太阳能热水器自动上水系统设计

    陈苏杭?陆荣鑑

    摘 要：太阳能是目前地球上巨大的财富之一，人们利用太阳能可以节省许多其他有限能源。太阳能热水器因利用太阳能、无污染、长期使用的投入费用低等特点而倍受人们青睐，近些年得到了很好的推广和发展。本设计采用MICROCHIP公司的PIC系列单片机作为主要控制器，使用C语言来编写程序，设计了一款智能太阳能热水器自动上水控制器。通过数字温度传感器检测当前的水温，通过单片机的处理在LCD12864上显示当前的温度值。水位探测方面是在水箱中放置两个探针，分别代表高和低两个水位。温度和水位都是实时检测，以此达到控制的目的。

    关键词：太阳能热水器;单片机;传感器;智能控制

    0 引言

    在科技快速发展的今天，环境的破坏日益严重，人们逐渐意识到保护环境的重要性。[1，2]太阳能热水器具有以下这些特点：水质洁净、节省电能、安全可靠等等，所以受到群众的广泛欢迎。[3]随着太阳能热水器的快速发展，太阳能热水器智能控制器这一行业随之崛起，共同推动了太阳能热能利用技术行业的进步。

    智能控制器的核心技术主要包括以下两个方面：一个是控制器功能的完善方面，另一个是自身安全可靠性方面。在功能上，方便实用是重点;在可靠性上，把硬件和软件相结合，并且注意用水、用电的安全。早期用户只是通过数码管直接看出当前热水器的水温，水位显示则用简单直观的发光二极管来表示。如果LED亮了，那么表示当前水位已达百分之多少;后来设计者换成了液晶显示屏或彩色发光屏幕，使用户能够更方便、直观地看到热水器的工作状态。通常显示器上显示有温度显示、液位显示、时间显示、出故障报警提示、工作状态等。[4]

    1 太阳能热水器系统总体设计

    单片机PIC16F1826作为控制核心并协调整个系统的工作，通过数字温度传感器检测当前水的温度，由于是数字信号就直接送入单片机内，通过单片机的处理在LCD12864上显示当前的温度值。用水箱中的两个探针得到水位的高低，并用LCD显示水位的高低。自动上水方面是设置水位的上下限，水位低于上限时就会闭合电磁开关，就会开始上水，水位到达上限时就会自动断开电磁开关，停止上水。[5]按键用来设定时间以及手动上水。温度和水位值处于时时检测的状态，以此达到控制的目的。

    2 热水器控制系统电路设计

    2.1 水位检测电路

    本设计所使用的测水位方式是探针测水位，液位的高低是控制自动上水停水的关键，及时准确地检测出水位高度，实现水位的自动控制。该设计所使用的测水位方式是探针测水位。检测原理为：本电路里放置了两个水位探针，分别代表水箱的最高水位和最低水位，当水位低于最高水位时，单片机控制继电器闭合上水，当水位到达最高水位时，继电器断开，停止上水。

    2.2 自动上水停水控制电路

    本电路中利用电磁继电器来实现自动控制。当继电器线圈通以电流，根据电磁感应定律，铁芯产生磁性，把开关吸合，从而继电器回路形成。

    自动上水停水控制电路工作原理：当水位检测电路得出太阳能蓄水池当前水容量低于最高水位时，单片机处理后送低电平信号，后端电路接通，输出电压分压后使三极管导通，电磁继电器达到工作电压，常开触点闭合，开始上水，到达最高水位后触电断开，停止上水。[6]

    2.3 时钟模块

    本设计所使用的DS1302计时芯片可以做到可靠的计时。更重要的是，该芯片可以在拥有后备电源时持续计时。在断电等特殊情况下，可以保证计时的准确性，并能够使热水器准时上水。

