李偉偉，張俊杰，王明

（河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南焦作454000）

基于單片機(jī)的太陽(yáng)能熱水器智能節(jié)水裝置

李偉偉，張俊杰，王明

（河南理工大學(xué)電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南焦作454000）

太陽(yáng)能熱水器已在日常生活中廣泛使用，但其有一個(gè)比較常見(jiàn)的缺陷，當(dāng)用戶(hù)間隔較長(zhǎng)時(shí)間打開(kāi)熱水閥時(shí)，總要先將輸水管內(nèi)滯留的涼水排出后才能使用熱水，既浪費(fèi)水資源又不方便。而且在冬季，為防止管內(nèi)水結(jié)冰，室外管需要包裹大量保溫材料，經(jīng)濟(jì)投入很大。通過(guò)在輸水管道底端安裝溫度傳感器和壓力傳感器，使用壓力傳感器測(cè)量輸水管內(nèi)的水量，單片機(jī)根據(jù)測(cè)得的水量與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，通過(guò)開(kāi)關(guān)電磁閥來(lái)保證輸水管內(nèi)的水量始終保持恒定。用戶(hù)使用完畢后，單片機(jī)會(huì)關(guān)閉電磁閥，輸水管內(nèi)剩余的水將靠重力排空。此外，用戶(hù)還可以根據(jù)個(gè)人喜好設(shè)定水溫或用水量等個(gè)性化數(shù)據(jù)，從而更加人性化。

太陽(yáng)能熱水器；排空管道；溫度傳感器；壓力傳感器；電磁閥

0 引言

太陽(yáng)能熱水器較為常見(jiàn)的一個(gè)缺陷是，當(dāng)用戶(hù)間隔較長(zhǎng)時(shí)間再次打開(kāi)熱水閥時(shí)，總要先將輸水管內(nèi)滯留的涼水排出后才能使用熱水。這導(dǎo)致了水資源的極大浪費(fèi)；嚴(yán)寒的冬季，水管內(nèi)的水易結(jié)冰導(dǎo)致管道凍裂，因此需要對(duì)輸水管包裹大量保溫材料或者采用電加熱的方式，造成了不必要的損耗。為此本文設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能熱水器排空管道節(jié)水裝置，其功能和原理如下：

（1）在原有太陽(yáng)能熱水器的基礎(chǔ)上，使用壓力傳感器和溫度傳感器測(cè)量輸水管道的水量和水溫，并用數(shù)碼管顯示。

（2）壓力傳感器測(cè)得輸水管內(nèi)的水量，然后單片機(jī)根據(jù)測(cè)得的水量與設(shè)定閾值比較，實(shí)時(shí)開(kāi)關(guān)儲(chǔ)水器和輸水管連接的電磁閥，從而保證輸水管內(nèi)的水量始終保持恒定。當(dāng)用戶(hù)使用完畢后，單片機(jī)會(huì)關(guān)閉電磁閥，輸水管內(nèi)剩余的水將靠重力排空。這樣不僅可以控制水流速度達(dá)到節(jié)水目的，而且最大限度地避免了輸水管道出現(xiàn)剩余的水。

（3）用戶(hù)可根據(jù)個(gè)人喜好設(shè)定個(gè)性化數(shù)據(jù)，如水溫、大致用水量等。系統(tǒng)將設(shè)定的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)調(diào)整后存儲(chǔ)在單片機(jī)內(nèi)部EEPROM中，使用時(shí)單片機(jī)自動(dòng)讀取設(shè)定數(shù)據(jù)，控制執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)該設(shè)定方案，更為人性化。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的研究目標(biāo)是通過(guò)傳感器對(duì)輸水管內(nèi)的水量和溫度進(jìn)行準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、可靠的檢測(cè)，并將測(cè)量到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理后控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)水溫監(jiān)測(cè)、本地用戶(hù)顯示、閾值自行設(shè)定、自動(dòng)調(diào)節(jié)輸水量、排空輸水管內(nèi)的用水等功能。

