展赫 袁建川 駱瑩升 李杰 薛蕊

【摘?要】通過對市面上太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)的分析，設(shè)計一種太陽能熱水器智能控制系統(tǒng)，能夠檢測水位水溫并且顯示到顯示屏幕，當(dāng)水位低的時候能夠自動加水，擁有按鍵調(diào)節(jié)作用，也可以定期對水箱進(jìn)行清理，藍(lán)牙預(yù)約加熱以及清理。保證用水時的溫度及質(zhì)量。以STM32為主控芯片，通過傳感器來檢測水的位置跟溫度進(jìn)行處理，并通過OLED顯示出來，是一款自動、節(jié)能設(shè)備。上水加有多出水位檢測，并且能夠更好的避開光照充足時上水時間進(jìn)行補(bǔ)水。并且限制在白天的一定范圍內(nèi)不會上水，防止產(chǎn)生爆管的情況。并且伴有輔助加熱功能，通過藍(lán)牙控制繼電器控制加熱，弱電控制強(qiáng)電起到更好的隔離保護(hù)。預(yù)約加熱能夠更節(jié)約電加熱的損耗。自動上水，溫度上下限控制，以及定期排污除垢清洗，使用的水更加干凈。使得控制系統(tǒng)更加自動化節(jié)能化。

【關(guān)鍵詞】STM32;OLED顯示;水位監(jiān)測;藍(lán)牙;自動化;節(jié)能;太陽能熱水器

引言

在科技高速發(fā)展和科技以人為本的今天，目前的技術(shù)和產(chǎn)品是有缺陷的。實現(xiàn)太陽能熱水器的可控溫，實現(xiàn)光熱電熱、光熱氣熱的互補(bǔ)，是太陽能熱水器產(chǎn)品升級、換代的必然趨勢?，F(xiàn)太陽能熱水器的可控溫是科技進(jìn)步的象征，是社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。其主要意義在于市場競爭的需求：隨著太陽能熱水器的逐步普及，太陽能熱水器的同質(zhì)化，已使這個行業(yè)從早年的技術(shù)競爭轉(zhuǎn)變?yōu)楫?dāng)前的價格之戰(zhàn)。太陽能熱水器的升級換代己迫在眉睫。消費(fèi)目標(biāo)的需求：太陽能熱水器的節(jié)能和環(huán)保已得到消費(fèi)市場的認(rèn)可，但消費(fèi)者不滿足一個被動吸熱、冬冷夏熱的節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品。節(jié)能的需求：在水資源日益缺乏的今天，為了反復(fù)兌水、調(diào)試水溫而造成浪費(fèi)是十分不該的。安全的需求：用戶不喜歡有燙傷事故隱患的熱水器，研發(fā)制造一種可控溫的太陽能熱水器，具有十分重要的意義。如何實現(xiàn)太陽能熱水器的可控溫，面對一個被動吸熱的受熱體似乎是不可能的！科技創(chuàng)新的目的就是要把不可能的變成可能的。實現(xiàn)太陽能熱水器的可控溫關(guān)鍵在于控制軟件的研發(fā)及相關(guān)硬件的配合支持。

1硬件系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計包括控制部分、檢測部分、執(zhí)行部分、顯示部分、藍(lán)牙傳輸部分總體設(shè)計框圖見上圖1。

1.1電機(jī)調(diào)速電路

對于電機(jī)的調(diào)速，我們采用程序編寫進(jìn)行PWM調(diào)速的方法。

PWM調(diào)速的原理是通過控制在一個周期內(nèi)輸出高電平的時間大小，從而實現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度。在硬件電路的連接上，將CONTROL_1、CONTROL_2、CONTROL_3、CONTROL_4分別接在單片機(jī)4個I/O口上，通過控制I/O口輸出高電平確保2104S正常工作，將PWM_1、PWM_2、PWM_3、PWM_4分別接在單片機(jī)定時器引腳上上，通過改變輸出占空比，改變裝置的運(yùn)行速度。MOS管全橋電機(jī)驅(qū)動電路配合PWM，保證有較大的的調(diào)節(jié)范圍和準(zhǔn)確的調(diào)節(jié)速度，所以在這里采用MOS管驅(qū)動完全滿足工作要求，由于，信號源沒有足夠的電流輸出能力，為了保證MOS管能夠正常工作，需要加上IR2101驅(qū)動芯片，具體電機(jī)驅(qū)動電路圖見圖2。

N型MOS需要在柵極和源極之間加10V～20V電壓才能完全導(dǎo)通。電容C1和二極管DI的作用是與負(fù)載組成一個BOOST升壓電路，使得在IR2101S芯片的VB引腳上產(chǎn)生一個12V的電壓，IR2101S芯片會用VB腳的12V電壓來驅(qū)動NMOS上管。使用主動升壓電路來代替DI CI，主動升壓到12V，輸入到IR2101的VB引腳，電容C2保留去除二極管DI即可保證半橋恒導(dǎo)通。二極管的作用為：關(guān)斷時快速泄放柵源極電容上的電荷來加快關(guān)斷速度，減小關(guān)斷時間，進(jìn)而降低關(guān)斷時的損耗。

