你在太陽(yáng)能熱水器智能控制器的設(shè)計(jì)研究

胡錦桐

摘要：人們生活水平的提升以及能源節(jié)約意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)，人們對(duì)于節(jié)能環(huán)保型產(chǎn)品的需求越來(lái)越大，相應(yīng)的，人們對(duì)太陽(yáng)能熱水器這類型人們?nèi)粘Ｉ钪械漠a(chǎn)品性能要求越發(fā)嚴(yán)格。當(dāng)前，我國(guó)在太陽(yáng)能熱水器的控制系統(tǒng)上仍存在著一定的落后性，影響了人們的使用。開(kāi)發(fā)一款高效便捷、使用方便的太陽(yáng)能熱水器智能控制器成為當(dāng)前急需解決的問(wèn)題?；诖耍疚囊詥纹瑱C(jī)為核心，為太陽(yáng)能控制器增添了按鍵設(shè)置、顯示功能、報(bào)警功能等，了實(shí)現(xiàn)了加熱、上水等功能的自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能熱水器的職能控制。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能熱水器；智能控制器；單片機(jī)

前言

太陽(yáng)能，是指太陽(yáng)熱輻射能，是一種可再生能源，目前，太陽(yáng)能的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)成為人類應(yīng)用能源中的重要組成部分。太陽(yáng)能強(qiáng)度隨著天氣變化與季節(jié)變化而變化，因此，太陽(yáng)能熱水器需要添加輔助加熱裝置才能夠保障人們?nèi)暧玫綗崴?。?dāng)前，市場(chǎng)上大多產(chǎn)品的電輔助加熱方式多是采用開(kāi)關(guān)控制或PID控制，然而，由于太陽(yáng)能本身變化的復(fù)雜性，太陽(yáng)能熱水器的集熱與輔助加熱過(guò)程難以精確利用數(shù)字模型表達(dá)，傳統(tǒng)的控制方式已經(jīng)難以達(dá)到客戶滿意效果，對(duì)此，智能型控制器已經(jīng)成為太陽(yáng)能控制器發(fā)展的必然趨勢(shì)。

1.智能控制器的系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1設(shè)計(jì)任務(wù)

本次設(shè)計(jì)主要以應(yīng)用較為廣泛的89C51單片機(jī)作為智能控制器的核心，溫度傳感器中的溫度信號(hào)、檢測(cè)傳感器中的水位信號(hào)通過(guò)單片機(jī)處理后，會(huì)直接將信號(hào)傳輸至液晶顯示屏中，顯示當(dāng)前太陽(yáng)能熱水器的水溫與水量，并且，當(dāng)太陽(yáng)能熱水器溫度不足需要加熱，或者水位不足需要供水，則控制器驅(qū)動(dòng)熱水器上的輔助加熱裝置進(jìn)入工作狀態(tài)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)溫度的控制與水量的加載。同時(shí)，智能控制器還需要具備實(shí)現(xiàn)低溫、高溫報(bào)警、水位底線、高限報(bào)警等功能。

1.2總體硬件結(jié)構(gòu)

依據(jù)上述設(shè)計(jì)任務(wù)以及智能控制系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)幾種功能，筆者綜合考慮了各種功能、控制器的智能化以及成本問(wèn)題，實(shí)際了控制器的硬件結(jié)構(gòu)框圖，具體如圖1所示。

在本次設(shè)計(jì)研究中，筆者選用了STC89C51單片機(jī)作為智能控制器的中央控制系統(tǒng)，選用了DS18B20溫度傳感器作為檢測(cè)水溫的主要裝置，以1602液晶顯示屏作為顯示溫度與水位量的儀器。當(dāng)智能控制器進(jìn)入工作狀態(tài)，太陽(yáng)能熱水器的水溫信號(hào)與水位信號(hào)將會(huì)通過(guò)單片機(jī)處理顯示在顯示屏上。

1.3溫度傳感器的簡(jiǎn)單介紹

在本次設(shè)計(jì)研究中，筆者選用了DS18B20型號(hào)的溫度傳感器，該傳感器由美國(guó)達(dá)拉斯公司研發(fā)，將采集到的溫度值以九位數(shù)形式顯示。該類型溫度傳感器主要通過(guò)總線接口對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收發(fā)，并且，傳感器能夠通過(guò)數(shù)據(jù)線直接獲得工作所需電壓，不需要外部供電，提高了其的安全性。在DS18B20型號(hào)溫度傳感器運(yùn)行時(shí)，大多直接與單片機(jī)I/O口相連接。

