你在太阳能热水器智能控制器的设计研究

胡锦桐

摘要：人们生活水平的提升以及能源节约意识越来越强，人们对于节能环保型产品的需求越来越大，相应的，人们对太阳能热水器这类型人们日常生活中的产品性能要求越发严格。当前，我国在太阳能热水器的控制系统上仍存在着一定的落后性，影响了人们的使用。开发一款高效便捷、使用方便的太阳能热水器智能控制器成为当前急需解决的问题。基于此，本文以单片机为核心，为太阳能控制器增添了按键设置、显示功能、报警功能等，了实现了加热、上水等功能的自动化，实现了太阳能热水器的职能控制。

关键词：太阳能热水器；智能控制器；单片机

前言

太阳能，是指太阳热辐射能，是一种可再生能源，目前，太阳能的广泛应用，已经成为人类应用能源中的重要组成部分。太阳能强度随着天气变化与季节变化而变化，因此，太阳能热水器需要添加辅助加热装置才能够保障人们全年用到热水。当前，市场上大多产品的电辅助加热方式多是采用开关控制或PID控制，然而，由于太陽能本身变化的复杂性，太阳能热水器的集热与辅助加热过程难以精确利用数字模型表达，传统的控制方式已经难以达到客户满意效果，对此，智能型控制器已经成为太阳能控制器发展的必然趋势。

1.智能控制器的系统硬件设计

1.1设计任务

本次设计主要以应用较为广泛的89C51单片机作为智能控制器的核心，温度传感器中的温度信号、检测传感器中的水位信号通过单片机处理后，会直接将信号传输至液晶显示屏中，显示当前太阳能热水器的水温与水量，并且，当太阳能热水器温度不足需要加热，或者水位不足需要供水，则控制器驱动热水器上的辅助加热装置进入工作状态，自动实现温度的控制与水量的加载。同时，智能控制器还需要具备实现低温、高温报警、水位底线、高限报警等功能。

1.2总体硬件结构

依据上述设计任务以及智能控制系统需要实现几种功能，笔者综合考虑了各种功能、控制器的智能化以及成本问题，实际了控制器的硬件结构框图，具体如图1所示。

在本次设计研究中，笔者选用了STC89C51单片机作为智能控制器的中央控制系统，选用了DS18B20温度传感器作为检测水温的主要装置，以1602液晶显示屏作为显示温度与水位量的仪器。当智能控制器进入工作状态，太阳能热水器的水温信号与水位信号将会通过单片机处理显示在显示屏上。

1.3温度传感器的简单介绍

在本次设计研究中，笔者选用了DS18B20型号的温度传感器，该传感器由美国达拉斯公司研发，将采集到的温度值以九位数形式显示。该类型温度传感器主要通过总线接口对数据进行收发，并且，传感器能够通过数据线直接获得工作所需电压，不需要外部供电，提高了其的安全性。在DS18B20型号温度传感器运行时，大多直接与单片机I/O口相连接。

1.4水位检测电路设计

在本次设计中，笔者将储水箱进行了三等分，水底设有公共电极，相应装置能够通过水位深度的不同以及电极电势差判断储水箱水深。其具体原理如下：首先，单片机轮流向不同水位的电极输送高电平；其次，公共电极实现不同水位的电位转换，若水位达到对应电极，输出低电平，若没有达到，则输入高电平；最后，相应装置循环检测电压值，每次会得到4个串行数据，相关装置通过对数据的分析来判定水位，并将具体数据显示在显示屏上，水位检测过程就此完成。

1.5继电器电路与原理

在该系统设计中，笔者选用了的继电器装置为电磁继电器。通过上文可知，当太阳能热水器水温过低时，智能控制器将会发出加热命令，加热装置自动开启。当热水器储水箱水位过低时，想要实现供水自动化，需要利用水位与也为信号的控制开关，即为利用继电器控制开关，使其自动开启供水模式。继电器控制的工作原理具体如下：当继电器线圈通电时，因继电器具备电磁感应，铁芯产生了磁性，对开关弹片产生吸附力，开关自动开启，外部电路导通。电磁继电器控制电路的主要原理如下：当开关需要闭合时，单片机将会输出一个电平信号，发光二极管导通，之后，三极管导通，继电器线圈获得通电，驱动继电器运行，后继电器闭合，电路畅通。

