◇咸陽師范學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 王二寶 李夢琪 黃忠南 宋 丹

本文主要目的是設(shè)計一個能夠符合大眾需求的太陽能熱水器水位水溫控制器，并介紹了一種太陽能熱水器水位水溫控制器的系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用了52單片機、DS18B20溫度傳感器、HCSR04超聲波測距模塊等元器件，能夠?qū)λ?、水溫進(jìn)行實時監(jiān)測和控制。硬件設(shè)計是用STC89C52作為核心芯片，通過按鍵設(shè)置溫度和水位的上下限，從而進(jìn)行功能選擇，以達(dá)到控制水溫水位的目的，并通過LCD進(jìn)行顯示。軟件設(shè)計依靠Keil編寫程序，并在Proteus軟件中進(jìn)行仿真。軟件和硬件相結(jié)合，讓本次設(shè)計更有可行性，可以達(dá)到預(yù)期設(shè)想功能。

1 太陽能熱水器

1.1 太陽能熱水器的工作原理

太陽能熱水器采用了溫室工作的原理，它將收集到的太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能遞送到需要加熱的水中，最終實現(xiàn)冷水加熱的設(shè)備。

集熱鍍膜吸收太陽輻射后，發(fā)熱，通過熱傳遞將內(nèi)能傳遞至水中，水受熱后由于受到重力作用而獲得動力，儲存在水箱的上部，較低溫度的水會不停的進(jìn)入水箱，反復(fù)循環(huán)，直至達(dá)到預(yù)設(shè)溫度。

1.2 太陽能熱水器的優(yōu)缺點

優(yōu)點：太陽能熱水器低碳綠色、適應(yīng)力強、安全可靠。只要有陽光，便可正常運行，適合家庭多人使用；同時，太陽能熱水器抗凍能力比較強，避免過冷而結(jié)冰。

缺點：體積比較大，容易聚集水垢；安裝程序比較復(fù)雜，日常維護(hù)困難。

2 系統(tǒng)總體方案

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該控制器是基于52系列單片機設(shè)計的，設(shè)計思路如下：STC89C52單片機作為主控芯片，其和傳感器、顯示器件、報警器等共同構(gòu)成控制器，傳感器采集水箱中的水溫和水位信號，將信號傳送給單片機后，最終顯示在LCD1602上[3]。本次設(shè)計通過按鍵設(shè)置水溫和水位的上下限，并進(jìn)行功能選擇，以達(dá)到控制水溫水位的目的，當(dāng)達(dá)到水溫和水位的下限值時，會觸發(fā)報警系統(tǒng)，并開始自動加熱和上水；當(dāng)達(dá)到上限值時，會再次觸發(fā)報警系統(tǒng)，停止加熱加水。

2.2 主要模塊的方案論證

（1）控制芯片的選擇。方案一：采用STC89C52作為主控芯片，其屬于52系列，不僅包含51系列的所有功能，還有很多51系列沒有的功能。其速度比傳統(tǒng)8051快8～12倍，且市場供應(yīng)充足，是一款低功耗、高性能、加密性好、抗干擾強的單片機。方案二：采用51系列單片機，51系列單片機入門芯片，使用熟練，復(fù)雜運算難以實現(xiàn)。比較以上兩種方案，最終選擇了方案一，不僅僅是因為它的價格、實現(xiàn)功能的方式，而且它符合本次設(shè)計，可行性也比較強。

（2）水位檢測電路選擇。對于水位檢測電路有很多方案，通過篩選，最終選擇了以下兩種方案。方案一：采用簡單的機械式檢測水位。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，成本低。但精確度低，且不能顯示數(shù)值。方案二：采用HCSR04超聲波測距模塊，其可以準(zhǔn)確的測量距離，測量的范圍廣，且誤差小，其便于安裝。比較以上兩種方案，考慮到精確度以及實施可行性，決定采用方案二。方案二更加方便，也更加合理。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 水位采集電路

