太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)控制系統(tǒng)

展赫 袁建川 駱瑩升 李杰 薛蕊

【摘?要】通過(guò)對(duì)市面上太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析，設(shè)計(jì)一種太陽(yáng)能熱水器智能控制系統(tǒng)，能夠檢測(cè)水位水溫并且顯示到顯示屏幕，當(dāng)水位低的時(shí)候能夠自動(dòng)加水，擁有按鍵調(diào)節(jié)作用，也可以定期對(duì)水箱進(jìn)行清理，藍(lán)牙預(yù)約加熱以及清理。保證用水時(shí)的溫度及質(zhì)量。以STM32為主控芯片，通過(guò)傳感器來(lái)檢測(cè)水的位置跟溫度進(jìn)行處理，并通過(guò)OLED顯示出來(lái)，是一款自動(dòng)、節(jié)能設(shè)備。上水加有多出水位檢測(cè)，并且能夠更好的避開(kāi)光照充足時(shí)上水時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)水。并且限制在白天的一定范圍內(nèi)不會(huì)上水，防止產(chǎn)生爆管的情況。并且伴有輔助加熱功能，通過(guò)藍(lán)牙控制繼電器控制加熱，弱電控制強(qiáng)電起到更好的隔離保護(hù)。預(yù)約加熱能夠更節(jié)約電加熱的損耗。自動(dòng)上水，溫度上下限控制，以及定期排污除垢清洗，使用的水更加干凈。使得控制系統(tǒng)更加自動(dòng)化節(jié)能化。

【關(guān)鍵詞】STM32;OLED顯示;水位監(jiān)測(cè);藍(lán)牙;自動(dòng)化;節(jié)能;太陽(yáng)能熱水器

引言

在科技高速發(fā)展和科技以人為本的今天，目前的技術(shù)和產(chǎn)品是有缺陷的。實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱水器的可控溫，實(shí)現(xiàn)光熱電熱、光熱氣熱的互補(bǔ)，是太陽(yáng)能熱水器產(chǎn)品升級(jí)、換代的必然趨勢(shì)?，F(xiàn)太陽(yáng)能熱水器的可控溫是科技進(jìn)步的象征，是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。其主要意義在于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的需求：隨著太陽(yáng)能熱水器的逐步普及，太陽(yáng)能熱水器的同質(zhì)化，已使這個(gè)行業(yè)從早年的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn)變?yōu)楫?dāng)前的價(jià)格之戰(zhàn)。太陽(yáng)能熱水器的升級(jí)換代己迫在眉睫。消費(fèi)目標(biāo)的需求：太陽(yáng)能熱水器的節(jié)能和環(huán)保已得到消費(fèi)市場(chǎng)的認(rèn)可，但消費(fèi)者不滿(mǎn)足一個(gè)被動(dòng)吸熱、冬冷夏熱的節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品。節(jié)能的需求：在水資源日益缺乏的今天，為了反復(fù)兌水、調(diào)試水溫而造成浪費(fèi)是十分不該的。安全的需求：用戶(hù)不喜歡有燙傷事故隱患的熱水器，研發(fā)制造一種可控溫的太陽(yáng)能熱水器，具有十分重要的意義。如何實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱水器的可控溫，面對(duì)一個(gè)被動(dòng)吸熱的受熱體似乎是不可能的！科技創(chuàng)新的目的就是要把不可能的變成可能的。實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱水器的可控溫關(guān)鍵在于控制軟件的研發(fā)及相關(guān)硬件的配合支持。

1硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)包括控制部分、檢測(cè)部分、執(zhí)行部分、顯示部分、藍(lán)牙傳輸部分總體設(shè)計(jì)框圖見(jiàn)上圖1。

