置最高水位線，切斷繼電器快關。在本系統(tǒng)設計研究中，實現(xiàn)了水溫與水位的自動調(diào)節(jié)，提高了熱水器的智能化，便利了人們的日常應用。

2.2溫度采集設計流程

DS18B20溫度采集程序流程主要是根據(jù)其通信協(xié)議制定。在單片機這一核心控制器控制DS18B20時，首先，單片機應對其完成初始化，完成各寄存器的初始設置；其次，啟動溫度轉(zhuǎn)換功能，等待相應設置獲取溫度；在獲取溫度具體數(shù)值后，相關設置將會讀取數(shù)據(jù)寄存器，獲取其中的高字節(jié)數(shù)據(jù)DH，以及低字節(jié)數(shù)據(jù)DL。最后，智控制器連接的相應模塊對其進行二進制計算，得出真正的溫度值后，由顯示屏顯示。endprint

溫度采集函數(shù)的關鍵程序代碼如下：

2.3水位檢測流程

在本系統(tǒng)中，儲水裝置的三根水位線被水淹沒的具體情況是水位檢測流程的主要依據(jù)。在水位檢測中，控制器利用三個指示燈代表三個水位線，通過指示燈的變化告知用戶熱水器的大概數(shù)位。

2.4系統(tǒng)測試

通過上述文章對系統(tǒng)軟硬件的設計研究，太陽能熱水器的智能控制器已經(jīng)基本完成，為保障智能控制器的效用，筆者對其進行實際測試。首先，水溫顯示的測試。本系統(tǒng)水溫主要是通過溫度傳感器進行測量，并在顯示屏上顯示，溫度測量范圍在0～90℃之間。在實際測試中，筆者對熱水器水溫進行幾次檢測，檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水溫檢測裝置在本系統(tǒng)中響應快速、測量準確，且溫度至能夠準確的顯示在顯示屏上。其次，水位顯示的測試。在水位實際測量中，筆者通過多次輸水放水對水位顯示進行測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當水位高于低水位線，紅燈亮起；當水位在低于高水位線，高于中水位線時，黃燈亮起；當水位在高水位線之上時，綠燈亮起。經(jīng)過測量，該次智能控制器設計研究效用完好，可直接使用于太陽能熱水器上。

3、太陽能熱水器智能控制器

在本次設計中，筆者為太陽能熱水器設有兩大系統(tǒng)：晴朗天氣，利用太陽能加熱；陰雨天氣與夜間利用電能加熱。太陽能熱水器主要包含有排氣管、保溫箱、溢流管、上下水管、真空集熱管、支撐架、保溫水管、淋浴以及智能控制器構(gòu)成，文章主要介紹的是智能控制器的設計。實際上，智能控制器是電子電器產(chǎn)品，利用電力啟動，主要用于太陽能淋浴器缺乏太陽能源時的供電，缺水時的自動供應等，不僅便利了人們的應用，更推動了太陽能熱水器的進一步發(fā)展與應用。在硬件各個模塊與軟件系統(tǒng)設計完成后，各個電子系統(tǒng)或模塊真正構(gòu)建成電壓采集器、溫度檢測傳感器、充放電控制器、水位檢測儀器、顯示屏等，最終，由上述設備構(gòu)建成完整的智能控制器，試驗證明，智能控制器反映良好，本次硬件模塊與線路設計，軟件系統(tǒng)設計以及最后安裝測試，最終得出的產(chǎn)品效果良好。

3.總結(jié)

本文主要講述了太陽能熱水器的智能控制器設計研究過程，以此改變傳統(tǒng)控制器中無法實現(xiàn)智能控制的缺點，便于用戶的查看與應用。文章通過智能控制器的系統(tǒng)硬件。在本次設計中，智能控制系統(tǒng)實現(xiàn)了自動上水、自動加熱等功能，便利了人們的應用。

參考文獻：

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