基于AT89C51的太阳能热水器智能控制系统设计

雷禄燕

（福建福能南纺新材料有限公司，福建 南平 353000）

1 引言

随着科技的发展及世界人口的增长，环境及能源问题越来越受到世界各国重视，特别是煤炭、石油及天然气等不可再生资源的大规模开发与利用，在促进经济发展的同时，也带来了环境问题。同时，不可再生能源的过度开采与利用，也会缩短其开采期，加速全世界进入能源枯竭时代。为了提高能源的利用率，倡导低碳、绿色、环保是当前时代的主题。同时，积极努力寻找替代能源也是全世界各国研究的热点及追寻的目标。其中，太阳能以其无污染、无限开采等特点在众多替代能源中受到青睐，进而成为了当前新能源开发与利用的焦点。

随着人们生活水平的提高，热水器已成为各家各户必备的生活用品，但其能源消耗已成当前不容忽视的问题。单纯的电热水器或燃气热水器不仅容易受到能源供给的影响，同时在不可再生能源消耗方面也给全世界增加了负担。考虑到开发新能源、节约不可再生能源的重要性，太阳能热水器的开发与利用受到各国人们的欢迎。太阳能热水器通过真空加热管收集太阳热辐射实现水加热，无疑可以节约大量的电或燃气资源，但是，单纯太阳能的热水器受天气及昼夜情况影响极大。雨天及晚上基本无法实现水加热，极大限制了其使用效果。因此，电辅加热太阳能热水器应运而生，其在阳光充足时通过真空加热管收集太阳能实现水加热，当阳光不充足时采用电辅加热，大大提高了太阳能热水器的使用便利性。由此可知加热系统切换及温度控制对其工作稳定性及安全性至关重要。

本文基于AT89C51单片机实现了太阳能热水器的控制系统设计。通过温度传感器实现储水箱及混水箱温度的检测，进而实现出水温度的调节及电辅加热系统的智能开启与关闭。在水路中设计加压水泵稳定水压，提高了系统的稳定性及可靠性。在浴头位置设计红外传感器实现淋浴装置的自动开启与关闭，达到节约淋浴用水量，实现了稳定出水温度及水压，提高了淋浴人员的舒适度。

2 系统总体设计

系统主要包括温度控制、水压控制、淋浴开关控制、冷热混水控制、故障报警、人机交互及信息显示等模块。温度控制主要包括储水箱及混水箱温度控制。当太阳充足时，储水箱中的水由太阳能加热。当太阳能不足时，系统自动切换至电辅加热。同时设置手动开关，可以通过人为控制强行切换至电辅加热。混水箱温度控制主要目的是控制淋浴出水温度。混水箱的作用是稳定淋浴出水的水温。水压控制主要包括水箱上水压力、淋浴出水压力及回水压力控制。当热水器安装位置较高，可能由于上水压力不足出现水箱缺水现象，通过水泵调节上水压力可以有效保障热水器用水安全，当上水压力充足时，系统通过旁路上水，上水水泵自动关闭。淋浴出水压力控制可以保障淋浴水流的稳定性，提高淋浴舒适度。回水压力控制可以有效回流管道中的冷水，达到节约用水目的。系统总体工作原理如图1所示。在混水阀的前端设置小型的混水箱，通过冷水回流调节混水温度，达到出水温度恒定、水流量稳定的效果。

本系统采用AT89C51单片机实施控制，控制系统包括的功能模块如图2所示。输入信号主要有水箱水位、水箱水温、淋浴水水温、进水水压、淋浴头红外信号，同时，还有用于人机交互的信息输入，主要包括水温设置、水压设置、手动控制信号等信息。输出信号主要包括水泵的启停控制、各种阀门的开启与关闭、电辅加热控制、信号显示及故障报警等信息。

