太阳能热水器自动控制系统

展赫 袁建川 骆莹升 李杰 薛蕊

【摘 要】通过对市面上太阳能热水器自动控制系统的分析，设计一种太阳能热水器智能控制系统，能够检测水位水温并且显示到显示屏幕，当水位低的时候能够自动加水，拥有按键调节作用，也可以定期对水箱进行清理，蓝牙预约加热以及清理。保证用水时的温度及质量。以STM32为主控芯片，通过传感器来检测水的位置跟温度进行处理，并通过OLED显示出来，是一款自动、节能设备。上水加有多出水位检测，并且能够更好的避开光照充足时上水时间进行补水。并且限制在白天的一定范围内不会上水，防止产生爆管的情况。并且伴有辅助加热功能，通过蓝牙控制继电器控制加热，弱电控制强电起到更好的隔离保护。预约加热能够更节约电加热的损耗。自动上水，温度上下限控制，以及定期排污除垢清洗，使用的水更加干净。使得控制系统更加自动化节能化。

【关键词】STM32;OLED显示;水位監测;蓝牙;自动化;节能;太阳能热水器

引言

在科技高速发展和科技以人为本的今天，目前的技术和产品是有缺陷的。实现太阳能热水器的可控温，实现光热电热、光热气热的互补，是太阳能热水器产品升级、换代的必然趋势。现太阳能热水器的可控温是科技进步的象征，是社会经济发展的需求。其主要意义在于市场竞争的需求：随着太阳能热水器的逐步普及，太阳能热水器的同质化，已使这个行业从早年的技术竞争转变为当前的价格之战。太阳能热水器的升级换代己迫在眉睫。消费目标的需求：太阳能热水器的节能和环保已得到消费市场的认可，但消费者不满足一个被动吸热、冬冷夏热的节能环保产品。节能的需求：在水资源日益缺乏的今天，为了反复兑水、调试水温而造成浪费是十分不该的。安全的需求：用户不喜欢有烫伤事故隐患的热水器，研发制造一种可控温的太阳能热水器，具有十分重要的意义。如何实现太阳能热水器的可控温，面对一个被动吸热的受热体似乎是不可能的！科技创新的目的就是要把不可能的变成可能的。实现太阳能热水器的可控温关键在于控制软件的研发及相关硬件的配合支持。

1硬件系统设计

本设计包括控制部分、检测部分、执行部分、显示部分、蓝牙传输部分总体设计框图见上图1。

1.1电机调速电路

对于电机的调速，我们采用程序编写进行PWM调速的方法。

PWM调速的原理是通过控制在一个周期内输出高电平的时间大小，从而实现电机转动的速度。在硬件电路的连接上，将CONTROL_1、CONTROL_2、CONTROL_3、CONTROL_4分别接在单片机4个I/O口上，通过控制I/O口输出高电平确保2104S正常工作，将PWM_1、PWM_2、PWM_3、PWM_4分别接在单片机定时器引脚上上，通过改变输出占空比，改变装置的运行速度。MOS管全桥电机驱动电路配合PWM，保证有较大的的调节范围和准确的调节速度，所以在这里采用MOS管驱动完全满足工作要求，由于，信号源没有足够的电流输出能力，为了保证MOS管能够正常工作，需要加上IR2101驱动芯片，具体电机驱动电路图见图2。

N型MOS需要在栅极和源极之间加10V～20V电压才能完全导通。电容C1和二极管DI的作用是与负载组成一个BOOST升压电路，使得在IR2101S芯片的VB引脚上产生一个12V的电压，IR2101S芯片会用VB脚的12V电压来驱动NMOS上管。使用主动升压电路来代替DI CI，主动升压到12V，输入到IR2101的VB引脚，电容C2保留去除二极管DI即可保证半桥恒导通。二极管的作用为：关断时快速泄放栅源极电容上的电荷来加快关断速度，减小关断时间，进而降低关断时的损耗。

