基于单片机的分体非承压太阳能热水器控制器

摘要：分体式太阳能热水器实现了集热器与蓄热水箱的分离，采用强制循环的换热方式，以S3C9488芯片为核心部件，实现定温上水、温差循环、定时定温加热等功能，通过用户界面可以设置时间、温度、水位及实时显示，并具有高温保护、防溢流保护和防冻保护。

关键词：分体非承压：温差循环;模糊控制

目前，市场上太阳能热水器控制器多采用整体式结构，强电与弱电部分在同一块线路板上，有一定的安全隐患;绝大部分控制器采用轻触式按键，在使用一段时间后变得不灵敏甚至失效。为配合分体式太阳能热水系统实现自动化、安全性能好、更具人性化的要求，开发出一款控制与显示分开的太阳能自动控制系统是至关重要的。

1 系统构成及工艺要求

1.1系统结构

太阳能热水系统是由集热器、保温水箱、控制系统、循环泵、管路配件等组成。系统采用的是分体直接式强制循环结构，不承压运行，分为热水系统和控制系统。系统结构如图1所示。

1.2分体太阳能热水器控制工艺分析

（1）定温上水，温控停水;（2）手动上水;（3）上水增压：无论是定温上水还是按上水键上水，增压泵都延时5秒启动;（4）温差循环，气堵保护;（5）用水保护：用水时，若正处于上水、循环、电加热任何工作状态都将自动关闭;（6）高温放水; （7）防溢流保护;（8）电加热：电加热分手动和定时两种，互相不能影响。水位大于等于75%时才允许开启电加热;（9）循环防冻保护：当集热器温度≤5℃，水箱温度≥25℃，循环泵启动，到集热器温度≥10℃，或连续循环5分钟时停止。（10）伴热带防冻：检测到伴热带温度低于1度，且不满足循环防冻条件时，开伴热带，加热到伴热带温度高于2度时停止加热;（11）高温保护：当集热器温度≥85℃时，上水、循环泵停止工作（程序中固化）。在集热器温度下降至80℃时恢复正常。

2 控制系统设计

2.1系统功能：1）水位、水温的准确测定：通过传感器较精确的测定实时水量、水位和水的温度，并在控制器显示面板上通过图案和数值来显示;根据需要，可以手动或自动选用辅助电加热器。2）补水方式、补水时间选择和设定：用户可以根据需要选择自动补水，也可以选择手动补水，用户可以根据自己的需要设定补水时间。3）断电记忆：发生断电，本机有记忆功能，无须重新设定参数和时钟。4）其他控制与保护措施：控制系统还对多种意外情况做了相应的保护措施。如当电加热启动时，用户如果正在用水，则自动切断电加热，直到用水完毕，再重新开启电加热，防止带电用水造成危险等。5）模糊控制：采用传统的单片机作为物理基础，编制相应的软件实现模糊推理和控制。

2.2系统总体设计。控制系统主要由五部分组成：单片机控制模块、信号采集模块、显示模块、继电器输出模块、按键模块。

控制器以S3C9488芯片为核心部件，实现的主要功能包括：循环增压泵启停自动控制、水箱补水和补温的自动控制、集热系统防冻保护控制、系统定时加热以及用户按键手动操作等。基于以上功能要求，开发了基于单片机的控制器软、硬件系统。

3 单片机硬件系统

本控制系统采用S3C9488单片机为控制核心，采用热敏电阻采集温度信号，采用电阻式传感器采集液位信号，采用水流开关采集用水的水流信号，使用继电器进行输出控制。

3.1信号采集模块

（1）水温信号采集。在温度采集模块中，温度传感器通过铂电阻对温度进行检测、采集，采集到的信号经电阻电压转换电路，将铂电阻的阻值变化量转换成电压信号，送至S3C9488的P1.1口（ADC2），通过A/D转换，把模拟量信号转换成数字信号，通过微控制器控制，对温度范围进行分段拟合，并进行误差分析，实现在线校准，以实现输出结果的线性化处理。

（2）水位信号采集。RC充放电式水位传感器测量电路，它的工作原理是，水面每接触一个钢针就会多并联一个电阻，电阻随水位变化而规律的变化。利用单片机的一个口周期性的给电容电路充放电，然后用单片机监测电容两端电压的变化，因为电容电压的上升或下降时间t=RC，所以用单片机记录这个时间就能判别电阻的变化，进而转化为水位的变化进行显示及其他动作。

（3）用水信号采集。用水信号是通过供水支管内安装的水流开关来获得的。根据开关控制方式的不同，选用不同的连接方式，可用于出水通电或出水断电两种方式，如图3所示。

3.2 继电器输出模块。本控制器主控电路板输出采用驱动芯片ULN2003来驱动继电器输出，对执行器进行启停控制。上水电磁阀和循环电磁阀由大功率三极管进行控制。

4 软件设计

控制要求，控制器軟件设计采用模块化结构，由主程序、中断服务子程序、若干功能模块子程序构成。其中功能模块子程序包括键盘扫描子程序、温度控制子程序、A/D 转换子程序、模糊控制子程序、显示子程序、漏电保护子程序。其主程序流程图如图4所示。

5 结束语

系统中热水器的水箱为分体式非承压水箱，出热水快，出水量大，冷热水压平衡，调温方便，实现了智能化和人性化全方位控制，具有控制精确、方便的特点且成本低廉，较易被用户接受。很适合商业和家用太阳能热水器的使用，有很好的经济价值。

参考文献：

[1]张毅刚.单片机原理及应用[M].高等教育出版社，2004年.

[2]王国良.光控非承压分体式太阳能热水器设计及应用[J];能源研究与信息，2009年01期.

作者简介：张旭芬（1979年-），女，汉，山东招远，讲师，控制理论与控制工程。