【摘 要】主要介紹了太陽能熱水器的檢測控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。將低價位的單片機(jī)引入太陽能熱水器中，以AT89C52 為核心， 實(shí)時采集溫度和水位數(shù)據(jù)， 并設(shè)置報(bào)警系統(tǒng)，具備水溫水位及時間的顯示功能，實(shí)現(xiàn)了太陽能熱水器的水溫水位的檢測與控制，在生產(chǎn)生活中將起到很大的作用。

【關(guān)鍵詞】AT89C52單片機(jī)；溫度檢測與控制；水位檢測與控制；LED顯示

在全球提倡綠色環(huán)保并采用新型能源的今天，太陽能熱水器得到了廣泛的應(yīng)用，因?yàn)槠涔?jié)省能源，沒有污染，并且使用方便。在太陽能熱水器的整個系統(tǒng)中，起到至關(guān)重要的作用的中心環(huán)節(jié)就是檢測控制系統(tǒng)?？刂破鞑粌H實(shí)現(xiàn)了對水溫，水位的檢測與控制，而且也實(shí)現(xiàn)了對時間，日期的控制及顯示。但目前市場上太陽能熱水器的控制系統(tǒng)大部分都存在功能單一、操作復(fù)雜、控制不方便等或多或少的缺點(diǎn)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們生活水平的提高，對太陽能控制系統(tǒng)也就提出了更高的要求，所以開發(fā)一種控制方便，操作靈活的太陽能熱水器的控制系統(tǒng)是當(dāng)務(wù)之急。

1.控制器系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)的總體要求

本控制器有主從兩個系統(tǒng)，主控系統(tǒng)以AT89C52單片機(jī)為核心控制整個系統(tǒng)，選用合適傳感器及接口，鍵盤，顯示電路，實(shí)現(xiàn)太陽能熱水器的溫度，壓力，時間檢測與控制；從控系統(tǒng)是輔助加熱系統(tǒng)，在陰天下雨等陽光不充足的情況下，從控系統(tǒng)對水進(jìn)行加熱，以達(dá)到24小時都能夠供應(yīng)熱水的目的。所以本設(shè)計(jì)既充分利用太陽能的豐富的免費(fèi)的資源，又能在陰天及夜間無法利用太陽能的時對蓄水箱加熱。

1.2系統(tǒng)的組成

太陽能熱水器的控制器主要由主控制器（即單片機(jī)），溫度檢測單元，水位檢測單元以及輔助加熱單元組成。各個單元發(fā)揮各自不同的作用及功能。外接顯示器以及按鍵作為人機(jī)交流介質(zhì)。

太陽能熱水器控制器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 太陽能熱水器控制器的結(jié)構(gòu)圖

2.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1溫度檢測電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對水箱內(nèi)水溫的實(shí)時檢測，蓄水箱溫度檢測電路采用DS18B20傳感器，它的精度高、互換性好，只使用一根電纜遠(yuǎn)距離傳輸溫度數(shù)據(jù)，抗干擾性好。通過測量輸出脈沖頻率的大小來換算成水溫信號，再將溫度信號轉(zhuǎn)換成脈沖電信號，將溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼送到AT89C52的I/O 口（編程為計(jì)數(shù)器工作模式）P1.3口，單片機(jī)通過讀取該線數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后送LCD12864顯示，溫度檢測電路如圖2所示。 圖2 溫度檢測電路

2.2水位檢測電路

水位檢測電路利用了水具有導(dǎo)電的性質(zhì)。

在此設(shè)計(jì)中有四個水位段，分別是低水位、中水位、高水位和超高水位，水位由潛入太陽能熱水器的儲水箱不同深度的水位電極和潛入儲水箱底部的公共電極（導(dǎo)線）進(jìn)行檢測，共5個電極。每檢測到水位到達(dá)的電極，電路便得到一位數(shù)據(jù)，待檢測一遍以后便得到了5個串行數(shù)據(jù)，然后把這5個數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為字節(jié)一路送發(fā)光二極管，我們可以用發(fā)光二極管亮的盞數(shù)來顯示水位的高低。

2.3控制器時鐘接口電路設(shè)計(jì)

采用美國DALLAS半導(dǎo)體公司最新推出的時鐘芯片DS12887，為單片機(jī)中斷線IN TO提供中斷信號的是P3.2。SQW端口輸出頻率為2Hz方波，經(jīng)二分頻后，驅(qū)動顯示時鐘秒閃爍的兩個LED發(fā)光二極管。時鐘接口電路如圖3所示。

圖 3 時鐘接口電路

2.4顯示接口電路的設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對水溫水位以及時間的形象顯示，本設(shè)計(jì)采用FYD12864-0402B液晶顯示模塊。該模塊為128 64點(diǎn)陣顯示，不僅能顯示漢字，而且可以顯示圖像，可以使實(shí)用者的操作更為簡單，清晰。

采用的AT89S52和液晶12864LCD模塊的接口電路如圖4所示。由于12864采用串口通信，其特點(diǎn)是占用單片機(jī)口線少，電路簡單、直觀、操作方便。

圖4 顯示接口電路

2.5單片機(jī)復(fù)位電路的設(shè)計(jì)