图 1 系统总体工作原理图

图2 控制系统功能模块图

3 硬件设计

在硬件设计中，温度传感器选择了输出信号为数字量的DS18B20，避免了设计AD转换电路，提高了系统实施的便利性及可靠性。同时，DS18B20具有小体积、低硬件开销、高精度等特点，其温度测量范围在-55～125℃，完全能够满足热水器的测温需求。

考虑到热水器并不需要精确测量水位，本文基于水的导电原理，设计了探针长度不一致的多探针水位测定方法。其结构如图3所示。当水箱水量达到水位上限时，探针1～4均导通，关闭上水阀。随着用水量增加，水箱水位下降，探针1断开，探针2～4导通，水箱处于中高水位；随着水箱水位进一步下降，探针1～2断开，探针3～4导通，水箱处于中低水位；随着水箱水位继续下降，探针1～3断开，探针4导通，水箱处于低水位；直到探针1～4全部断开，水箱达到水位下限，系统启动上水阀，水箱补水。

图3 水位传感器结构图

为了增强系统的智能性，增加了故障报警模块，主要包括水箱缺水报警、传感器故障报警、阀门及电辅加热等器件损坏报警。显示模块主要用于显示水箱水位、工作模式、日期时间、定时等信息。使用人员可以根据需求通过信息输入进行系统设定。同时，为了节约淋浴用水，在淋浴头位置安装了红外线传感器用于检测是否有人位于淋浴头下方。在淋浴的过程中，如果人离开了检测范围，淋浴头出水自动关闭，当人重新回到检测范围内，淋浴阀重新开启。在淋浴阀关闭期间，通过冷水回流管道保障淋浴出水口的水温恒定，进而实现淋浴阀重新开启时刻的水温符合设定值需求。

4 软件设计

本文基于Keil软件实现控制系统的编程，基于Prοteus进行硬件的设计。在完成硬件设计及软件编程后，将控制程序导入Prοteus硬件系统进行仿真调试。系统水位控制的流程如图4所示，经过初始化后，首先进行水位的判断，当水位未达到设定值时，启动上水阀（如果水压不达标，则进一步启动上水水泵），当水位达到设定值后，关闭上水阀及水泵，并根据结束信号确定继续执行程序还是退出程序。其他程序还包括温度控制程序、淋浴控制程序等。

图4 水位调节流程图

5 仿真与调试

基于上文流程图通过Keil软件编制相关程序后，以AT89C51单片机作为控制核心进行仿真调试，两个DS18B20数字温度传感器分别位于储水箱和混水箱中，用于检测储水箱及混水箱温度。系统水位采用4个LED灯显示，分别为高、中高、中低及低水位。电辅加热采用红色LED指示灯显示。AT89C51单片机的P3.0驱动上水阀，P3.1～3.4为驱动水位指示LED，P3.5为接电辅加热，P3.6为接热水阀，P3.7为接冷水阀，P2.0为接总水泵控制，P2.1为接淋浴水泵控制，P2.2为接喷头水阀，P2.3为控制冷水回水阀，P2.4～2.7为接水箱水位传感器信号，P1.0～1.2为接水箱温度、混水箱温度、红外传感器，P1.3为接水压传感器。经Keil软件与Prοteus软件结合仿真调试，本文设计的太阳能热水器控制系统可以稳定运行。

6 总结

本文基于AT89C51单片机实现了太阳能热水器的控制系统设计。系统通过DS18B20温度传感器实现储水箱及混水箱温度的检测。基于测得储水箱温度实现电辅加热的自动开启与关闭，通过测得混水箱温度实现冷热水阀的开度调节。考虑到公共供水压力不稳定，本设计在水路中设计了加压水泵，系统根据外界供水压力情况，智能开启水泵，达到稳定水压、保护相关设施及稳定淋浴出水目的。此外，在淋浴头位置设计了红外传感器。通过红外传感器检测人员是否处于淋浴范围内，实现淋浴装置的自动开启与关闭，达到节约用水的目的。并通过Prοteus和Keil软件结合实现了系统仿真，验证了方案的可行性。