基于AT89C51的太陽(yáng)能熱水器智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

雷祿燕

（福建福能南紡新材料有限公司，福建 南平 353000）

1 引言

隨著科技的發(fā)展及世界人口的增長(zhǎng)，環(huán)境及能源問(wèn)題越來(lái)越受到世界各國(guó)重視，特別是煤炭、石油及天然氣等不可再生資源的大規(guī)模開(kāi)發(fā)與利用，在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)，也帶來(lái)了環(huán)境問(wèn)題。同時(shí)，不可再生能源的過(guò)度開(kāi)采與利用，也會(huì)縮短其開(kāi)采期，加速全世界進(jìn)入能源枯竭時(shí)代。為了提高能源的利用率，倡導(dǎo)低碳、綠色、環(huán)保是當(dāng)前時(shí)代的主題。同時(shí)，積極努力尋找替代能源也是全世界各國(guó)研究的熱點(diǎn)及追尋的目標(biāo)。其中，太陽(yáng)能以其無(wú)污染、無(wú)限開(kāi)采等特點(diǎn)在眾多替代能源中受到青睞，進(jìn)而成為了當(dāng)前新能源開(kāi)發(fā)與利用的焦點(diǎn)。

隨著人們生活水平的提高，熱水器已成為各家各戶必備的生活用品，但其能源消耗已成當(dāng)前不容忽視的問(wèn)題。單純的電熱水器或燃?xì)鉄崴鞑粌H容易受到能源供給的影響，同時(shí)在不可再生能源消耗方面也給全世界增加了負(fù)擔(dān)。考慮到開(kāi)發(fā)新能源、節(jié)約不可再生能源的重要性，太陽(yáng)能熱水器的開(kāi)發(fā)與利用受到各國(guó)人們的歡迎。太陽(yáng)能熱水器通過(guò)真空加熱管收集太陽(yáng)熱輻射實(shí)現(xiàn)水加熱，無(wú)疑可以節(jié)約大量的電或燃?xì)赓Y源，但是，單純太陽(yáng)能的熱水器受天氣及晝夜情況影響極大。雨天及晚上基本無(wú)法實(shí)現(xiàn)水加熱，極大限制了其使用效果。因此，電輔加熱太陽(yáng)能熱水器應(yīng)運(yùn)而生，其在陽(yáng)光充足時(shí)通過(guò)真空加熱管收集太陽(yáng)能實(shí)現(xiàn)水加熱，當(dāng)陽(yáng)光不充足時(shí)采用電輔加熱，大大提高了太陽(yáng)能熱水器的使用便利性。由此可知加熱系統(tǒng)切換及溫度控制對(duì)其工作穩(wěn)定性及安全性至關(guān)重要。

本文基于AT89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能熱水器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過(guò)溫度傳感器實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)水箱及混水箱溫度的檢測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)出水溫度的調(diào)節(jié)及電輔加熱系統(tǒng)的智能開(kāi)啟與關(guān)閉。在水路中設(shè)計(jì)加壓水泵穩(wěn)定水壓，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性。在浴頭位置設(shè)計(jì)紅外傳感器實(shí)現(xiàn)淋浴裝置的自動(dòng)開(kāi)啟與關(guān)閉，達(dá)到節(jié)約淋浴用水量，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定出水溫度及水壓，提高了淋浴人員的舒適度。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括溫度控制、水壓控制、淋浴開(kāi)關(guān)控制、冷熱混水控制、故障報(bào)警、人機(jī)交互及信息顯示等模塊。溫度控制主要包括儲(chǔ)水箱及混水箱溫度控制。當(dāng)太陽(yáng)充足時(shí)，儲(chǔ)水箱中的水由太陽(yáng)能加熱。當(dāng)太陽(yáng)能不足時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換至電輔加熱。同時(shí)設(shè)置手動(dòng)開(kāi)關(guān)，可以通過(guò)人為控制強(qiáng)行切換至電輔加熱。混水箱溫度控制主要目的是控制淋浴出水溫度?；焖涞淖饔檬欠€(wěn)定淋浴出水的水溫。水壓控制主要包括水箱上水壓力、淋浴出水壓力及回水壓力控制。當(dāng)熱水器安裝位置較高，可能由于上水壓力不足出現(xiàn)水箱缺水現(xiàn)象，通過(guò)水泵調(diào)節(jié)上水壓力可以有效保障熱水器用水安全，當(dāng)上水壓力充足時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)旁路上水，上水水泵自動(dòng)關(guān)閉。淋浴出水壓力控制可以保障淋浴水流的穩(wěn)定性，提高淋浴舒適度?；厮畨毫刂瓶梢杂行Щ亓鞴艿乐械睦渌?，達(dá)到節(jié)約用水目的。系統(tǒng)總體工作原理如圖1所示。在混水閥的前端設(shè)置小型的混水箱，通過(guò)冷水回流調(diào)節(jié)混水溫度，達(dá)到出水溫度恒定、水流量穩(wěn)定的效果。

