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太阳能热水器智能控制系统的设计与应用
Yu Gui Yin
School of electrical and electronic engineering,
Shandong University of Technology,
Zibo, Shandong Province, China
摘要：
太阳能热水器智能控制系统由四大模块组成，由数据采集模块，单片机控制模块，调整模块和人机交互模块组成。基于硬件和软件的设计，使得自动检测与控制问题得到解决。智能控制检测的研究和创新成果可以帮助现有产品来提高他们的功能，降低成本，提高性能价格比。
关键词：太阳能热水器；硬件设计；检测与控制
一、引言
与燃气热水器和电热水器相比，太阳能热水器具有无污染，节约能源等优点，是真正的绿色产品等。目前，有许多品牌的太阳能热水器，它们在自动检测与控制都有一些问题。本设计主要集中在以下三个方面：
（1）自动检测水温
（2）自动检测和控制水位，在不增加成本的情况下提高精度
（3）控制的最高水的数量，根据水位，水温和天气使它方便使用。这是一种更安全、更节省时间和节约用水的智能控制
二、太阳能热水器自动控制系统的结构
执行模块
单片机89C51
数据收集
温度检测电路
水位控制电路
水位检测电路
EEPROM
人机交互模块
报警电路
键盘
LED显示电路
图1 系统电路图
太阳能热水器智能控制系统由四个模块组成。数据采集模块是用来收集压力和温度信号，转换后送给单片机。单片机控制模块分析和处理数字信号的数据采集模块，根据设计的程序来控制信号。控制信号将转达执行模块。执行模块控制水位来实现自动上水。人机交互模块用来实现实时显示和监测的相关的温度信号和压力上限报警。电路系统图如图1所示。
三、规则和系统的电路设计及制作
硬件电路主要包括89C51单片机，A/D转换器ADC574，温度检测电路，压力检测电路，水位限制电路，报警电路和通信电路。
A. A/D转换
图2 单极接线图
目前有许多种类的A / D转换器。然而，他们有着不同的精度，速度和价格。该ADC574转换器中使用12位逐次逼近型转换器，它由AD公司制作。它的转换速度是25微秒、转换精度为0.05%。ADC574转换器用于在数据采集系统中的应用。因为有缓冲三态输出可以连接在AD574芯片单片机的数据总线电路上，它不需要附加的逻辑接口电路。单极性输出接线图如图2所示。
B. 温度检测电路
智能温度检测电路包括温度传感器、A/D 转换器、内存和接口电路。DS18B20温度传感器是一个先进的温度传感器，是一种改进的智能温度传感，是继DS1820 传感器提出后美国达拉斯半导体公司新出的产品。它比 DS1820 在检测温度的精度、转换时间、传输距离、决议等大为改善。其特点是：
特殊的单线接口模式
不需要使用任何外部元件
使用时间电缆得电，电压是从 3V到 5.5V
测得的温度从55℃到125℃。测量精度为0.5℃
通过编程实现数字读数9-12位模式
用户可以自己设定的上限和下限的易失性报警
它可以支持的功能，多点网络。多个DS18B20可以被安装在只有三线并行实现温度的多点测量
负压的特征。当电源两极相反，温度计不会因为加热燃烧，但它不能正常工作
因为DS18B20单线通信功能是通过分时有严格的时隙的概念，它是读写在时间序列重要。通过系统的变化的DS18B20操作必须按协议执行
C. 压力检测电路
MPX5100传感器具有X型应变元素、温度补偿电路、校正网络和放大处理电路在同一芯片中。不需要补偿电路和放大器来超过输出电压。它具有优越的性能而且使用方便。压力检测电路如图3所示。MPX5100A，由 5V电源供电，被用来监视的液体的压力。C1和C2是电源去耦电容。C3是输出端的噪电容。集成的硅压力传感器的输出电压第一次转变成数字信号通过A/D转换器，然后发送到主处理机(uP)工作得出测量的压力值。
图3 压力检测电路
D. 水位限制电路
水位限制电路，由正常上限（IC1）集成电路和探测电极，在水箱有4处电极，每个电极连接到IC1的输入通道（1-4通道）1-4脚通过电阻R1-R4分别。有发光二极管LED1-LED4连接（13）-（16），IC1指示工作状态的引脚。水位限制电路如图4所示。
