一种新型太阳能热水器控制电路的设计

饶钻万

福建师范大学福清分校 福州 350300

一种新型太阳能热水器控制电路的设计

饶钻万

福建师范大学福清分校 福州 350300

随着人们生活水平的提高，各种热水器的使用已相当普及。与之相配套的控制仪也相继问世。然而，目前市场上的各种热水器控制电路还与理想要求相差甚远。消费者需要真正的“自动”控制，以实现使用的最简单化。就像家用电视机、电冰箱一样，接通电源、设定完毕就不用再操心了。太阳能热水器作为三大热水器之一，因其无污染、使用方便、长期投入成本低等特点，而越来越受到人们的青睐，但与之配套的控制器却还一直处于研究和开发阶段，为解决水温水位的自动控制问题，本电路专门设计水温的实时监测，并在设计中将水位多级化，实现更精确的测量。本次设计运用AT89C52单片机，设计一种自动控制电路，该电路用于太阳能热水器。当使用热水器时，可以自动进行温度检测和液位检测，使太阳能自动补水或排水，真正做到最简单化。并且该电路易于扩展，可实现多点的温度检测，或者更多点的液位检测。文章详细介绍基于单片机的太阳能热水器自动控制系统组成、硬件设计。

单片机；自动控制；太阳能热水器；温度检测

Author’s addressFujian Normal University in Fuqing, Fuzhou, China 350300

在全球能源形势紧张、气候变暖严重威胁经济发展和人们生活健康的今天，世界各国都在寻求新的能源替代战略，以求得可持续发展和在日后的发展中获取优势地位。太阳能以其清洁、源源不断、安全等显著优势，成为关注重点。在太阳能产业的发展中，太阳能热水器的热利用转换技术无疑是最为成熟的，其产业化进程也较光伏电池、太阳能发电等产业领先一步。

太阳能热水器已成为我国第一个实现商业化的可再生能源产业。自1998年起，中国就成为太阳能热水器第一大制造和消费的市场，现已经发展成为一个重要的产业。目前，太阳能热水器与电、燃气热水器三分热水器市场。2007年，我国太阳能热水器年产量达2 340万平方米，比2006年同期增长30%；总保有量达10 800万平方米，比2006年同期增长20%；市场销售额约为320亿元人民币。

目前，太阳能热水器控制系统一直处在研究与开发阶段。市面上绝大多数的控制器结构简单，功能单一，智能化程度低下，用户界面不人性化，只具有液位显示功能，不具有温度显示功能。并且当水位加到一定程度时也没有什么措施，只能通过手动的方法来控制水位的高度。根据以上情况，开发出一种太阳能热水器智能控制系统，解决目前市面上太阳能热水器控制系统存在的问题。

1 系统设计

1.1 设计原理

太阳能热水器自动控制电路采用AT89S52单片机作为控制核心，外围加蜂鸣器控制电路、数码显示电路、水位检测电路、电机控制电路、按键电路、温度检测电路等。数码管实时切换显示当前温度与当前液位。当液位过高时，蜂鸣器报警，并且电机反转进入排水过程；当液位过低时，蜂鸣器报警，并且电机正转进入进水过程。本系统设计简单，成本低，性能优良，具有一定的稳定性和实用性。

1.2 基本原理框图

1）太阳能热水器控制装置主要组成。由单片机、显示电路、按键电路、蜂鸣器电路、电机电路、液位检测电路、温度检测电路、电源电路组成，如图1所示。

图1 原理框图

2）太阳能热水器控制装置的工作原理。接通电源后，显示当前水位，水位被分为16个点。并且显示当前温度。液位显示与温度的显示切换进行。当水位显示低于或等于1时，蜂鸣器报警，并且电机正转，表示进水；当水位显示高于或等于15时，蜂鸣器报警，并且电机反转，表示排水。液位检测利用CD4051电路实现。

1.3 各部分电路原理

1）最小系统。太阳能热水器控制电路数控部分采用AT89S52单片机作为控制核心。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8 k在系统可编程Flash存储器[1-2]。AT89S52具有以下标准功能：8 k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口，看门狗定时器，2个数据指针，3个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0 Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，单片机停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8位微控制器8 k字节为在系统可编程Flash。

图2 最小系统

图3 显示电路

所谓最小系统就是指由单片机和一些基本的外围电路所组成的一个可以工作的单片机系统。一般来说，它包括单片机、晶振电路和复位电路[3]。①晶振电路：AT89S52片内有一个由高增益反相放大器构成的振荡电路。XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入输出端。其振荡电路有2种组成方式：片内振荡器和片外振荡器。②复位电路：在RST输入端出现高电平时实现复位和初始化。

最小系统电路如图2所示。

2）显示电路。由6个数码管和6个74LS164组成，采用串行静态显示的方法。将数码管的8个输入端与74LS164的输出端Q0～Q7相连。P1.0和74LS164的CLK连接，作为时钟；P1.4接74LS164的A端，作为显示数据的输入端[4-6]。显示电路如图3所示。