本系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)實(shí)施控制，控制系統(tǒng)包括的功能模塊如圖2所示。輸入信號(hào)主要有水箱水位、水箱水溫、淋浴水水溫、進(jìn)水水壓、淋浴頭紅外信號(hào)，同時(shí)，還有用于人機(jī)交互的信息輸入，主要包括水溫設(shè)置、水壓設(shè)置、手動(dòng)控制信號(hào)等信息。輸出信號(hào)主要包括水泵的啟?？刂啤⒏鞣N閥門的開(kāi)啟與關(guān)閉、電輔加熱控制、信號(hào)顯示及故障報(bào)警等信息。

圖 1 系統(tǒng)總體工作原理圖

圖2 控制系統(tǒng)功能模塊圖

3 硬件設(shè)計(jì)

在硬件設(shè)計(jì)中，溫度傳感器選擇了輸出信號(hào)為數(shù)字量的DS18B20，避免了設(shè)計(jì)AD轉(zhuǎn)換電路，提高了系統(tǒng)實(shí)施的便利性及可靠性。同時(shí)，DS18B20具有小體積、低硬件開(kāi)銷、高精度等特點(diǎn)，其溫度測(cè)量范圍在-55～125℃，完全能夠滿足熱水器的測(cè)溫需求。

考慮到熱水器并不需要精確測(cè)量水位，本文基于水的導(dǎo)電原理，設(shè)計(jì)了探針長(zhǎng)度不一致的多探針?biāo)粶y(cè)定方法。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)水箱水量達(dá)到水位上限時(shí)，探針1～4均導(dǎo)通，關(guān)閉上水閥。隨著用水量增加，水箱水位下降，探針1斷開(kāi)，探針2～4導(dǎo)通，水箱處于中高水位；隨著水箱水位進(jìn)一步下降，探針1～2斷開(kāi)，探針3～4導(dǎo)通，水箱處于中低水位；隨著水箱水位繼續(xù)下降，探針1～3斷開(kāi)，探針4導(dǎo)通，水箱處于低水位；直到探針1～4全部斷開(kāi)，水箱達(dá)到水位下限，系統(tǒng)啟動(dòng)上水閥，水箱補(bǔ)水。

圖3 水位傳感器結(jié)構(gòu)圖

為了增強(qiáng)系統(tǒng)的智能性，增加了故障報(bào)警模塊，主要包括水箱缺水報(bào)警、傳感器故障報(bào)警、閥門及電輔加熱等器件損壞報(bào)警。顯示模塊主要用于顯示水箱水位、工作模式、日期時(shí)間、定時(shí)等信息。使用人員可以根據(jù)需求通過(guò)信息輸入進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)定。同時(shí)，為了節(jié)約淋浴用水，在淋浴頭位置安裝了紅外線傳感器用于檢測(cè)是否有人位于淋浴頭下方。在淋浴的過(guò)程中，如果人離開(kāi)了檢測(cè)范圍，淋浴頭出水自動(dòng)關(guān)閉，當(dāng)人重新回到檢測(cè)范圍內(nèi)，淋浴閥重新開(kāi)啟。在淋浴閥關(guān)閉期間，通過(guò)冷水回流管道保障淋浴出水口的水溫恒定，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)淋浴閥重新開(kāi)啟時(shí)刻的水溫符合設(shè)定值需求。

