家用太阳能热水器控制器系统的设计与实现

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1、家用太阳能热水器控制器系统的设计与实现　　【摘要】本文提出由水温水位传感器、单片机、加热继电器和上水电磁阀构成的太阳能热水器控制器系统的软硬件设计方法。尤其重点阐述了水位水温一体化传感器的设计方法并和企业联合研制太阳能热水器的控制板并投入量产，经济社会效益明显。该系统实现了自动手动上水、自动手动加热和管道保温等控制功能，具有雷击、漏电和系统过热保护功能。　　【关键词】太阳能热水器控制器;单片机;水温水位一体化传感器;继电器;电磁阀　　　　0引言　　太阳能作为绿色能源尤其在太阳能热水器中的应用深得广大用户的好评。

2、但与之配套的太阳能热水器的控制器存在诸多的问题尤其在水温水位一体化传感器工艺的设计、防雷击、漏电和过热保护上影响了其推广和使用。本文就以上太阳能热水器控制器存在的问题进行了研究，并提出了切实有效的解决方案。设计制作的太阳能热水器的控制板如图1所示。　　图1太阳能热水器控制板　　1太阳能热水器控制器的硬件组成7　　太阳能热水器控制器硬件系统组成框图如图2所示，它以新型单片机STC12C5A60S2为控制核心，外接功能按键电路、水位水温一体化传感器、漏电过热保护电路、电磁阀继电器电流驱动电路、报警蜂鸣器、LED数码

3、管显示电路和系统电源电路等组成。　　系统通过水位水温一体化传感器将水箱的水位和水温参数转化为单片机能够识别的电信号，经过软件算法处理实时将水位和水温显示在LED数码管上，系统首次上电后水箱内的水位不足20%时为了避免干晒和干烧，系统会启动蜂鸣器报警同时启　　动上水电磁阀进行自动上水，但水位达到100%时自动停止上水，期间用户也可以通过按键进行手动上水;阴雨天气或者阳光不足时可以手动启动电辅加热，当水箱的水温加热到用户的设定温度时系统自动切断电辅加热也可手动随时停止加热;秋冬天气太阳能的上水管极易冻裂系统可以手动

4、启动管道保温功能，最大限度的提高太阳能热水器的使用效率。　　图2太阳能热水器控制器硬件系统组成框图　　2系统各功能硬件电路设计　　2.1水温水位传感器结构原理　　水温水位一体化传感器结构原理如图3所示　　图3水温水位一体化传感器7　　此水位水温传感器包括1个10K热敏电阻、4个色环电阻、橡胶外套和4段不锈钢弹簧组成。传感器内的热敏电阻和控制器内的5K电阻组成一个串联电路，根据串联分压原理，通过A/D转换单片机即可将水箱内的温度信息进行采样并实时显示和控制。其中热敏电阻的两端包裹有高温导线，此高温导线贯穿于传感器

5、的顶端和末端，最大限度的保证采集温度的准确性。传感器内的的4个色环电阻和4个不锈钢弹簧管之间串联焊接，然后用橡胶包裹固定。其中不锈钢弹簧主要起到增加水位传感器的长度的作用，4个色环电阻将水位分成4个档位，由于包裹在每个档位处的橡胶是导电的，而档位以处的橡胶是绝缘的，不同的水位即可等效为不同的电阻，通过震荡电路即可产生不同的频率，从而实现了水位的检测。　　2.2水温水位传感器测试原理　　图3中的4个档位不锈钢弹簧对应的水位等效电阻1、2脚接口与图4中的1、2接口相连，等效电阻RF、R1、R2、R3、U1A、U1B

6、和C1构成非对称式多谐震荡器[1]，经过反向驱动器U1C和滤波电容C2整形后接到单片机的P1_0，单片机通过测量P1_0引脚的方波频率即可得到水位的位置。　　图4水温水位传感器信号调理电路　　电路的震荡周期由式（1）给出：　　T=2.2RFC，=（1）　　式中的RF为等效电阻，根据4档水位对应的不同　　等效电阻得到不同的信号频率如表1所示：　　表1水位/频率值变换表　　图3中的10K负温度系数的热敏电阻与图4中5K电阻R4串联分压后经C3滤波后接到单片机的P1_1（ADC0通道）引脚，通过测量该引脚的水温电压对

7、应的ADC值，再通过查表即可获取水箱内水温值。　　单片机P1_1处的电压（2）7　　式2中的R1为10K热敏电阻的水温阻值。通常将热敏电阻的阻值和水温做成一张表格如表2所示，表格中的每个元素由水温对应的ADC值和水温组成存放在单片机的ROM内，当检测的水温对应的电压AD转换后，通过查表得到对应的水温。电阻R5、R6、R7为压敏电阻【2】。避免水温水位传感器因遭受雷击影响电路控制系统的整体寿命。　　表2水温/电压ADC变换表　　2.3上水电磁阀、电辅加热和管道保温继电器驱动电路设计　　图5上水、电加热和水管保温驱

8、动电路　　电加热、管道保温继电器和上水电磁阀的驱动电路如图5所示，STC12C5A60S2单片机对于继电器、电磁阀这种大的负载很难驱动，故采用ULN2001A驱动芯片控制电磁阀的线圈通断电。ULN2001A内部集成3路达林顿电流放大电路，只需用单片机的P1_6和P1_7脚在ULN2001A的输入管脚1、2、3输入TTL高电平（5V左右），输出脚8、7、6即可输出最大500MA的控制电流