家用太陽能熱水器控制器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

【摘要】本文提出由水溫水位傳感器、單片機(jī)、加熱繼電器和上水電磁閥構(gòu)成的太陽能熱水器控制器系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方法。尤其重點(diǎn)闡述了水位水溫一體化傳感器的設(shè)計(jì)方法并和企業(yè)聯(lián)合研制太陽能熱水器的控制板并投入量產(chǎn)，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益明顯。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)手動(dòng)上水、自動(dòng)手動(dòng)加熱和管道保溫等控制功能，具有雷擊、漏電和系統(tǒng)過熱保護(hù)功能。

【關(guān)鍵詞】太陽能熱水器控制器;單片機(jī);水溫水位一體化傳感器;繼電器;電磁閥

0 引言

太陽能作為綠色能源尤其在太陽能熱水器中的應(yīng)用深得廣大用戶的好評(píng)。但與之配套的太陽能熱水器的控制器存在諸多的問題尤其在水溫水位一體化傳感器工藝的設(shè)計(jì)、防雷擊、漏電和過熱保護(hù)上影響了其推廣和使用。本文就以上太陽能熱水器控制器存在的問題進(jìn)行了研究，并提出了切實(shí)有效的解決方案。設(shè)計(jì)制作的太陽能熱水器的控制板如圖1所示。

圖1 太陽能熱水器控制板

1 太陽能熱水器控制器的硬件組成

太陽能熱水器控制器硬件系統(tǒng)組成框圖如圖2所示，它以新型單片機(jī)STC12C5A60S2為控制核心，外接功能按鍵電路、水位水溫一體化傳感器、漏電過熱保護(hù)電路、電磁閥繼電器電流驅(qū)動(dòng)電路、報(bào)警蜂鳴器、LED數(shù)碼管顯示電路和系統(tǒng)電源電路等組成。

系統(tǒng)通過水位水溫一體化傳感器將水箱的水位和水溫參數(shù)轉(zhuǎn)化為單片機(jī)能夠識(shí)別的電信號(hào)，經(jīng)過軟件算法處理實(shí)時(shí)將水位和水溫顯示在LED數(shù)碼管上，系統(tǒng)首次上電后水箱內(nèi)的水位不足20%時(shí)為了避免干曬和干燒，系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警同時(shí)啟

動(dòng)上水電磁閥進(jìn)行自動(dòng)上水，但水位達(dá)到100%時(shí)自動(dòng)停止上水，期間用戶也可以通過按鍵進(jìn)行手動(dòng)上水;陰雨天氣或者陽光不足時(shí)可以手動(dòng)啟動(dòng)電輔加熱，當(dāng)水箱的水溫加熱到用戶的設(shè)定溫度時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)切斷電輔加熱也可手動(dòng)隨時(shí)停止加熱;秋冬天氣太陽能的上水管極易凍裂系統(tǒng)可以手動(dòng)啟動(dòng)管道保溫功能，最大限度的提高太陽能熱水器的使用效率。

圖2 太陽能熱水器控制器硬件系統(tǒng)組成框圖

2系統(tǒng)各功能硬件電路設(shè)計(jì)

2.1水溫水位傳感器結(jié)構(gòu)原理

水溫水位一體化傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖3所示

圖3 水溫水位一體化傳感器

此水位水溫傳感器包括1個(gè)10K熱敏電阻、4個(gè)色環(huán)電阻、橡膠外套和4段不銹鋼彈簧組成。傳感器內(nèi)的熱敏電阻和控制器內(nèi)的5K電阻組成一個(gè)串聯(lián)電路，根據(jù)串聯(lián)分壓原理，通過A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)即可將水箱內(nèi)的溫度信息進(jìn)行采樣并實(shí)時(shí)顯示和控制。其中熱敏電阻的兩端包裹有高溫導(dǎo)線，此高溫導(dǎo)線貫穿于傳感器的頂端和末端，最大限度的保證采集溫度的準(zhǔn)確性。傳感器內(nèi)的的4個(gè)色環(huán)電阻和4個(gè)不銹鋼彈簧管之間串聯(lián)焊接，然后用橡膠包裹固定。其中不銹鋼彈簧主要起到增加水位傳感器的長度的作用，4個(gè)色環(huán)電阻將水位分成4個(gè)檔位，由于包裹在每個(gè)檔位處的橡膠是導(dǎo)電的，而檔位以處的橡膠是絕緣的，不同的水位即可等效為不同的電阻，通過震蕩電路即可產(chǎn)生不同的頻率，從而實(shí)現(xiàn)了水位的檢測(cè)。

