太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

蘇賜民1，李春杏1，曾 君，劉俊峰

(1.廣東海洋大學(xué) 寸金學(xué)院, 廣東 湛江 524094；2.華南理工大學(xué) 自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)院,廣州 510640)

0 引言

目前，市場(chǎng)上銷售的家用熱水器按照其消耗的能源類型可以分為3種：第1種是燃?xì)鉄崴?；?種是電熱水器；第3種是太陽(yáng)能熱水器。然而，自從太陽(yáng)能熱水器進(jìn)入消費(fèi)市場(chǎng)以來(lái)廣受人們的喜愛(ài)，人們?cè)谶x購(gòu)熱水器的時(shí)候更加愿意購(gòu)買節(jié)能環(huán)保的太陽(yáng)能熱水器。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)利用不斷取得突破，其中太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)利用可作為本世紀(jì)新能源開(kāi)發(fā)利用的代表。太陽(yáng)能，作為源源不斷的能源一直飽受人們的關(guān)注[1-2]。世界各國(guó)對(duì)于太陽(yáng)能技術(shù)的應(yīng)用都十分重視，英國(guó)政府在20世紀(jì)末就提出了綠色住宅計(jì)劃；以色列的民用建筑在太陽(yáng)能利用上走在世界前列[3]。而在我國(guó)西部地區(qū)的太陽(yáng)能儲(chǔ)量豐富，為了保證國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)政府近年來(lái)大力出臺(tái)了多項(xiàng)相關(guān)的法律政策，大力護(hù)持和發(fā)展太陽(yáng)能等清潔能源相關(guān)產(chǎn)業(yè)。近年來(lái)，我國(guó)的太陽(yáng)能熱水器行業(yè)增長(zhǎng)快速，2012年的年產(chǎn)量已經(jīng)達(dá)到2484萬(wàn)臺(tái)，銷售額達(dá)400多億人民幣。目前，我國(guó)已經(jīng)成為世界最大的太陽(yáng)能熱水器生產(chǎn)國(guó)和太陽(yáng)能熱水器最大的消費(fèi)市場(chǎng)[4]。展望未來(lái)，太陽(yáng)能作為本世紀(jì)新能源的開(kāi)發(fā)利用及其相關(guān)技術(shù)，一定會(huì)在各國(guó)政策引導(dǎo)下，在現(xiàn)代科技進(jìn)步的助力下取得更大的發(fā)展，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

本設(shè)計(jì)選擇性能與價(jià)格都合適的單片機(jī)STC89C51作為核心處理器，配合數(shù)字化溫度檢測(cè)芯片DS18B20及其他傳感器構(gòu)成水溫、水位檢測(cè)電路，控制器相關(guān)程序選擇使用具有可移植度高、語(yǔ)句簡(jiǎn)單明了、頭文件種類豐富的C語(yǔ)言編程。太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)控制系統(tǒng)集多功能與低價(jià)格等優(yōu)勢(shì)于一體，既滿足了人們的需求，同時(shí)也降低了電費(fèi)支付的負(fù)擔(dān)，真正節(jié)能環(huán)保。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)硬件方面選擇STC89C51單片機(jī)作為核心控制部件，硬件電路設(shè)計(jì)包含以下幾個(gè)方面：?jiǎn)纹瑱C(jī)基本電路設(shè)計(jì)(包括外部晶振電路，按鍵復(fù)位電路，穩(wěn)壓供電電路等)，1602液晶屏顯示電路，水溫、水位檢測(cè)電路，繼電器輔助加熱電路，蜂鳴報(bào)警器電路以及控制定時(shí)上水電路等。不同部分的硬件電路分別完成其對(duì)應(yīng)的功能，同時(shí)又受到單片機(jī)的控制，協(xié)同實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