1.4水位檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

在本次設(shè)計(jì)中，筆者將儲(chǔ)水箱進(jìn)行了三等分，水底設(shè)有公共電極，相應(yīng)裝置能夠通過(guò)水位深度的不同以及電極電勢(shì)差判斷儲(chǔ)水箱水深。其具體原理如下：首先，單片機(jī)輪流向不同水位的電極輸送高電平；其次，公共電極實(shí)現(xiàn)不同水位的電位轉(zhuǎn)換，若水位達(dá)到對(duì)應(yīng)電極，輸出低電平，若沒(méi)有達(dá)到，則輸入高電平；最后，相應(yīng)裝置循環(huán)檢測(cè)電壓值，每次會(huì)得到4個(gè)串行數(shù)據(jù)，相關(guān)裝置通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析來(lái)判定水位，并將具體數(shù)據(jù)顯示在顯示屏上，水位檢測(cè)過(guò)程就此完成。

1.5繼電器電路與原理

在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，筆者選用了的繼電器裝置為電磁繼電器。通過(guò)上文可知，當(dāng)太陽(yáng)能熱水器水溫過(guò)低時(shí)，智能控制器將會(huì)發(fā)出加熱命令，加熱裝置自動(dòng)開(kāi)啟。當(dāng)熱水器儲(chǔ)水箱水位過(guò)低時(shí)，想要實(shí)現(xiàn)供水自動(dòng)化，需要利用水位與也為信號(hào)的控制開(kāi)關(guān)，即為利用繼電器控制開(kāi)關(guān)，使其自動(dòng)開(kāi)啟供水模式。繼電器控制的工作原理具體如下：當(dāng)繼電器線圈通電時(shí)，因繼電器具備電磁感應(yīng)，鐵芯產(chǎn)生了磁性，對(duì)開(kāi)關(guān)彈片產(chǎn)生吸附力，開(kāi)關(guān)自動(dòng)開(kāi)啟，外部電路導(dǎo)通。電磁繼電器控制電路的主要原理如下：當(dāng)開(kāi)關(guān)需要閉合時(shí)，單片機(jī)將會(huì)輸出一個(gè)電平信號(hào)，發(fā)光二極管導(dǎo)通，之后，三極管導(dǎo)通，繼電器線圈獲得通電，驅(qū)動(dòng)繼電器運(yùn)行，后繼電器閉合，電路暢通。

1.6液晶顯示屏模塊選型與簡(jiǎn)單介紹

本系統(tǒng)主要采用了LCD1602液晶顯示屏。該種型號(hào)的液晶顯示屏能夠同時(shí)顯示16×2個(gè)字符，模塊內(nèi)部主要存儲(chǔ)了阿拉伯?dāng)?shù)字0～9，二十六個(gè)英文字母的大小寫(xiě)等。在模塊進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，只需要將顯示的字符對(duì)應(yīng)地址中的點(diǎn)陣圖形顯示出來(lái)，我們就能夠在顯示屏中看到溫度、水位等相關(guān)系數(shù)。另外，因?yàn)?602顯示屏識(shí)別指代的是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的ASCII碼，在顯示屏模塊工作時(shí)，可用ASCII碼直接賦值。1602液晶顯示屏內(nèi)部驅(qū)動(dòng)模塊多會(huì)提供八位或者思維數(shù)據(jù)總線連接方式，模塊外部具有一些電源接口以及控制信號(hào)的接口。

2.太陽(yáng)能熱水器智能控制器的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1軟件設(shè)計(jì)任務(wù)

在系統(tǒng)智能化的軟件設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)上電將自動(dòng)完成初始化設(shè)置，使得智能控制器連接的各個(gè)傳感器以及控制電路完成準(zhǔn)備工作。初始化結(jié)束，程序開(kāi)始測(cè)量熱水器當(dāng)前水溫與水位，并將測(cè)試結(jié)構(gòu)顯示在液晶屏上，便于用戶查看與使用。當(dāng)顯示屏上水溫低于下限值時(shí)，控制器將自動(dòng)閉合開(kāi)關(guān)，加熱繼電器正式工作，提高水溫，當(dāng)水溫上升至規(guī)定指，則加熱裝置自動(dòng)閉合開(kāi)關(guān)，切斷電源。同時(shí)，在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，筆者為其設(shè)計(jì)了三個(gè)水位檔，水位檢測(cè)裝置將會(huì)根據(jù)水位的高度判斷當(dāng)前水位，并以指示燈的形式告知用戶熱水器當(dāng)前水位。當(dāng)水位低于最低限值，則控制器將控制水繼電器閉合開(kāi)關(guān)，相應(yīng)裝置自動(dòng)供水，當(dāng)水位達(dá)到儲(chǔ)水裝置最高水位線，切斷繼電器快關(guān)。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究中，實(shí)現(xiàn)了水溫與水位的自動(dòng)調(diào)節(jié)，提高了熱水器的智能化，便利了人們的日常應(yīng)用。