2.2水溫水位傳感器測(cè)試原理

圖3中的4個(gè)檔位不銹鋼彈簧對(duì)應(yīng)的水位等效電阻1、2腳接口與圖4中的1、2接口相連，等效電阻RF、R1、R2、R3、U1A、U1B和C1構(gòu)成非對(duì)稱式多諧震蕩器[1]，經(jīng)過反向驅(qū)動(dòng)器U1C和濾波電容C2整形后接到單片機(jī)的P1_0，單片機(jī)通過測(cè)量P1_0引腳的方波頻率即可得到水位的位置。

圖4 ?水溫水位傳感器信號(hào)調(diào)理電路

電路的震蕩周期由式（1）給出：

T=2.2RFC，=?????????????（1）

式中的RF為等效電阻，根據(jù)4檔水位對(duì)應(yīng)的不同

等效電阻得到不同的信號(hào)頻率如表1所示：

表1 ?水位/頻率值變換表

圖3中的10K負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻與圖4中5K電阻R4串聯(lián)分壓后經(jīng)C3濾波后接到單片機(jī)的P1_1（ADC0通道）引腳，通過測(cè)量該引腳的水溫電壓對(duì)應(yīng)的ADC值，再通過查表即可獲取水箱內(nèi)水溫值。

單片機(jī)P1_1處的電壓（2）

式2中的R1為10K熱敏電阻的水溫阻值。通常將熱敏電阻的阻值和水溫做成一張表格如表2所示，表格中的每個(gè)元素由水溫對(duì)應(yīng)的ADC值和水溫組成存放在單片機(jī)的ROM內(nèi)，當(dāng)檢測(cè)的水溫對(duì)應(yīng)的電壓AD轉(zhuǎn)換后，通過查表得到對(duì)應(yīng)的水溫。電阻R5、R6、R7為壓敏電阻【2】。避免水溫水位傳感器因遭受雷擊影響電路控制系統(tǒng)的整體壽命。

表2 水溫/電壓ADC變換表

2.3上水電磁閥、電輔加熱和管道保溫繼電器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

圖5 上水、電加熱和水管保溫驅(qū)動(dòng)電路

電加熱、管道保溫繼電器和上水電磁閥的驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示，STC12C5A60S2單片機(jī)對(duì)于繼電器、電磁閥這種大的負(fù)載很難驅(qū)動(dòng)，故采用ULN2001A驅(qū)動(dòng)芯片控制電磁閥的線圈通斷電。ULN2001A內(nèi)部集成3路達(dá)林頓電流放大電路，只需用單片機(jī)的P1_6和P1_7腳在ULN2001A的輸入管腳1、2、3輸入TTL高電平（5V左右），輸出腳8、7、6即可輸出最大500MA的控制電流足以驅(qū)動(dòng)電加熱和管道保溫繼電器線圈的工作。單片機(jī)的P1_5腳輸出高電平通過三極管Q1的飽和導(dǎo)通，即可控制12V的上水電磁閥工作，反之即可關(guān)閉上水電磁閥。由于電磁閥線圈關(guān)斷瞬間產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)，故采用IN4007二極管吸收反向電流從而保護(hù)三極管Q1的使用壽命。圖5中的B1、BZ1和BZ3為壓敏電阻，保護(hù)上水電磁閥、電加熱和管道保溫繼電器線圈遭受雷擊的損壞。

2.4系統(tǒng)漏電、過熱保護(hù)電路設(shè)計(jì)

圖6 漏電檢測(cè)、過熱保護(hù)電路

系統(tǒng)保護(hù)電路如圖6所示，將電感線圈套裝在220V的交流電源上，然后將線圈的2根引出線接在J4插座上，二極管D11、D12并接在線圈的兩端。電源一當(dāng)漏電，流過漏電線圈的電流不平衡，線圈將產(chǎn)生感應(yīng)電壓和電流，通過D11、D12構(gòu)成續(xù)流回路，以免互感線圈二次側(cè)開路，產(chǎn)生較高的危險(xiǎn)電壓[3]。單片機(jī)管腳P1_4檢測(cè)經(jīng)C11、C12、R10濾波后的漏電電壓，一旦漏電發(fā)生即可關(guān)斷繼電器，切斷電源保護(hù)系統(tǒng)和人員的安全。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的溫度超出75℃時(shí)，單片機(jī)P1_3腳檢測(cè)熱敏電阻3470分得的電壓變化，從而切斷系統(tǒng)電源，起到系統(tǒng)過熱保護(hù)的作用。

2.5系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì)