1.1 系統(tǒng)總框圖

本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 單片機(jī)主控電路

本設(shè)計(jì)所選擇的STC89C51單片機(jī)是一款典型的51單片機(jī)，擁有8位高速CPU，片內(nèi)有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器128 B，片內(nèi)有程序存儲(chǔ)器4 KB，片內(nèi)自帶振蕩器，頻率范圍為1.2～12 MHz，全雙工串行口，32位I/O口線，有較強(qiáng)的位處理能力，采用單一+5 V電源工作。STC89C51單片機(jī)電路如圖2所示[5-7]。

圖2 STC89C51單片機(jī)電路

1.3 液晶顯示電路

本設(shè)計(jì)顯示電路選擇LCD1602為核心，LCD1602液晶顯示模塊是一種字符型液晶模塊。字符型液晶模塊是專門用于顯示字母、數(shù)字以及符號(hào)等數(shù)據(jù)類型的點(diǎn)陣式液晶屏，常用的屏幕規(guī)格有16*1、16*2、20*2和40*2。下面介紹本設(shè)計(jì)所使用的LCD1602顯示模塊，LCD1602顯示模塊實(shí)物圖如圖3所示。其電路如圖4所示[6]。

表1 LCD1602液晶屏技術(shù)參數(shù)

圖3 LCD1602顯示模塊實(shí)物圖

圖4 液晶顯示電路

1.4 溫度檢測(cè)電路

溫度檢測(cè)電路的核心元件是采用數(shù)字溫度檢測(cè)芯片DS18B20。DS18B20芯片是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體器件公司推出的第一片遵循總線協(xié)議的數(shù)字化溫度傳感器，它具有集成度高、性能優(yōu)良、功耗較低、抗干擾能力強(qiáng)以及使用靈活方便，可搭配多種微控制器等優(yōu)點(diǎn)，使用過(guò)程中不需要進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)。DS18B20傳感器電路圖如圖5所示。

圖5 溫度檢測(cè)電路

為了提高 DS18B20 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換的精確度，I/O 線必須保證在溫度轉(zhuǎn)換期間提供足夠的能量[1]。DS18B20芯片在正常工作時(shí)，其工作電流在1 mA左右，當(dāng)多個(gè)芯片連在同一根I/O口上進(jìn)行多點(diǎn)同時(shí)測(cè)溫時(shí)，如果僅依靠4.7K上拉電阻無(wú)法為芯片工作提供做夠的能量，從而會(huì)造成芯片測(cè)量溫度不準(zhǔn)，會(huì)與實(shí)際溫度產(chǎn)生較大的誤差等，這個(gè)問(wèn)題在使用時(shí)一定要注意。

1.5 水位檢測(cè)電路

本設(shè)計(jì)中采用分段式液位檢測(cè)方法，在水箱內(nèi)安裝了5個(gè)水位傳感器探針以感知水位變化情況，水位檢測(cè)電路如圖6所示。主控制器可以根據(jù)水箱內(nèi)5個(gè)水位傳感器探針檢測(cè)的結(jié)果，自動(dòng)識(shí)別和判斷當(dāng)前的水位情況，然后開(kāi)啟相關(guān)的電路自動(dòng)加水至水位設(shè)定的檔位。當(dāng)水箱內(nèi)的水位達(dá)到100%時(shí)，控制電路就自動(dòng)停止加水；當(dāng)水位低于10%時(shí)，控制電路就自動(dòng)報(bào)警并停止輔助加熱，電路進(jìn)入自動(dòng)保護(hù)狀態(tài)，以防空燒。

圖6 水位檢測(cè)電路

1.6 輔助加熱電路

太陽(yáng)能熱水器輔助加熱電路就是確保熱水器在梅雨季節(jié)或者是陰雨天氣能可靠輸送熱水的重要電路。太陽(yáng)能熱水器在使用過(guò)程中比較容易受到季節(jié)變化、天氣變化等外界環(huán)境的制約，冬天太陽(yáng)能熱水器制熱效果顯然沒(méi)有夏天的效果好，陰雨天氣的制熱效果也比不上晴天，它存在著密度低 、間歇性 、空間分布不斷變化的問(wèn)題[9-10]。因此，在設(shè)計(jì)熱水器的時(shí)候必須具備輔助加熱功能。本設(shè)計(jì)采用了繼電器來(lái)控制外部加熱電路的工作。電路如圖7所示。

