吳 延，肖 波，韓 濤， 詹習生

(1. 廣東省嶺南工商第一技師學院，廣東 廣州 510800；2. 湖北師范大學 電氣工程與自動化學院，湖北 黃石 435002)

0 引言

當前，我國社會經(jīng)濟高速發(fā)展，人們生活質(zhì)量不斷提高，對更便捷的生活方式的渴望也越來越大。在政府政策的大力支持下，我國太陽能熱水器行業(yè)得到高速的發(fā)展；這是太陽能熱水器行業(yè)的一個機遇，同時也是一個挑戰(zhàn)。當今市面上的熱水器以太陽能熱水器和電熱水器為主，在使用過程中存在功能按鈕使用繁雜且待機電能損耗的情況。如果不進行模式切換，不僅會造成電能的浪費，還易引起漏電等現(xiàn)象，給用戶帶來一定程度上的洗浴風險。

在熱電智能控制方面目前國內(nèi)外尚有很大的空缺，且暫無較為人性化的設計。為了讓用戶能享受舒適的智能洗浴環(huán)境，同時保障用戶的洗浴安全，我們希望設計一個自動切換太陽能和熱水器的裝置[1]，給人們?nèi)粘Ｉ顜肀憷瑢崿F(xiàn)全自動化洗浴服務。

本設計基于工業(yè)單片機，根據(jù)太陽能熱水器的水位、水溫、設定溫度等參數(shù)進行智能閉環(huán)控制[2]，結合無耗能電子開關技術、無線控制技術、太陽能和電能混合控制技術、大數(shù)據(jù)預判等技術，提供多種控制模式[3]，功能多樣，價格適中，可取代傳統(tǒng)復雜且安全性低的機械調(diào)節(jié)按鈕，實現(xiàn)太陽能與電熱水器的自動切換功能。利用傳感器反饋以及用戶洗浴習慣記錄精準地控制洗浴的質(zhì)量與舒適程度，準確、性價比高，擁有廣闊的市場和極大的社會需求。

1 總體設計方案

論文擬對基于智能家居的無線熱電中央控制系統(tǒng)進行研究，結合自動化控制的電路可控制太陽能和熱水器的電磁閥；根據(jù)水位、水溫自動切換開關，保證熱水的供應[4]。中央控制系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：工業(yè)單片機、水體溫度傳感器、水體位置傳感器、環(huán)境溫度傳感器、邏輯控制電路、變壓穩(wěn)壓電路、無線通信組件和報警提示電路。

方案對水溫可做到準確控制，節(jié)能、高效。采用溫度反饋控制對比調(diào)節(jié)，結合燃氣熱水器火控加熱管原理，可源源不斷輸出熱水，從而取代只能對有限量的水進行加熱后再對外輸出的傳統(tǒng)電熱水器，實現(xiàn)智能控制，適用性強。中央控制系統(tǒng)總體設計方案如圖1所示。

2 硬件設計

方案的硬件系統(tǒng)主要可分為核心處理器電路、電源電路、無耗能電子開關電路以及外圍輔助電路。

2.1 核心處理器電路設計

核心處理器電路是系統(tǒng)設計的核心部分，它在銜接各傳感器和處理信息中起著主導作用。核心處理器采用Low-voltage MCU；運用智能大數(shù)據(jù)控制法、PID算法，根據(jù)傳感器檢測模塊檢測到的各種數(shù)據(jù)進行相應處理。通過比較檢測數(shù)據(jù)與用戶設定數(shù)據(jù)，結合長期以來用戶使用數(shù)據(jù)的綜合平均值進行智能調(diào)節(jié)與智能控制對單片機的選擇是很重要的?？紤]整個系統(tǒng)的成本能量損耗和性能，MCU需滿足小體積、低廉的價格、更低的功耗但需具備較快的處理速度及A/D采集功能。最終本系統(tǒng)設計為可兼容多款單片機[5]，如圖2所示：