圖7 系統(tǒng)電源電路

系統(tǒng)電源電路如圖7所示，太陽能控制器系統(tǒng)需要的直流電源有+12V，+5V兩種電源，使用變壓器將交流220V轉(zhuǎn)化為交流12后，接到接口J1上，經(jīng)過D1、D2、D3、D4全波整流后，得到12V直流電，經(jīng)7805穩(wěn)壓后得到5V直流電，電容C1、C2、C3、C4為濾波作用，濾除電源中的高頻和低頻分量保證系統(tǒng)電源的穩(wěn)定可靠。

2.6按鍵、蜂鳴器及LED顯示接口電路設(shè)計(jì)

太陽能熱水器控制器系統(tǒng)采用模式選擇、加熱、保溫和上水4個(gè)獨(dú)立按鍵實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的外部輸入功能，按鍵去抖動(dòng)包括軟件和硬件方法，本系統(tǒng)采用軟件算法實(shí)現(xiàn)按鍵去抖處理既可靠又降低了系統(tǒng)的硬件成本。LED顯示采用的8*8點(diǎn)陣原理（共陽）共64只發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)水位、水溫、時(shí)間和特殊功能的顯示，LED顯示尤其注意驅(qū)動(dòng)電流保證每只發(fā)光二極管的工作電流在5～10ms，從而保證顯示的亮度。本系統(tǒng)蜂鳴器采用的是脈沖驅(qū)動(dòng)的無源蜂鳴器，一當(dāng)開機(jī)或用戶用水的過程中水位低于20%，便觸發(fā)蜂鳴器，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警自動(dòng)上水功能。以上3項(xiàng)子功能電路簡單，原理圖略。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

太陽能熱水器控制器系統(tǒng)采用基于C程序[4]的模塊化結(jié)構(gòu)編程，包括主程序、自動(dòng)加熱子程序、自動(dòng)上水子程序、LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描子程序和按鍵去抖動(dòng)算法設(shè)計(jì)。

按鍵去抖動(dòng)[5]采用定時(shí)器每2ms中斷一次，每次中斷讀取4個(gè)按鍵的狀態(tài)并存儲(chǔ)起來;連續(xù)掃描8次后，看看這連續(xù)8次的狀態(tài)是否一致，8次按鍵的時(shí)間大概是16ms，這16ms內(nèi)如果按鍵的狀態(tài)保持一致，那就確定現(xiàn)在按下的按鍵處于穩(wěn)定狀態(tài)，而非處于抖動(dòng)階段，從而實(shí)現(xiàn)按鍵的去抖動(dòng)。按鍵從按下到彈起的狀態(tài)檢測(cè)過程如圖8所示。系統(tǒng)主循環(huán)程序根據(jù)去抖動(dòng)后的按鍵值，執(zhí)行不同的操作，系統(tǒng)主程序流程圖如圖9所示。

圖8 ?按鍵連續(xù)掃描判斷

圖9 主程序流程圖

主程序在檢測(cè)顯示水溫水位環(huán)節(jié)，采用數(shù)字濾波處理即連續(xù)讀3次，取排序后的中間值為讀取到的水溫水位值，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

4 結(jié)束語

本次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的太陽能熱水器控制器系統(tǒng)主要的創(chuàng)新點(diǎn)有：1）采用自制的水溫水位一體化傳感器，檢測(cè)效果穩(wěn)定可靠，成本低廉;2）具有防雷、漏電和過熱保護(hù)功能，性價(jià)比高較易被用戶接受。該系統(tǒng)將以其安裝操作方便、顯示精度高、穩(wěn)定可靠等優(yōu)越性能目前已批量生產(chǎn)，為企業(yè)創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。附PCB控制板如圖10：

圖10 太陽能熱水器控制板PCB

參考文獻(xiàn)：

[1]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2012.P332～P334.

[2]牛小玲.太陽能水溫水位控制器設(shè)計(jì).實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2014，31（1）：75-76.

[3]馬敏.太陽能熱水器控制器的設(shè)計(jì)，河南科學(xué)2003，21（2）：225

[4]徐意.單片機(jī)技術(shù)與應(yīng)用[M].浙江：浙江大學(xué)出版社，2012.

[5]宋雪松.手把手教你學(xué)51單片機(jī)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2014.

基金項(xiàng)目：本項(xiàng)目來自浙江省教育廳一般科研項(xiàng)目：新型太陽能熱水器控制儀的應(yīng)用研究，編號(hào)：Y201224827。

作者簡介：

戴仔龍（1981-），男，江蘇南京人，講師，碩士研究生，主要從事智能儀器與智能控制方面的研究。