戴仔龙

【摘要】针对目前家用太阳能热水器控制器存在的自动上水、温度水位实时控制和空烧空晒等问题，本文提出了一种新型的太阳能热水器控制系统设计方案。采用新型单片机STC12C5A60S2以及高性能的DS18820温度传感器和分段式液位传感器对水箱温度和水位进行实时测量，结合DS1302实时时钟从而实现水箱温度和液位实时检测、实时控制、实时显示及空晒、越限报警等功能，本文给出了系统硬件设计及软件实现方法。该系统解决了早期控制器存在的自动上水，温度水位实时控制和空烧空晒等问题，具有良好的抗干扰性能。

【关键词】温度液位自动控制；单片机；单总线温度传感器；实时时钟

中图分类号：TP273文献标识码：A

引言

目前市场上太阳能热水器的控制器存在自动上水误控制、水箱温度和水位只具有显示功能而没有控制功能。本文设计的太阳能热水器控制系统以新型单片机STC12C5A60S2为控制核心，采用DSl302时钟芯片作为系统的实时时钟，不仅能显示系统的北京时间，且为定时加热和定时上水控制提供条件。由于阴天、夜晚等光照不充分时间，太阳能热水器的使用效率低，通过电辅助加热的预热时间控制，解决热水器24小时提供热水的难题。实际应用结果表明，该控制器与以往的控制仪表相比具有温度、水位双重精度控制，性价比高，抗干扰能力强等优点，推动了太阳能热水器进一步的普及和推广。

一、系统硬件设计

本系统主要实现温度、水位的精度控制，算法运算量和中间处理的数据量较少，为了提高系统的稳定性和可靠性采用单片机集成的AD模块，本次系统采用STCI2C5A60S2已完全能够满足要求。系统原理如图1所示。

（一）实时时钟模块接口电路设计

实时时钟可以采用单片机内部的定时器和外扩时钟芯片，由于本系统需要一个精确的时钟为系统的控制提供一个基准时间，而定时器提供的时间基准精度低，很难实现加热时间控制，故本系统采用美国DALLAS公司的时钟芯片DS1302，通过突发模式连续读出芯片内部的时钟与设定时间值比较，从而控制系统的工作状态。

（二）温度采集接口电路设计

有多种方法实现温度的自动检测与控制，常用的方法有热电偶、红外测温仪、集成电路IC。热电偶测温的基本技术和主要性能指标均依赖热电偶，可实现较宽温度范围的精确测量，但连续测量能力低，不适合连续快速在线的测控；红外测温仪的特点是响应速度快、使用安全寿命长，但测量精密度和连续跟随性方面存在缺陷；考虑到高性能、低功耗、微型化、便于微控制系统应用等优点；故本系统选用美国DALLAS半导体公司推出的单总线温度传感器DS18820。

温度信息通过单线接口DQ串行方式进行读取，减少了系统的接线和硬件接口开销，尤其适合恶劣环境下水箱温度的测量，温度传感器虽接线简单，但对微控制器的读写时序有严格的要求，故需要相对复杂的软件进行补偿，否则将无法读取测温结果。

（三）水位测量与显示的分析设计

系统只有准确的检测出水位和温度，才能通过软件计算提前开始辅助加热的预加热时间。要实现辅助加热的提前时间的精确计算，最好采用连续液位传感器，但考虑成本和安装，本设计采用分段式液位传感器，在水位显示上也采用分段显示（共4段），I_O～I_3为最低水位到最高水位的传感信号，通过电压比较器的作用，对应的4盏指示灯%25～%100指示水箱的当前水位，STC单片机通过P1_4～P1_7采集水位信号，为系统软件设计阶段水位控制算法提供条件。

（四）时钟温度显示接口电路设计

本系统通过按键K4对北京时间与当前水温显示进行切换；北京时间采用6位数码管显示时分秒信息，范围为00：00：00～23：59：59；水温采用3位数码管显示范围为-9.5℃～99.5℃，数码管的位显控制由单片机驱动3/8译码器实现，而段码控制由单片机的PO口控制；

（五）系统电源设计

整个系统采用220V交流电，经变压器将220V交流输入转换成17V和10V交流输入，再经整流、滤波以及7812和7805稳压，就可得到上水电磁阀的12V直流电源和单片机系统的5V直流电源

二、系统软件设计

系统软件设计时必须明确系统的控制要求，当检测水位低于水位下限时，先检测热水器是否处于使用状态，若使用中则报警并提示上水再使用，此过程中由于水箱水位留有余量，用户仍然可以继续完成淋浴；根据上面的要求，控制器采用模块化结构编程，包括主程序、液位控制子程序、温度计算模块、显示模块、键盘扫描子程序。

系统主程序主要完成系统中断初始化、温度水位采样显示、当前液位和最低液位或次低液位进行比较，解决客户热水器正在使用中的上水问题；通过按键中断扫描，进入相应温度设定和电辅助加热温度控制中断服务程序；系统主程序流程图如图2所示。

主程序中在读取温度时，采用读3次，取排序后的中间值为读取到的水箱温度值，对读取的温度进行数字滤波处理，提高系统的抗干扰能力。

三、结束语

该新型太阳能热水器控制器系统克服传统控制器在客户使用中自动上水、温度水温精度控制和空晒空晒等问题，具有良好的抗干扰性能，且成本低廉，较易被用户接受。该系统将以其更优越的功能、控制灵活、显示精度高、可靠性好、操作方便和成本低等优点能为企业创造可观的经济效益和社会效益。