太陽能熱水器的控制器的設(shè)計

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) 自動上水：為防止空曬，當(dāng)水位低于10%時，系統(tǒng)強(qiáng)制上水；當(dāng)水位低于30%時，提示報警，若沒有使用，啟動自動上水，若使用，則報警提示先上水，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、動輔助電加熱，電加熱溫度上限設(shè)置為60°C。同時還具有新加功能：1)智能模式：檢測淋浴水溫，自動調(diào)節(jié)涼水的流量，自動調(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)自動上水：為防止空曬，當(dāng)水位低于30%時，提示報警，若沒有使用，啟動自動上水。若使用，則報警提示先上水，再使用。6)智能模式：檢測

3、淋浴水溫，自動調(diào)節(jié)熱水、涼水的流量，自動調(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水箱內(nèi)增加一個電加器，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)不到要求的時候進(jìn)行輔助加熱來保證熱水溫度。水位、水溫探測器從保溫儲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)水位不足報警時，通過電磁閥啟動上水，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，放水電磁閥打開，通過自動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。整個系統(tǒng)采用Fusion StartKit開發(fā)平臺，嵌入8051內(nèi)核為核心，對水溫、水位等參數(shù)進(jìn)行智能檢測和顯示，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)動器CP-,u/d-，F(xiàn)REE-, CP為脈沖信號輸入端；U/D為電機(jī)正、反轉(zhuǎn)控制端；FREE為電機(jī)脫機(jī)控制端，通過不斷的對淋浴水溫進(jìn)行智能檢測和顯示，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淋浴噴頭的水溫。如果水箱溫度不足時（達(dá)設(shè)置水溫下限），則加熱繼電器動作，啟動輔助加熱裝置

6、，當(dāng)水溫達(dá)加熱溫度上限時加熱繼電器斷開，輔助加熱裝置關(guān)閉。水位用5段led燈顯示，如果水位不足則報警蜂鳴器響，若沒使用則上水繼電器動作，電磁閥開通，自動上水至水位上限后關(guān)閉。3、單元電路設(shè)計3.1水位檢測圖4 由555定時器構(gòu)成的液位測量電圖水位檢測原理如下：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為對應(yīng)的面積，l為長度。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)相對介電系數(shù)不同，電容量是不同的，即檢測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。在大氣中相對介電常數(shù)為1，電容傳感器的電容量為C1，在水中相對介電常數(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)實際測試：、取中心工作頻率為1KHz，確定電阻值。當(dāng)水箱里無水時（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)的計數(shù)器T0撲捉到的時鐘的個數(shù)，再經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部比較處理來決定點亮的LED燈。譬如當(dāng)水位處于h1位段時，輸出的頻率滿足點亮LED1的條件，則LED1亮，指示水位位于0.1-0.2m處，由此來實現(xiàn)水位的顯示。LED燈顯示采用動態(tài)掃描方式，即在某一時刻，只有一個燈被點亮。當(dāng)水位低于h2時，啟動蜂鳴器報警，提示需加水，若無人使用則自動啟動加水。實驗表明，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 溫度檢測對水溫信號的檢測采用一線式數(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，由于商品化的電動閥價格太高，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，采用BY-2HB03M的驅(qū)動器來

10、驅(qū)動，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)計下圖7為太陽能熱水器輔助加熱電路設(shè)計，當(dāng)室外光照不足（陰天，雨天）時，對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，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)動電路電路如圖8所示，三極管Q為NPN驅(qū)動三極管，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_時提供續(xù)流，以免產(chǎn)生高壓，從而保護(hù)三極管Q

11、。 因為硬件設(shè)計中要用到兩個電磁閥，淋浴時的放水電磁閥和向水箱上水的電磁閥，故需要兩個繼電器來控制。4、控制器的軟件設(shè)計控制器軟件設(shè)計采用模塊化結(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，溫度的設(shè)置，水位不足報警，自動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、測試結(jié)果該控制器的設(shè)計主要采用Actel公司Fusion系列60萬門的AFS600芯片，通過嵌入8051內(nèi)核來實現(xiàn)，充分利用該平臺提供的資源，來完成本次設(shè)計任務(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)在很短的時間內(nèi)進(jìn)行精確自動調(diào)節(jié)淋浴水溫，保證設(shè)定水溫與實際水溫誤差在2，并且水溫從低向設(shè)定水溫自動調(diào)節(jié)，杜絕因水溫調(diào)節(jié)過高而發(fā)生燙傷事件。2. 自動上水問題。該控制器能實現(xiàn)完成自動上水過程，當(dāng)檢測水位低于水位下限時，先檢測熱水器是否處于使用狀態(tài)，若使用中則報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，則啟動自動上水至設(shè)定的水位上限。此外，由于增加了一個溫度傳感器用來檢測淋浴水溫，使得控制器更加智能化。 致謝本次設(shè)計制作歷時5個月，在本次設(shè)計的過程中，在對Fusion 開發(fā)平臺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；在整個設(shè)計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();/讀取時間 display();/顯示 void inital() P1_0= P1_1= P1_2=K0=0;/初始化外部驅(qū)動口 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;定時器工作于方式1 TH1=0X8A;/定時器1賦初值

21、TL1=0XD0; ET1=1;定時器1開定時中斷 TR1=1;/開啟定時器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); /延時抖動 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;/重新給定時器1賦值 TL1=0XD0; Hig=!

23、Hig;/充放電變換 if(Hig)/充電開始時啟動定時器0 TL0=TH0=0X00;/定時器0賦初值0 TR0=1;/啟動定時器0 void int0_int(void) interrupt 0/外部中斷0，測水位 EX0=0; EX1=1; TR0=0; buf0=TL0; buf1=TH0; void int1_int(void) interrupt 2/外部中斷1，測水溫 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 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)/延時程序 uchar a,b; for(a=0;a<j;a+) for(b=0;b<200;b+) ; v

27、oid DS1302()/時間程序 ReadTime(); BUFFER1=second; BUFFER2=hour; void DS1302_Write(uchar reg,uchar dat)/寫入時間 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