論新型太陽能熱水器控制器系統(tǒng)的改進(jìn)與提高

戴仔龍

【摘要】針對目前家用太陽能熱水器控制器存在的自動(dòng)上水、溫度水位實(shí)時(shí)控制和空燒空曬等問題，本文提出了一種新型的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。采用新型單片機(jī)STC12C5A60S2以及高性能的DS18820溫度傳感器和分段式液位傳感器對水箱溫度和水位進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，結(jié)合DS1302實(shí)時(shí)時(shí)鐘從而實(shí)現(xiàn)水箱溫度和液位實(shí)時(shí)檢測、實(shí)時(shí)控制、實(shí)時(shí)顯示及空曬、越限報(bào)警等功能，本文給出了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)解決了早期控制器存在的自動(dòng)上水，溫度水位實(shí)時(shí)控制和空燒空曬等問題，具有良好的抗干擾性能。

【關(guān)鍵詞】溫度液位自動(dòng)控制；單片機(jī)；單總線溫度傳感器；實(shí)時(shí)時(shí)鐘

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

引言

目前市場上太陽能熱水器的控制器存在自動(dòng)上水誤控制、水箱溫度和水位只具有顯示功能而沒有控制功能。本文設(shè)計(jì)的太陽能熱水器控制系統(tǒng)以新型單片機(jī)STC12C5A60S2為控制核心，采用DSl302時(shí)鐘芯片作為系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘，不僅能顯示系統(tǒng)的北京時(shí)間，且為定時(shí)加熱和定時(shí)上水控制提供條件。由于陰天、夜晚等光照不充分時(shí)間，太陽能熱水器的使用效率低，通過電輔助加熱的預(yù)熱時(shí)間控制，解決熱水器24小時(shí)提供熱水的難題。實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該控制器與以往的控制儀表相比具有溫度、水位雙重精度控制，性價(jià)比高，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，推動(dòng)了太陽能熱水器進(jìn)一步的普及和推廣。

一、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)溫度、水位的精度控制，算法運(yùn)算量和中間處理的數(shù)據(jù)量較少，為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性采用單片機(jī)集成的AD模塊，本次系統(tǒng)采用STCI2C5A60S2已完全能夠滿足要求。系統(tǒng)原理如圖1所示。

（一）實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊接口電路設(shè)計(jì)

實(shí)時(shí)時(shí)鐘可以采用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器和外擴(kuò)時(shí)鐘芯片，由于本系統(tǒng)需要一個(gè)精確的時(shí)鐘為系統(tǒng)的控制提供一個(gè)基準(zhǔn)時(shí)間，而定時(shí)器提供的時(shí)間基準(zhǔn)精度低，很難實(shí)現(xiàn)加熱時(shí)間控制，故本系統(tǒng)采用美國DALLAS公司的時(shí)鐘芯片DS1302，通過突發(fā)模式連續(xù)讀出芯片內(nèi)部的時(shí)鐘與設(shè)定時(shí)間值比較，從而控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

（二）溫度采集接口電路設(shè)計(jì)

有多種方法實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)檢測與控制，常用的方法有熱電偶、紅外測溫儀、集成電路IC。熱電偶測溫的基本技術(shù)和主要性能指標(biāo)均依賴熱電偶，可實(shí)現(xiàn)較寬溫度范圍的精確測量，但連續(xù)測量能力低，不適合連續(xù)快速在線的測控；紅外測溫儀的特點(diǎn)是響應(yīng)速度快、使用安全壽命長，但測量精密度和連續(xù)跟隨性方面存在缺陷；考慮到高性能、低功耗、微型化、便于微控制系統(tǒng)應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)；故本系統(tǒng)選用美國DALLAS半導(dǎo)體公司推出的單總線溫度傳感器DS18820。

溫度信息通過單線接口DQ串行方式進(jìn)行讀取，減少了系統(tǒng)的接線和硬件接口開銷，尤其適合惡劣環(huán)境下水箱溫度的測量，溫度傳感器雖接線簡單，但對微控制器的讀寫時(shí)序有嚴(yán)格的要求，故需要相對復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，否則將無法讀取測溫結(jié)果。

（三）水位測量與顯示的分析設(shè)計(jì)

系統(tǒng)只有準(zhǔn)確的檢測出水位和溫度，才能通過軟件計(jì)算提前開始輔助加熱的預(yù)加熱時(shí)間。要實(shí)現(xiàn)輔助加熱的提前時(shí)間的精確計(jì)算，最好采用連續(xù)液位傳感器，但考慮成本和安裝，本設(shè)計(jì)采用分段式液位傳感器，在水位顯示上也采用分段顯示（共4段），I_O～I(xiàn)_3為最低水位到最高水位的傳感信號(hào)，通過電壓比較器的作用，對應(yīng)的4盞指示燈%25～%100指示水箱的當(dāng)前水位，STC單片機(jī)通過P1_4～P1_7采集水位信號(hào)，為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)階段水位控制算法提供條件。

（四）時(shí)鐘溫度顯示接口電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過按鍵K4對北京時(shí)間與當(dāng)前水溫顯示進(jìn)行切換；北京時(shí)間采用6位數(shù)碼管顯示時(shí)分秒信息，范圍為00：00：00～23：59：59；水溫采用3位數(shù)碼管顯示范圍為-9.5℃～99.5℃，數(shù)碼管的位顯控制由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)3/8譯碼器實(shí)現(xiàn)，而段碼控制由單片機(jī)的PO口控制；

（五）系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)采用220V交流電，經(jīng)變壓器將220V交流輸入轉(zhuǎn)換成17V和10V交流輸入，再經(jīng)整流、濾波以及7812和7805穩(wěn)壓，就可得到上水電磁閥的12V直流電源和單片機(jī)系統(tǒng)的5V直流電源

二、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)必須明確系統(tǒng)的控制要求，當(dāng)檢測水位低于水位下限時(shí)，先檢測熱水器是否處于使用狀態(tài)，若使用中則報(bào)警并提示上水再使用，此過程中由于水箱水位留有余量，用戶仍然可以繼續(xù)完成淋??；根據(jù)上面的要求，控制器采用模塊化結(jié)構(gòu)編程，包括主程序、液位控制子程序、溫度計(jì)算模塊、顯示模塊、鍵盤掃描子程序。

系統(tǒng)主程序主要完成系統(tǒng)中斷初始化、溫度水位采樣顯示、當(dāng)前液位和最低液位或次低液位進(jìn)行比較，解決客戶熱水器正在使用中的上水問題；通過按鍵中斷掃描，進(jìn)入相應(yīng)溫度設(shè)定和電輔助加熱溫度控制中斷服務(wù)程序；系統(tǒng)主程序流程圖如圖2所示。

主程序中在讀取溫度時(shí)，采用讀3次，取排序后的中間值為讀取到的水箱溫度值，對讀取的溫度進(jìn)行數(shù)字濾波處理，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

三、結(jié)束語

該新型太陽能熱水器控制器系統(tǒng)克服傳統(tǒng)控制器在客戶使用中自動(dòng)上水、溫度水溫精度控制和空曬空曬等問題，具有良好的抗干擾性能，且成本低廉，較易被用戶接受。該系統(tǒng)將以其更優(yōu)越的功能、控制靈活、顯示精度高、可靠性好、操作方便和成本低等優(yōu)點(diǎn)能為企業(yè)創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。