太阳能热水器的控制系统设计方法分析

　　0引 言

　　太阳热水器具有安全稳定、环保节能、操作方便等优点而走进千家万户。随着智能化技术的发展，目前太阳能热水器的温度和水位显示功能已非常成熟[1，2]。但是，太阳能热水器对太阳能资源依赖性大，易受天气的影响。当遇到阴雨天气时，水箱的温度就不能满足用户的需求，利用单片机搭建太阳能热水器控制系统，实现光感加热、电能加热的互补控制。MCS-51系统是在国内广泛采用的单片机，通过合理配置硬件软件，设计出一套价格低廉、自动化程度高、并具有一定智能化程度的控制系统来控制太阳热水器[3]，充分发挥太阳热水器和MCS-51单片机的各自优势，使太阳热水器使用更加灵活、方便。

　　近年来，利用太阳能和其它能源的结合，使得太阳能热水器的功能更加完善，在任何天气情况下都能使用热水。此款热水器包括主、从两大系统：主系统的特点是在晴好的天气利用太阳光能为热水器加热，从系统相当于电热水器，在无光照的情况下利用电辅助加热。充分利用太阳能的资源优势，同时克服环境的局限，全面整定太阳能热水器和电热水器的实际应用效果，这是市面上大部分热水器所不能比拟的[4]。

　　1系统总体设计

　　硬件系统以51单片机为中央处理器，由单片机最小系统，电源与复位模块，显示模块，水位、水温测量模块，加热模块等组成。系统原理框图如图1所示。

　　图1 硬件系统原理框图

　　由图1可见，电源电路对单片机进行上电，让单片机保持工作状态，水位测量电路和水温测量电路测得的水位和水温信息传达到单片机内部，由LCD显示器显示出水温信息，再由单片机决定是否启动温度控制和水位控制电路。当水位或水温低于设置值时，自动控制电路运行工作。此外，还可以根据天气用键盘电路控制温度和水位的初始值。

　　2硬件设计

　　2.1 水位测量模块

　　水位测量模块采用在水箱中不同位置排放电极的方案获取水位测量信号，再通过74LS373锁存器来锁存水位信息，将水位当前值传入单片机进行处理。

　　电极接触式传感器是利用水的导电性原理设计制作而成。在传感器上安装多个金属导电电极，两个金属电极用水短路即产生信号，从而显示出水箱中水量的多少。此种传感器在多年实际使用中性能较稳定，在正常情况下一般寿命能达到5年以上。在水箱内把D4，D5，D6，D7放在不同位置。当水位到达指定值时，电极端变为地，即锁存器74LS373的输入端D接地，输入端数据为0，输出端Q为0，此时LED发光二极管接低电平，灯亮；当水位下降时，输入端数据为1，输出端为1，即LED发光二极管负极接高电平，灯灭；锁存器的OE端接地，保持低电平；LE端一直保持高电平。D端的信号直接从输出端Q输出给单片机，Q随数据D而变。通过发光二极管可以得知水位信息，同时通过锁存器让单片机得到水位信息。具体实现电路如图2所示。

　　图2 水位测量电路

　　在实际测量水位的过程中，水的电阻太大而不足以触发74LS373锁存器时，就需要在下到水箱中的电极端后加入三极管，起放大作用，这样水位测量模块才能正常工作。在下到水箱的电极后，接上简单的上拉电阻，由于有4个不同位置的电极，所以需要4个9012型PNP三极管来放大水位信号，而后接D4，D5，D6，D7端，即接入74LS373锁存器。

　　2.2 水温测量电路

　　水温测量模块用数字温度传感器DS18B20来取得水箱内的水温信息，连接上拉电阻后再接至单片机，由单片机P1.7口接收当前水温信息，电路如图3所示。

　　图3温度测量电路

　　DS18B20测温系统具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点。其主要特性为电压范围在3.0～5.5V之内，使得适应电压范围更宽。采用单线接口方式，只要一条口便可实现微处理器和DS18B20的双向通讯。所有传感器元件以及转换电路都集成在一支形如三极管的集成电路内，使用时不需要任何外围元件。多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，支持多点组网功能。测温范围可达-55℃～+125℃，且可精确到±0.1℃的量值。可编程的分辨率为12位。可实现高精度测温。以“一线总线”串行传送方式传送给CPU，测量结果直接输出数字温度信号，抗干扰纠错能力极强，上述特点即使得DS18B20更加适合于远距离多点温度检测的情况。电源极性接反时，芯片并不会因温度过高而烧毁，但此时却不能正常工作。

　　为了提高DS18B20进行温度转换的精确度，I/O线必须保证在温度转换期间提供足够的能量。如果用几个温度传感器挂在同一根I/O线上进行多点测温时，只配备一只5.1K上拉电阻将无法提供足够的能量，就会造成无法实现转换温度或转换温度误差极大的结果。

　　需要特别注意的是，本检测元件是应用在太阳能热水器中，也就是用在水中，为此需将DS18B20进行处理，使其具备防水功能。实现方法是：可在其外部套上导热性较好的不锈钢外壳，而在其壳内充满导热性良好的硅胶，同时将其三个引脚用导线引出，使其可以应用于远距离检测。

　　2.3控制电路

　　自动控制模块主要分为电加热模块和电磁阀控制上水模块，两种模块采用相同的方法，主要利用三极管，继电器和二极管的配合工作完成自动加热和上水，初始状态下设定内水温度为30℃下自动加热，加热到30℃停止，初始水位3档以下自动上水，到3档位停止上水。这样可以保障一天24小时使用热水洗澡，避免了因天气原因带来的不便，并可以有效防止冬天气温过低引起水管内因存有 积水而冻裂水管。控制电路具有自动加热和加水功能。单片机对引脚P1.0给出高电平，对三极管进行导通和断开的控制，驱动继电器的导通和断开，继而控制电加热装置。当三极管的基极处于高电平时，三极管导通，即继电器导通，线圈磁力把开关导通，则电加热插座接上220V的交流电，开始工作。这一部分电路主要由继电器组成，由主控单片机运算输出宽度可调的脉冲用于设定继电器在1s内的导通和关断数从而调节输出给电炉的功率，这样使得水温稳定在预计数值之上，并当检测到的水温低于设置温度值时开始加热。加水功能由引脚P1.2给出高低电平，控制自来水的开关，决定是否自动上水。当水位处于下限位置时，需要供水。在供水时，单片机控制 电磁阀通电，当水箱内的水位上升到预设位置时，则支持接触开关断开，同时电磁阀关闭水源。