太阳能热水器控制器

1引言

太阳能热水器是目前一种具有较成熟技术、应用广泛的可再生能源产品，在全球的很多国家都得到了广泛应用，在提供热水、减少常规能源消耗、提高人民的生活水平等方面发挥了巨大的作用。在欧洲、澳洲等国家，太阳能热水器主要是作为辅助热源与常规能源联合运行使用，既能供应日常生活和洗浴热水，还能为房屋供暖；在美国，太阳能热水器主要是用于家庭游泳池的加热。在全球范围内，即使是在可再生能源界，也普遍存在着低估和忽视太阳能热利用的现象。为此，国际能源机构太阳能供热和制冷委员会（IEA.SHC）等诸多国际机构时刻呼吁各方加大对太阳能热水器的关注和支持，避免低估太阳能热效应的作用，推动太阳能热水器的普及和应用[1] 在我国，随着人们生活水平的不断提高，市场上各种热水器的使用已相当普及。相配套的控制仪器也随之相继问世。

1.1 课题背景

根据市场调查显示，市场上出售的太阳能热水器控制系统设计虽然各有特点，但与之配套的自动化控制器却一直没有多大的变化，技术的改进基本上处于原地踏步状态。随着人们的收入水平不断提高，越来越多的人要求安装性能优异的自动控制器。所以说，控制器的技术落后在某种程度上影响了太阳能热水器行业的发展。

1.2发展近况

近年来,太阳能热水器因利用太阳能、无污染、使用方便、长期投入费用低等特点,深受人们的青睐,太阳能热水器已经成为与电热水器、燃气热水器并列的三大热水器产品之一[2] 。目前中国市场上太阳能热水器的控制系统大多存在功能单一、操作复杂、控制不方便等问题,很多控制器只具有温度和水位显示功能,不具有温度控制功能。即使热水器具有辅助加热功能,也可能由于加热时间不能控制而产生过烧,从而浪费电能；与之配套的控制器却存在着诸如使用一段时间后,传感器因结垢而检测不准;显示器显示乱码，因干扰而造成电磁阀等执行机构误操作等一些问题,影响了太阳能热水器的推广使用[3]。目前，国内多个省市已经纷纷跟进，推进太阳能与建筑一体化，如江苏、广东、海南、山东、甘肃、深圳、浙江等地区都明确要求12层以下建筑要全面推广和配置太阳能热水系统，为太阳能应用提供了巨大的空间，太阳能产业发展

也将迎来新的契机[4] 。

随着人们生活水平的提高,各种热水器的使用已相当普及，消费者需要真正的“全自动”控制,以实现使用的最简单化,就像家用电视机、电冰箱一样,接通电源、设定完毕就不用再操心了[5] 。

1.3 课题研究方向

本毕业设计的研究的太阳能热水器控制器，有着很大的发展，但现有的技术和资金投入比较少，因此，在太阳能热水器、太阳热水系统的测量控制方面，应引起足够重视，加大投入一定力量研究开发高质量、性能好的自动控制产品。随着计算机在各种智能控制系统应用中的不断深入与蓬勃发展，单片机以其小巧的外形、较高的性价比、灵活的控制方式、广泛的应用在这一领域[6]。文章中所介绍的太阳能热水器自动控制系统，将低价位的AT89C51单片机引入太阳能热水器中，以单片机作为核心部件，实时自动采集温度和水位数据，并根据用户选择进行自动或手动控制，充分利用好太阳能热水器。

本文详细介绍了基于AT89C51的太阳能热水器自动控制系统的组成、软件设计。

2 总体设计

2．1 设计要求

本课题设计的太阳能热水器自动控制系统具有以下功能：

（1）水温显示：水温用数码管显示，测温范围0~99℃；精度±2℃。

（2）水位显示：本系统利用水位检测电路可以检测4个水位，包括4个正常水位50％、80％、100％和一个底水位；用数码管来显示当前水位，当水位超过该水位点，数码管显示。

（3）水位设置：可设置加水水位50％、80％、100％(本仪预置水位50％)。按“水位开关”键，数码管显示当前水位，如显示50，表示50％，这时“水位开关”键旁的发光二极管亮，通过按“∧”或“∨”键可以调整水位设置。

（4）缺水上水/报警：当水位从高到低，出现缺水状态时，缺水指示灯闪亮，延时15分钟自动上水至预置水位。

（5）手动上水：在手动控制状态，可以通过设在面板上的按“上水”键随时进行手动加水，若水位低于预置水位，可上水至预置水位；若水位已达到预置水位，则

在原水位基础上再加一档；若水位已加满，则停止手动加水。在上水过程中，按“上水”键，可停止上水。

（6）自动上水：在自动状态，当检测到水位没达到设置水位时，自动上水；若水位已达到预置水位，且水温超过设置水温3℃以上，自动加水直到水温等于设定水温；若水位已加满，则停止加水。此功能使太阳能热水器产出最多热水。

（7）手动加热：若日晒水温达不到设定值，则电加热自动补温，加热到预置温度后自动停止加热。在加热状态，为保证使用安全，此时应禁止用水，加热状态时红色发光二级管显示加热正在进行，待加热停止后方可用水。

2．2 系统原理

根据设计要求，可以设计出系统结构框图，如图2.1所示。

图2.1

由此可以设计出系统硬件电路图，见附录A。PCB图见附录B。该系统硬件由以下几部分组成：温度水位检测电路、水位指示电路、继电器输出控制电路、显示电路、按键电路、报警电路、工作状态指示电路和单片机控制电路。在本文第3章中将对这些电路的软件设计作详细分析。

2.3 主程序设计

系统主程序流程图如图3.13所示。

图3.13 主程序流程图

3 软件设计

软件设计分为：温度检测设计、水位检测程序设计、显示程序设计、按键程序设计、X5054程序设计。

本设计软件部分主要包括初始化模块、模拟输入和计时模块、故障判断和控制逻辑处理模块、键盘处理和LED显示模块等[7]。因系统逻辑关系较为复杂，编程时要进行逻辑判断。为简化程序，便于系统升级，本程序设计采用了模块化设计，采用汇编语言进行编程。

3.1 温度检测程序设计

3.1.1 DS18B20的使用方法

DS18B20使用的是1－Wire总线协议方式，意思是在一根数据线上实现数据的双向传输。但是对AT89C51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，必须采用软件编程的方法来模拟单总线的协议时序，从而来完成对DS18B20芯片的访问。