基于单片机的通用太阳能热水器控制器设计研究

张震 赵天翔 黄进明 张小波

摘 要：随着太阳能市场规模的逐渐扩大，市场上出现越来越多的太阳能热水器控制器，大部分控制器不够完善。目前，市场上的太阳能热水器控制系统基本实现数字化，以单片机为核心的控制器占据太阳能热水器控制器的主要市场，其中应用最多的是51系列和PIC系列单片机。太阳能热水器控制器是热水器系统的关键部分，是整个系统的核心。文章以STC89C52单片机为核心，设计了一个通用太阳能热水器控制器。其整体思路是实现控制器对太阳能热水器容器内的水位、水温测量与显示；缺水时自动上水、手动上水；手动加热等功能，并通过仿真与实物连接加以验证。

关键词：热水器控制器；设计研究；整体结构

中图分类号：TK515 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）24-0093-03

Abstract： With the gradual expansion of the solar market， there are more and more solar water heater controllers in the market， most of which are not perfect. At present， the control system of solar water heater in the market is basically digitized. The controller based on single-chip computer occupies the main market of solar water heater controller， among which 51 series and PIC series single-chip computers are the most widely used. The controller of solar water heater is the key part of the water heater system and the core of the whole system. Based on STC89C52 single-chip microcomputer， a general controller of solar water heater is designed in this paper. The whole idea is to realize the controller's measurement and display of the water level and water temperature of solar water heater container； once it is short of water， it is ensured that there are functions such as automatic water supply， manual water supply and manual heating， and simulation and physical connection are means of verification.

Keywords： water heater controller； design research； whole structure

1 概述

太陽能热水器是利用太阳光将水从低温加热到高温，但在阴天时太阳光照不足会导致水温较低，故需配合辅助加热装置进行电加热将温度升高到所需温度，以满足人们的热水使用。目前，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，很多控制器虽然具有温度和水位显示功能，却不具有温度控制功能或控制精度误差较大，系统可靠性不足，致使热水器阴天的时候使用不方便。即使热水器具有辅助加热功能，也因加热时间不能控制而产生过烧现象，从而浪费电能。为此结合所学相关知识，在保证基本功能较为完善的前提下，考虑经济性，提供了一种以51单片机为核心，具有低液位加水和辅助加热功能的太阳能热水器控制器的思路。

2 太阳能热水器整体结构介绍

一个太阳能热水系统主要由以下几部分组成：集热器、储水箱、连接管路、辅助加热器、控制器等。按照热水系统的构造特点可以将太阳能热水系统分为强制循环系统、自然循环系统以及直流式系统三种类型。

太阳能热水器集热器是太阳能热水系统最关键的装置。根据集热器的构造以及热能的吸收方式的不同，目前市场上的太阳能集热器主要分为三种类型，包括真空管式集热器、平板式集热器以及热管式真空管集热器。

太阳能热水器的辅助能源加热系统有多种形式，现实设计中应按照用户实际情况，操控便捷性等综合考虑。目前常见的辅助能源加热形式包括内置式电加热器、电锅炉、空气源热等方式。用户可根据需要选用相应的辅助热源，其中，电加热是使用发热电阻加热冷水，它的特点是成本低、安装简便，但运行成本较高且因为电加热器直接与水接触易产生水垢，故其使用寿命短；空气源热泵的集热效率高、运行成本低、绿色、环保，但其结构复杂，初期的投入成本高。

本次设计的太阳能热水器控制器以STC89C52单片机为核心，与其他器件配合实现热水器的基本功能，控制系统硬件框图见图1。

2.1 水位检测电路

本设计采用4档电阻式水位传感器，其内部结构很简单，储水箱内水面每接触一个探针就多并联一个25kΩ电阻，接入电路中的电阻值随水位变化而规律的变化。利用电阻式水位传感器测量水位的优势是节约成本，降低电路复杂度，便于及时更换。不足之处是电阻探针在水里使用时间过长会产生大量的水垢，为防止这个现象发生，用不锈钢材料将电阻探针包装起来，延长水位传感器的使用寿命。

2.2 温度检测电路

采用负温度系数NTC热敏电阻温度传感器，测温元件采用NTC热敏电阻，负温度系数的热敏电阻的阻值变化特点是温度变大，电阻值减小；温度变小，电阻值增大。

2.3 显示电路

显示电路包括水位显示和温度显示两部分。

水位显示电路由单片机P2.4-P2.7口来控制，单片机处理采集的水位变量，使P2.4-P2.7口输出高低电平控制4个发光二极管亮灭的个数，从而显示水位的高低。

温度显示电路采用数码管显示温度。7段式LED数码管是利用7个LED和1个代表小数点的LED组合而成的显示器件，能用来显示0～9等10个数字以及小数点，电路连接及使用原理较为简单。7段式LED数码管分为共阴极与共阳极两种，共阳极是指LED的阳极都连接到共同的结点，每个LED的阴极分别为a、b、c、d、e、f、g、dp（小数点）；共阴极是指把LED的阴极连接到共同的结点，每个LED的阳极分别为a、b、c、d、e、f、g及dp。

