太陽能熱水器的控制器的設(shè)計(jì)

1、太陽能熱水器的通用控制器研制武漢工程大學(xué) 劉增華 李偉1、系統(tǒng)功能與指標(biāo)1.1功能特點(diǎn)具有目前產(chǎn)品的一般功能：1)設(shè)置上限水位：設(shè)置水位上限，可選擇50% 99%之間（我們選取80%），并且在使用中，不得自動(dòng)上水。2)設(shè)置水箱水溫：設(shè)置電加熱的溫度上限，可選擇0°C80°C（我們選取60°C），自動(dòng)加熱。3)水位指示：LED五段顯示。4)水溫指示：LCD液晶數(shù)字顯示。5) 自動(dòng)上水：為防止空曬，當(dāng)水位低于10%時(shí)，系統(tǒng)強(qiáng)制上水；當(dāng)水位低于30%時(shí)，提示報(bào)警，若沒有使用，啟動(dòng)自動(dòng)上水，若使用，則報(bào)警提示先上水，再使用。6)輔助加熱：當(dāng)出現(xiàn)陰雨天氣，水溫達(dá)不到要求，啟

2、動(dòng)輔助電加熱，電加熱溫度上限設(shè)置為60°C。同時(shí)還具有新加功能：1)智能模式：檢測(cè)淋浴水溫，自動(dòng)調(diào)節(jié)涼水的流量，自動(dòng)調(diào)節(jié)，使水溫保持在設(shè)定溫度的2°C范圍內(nèi)，并保持有足夠的流量。1.2技術(shù)指標(biāo)1)設(shè)置上限水位：設(shè)置水位上限，可選擇50% 99%之間（我們選取80%），并且在使用中，不得自動(dòng)上水。2)設(shè)置水箱水溫：設(shè)置電加熱的溫度上限，可選擇60°C，自動(dòng)加熱。3)水位指示：分段顯示（5段顯示）。4)水溫指示：數(shù)字顯示（精度為1度）。5)自動(dòng)上水：為防止空曬，當(dāng)水位低于30%時(shí)，提示報(bào)警，若沒有使用，啟動(dòng)自動(dòng)上水。若使用，則報(bào)警提示先上水，再使用。6)智能模式：檢測(cè)

3、淋浴水溫，自動(dòng)調(diào)節(jié)熱水、涼水的流量，自動(dòng)調(diào)節(jié)，使水溫保持在設(shè)定溫度的2°C范圍內(nèi)，并保持有足夠的流量。2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)的工作原理太陽能熱水器輔助控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在太陽能熱水器的儲(chǔ)水箱內(nèi)增加一個(gè)電加器，采用220V市電加熱，由輔助控制系統(tǒng)的繼電器控制通斷電，用來在溫度達(dá)不到要求的時(shí)候進(jìn)行輔助加熱來保證熱水溫度。水位、水溫探測(cè)器從保溫儲(chǔ)水箱頂部安裝在水箱中，通過電纜線接入用戶室內(nèi)控制器。流量控制閥用通過步進(jìn)電機(jī)來精確控制冷水即自來水的流量，來保證熱水與冷水混合后的溫度達(dá)到用戶的要求。當(dāng)水位不足報(bào)警時(shí)，通過電磁閥啟動(dòng)上水，上水的過程中，不允許淋浴，且放水電磁閥關(guān)閉。當(dāng)需要

