張震 趙天翔 黃進(jìn)明 張小波

摘 要：隨著太陽能市場規(guī)模的逐漸擴(kuò)大，市場上出現(xiàn)越來越多的太陽能熱水器控制器，大部分控制器不夠完善。目前，市場上的太陽能熱水器控制系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，以單片機(jī)為核心的控制器占據(jù)太陽能熱水器控制器的主要市場，其中應(yīng)用最多的是51系列和PIC系列單片機(jī)。太陽能熱水器控制器是熱水器系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。文章以STC89C52單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了一個(gè)通用太陽能熱水器控制器。其整體思路是實(shí)現(xiàn)控制器對太陽能熱水器容器內(nèi)的水位、水溫測量與顯示；缺水時(shí)自動(dòng)上水、手動(dòng)上水；手動(dòng)加熱等功能，并通過仿真與實(shí)物連接加以驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：熱水器控制器；設(shè)計(jì)研究；整體結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TK515 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）24-0093-03

Abstract： With the gradual expansion of the solar market， there are more and more solar water heater controllers in the market， most of which are not perfect. At present， the control system of solar water heater in the market is basically digitized. The controller based on single-chip computer occupies the main market of solar water heater controller， among which 51 series and PIC series single-chip computers are the most widely used. The controller of solar water heater is the key part of the water heater system and the core of the whole system. Based on STC89C52 single-chip microcomputer， a general controller of solar water heater is designed in this paper. The whole idea is to realize the controller's measurement and display of the water level and water temperature of solar water heater container； once it is short of water， it is ensured that there are functions such as automatic water supply， manual water supply and manual heating， and simulation and physical connection are means of verification.

Keywords： water heater controller； design research； whole structure

1 概述

太陽能熱水器是利用太陽光將水從低溫加熱到高溫，但在陰天時(shí)太陽光照不足會導(dǎo)致水溫較低，故需配合輔助加熱裝置進(jìn)行電加熱將溫度升高到所需溫度，以滿足人們的熱水使用。目前，市場上太陽能熱水器的控制系統(tǒng)大多存在功能單一、操作復(fù)雜、控制不方便等問題，很多控制器雖然具有溫度和水位顯示功能，卻不具有溫度控制功能或控制精度誤差較大，系統(tǒng)可靠性不足，致使熱水器陰天的時(shí)候使用不方便。即使熱水器具有輔助加熱功能，也因加熱時(shí)間不能控制而產(chǎn)生過燒現(xiàn)象，從而浪費(fèi)電能。為此結(jié)合所學(xué)相關(guān)知識，在保證基本功能較為完善的前提下，考慮經(jīng)濟(jì)性，提供了一種以51單片機(jī)為核心，具有低液位加水和輔助加熱功能的太陽能熱水器控制器的思路。

2 太陽能熱水器整體結(jié)構(gòu)介紹

一個(gè)太陽能熱水系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：集熱器、儲水箱、連接管路、輔助加熱器、控制器等。按照熱水系統(tǒng)的構(gòu)造特點(diǎn)可以將太陽能熱水系統(tǒng)分為強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)、自然循環(huán)系統(tǒng)以及直流式系統(tǒng)三種類型。

太陽能熱水器集熱器是太陽能熱水系統(tǒng)最關(guān)鍵的裝置。根據(jù)集熱器的構(gòu)造以及熱能的吸收方式的不同，目前市場上的太陽能集熱器主要分為三種類型，包括真空管式集熱器、平板式集熱器以及熱管式真空管集熱器。

太陽能熱水器的輔助能源加熱系統(tǒng)有多種形式，現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)中應(yīng)按照用戶實(shí)際情況，操控便捷性等綜合考慮。目前常見的輔助能源加熱形式包括內(nèi)置式電加熱器、電鍋爐、空氣源熱等方式。用戶可根據(jù)需要選用相應(yīng)的輔助熱源，其中，電加熱是使用發(fā)熱電阻加熱冷水，它的特點(diǎn)是成本低、安裝簡便，但運(yùn)行成本較高且因?yàn)殡娂訜崞髦苯优c水接觸易產(chǎn)生水垢，故其使用壽命短；空氣源熱泵的集熱效率高、運(yùn)行成本低、綠色、環(huán)保，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，初期的投入成本高。

本次設(shè)計(jì)的太陽能熱水器控制器以STC89C52單片機(jī)為核心，與其他器件配合實(shí)現(xiàn)熱水器的基本功能，控制系統(tǒng)硬件框圖見圖1。