圖2 核心處理器電路圖

2.2 電源電路設計

電源電路采用的是AC-DC低壓開關直流電源為系統(tǒng)進行供電，用電器在工作時由24V電源輸入給系統(tǒng)以及外置模塊進行供電[6]。系統(tǒng)由穩(wěn)壓濾波電路共同組成，可提供1.2V、3.3V、5V、24V電壓提供給不同的用電器件。

具體電源模塊電路：利用AC-DC提供直流穩(wěn)壓電源的電源硬件電路，以及多個穩(wěn)壓電路。其中1.2V電壓，用于為光電耦合器提供工作電壓；3.3V電壓，用于MCU；5V電壓，用于為水溫傳感器、水位傳感器、報警提示電路、電子開關管提供電壓；12V和24V電壓，直接取用AC-DC開關電路電壓，用于為加熱設備提供電壓；傳感器模塊電路、觸發(fā)—檢測—通信—報警提示等電路均與MCU連接[7]。其中DC-5.0V供電部分如圖3所示：

圖3 5V供電電路圖

2.3 引入無耗能電子開關技術設計

首次結合物創(chuàng)光電孵化器的無耗能電子開關技術于系統(tǒng)中，其組成如下：整個系統(tǒng)具有電源插頭和供電電路，在供電電路上裝有雙向晶閘管和開關電源，且設有太陽能電池板、超級電容、單片機、觸發(fā)按鍵以及門極觸發(fā)電路；超級電容設計于太陽能電池板并聯(lián)電路中，單片機向并聯(lián)電路索取所需能源；按鍵開關連接單片機，單片機驅(qū)動連接門極觸發(fā)電路，當雙向晶閘管接收到門極觸發(fā)電路的信號后即可控制雙向晶閘管是否導通；雙向晶閘管到負載之間的供電電路上接有開關電源的輸入端，儲能裝置接于開關電源的輸出端。其結構如圖4所示：

圖4 無耗能電子開關電路框圖

2.4 外圍輔助電路設計

觸發(fā)電路：觸發(fā)電路主要包含四個光電耦合器以及四個驅(qū)動三級管。驅(qū)動三級管采用的是常見采用低電平導通的PNP型9012三級管。采用單路雙向可控的C817光電耦合驅(qū)動器，封裝類型為4引腳DIL，正向最大電壓值為1.5V～2.5V，在整個系統(tǒng)中對低壓和高壓電路起到隔離作用[8]。

開關管電路：開關管可根據(jù)用戶需求選用場效應管或晶閘管等大電流電子開關管，不僅無需傳統(tǒng)式機械開關，且僅由獨立觸發(fā)電路組成。這是電子領域中理想的直流式電子開關器件，不僅有更低的能耗、體積和噪音，還簡單可靠。

無線通訊電路：采用V3.0規(guī)范及SPP藍牙串口協(xié)議并具有UART接口的BT08B無線藍牙通信組件，用戶可通過手機APP對智能無線熱電中央控制系統(tǒng)進行遠程無線干預，其包括定時開啟，定時關閉，熱水預熱，檢測系統(tǒng)開啟等一系列功能。

報警提示電路：采用采樣電阻、限位微觸開關，結合蜂鳴器、多色LED光電二極管組合成報警提示電路，智能檢測用電器工作狀態(tài)，保障用戶洗浴安全。

按鍵電路：采用常開輕觸按鍵組合成功能模式鍵盤，用戶可通過按鍵對中央控制系統(tǒng)的參數(shù)進行設定。采用直插式5*5微觸按鍵開關作為按鍵面板主要器件，開關采用陰極并聯(lián)接法，單片機IO口由R24-R28上拉電阻提供默認5V高電平。

顯示電路：采用LCD1602液晶顯示屏作為主顯示器，采用NMOS控制LED使能端口BLGND的通斷。通過主控可選擇工作、休眠狀態(tài)，在待機時關斷其輸出，節(jié)能環(huán)保。