4、淋浴時(shí)，放水電磁閥打開，通過自動(dòng)控制冷水電磁閥的開度來保證冷水與熱水混合后的溫度與用戶設(shè)定值基本一致（水溫保持在設(shè)定溫度的2°C范圍內(nèi)），淋浴過程中，系統(tǒng)禁止上水和輔助加熱。當(dāng)淋浴完后按下”淋浴完鍵”，系統(tǒng)停止放水并且電機(jī)要復(fù)位。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如下。 2.2 控制系統(tǒng)與電路結(jié)構(gòu)組成 控制系統(tǒng)采用FPGA內(nèi)部構(gòu)建Core8051單片機(jī)來控制水溫水位等，其內(nèi)部接線圖如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)采用Fusion StartKit開發(fā)平臺(tái)，嵌入8051內(nèi)核為核心，對(duì)水溫、水位等參數(shù)進(jìn)行智能檢測(cè)和顯示，讀取電磁閥的狀態(tài)，經(jīng)鍵盤操作和單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)算比較，控制相應(yīng)得執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行通、斷電及報(bào)警提示，其控制

5、系統(tǒng)組成如圖3。Core8051的P0口作液晶的數(shù)據(jù)口，為液晶的使能控制口，分別接步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器CP-,u/d-，F(xiàn)REE-, CP為脈沖信號(hào)輸入端；U/D為電機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制端；FREE為電機(jī)脫機(jī)控制端，通過不斷的對(duì)淋浴水溫進(jìn)行智能檢測(cè)和顯示，經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)算與設(shè)定溫度進(jìn)行比較，控制輸入步進(jìn)電機(jī)的脈沖信號(hào)及正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，來調(diào)節(jié)流量控制閥的開度，從而來保證噴頭水溫與用戶設(shè)定水溫的相一致。P2.6接數(shù)字溫度傳感器ds1820，用來檢測(cè)水箱溫度并通過芯片及單片機(jī)內(nèi)部處理后顯示在液晶上，P2.7也接溫度傳感器用來檢測(cè)淋浴噴頭的水溫。如果水箱溫度不足時(shí)（達(dá)設(shè)置水溫下限），則加熱繼電器動(dòng)作，啟動(dòng)輔助加熱裝置

6、，當(dāng)水溫達(dá)加熱溫度上限時(shí)加熱繼電器斷開，輔助加熱裝置關(guān)閉。水位用5段led燈顯示，如果水位不足則報(bào)警蜂鳴器響，若沒使用則上水繼電器動(dòng)作，電磁閥開通，自動(dòng)上水至水位上限后關(guān)閉。3、單元電路設(shè)計(jì)3.1水位檢測(cè)圖4 由555定時(shí)器構(gòu)成的液位測(cè)量電圖水位檢測(cè)原理如下：由兩塊鋁板組成電容構(gòu)成介質(zhì)變化型電容傳感器，電容大小為：式中：為介質(zhì)，S為對(duì)應(yīng)的面積，l為長(zhǎng)度。假設(shè)電容器為兩平極結(jié)構(gòu)，作絕緣處理后的電容器兩極間浸入不同的界質(zhì)中，由于電容器中的介質(zhì)相對(duì)介電系數(shù)不同，電容量是不同的，即檢測(cè)電容傳感器在水位變化導(dǎo)致電容器的電容C變化情況。電容傳感器處在大氣中、浸入水中不同深度，其電容量的變化，可反映出水位的

7、變化。在大氣中相對(duì)介電常數(shù)為1，電容傳感器的電容量為C1，在水中相對(duì)介電常數(shù)更大，達(dá)到80，電容傳感器的電容量將隨著浸入深度加大而變大。由于上下兩部分的介質(zhì)不同，則總電容有兩個(gè)電容并聯(lián)組成：設(shè)鋁板總高度為H，液位高度為h，則上下兩部的介質(zhì)分別為空氣和水。式中：空氣的介電常數(shù)為1，b為鋁板的寬度。本傳感器采用NE555制作為脈沖波發(fā)生器，輸出的頻率反映液位的變化，根據(jù)實(shí)際測(cè)試：、取中心工作頻率為1KHz，確定電阻值。當(dāng)水箱里無水時(shí)（水位最低），最小。將水位劃分為五段：0.1-0.2m、0.2-0.3m,、0.3-0.4m、0.4-0.5m、0.5-0.6m，分別對(duì)應(yīng)于顯示燈LED1、LED2、L

