【正文】 熱水器本身智能化程度和成本的要求，為太陽能熱水器提供了一套智能化程度高、性能良好、使用方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的配套控制系統(tǒng)。 太陽能熱水器和其控制器的發(fā)展現(xiàn)狀 中國太陽能熱水產(chǎn)業(yè)的發(fā)展始于上世紀(jì) 80年代，當(dāng)時(shí)的市場定位是農(nóng)村或中小城鎮(zhèn)的低收入家庭。 90年代后期，住宅商品化的發(fā)展以及家庭對(duì)熱水需求的大幅度增長為太陽能熱水器的發(fā)展提供了市場空間 , 太陽能熱水器的生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)一步擴(kuò)大，形成了一些有一定知名度的產(chǎn)品和品牌 。 自上世紀(jì) 90年代以來，我國太陽能熱水器行業(yè)保持了 10多年的快速增長 ,2021年 太陽能熱水器年生產(chǎn)量為 1 500萬平方米，是 2021年 640萬平方米的 2倍多，到 2021年底，我國太陽能熱水器保有量超過 7500萬平方米是 2021年 2600萬平方米的近 3倍。目前，我國既是世界上最大的太陽能熱水器生產(chǎn)國，同時(shí)也擁有世界上最大的太陽能熱水器市場。至 2021年，全國有 1000多家有一定規(guī)模的太陽熱水器生產(chǎn)企業(yè)，年總產(chǎn)值達(dá) 150多億元，出口創(chuàng)匯 2021萬美元，全行業(yè)提供約 30多萬個(gè)就業(yè)機(jī)會(huì)，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益 [1]。到目前已有許多太陽能品牌為大家耳熟能詳，如皇明、桑樂、四季牧歌、 力諾等?？傊?，太陽能熱水器已是一件和電視機(jī)、洗衣機(jī)一樣必不可少的家用電器。 進(jìn)步源于競爭，在我國太陽能擁有廣闊的市場，當(dāng)然也有更大的競爭，各第一章 引 言 大商家為了使自己的產(chǎn)品在市場上立足并長遠(yuǎn)發(fā)展，不斷提高太陽能熱水器的性能，其中太陽能熱水器控制器以其靈活、貼近客戶成為商家競爭的熱點(diǎn)。目前，各大商家紛紛提高太陽能熱水器的智能化程度來滿足消費(fèi)者的需求。許多太陽能熱水器的功能有： 開機(jī)自檢 、 溫控上水 、 強(qiáng)制上水 、 水位預(yù)置 、 水質(zhì)設(shè)置 、 水溫指示 、 低水壓上水 、 水位顯示 、 防高溫空曬 、 缺水報(bào)警 、 自動(dòng)防溢流 、 缺水上水 、 手動(dòng)上水 、 故障提示 等許多貼近客戶需求的功能。 目前太陽能控制器的控制器基本實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，以單片機(jī)為控制核心的控制系統(tǒng)占領(lǐng)太陽能熱水器的主要市場。在市場調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，太陽能控制單片機(jī)的型號(hào)較多，其中應(yīng)用最多的是 51系列和 PIC系列單片機(jī)。其基本框圖如圖 11所示。 AT 89 C 51LED 顯示接口溫度與水量數(shù)據(jù)采集控制加熱電平轉(zhuǎn)換鍵盤輸入繼電器電磁閥蜂鳴器控制上水IN 0IN 1控制線位選控制線+ 12 V+ 5 VP 1 口 P 0 口T 0R X TT 1 圖 11 市場太陽能熱水器基本框圖 [2] 太陽能熱水器控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)水位顯示、水位控制、溫度顯示、防凍等多種功能，其中對(duì)水位的檢測、控制，實(shí)現(xiàn)水位顯示、自動(dòng)上水、超限報(bào)警是太陽能熱水器控制系統(tǒng)的核心。 目前大 多數(shù)太陽能熱水器的水位傳感器都采用分段式水位傳感器，因?yàn)樘柕谝徽? 