基于單片機(jī)的太陽能電熱水器控制系統(tǒng)

汪東霞 李沙沙 千志科

(黃河交通學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，河南 焦作 454950)

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的人機(jī)操作界面和主控界面，分別使用了獨(dú)立的AT89C52單片機(jī)進(jìn)行控制，每個(gè)單片機(jī)都實(shí)現(xiàn)其各自的功能，并通過串口通信的功能進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，將用戶的控制信號及時(shí)發(fā)送給主控單片機(jī)，并將主控單片機(jī)的反饋信號及時(shí)地返回給用戶。

控制中心依據(jù)溫度傳感器傳回來的水溫，判斷其是否需要通過加熱器加熱。當(dāng)儲水罐的水溫因注水急劇下降時(shí)，若無光照或陽光的照射強(qiáng)度無法使儲水罐溫度快速提升至設(shè)置值，此時(shí)控制中心將通過加熱器對儲水罐的水進(jìn)行加熱，防止水的溫度過低，影響到用戶的使用。其中，儲水罐的水位也不能低于一定的水平，防止出現(xiàn)儲水罐無水加熱器仍在加熱的危險(xiǎn)，因此本設(shè)計(jì)配有液位傳感器，實(shí)時(shí)檢測罐內(nèi)水位。

本系統(tǒng)采用的是PID算法進(jìn)行溫度控制，根據(jù)溫度傳感器傳回的溫度和液位傳感器傳回的水位，判斷溫度變化的速度，進(jìn)而可以在溫度降低到一定程度時(shí)提前加溫，防止控制滯后，無法達(dá)到預(yù)期的效果，即當(dāng)儲水罐的水溫或水位急劇下降時(shí)，通過判斷其下降的速度，計(jì)算出未來一段時(shí)間在注水的情況下，溫度會在多長時(shí)間下降至極限值，控制加熱器以不同的加熱程度去加熱，溫度下降過快就以高功率去加熱，其加熱過程是加熱器與太陽能真空管加熱配合著進(jìn)行的，所有的數(shù)據(jù)都將傳回控制中心進(jìn)行判斷計(jì)算。若出現(xiàn)控制之外的任何異常情況都將以報(bào)警的形式通知用戶。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路為整個(gè)電路提供硬件支持，是程序運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)的載體，所以硬件電路設(shè)計(jì)的好壞會直接影響到程序運(yùn)行的穩(wěn)定性和最終顯示的效果。本設(shè)計(jì)中AT89C52單片機(jī)使用的是11.0592MHz的晶振，30pF的瓷片電容，60字節(jié)的空間存儲變量，5K的code空間存儲代碼和不可更改的數(shù)組，6個(gè)外部中斷(分別為3個(gè)定時(shí)器中斷、2個(gè)外部中斷、一個(gè)串行口中斷，中斷號分別從0-5)[1-3]。

因本系統(tǒng)使用的是外部12V直流電源進(jìn)行的供電，所以需將12V電壓降至5V，其原理是利用7805芯片，通過內(nèi)部電路的降壓，可以輸出5V的電壓，降壓之后所有的5V設(shè)備都需經(jīng)此供電，所以發(fā)熱比較嚴(yán)重，因此在穩(wěn)壓的輸入端和輸出端分別并聯(lián)了電解電容和瓷片電容。在正常光照的情況下，太陽能的電壓是高于12V的，所以太陽能電池會為系統(tǒng)提供電能，若太陽能電池因光照不足或其他原因?qū)е码妷航档?，此時(shí)根據(jù)二極管的特性，將選擇12V電源供電[4]。

2.1 WIFI電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用的核心是安信可的ESP 8266-12F系列的串口WIFI模塊。支持IEEE 802.11b/g/n無線標(biāo)準(zhǔn)，最多可同時(shí)支持5個(gè)TCP客戶連接，并支持3種工作模式，本設(shè)計(jì)使用到的是STA模式，用于連接網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備，ESP8266有多種固件包，用戶可使用模塊內(nèi)部自帶固件包進(jìn)行開發(fā)，使用AT指令進(jìn)行配置，也可使用官方提供的固件包開發(fā)特定的產(chǎn)品，通過官網(wǎng)配置自己需要的功能，本設(shè)計(jì)使用的是官方提供的固件包，其中支持開發(fā)的功能主要包括adc，cjscon，dht，enduser_setup，dile，gpio，hx711，net，node，pwm，tmr，uart，wifi等。在燒錄好固件后，需要在nodemcu編譯平臺下進(jìn)行下載，Lua腳本語言是c語言的產(chǎn)物，它是20世紀(jì)巴西里約熱內(nèi)盧天主教大學(xué)開發(fā)的。本設(shè)計(jì)使用的是樂鑫基于安信可ESP8266-12F開發(fā)的外部擴(kuò)展模塊，其原理圖如圖1所示，通過網(wǎng)絡(luò)控制GPIO14引腳口，對整個(gè)電路進(jìn)行開關(guān)控制，因WIFI的引腳口輸出電壓僅有3.3V，所以使用了與控制輸出電路同樣的電路設(shè)計(jì)，僅是更改了一級三極管和二級三極管之間的電阻值，其中一級三極管使用的是PNP三極管，因?yàn)閃IFI的引腳口默認(rèn)為高阻態(tài)。所以在引腳口的輸出端設(shè)計(jì)了一個(gè)5.6K的下拉電阻，將引腳口電壓拉低，防止上電瞬間電路意外導(dǎo)通。WIFI電路原理圖的兩個(gè)按鍵分別為為RST和I0_0，RST為WIFI的復(fù)位按鍵，I0_0為燒錄固件時(shí)需將此引腳拉為低電平，此引腳高電平時(shí)為正常工作模式。其中本設(shè)計(jì)的WIFI遠(yuǎn)程控制測試，使用的是貝殼物聯(lián)平臺提供的服務(wù)器(可根據(jù)自己的要求選擇不同的服務(wù)器提供的功能)，用戶可以通過遠(yuǎn)程登錄自己的服務(wù)器賬號，來操作太陽能熱水器，還可通過AI智能設(shè)備進(jìn)行語音控制。