8、ED3、LED4、LED5。當(dāng)水位發(fā)生變化引起電容的變化，經(jīng)多諧振蕩器輸出周期性方波的頻率f也隨之發(fā)生變化f=1.43/(R1+2R2)C，根據(jù)單片機(jī)的計(jì)數(shù)器T0撲捉到的時(shí)鐘的個(gè)數(shù)，再經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部比較處理來決定點(diǎn)亮的LED燈。譬如當(dāng)水位處于h1位段時(shí)，輸出的頻率滿足點(diǎn)亮LED1的條件，則LED1亮，指示水位位于0.1-0.2m處，由此來實(shí)現(xiàn)水位的顯示。LED燈顯示采用動(dòng)態(tài)掃描方式，即在某一時(shí)刻，只有一個(gè)燈被點(diǎn)亮。當(dāng)水位低于h2時(shí)，啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警，提示需加水，若無人使用則自動(dòng)啟動(dòng)加水。實(shí)驗(yàn)表明，為能很好的滿足電路的要求，R1用可調(diào)電阻，R2應(yīng)選取阻值較大一點(diǎn)的電阻，這里我們選R2=8.1K,R1

9、阻值范圍為0-30 K。3.2 溫度檢測(cè)對(duì)水溫信號(hào)的檢測(cè)采用一線式數(shù)字溫度傳感器DS1820，它以9 位數(shù)字量的形式反映器件的溫度值。通過使用連接到VDD 引腳的外部電源來向ds1820供電，如圖5 所示，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是在I/O 線上不要求強(qiáng)的上拉，總線上主機(jī)不需向上連接便在溫度變換期間使線保持高電平。這就允許在變換時(shí)間內(nèi)其它數(shù)據(jù)在單線上傳送。圖5 溫度傳感器接線圖3.3步進(jìn)電機(jī)控制電路的設(shè)計(jì)為了能調(diào)控水溫，需要節(jié)流閥控制冷水的流量，由于商品化的電動(dòng)閥價(jià)格太高，本方案選用節(jié)流閥步進(jìn)電機(jī)的組合控制。步進(jìn)電機(jī)，選用的二相四拍步進(jìn)，步距角為1.8°。同時(shí)，采用BY-2HB03M的驅(qū)動(dòng)器來

10、驅(qū)動(dòng)，控制二相四拍步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)及正反轉(zhuǎn)。通過單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)即可控制節(jié)流閥，達(dá)到控制淋浴水溫的目的。步進(jìn)電機(jī)控制電路連接圖如圖6所示。 3.4 光電隔離與輔助加熱電路設(shè)計(jì)下圖7為太陽能熱水器輔助加熱電路設(shè)計(jì)，當(dāng)室外光照不足（陰天，雨天）時(shí)，對(duì)水箱的水提前加熱是非常有必要的，而這一電路恰好能完成該功能。工作原理為:當(dāng)Core8051的P1.2口輸出高電平時(shí)，三極管T1導(dǎo)通，使得繼電器線圈通電閉合，電阻絲R1-R4發(fā)熱，從而完成加熱任務(wù)。3.5繼電器驅(qū)動(dòng)電路電路如圖8所示，三極管Q為NPN驅(qū)動(dòng)三極管，工作在開關(guān)狀態(tài)；二極管D為繼電器線圈在由吸合變?yōu)閿嚅_時(shí)提供續(xù)流，以免產(chǎn)生高壓，從而保護(hù)三極管Q