當(dāng)單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)為低電平時(shí)，繼電器得電吸合，輔助加熱電路接通電加熱器工作。當(dāng)單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)為高電平時(shí)，繼電器復(fù)位，輔助加熱電路斷開(kāi)，電路停止工作。繼電器可以將兩個(gè)不同電壓等級(jí)的電路隔離，電路間不存在耦合，不產(chǎn)生相互干擾的現(xiàn)象，整個(gè)控制電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作安全可靠。

圖7 輔助加熱電路

1.7 鍵盤電路

鍵盤電路要考慮用戶操作的方便性、可靠性和安全性問(wèn)題，可采用獨(dú)立式的鍵盤電路結(jié)構(gòu)。獨(dú)立式的鍵盤在智能控制系統(tǒng)中，往往只需要幾個(gè)簡(jiǎn)單的功能按鍵就可以實(shí)現(xiàn)，整個(gè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、配置靈活、調(diào)試方便、工作穩(wěn)定。獨(dú)立式的按鍵是直接用主控芯片I/O接口構(gòu)成的，其最大特點(diǎn)是每個(gè)按鍵電路單獨(dú)與一根I/O口線連接，每個(gè)按鍵的工作狀態(tài)是獨(dú)立的，不會(huì)受到其它I/O口的數(shù)據(jù)影響。本設(shè)計(jì)的鍵盤電路如圖8所示[8]，采用獨(dú)立式按鍵，一共5個(gè)按鈕，每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根I/O線。其中S1為功能或復(fù)位按鈕，按下S1按鈕，可以選擇溫度和水位等功能，配合S2S3就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的加減調(diào)節(jié)，或者是對(duì)水位的加減調(diào)節(jié)。S2為加按鈕，S3為減按鈕， S4為啟動(dòng)按鈕，S5停止按鈕。

圖8 鍵盤電路

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了便于調(diào)試，同時(shí)降低不同程序之間的相互影響，本文選擇用模塊化理念進(jìn)行程序編寫。為使控制器能夠正常有序地工作，本文將控制器部分功能寫成子程序，采用子程序調(diào)用的方式來(lái)完成相應(yīng)功能。子程序包括：LCD1602液晶顯示程序、溫度信號(hào)采集和處理程序以及按鍵輸入指令等。系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 系統(tǒng)主程序流程圖

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)有6個(gè)部分，分別是:溫度檢測(cè)子程序，水位檢測(cè)子程序、顯示子程序、鍵盤子程序、加熱子程序及控制子程序。一開(kāi)始，系統(tǒng)主程序首先要完成對(duì)各個(gè)串行口、定時(shí)器、中斷源的初始化，讀取與設(shè)置初始狀態(tài)的運(yùn)行參數(shù)，然后循環(huán)讀取鍵盤狀態(tài)，根據(jù)存儲(chǔ)的鍵盤狀態(tài)和檢測(cè)讀取到的水箱中的水溫、水位等數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，并等待中斷服務(wù)程序的執(zhí)行相應(yīng)的功能。主程序流程如圖10所示。

2.2 溫度檢測(cè)程序

圖10 系統(tǒng)主程序流程圖 圖11 溫度數(shù)據(jù)讀取子程序框圖

溫度檢測(cè)電路在硬件設(shè)計(jì)上采用了全數(shù)字化設(shè)計(jì)，不需要進(jìn)行模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)化，由DS18B20芯片直接將檢測(cè)到的溫度信息用數(shù)字信號(hào)的方式發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)只需要發(fā)送指令來(lái)控制芯片發(fā)送數(shù)據(jù)即可，因此程序上相對(duì)簡(jiǎn)潔明了。讀溫度子程序的流程如圖11所示。

