基于单片机的太阳能热水器水位水温控制器设计

◇咸阳师范学院物理与电子工程学院 王二宝 李梦琪 黄忠南 宋 丹

本文主要目的是设计一个能够符合大众需求的太阳能热水器水位水温控制器，并介绍了一种太阳能热水器水位水温控制器的系统。该系统采用了52单片机、DS18B20温度传感器、HCSR04超声波测距模块等元器件，能够对水位、水温进行实时监测和控制。硬件设计是用STC89C52作为核心芯片，通过按键设置温度和水位的上下限，从而进行功能选择，以达到控制水温水位的目的，并通过LCD进行显示。软件设计依靠Keil编写程序，并在Proteus软件中进行仿真。软件和硬件相结合，让本次设计更有可行性，可以达到预期设想功能。

1 太阳能热水器

1.1 太阳能热水器的工作原理

太阳能热水器采用了温室工作的原理，它将收集到的太阳能转化为热能，再将热能递送到需要加热的水中，最终实现冷水加热的设备。

集热镀膜吸收太阳辐射后，发热，通过热传递将内能传递至水中，水受热后由于受到重力作用而获得动力，储存在水箱的上部，较低温度的水会不停的进入水箱，反复循环，直至达到预设温度。

1.2 太阳能热水器的优缺点

优点：太阳能热水器低碳绿色、适应力强、安全可靠。只要有阳光，便可正常运行，适合家庭多人使用；同时，太阳能热水器抗冻能力比较强，避免过冷而结冰。

缺点：体积比较大，容易聚集水垢；安装程序比较复杂，日常维护困难。

2 系统总体方案

2.1 系统总体设计

该控制器是基于52系列单片机设计的，设计思路如下：STC89C52单片机作为主控芯片，其和传感器、显示器件、报警器等共同构成控制器，传感器采集水箱中的水温和水位信号，将信号传送给单片机后，最终显示在LCD1602上[3]。本次设计通过按键设置水温和水位的上下限，并进行功能选择，以达到控制水温水位的目的，当达到水温和水位的下限值时，会触发报警系统，并开始自动加热和上水；当达到上限值时，会再次触发报警系统，停止加热加水。

2.2 主要模块的方案论证

（1）控制芯片的选择。方案一：采用STC89C52作为主控芯片，其属于52系列，不仅包含51系列的所有功能，还有很多51系列没有的功能。其速度比传统8051快8～12倍，且市场供应充足，是一款低功耗、高性能、加密性好、抗干扰强的单片机。方案二：采用51系列单片机，51系列单片机入门芯片，使用熟练，复杂运算难以实现。比较以上两种方案，最终选择了方案一，不仅仅是因为它的价格、实现功能的方式，而且它符合本次设计，可行性也比较强。

（2）水位检测电路选择。对于水位检测电路有很多方案，通过筛选，最终选择了以下两种方案。方案一：采用简单的机械式检测水位。优点是结构简单，成本低。但精确度低，且不能显示数值。方案二：采用HCSR04超声波测距模块，其可以准确的测量距离，测量的范围广，且误差小，其便于安装。比较以上两种方案，考虑到精确度以及实施可行性，决定采用方案二。方案二更加方便，也更加合理。

3 系统硬件设计

3.1 水位采集电路

水位采集工作是HCSR04超声波测距模块与单片机一起完成的，在检测水位时，HCSR04发送超声波，并触到水面时返回，并通过计算得到水位。采用此电路不仅简化了电路，而且加强了可靠性。

工作原理：单片机和HCSR04一起完成水位采集工作，其原理就是所谓的时间差测距法。单片机发出一个高电平信号HCSR04接收后开始进行测距，模块发出信号，并检测是否有返回的信号，若有则ECHO口输出高电平。

3.2 水温采集电路

当与设定的温度值进行比较后，如果测得的温度低于所设下限值，单片机将会接收此信息的反馈，发出加热的指令，直至达到设定温度上限值时，停止加热。

4 显示电路设计

显示电路在本设计中要求显示温度和水位值，方便用户可以直接查看数值，对当前的水温水位有直接的了解，来选择之后是否升温、是否加水。本设计在经过模块对比之后，最终选择LCD1602作为显示电路的核心元件。在此系统中，其用来显示温度以及水位值。

5 按键电路设计

按键模块是利用独立按键进行设定固定值和功能，将按键接入电路中，达到自己所要预期上下限值和功能。按键电路是用来实现调节设定温度和水位的固定值以及所需要的功能。

容积设定按键K1，按一下K1键可以设置水位的上限值，按两下可设水位的下限值，再按一下确定设置。

温度设置按键K2，按一下K2键可以设置水位的上限值，按两下可设水位的下限值，再按一下确定设置。

当处于设置水温界面时，按下按键K3/K4，可以设置水温。

6 报警电路设计

当水的温度低于设定的下限温度值时，单片机输出高电平，三极管导通，触发报警设置，提示水温过低，并自动加热，当水的温度到达上限温度值后，加热系统停止加热。当水位低于设定的下限水位值时，电路报警，水泵工作，开始自动抽水，直至达到上限水位值时电路会再次报警，且系统停止抽水。

7 系统软件设计

接上电源后，单片机、传感器、显示屏开始初始化，进入主程序运行，进行按键扫描处理，以及对各模块子程序的调用，以及在各个模块无外部中断申请时，在显示屏上进行实时显示。主程序流程如图1所示。

图1 系统主程序流程图

8 系统仿真与调试

8.1 软件测试

单片机功能的实现依靠软件的运行。在软件Keil4中用C语言进行编写程序，编译链接，直至没有错误，再生成.hex格式的文件，将它再加载到Proteus原理图中进行仿真。

8.2 软件仿真

在仿真软件Proteus上画出电路图，添加.hex文件后进行仿真运行。观察现象是否达到预期结果，再焊接实物图。

8.3 实物的调试

在经过元器件选择、软件仿真、以及焊接之后，进行实物的调试。

接通电源后，显示屏上显示当前的水位、水温、桶的容积以及HCSR04距水面的位置。