3 軟件設計

系統(tǒng)啟動前，用戶對水溫、水量、使用時間點參數(shù)進行設置。當系統(tǒng)啟動后，單片機內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換將熱電偶的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，將數(shù)值與系統(tǒng)中的設定數(shù)值相比較后，結合使用環(huán)境溫度以及以往洗浴數(shù)據(jù)進行智能閉環(huán)自動控制加熱器的通斷；使用數(shù)字溫度傳感器時[9]，采用總線讀取的方式對數(shù)值進行采樣，若各項實時數(shù)據(jù)未達到設定值時，系統(tǒng)將發(fā)出信號讓外圍設備進行自動調(diào)整直至符合要求。系統(tǒng)具體工作如下：

1)智能檢測自動上水。通過傳感器來對水箱水量和水溫進行實時監(jiān)測，當檢測到水溫長期處于沸點且水量少時，傳感器把信號傳輸給控制器，驅(qū)動太陽能自動上水，防止空曬爆炸。

2)熱水不斷功能。傳感器在監(jiān)測到一段時間內(nèi)水位下降迅速，則會在另一處燒熱水，然后自動切換開關，將熱水源源不斷地流進熱水器，用戶洗浴更舒適。

3)自動換水功能。在夏季晴天時真空管太陽能式熱水器效率高，長時間無人使用時兩天內(nèi)水溫可高達100℃，水箱內(nèi)的密封圈及聚氨酯會因長時間的高溫、高壓而加速老化、萎縮，而排氣阻塞、結水垢均會縮短水箱的壽命[10]。通過傳感器監(jiān)測，在兩天以上未使用時，將自動放出熱水器里的水，重新上水。

4)控制上水量

系統(tǒng)主程序流程圖如圖5所示：

圖5 主程序流程圖

基于智能家居的無線熱電中央控制系統(tǒng)結合傳感器控制上水量。若為天晴，可把水上滿；若為多云或陰天，則上半箱水；有雨，保留原有的水不上冷水。夜晚洗浴完畢后若仍有過半70℃以上的熱水處于水箱中，水量越少，熱散失越快，因此結合傳感器反饋數(shù)據(jù)可有效防止熱散失過大。

無線控制技術包括：采用無線藍牙通信組件，通過手機APP對智能無線熱電中央控制系統(tǒng)進行遠程無線干預，包括定時開啟，定時關閉，熱水預熱，檢測系統(tǒng)開啟。

系統(tǒng)提供4類型工作模式：按鍵、藍牙、定時及混合模式，四種模式均通過面板上提供的按鍵進行選擇。面板按鍵采用一鍵多功能的形式實現(xiàn)模式、參數(shù)的調(diào)節(jié)[11]。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)內(nèi)置4種工作模式，可根據(jù)用戶隨機切換：鍵盤控制模式、定時開啟/定時關閉模式、藍牙無線操控運轉(zhuǎn)模式、混合控制模式。以藍牙無線操控運轉(zhuǎn)模式為例，其調(diào)試步驟如下：

首先開啟電源，系統(tǒng)初始化后進入主界面，由專用軟件連接系統(tǒng)藍牙；然后點擊APP上的藍牙模式選項按鈕，隨后便可設置定時、水溫等按鍵對系統(tǒng)進行遠程操作；其次設定完畢后點擊開始/停止按鈕，系統(tǒng)便開始自主運行；最后等待用戶使用洗浴設備。實物調(diào)試完成如圖6所示。

圖6 藍牙模式實物調(diào)試圖

5 結語

設計結合了太陽能熱水器以及電熱水器的綜合應用，首次將半導體制熱技術集成于加熱系統(tǒng)中，安全性、可靠性將大大增加。其內(nèi)部集成溫度控制，可實現(xiàn)恒溫，恒壓不間斷輸出；結合水位檢測，可自動增補水箱中的熱水，并恒溫保溫。本設計可提供無線控制(遠程定時開啟與關閉)，用戶可在任意地方，例如臥室，廚房等，通過手機對系統(tǒng)進行預定，按鍵操作界面簡單、易懂。節(jié)能減排；融合物聯(lián)網(wǎng)技術通過APP遠程控制，可實現(xiàn)人機交互，智能便捷。IP68級防水，將復雜的控制電路集結于一體，精美小巧；低壓直流電供電，半導體制熱技術杜絕與水體接觸，更高效，更安全。