水位采集工作是HCSR04超聲波測距模塊與單片機一起完成的，在檢測水位時，HCSR04發(fā)送超聲波，并觸到水面時返回，并通過計算得到水位。采用此電路不僅簡化了電路，而且加強了可靠性。

工作原理：單片機和HCSR04一起完成水位采集工作，其原理就是所謂的時間差測距法。單片機發(fā)出一個高電平信號HCSR04接收后開始進(jìn)行測距，模塊發(fā)出信號，并檢測是否有返回的信號，若有則ECHO口輸出高電平。

3.2 水溫采集電路

當(dāng)與設(shè)定的溫度值進(jìn)行比較后，如果測得的溫度低于所設(shè)下限值，單片機將會接收此信息的反饋，發(fā)出加熱的指令，直至達(dá)到設(shè)定溫度上限值時，停止加熱。

4 顯示電路設(shè)計

顯示電路在本設(shè)計中要求顯示溫度和水位值，方便用戶可以直接查看數(shù)值，對當(dāng)前的水溫水位有直接的了解，來選擇之后是否升溫、是否加水。本設(shè)計在經(jīng)過模塊對比之后，最終選擇LCD1602作為顯示電路的核心元件。在此系統(tǒng)中，其用來顯示溫度以及水位值。

5 按鍵電路設(shè)計

按鍵模塊是利用獨立按鍵進(jìn)行設(shè)定固定值和功能，將按鍵接入電路中，達(dá)到自己所要預(yù)期上下限值和功能。按鍵電路是用來實現(xiàn)調(diào)節(jié)設(shè)定溫度和水位的固定值以及所需要的功能。

容積設(shè)定按鍵K1，按一下K1鍵可以設(shè)置水位的上限值，按兩下可設(shè)水位的下限值，再按一下確定設(shè)置。

溫度設(shè)置按鍵K2，按一下K2鍵可以設(shè)置水位的上限值，按兩下可設(shè)水位的下限值，再按一下確定設(shè)置。

當(dāng)處于設(shè)置水溫界面時，按下按鍵K3/K4，可以設(shè)置水溫。

6 報警電路設(shè)計

當(dāng)水的溫度低于設(shè)定的下限溫度值時，單片機輸出高電平，三極管導(dǎo)通，觸發(fā)報警設(shè)置，提示水溫過低，并自動加熱，當(dāng)水的溫度到達(dá)上限溫度值后，加熱系統(tǒng)停止加熱。當(dāng)水位低于設(shè)定的下限水位值時，電路報警，水泵工作，開始自動抽水，直至達(dá)到上限水位值時電路會再次報警，且系統(tǒng)停止抽水。

7 系統(tǒng)軟件設(shè)計

接上電源后，單片機、傳感器、顯示屏開始初始化，進(jìn)入主程序運行，進(jìn)行按鍵掃描處理，以及對各模塊子程序的調(diào)用，以及在各個模塊無外部中斷申請時，在顯示屏上進(jìn)行實時顯示。主程序流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)主程序流程圖

8 系統(tǒng)仿真與調(diào)試

8.1 軟件測試

單片機功能的實現(xiàn)依靠軟件的運行。在軟件Keil4中用C語言進(jìn)行編寫程序，編譯鏈接，直至沒有錯誤，再生成.hex格式的文件，將它再加載到Proteus原理圖中進(jìn)行仿真。

8.2 軟件仿真

在仿真軟件Proteus上畫出電路圖，添加.hex文件后進(jìn)行仿真運行。觀察現(xiàn)象是否達(dá)到預(yù)期結(jié)果，再焊接實物圖。

8.3 實物的調(diào)試

在經(jīng)過元器件選擇、軟件仿真、以及焊接之后，進(jìn)行實物的調(diào)試。

接通電源后，顯示屏上顯示當(dāng)前的水位、水溫、桶的容積以及HCSR04距水面的位置。