基于單片機(jī)的太陽能熱水器控制系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：本文設(shè)計了一種適合于家用、高性能的太陽能熱水控制系統(tǒng)。系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為控制核心，采用PCF8563實時時鐘，能夠?qū)崿F(xiàn)溫度、水位檢測、報警、按鍵輸入、液晶顯示信息等功能。系統(tǒng)具有控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)、實用方便等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：太陽能熱水器；AT98S52；水溫；水位

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.053

太陽能作為綠色環(huán)保的能源在現(xiàn)今社會的使用相當(dāng)普及，太陽能熱水器是太陽能利用最常見的一種裝置，它將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，將水從低溫加熱到高溫。本文設(shè)計的太陽能熱水器控制系統(tǒng)以單片機(jī)AT89S52為主控芯片，能夠?qū)崟r測量水溫、水位，并將數(shù)據(jù)顯示于液晶屏，同時顯示時間；可以根據(jù)用戶實際需求和季節(jié)變化預(yù)先設(shè)置水位和溫度；根據(jù)天氣情況啟動輔助加熱（電加熱），使水溫達(dá)到預(yù)先設(shè)定的溫度；同時通過軟件來實現(xiàn)自動上水、循環(huán)加熱、防凍控制、自動報警等功能[1]。

1 系統(tǒng)主要硬件設(shè)計

太陽能熱水器控制系統(tǒng)采用MCS-51系列單片機(jī)AT89S52作為主控芯片，本系統(tǒng)主要由水位檢測電路、溫度檢測電路、鍵盤輸入、液晶顯示、報警電路、數(shù)據(jù)存儲、通訊接口、時鐘電路、輸出控制電路等部分組成[2]，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.1 溫度檢測電路

在整個太陽能熱水器控制系統(tǒng)中溫度的檢測對整個系統(tǒng)能否選擇正確的工作狀態(tài)起著重要作用。根據(jù)系統(tǒng)測量精度要求及考慮成本因素，溫度傳感器選用熱敏電阻，通過多個熱敏電阻分別來檢測供水箱溫度、集熱器溫度、出水管溫度、回水管溫度，采集到的信號放大后送多路模擬開關(guān)CD4052，在此選用ADOP-07放大器。再經(jīng)電壓/頻率轉(zhuǎn)換器LM331實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換[3][4]，最后送至AT89S52的T0通道，通過軟件實現(xiàn)溫度參數(shù)計算。

1.2 水位檢測電路

水位檢測選用不銹鋼針進(jìn)行采樣，水位高度分為5級，用5根不銹鋼針分別置于水箱內(nèi)的5個不同高度位置。當(dāng)水位低于鋼針高度時，輸出為高電平；水位高于鋼針高度時，輸出為低電平。采樣得到的信號經(jīng)電子開關(guān)CD40106送至單片機(jī)P2口，單片機(jī)根據(jù)引腳狀態(tài)判斷出相應(yīng)的水位值，送液晶屏顯示電路，顯示共分5檔，每檔為滿水位的20%。

1.3 通訊電路

系統(tǒng)主控電路板主要與兩種顯示電路進(jìn)行通訊，一是近程顯示電路，由于距離較近，直接采用排線方式實現(xiàn)通訊；二是遠(yuǎn)程顯示電路，采用串行異步通信方式，系統(tǒng)通過RS-485接口進(jìn)行遠(yuǎn)程通信[5]，發(fā)送與接收器選用DS3695A來實現(xiàn)。

1.4 其他硬件電路

輸出控制電路。AT89S52的P1口與六路光電耦合器TIL621相連，由光電耦合電路驅(qū)動六路繼電器輸出，驅(qū)動電加熱、電磁閥等工作。

鍵盤輸入電路。系統(tǒng)設(shè)定六個按鍵，分別用作設(shè)定、左移、右移、上移、下移、退出功能。按鍵一端接10K上拉電阻，另一端接地，為確保按鍵的準(zhǔn)確性在上拉電阻與按鍵的連接端接有一個0.1uF濾波電容。

