基于单片机的太阳能热水器辅助控制系统设计
基于单片机的太阳能热水器辅助控制系统设计
本文介绍了一种基于单片机的太阳能热水器辅助控制系统设计方案。该系统通过温度和水位传感器监测水箱状态，实现自动上水和加热功能，并可通过按键进行手动控制。系统采用单片机作为核心控制器，配合LCD1602显示屏、DS18B20温度传感器、DS1302实时时钟等组件，具有成本低、功耗低、功能多等特点。
系统设计背景与任务
本课题旨在设计一个小成本、低功耗、多用途的太阳能热水器控制系统。热水系统采用单片机芯片作为微型控制器，该系统的设计目标包括：
- 通过传感器，将水位水温采样信号传送给单片机进行处理，并进行水位及温度的显示；
- 当水位到达低限时，系统自动上水，高限停止上水；
- 可调预置水温设计，用户可以自主设置温度保持范围，以应对不同地区不同季节；
- 可以设定时段监控温度，如果在时段内，温度过低系统将循环加热；
- 允许自动/手动进行上水、加热设置。
太阳能热水器工作原理
目前市场上太阳能热水器的主要分类有：玻璃真空管热水器、平板型热水器、陶瓷中空平板型热水器以及热管式热水器等。而在国内，太阳能热水器市场份额的90%是全玻璃真空管太阳能，因此本设计采用真空管太阳能热水器作为控制对象。
太阳能热水器基本构造包括：水箱、集热管、进出水接口、排气孔、安装架等组件。阳光照射在真空式的集热管上，集热管吸收热量，管内冷水被加热成热水。由于热水比重低于冷水，热水上浮冷水下沉进行冷热交替加热，最终热水被收集到储水箱内。
图2.1 太阳能原理图
在光照良好的情况下，上述过程比较顺利。如果遇到连续阴雨天气，则不能收集热水，因此需要加热电辅加热功能。当单片机采集到温度低于设定值，并且在预设时间段内，将开启加热，保持水温在程序设置的范围内。水位监测模块安装在水箱中，监测水位的变化并发出水位报警信息。当水位低于设定位置，单片机发出指令停止加热同时开始上水；水位被监测到达高水位时，停止上水。实时时钟为系统提供时间信息，既可以显示日期时间等信息，又能让用户自主设置水温保持时间段。在该时间段内开启辅助加热功能，其他时间只显示温度而不加热以节约能源。系统还提供有手动按钮，允许用户自主控制上水电磁阀、加热器等器件。在手动模式下系统依然监控水位水温信息，防止发生上水溢出、干烧等事故。
控制系统设计原则
本控制系统将单片机及外围电路与太阳能热水器结合起来。运用温度、水位监测技术，将水温、水位信息进行处理、控制。该系统设计遵循的原则如下：
- 可靠性。本太阳能热水器控制系统是基于单片机的系统，在设计单片机的硬件与软件方案时，要考虑到各种因素了来保证系统的高可靠性。例如在测量温度时，如何保持温度数据地准确传输；如何保证单片机工作不被电磁干扰等等。因此系统需要综合考虑，保证采集、传输以及处理过程中的可靠性，才能使得系统能够应对各种复杂的环境与使用习惯。
- 准确性。本系统使用的测量电路较为先进，能够精确地反映被测量的变化。
- 经济性。本设计针对的是广大民用客户，所以在选用电路器件时要考察其性价比如何，尽可能控制成本以提高竞争力。
- 人性化。由于本系统要面向广大客户，所以在进行软硬件设计时，要充分考虑诸多因素。
系统硬件设计
控制系统硬件设计主要包括以下几个部分：
- 主控模块：采用单片机作为核心控制器，配置了复位电路和时钟电路。
- 温度测量模块：采用DS18B20温度传感器进行水温检测。
- 水位检测模块：用于监测水箱水位。
- 显示模块：采用LCD1602显示屏显示时间、温度和水位信息。
- 实时时钟：采用DS1302实时时钟芯片提供时间信息。
- 驱动模块：包括上水电磁阀驱动电路和自动加热驱动电路。
- 按键模块：用于用户手动控制。
系统软件设计
软件设计主要包括以下几个方面：
- 实时时钟软件设计：包括DS1302时钟地址及数据格式、时间读取子程序、时间设置子程序等。
- 水温检测软件设计：包括DS18B20传感器操作指令、温度获取子程序等。
- 显示模块软件设计：包括LCD1602初始化过程、显示子程序等。
- 水位检测软件设计。
- 按键模块软件设计：包括读取键值子程序、键值处理子程序等。
系统调试与仿真
系统调试主要包括总体仿真结果展示、自动加热仿真、水位检测及上水仿真等内容。通过仿真验证了系统的各项功能是否符合设计要求。
总结与展望
本设计通过单片机控制实现了太阳能热水器的智能化管理，具有成本低、功耗低、功能多等特点。系统采用模块化设计，便于维护和升级。未来可以进一步优化系统性能，增加更多智能化功能，如远程监控等。