11、。 因?yàn)橛布O(shè)計(jì)中要用到兩個(gè)電磁閥，淋浴時(shí)的放水電磁閥和向水箱上水的電磁閥，故需要兩個(gè)繼電器來控制。4、控制器的軟件設(shè)計(jì)控制器軟件設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，包括主程序，鍵盤掃描子程序，顯示子程序，步進(jìn)電機(jī)控制程序，液位比較子程序及溫度計(jì)算子程序。系統(tǒng)主程序主要完成水箱及噴頭溫度和水位的檢測(cè)，溫度的設(shè)置，水位不足報(bào)警，自動(dòng)上水及一些初始化功能。系統(tǒng)主程序流程圖如圖8所示。5、測(cè)試結(jié)果該控制器的設(shè)計(jì)主要采用Actel公司Fusion系列60萬門的AFS600芯片，通過嵌入8051內(nèi)核來實(shí)現(xiàn)，充分利用該平臺(tái)提供的資源，來完成本次設(shè)計(jì)任務(wù)。該控制器與市面上的太陽能控制器比較，主要解決了兩大主要問題：1.水溫

12、的控制調(diào)節(jié)問題。該控制器采用精確度很高且跟隨性很好的步進(jìn)電機(jī)在很短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行精確自動(dòng)調(diào)節(jié)淋浴水溫，保證設(shè)定水溫與實(shí)際水溫誤差在2，并且水溫從低向設(shè)定水溫自動(dòng)調(diào)節(jié)，杜絕因水溫調(diào)節(jié)過高而發(fā)生燙傷事件。2. 自動(dòng)上水問題。該控制器能實(shí)現(xiàn)完成自動(dòng)上水過程，當(dāng)檢測(cè)水位低于水位下限時(shí)，先檢測(cè)熱水器是否處于使用狀態(tài)，若使用中則報(bào)警并提示上水再使用，此過程中由于水位留有余量，用戶仍然可以繼續(xù)完成淋浴；若沒使用，則啟動(dòng)自動(dòng)上水至設(shè)定的水位上限。此外，由于增加了一個(gè)溫度傳感器用來檢測(cè)淋浴水溫，使得控制器更加智能化。 致謝本次設(shè)計(jì)制作歷時(shí)5個(gè)月，在本次設(shè)計(jì)的過程中，在對(duì)Fusion 開發(fā)平臺(tái)熟悉的過程中得到廣州周

13、立功劉銀華經(jīng)理及武漢周立功陳光華工程師的細(xì)心幫助；在對(duì)硬件搭建及軟件編程的過程中得到沈浩研究生的大力幫助；在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中得到了熊俊俏老師的鼎力相助和悉心指導(dǎo)，在此一并表示深深地感謝!/太陽能熱水器智能控制系統(tǒng)程序： /定義頭文件和各個(gè)輸入管腳以及變量聲明 #include <reg52.h> #include <absacc.h> #include <stdio.h> #include <intrins.h> #define uint unsigned int/定義變量類型名 #define uchar unsigned char /*定義82

14、55a字符型字位口*/ #define DIGPORT XBYTE0x1FFF/PA口地址，位選碼地址 #define WORDPORT XBYTE0X3FFF/PB口地址，斷選碼地址 #define CCOM XBYTE0X7FFFF/控制字寄存器地址 #define KPORT XBYTE0X5FFF/PC口，鍵盤掃描地址 /DS1302_RST=1/定義DS1302時(shí)鐘芯片引腳操作 #define Set_DS1302_RST DS1302_RST=1 /DS1302_RST=0 #define Clr_DS1302_RST DS1302_RST=0 /DS1302_SDA=1 #def

15、ine Set_DS1302_SDA DS1302_SDA=1 /DS1302_SDA=0 #define Clr_DS1302_SDA DS1302_SDA=0 /DS1302_SCLK=1 #define Set_DS1302_SCLK DS1302_SCLK=1 /DS1302_SCLK=0 #define Clr_DS1302_SCLK DS1302_SCLK=0 /定義讀時(shí)間控制字 #define DS1302_SEC_Reg 0x80 #define DS1302_MIN_Reg 0x82 #define DS1302_HR_Reg 0x84 #define DS1302_DATE

