通用型太阳能热水器控制系统的研究与设计

郭灿彬 罗 岚

（1.广东机电职业技术学院，广州 510515；2.中山华帝股份有限公司，中山 528415）

目前，市场上太阳能热水器控制器品种类型多达上百种，且产品质量参差不齐，虽经过了一定的筛选，但仍然有不少种控制系统存在各种问题，主要是设备接口、显示界面及操作习惯的不统一。如果一个企业使用多个厂家的代工产品，缺乏自主开发的产品，将会造成企业的太阳能热水器产品外观和操作使用等不统一，且硬件成本偏高，资源利用率低[1]。因此，有必要按照项目合作企业标准化的要求，结合企业实际情况，设计和开发一款通用型太阳能热水器控制器（控制系统）。该控制系统是一款新型太阳能热水器自动控制系统，能够自动检测和显示当前水箱内的水温和水位等信息。在经过软件仿真和实际的应用调试后，设计的太阳能热水器控制系统达到了预期设计要求，成本低，工作安全可靠，具有广阔的应用前景[2]。

1 整体方案设计

控制系统可以根据安装在水箱内的多个高精度水位传感器探针检测的结果，自动识别和判断当前的水位情况。当水箱内的水位达到100%时，控制系统停止加水；当水位低于10%时，控制系统自动报警，并停止辅助加热，系统进入自动加水或保护状态，以防空烧。用户可以根据实际需要，通过键盘按钮操作选择水箱中的水温和水位参数，温度最高可以调节到75 ℃，从而满足不同的实际使用需求[3]。系统以PIC18Fxxx系列单片机为控制核心，控制系统硬件电路全部采用模块式设计，主要包括温度检测电路模块、水位传感器模块、液晶显示电路模块、键盘操作电路模块以及辅助加热电路模块等。此外，软件编程部分也全部采用模块化和功能化的设计方法，将各个功能模块单独编写成独立子程序，通过调用子程序实现热水器控制系统的各种功能。系统总体控制功能如图1所示。

图1 系统总体控制框图

在实际工程应用中，用户现场安装了按键操作模块，可以在现场通过操作面板设置太阳能热水器温度和参数等各项操作。网络接入模块只是一个选配模块，当控制系统标配该模块时，支持用户从手机应用（Application，App）端操作或者查看控制系统太阳能热水器的各项工作状态，且可按照各自需求设置电加热温度。在天气不好的情况下，需提前通过远程控制方式启动电加热。

以下为控制系统标配的功能。

（1）大发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）彩屏显示水位、水温和工作状态。其中：二位LED数码管显示温度0～99 ℃；4位小数码管显示时间；圆圈内红、黄、绿、蓝发光条指示5档水位，蓝光闪烁为第1档，常亮为第2档；文字及符号指示工作状态。

（2）启动上水的水位下限和终止上水的水位值可任意设定。用户可以根据天气情况和自己所需水量，任意设定加水上下限水位（上下限水位的范围为50%～100%）。

（3）缺水报警、自动上水和自动报警。水位降低至1档水位时（20%水位闪烁），报警5声，延时15 min后自动上水。水位上升至设定水位后，自动停止或者手动按加水及上行键加水或关水。

（4）自动温控电加热功能。设定温度下限后，当水温低于设定下限时，自动启动电加热，达到温度上限自动停止。

（5）断电自动记忆保护。停电时，系统自动保存所有设定参数，来电后无需重新设置。

（6）防干烧功能。当水箱内无水或水位过低时（低于50%），系统电加热自动锁定，停止电加热。

（7）防止高温空晒后进水。本功能用于防止太阳能热水器高温（≥95 ℃）空晒后突然进冷水而使真空管破裂。

（8）智能防溢水保护。当长时间加水而水位无变化时，将自动关闭电磁阀，防止因系统故障而溢水。

（9）故障自动检测排除功能。控制器在停水或水压过低时，自动停止电磁阀或增压泵工作。

2 硬件设计

控制系统主控芯片采用Microchip公司的PIC18Fxxx系列单片机。该系列单片机外围接口较丰富，工作稳定性好，开发工具简单易用。控制系统的传感器电路检测模块（部分硬件传感器电路）的电路原理图，如图2所示。本系统传感器模块主要包括水温检测传感器电路和水位检测传感器电路[4]。

图2 传感器电路检测模块

图3 继电器（电磁阀）控制电路模块（部分硬件电路）

控制系统的继电器或电磁阀控制电路模块主要包括进水电磁阀控制电路模块、增压水泵继电器控制电路模块和循环水泵继电器控制电路模块。其中，一个电路模块的控制原理图，如图4所示。