2.5.1上電復(fù)位電路

設(shè)計(jì)中用的是上電復(fù)位，是指單片機(jī)只要一上電，便自動的進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，當(dāng)采用的晶體頻率為12MHZ時，可采取C=10uF，R=8.2KΩ。

2.5.2晶振電路

單片機(jī)的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩方式和外部震蕩方式。本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部震蕩方式。XTAL1為內(nèi)部時鐘工作電路的輸入，XTAL2為來自反向振蕩器的輸出，在這兩個引腳端外接石英晶體振蕩器，形成自激振蕩電路，并產(chǎn)生震蕩時鐘脈沖。

上電復(fù)位電路和晶振電路如圖5所示。

圖5 上電復(fù)位電路和晶振電路

2.6光電隔離與輔助加熱電路設(shè)計(jì)

在陽光充足時，熱水器能夠正常加熱工作，但是在陰雨天，由于陽光不足，水溫有時會達(dá)不到所需的設(shè)定溫度。因此本設(shè)計(jì)給出了一套從系統(tǒng)，即輔助加熱系統(tǒng)，在光線不足的時候，可以啟動次從系統(tǒng)對水箱中的水進(jìn)行加熱，以實(shí)現(xiàn)熱水的連續(xù)供應(yīng)。

光耦合器選用型號6N137，續(xù)流二極管選用型號IN4007，繼電器選用型號HLR1000-240DT1H2Q。

當(dāng)單片機(jī)AT89C51的P3.3口輸出高電平時，三極管V1導(dǎo)通，致使發(fā)光二極管發(fā)光，同時光敏三極管導(dǎo)通，繼電器閉合，電阻絲R10～R14發(fā)熱，這樣就完成了加熱任務(wù)，此電路雖然簡單，但在太陽能熱水器中是必不可少的，光電隔離與輔助加熱電路如圖6所示。

圖6 光電隔離與輔助加熱電路

3.系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件是服務(wù)于硬件的，系統(tǒng)將實(shí)時采集到的數(shù)據(jù)與相應(yīng)的設(shè)定值進(jìn)行比較、判斷，結(jié)果是控制循環(huán)水泵或上水電磁閥的工作，實(shí)現(xiàn)各種智能控制。同時，軟件還要兼顧到操作人員方便地選擇工作方式、設(shè)置和修改各種設(shè)定值，因?yàn)槿藗兛梢愿鶕?jù)天氣情況及用戶的需要選擇定時加熱狀態(tài)、自動加熱狀態(tài)。軟件還要設(shè)定以太陽能為優(yōu)先使用的能源，只有在太陽能沒有將水溫加熱到用戶要求的溫度下，才啟動輔助能源進(jìn)行加熱。

整個系統(tǒng)的控制程序采用MCS-51匯編語言編寫，軟件系統(tǒng)由主程序和子程序組成。 圖7 系統(tǒng)主程序流程圖

子程序要實(shí)現(xiàn)各種功能，包括：初始化子程序、裝載設(shè)定值子程序、加熱子程序、定時中斷服務(wù)子程序、溫差跟蹤循環(huán)子程序、手動檢測子程序、顯示子程序、鍵處理子程序、水位檢測子程序、報(bào)警子程序等。

主程序主要實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)加熱、設(shè)定值、手動檢測三種工作方式的選擇，主程序流程圖如圖7所示。

3.1溫度和時間設(shè)定設(shè)計(jì)

設(shè)定值主要是完成溫度和時間設(shè)定。

對于對溫度的設(shè)定，每次開機(jī)系統(tǒng)都要從DS1288讀取設(shè)定值，如果系統(tǒng)沒有設(shè)定值，系統(tǒng)就默認(rèn)為前次關(guān)機(jī)時的設(shè)定值，所以無需每次開機(jī)都要從頭設(shè)定。對時間的設(shè)定，一般采用模糊控制的思路，對水位、溫差與加熱時間長短對應(yīng)分出幾檔，加熱前對檢測水位及溫差，就可對照相應(yīng)檔的加熱時間，這樣就可以計(jì)算出提前加熱的時間，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的預(yù)定功能。

3.2水位檢測子程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用分段式水位檢測，共四段水位，當(dāng)水位低于設(shè)定最小值時，系統(tǒng)自動上水補(bǔ)給。當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定水位最大值時，給水停止。從而時間循環(huán)不間斷供水。

3.3鍵盤掃描子程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用獨(dú)立式鍵盤。通過判斷那個鍵按下，從而轉(zhuǎn)到相應(yīng)的程序進(jìn)行處理。實(shí)現(xiàn)功能設(shè)置以及設(shè)定時間，水溫及水位功能。功能按鍵按一次為水溫設(shè)計(jì)模式。兩次為水位設(shè)置模式，三次進(jìn)入時間調(diào)節(jié)模式。

3.4顯示子程序設(shè)計(jì)

為了形象的顯示出當(dāng)前的時間水溫及水位，本系統(tǒng)采用LCD12864點(diǎn)陣液晶顯示模塊作為顯示部分。此液晶顯示模塊是128×64點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊?？娠@示漢字及圖形。

4.結(jié)束語

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于節(jié)能減排的目的，具有控制與顯示精度高、可靠性好，按鍵較少、易于控制的特點(diǎn)，而且價格低廉，容易讓廣大用戶接受。

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