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(shù)碼管顯示實時溫度，設(shè)計了一種太陽能熱水器自動進(jìn)水控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(tǒng)運行可靠，具有方便適用、價格低廉、程序易調(diào)和維修方便等優(yōu)點。
關(guān)鍵詞： 單片機；檢測，提醒；控制

    目前小區(qū)住宅大多數(shù)普及太陽能熱水器，但半數(shù)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(guān)進(jìn)水閥而造成水資源浪費、空曬上水爆管、進(jìn)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(qū)使用者所產(chǎn)生的限制也有顯著的差別。在我國農(nóng)村地區(qū)，很大一部分沒有穩(wěn)定的自來水供應(yīng)，用戶要通過安裝水泵來達(dá)到應(yīng)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(yīng)用有結(jié)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(dǎo)致水溫過高，甚至出現(xiàn)“干燒”的情形[2]，嚴(yán)重地影響了熱水器的使用壽命。
　本文針對當(dāng)前這兩種存在的問題進(jìn)行了調(diào)研。農(nóng)村用戶針對供水不穩(wěn)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(nèi)的水）上水。因為很多農(nóng)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(xiàn)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(nèi)。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(dǎo)致故障頻發(fā)。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(jīng)常由于用水高峰而出現(xiàn)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(shè)計了基于單片機的自動控制裝置，以實現(xiàn)用戶太陽能熱水器的自動上水。實現(xiàn)了水壓24小時全天候監(jiān)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(xiàn)強制上水的功能。同時還利用單片機控制系統(tǒng)具有的智能、節(jié)能、保護設(shè)備以及延長設(shè)備的使用壽命等方面的優(yōu)勢[3-4]，增加了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。
1 系統(tǒng)的硬件組成
1.1 系統(tǒng)設(shè)計
　本系統(tǒng)采用AT89S52單片機為核心，用4檔水位測量法測量水位，根據(jù)DS18B20傳感器檢測的溫度變化信號，實現(xiàn)七段數(shù)碼管動態(tài)顯示、蜂鳴器報警以及電磁閥開關(guān)等操作，從而實現(xiàn)單片機監(jiān)控溫度和水位的目的。其設(shè)計思路是：當(dāng)上水至水箱滿時，則蜂鳴器提醒，并停止上水；當(dāng)水箱未滿時，電磁閥開啟，實現(xiàn)系統(tǒng)的自動上水控制。其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 溫度檢測和顯示電路設(shè)計
　本系統(tǒng)的溫度數(shù)據(jù)采集選用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，溫度顯示用4個七段數(shù)碼管來實現(xiàn)。數(shù)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(shù)碼管，并通過P2.0~P2.3端口來選擇數(shù)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(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后通過DQ端口與單片機P3.0端口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，單片機的P0.0~P0.7端口分別與數(shù)碼管a~g、dp端口相連接，經(jīng)單片機處理后，由P2.0~P2.3端口依次輪流、循環(huán)輸出低電平位選信號接通數(shù)碼管的公共端，實現(xiàn)水溫的檢測與顯示功能。鑒于本系統(tǒng)經(jīng)濟適用的特點，特將循環(huán)頻率設(shè)為50 Hz，這樣既保障了系統(tǒng)數(shù)字的對應(yīng)顯示，又不會出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象，實現(xiàn)動態(tài)掃描顯示。

1.3 水壓及4檔水位檢測電路設(shè)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(rèn)用水壓初值進(jìn)行比較，控制自動上水，完成上水功能后，當(dāng)太陽能熱水器的液位開關(guān)檢測到水箱中已達(dá)到環(huán)境要求后，控制水管電磁閥關(guān)閉。水壓傳感器位于太陽能水管支路上，實時監(jiān)測水壓的信號，將水壓值反饋給單片機電路。在預(yù)先設(shè)定的時間段內(nèi)，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(jìn)行對比。在判斷出實時水壓足以對太陽能熱水器進(jìn)行供水時（pt＞p0），發(fā)出指令，打開電磁閥，進(jìn)行上水。如果在預(yù)先設(shè)定的時間內(nèi)，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(fā)出指令，開啟水泵，強制上水，系統(tǒng)在水箱的水位1/4、2/4、3/4和4/4浸泡一根導(dǎo)線并使之與單片機P1.0~P1.3端口和GND端相連，當(dāng)水位下降到相應(yīng)位置時，與GND端相連的P1口由低電平轉(zhuǎn)換為高電平。P1.0~P1.3口各代表1個水位，當(dāng)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(dāng)水位依次到達(dá)了2/4、3/4、4/4，均能實現(xiàn)水位的檢測，4檔水位檢測電路如圖3所示。

1.4 增壓進(jìn)水及提醒電路設(shè)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(chǎn)生在-15%~10%范圍內(nèi)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(dāng)在某時段測到水壓值超過允許用最小水壓或當(dāng)水箱未滿且當(dāng)前溫度高于設(shè)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(guān)閉；當(dāng)溫度高于設(shè)定值時，電磁閥繼續(xù)開啟，直到水箱水滿。上水電路如圖4所示。當(dāng)水箱水滿且溫度達(dá)到人工設(shè)定的使用溫度時，為方便使用，特設(shè)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(fā)射極接蜂鳴器負(fù)極，集電極接地，從而實現(xiàn)功率放大作用，蜂鳴器開啟提醒模式。

1.5 用戶按鍵電路設(shè)計
　用戶按鍵電路是太陽能熱水器水位控制系統(tǒng)與用戶的接口。用戶通過顯示來觀察水溫狀態(tài)值，再根據(jù)觀察到的值，通過按鍵對太陽能熱水器進(jìn)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(shè)定鍵，S2、S3分別為溫度加、減鍵，S4為移位鍵。

2 軟件設(shè)計
　系統(tǒng)軟件采用C語言編寫，通過Proteus軟件和Keil軟件完成設(shè)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(diào)用顯示子程序等6個部分組成。系統(tǒng)總體流程圖如圖7所示。
　通過對水位和水溫等傳感器的設(shè)置，使整個控制成為一個負(fù)反饋系統(tǒng)，能夠?qū)崟r監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過檢測到的數(shù)據(jù)對比當(dāng)前的控制情況，達(dá)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(huán)調(diào)用，不斷地調(diào)用重復(fù)，起到了循環(huán)負(fù)反饋的效果。從流程圖中也可以看出，全部設(shè)計流程能夠自適應(yīng)當(dāng)前的環(huán)境水溫水壓要求，解決存在的問題。
　本系統(tǒng)基于單片機控制模塊化電路實現(xiàn)了對太陽能熱水器水位的檢測和進(jìn)水控制。對當(dāng)前太陽能熱水器存在的問題，選擇了相應(yīng)的元件，并運用子程序?qū)崿F(xiàn)了太陽能熱水器的智能控制，具有自適應(yīng)、自協(xié)調(diào)等功能，同時還能保證水位控制系統(tǒng)具有較高控制精度、抗干擾能力及穩(wěn)定性。其主要特點是：結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、操作維護簡便。在系統(tǒng)設(shè)計前，先通過Keil軟件和Proteus仿真軟件進(jìn)行仿真，待達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計效果后，再將程序通過單片機下載程序?qū)懭雴纹瑱C，從而實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計的目標(biāo)。同時，該控制系統(tǒng)還具有性價比高、溫度控制與顯示穩(wěn)定可靠等特點。
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