1.1電機(jī)調(diào)速電路

對(duì)于電機(jī)的調(diào)速，我們采用程序編寫(xiě)進(jìn)行PWM調(diào)速的方法。

PWM調(diào)速的原理是通過(guò)控制在一個(gè)周期內(nèi)輸出高電平的時(shí)間大小，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度。在硬件電路的連接上，將CONTROL_1、CONTROL_2、CONTROL_3、CONTROL_4分別接在單片機(jī)4個(gè)I/O口上，通過(guò)控制I/O口輸出高電平確保2104S正常工作，將PWM_1、PWM_2、PWM_3、PWM_4分別接在單片機(jī)定時(shí)器引腳上上，通過(guò)改變輸出占空比，改變裝置的運(yùn)行速度。MOS管全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路配合PWM，保證有較大的的調(diào)節(jié)范圍和準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)速度，所以在這里采用MOS管驅(qū)動(dòng)完全滿(mǎn)足工作要求，由于，信號(hào)源沒(méi)有足夠的電流輸出能力，為了保證MOS管能夠正常工作，需要加上IR2101驅(qū)動(dòng)芯片，具體電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖見(jiàn)圖2。

N型MOS需要在柵極和源極之間加10V～20V電壓才能完全導(dǎo)通。電容C1和二極管DI的作用是與負(fù)載組成一個(gè)BOOST升壓電路，使得在IR2101S芯片的VB引腳上產(chǎn)生一個(gè)12V的電壓，IR2101S芯片會(huì)用VB腳的12V電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)NMOS上管。使用主動(dòng)升壓電路來(lái)代替DI CI，主動(dòng)升壓到12V，輸入到IR2101的VB引腳，電容C2保留去除二極管DI即可保證半橋恒導(dǎo)通。二極管的作用為：關(guān)斷時(shí)快速泄放柵源極電容上的電荷來(lái)加快關(guān)斷速度，減小關(guān)斷時(shí)間，進(jìn)而降低關(guān)斷時(shí)的損耗。

1.2電流檢測(cè)電路

電流檢測(cè)及過(guò)流保護(hù)電路如圖3所示。

電機(jī)的工作電流通過(guò)采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。經(jīng)過(guò)由精密放大器LM258組成的同向比例運(yùn)算放大器電路放大后，作為電流閉環(huán)控制電流反饋信號(hào)輸入到微控制器進(jìn)行AD采樣。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

單片機(jī)供電開(kāi)始工作進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)水位處于低水位時(shí)驅(qū)動(dòng)電磁閥進(jìn)行開(kāi)閘供水，當(dāng)水位到達(dá)中水位是指示燈亮起，當(dāng)水位到達(dá)高水位時(shí)停止供水。通過(guò)藍(lán)牙進(jìn)行預(yù)約加設(shè)定加熱溫度上下限，進(jìn)行加熱。圖3所示。

（1）檢測(cè)流程

本設(shè)計(jì)通過(guò)DS18B20通過(guò)讀取數(shù)據(jù)反映給主控芯片，經(jīng)過(guò)主控芯片對(duì)數(shù)據(jù)處理后傳給OLED屏幕把實(shí)時(shí)溫度顯示出來(lái)，主控系統(tǒng)檢測(cè)按鍵以及藍(lán)牙的動(dòng)作，可通過(guò)藍(lán)牙對(duì)溫度定時(shí)控制，并設(shè)定溫度上下限。如果檢測(cè)到溫度到達(dá)上限，就給主控系統(tǒng)一個(gè)信號(hào)停止加熱，如果到達(dá)下限，就給主控系統(tǒng)加熱信號(hào)。

（2）上水流程

水位檢測(cè)傳感器為分段式檢測(cè)，根據(jù)水位到達(dá)不同的地方，對(duì)主控系統(tǒng)進(jìn)行反應(yīng)，水位分5個(gè)檔100%、75%、50%、25%、10%。能夠更好地顯示水量的位置，水位到達(dá)100%時(shí)，主控制器接收到信號(hào)停止加水并進(jìn)行報(bào)警，當(dāng)水位到達(dá)25%時(shí)，主控制器接收到信號(hào)，控制上水繼電器閉合進(jìn)行上水動(dòng)作。設(shè)置清理時(shí)間，到達(dá)進(jìn)行清理。清理一段時(shí)間進(jìn)行上水排水循環(huán)清理，最后停止清理再進(jìn)行上水。