1.2电流检测电路

电流检测及过流保护电路如图3所示。

电机的工作电流通过采样电阻转换为电压信号。经过由精密放大器LM258组成的同向比例运算放大器电路放大后，作为电流闭环控制电流反馈信号输入到微控制器进行AD采样。

2 软件系统设计

单片机供电开始工作进行检测，当水位处于低水位时驱动电磁阀进行开闸供水，当水位到达中水位是指示灯亮起，当水位到达高水位时停止供水。通过蓝牙进行预约加设定加热温度上下限，进行加热。图3所示。

（1）检测流程

本设计通过DS18B20通过读取数据反映给主控芯片，经过主控芯片对数据处理后传给OLED屏幕把实时温度显示出来，主控系统检测按键以及蓝牙的动作，可通过蓝牙对温度定时控制，并设定温度上下限。如果检测到温度到达上限，就给主控系统一个信号停止加热，如果到达下限，就给主控系统加热信号。

（2）上水流程

水位检测传感器为分段式检测，根据水位到达不同的地方，对主控系统进行反应，水位分5个档100%、75%、50%、25%、10%。能够更好地显示水量的位置，水位到达100%时，主控制器接收到信号停止加水并进行报警，当水位到达25%时，主控制器接收到信号，控制上水继电器闭合进行上水动作。设置清理时间，到达进行清理。清理一段时间进行上水排水循环清理，最后停止清理再进行上水。

（3）按键流程

可通过按键对主控制器控制，不同按键有不同作用，SB1控制功能的确认，SB2控制数值的左移，SB3控制右移，SB4控制上移/切换SB5控制下移。按键模块首先要判断是否按下功能键，如果没有按下就继续等待，如果按下就保存这个功能命令;在进行按键输入，直达按下确认键，数据有效。没有按下则输入的无效。根据不同的命令做不同的功能处理。按键抖动处理是对按键按下后延时一段时间再检测来消除的。

（4）清理流程

清理设计可以通过定期以及定天进行控制清理，通过蓝牙输入要清理的日子进行清理，到达清理的时候，防水用水开关会打开，在清理的状态不让用水，然后进行添加除垢剂进行沉淀，一段时间打开排污口开关通过排污口排出水，排到水位很低的时候，防用水开关闭合，进行加水同时排污口保持打开，进行一个循环冲洗的过程一段时间后结束清理，回归正常状态，缺水就进行加水。

3 结论

太阳能热水器自动控制系统可以实现水位检测和提示、温度检测和加热、时间显示和调整，由于本设计是弱电控制强电，采用继电器和外部链接会更安全，当外部电压过大时能有效保护单片机，然后通过继电器控制加热和加水的关闭状态，可通过蓝牙预约开启，加热最大程度上节约能源，保证用水。此设计带有报警提示，用来提示各种当前动作与不同的动作，测量水温在温度低于设定值时进行加热到预定值温度。控制系统可以根据天气情况利用辅助加热装置（电加热器）使蓄水箱内的水温达到预先设定的温度，从而达到24小时供应热水的目的。

参考文献：

[1]苏赐民，李春杏，曾君，刘俊峰.太阳能热水器自动控制系统的研究与设计[J].计算机测量与控制，2019，27（12）：106-110.

[2]周雪林.基于单片机和传感器的太阳能热水器自动控制系统[J].电子世界，2018（10）：172-173.

作者简介：

展赫（1998-），男，山东省济南人，学士，研究方向：控制工程。

李杰（1998-），男山东济南人，学士，研究方向：控制工程。

骆莹升（2001-），男，四川资阳人，学生，研究方向：机器人工程。

袁建川（1998-），女，重庆市人，学士，研究方向：控制工程。

薛蕊（1981-），女，山东省济宁人，硕士，副教授，研究方向：控制工程。

该项目由国家级创新创业训练项目《太阳能热水器自动控制系统》（S202013320020）支持。

（作者单位：青岛黄海学院）