1.2電流檢測電路

電流檢測及過流保護(hù)電路如圖3所示。

電機(jī)的工作電流通過采樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號。經(jīng)過由精密放大器LM258組成的同向比例運(yùn)算放大器電路放大后，作為電流閉環(huán)控制電流反饋信號輸入到微控制器進(jìn)行AD采樣。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

單片機(jī)供電開始工作進(jìn)行檢測，當(dāng)水位處于低水位時驅(qū)動電磁閥進(jìn)行開閘供水，當(dāng)水位到達(dá)中水位是指示燈亮起，當(dāng)水位到達(dá)高水位時停止供水。通過藍(lán)牙進(jìn)行預(yù)約加設(shè)定加熱溫度上下限，進(jìn)行加熱。圖3所示。

（1）檢測流程

本設(shè)計通過DS18B20通過讀取數(shù)據(jù)反映給主控芯片，經(jīng)過主控芯片對數(shù)據(jù)處理后傳給OLED屏幕把實時溫度顯示出來，主控系統(tǒng)檢測按鍵以及藍(lán)牙的動作，可通過藍(lán)牙對溫度定時控制，并設(shè)定溫度上下限。如果檢測到溫度到達(dá)上限，就給主控系統(tǒng)一個信號停止加熱，如果到達(dá)下限，就給主控系統(tǒng)加熱信號。

（2）上水流程

水位檢測傳感器為分段式檢測，根據(jù)水位到達(dá)不同的地方，對主控系統(tǒng)進(jìn)行反應(yīng)，水位分5個檔100%、75%、50%、25%、10%。能夠更好地顯示水量的位置，水位到達(dá)100%時，主控制器接收到信號停止加水并進(jìn)行報警，當(dāng)水位到達(dá)25%時，主控制器接收到信號，控制上水繼電器閉合進(jìn)行上水動作。設(shè)置清理時間，到達(dá)進(jìn)行清理。清理一段時間進(jìn)行上水排水循環(huán)清理，最后停止清理再進(jìn)行上水。

（3）按鍵流程

可通過按鍵對主控制器控制，不同按鍵有不同作用，SB1控制功能的確認(rèn)，SB2控制數(shù)值的左移，SB3控制右移，SB4控制上移/切換SB5控制下移。按鍵模塊首先要判斷是否按下功能鍵，如果沒有按下就繼續(xù)等待，如果按下就保存這個功能命令;在進(jìn)行按鍵輸入，直達(dá)按下確認(rèn)鍵，數(shù)據(jù)有效。沒有按下則輸入的無效。根據(jù)不同的命令做不同的功能處理。按鍵抖動處理是對按鍵按下后延時一段時間再檢測來消除的。

（4）清理流程

清理設(shè)計可以通過定期以及定天進(jìn)行控制清理，通過藍(lán)牙輸入要清理的日子進(jìn)行清理，到達(dá)清理的時候，防水用水開關(guān)會打開，在清理的狀態(tài)不讓用水，然后進(jìn)行添加除垢劑進(jìn)行沉淀，一段時間打開排污口開關(guān)通過排污口排出水，排到水位很低的時候，防用水開關(guān)閉合，進(jìn)行加水同時排污口保持打開，進(jìn)行一個循環(huán)沖洗的過程一段時間后結(jié)束清理，回歸正常狀態(tài)，缺水就進(jìn)行加水。

3 結(jié)論

太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)水位檢測和提示、溫度檢測和加熱、時間顯示和調(diào)整，由于本設(shè)計是弱電控制強(qiáng)電，采用繼電器和外部鏈接會更安全，當(dāng)外部電壓過大時能有效保護(hù)單片機(jī)，然后通過繼電器控制加熱和加水的關(guān)閉狀態(tài)，可通過藍(lán)牙預(yù)約開啟，加熱最大程度上節(jié)約能源，保證用水。此設(shè)計帶有報警提示，用來提示各種當(dāng)前動作與不同的動作，測量水溫在溫度低于設(shè)定值時進(jìn)行加熱到預(yù)定值溫度。控制系統(tǒng)可以根據(jù)天氣情況利用輔助加熱裝置（電加熱器）使蓄水箱內(nèi)的水溫達(dá)到預(yù)先設(shè)定的溫度，從而達(dá)到24小時供應(yīng)熱水的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]蘇賜民，李春杏，曾君，劉俊峰.太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制，2019，27（12）：106-110.

[2]周雪林.基于單片機(jī)和傳感器的太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)[J].電子世界，2018（10）：172-173.

作者簡介：

展赫（1998-），男，山東省濟(jì)南人，學(xué)士，研究方向：控制工程。

李杰（1998-），男山東濟(jì)南人，學(xué)士，研究方向：控制工程。

駱瑩升（2001-），男，四川資陽人，學(xué)生，研究方向：機(jī)器人工程。

袁建川（1998-），女，重慶市人，學(xué)士，研究方向：控制工程。

薛蕊（1981-），女，山東省濟(jì)寧人，碩士，副教授，研究方向：控制工程。

該項目由國家級創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目《太陽能熱水器自動控制系統(tǒng)》（S202013320020）支持。

（作者單位：青島黃海學(xué)院）