基于单片机的太阳能热水器控制系统设计

摘 要：本文设计了一种适合于家用、高性能的太阳能热水控制系统。系统以AT89S52单片机为控制核心，采用PCF8563实时时钟，能够实现温度、水位检测、报警、按键输入、液晶显示信息等功能。系统具有控制精度高、抗干扰能力强、实用方便等优点。

关键词：太阳能热水器；AT98S52；水温；水位

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.09.053

太阳能作为绿色环保的能源在现今社会的使用相当普及，太阳能热水器是太阳能利用最常见的一种装置，它将太阳能转化为热能，将水从低温加热到高温。本文设计的太阳能热水器控制系统以单片机AT89S52为主控芯片，能够实时测量水温、水位，并将数据显示于液晶屏，同时显示时间；可以根据用户实际需求和季节变化预先设置水位和温度；根据天气情况启动辅助加热（电加热），使水温达到预先设定的温度；同时通过软件来实现自动上水、循环加热、防冻控制、自动报警等功能[1]。

1 系统主要硬件设计

太阳能热水器控制系统采用MCS-51系列单片机AT89S52作为主控芯片，本系统主要由水位检测电路、温度检测电路、键盘输入、液晶显示、报警电路、数据存储、通讯接口、时钟电路、输出控制电路等部分组成[2]，系统框图如图1所示。

1.1 温度检测电路

在整个太阳能热水器控制系统中温度的检测对整个系统能否选择正确的工作状态起着重要作用。根据系统测量精度要求及考虑成本因素，温度传感器选用热敏电阻，通过多个热敏电阻分别来检测供水箱温度、集热器温度、出水管温度、回水管温度，采集到的信号放大后送多路模拟开关CD4052，在此选用ADOP-07放大器。再经电压/频率转换器LM331实现A/D转换[3][4]，最后送至AT89S52的T0通道，通过软件实现温度参数计算。

1.2 水位检测电路

水位检测选用不锈钢针进行采样，水位高度分为5级，用5根不锈钢针分别置于水箱内的5个不同高度位置。当水位低于钢针高度时，输出为高电平；水位高于钢针高度时，输出为低电平。采样得到的信号经电子开关CD40106送至单片机P2口，单片机根据引脚状态判断出相应的水位值，送液晶屏显示电路，显示共分5档，每档为满水位的20%。

1.3 通讯电路

系统主控电路板主要与两种显示电路进行通讯，一是近程显示电路，由于距离较近，直接采用排线方式实现通讯；二是远程显示电路，采用串行异步通信方式，系统通过RS-485接口进行远程通信[5]，发送与接收器选用DS3695A来实现。

1.4 其他硬件电路

输出控制电路。AT89S52的P1口与六路光电耦合器TIL621相连，由光电耦合电路驱动六路继电器输出，驱动电加热、电磁阀等工作。

键盘输入电路。系统设定六个按键，分别用作设定、左移、右移、上移、下移、退出功能。按键一端接10K上拉电阻，另一端接地，为确保按键的准确性在上拉电阻与按键的连接端接有一个0.1uF滤波电容。

LCD显示电路。系统选用LCM12864ZK点阵式液晶显示模块[6]，与LED相比具有低功耗、显示信息量大、控制简单等优点，用来实时显示“温度”、“水位”和“时间”。当用户未做任何设置时，液晶屏分别显示水箱的实时温度、实时水位和时间。当用户需要预设参数时，通过按键利用光标选择所要设定的菜单，进入后通过按键设置参数值。

时钟电路。为实现控制系统24小时能供应热水，需要有一个实时时钟向系统提供准确的基准时间，要求实时时钟精度高、功耗低、工作稳定。系统选用PCF8563低功耗CMOS实时时钟/日历芯片。

数据存储电路。系统采用16K的CAT1161串行存储器，集硬件存储写保护串行E2PROM存储器、复位控制器和看门狗定时器于一体。该芯片是带I2C存储器的监控芯片，与单片机的连线较为简单，具有功耗低、工作电压宽、实用可靠等优点。

漏电保护电路。系统选用漏电互感器TA1016，当发生漏电时，TA1016两次检测到10～16V的交流电压信号，经二极管整流电容滤波后使三极管导通，此时三极管集电极输出低电平，单片机检测到低电平后将电加热迅速关掉，从而保护用户的用电安全。

2 系统软件设计

系统软件程序采用模块化的方法完成控制器的软件设计，主要包括主程序、温度检测程序、显示程序、键盘中断程序等。主程序流程如图2所示，系统初始化所要完成的工作包括，单片机工作时钟的设置、管脚配置、中断初始化设置、看门狗初始化、各传感器的参数配置等工作[7]。

系统初始化结束后进入系统工作模式选择，工作模式分为系统模式和用户模式，流程图如图3所示。系统模式是系统根据大多数用户的使用习惯来设置各类参数，不需要用户自己设定；用户模式是用户可以根据自己的使用习惯自行设置各类参数。工作模式选择完后进行水温、水位检测，然后检测系统是否存在故障，若有故障则将故障数据存储到E2PROM中，若没有则回到系统工作模式选择。两种工作模式都可以强制启动辅助加热，加热到预定温度后自动停止辅助加热，返回到原来的工作模式，进行后续工作。

3 结束语

模式设置流程图本控制系统采用AT89S52单片机作为控制核心，实现水位、水温的检测、自动上水、辅助加热等功能的控制，经测试达到所需功能要求，具有抗干扰能力强、精度高、使用方便、价格低廉等优点，具有较好的推广和经济价值。

参考文献：

[1]张先臣.一种实用的太阳能热水器单片机控制器的设计[J].自动化与仪器仪表，2005：19-21.

[2]程佩青.数字信号处理基础[M].北京： 清华大学出版社，2002： 201-246.

[3]赫飞.LM331在AD转换电路中的应用[J].微计算机信息，2004：116-117.

[4]洪家平.LM331在温度測控中的应用[J].传感器与仪器仪表，2004：53-54.

[5]毕博，王春平，孙书鹰.应用RS-485的PC与单片机通信研究[J].科学技术与工程，2008：236-238.

[6]胡建波.LCM12864ZK图形液晶显示模块并行实用技术[J].信息技术与信息化，2006：67-69.

[7] 张景文，王震宏，高为浪，李桂花.基于单片机的太阳能热水器智能控制系统[J].西华大学学报（自然科学版），2008：25-27.

作者简介：沈凯（1978-），女，江苏常州人，硕士，副教授，研究方向：电子信息技术及应用。