关于单片机控制的智能太阳能热水器的研究

关于单片机控制的智能太阳能热水器的研究

作者：彭国钦

来源：《科学导报·学术》2019年第21期

摘 ;要：本文提出了一种以 MCS—52 系列单片机ATC52为主要控制芯片，辅之以其他功能芯片对太阳能热水器进行控制的设计方案，使太阳能热水器使用起来更加方便，安全。该系统由主控芯片模块、DS18B20 温度检测模块、LED 显示模块、水位检测模块、键盘控制模块、报警模块和电磁阀控制模块组成。给出了各个模块地结构及其工作原理、系统硬件原理图、程序流程图和部分源程序，并结合理论设计进行仿真。本设计充分利用ATC52单片机系统的三总线控制，即数据总线、地址总线、控制总线的设计方式，为应用系统功能的实现奠定了基础。通过对ATC52单片机的外部功能扩展使系统具有自动上水与保温的功能，还能自动驱动加热及上水装置来满足系统的设置，使用起来安全可靠。此外，设计方案中还考虑了一些抗干扰措施，例如采用光电隔离器4N25使输入输出有效隔离，采用硬件去抖动措施解决按键抖动的问题等等。该系统与传统的机械式控制系统相比较，具有结构简单，抗干扰能力强，使用方便等特点。

关键词：单片机;温度控制;水位控制;智能制造 1、绪论

目前，中国已成为世界上最大的太阳能热水器生产国，年产量约为世界各国之和，已有一百多家太阳能热水器生产厂。但是与之配套的太阳能热水器控制器却一直处在研究与开发阶段。本文设计的太阳能热水器控制器以80C52单片机为检测控制核心，采用DS1302实时时钟，不仅实现了时间、温度和水位三种参数实时显示，而且具有时间设定、温度设定与控制功能。温度控制采用模糊控制，控制器可以根据天气情况利用辅助加热装置使蓄水箱内的水温在设定时间达到预先设定的温度，从而达到24小时供应热水的目的。太阳能热水器是太阳能利用中最常见的一种装置，经济效益明显，正在迅速的推广应用，太阳能热水器能够将太阳辐射能转换热能，供生产和生活使用。 2、单元模块设计

2.1各单元模块功能介绍及电路设计物 2.1.1单片机系统设计

复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，如下图所示。 单片机系统

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单片机系统由ATC52和一定功能的外围电路组成，包括為单片机提供复位电压的复位电路，提供系统频率的晶振。这部分电路主要负责程序的存储和运行。上图中MCS-52内部时钟方式电路外接晶体以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、谐振器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。晶体可在1.2MHz～12MHz之间任选，电容C1和C2的典型值在20pF～100pF之间选择，但在60pF～70pF时振荡器具有较高的频率稳定性。典型值通常选择为30pF左右，但本电路采用33pF。在设计印刷电路板时，晶体或陶瓷振荡器和电容应尽可能安装的与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠的工作。为了提高温度稳定性，应采用温度稳定性能好的高频电容。ATC52的复位是由外部的复位电路来实现的。本设计中所用到的是上电按钮复位。 2.1.2控制器实时时钟接口电路

为实现热水器24小时供应热水的目的，控制器必须有一个实时时钟来为系统提供准确的基准时间;在软件设计上则要实时地读出当前时间，同设定时间比较，以决定系统工作状态。 2.1.3水位检测接口电路

蓄水箱水位和温度检测部分是实现温度智能控制的重要环节，只有准确地检测出水位和温度，才能通过软件计算提前开始辅助加热的预加热时间。要实现辅助加热提前时间的精确计算，最好是采用连续液位传感器，但考虑系统成本，本设计仍采用分段式液位传感器（通过软件来提高精度），在水位显示上也仍采用分段显示。 2.1.4 DS18B20与单片机接口电路设计

基于DS18B20多点温度测量系统以ATC52为中心器件，以KEIL为系统开发平台，用C语言进行程序设计，以PROTEUS作为仿真软件设计而成的。

DS18B20是智能温度传感器，它的输入/输出采用数字量，以单总线技术，接收主机发送的命令，根据DS18B20内部的协议进行相应的处理，将转换的温度以串口发送给主机。主机按照通信协议用一个IO口模拟DS18B20的时序，发送命令（初始化命令、ROM命令、功能命令）给DS18B20，并读取温度值，在内部进行相应的数值处理，用图形液晶模块显示各点的温度。在系统启动之时，可以通过4×4键盘设置各点温度的上限值，当某点温度超过设置值时，报警器开始报警，从而实现了对各点温度的实时监控。

每个DS18B20有自己的序列号，因此本系统可以在一根总线上挂接了4个DS18B20，通过对各个DS18B20的ROM进行寻址，地址符合的DS18B20才作出响应，接收主机的命令，向主机发送转换的温度。采用这种DS18B20寻址技术，使系统硬件电路更加简单。 2.1.5 蜂鸣器报警电路

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蜂鸣器俗称喇叭，是广泛应用于各种电子产品的一种元器件，它用于提示、报警、音乐等许多应用场合。

蜂鸣器通常工作电流比较大，电路上的TTL电平基本上驱动不了蜂鸣器，需要增加一个电流放大的电路才可以。蜂鸣器由振荡器、磁铁、振动膜片以及外壳等组成，接通电源后，振荡器产生音频信号，电流通过电磁线圈使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。 2.1.7 光电隔离与辅助加热电路

当室外光强不足（阴天、下雨）时，对水箱的水提前加热是很必要的，这一电路恰好能完成这一功能。工作原理：当单片机P3.2口输出高电平时，三极管T1导通，致使发光二极管发光，同时光敏三极管T2导通，继电器闭合，电阻丝R1～R4发热，这样就完成了加热任务，此电路虽然简单，但在太阳能热水器中是必不可少的。 3、结束语

采用本热水器与电热水器、燃气热水器相比，还具有绝对安全，最为卫生的特点，在电费，液化气、煤气价格较高的地区，用户1-3年即收回投资，在这以后提供的热水是免费的。 参考文献

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