引 言 能熱水器對(duì)水位精確度的要求不高，并且分段式傳感器的成本很低。圖 12是常用的一種分段式熱水器傳感器的基本原理。 對(duì)于溫度的檢測便于用戶的使用和控制電加熱。目前 ， 溫度傳感器的應(yīng)用種類較為繁雜，有直接使用熱電阻、熱電偶的，也有使用數(shù)字溫度變送器（如MAX6674）的。在顯示方面多采用 LED顯示或 LCD液晶顯示。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN um be r R e vi s i onS i z eBD a t e : 9 J un 2021 S he e t of F i l e : C : \ D oc um e nt s a nd S e t t i ngs \ us e r \桌面 \畢業(yè)論文 \ M y D e s i r a w n B y :430k10k430k430k430k10k10k10k2k2k2k2k2k2kD1LEDD2LEDD3LEDD4LED+ 12 V C CV C CV C CV C CV C CO S E AO S E BO S E CO S E D2k2kW 1 0W 1 1W 1 2W 1 3 圖 12 一種分段式水溫傳感器 [3] 課題的研究內(nèi)容 本課題主要是對(duì)市場現(xiàn)有產(chǎn)品的仿制，要能夠?qū)崿F(xiàn)太陽能熱水器的完整功能。本課題以 89C52 單片機(jī)為核心配合傳感器、顯示器件、電磁閥、電加熱器、報(bào)警器等外圍器件，采集熱水器儲(chǔ)水箱中的水位、水溫信號(hào)，通過控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)、電加熱器加熱來控制儲(chǔ)水器的水位、溫度，并完成水位、水溫顯示，時(shí)間顯示，水溢報(bào)警等功能。另外配有鍵盤，可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)上水、手動(dòng)電加熱、設(shè)置水位、設(shè)置溫度等功能。第二章 太陽能熱水器智能水位控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)介紹 第二章 太陽能熱水器智能水位控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)介紹 太陽能熱水器整體結(jié)構(gòu)大致可以分為四大部分： 1． 水位、水溫測量電路。這部分用于采集水位水溫信號(hào)給單片機(jī)，是太陽能熱水器控制器最關(guān)鍵的部位。 2． 時(shí)間、水位、溫度顯示和 鍵盤電路。這部分用于系統(tǒng)和人的信息交互，有對(duì)太陽能熱水器狀態(tài)的直觀顯示，也有用于人對(duì)系統(tǒng)控制的鍵盤電路。 3． 時(shí)鐘電路。給系統(tǒng)提供時(shí)間顯示和參考時(shí)間。 4． 驅(qū)動(dòng)電路。包括電加熱、上水電磁閥、報(bào)警電路，是整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行部分。 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖 21所示。 圖 21 太陽能熱水器控制系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖結(jié) 論 第三章 水位和水溫測量電路硬件設(shè)計(jì) 水位測量和水溫測量是太陽能熱水器控制系統(tǒng)的最重要部分，是實(shí)現(xiàn)其他功能的基礎(chǔ)，此部分性能好壞將關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)良程度，所以設(shè)計(jì)一個(gè)性能良好的水位、水溫測量系統(tǒng)是本設(shè)計(jì)的重點(diǎn) 。 水位測量電路 水位測量可以有多種方法，需從性能和成本兩方面進(jìn)行考慮，選擇合適的方案。 