摘 要： 利用MSC-51系列單片機AT89S52作為控制器，利用DS18B20溫度傳感器采集實時溫度，電極檢測實時水位，七段數碼管顯示實時溫度，設計了一種太陽能熱水器自動進水控制系統。該系統由水位檢測、水位控制、溫度檢測及顯示、使用提醒等組成，該系統運行可靠，具有方便適用、價格低廉、程序易調和維修方便等優點。
關鍵詞： 單片機；檢測，提醒；控制
目前小區住宅大多數普及太陽能熱水器，但半數用戶仍使用人工上水，該類熱水器存在諸如水注滿時因疏忽未及時關進水閥而造成水資源浪費、空曬上水爆管、進水管在冬季易于破裂、用戶在急需使用時太陽能熱水器碰巧少水等缺陷[1]。同時，太陽能熱水器對于不同的地區使用者所產生的限制也有顯著的差別。在我國農村地區，很大一部分沒有穩定的自來水供應，用戶要通過安裝水泵來達到應用太陽能洗浴的目的，操作較為繁瑣，而且副水箱多在室外，冬季應用有結冰的危險，不能夠做到提前上水，自動上水。而對于我國城市由于水壓問題難以將水注入房頂上的儲水器。這種情況不僅影響太陽能熱水器的正常使用，同時由于儲水器中的水量不足，導致水溫過高，甚至出現“干燒”的情形[2]，嚴重地影響了熱水器的使用壽命。
本文針對當前這兩種存在的問題進行了調研。農村用戶針對供水不穩情況的解決方法主要為手動解決——手動開啟水泵抽取地下水（儲水器內的水）上水。因為很多農村存在自來水定時供水（如中午）或者水壓過低的情況，無法實現給太陽能直接上水，只有利用水泵將地下水儲存起來再抽到太陽能內。若需要手動控制水泵，管路和水泵冬季防凍困難，而且水泵易因頻繁啟動而導致故障頻發。同時，太陽能熱水器容易引起太陽能熱水器的老化。在大城市中，經常由于用水高峰而出現水壓偏低，難以將水注入房頂上的儲水器。因此城市用戶會采用增加水泵或者采取避開高峰期用水，但這種方法難以緩解太陽能熱水器干燒的問題。
本文針對上述情況，設計了基于單片機的自動控制裝置，以實現用戶太陽能熱水器的自動上水。實現了水壓24小時全天候監測，選擇在高水壓的時段自動控制上水，在低水壓時，啟動增壓裝置，實現強制上水的功能。同時還利用單片機控制系統具有的智能、節能、保護設備以及延長設備的使用壽命等方面的優勢[3-4]，增加了系統穩定性和可靠性。
1 系統的硬件組成
1.1 系統設計
本系統采用AT89S52單片機為核心，用4檔水位測量法測量水位，根據DS18B20傳感器檢測的溫度變化信號，實現七段數碼管動態顯示、蜂鳴器報警以及電磁閥開關等操作，從而實現單片機監控溫度和水位的目的。其設計思路是：當上水至水箱滿時，則蜂鳴器提醒，并停止上水；當水箱未滿時，電磁閥開啟，實現系統的自動上水控制。其控制系統結構如圖1所示。
1.2 溫度檢測和顯示電路設計
本系統的溫度數據采集選用DS18B20數字溫度傳感器，溫度顯示用4個七段數碼管來實現。數字信號由P3.0端口送入單片機中，溫度顯示由P0.0~P0.7端口傳入數碼管，并通過P2.0~P2.3端口來選擇數碼管點亮。其溫度檢測和顯示電路如圖2所示。其基本原理是，DS18B20將溫度模擬信號轉換為數字信號，然后通過DQ端口與單片機P3.0端口進行數據通信，單片機的P0.0~P0.7端口分別與數碼管a~g、dp端口相連接，經單片機處理后，由P2.0~P2.3端口依次輪流、循環輸出低電平位選信號接通數碼管的公共端，實現水溫的檢測與顯示功能。鑒于本系統經濟適用的特點，特將循環頻率設為50 Hz，這樣既保障了系統數字的對應顯示，又不會出現閃爍現象，實現動態掃描顯示。
1.3 水壓及4檔水位檢測電路設計