LCD顯示電路。系統(tǒng)選用LCM12864ZK點(diǎn)陣式液晶顯示模塊[6]，與LED相比具有低功耗、顯示信息量大、控制簡單等優(yōu)點(diǎn)，用來實時顯示“溫度”、“水位”和“時間”。當(dāng)用戶未做任何設(shè)置時，液晶屏分別顯示水箱的實時溫度、實時水位和時間。當(dāng)用戶需要預(yù)設(shè)參數(shù)時，通過按鍵利用光標(biāo)選擇所要設(shè)定的菜單，進(jìn)入后通過按鍵設(shè)置參數(shù)值。

時鐘電路。為實現(xiàn)控制系統(tǒng)24小時能供應(yīng)熱水，需要有一個實時時鐘向系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的基準(zhǔn)時間，要求實時時鐘精度高、功耗低、工作穩(wěn)定。系統(tǒng)選用PCF8563低功耗CMOS實時時鐘/日歷芯片。

數(shù)據(jù)存儲電路。系統(tǒng)采用16K的CAT1161串行存儲器，集硬件存儲寫保護(hù)串行E2PROM存儲器、復(fù)位控制器和看門狗定時器于一體。該芯片是帶I2C存儲器的監(jiān)控芯片，與單片機(jī)的連線較為簡單，具有功耗低、工作電壓寬、實用可靠等優(yōu)點(diǎn)。

漏電保護(hù)電路。系統(tǒng)選用漏電互感器TA1016，當(dāng)發(fā)生漏電時，TA1016兩次檢測到10～16V的交流電壓信號，經(jīng)二極管整流電容濾波后使三極管導(dǎo)通，此時三極管集電極輸出低電平，單片機(jī)檢測到低電平后將電加熱迅速關(guān)掉，從而保護(hù)用戶的用電安全。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件程序采用模塊化的方法完成控制器的軟件設(shè)計，主要包括主程序、溫度檢測程序、顯示程序、鍵盤中斷程序等。主程序流程如圖2所示，系統(tǒng)初始化所要完成的工作包括，單片機(jī)工作時鐘的設(shè)置、管腳配置、中斷初始化設(shè)置、看門狗初始化、各傳感器的參數(shù)配置等工作[7]。

系統(tǒng)初始化結(jié)束后進(jìn)入系統(tǒng)工作模式選擇，工作模式分為系統(tǒng)模式和用戶模式，流程圖如圖3所示。系統(tǒng)模式是系統(tǒng)根據(jù)大多數(shù)用戶的使用習(xí)慣來設(shè)置各類參數(shù)，不需要用戶自己設(shè)定；用戶模式是用戶可以根據(jù)自己的使用習(xí)慣自行設(shè)置各類參數(shù)。工作模式選擇完后進(jìn)行水溫、水位檢測，然后檢測系統(tǒng)是否存在故障，若有故障則將故障數(shù)據(jù)存儲到E2PROM中，若沒有則回到系統(tǒng)工作模式選擇。兩種工作模式都可以強(qiáng)制啟動輔助加熱，加熱到預(yù)定溫度后自動停止輔助加熱，返回到原來的工作模式，進(jìn)行后續(xù)工作。

3 結(jié)束語

模式設(shè)置流程圖本控制系統(tǒng)采用AT89S52單片機(jī)作為控制核心，實現(xiàn)水位、水溫的檢測、自動上水、輔助加熱等功能的控制，經(jīng)測試達(dá)到所需功能要求，具有抗干擾能力強(qiáng)、精度高、使用方便、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的推廣和經(jīng)濟(jì)價值。

參考文獻(xiàn)：

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[7] 張景文，王震宏，高為浪，李桂花.基于單片機(jī)的太陽能熱水器智能控制系統(tǒng)[J].西華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2008：25-27.

作者簡介：沈凱（1978-），女，江蘇常州人，碩士，副教授，研究方向：電子信息技術(shù)及應(yīng)用。