2.3 水位檢測(cè)程序

水位傳感器有3個(gè)引腳，一個(gè)引腳接電源，另外兩個(gè)引腳接單片機(jī)的兩個(gè)I/O口。水位傳感器將水位信息轉(zhuǎn)化為3個(gè)等級(jí)，分別為水位高，水位中和水位低。當(dāng)水位達(dá)到高位時(shí)，單片機(jī)P2_0口接收到高電平信號(hào)，當(dāng)水位變低時(shí)，單片機(jī)的P2_1端口接受到高電平信號(hào)，當(dāng)端口均為低電平時(shí)，熱水器水位處于較低水平，需要向水箱中注水。從傳感器工作模式出發(fā)，水位檢測(cè)程序可以采用多個(gè)判斷結(jié)構(gòu)嵌套構(gòu)成，水位檢測(cè)子程序如圖12所示。

圖12 水位檢測(cè)程序框圖

如圖12所示，先判斷水位是否為高，若為高，則在液晶屏上顯示水位為高并關(guān)閉加水繼電器，以防止水箱中水過(guò)滿溢出，否則判斷水位是否為中，若水位為中則在液晶屏上顯示水位為中，若水位既不為高也不為中，則水位處于較低水平，控制器在液晶屏上顯示水位為低，同時(shí)打開(kāi)加水繼電器，向水箱中加水，并關(guān)閉加熱繼電器，停止加熱，防止出現(xiàn)干燒。

2.4 人機(jī)交互程序設(shè)計(jì)

人機(jī)交互單元包括液晶顯示單元和按鍵單元，液晶顯示單元將傳感器部分采集的一系列數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，如水溫，水位等，同時(shí)還會(huì)顯示用戶設(shè)定的溫度區(qū)間的最低溫度和最高溫度等信息，按鍵單元主要是用來(lái)使用戶根據(jù)需求設(shè)定溫度區(qū)間，進(jìn)行個(gè)性化控制等操作。

2.4.1 液晶顯示程序

液晶顯示屏在使用時(shí)可分為4個(gè)狀態(tài)：讀指令，寫指令，讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)。4個(gè)基本狀態(tài)具體操作方式如下表2所示，液晶顯示程序如圖13所示。

表2 1602液晶屏基本狀態(tài)

2.4.2 按鍵程序

本文控制器一共設(shè)計(jì)了5按鍵，均為獨(dú)立按鍵，5個(gè)獨(dú)立按鍵分別有不同的功能。其中S1為功能或復(fù)位按鈕，按下S1按鈕，可以選擇溫度和水位等功能，配合S2S3就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的加減調(diào)節(jié)，或者是對(duì)水位的加減調(diào)節(jié)。S2為加按鈕，S3為減按鈕， S4為啟動(dòng)按鈕，S5停止按鈕。了便于用戶操作，加減按鍵還賦予了連加和連減功能，連續(xù)三次按下加、減鍵就會(huì)觸發(fā)連加或連減功能，使用戶能更快的調(diào)節(jié)到想要的溫度范圍。

由于按鍵功能較多，其程序設(shè)計(jì)也比較復(fù)雜，本文不對(duì)按鍵程序做一一介紹，就以增加鍵為例，增加鍵程序設(shè)計(jì)如圖14所示。

圖13 液晶顯示程序框圖 圖14 按鍵程序框圖

2.5 輔助加熱程序

自動(dòng)加熱輔助功能和自動(dòng)上水輔助功能分別嵌入在溫度檢測(cè)程序與水位檢測(cè)程序之中。以輔助加熱功能程序?yàn)槔谟脩粢呀?jīng)設(shè)定好太陽(yáng)能熱水器的水溫之后，若溫度檢測(cè)程序執(zhí)行結(jié)束后單片機(jī)接收到的溫度數(shù)據(jù)低于所設(shè)定溫度區(qū)間的下界，則控制器會(huì)自動(dòng)執(zhí)行加熱程序，打開(kāi)加熱電路的繼電器，使加熱電路工作，從而使水溫上升。因程序較為簡(jiǎn)單，此處不在給出相關(guān)程序框圖。