正常工作時，傳感器檢測到入戶的水壓信號，并將信號傳輸給控制電路，控制電路對入戶水壓值和默認用水壓初值進行比較，控制自動上水，完成上水功能后，當太陽能熱水器的液位開關檢測到水箱中已達到環境要求后，控制水管電磁閥關閉。水壓傳感器位于太陽能水管支路上，實時監測水壓的信號，將水壓值反饋給單片機電路。在預先設定的時間段內，單片機將每一個時刻傳感器反饋的實時水壓值pt與閾值p0進行對比。在判斷出實時水壓足以對太陽能熱水器進行供水時（pt＞p0），發出指令，打開電磁閥，進行上水。如果在預先設定的時間內，水箱沒有上滿，即未能夠找到時間點滿足pt＞p1，單片機電路發出指令，開啟水泵，強制上水，系統在水箱的水位1/4、2/4、3/4和4/4浸泡一根導線并使之與單片機P1.0~P1.3端口和GND端相連，當水位下降到相應位置時，與GND端相連的P1口由低電平轉換為高電平。P1.0~P1.3口各代表1個水位，當P1.0從低電平變成高電平，說明水位超過了水箱容量的1/4，同理，當水位依次到達了2/4、3/4、4/4，均能實現水位的檢測，4檔水位檢測電路如圖3所示。
1.4 增壓進水及提醒電路設計
一般由于水廠供水問題，入戶水壓圍繞上水允許最小壓力通常產生在-15%~10%范圍內的波動。在上午、下午及晚上各有一段時間為大家做飯等用水高峰時間，此時，水壓值可能低于允許壓力。以某天為例，智能增壓裝置不斷檢測水壓，當在某時段測到水壓值超過允許用最小水壓或當水箱未滿且當前溫度高于設置值時，電磁閥開啟，使水位上升至水箱容量的上一個1/4處，電磁閥關閉；當溫度高于設定值時，電磁閥繼續開啟，直到水箱水滿。上水電路如圖4所示。當水箱水滿且溫度達到人工設定的使用溫度時，為方便使用，特設計了使用提醒電路，如圖5所示，其采用了壓電式蜂鳴器。單片機P2.5口接1 kΩ上拉電阻,9013三極管放大器基極接1 kΩ電阻，發射極接蜂鳴器負極，集電極接地，從而實現功率放大作用，蜂鳴器開啟提醒模式。
1.5 用戶按鍵電路設計
用戶按鍵電路是太陽能熱水器水位控制系統與用戶的接口。用戶通過顯示來觀察水溫狀態值，再根據觀察到的值，通過按鍵對太陽能熱水器進行控制，以滿足不同用戶對水溫的不同要求，用戶按鍵電路如圖6所示。其中，S1為溫度設定鍵，S2、S3分別為溫度加、減鍵，S4為移位鍵。
2 軟件設計
系統軟件采用C語言編寫，通過Proteus軟件和Keil軟件完成設計，主要由初始化程序、掃描按鍵程序、按鍵處理子程序、讀取水位和水溫信息、調用顯示子程序等6個部分組成。系統總體流程圖如圖7所示。
通過對水位和水溫等傳感器的設置，使整個控制成為一個負反饋系統，能夠實時監測數據，通過檢測到的數據對比當前的控制情況，達到自動控制的效果。其中，讀取水溫的主要代碼為：
void wendu_write（unsigned char date）
{
unsigned char i=0；
for（i=8；i>0；i--）
{
DQ=0；
DQ=date&0x01；
delay（7）；
DQ=1；
date>>=1； }
}
Signed int wendu_read（void） {
unsigned char i=0，t=0，pn=0；
for（i=8；i>0；i--）
{
DQ=0；
t>>=1；
DQ=1；
if（DQ==1）
{
t|=0x80；
}
delay（4）；
}
return（t）；
}
整個程序使用自循環調用，不斷地調用重復，起到了循環負反饋的效果。從流程圖中也可以看出，全部設計流程能夠自適應當前的環境水溫水壓要求，解決存在的問題。
本系統基于單片機控制模塊化電路實現了對太陽能熱水器水位的檢測和進水控制。對當前太陽能熱水器存在的問題，選擇了相應的元件，并運用子程序實現了太陽能熱水器的智能控制，具有自適應、自協調等功能，同時還能保證水位控制系統具有較高控制精度、抗干擾能力及穩定性。其主要特點是：結構簡單、運行可靠、操作維護簡便。在系統設計前，先通過Keil軟件和Proteus仿真軟件進行仿真，待達到了預期的設計效果后，再將程序通過單片機下載程序寫入單片機，從而實現系統設計的目標。同時，該控制系統還具有性價比高、溫度控制與顯示穩定可靠等特點。
參考文獻
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