本系統(tǒng)由5部分組成：傳感器信息的采集與分析處理、信息發(fā)送與接收、本地設(shè)置與顯示模塊、控制終端、執(zhí)行機(jī)構(gòu)。傳感器信息采集與處理模塊負(fù)責(zé)測(cè)量壓力、溫度等信息；信息的發(fā)送和接收通過(guò)無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)；本地設(shè)置與顯示由按鍵和數(shù)碼管組成，可以實(shí)時(shí)顯示溫度、水量等信息，并能通過(guò)按鍵由用戶(hù)自行設(shè)定參數(shù)；控制終端負(fù)責(zé)收集信號(hào)并使執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)動(dòng)作；執(zhí)行機(jī)構(gòu)由繼電器和電磁閥組成，可以靈敏、精準(zhǔn)的動(dòng)作。

總體硬件電路框圖如圖2所示。

圖2 硬件電路框圖

1.1 主控芯片的選擇

本設(shè)計(jì)采用STC12C5A60S2作為主控芯片[1]，它具有功耗低、速度快、抗干擾性強(qiáng)、價(jià)格低廉、可靠性高等特點(diǎn)，特別適用于實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，現(xiàn)已成為各種自動(dòng)控制系統(tǒng)理想的控制芯片。主控芯片原理圖如圖3所示。

1.2 溫度傳感器

本設(shè)計(jì)采用DS18B20溫度傳感器[2]。DS18B20溫度傳感器是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線器件，具有線路簡(jiǎn)單、體積小的特點(diǎn)。而且在一根通信線上，可以掛載多個(gè)溫度傳感器，十分方便。DS18B20溫度傳感器測(cè)溫范圍為-55℃～＋125℃，并且在-10℃～＋85℃范圍內(nèi)精度為±0.5℃，完全滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的要求。其原理圖如圖4所示。

圖4 溫度傳感器原理圖

1.3 壓力傳感器

本設(shè)計(jì)采用cm5300系列壓力傳感器[3]。由于cm5300壓力傳感器輸出的信號(hào)較小，為mV級(jí)別，所以要經(jīng)過(guò)放大電路對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大。本設(shè)計(jì)采用差分放大電路對(duì)其放大。差分放大電路具有抑制零漂的作用，由兩片lm324構(gòu)成，可以確保傳感器在檢測(cè)范圍內(nèi)的信號(hào)靈敏度、穩(wěn)定性和線性。之后單片機(jī)內(nèi)置A/ D模塊對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換。信號(hào)放大原理圖如圖5所示。

圖5 信號(hào)放大原理圖

1.4 信息發(fā)送與接收模塊

無(wú)線發(fā)射接收模塊由PT2262、PT2272紅外解碼電路構(gòu)成[4]。傳感器信號(hào)由單片機(jī)分析后，觸發(fā)PT2262。PT2262觸發(fā)的數(shù)據(jù)口不同，PT2272接收到的數(shù)據(jù)便不同。據(jù)此可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)根據(jù)不同的信息，控制電磁閥門(mén)執(zhí)行不同的動(dòng)作。

1.5 本地設(shè)置與顯示模塊

本地設(shè)置采用獨(dú)立按鍵輸入信息。共設(shè)置5個(gè)按鍵，分別為：“設(shè)置”、“+”、“-”、“確定”、“結(jié)束”。按“設(shè)置”鍵進(jìn)入設(shè)置模式，每位用戶(hù)都有對(duì)應(yīng)的序號(hào)，以實(shí)現(xiàn)個(gè)性化設(shè)置。在某用戶(hù)編號(hào)下可以設(shè)置輸水管內(nèi)保持恒定的水量值的大小，還可以設(shè)置水溫和總用水量?！?”、“-”鍵用來(lái)調(diào)整相應(yīng)參數(shù)值的大小?！按_定”鍵保存參數(shù)并退出設(shè)置模式。“結(jié)束”鍵用在沒(méi)有設(shè)定總用水量的模式下，用戶(hù)使用完畢后，按下“結(jié)束”鍵，單片機(jī)控制徹底關(guān)閉電磁閥。設(shè)置信息儲(chǔ)存在單片機(jī)EEPROM中，使用時(shí)自動(dòng)讀取設(shè)置信息。

顯示模塊采用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有亮度高、發(fā)光響應(yīng)時(shí)間短、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1.6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

執(zhí)行機(jī)構(gòu)由繼電器和電磁閥[5]構(gòu)成。由于單片機(jī)控制電流不足以驅(qū)動(dòng)電磁閥工作，因此在電路中通過(guò)電磁繼電器來(lái)控制電磁閥。主控芯片通過(guò)控制繼電器的通斷，直接控制驅(qū)動(dòng)電路是否工作，進(jìn)而控制電磁閥的開(kāi)關(guān)。電磁繼電器原理圖如圖6所示。