图4 水位检测电路
E. 液晶显示电路
EDM12864B是128（行）64（列）点阵液晶由大连桑松泰克公司生产的。控制驱动该液晶显示芯片为HD61202和HD61203，有着有64行驱动端口。LCD驱动的行和列由HD61203HD61202组合一起。每一块有64个64位HD61202显示内存。RAM的每一点对应的液晶显示屏上的一个点。“1”是指“开启”，“0”的意思是“关闭”。在EDM128634B上，两个HD61202液晶芯片各自控制的左半屏幕和右半屏幕。
F. 采样保持器AD582
A/D 转换器的时候共享传输，将多通道模拟信号发送到单一通道，控制系统需要单一的芯片来在同一时间处理该字段获取值。否则将有一个大的错误。AD582由一种高性能缓冲放大器、模拟开关与低泄漏电阻和结型FET放大器组成。期望电容从外连接，其他组件都集成在一个芯片中。采样持有人如图5所示。
图5 ADC574和采样保持器的连接图
G. 报警电路
嗡嗡声报警接口电路设计驱动压电蜂鸣器连接89C51。压电蜂鸣器需要大约10mA的电流驱动。它可以由7406个或7407个TTL系列集成电路驱动的低水平，或晶体三极管。
在图6中，PB0连接到晶体管的基极输出端。当PB0显示在高水平，晶体管开放，由于在压电蜂鸣器的两端电压为 5V，压电蜂鸣器发出声音。当PBO显示在低电平，三极管闭合，蜂鸣器停止发声。
图6 利用三极管驱动蜂鸣器报警电路
当需要更响亮的声音时，可以使用更大的功率扬声器，然后还需要相应的电力驱动。
H. 接口通信电路
对于网络和通信的要求，此设备设计有全双工串行端口，这样可以轻松地将检测到的数据上载到控制中心。本设计采用MAX232CPE接口芯片作为串行通信电路。
I. 太阳能热水器控制装置的电源
单片机和8155的设备需要 5V直流工作正常；继电器需要 12V直流；温度传感器需要V直流电压；液晶显示器需要-12V直流电压；ULN2004需求 9V直流.根据设计要求，对78系列三端集成稳压器可用于出口的 V, V, V, V。
J. 复位电路
根据MCS-51单片机的引脚定义和功能，RST为复位信号输入端。当RST引脚连续出现两个机器周期的高电平，单片机将完成复位操作。寄存器芯片中的地位是在表1显示复位后。
MCS-51必须重置在重新启动时。在它重置PC=000H点到程序存储器0000H地址。CPU将从地址单元0000H重新启动程序。
表1 芯片寄存器复位地址
|
寄存器 |
地址 |
寄存器 |
地址 |
寄存器 |
地址 |
|
PC |
000H |
IP |
XX000000B |
TH0 |
00H |
|
ACC |
00H |
IE |
0XX00000B |
TL0 |
00H |
|
B |
00H |
P0～P3 |
FFH |
TH1 |
00H |
|
PSE |
00H |
TMOD |
00H |
TL1 |
00H |
|
SP |
07H |
TOON |
00H |
SOON |
00H |
|
PCON |
0XXXXXXXXB (HMOS) 0XX0000B (CHMOS) |
（X是不确定的）
复位不会影响到RAM中的数据。此外，如果系统工作异常或有其他情况下可手动复位。复位是通过外部复位电路可分为自动复位和手动复位功能。复位电路如图7所示。
- 自动复位 （b）手动复位
图7 复位电路
在图7 (a)，C=10uF， R=8.2kOmega;当f0=12MHz；C=20uF，R=1kOmega;当f0=6MHz。在图7(b)，C=20uF，R1=1kOmega;和 R2=0.2kOmega;。在此设计中图7(b)手动复位被使用。
四、软件系统简介
图8 主程序流程图
图9 智能控制流程图
由于采用模块化结构，整个程序由主程序，显示子程序，定时采样子程序，报警子程序等。主程序的流程图如图8所示，智能控制的流程图如图9所示。
五、结论
采用单片机AT89C51作为控制核心，太阳能热水器实现对温度的测量显示功能，水位显示，温度控制，水位控制，存储，超压报警。本系统可以提高现有产品的功能，降低成本，开放市场从而经济效益高。
参考文献：
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