方案比較選擇 1． 排阻分檔鍵盤式水位傳感器 在許多資料中都介紹了一種類似鍵盤電路的分檔水位傳感器，其原理圖如圖 31 所示。 R 5 10 k+ 5 VCD 406974 LS 24489 c 52P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 3P 1 . 2圖 31 排阻式水位測試電路示意圖 [4] 它的工作原理類似于鍵盤的工作原理，用 5 根不銹鋼針分別置于水箱內(nèi)的 四種不同高度的位置，當(dāng)某個(gè)鋼針不接觸水面時(shí)，其輸出為高電平；當(dāng)其與水結(jié) 論 面接觸時(shí)則輸出低電平。它們的輸出接至電子開 關(guān) CD4069，經(jīng)過 CD4069 反向并經(jīng) 74LS244 驅(qū)動(dòng)后分別接入 89C52 的 P1． 0~P1． 3 引腳。 CPU 對(duì)這些引腳進(jìn)行判斷后 ，送去顯示相應(yīng)的水位值。顯示共分 4 檔 ，每檔為滿水位的 25% 。這種方法簡單，易實(shí)現(xiàn)，省去了傳統(tǒng)的 A／ D 轉(zhuǎn)換器，成本低，雖然不精確但可以滿足使用要求 [4]。 2． RC 充放電式水位傳感器測量電路 這種電路資料較少，但我們在市場上購買的桑樂太陽能的水位和水溫傳感器就是基于這種原理，其基本形狀如圖 32 所示。 公 共 水 位 防 凍溫 度NTC 圖 32 桑樂太陽能水位水溫傳感器外形圖 從圖 32中我們可以清楚的地看到傳感器外形非常簡單，一共只有 4個(gè)端口，其中一個(gè)是防凍接口，沒有使用，使用的只有 3 個(gè)端口，在可用的三個(gè)端口上分別標(biāo)有公共、水位、水溫標(biāo)志，由此可知測量水位、水溫都只用了一個(gè)端口。觀察傳感器可知水位傳感器有 5 個(gè)與水接觸點(diǎn)，我們從上到下依次命名它們?yōu)?1— 5 觸點(diǎn)。 我們分別測量了觸點(diǎn)不同接法時(shí)公共和水位兩端口之間的電阻，數(shù)據(jù)如 表 31 所示。 由上述測試結(jié)果的電阻值得出這樣的規(guī)律，那就是電阻的并聯(lián)短接，其原理如圖 33 所示。 結(jié) 論 表 31 輸出電阻值表 短接方式 無短接 2 3 4 5 輸出電阻值（ kΩ） 極大 25 儲(chǔ)水箱公共 水位4 25 kR 圖 33 桑樂太陽能水位傳感器原理 它的工作原理是，水面每接觸一個(gè)鋼針就會(huì)多并聯(lián)一個(gè)電阻，電阻 隨水位變化而規(guī)律的變化。利用單片機(jī)的一個(gè)口周期性的給電容電路 充放電， 然后用 公共 水位4 25 KR儲(chǔ)水箱充放電口 檢測口 結(jié) 論 圖 34 RC 充放電式水位傳感器測量電路原理圖 單片機(jī)監(jiān)測電容兩端電壓的變化，因?yàn)殡娙?電壓的上升或下降時(shí)間 t=RC，所以用單片機(jī)記錄這個(gè)時(shí)間就能判別電阻的變化，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為水位的變化進(jìn)行顯示及其他動(dòng)作。 3． 傳感器選擇 RC 充放電式水位傳感器測量電路，明顯優(yōu)于 排阻分檔鍵盤式水位傳感器的地方有： （ 1）接線簡單，排阻分檔鍵盤式水位傳感器需要四根導(dǎo)線傳輸水位信號(hào)，而RC 充放電式水位傳感器僅需要兩根就能完成，這對(duì)于線路較長的太陽能熱水器傳輸信號(hào)電路來說能節(jié)省相當(dāng)多的導(dǎo)線資源。 （ 2）給水溫測量電路設(shè)計(jì)帶來方便， RC 充放電式水位傳感器的原理可以同樣運(yùn)用到熱電阻溫度測量電路中。 （ 3）占用較少的 I/O 口 ，僅需兩個(gè) I/O 口就能完成水位檢測任務(wù)，極大地節(jié)約了單片機(jī)的 I/O 口資源。 綜上比較可見選用第二種方案較為優(yōu)越。 水位測量電路的具體設(shè)計(jì)及優(yōu)化 1． 