陈苏杭?陆荣鑑
摘 要:太阳能是目前地球上巨大的财富之一,人们利用太阳能可以节省许多其他有限能源。太阳能热水器因利用太阳能、无污染、长期使用的投入费用低等特点而倍受人们青睐,近些年得到了很好的推广和发展。本设计采用MICROCHIP公司的PIC系列单片机作为主要控制器,使用C语言来编写程序,设计了一款智能太阳能热水器自动上水控制器。通过数字温度传感器检测当前的水温,通过单片机的处理在LCD12864上显示当前的温度值。水位探测方面是在水箱中放置两个探针,分别代表高和低两个水位。温度和水位都是实时检测,以此达到控制的目的。
关键词:太阳能热水器;单片机;传感器;智能控制
0 引言
在科技快速发展的今天,环境的破坏日益严重,人们逐渐意识到保护环境的重要性。[1,2]太阳能热水器具有以下这些特点:水质洁净、节省电能、安全可靠等等,所以受到群众的广泛欢迎。[3]随着太阳能热水器的快速发展,太阳能热水器智能控制器这一行业随之崛起,共同推动了太阳能热能利用技术行业的进步。
智能控制器的核心技术主要包括以下两个方面:一个是控制器功能的完善方面,另一个是自身安全可靠性方面。在功能上,方便实用是重点;在可靠性上,把硬件和软件相结合,并且注意用水、用电的安全。早期用户只是通过数码管直接看出当前热水器的水温,水位显示则用简单直观的发光二极管来表示。如果LED亮了,那么表示当前水位已达百分之多少;后来设计者换成了液晶显示屏或彩色发光屏幕,使用户能够更方便、直观地看到热水器的工作状态。通常显示器上显示有温度显示、液位显示、时间显示、出故障报警提示、工作状态等。[4]
1 太阳能热水器系统总体设计
单片机PIC16F1826作为控制核心并协调整个系统的工作,通过数字温度传感器检测当前水的温度,由于是数字信号就直接送入单片机内,通过单片机的处理在LCD12864上显示当前的温度值。用水箱中的两个探针得到水位的高低,并用LCD显示水位的高低。自动上水方面是设置水位的上下限,水位低于上限时就会闭合电磁开关,就会开始上水,水位到达上限时就会自动断开电磁开关,停止上水。[5]按键用来设定时间以及手动上水。温度和水位值处于时时检测的状态,以此达到控制的目的。
2 热水器控制系统电路设计
2.1 水位检测电路
本设计所使用的测水位方式是探针测水位,液位的高低是控制自动上水停水的关键,及时准确地检测出水位高度,实现水位的自动控制。该设计所使用的测水位方式是探针测水位。检测原理为:本电路里放置了两个水位探针,分别代表水箱的最高水位和最低水位,当水位低于最高水位时,单片机控制继电器闭合上水,当水位到达最高水位时,继电器断开,停止上水。
2.2 自动上水停水控制电路
本电路中利用电磁继电器来实现自动控制。当继电器线圈通以电流,根据电磁感应定律,铁芯产生磁性,把开关吸合,从而继电器回路形成。
自动上水停水控制电路工作原理:当水位检测电路得出太阳能蓄水池当前水容量低于最高水位时,单片机处理后送低电平信号,后端电路接通,输出电压分压后使三极管导通,电磁继电器达到工作电压,常开触点闭合,开始上水,到达最高水位后触电断开,停止上水。[6]
2.3 时钟模块
本设计所使用的DS1302计时芯片可以做到可靠的计时。更重要的是,该芯片可以在拥有后备电源时持续计时。在断电等特殊情况下,可以保证计时的准确性,并能够使热水器准时上水。
2.4 温度检测电路
本设计采用DS18B20器件,该器件是目前较为先进的测温方法。内部采完模拟信号后直接转成数字信号,单片机对接收到的信号进行处理。DS18B20只有3根导线连接线,接到单片机I/O口进行测温,电路简单、方便使用。这种连接方式组合了电源和信号线,电路简单,仅使用一根线,且DS18B20编码唯一,各自连接网络寻址,耗能很低。
2.5 键盘电路
软件设计上,把事先的程序编译好后下载到单片机,时间可以在程序中写入,按键S1被按下,此时光标显示到秒的位置,S2作为调节时间秒的加键,S3作为调节时间秒的减键;按键S1第二次被按下时,此时光标显示到分钟的位置,S2作为调节时间分钟的上升按键,S3作为调节时间分钟的下降按键;按键S1第三次被按下时,此时光标显示到小时的位置,S2作为调节时间小时的上升按键,S3作为调节时间小时的下降按键,S4作为手动上水开关。
3 热水器控制系统软件设计
3.1 系统整体流程
软件是用来控制硬件的正常运作,整体软件的设计思路:采用多个模块功能分别单独设计的方式,将各个模块统一后形成完整的系统。本设计的软件主要包括主程序、键盘扫描子程序、DS18B20测温子程序、LCD12864显示子程序、水位检测子程序。
主程序需要完成的功能有:系统对DS18B20以及12864显示屏的初始化,读取用户通过键盘设置的时间,再读取溫度和水位信息,然后对水位进行分析,执行相应的命令,完成后等待下一次启动命令。系统整体流程为:先进行系统初始化,再扫描键盘,检测当前水位和水温,将参数显示在显示屏上,判断水位是否低于设定值,如果水位定于设定值则打开电磁阀,否则关闭电磁阀。
3.2 DS18B20软件设计
DS18B20温度检测流程为:先对DS18B20进行复位,然后读取温度数据,再对数据进行转换,最后在LCD12864上显示温度数值。
3.3 LCD12864软件设计
LCD12864显示程序流程为:先对LCD初始化,清除显示RAM区,接着处理单片机的命令,再置显示初值,指针指向第一,显示预设的水温、水位和时间等数字在显示屏上。
4 结语
本系统是一个可用于控制太阳能热水器的智能控制系统,能够进行水位、水温的检测和显示,能够对时间进行设定、对水位进行控制,能较好地对太阳能热水器进行智能控制。
系统以PIC16F1826单片机为核心,有温度检测传感器、水位检测电路、上水控制、温度显示、水位显示等模块。其中,温度显示是通过温度检测传感器DS18B20采集到的温度数据经过单片机处理发送到LCD12864上实现的。键盘则是输入时钟时间和手动控制上水。水位显示与上水控制是通过设置水位的探针来检测不同的水位。水位低于最高水位,就会自动上水。当上水到最高水位时,停止上水。
参考文献:
[1] 丁奉龙,周海燕.手持喷雾水电解机的控制装置设计[J].艺术科技,2019,32(08):241+243.
[2] 刘刚,赵晨阳.便携式电动滑板的创新设计[J].科技与创新,2017(01):88.
[3] 姚单,张冠男,程似骐,何俊艺.针对上水问题的太阳能热水器增压系统设计与实现[J].科协论坛(下),2012(01):24-25.
[4] 应进平.太阳能热水器自动控制系统设计[J].计算机测量与控制,2006(12):1652-1653+1710.
[5] 吴磊,孟惠,周永军,宋晓伟.一种机械式半自动太阳能热水器上水装置[J].太阳能,2018(03):62-64+69.
[6] 严冬,赵玉荣,陈润,金建,马敏.基于单片机的太阳能热水器自动上水系统设计[J].电脑知识与技术,2017,13(32):255-256.
作者简介:陈苏杭(1997—),男,研究生在读,主要从事机电一体化、嵌入式系统方向的研究。
通讯作者:陆荣鑑(1964—),男,研究生,讲师,主要从事机电一体化、工业控制系统方向的研究。