热水器温度需能够显示0至99°C，本设计采用数码管动态扫描方式，利用单片机P0口控制数码管的段选，P2.0和P2.1口控制位选，实现温度显示。注意当P0口作为I/O口时需加上拉电阻。本设计采用共阴极数码管，将0～9这十个数字的字形码定义成一个数组，通过对温度数据查表，就能显示相应的数字。

2.4 驱动电路

2.4.1 上水控制电路

通过按按钮给单片机发送上水信號，由单片机P3.0口输出高低电平来控制三极管的导通和截止，进而控制上水继电器的导通和关断。P3.0口通过一个1K的电阻接三极管Q1的基极，基极与射极之间连接1K电阻，Q1的集电极通过上水继电器接+12V电源，将继电器与反向二极管并联，Q1射极接地。当P3.0输出低电平时，三极管截止，即集电极电流Ic≈0，基极电流Ib≈0，此时流过继电器的电流几乎为0，继电器打开。当P3.0口输出为高电平时，三极管Q1导通，有较大的饱和电流流过继电器，使其吸合关闭，实现上水操作。

2.4.2 加热控制电路

通过按按钮给单片机发送加热信号，由单片机P3.1口控制加热电磁继电器，当P3.1输出低电平时，三极管Q2不导通，流过继电器地电流几乎为0，开关开启，电加热器未接入电路，不加热；当P3.1口输出高电平时，三极管Q2导通，继电器有较大饱和电流流过，开关闭合，电加热器开始工作。

3 模块选择

依据设计思路，控制系统硬件整体结构分为四个模块：

3.1 水位测量模块

使用电阻型4档水位传感器，采用RC充放电并用单片机记录时间的方法，通过记时时间的改变间接地采集并处理水位信号，达到测量水位的目的。

3.2 水温测量模块

采用负温度系数NTC热敏电阻温度传感器，同样用RC充放电、单片机记录不同的定时时间的方法，实现水温的测量。

上述两个模块是太阳能热水器控制系统最关键的部位。

3.3 水位与水温显示模块

依据4个并排的发光二极管的亮灭显示不同的水位，使用数码管显示水的温度。此模块主要用于人机信息交互，能较为直观地显示太阳能热水器储水箱内水的状况。

3.4 驱动模块

此模块是系统的执行部分，包括上水电路（三极管、上水继电器）、加热电路（三极管、加热继电器）等。

在整个控制系统中，微处理器是控制器的控制核心，需具备较强的控制能力、较快的运算速度以及丰富的外设资源。同时，为降低控制器的成本，微处理器需具备一定的价格优势。本设计采用STC公司生产的STC89C52单片机。

4 系统的调试与功能实现

4.1 系统初步设计的调试

本系统设计的是基于STC89C52的太阳能热水器控制器，在连接复杂的电路前先在 Proteus中进行模拟仿真，测试程序设计是否符合电路的相关要求，程序是否运行正确合理。用Proteus软件把电路中所需要的元器件调出，绘制出具体的电路图，设置好元器件相应的参数。然后把用Keil软件编写好的程序导入到单片机中。

4.2 系统硬件电路的调试

根据仿真电路，通过电路板和单片机最小系统板搭建电路，按模块分别搭建独立调试成功后，搭建完整电路进行综合调试。

调试的一个关键是温度校准。要根据具体的电路实现温度的校准，采用线性校准法，测量0°C、100°C时热敏电阻的阻值，根据热敏电阻的指数递减的特性，可求出其他的温度时的阻值。查表法是一种线性插值法，将非线性函数分段，即将每小段曲线用直线代替，分段越多误差越小，将折点坐标值画入图中，利用两点的直线方程可求得其两点之间其他点的值，即可实现温度的校准。

水位显示的实物连接图如图2所示，电路板上面是555定时器产生方波的电路、RC充放电电路、LM358构成的跟随器、LM393构成的比较器以及4个LED，上侧为+5V、+12V电源，右侧为水位水温传感器。

4.3 系统电路功能实现

实物调试实现了下列功能：

当水位变化时，4个发光二极管亮灭相应变化，能较准确地表示出水位的变化。当水的温度变化时，数码管能较准确地显示温度，误差在3°C以内。当按下上水按钮时，上水继电器动作，模拟加水。当按下加热按钮后，若温度低于65°C，则电加热继电器动作，模拟辅助加热；当温度上升到设定温度时，电加热继电器失电，停止加热。基本达到设计的期望与要求。

5 结束语

本文以STC89C52单片机为核心，配合4档电阻型水位传感器、负温度系数NTC热敏电阻温度传感器、数码管以及驱动电路（上水继电器、电加热继电器）等外围器件实现控制器对太阳能热水器容器内的预期功能，并通过仿真和实物连接进行了验证。

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