16、_Reg 0x86 #define DS1302_MONTH_Reg 0x88 #define DS1302_DAY_Reg 0x8a #define DS1302_YEAR_Reg 0x8c #define DS1302_CONTROL_Reg 0x8e #define DS1302_CHARGER_Reg 0x90 #define DS1302_CLKBURST_Reg 0xbe /全局變量 /為了方便，我把個(gè)位和十位分開了 uchar year1=0x88; uchar year0=0x88; uchar month=0x88; uchar date=0x88; uchar day=0x

17、88; uchar hour=0x88; uchar minute=0x88; uchar second=0x88; /*定義P1口各管腳*/ sbit L0=P20; sbit L1=P21; sbit L2=P22; sbit L3=P23; sbit K0=P24; sbit P1_0=P10; sbit P1_1=P11; sbit P1_2=P12; sbit Hig=P14; sbit DS1302_SDA=P15;/定義DS1302時(shí)鐘引腳與單片機(jī)引腳的連接 sbit DS1302_SCLK=P16; sbit DS1302_RST=P17; /*聲明調(diào)用函數(shù)*/ void in

18、ital(void); void timer1_svr(void); void display(void); void delay(uchar j); void DS1302_Write(uchar reg,uchar dat); uchar DS1302_Read(uchar reg); void DS1302_Init(void); void ReadTime(void); void WtTmCr(); void LvRead(); void TmRead(); void key(void); uchar kbscan(void); void DS1302(void); void int0

19、_int(void); void int1_int(void); /*定義調(diào)用存儲(chǔ)單元*/ /*顯示緩沖區(qū)（依次為高位低位）*/ uchar BUFFER3=0,0,0; uchar WTLV;/水位值 uchar TMP;/水溫值 uchar WTLVSET;/水位設(shè)定值 uchar TMPSET;/水溫設(shè)定值 uchar buf4=0,0,0,0; /*數(shù)碼管顯示編碼"0"-"9","A","-"*/ uchar code TABLE=0x7B,0x30,0xEA,0xF8,0xB1,0xD9,0xDB,0x7

20、0,0xFB,0xF9,0xF3,0x80; main() inital();/初始化中斷、定時(shí)器、I/O口 kbscan();/鍵盤掃描 key();/鍵盤處理 TmRead();/讀取溫度 LvRead();/讀取水位 DS1302();/讀取時(shí)間 display();/顯示 void inital() P1_0= P1_1= P1_2=K0=0;/初始化外部驅(qū)動(dòng)口 DS1302_Init(); EA=1；/開外部中斷 IT0=1;/外部中斷下降沿觸發(fā) EX0=1;/允許外部中斷0 Hig=1;P1.3輸出高電平 TMOD=0x11;定時(shí)器工作于方式1 TH1=0X8A;/定時(shí)器1賦初值

21、TL1=0XD0; ET1=1;定時(shí)器1開定時(shí)中斷 TR1=1;/開啟定時(shí)器1 CCOM=0X80;/初始化8255A,送控制字，工作方式0 uchar kbscan(void) uchar recode; if(KPORT&0X0F)!=0X0F) /若有鍵按下 delay(2); /延時(shí)抖動(dòng) if(KPORT&0X0F)!=0X0F) recode=KPORT; return(recode); else return(0); void key(void) uchar key; key=kbscan(); delay(2); if(key=0x01) P1_1=1;/上水 i

22、f(key=0x02) /設(shè)置水位 if(WTLVSET=4) WTLVSET=0; else WTLVSET+=WTLVSET; BUFFER0=WTLVSET;/顯示設(shè)置水位 display(); if(key=0x04)/電加熱 P1_0=1; if(key=0x08)/設(shè)置溫度 if(TMPSET>=80) TMPSET=30; else TMPSET=TMPSET+10;/增加十度 BUFFER0=TMPSET; 顯示設(shè)置水溫 display(); void timer1_svr() interrupt 1 TH1=0X8A;/重新給定時(shí)器1賦值 TL1=0XD0; Hig=!

