智能太阳能热水器温度控制系统设计
2014-01-20方小坤
方 小 坤
(扬州职业大学，江苏 扬州 225009)
目前，市场上多数太阳能热水器的功能比较单一、操作不方便。鉴于此，本文设计了一款以89C51F310 为核心芯片［1］，实现水温、水位的显示、自动电加热、自动报警等多功能的太阳能温控系统，本系统结构简单、可靠性高、成本低，具有良好的市场应用前景。
1 系统构成
太阳能温度控制系统［2］主要由五个部分组成，分别为水温、水位检测、显示、按键以及电磁阀驱动部分组成。具体控制系统结构框图，如图1所示。
89C51F310 系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有内置的FLASH 程序存储器和256 字节的内部RAM，机器周期由标准的12 个系统时钟周期降为1 个系统时钟周期，处理能力大大提高，峰值性能可达25MIPS。
图1 控制器的结构
其工作过程，首先通过按键设置水箱的温度，系统进行水箱内的水温自动检测，如果检测温度高于设置温度且水位未达到最高位时，控制系统打开电磁阀进行上水同时点亮上水指示灯，直到水箱内水温与设置温度一致时停止上水。如果检测温度低于设置温度时，系统控制电阻丝对水箱内的水进行加热同时点亮加热指示灯。系统通过五个指示灯表示水箱内的水的位置，当水箱内水位低于最低水位或高于最高水位时，会通过指示灯进行报警。
2 主要硬件电路设计
2.1 水温检测电路原理
本设计采用了DS18B20 数字温度传感器来测量温度［3］，该传感器采用单总线技术，能有效的减小外界的干扰，提高测量的精度，同时，它可以直接将被测温度转化成串行数字信号供单片机处理，DS18B20 可以程序设定9 ～12 位的分辨率，精度为±0.5℃。电路如图2 所示。当温度低于设定温度时，通过继电器开关使电阻丝加热。
图2 水温检测电路
2.2 水位检测电路
水位传感器采用5 个铜铆钉作为电极［4］，最下部的电极作为公共端，其余表示水位，电极间相当于一个开关，有水时水中的离子导电，开关导通，直流电压通过电阻和水位开关，将信号送到单片机端口，通过端口电压变化判断水位的大概位置，并通过4 个LED 灯显示水位状况，当水位低于最低水位时，红色LED 灯报警，同时打开电磁阀自动上水，水位检测电路如图3 所示。
图3 水位检测电路
2.3 按键电路
按键的选择电路如图4 所示，本系统采用独立式按键模式，各个按键相互独立。通过调节按键可实现水温的显示、调节以及上水/停止等功能。
图4 键盘电路
2.4 显示电路
显示电路采用共阴数码管4BS2H501T，MAX7219 作为驱动控制芯片实现动态扫描电路，如图5 所示，数码管可显示水温数值，4 个LED 指示灯显示水位，其它4 个分别显示上水、加热、报警、电源的状态。
3 软件设计
本系统软件程序采用C 语言，运用PID 闭环控制理论。系统的程序主要由温度采集程序、显示程序、按键程序、驱动程序等组成。温度控制主程序流程如图6 所示。
主程序:
图5 显示电路
图6 流程
Read-Temperature();//温度检测
Read-Temperature();//温度检测
Delay-1ms(100);
EA=0;
TCON=0x10;//重新清除外部中断标志
Init-Max7219();//MAX7219 初始化
Clear-Max7219();//MAX7219 清除显示，
免去干扰
ET0 =1;//打开T0 中断
EA=1;
Led-Bit=0x40;
Write-Max7219(0x06，Led-Bit);//扫描第5位指示灯位(LSB)，并送段码显示
while(1)
{Read-Temperature();//温度检测
Test-WaterLevel();//水位检测
Scan-Key();//键盘扫描
if(P1 = =0xFF)
{Process-Key();//键盘处理}
if(!F-Set)
{Dis-Temp();//显示温度界面}
else
{Dis-Set-Temp();//显示温度设置界面}}
4 实验与结论
系统安装后，针对几种冷、热水温度进行了测试［5］，设定出水温度为30℃。为考察实验系统对不同进水温度变化时的调节速度，实验中使用SWK -2 表面温度计测量冷、热水温度，且保持水压恒定。由于水的热容量较大，水温本身也难以突变。系统的控制方案较简单，只是线性的时间调节。若遇到温差较大时，则调节时间较长。
针对现有多数热水器不能自动进水、没有水温水位显示、不能自动加热，造成了水资源和能源严重浪费等现象。本设计方案创新的提出采用了高性能的89C51F310 单片机，其丰富的片内资源，实现对水温、水位的检测、自动加热以及自动上水等功能的智能化控制，抗干扰能力强，应用前景广泛。
［1］ 孙育才.单片微型计算机及其应用［M］.南京:东南大学出版社，2004.
［2］ 鲍文胜.基于单片机的太阳能热水器控制系统研究［J］.青岛理工大学学报，2007，(5):79 -80.
［3］ 赵娜，赵刚，于珍珠，等.基于51 单片机的温度测量系统［J］.微计算机信息，2007(1 -2):146 -148.
［4］ 王公堂，李秀琴，黄世亮，等.基于PIC16C73 芯片的水温水位控制仪的设计［J］.山东师大学报:自然科学版，2001(3):326 -328.
［5］ 冯明发，卢锦川. 基于单片机的淋浴水温控制系统的设计［J］.价值工程，2010(15):178 -179.