圖1 WIFI電路

2.2 控制輸出電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的輸出電路主要包括水泵控制電路的驅(qū)動、加熱棒電路的驅(qū)動、電磁閥電路的驅(qū)動、報(bào)警指示燈電路的設(shè)計(jì)等。其每個(gè)驅(qū)動電路分別由單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3引腳進(jìn)行控制，因每個(gè)驅(qū)動設(shè)備的電流和電壓都較高，所以水泵、加熱棒、電磁閥均由繼電器進(jìn)行控制，并由三極管對單片機(jī)的信號進(jìn)行放大，其原理圖如圖2所示。因單片機(jī)的輸出電流較小，是必須進(jìn)行電流放大的[5]。與單片機(jī)引腳口連接的是9012PNP三極管進(jìn)行的一級放大，在9012的發(fā)射極和9013的基極之間連接有一個(gè)電阻，其主要起到限流作用，防止一級三極管輸出電流過大。二級三極管使用的是9013NPN三極管，其集電極與繼電器的電磁線圈連接，其中在繼電器線圈之間并聯(lián)了一個(gè)反向接的二極管，主要是考慮到繼電器在斷開后，線圈內(nèi)會存有電量，因此可以通過二極管進(jìn)行放電，防止繼電器控制的滯后和可能出現(xiàn)的各種問題。在線圈的兩端并聯(lián)了一個(gè)和發(fā)光二極管串聯(lián)的電阻，用于指示繼電器的閉合狀態(tài)。針對在一級放大電路使用PNP三極管，主要是因?yàn)樵趩纹瑱C(jī)的上電復(fù)位之后和程序運(yùn)行之前的這一段時(shí)間內(nèi)，單片機(jī)的輸出引腳口是全部輸出為高電平的，所以使用PNP三極管可以防止在程序運(yùn)行之前電路會不受控制地導(dǎo)通，這一個(gè)小小的錯(cuò)誤將可能導(dǎo)致一個(gè)大的事故。

圖2 控制輸出電路

2.3 人機(jī)交互界面的電路設(shè)計(jì)

人機(jī)交互操作界面由單獨(dú)的AT89C52單片機(jī)進(jìn)行控制，通過與主控單片機(jī)的串口進(jìn)行通訊，時(shí)時(shí)發(fā)送操作面板的命令和時(shí)時(shí)反饋主控的命令。

本設(shè)計(jì)使用的是帶字庫的并行口通訊的LCD12864液晶顯示屏[6]，引腳口如圖3所示，硬件連接圖如圖，液晶顯示屏的19腳、20腳為液晶顯示屏背光板的電源引腳，其通過兩個(gè)三極管由單片機(jī)的P3.7引腳進(jìn)行控制，一級三極管使用的是9012PNP三極管，二級三極管使用的是D882NPN三極管，D882三極管可以輸出最大3A的驅(qū)動電流。通過設(shè)置對液晶背光板的控制，可以使背光板在沒有操作的時(shí)候，自動關(guān)閉，降低了背光板的大電流消耗和人機(jī)操作面板的睡眠期間的功耗。通過任意按鍵可以將其液晶顯示屏進(jìn)行喚醒，體現(xiàn)了更加人性化的操作。

圖3 液晶顯示屏電路

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)時(shí)采用的是模塊化設(shè)計(jì)，首先對各個(gè)模塊進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計(jì)，然后將其進(jìn)行統(tǒng)一整合，具有耦合度低，內(nèi)聚度高的特點(diǎn)，系統(tǒng)的總程序框架圖如圖4所示。

圖4 總程序框架圖

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)的太陽能熱水器測控儀的測試結(jié)果與預(yù)期效果基本吻合，在設(shè)計(jì)過程中并增加了一些新的功能。其中在調(diào)試過程中，LCD12864液晶顯示屏占用較多AT89C52單片機(jī)的存儲空間，導(dǎo)致液晶顯示屏顯示亂碼的問題，阻礙了整個(gè)系統(tǒng)的進(jìn)程，因在顯示屏的顯示頁面中有較多需要更改的數(shù)據(jù)，需分別建立變量存儲數(shù)據(jù)，導(dǎo)致建立變量過多，顯示屏讀取數(shù)據(jù)出錯(cuò)，顯示不正常，再經(jīng)過最后的程序優(yōu)化，此問題才得以解決。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能基本達(dá)到了預(yù)期效果的功能，其中包括溫度和液位檢測、加熱、上水、定時(shí)加熱和定時(shí)加水。其中，新增加的功能是將本系統(tǒng)接入了網(wǎng)絡(luò)，可通過網(wǎng)絡(luò)對其控制，并提供了多種控制方式，大大方便了用戶。本系統(tǒng)未完成的任務(wù)是沒有完成對水箱內(nèi)的水預(yù)測還可以使用多長時(shí)間。