23、Hig;/充放電變換 if(Hig)/充電開始時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器0 TL0=TH0=0X00;/定時(shí)器0賦初值0 TR0=1;/啟動(dòng)定時(shí)器0 void int0_int(void) interrupt 0/外部中斷0，測(cè)水位 EX0=0; EX1=1; TR0=0; buf0=TL0; buf1=TH0; void int1_int(void) interrupt 2/外部中斷1，測(cè)水溫 EX1=0; EX0=1; TR0=0; buf2=TL0; buf3=TH0; void TmRead()/水溫值處理 uint val; val=buf3*256+buf2; if(val<7549) T

24、MP=97-int(val*8/1000); else if(val<20000) TMP=50-int(val/1000); else TMP=30-int(val*5/10000); void LvRead()/水位值處理 if(buf1>60) WTLV=1;/ L3=0;L2=1;L1=1;L0=1; else if(buf1>45) WTLV=2; L3=1;L2=0;L1=1;L0=1; else if(buf1>36) WTLV=3; L3=1;L2=1;L1=0;L0=1; else WTLV=4; L3=1;L2=1;L1=1;L0=0; void W

25、tTmCr()/水位、水溫控制 if(WTLV=4) P1_1=0; if(WTLV=1) P1_1=1; if(TMP>=TMPSET) P1_0=0; if(TMP<TMPSET&&hour=0x19) P1_0=1; void display(void) uchar i; /顯示緩沖區(qū)首址 uchar delay; /顯示延時(shí) uchar disp; /顯示內(nèi)容 uchar digit; /定義數(shù)碼管顯示位 digit=0x0200; for(i=2;i>=0;i-) if(BUFFERi>100) disp=BUFFERi%10+10;/顯示高位

26、 else disp=BUFFERi%10; DIGPORT=digit; WORDPORT=TABLEdisp; for(delay=0;delay=200;delay+); digit=digit>>1;/顯示低位 disp=BUFFERi/10; DIGPORT=digit; WORDPORT=TABLEdisp; for(delay=0;delay=200;delay+); digit=digit>>1; void delay(uchar j)/延時(shí)程序 uchar a,b; for(a=0;a<j;a+) for(b=0;b<200;b+) ; v

27、oid DS1302()/時(shí)間程序 ReadTime(); BUFFER1=second; BUFFER2=hour; void DS1302_Write(uchar reg,uchar dat)/寫入時(shí)間 uchar i; Clr_DS1302_RST; _nop_(); _nop_(); Clr_DS1302_SCLK; _nop_(); _nop_(); Set_DS1302_RST; _nop_(); _nop_(); for(i=8;i>0;i-) if(reg&0x01) Set_DS1302_SDA; else Clr_DS1302_SDA; _nop_(); _n

28、op_(); Set_DS1302_SCLK; _nop_(); _nop_(); Clr_DS1302_SCLK; _nop_(); _nop_(); reg>>=1; for(i=8;i>0;i-) if(dat&0x01) Set_DS1302_SDA; else Clr_DS1302_SDA; _nop_(); _nop_(); Set_DS1302_SCLK; _nop_(); _nop_(); Clr_DS1302_SCLK; _nop_(); _nop_(); dat>>=1; Clr_DS1302_RST; _nop_(); _nop_()

29、; uchar DS1302_Read(uchar reg)/讀取時(shí)間 uchar dat=0,i; Clr_DS1302_RST; _nop_(); _nop_(); Clr_DS1302_SCLK; _nop_(); _nop_(); Set_DS1302_RST; _nop_(); _nop_(); for(i=8;i>0;i-) if(reg&0x01) Set_DS1302_SDA; else Clr_DS1302_SDA; _nop_(); _nop_(); Set_DS1302_SCLK; _nop_(); _nop_(); Clr_DS1302_SCLK; _nop_(); _nop_(); reg>>=1; for(i=8;i>0;i-) dat>>=1; if(DS1302_SDA) dat|=0x80; Set