（3）按鍵流程

可通過(guò)按鍵對(duì)主控制器控制，不同按鍵有不同作用，SB1控制功能的確認(rèn)，SB2控制數(shù)值的左移，SB3控制右移，SB4控制上移/切換SB5控制下移。按鍵模塊首先要判斷是否按下功能鍵，如果沒(méi)有按下就繼續(xù)等待，如果按下就保存這個(gè)功能命令;在進(jìn)行按鍵輸入，直達(dá)按下確認(rèn)鍵，數(shù)據(jù)有效。沒(méi)有按下則輸入的無(wú)效。根據(jù)不同的命令做不同的功能處理。按鍵抖動(dòng)處理是對(duì)按鍵按下后延時(shí)一段時(shí)間再檢測(cè)來(lái)消除的。

（4）清理流程

清理設(shè)計(jì)可以通過(guò)定期以及定天進(jìn)行控制清理，通過(guò)藍(lán)牙輸入要清理的日子進(jìn)行清理，到達(dá)清理的時(shí)候，防水用水開(kāi)關(guān)會(huì)打開(kāi)，在清理的狀態(tài)不讓用水，然后進(jìn)行添加除垢劑進(jìn)行沉淀，一段時(shí)間打開(kāi)排污口開(kāi)關(guān)通過(guò)排污口排出水，排到水位很低的時(shí)候，防用水開(kāi)關(guān)閉合，進(jìn)行加水同時(shí)排污口保持打開(kāi)，進(jìn)行一個(gè)循環(huán)沖洗的過(guò)程一段時(shí)間后結(jié)束清理，回歸正常狀態(tài)，缺水就進(jìn)行加水。

3 結(jié)論

太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水位檢測(cè)和提示、溫度檢測(cè)和加熱、時(shí)間顯示和調(diào)整，由于本設(shè)計(jì)是弱電控制強(qiáng)電，采用繼電器和外部鏈接會(huì)更安全，當(dāng)外部電壓過(guò)大時(shí)能有效保護(hù)單片機(jī)，然后通過(guò)繼電器控制加熱和加水的關(guān)閉狀態(tài)，可通過(guò)藍(lán)牙預(yù)約開(kāi)啟，加熱最大程度上節(jié)約能源，保證用水。此設(shè)計(jì)帶有報(bào)警提示，用來(lái)提示各種當(dāng)前動(dòng)作與不同的動(dòng)作，測(cè)量水溫在溫度低于設(shè)定值時(shí)進(jìn)行加熱到預(yù)定值溫度。控制系統(tǒng)可以根據(jù)天氣情況利用輔助加熱裝置（電加熱器）使蓄水箱內(nèi)的水溫達(dá)到預(yù)先設(shè)定的溫度，從而達(dá)到24小時(shí)供應(yīng)熱水的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘇賜民，李春杏，曾君，劉俊峰.太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2019，27（12）：106-110.

[2]周雪林.基于單片機(jī)和傳感器的太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].電子世界，2018（10）：172-173.

作者簡(jiǎn)介：

展赫（1998-），男，山東省濟(jì)南人，學(xué)士，研究方向：控制工程。

李杰（1998-），男山東濟(jì)南人，學(xué)士，研究方向：控制工程。

駱瑩升（2001-），男，四川資陽(yáng)人，學(xué)生，研究方向：機(jī)器人工程。

袁建川（1998-），女，重慶市人，學(xué)士，研究方向：控制工程。

薛蕊（1981-），女，山東省濟(jì)寧人，碩士，副教授，研究方向：控制工程。

該項(xiàng)目由國(guó)家級(jí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目《太陽(yáng)能熱水器自動(dòng)控制系統(tǒng)》（S202013320020）支持。

（作者單位：青島黃海學(xué)院）