圖6 電磁繼電器

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在主控模塊，程序首先進(jìn)行各個(gè)模塊初始化配置，依次是：溫度傳感器初始化、壓力傳感器初始化、無(wú)線發(fā)射模塊初始化、按鍵初始化、數(shù)碼管顯示初始化，然后進(jìn)入主程序。在while（1）循環(huán)里面，循環(huán)執(zhí)行溫度傳感器采集溫度函數(shù)、壓力傳感器測(cè)量水壓函數(shù)、按鍵檢測(cè)設(shè)置閾值函數(shù)、數(shù)碼管顯示函數(shù)、無(wú)線模塊發(fā)射函數(shù)。

在接收模塊，程序首先進(jìn)行無(wú)線模塊初始化、電磁繼電器初始化，然后進(jìn)入while（1）循環(huán)，循環(huán)執(zhí)行無(wú)線模塊接收函數(shù)、繼電器動(dòng)作函數(shù)。具體的程序流程圖如圖7所示。

3 結(jié)論

圖7 系統(tǒng)流程圖

本文提出的太陽(yáng)能熱水器排空管道節(jié)水裝置，不僅可以控制水流速度達(dá)到節(jié)水目的，而且最大限度地避免了輸水管道有水剩余。本設(shè)計(jì)解決了下次使用時(shí)必須先排掉管內(nèi)剩余的涼水才能使用熱水的問(wèn)題，節(jié)約了水資源，同時(shí)避免了在一些寒冷地區(qū)暴露在外的輸水管因存水結(jié)冰脹裂的風(fēng)險(xiǎn)。另外，用戶(hù)可根據(jù)個(gè)人喜好設(shè)定個(gè)性化數(shù)據(jù)，如水溫、大致用水量等，更為人性化。

本設(shè)計(jì)改進(jìn)了太陽(yáng)能熱水器的功能，提高了太陽(yáng)能熱水器的使用便捷性，使太陽(yáng)能熱水器更加方便和人性化，可以提供更好的產(chǎn)品體驗(yàn)。

[1]李華.MCS-51系列單片機(jī)實(shí)用接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993.

[2]于克龍，畢小龍，邱立峻.數(shù)字溫度傳感器DS18B20的應(yīng)用[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2004，33（2）：47-49.

[3]陳平易.陶瓷壓阻式壓力傳感器的研究及應(yīng)用[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

[4]郝迎吉，劉義剛，樊潤(rùn)麗.基于單片機(jī)實(shí)現(xiàn)遙控編碼器PT2262的軟件解碼[J].國(guó)外電子元器件，2008（5）：36-39.

[5]李頎，欒翔鶴.智能閥門(mén)控制器遙控裝置的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)報(bào)），2009，27（3）：106-108，121.

Water saving system for solar heater based on MCU

Li Weiwei，Zhang Junjie，Wang Ming
（Department of Electrical Engineering and Automation，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China）

Solar heaters have been widely used in our daily lives，but one of its common defects is waste of water and inconvenience.Because the users have to empty the detained cold water in the water pipe before using the hot water，if they switch on the hot-water valve again after a long interval of time.Particularly in winter，a large amount of insulation material is needed to wrap the outdoor pipes in order to prevent the water from freezing，which costs a lot.This design tries to install DS18B20 temperature sensor and CM5300 series pressure sensor on the outlet pipe.The microcomputer can control the electromagnetic valve of the water reservoir and the pipe in real time based on the compare results from the measure of the water in the pipe by pressure sensor and the set value，so as to keep the water in the pipe always a certain.Then the microcontroller can close the electromagnetic valve so that the water can flow by gravity and the pipe can be evacuated when users no longer need hot water.In addition，the user can set personalized data such as temperature and water consumption based on the temperature sensor and the pressure sensor，which is more convenient.

solar heater；pipe emptying；temperature sensor；pressure sensor；electromagnetic valve

TP23

A

1674-7720（2015）13-0094-03

2015-02-04）

李偉偉（1982-），男，碩士研究生，講師，主要研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)，嵌入式系統(tǒng)。

張俊杰（1993-），男，本科在讀，主要研究方向：電氣工程及其自動(dòng)化。

王明（1993-），男，本科在讀，主要研究方向：工業(yè)電氣自動(dòng)化，電氣工程。