    2.4 温度检测电路

    本设计采用DS18B20器件，该器件是目前较为先进的测温方法。内部采完模拟信号后直接转成数字信号，单片机对接收到的信号进行处理。DS18B20只有3根导线连接线，接到单片机I/O口进行测温，电路简单、方便使用。这种连接方式组合了电源和信号线，电路简单，仅使用一根线，且DS18B20编码唯一，各自连接网络寻址，耗能很低。

    2.5 键盘电路

    软件设计上，把事先的程序编译好后下载到单片机，时间可以在程序中写入，按键S1被按下，此时光标显示到秒的位置，S2作为调节时间秒的加键，S3作为调节时间秒的减键;按键S1第二次被按下时，此时光标显示到分钟的位置，S2作为调节时间分钟的上升按键，S3作为调节时间分钟的下降按键;按键S1第三次被按下时，此时光标显示到小时的位置，S2作为调节时间小时的上升按键，S3作为调节时间小时的下降按键，S4作为手动上水开关。

    3 热水器控制系统软件设计

    3.1 系统整体流程

    软件是用来控制硬件的正常运作，整体软件的设计思路：采用多个模块功能分别单独设计的方式，将各个模块统一后形成完整的系统。本设计的软件主要包括主程序、键盘扫描子程序、DS18B20测温子程序、LCD12864显示子程序、水位检测子程序。

    主程序需要完成的功能有：系统对DS18B20以及12864显示屏的初始化，读取用户通过键盘设置的时间，再读取溫度和水位信息，然后对水位进行分析，执行相应的命令，完成后等待下一次启动命令。系统整体流程为：先进行系统初始化，再扫描键盘，检测当前水位和水温，将参数显示在显示屏上，判断水位是否低于设定值，如果水位定于设定值则打开电磁阀，否则关闭电磁阀。

    3.2 DS18B20软件设计

    DS18B20温度检测流程为：先对DS18B20进行复位，然后读取温度数据，再对数据进行转换，最后在LCD12864上显示温度数值。

    3.3 LCD12864软件设计

    LCD12864显示程序流程为：先对LCD初始化，清除显示RAM区，接着处理单片机的命令，再置显示初值，指针指向第一，显示预设的水温、水位和时间等数字在显示屏上。

    4 结语

    本系统是一个可用于控制太阳能热水器的智能控制系统，能够进行水位、水温的检测和显示，能够对时间进行设定、对水位进行控制，能较好地对太阳能热水器进行智能控制。

    系统以PIC16F1826单片机为核心，有温度检测传感器、水位检测电路、上水控制、温度显示、水位显示等模块。其中，温度显示是通过温度检测传感器DS18B20采集到的温度数据经过单片机处理发送到LCD12864上实现的。键盘则是输入时钟时间和手动控制上水。水位显示与上水控制是通过设置水位的探针来检测不同的水位。水位低于最高水位，就会自动上水。当上水到最高水位时，停止上水。

    参考文献：

    [1] 丁奉龙，周海燕.手持喷雾水电解机的控制装置设计[J].艺术科技，2019，32（08）：241+243.

    [2] 刘刚，赵晨阳.便携式电动滑板的创新设计[J].科技与创新，2017（01）：88.

    [3] 姚单，张冠男，程似骐，何俊艺.针对上水问题的太阳能热水器增压系统设计与实现[J].科协论坛（下），2012（01）：24-25.

    [4] 应进平.太阳能热水器自动控制系统设计[J].计算机测量与控制，2006（12）：1652-1653+1710.

    [5] 吴磊，孟惠，周永军，宋晓伟.一种机械式半自动太阳能热水器上水装置[J].太阳能，2018（03）：62-64+69.

    [6] 严冬，赵玉荣，陈润，金建，马敏.基于单片机的太阳能热水器自动上水系统设计[J].电脑知识与技术，2017，13（32）：255-256.

    作者简介：陈苏杭（1997—），男，研究生在读，主要从事机电一体化、嵌入式系统方向的研究。

    通讯作者：陆荣鑑（1964—），男，研究生，讲师，主要从事机电一体化、工业控制系统方向的研究。