图4 电源管理模块

电源是控制系统的重要组成部分。稳定可靠的电源供应模块必不可少。控制系统的电源管理模块，如图4所示。系统主要为直流模式供电，单相220 V交流输入。输出直流电压主要包括12 V和5 V两种形式。控制系统其他硬件电路模块包括主控制器电路模块、安全保护电路模块、键盘及显示控制电路模块、水泵、电加热控制电路模块以及网络接入控制电路模块等，这里不再赘述。

3 软件设计

控制系统软件设计部分采用模式化设计方式完成，将所有软件子模块都封装成子程序，并在主流程中调用系统错误处理子程序errorDeal（）和加水处理子程序waterIn（）等。系统底层控制软件设计主要包括A/D检测与转换软件模块、数字量端口检测软件模块、LED显示驱动软件模块、检测参数设置软件模块、按键扫描与处理软件模块以及串口通信软件模块等。此外，控制系统在软件中设置了多种安全保护功能，如防漏电功能（硬件保护）、缺水保护功能（waterOff）、防干烧保护功能、智能防溢保护功能、断电自动记忆保护功能、防高温空嗮后进水保护功能以及故障自动检测排除功能等。控制系统的程序工作主流程，如图5所示。当日常天气条件不好或者用户设定进入电加热模式时，都会进入此流程。

图5 系统控制主流程

4 功能测试

在实际应用中，控制系统支持两种操作方式。一种是通过控制系统的控制面板操作，控制面板通常安装在用户低楼层现场，通过有线方式与太阳能热水器相连，控制面板显示屏主界面如图6所示。另一种是通过手机App查看或控制操作工作状态（该项功能未开放测试）。

4.1 通过操作面板操作

图6中显示界面采用大屏幕彩色LED显示，数字与文字符号相结合。LED显示清晰明亮，面板各指示符号或说明清晰，不会因长期触摸或光与化学浸蚀而模糊。

图6 控制系统主界面

4.1.1 系统操作说明

控制器在测试时内部参数已设置合理，正确安装后接通电源即能实现全自动运行。用户设置参数时，按设置键3 s即可进入参数设置状态。需要设置的参数依次为温度上限、温度下限、水位上限、时间、第一次定时上水时间、第二次定时上水时间、第一次定时加热时间以及第一次定时加热时间等。每设置完一个参数，按设置键跳到下一个参数的设置。例如，设置电加热温度上限时，进入设置后二位LED数码管不停闪烁，右下角的上限指示灯亮，按加水及上行键或加热及下行键改变温度上限的数值（默认设定值50，设定范围为50～90）。设定好温度上限后，再按一下设置键进入温度下限的设置。

设置水位上限时，水位圈内水位灯会不停闪烁，同时右下角的上限指示灯亮。此时，按加水及上行键或加热及下行键改变水位上限的数值（默认设定值100%，设定范围50%～100%），设置好水位上限后，再按一下设置键进入水位下限的设置，再按一下设置键进入时间的设置。

设置第一次定时上水时间时上水时间1指示灯亮，设置方法同上（默认设置为08：00）。设置完第一次上水时间后，再按一下设置键进入第二次定时加水时间的设置。

设置第一次定时加热时间时加热时间1指示灯亮，设置方法同上（默认值为16：00），设置完后再按一下设置键进入第二次定时加热时间的设置。

以上所有的参数设置完后，按Home键保存并退出。在设置过程中或在参数设置完后，若连续5 s内无按键操作，系统将自动保存并退出设置状态。如果参数被调乱或由于不正确的设置而导致控制器运行异常，只需按住智能开关键3 s，即可恢复默认参数，使控制器恢复正常运行。如果暂时不需要使用自动加热功能，按智能开关键使智能加热灯熄灭，所有自动加热功能将被关闭；再按一下智能开关键，智能加热灯点亮，自动加热功能恢复。

4.2 通过手机App端远程控制

该项功能是系统的选配模块。控制系统通过预留的网络接口专用模块接入无线局域网后，可通过手机端App程序查看太阳能热水器的工作状态，远程设置电加热温度和系统参数等。手机端主界面效果如图7所示。

图7 手机App控制界面效果图

5 结语

相对于目前市面上种类繁多的太阳能热水器控制器，通用型太阳能热水器控制系统整体成本较低，工作安全可靠，控制精度能够满足家庭使用要求，软件界面友好，操作简单易用。通过手机App可实现远程状态监控、温度设置以及参数调整等功能。实际测试应用结果表明：控制系统工作稳定可靠，外围接口统一且扩展性好，可适配于多种机型，具有广阔的应用前景。