2.1 水位檢測電路

本設(shè)計(jì)采用4檔電阻式水位傳感器，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)很簡單，儲水箱內(nèi)水面每接觸一個(gè)探針就多并聯(lián)一個(gè)25kΩ電阻，接入電路中的電阻值隨水位變化而規(guī)律的變化。利用電阻式水位傳感器測量水位的優(yōu)勢是節(jié)約成本，降低電路復(fù)雜度，便于及時(shí)更換。不足之處是電阻探針在水里使用時(shí)間過長會產(chǎn)生大量的水垢，為防止這個(gè)現(xiàn)象發(fā)生，用不銹鋼材料將電阻探針包裝起來，延長水位傳感器的使用壽命。

2.2 溫度檢測電路

采用負(fù)溫度系數(shù)NTC熱敏電阻溫度傳感器，測溫元件采用NTC熱敏電阻，負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻的阻值變化特點(diǎn)是溫度變大，電阻值減?。粶囟茸冃?，電阻值增大。

2.3 顯示電路

顯示電路包括水位顯示和溫度顯示兩部分。

水位顯示電路由單片機(jī)P2.4-P2.7口來控制，單片機(jī)處理采集的水位變量，使P2.4-P2.7口輸出高低電平控制4個(gè)發(fā)光二極管亮滅的個(gè)數(shù)，從而顯示水位的高低。

溫度顯示電路采用數(shù)碼管顯示溫度。7段式LED數(shù)碼管是利用7個(gè)LED和1個(gè)代表小數(shù)點(diǎn)的LED組合而成的顯示器件，能用來顯示0～9等10個(gè)數(shù)字以及小數(shù)點(diǎn)，電路連接及使用原理較為簡單。7段式LED數(shù)碼管分為共陰極與共陽極兩種，共陽極是指LED的陽極都連接到共同的結(jié)點(diǎn)，每個(gè)LED的陰極分別為a、b、c、d、e、f、g、dp（小數(shù)點(diǎn)）；共陰極是指把LED的陰極連接到共同的結(jié)點(diǎn)，每個(gè)LED的陽極分別為a、b、c、d、e、f、g及dp。

熱水器溫度需能夠顯示0至99°C，本設(shè)計(jì)采用數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描方式，利用單片機(jī)P0口控制數(shù)碼管的段選，P2.0和P2.1口控制位選，實(shí)現(xiàn)溫度顯示。注意當(dāng)P0口作為I/O口時(shí)需加上拉電阻。本設(shè)計(jì)采用共陰極數(shù)碼管，將0～9這十個(gè)數(shù)字的字形碼定義成一個(gè)數(shù)組，通過對溫度數(shù)據(jù)查表，就能顯示相應(yīng)的數(shù)字。

2.4 驅(qū)動(dòng)電路

2.4.1 上水控制電路

通過按按鈕給單片機(jī)發(fā)送上水信號，由單片機(jī)P3.0口輸出高低電平來控制三極管的導(dǎo)通和截止，進(jìn)而控制上水繼電器的導(dǎo)通和關(guān)斷。P3.0口通過一個(gè)1K的電阻接三極管Q1的基極，基極與射極之間連接1K電阻，Q1的集電極通過上水繼電器接+12V電源，將繼電器與反向二極管并聯(lián)，Q1射極接地。當(dāng)P3.0輸出低電平時(shí)，三極管截止，即集電極電流Ic≈0，基極電流Ib≈0，此時(shí)流過繼電器的電流幾乎為0，繼電器打開。當(dāng)P3.0口輸出為高電平時(shí)，三極管Q1導(dǎo)通，有較大的飽和電流流過繼電器，使其吸合關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)上水操作。

2.4.2 加熱控制電路

通過按按鈕給單片機(jī)發(fā)送加熱信號，由單片機(jī)P3.1口控制加熱電磁繼電器，當(dāng)P3.1輸出低電平時(shí)，三極管Q2不導(dǎo)通，流過繼電器地電流幾乎為0，開關(guān)開啟，電加熱器未接入電路，不加熱；當(dāng)P3.1口輸出高電平時(shí)，三極管Q2導(dǎo)通，繼電器有較大飽和電流流過，開關(guān)閉合，電加熱器開始工作。

3 模塊選擇

依據(jù)設(shè)計(jì)思路，控制系統(tǒng)硬件整體結(jié)構(gòu)分為四個(gè)模塊：

3.1 水位測量模塊

使用電阻型4檔水位傳感器，采用RC充放電并用單片機(jī)記錄時(shí)間的方法，通過記時(shí)時(shí)間的改變間接地采集并處理水位信號，達(dá)到測量水位的目的。