2.2溫度采集設(shè)計(jì)流程

DS18B20溫度采集程序流程主要是根據(jù)其通信協(xié)議制定。在單片機(jī)這一核心控制器控制DS18B20時(shí)，首先，單片機(jī)應(yīng)對(duì)其完成初始化，完成各寄存器的初始設(shè)置；其次，啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換功能，等待相應(yīng)設(shè)置獲取溫度；在獲取溫度具體數(shù)值后，相關(guān)設(shè)置將會(huì)讀取數(shù)據(jù)寄存器，獲取其中的高字節(jié)數(shù)據(jù)DH，以及低字節(jié)數(shù)據(jù)DL。最后，智控制器連接的相應(yīng)模塊對(duì)其進(jìn)行二進(jìn)制計(jì)算，得出真正的溫度值后，由顯示屏顯示。endprint

溫度采集函數(shù)的關(guān)鍵程序代碼如下：

2.3水位檢測(cè)流程

在本系統(tǒng)中，儲(chǔ)水裝置的三根水位線被水淹沒(méi)的具體情況是水位檢測(cè)流程的主要依據(jù)。在水位檢測(cè)中，控制器利用三個(gè)指示燈代表三個(gè)水位線，通過(guò)指示燈的變化告知用戶熱水器的大概數(shù)位。

2.4系統(tǒng)測(cè)試

通過(guò)上述文章對(duì)系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)研究，太陽(yáng)能熱水器的智能控制器已經(jīng)基本完成，為保障智能控制器的效用，筆者對(duì)其進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。首先，水溫顯示的測(cè)試。本系統(tǒng)水溫主要是通過(guò)溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量，并在顯示屏上顯示，溫度測(cè)量范圍在0～90℃之間。在實(shí)際測(cè)試中，筆者對(duì)熱水器水溫進(jìn)行幾次檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，水溫檢測(cè)裝置在本系統(tǒng)中響應(yīng)快速、測(cè)量準(zhǔn)確，且溫度至能夠準(zhǔn)確的顯示在顯示屏上。其次，水位顯示的測(cè)試。在水位實(shí)際測(cè)量中，筆者通過(guò)多次輸水放水對(duì)水位顯示進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水位高于低水位線，紅燈亮起；當(dāng)水位在低于高水位線，高于中水位線時(shí)，黃燈亮起；當(dāng)水位在高水位線之上時(shí)，綠燈亮起。經(jīng)過(guò)測(cè)量，該次智能控制器設(shè)計(jì)研究效用完好，可直接使用于太陽(yáng)能熱水器上。

3、太陽(yáng)能熱水器智能控制器

在本次設(shè)計(jì)中，筆者為太陽(yáng)能熱水器設(shè)有兩大系統(tǒng)：晴朗天氣，利用太陽(yáng)能加熱；陰雨天氣與夜間利用電能加熱。太陽(yáng)能熱水器主要包含有排氣管、保溫箱、溢流管、上下水管、真空集熱管、支撐架、保溫水管、淋浴以及智能控制器構(gòu)成，文章主要介紹的是智能控制器的設(shè)計(jì)。實(shí)際上，智能控制器是電子電器產(chǎn)品，利用電力啟動(dòng)，主要用于太陽(yáng)能淋浴器缺乏太陽(yáng)能源時(shí)的供電，缺水時(shí)的自動(dòng)供應(yīng)等，不僅便利了人們的應(yīng)用，更推動(dòng)了太陽(yáng)能熱水器的進(jìn)一步發(fā)展與應(yīng)用。在硬件各個(gè)模塊與軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，各個(gè)電子系統(tǒng)或模塊真正構(gòu)建成電壓采集器、溫度檢測(cè)傳感器、充放電控制器、水位檢測(cè)儀器、顯示屏等，最終，由上述設(shè)備構(gòu)建成完整的智能控制器，試驗(yàn)證明，智能控制器反映良好，本次硬件模塊與線路設(shè)計(jì)，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及最后安裝測(cè)試，最終得出的產(chǎn)品效果良好。

3.總結(jié)

本文主要講述了太陽(yáng)能熱水器的智能控制器設(shè)計(jì)研究過(guò)程，以此改變傳統(tǒng)控制器中無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能控制的缺點(diǎn)，便于用戶的查看與應(yīng)用。文章通過(guò)智能控制器的系統(tǒng)硬件。在本次設(shè)計(jì)中，智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)上水、自動(dòng)加熱等功能，便利了人們的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]王鵬宇，劉文君.基于太陽(yáng)能熱水器智能控制器設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014（5）：124-126.

[2]陳開(kāi)開(kāi).基于單片機(jī)的太陽(yáng)能熱水器智能控制器的設(shè)計(jì)[J]. 硅谷，2014（19）：9-10.endprint