1.6液晶显示屏模块选型与简单介绍

本系统主要采用了LCD1602液晶显示屏。该种型号的液晶显示屏能够同时显示16×2个字符，模块内部主要存储了阿拉伯数字0～9，二十六个英文字母的大小写等。在模块进入工作状态时，只需要将显示的字符对应地址中的点阵图形显示出来，我们就能够在显示屏中看到温度、水位等相关系数。另外，因为1602显示屏识别指代的是计算机系统中的ASCII码，在显示屏模块工作时，可用ASCII码直接赋值。1602液晶显示屏内部驱动模块多会提供八位或者思维数据总线连接方式，模块外部具有一些电源接口以及控制信号的接口。

2.太阳能热水器智能控制器的系统软件设计

2.1软件设计任务

在系统智能化的软件设计中，系统上电将自动完成初始化设置，使得智能控制器连接的各个传感器以及控制电路完成准备工作。初始化结束，程序开始测量热水器当前水温与水位，并将测试结构显示在液晶屏上，便于用户查看与使用。当显示屏上水温低于下限值时，控制器将自动闭合开关，加热继电器正式工作，提高水温，当水温上升至规定指，则加热装置自动闭合开关，切断电源。同时，在本系统设计中，笔者为其设计了三个水位档，水位检测装置将会根据水位的高度判断当前水位，并以指示灯的形式告知用户热水器当前水位。当水位低于最低限值，则控制器将控制水继电器闭合开关，相应装置自动供水，当水位达到储水装置最高水位线，切断继电器快关。在本系统设计研究中，实现了水温与水位的自动调节，提高了热水器的智能化，便利了人们的日常应用。

2.2温度采集设计流程

DS18B20温度采集程序流程主要是根据其通信协议制定。在单片机这一核心控制器控制DS18B20时，首先，单片机应对其完成初始化，完成各寄存器的初始设置；其次，启动温度转换功能，等待相应设置获取温度；在获取温度具体数值后，相关设置将会读取数据寄存器，获取其中的高字节数据DH，以及低字节数据DL。最后，智控制器连接的相应模块对其进行二进制计算，得出真正的温度值后，由显示屏显示。endprint

温度采集函数的关键程序代码如下：

2.3水位检测流程

在本系统中，储水装置的三根水位线被水淹没的具体情况是水位检测流程的主要依据。在水位检测中，控制器利用三个指示灯代表三个水位线，通过指示灯的变化告知用户热水器的大概数位。

2.4系统测试

通过上述文章对系统软硬件的设计研究，太阳能热水器的智能控制器已经基本完成，为保障智能控制器的效用，笔者对其进行实际测试。首先，水温显示的测试。本系统水温主要是通过温度传感器进行测量，并在显示屏上显示，温度测量范围在0～90℃之间。在实际测试中，笔者对热水器水温进行几次检测，检测结果发现，水温检测装置在本系统中响应快速、测量准确，且温度至能够准确的显示在显示屏上。其次，水位显示的测试。在水位实际测量中，笔者通过多次输水放水对水位显示进行测量，结果发现，当水位高于低水位线，红灯亮起；当水位在低于高水位线，高于中水位线时，黄灯亮起；当水位在高水位线之上时，绿灯亮起。经过测量，该次智能控制器设计研究效用完好，可直接使用于太阳能热水器上。

3、太阳能热水器智能控制器

在本次设计中，笔者为太阳能热水器设有两大系统：晴朗天气，利用太阳能加热；阴雨天气与夜间利用电能加热。太阳能热水器主要包含有排气管、保温箱、溢流管、上下水管、真空集热管、支撑架、保温水管、淋浴以及智能控制器构成，文章主要介绍的是智能控制器的设计。实际上，智能控制器是电子电器产品，利用电力启动，主要用于太阳能淋浴器缺乏太阳能源时的供电，缺水时的自动供应等，不仅便利了人们的应用，更推动了太阳能热水器的进一步发展与应用。在硬件各个模块与软件系统设计完成后，各个电子系统或模块真正构建成电压采集器、温度检测传感器、充放电控制器、水位检测仪器、显示屏等，最终，由上述设备构建成完整的智能控制器，试验证明，智能控制器反映良好，本次硬件模块与线路设计，软件系统设计以及最后安装测试，最终得出的产品效果良好。

3.总结

本文主要讲述了太阳能热水器的智能控制器设计研究过程，以此改變传统控制器中无法实现智能控制的缺点，便于用户的查看与应用。文章通过智能控制器的系统硬件。在本次设计中，智能控制系统实现了自动上水、自动加热等功能，便利了人们的应用。

参考文献：

[1]王鹏宇，刘文君.基于太阳能热水器智能控制器设计[J].现代电子技术，2014（5）：124-126.

[2]陈开开.基于单片机的太阳能热水器智能控制器的设计[J]. 硅谷，2014（19）：9-10.endprint