3.2 水溫測量模塊

采用負(fù)溫度系數(shù)NTC熱敏電阻溫度傳感器，同樣用RC充放電、單片機(jī)記錄不同的定時(shí)時(shí)間的方法，實(shí)現(xiàn)水溫的測量。

上述兩個(gè)模塊是太陽能熱水器控制系統(tǒng)最關(guān)鍵的部位。

3.3 水位與水溫顯示模塊

依據(jù)4個(gè)并排的發(fā)光二極管的亮滅顯示不同的水位，使用數(shù)碼管顯示水的溫度。此模塊主要用于人機(jī)信息交互，能較為直觀地顯示太陽能熱水器儲水箱內(nèi)水的狀況。

3.4 驅(qū)動(dòng)模塊

此模塊是系統(tǒng)的執(zhí)行部分，包括上水電路（三極管、上水繼電器）、加熱電路（三極管、加熱繼電器）等。

在整個(gè)控制系統(tǒng)中，微處理器是控制器的控制核心，需具備較強(qiáng)的控制能力、較快的運(yùn)算速度以及豐富的外設(shè)資源。同時(shí)，為降低控制器的成本，微處理器需具備一定的價(jià)格優(yōu)勢。本設(shè)計(jì)采用STC公司生產(chǎn)的STC89C52單片機(jī)。

4 系統(tǒng)的調(diào)試與功能實(shí)現(xiàn)

4.1 系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)的調(diào)試

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是基于STC89C52的太陽能熱水器控制器，在連接復(fù)雜的電路前先在 Proteus中進(jìn)行模擬仿真，測試程序設(shè)計(jì)是否符合電路的相關(guān)要求，程序是否運(yùn)行正確合理。用Proteus軟件把電路中所需要的元器件調(diào)出，繪制出具體的電路圖，設(shè)置好元器件相應(yīng)的參數(shù)。然后把用Keil軟件編寫好的程序?qū)氲絾纹瑱C(jī)中。

4.2 系統(tǒng)硬件電路的調(diào)試

根據(jù)仿真電路，通過電路板和單片機(jī)最小系統(tǒng)板搭建電路，按模塊分別搭建獨(dú)立調(diào)試成功后，搭建完整電路進(jìn)行綜合調(diào)試。

調(diào)試的一個(gè)關(guān)鍵是溫度校準(zhǔn)。要根據(jù)具體的電路實(shí)現(xiàn)溫度的校準(zhǔn)，采用線性校準(zhǔn)法，測量0°C、100°C時(shí)熱敏電阻的阻值，根據(jù)熱敏電阻的指數(shù)遞減的特性，可求出其他的溫度時(shí)的阻值。查表法是一種線性插值法，將非線性函數(shù)分段，即將每小段曲線用直線代替，分段越多誤差越小，將折點(diǎn)坐標(biāo)值畫入圖中，利用兩點(diǎn)的直線方程可求得其兩點(diǎn)之間其他點(diǎn)的值，即可實(shí)現(xiàn)溫度的校準(zhǔn)。

水位顯示的實(shí)物連接圖如圖2所示，電路板上面是555定時(shí)器產(chǎn)生方波的電路、RC充放電電路、LM358構(gòu)成的跟隨器、LM393構(gòu)成的比較器以及4個(gè)LED，上側(cè)為+5V、+12V電源，右側(cè)為水位水溫傳感器。

4.3 系統(tǒng)電路功能實(shí)現(xiàn)

實(shí)物調(diào)試實(shí)現(xiàn)了下列功能：

當(dāng)水位變化時(shí)，4個(gè)發(fā)光二極管亮滅相應(yīng)變化，能較準(zhǔn)確地表示出水位的變化。當(dāng)水的溫度變化時(shí)，數(shù)碼管能較準(zhǔn)確地顯示溫度，誤差在3°C以內(nèi)。當(dāng)按下上水按鈕時(shí)，上水繼電器動(dòng)作，模擬加水。當(dāng)按下加熱按鈕后，若溫度低于65°C，則電加熱繼電器動(dòng)作，模擬輔助加熱；當(dāng)溫度上升到設(shè)定溫度時(shí)，電加熱繼電器失電，停止加熱?；具_(dá)到設(shè)計(jì)的期望與要求。

5 結(jié)束語

本文以STC89C52單片機(jī)為核心，配合4檔電阻型水位傳感器、負(fù)溫度系數(shù)NTC熱敏電阻溫度傳感器、數(shù)碼管以及驅(qū)動(dòng)電路（上水繼電器、電加熱繼電器）等外圍器件實(shí)現(xiàn)控制器對太陽能熱水器容器內(nèi)的預(yù)期功能，并通過仿真和實(shí)物連接進(jìn)行了驗(yàn)證。

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