但是使用74LS164串显会出现消隐的问题。为了消除消隐，必须硬件与软件结合来消除消隐的问题。消隐电路如图4所示。软件上，在传数据时，先传一个高电平，直到数据传完再传送一个低电平即可。

图4 消隐电路

3）蜂鸣器电路。以Q51的基极作为蜂鸣器控制信号的输入端与单片机I/O口相连，主要由蜂鸣器、9013与9014两个三极管及5.1 k偏置电阻组成。当输入端为高电平时，Q51导通，Q52截止，蜂鸣器回路开路，蜂鸣器不响；当输入端为低电平时，Q51截止，Q52导通，蜂鸣器回路闭合，蜂鸣器发出响声。蜂鸣器电路如图5所示。

图5 蜂鸣器电路

4）电机电路。控制信号从IN端输入并经前级缓冲后送入片内控制器，然后由控制部分处理并驱动晶体管，最后由OUT端输出方波信号以控制电机的运行。触发使能端口（CE）的作用是分别对两个通道的输出进行控制，当CE端为低电平时，无论有无输入控制信号，输出端OUT始终呈高阻抗状态。因此，要使FAN8200控制器输出工作正常，器件的触发使能端必须为高电平。当CE为高电平，IN1为1时，电机正转；IN1为0时电机反转。电机电路如图6所示。

图6 电机电路

图7 液位检测电路

5）液位检测电路。液位检测控制电路，由2片CD4051与1片CD4066构成，但是考虑到成本，并且所设计的电路I/O口使用并不是太多，所以可以将CD4066省略，仅仅用2片CD4051即可实现功能。该芯片由DTL/TTL-COMS电平转换器，带有禁止端的8选1译码器输入，分别加上控制的8个COMS模拟开关TG组成[7]。

例如，当检测到液位在端点4位置时，0、1、2、3、4点被没过，与公共端之间形成水电阻，由于水电阻阻值非常小，所以这几点的电平被拉低。此时可以确定在ABC点读到的数为“100”，就可以通过单片机计算得出液位的高度。液位检测电路如图7所示。

6）温度检测电路。DS18B20数字温度传感器温度测量范围为-55～+125℃，可编程为9～12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.062 5 ℃，多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，单片机只需一根端口线就能与多个DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温度检测系统[8]。温度检测电路如图8所示。

图8 温度检测电路

2 软件设计

2.1 软件分析

太阳能热水器控制电路设计的软件部分由主程序、检测温度子程序、压缩16进制数变成压缩10进制数子程序、压缩10进制数变成非压缩10进制数子程序、代码变段码子程序、显示子程序、液位检测子程序以及延时子程序组成。在编程中，用C语言编写程序有利于实现较复杂的算法，但是汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间。不论是什么语言，始终是要被电脑转换成机器语言执行的[9-10]。所以，此次设计中，编程采用的是汇编语言。

图9

2.2 软件流程图（图9）

3 结束语

本产品可靠性高、成本较低、制作简单、体积小、重量轻、消耗小、易于系统设计、操作方便，只要上电，便可自动控制，实用性强，不容易损坏；适应性广，不但适用太阳能热水器，还可以应用于各种需要控制抽水的地方，如自来水储水箱。但是由于其功能还有所局限，所以仍有需要改进的地方。

[1]刘松.单片机原理与接口技术[M].天津:天津电子信息职业技术学院,2009

[2]李忠国,陈刚.单片机应用技能实训[M].北京:人民邮电出版社,2006

[3]曹金玲.单片机原理与接口技术课程设计指导书[M].天津:天津电子信息职业技术学院,2008

[4]王毅.单片机器件应用手册[M].北京:人民邮电出版社,1994

[5]胡汉才.单片机原理及接口技术[M].北京:清华大学出版社,1996

[6]邵敏权,刘刚.单片机原理实验及应用[M].长春:吉林科学技术出版社,1995

[7]刘笃仁,韩保君.传感器原理及应用技术[M].北京:机械工业出版社,2003

[8]童诗白.模拟电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2001

[9]周航慈.单片机应用程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,1991

[10]赖麒文.8051单片机C语言彻底应用[M].北京:科学出版社,2002

Design of A New Type of Solar Energy Water Heater

//Rao Zuanwan

With the socio-economic development, modern agricultural production can not be separated from environmental control, this article in the greenhouse at home and abroad to conduct in-depth analysis of intelligent control based on the existence of intelligent control for greenhouse many factors, the intelligent sensor monitoring and single-chip control by combining single-chip based on the temperature detection system design. The system uses a hierarchical, modular design, the entire system by the data acquisition system, single-chip control system, computer monitoring system. System to single-chip microcomputer as the core to a number of temperature and humidity sensor as a measurement component, through the single-chip smart sensor and connected to the storage collection of intelligent sensor measurement data. In single-chip system, but also the realization of the extended stored procedures, data, real-time display, alarm and data overrun voice auxiliary storage. Single-chip computer as a monitor connected with the center of intelligent sensors.

single-chip microcomputer; autocontroller; solar energy water heater; temperature measurement

TK515

B

1671-489X(2011)12-0091-04

10.3969/j.issn.1671-489X.2011.12.091