直接接單片機(jī) I/O 口檢測 單片機(jī)中的定時(shí)器可以提供電壓變化時(shí)間的紀(jì)錄，接下來就是如何將電壓的變化傳遞給單片機(jī)。一種簡單的方案是：用 口給 RC 電路周期性的充放電，然后用 口監(jiān)測電容的電平變化，完成計(jì)時(shí)，這種方案看上去簡單易實(shí)現(xiàn)，但實(shí)際則行不通。按剛才提到的方法接圖如圖 35。 這樣做得到的結(jié)果是 的電壓一直保持高電平，即電容電壓一直 保持高點(diǎn)平。這與單片機(jī)內(nèi)部電路有關(guān)，單片機(jī)的內(nèi)部電路如圖 36 所示。 結(jié) 論 P 1 . 0P 1 . 1儲(chǔ)水箱公共 水位4 25 kR 圖 35 直接用 I/O 檢測電容電壓測量水位電路原理圖 v c c讀 鎖 存 器寫 入讀 引 腳地 址 / 控 制M U X內(nèi) 部 總 線鎖 存 器D QC P Q | 圖 36 P1 口的位結(jié)構(gòu) [5] 從圖中可見， P1 口只有高電平和低電平兩種狀態(tài)，當(dāng) 口為高電平時(shí)，將電容端與 連接， VCC 會(huì)通過內(nèi)部上拉電阻 持續(xù)給電容充電，所以監(jiān)測電容電壓一直為高電平。而當(dāng)將其置低電平時(shí) ， P1 口相當(dāng)于接地，將會(huì)出現(xiàn)相反的情況，其通過地一直給 電容放電，電容電壓一直低電平。 2． 采取與 I/O 隔離并用中斷監(jiān)測電容電壓的電路 這樣需要將電容電壓與單片機(jī)監(jiān)測端口隔離，采取如圖 37 所示電路。 結(jié) 論 + 5 VR 1 R 23 K 2 K水位電阻C 1 uF89 C 52LM 358P 1 . 0INT 0LM 393+ 12 V + 5 V++比較器跟隨器 圖 37 水位測量電路 1． LM358 的應(yīng)用 LM358 的正向輸入端接電容電 壓 正端，反向輸入端與輸出端相連，構(gòu)成電壓跟隨器。電 壓跟隨器的顯著特點(diǎn)就是，輸入阻抗高，而輸出阻抗低，一般來說，輸入阻抗要達(dá)到幾兆歐姆是很容易做到的。輸出阻抗低，通?？梢缘綆讱W姆，甚至更低 ，也就是說電壓跟隨器有較好的隔離作 用，使輸出對(duì)輸入影像較小，正好滿足我們的要求 [6]。 LM358 的輸出電壓幅度為 0 至 ,而要跟隨的電壓范圍為 0— 5V，所以應(yīng)選用大于 + 的電源供電，這里選用 +12V 單電源供電 2． LM393 的作用 給比較器設(shè)置 +3V 的參考電壓，將電容電壓的指數(shù)曲線變成矩形波， 波形圖 如圖 38 所示。將參考電壓接同相輸入端，比較電壓接反相輸入端，從而實(shí)現(xiàn)電容電壓在上升到參考電壓時(shí)比較器產(chǎn)生下降沿信號(hào)，作為單片機(jī)的外部中斷信號(hào)。如圖 38 所示。 根據(jù) LM393 的特性本設(shè)計(jì)電源電路提供的電壓，選用 +5v 給其供 電。由LM393 的內(nèi)部原理圖可知 LM393 的輸出為集電極開路，它的輸出高電平與LM393 的電源無關(guān)，但須接外部電源和上拉電阻。在圖 37 所示的水位測量電結(jié) 論 路中并未有這樣的上拉電壓電路，是因?yàn)閱纹瑱C(jī)內(nèi)部 INT0、 INT1 口已經(jīng)具備了這樣的電路。 INT0、 INT1 的內(nèi)部電路類似于 P1 口如圖 36 所示。另外 LM393的同相輸入端輸入和反相輸入端輸入之間有相互嵌位作用， +5V 電源和分壓電阻提供的 +3v 參考帶電平對(duì)反相輸入端輸入有嵌位作用，如果不接 LM358 電源跟隨器而與電容直接相連，顯然會(huì)影響電容電壓的變化，這就是 要加電壓跟隨器進(jìn)行隔離的原因。 圖 38 電容電壓與比較器輸出信號(hào) (仿真和實(shí)測 ) 3． 充電時(shí)間的設(shè)定和電容的選擇 電容充電時(shí)間的計(jì)算公式為： T RC? (31) T 即位電容電壓上升時(shí)間。編程使