3 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

本設(shè)計(jì)程序編譯平臺(tái)選擇的是keil編譯平臺(tái)，keil編譯平臺(tái)在單片機(jī)程序開(kāi)發(fā)，特別是51單片機(jī)程序開(kāi)發(fā)中使用十分廣泛。在程序調(diào)試過(guò)程中，遇到了一些問(wèn)題，主要是各個(gè)子程序的調(diào)用以及菜單按鍵的個(gè)別功能不能協(xié)調(diào)。由于本系統(tǒng)的功能較多，程序也比較復(fù)雜。因此，采用了分步調(diào)試，逐漸增加功能的調(diào)試方法。太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)控制系統(tǒng)的主要功能有：

1)實(shí)現(xiàn)水溫自動(dòng)檢測(cè)、顯示以及控制功能。用戶可以通過(guò)控制器上的按鍵來(lái)設(shè)定熱水器的水溫。當(dāng)水箱中水溫達(dá)不到設(shè)定溫度時(shí)，控制器自動(dòng)接通外部加熱電路工作，使水溫上升至設(shè)定值；

2)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)水位檢測(cè)、顯示功能。熱水器控制系統(tǒng)將水位傳感器獲取水箱中的水位信息顯示在液晶屏上。

3)實(shí)現(xiàn)定時(shí)上水和水位過(guò)低自動(dòng)上水功能。當(dāng)水位傳感器檢測(cè)到熱水器水箱內(nèi)水位過(guò)低時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)斷開(kāi)輔助加熱電路并執(zhí)行自動(dòng)上水，避免熱水器出現(xiàn)空燒，防止熱水器水量不足引發(fā)的安全事故。

4)實(shí)現(xiàn)人工輔助設(shè)置功能。用戶可以通過(guò)鍵盤來(lái)設(shè)置水箱中的溫度和水位，從而滿足不同用戶的個(gè)性化需求。

5)實(shí)現(xiàn)輔助加熱功能，保證熱水器在光線較弱或陰雨天氣情況下也能正?？煽康靥峁崴?。

軟硬件聯(lián)調(diào)過(guò)程相對(duì)于軟件調(diào)試來(lái)說(shuō)比較難，調(diào)試時(shí)首先把程序燒錄到單片機(jī)內(nèi)部，然后通電看液晶屏能否正常顯示，最后逐個(gè)測(cè)試熱水器的不同功能，如果發(fā)現(xiàn)個(gè)別功能錯(cuò)誤或者缺失，就要從軟硬件兩個(gè)方面同時(shí)檢查，尋找出問(wèn)題的所在。若是程序邏輯有問(wèn)題，則修改相應(yīng)的程序代碼；若硬件焊接或者元件損壞，則重新焊接或更換相應(yīng)的元件。

4 結(jié)束語(yǔ)

只有通過(guò)軟件測(cè)試，才能保證程序能夠被主控制芯片順利地執(zhí)行。而通過(guò)軟件、硬件聯(lián)調(diào)則可以排查程序在邏輯上的一些問(wèn)題，從而保證電路系統(tǒng)完成所需的全部功能。太陽(yáng)能熱水器設(shè)計(jì)之初的目的就是節(jié)約能源，因此，在設(shè)計(jì)其控制電路的過(guò)程中也遵循了這個(gè)原則，我們選擇了既能滿足控制器功能需求又相對(duì)比較經(jīng)濟(jì)的元器件，同時(shí)使設(shè)計(jì)出來(lái)的電路便于后期維修，降低了后期的維護(hù)成本。使設(shè)計(jì)出來(lái)的太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)以相對(duì)較低的能耗完成所需功能，整體上達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的。