4 軟件設(shè)計(jì)

本文基于Keil軟件實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的編程，基于Prοteus進(jìn)行硬件的設(shè)計(jì)。在完成硬件設(shè)計(jì)及軟件編程后，將控制程序?qū)隤rοteus硬件系統(tǒng)進(jìn)行仿真調(diào)試。系統(tǒng)水位控制的流程如圖4所示，經(jīng)過(guò)初始化后，首先進(jìn)行水位的判斷，當(dāng)水位未達(dá)到設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)上水閥（如果水壓不達(dá)標(biāo)，則進(jìn)一步啟動(dòng)上水水泵），當(dāng)水位達(dá)到設(shè)定值后，關(guān)閉上水閥及水泵，并根據(jù)結(jié)束信號(hào)確定繼續(xù)執(zhí)行程序還是退出程序。其他程序還包括溫度控制程序、淋浴控制程序等。

圖4 水位調(diào)節(jié)流程圖

5 仿真與調(diào)試

基于上文流程圖通過(guò)Keil軟件編制相關(guān)程序后，以AT89C51單片機(jī)作為控制核心進(jìn)行仿真調(diào)試，兩個(gè)DS18B20數(shù)字溫度傳感器分別位于儲(chǔ)水箱和混水箱中，用于檢測(cè)儲(chǔ)水箱及混水箱溫度。系統(tǒng)水位采用4個(gè)LED燈顯示，分別為高、中高、中低及低水位。電輔加熱采用紅色LED指示燈顯示。AT89C51單片機(jī)的P3.0驅(qū)動(dòng)上水閥，P3.1～3.4為驅(qū)動(dòng)水位指示LED，P3.5為接電輔加熱，P3.6為接熱水閥，P3.7為接冷水閥，P2.0為接總水泵控制，P2.1為接淋浴水泵控制，P2.2為接噴頭水閥，P2.3為控制冷水回水閥，P2.4～2.7為接水箱水位傳感器信號(hào)，P1.0～1.2為接水箱溫度、混水箱溫度、紅外傳感器，P1.3為接水壓傳感器。經(jīng)Keil軟件與Prοteus軟件結(jié)合仿真調(diào)試，本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行。

6 總結(jié)

本文基于AT89C51單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能熱水器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。系統(tǒng)通過(guò)DS18B20溫度傳感器實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)水箱及混水箱溫度的檢測(cè)?；跍y(cè)得儲(chǔ)水箱溫度實(shí)現(xiàn)電輔加熱的自動(dòng)開(kāi)啟與關(guān)閉，通過(guò)測(cè)得混水箱溫度實(shí)現(xiàn)冷熱水閥的開(kāi)度調(diào)節(jié)。考慮到公共供水壓力不穩(wěn)定，本設(shè)計(jì)在水路中設(shè)計(jì)了加壓水泵，系統(tǒng)根據(jù)外界供水壓力情況，智能開(kāi)啟水泵，達(dá)到穩(wěn)定水壓、保護(hù)相關(guān)設(shè)施及穩(wěn)定淋浴出水目的。此外，在淋浴頭位置設(shè)計(jì)了紅外傳感器。通過(guò)紅外傳感器檢測(cè)人員是否處于淋浴范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)淋浴裝置的自動(dòng)開(kāi)啟與關(guān)閉，達(dá)到節(jié)約用水的目的。并通過(guò)Prοteus和Keil軟件結(jié)合實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)仿真，驗(yàn)證了方案的可行性。