基于單片機的太陽能熱水器智能節(jié)水裝置

李偉偉，張俊杰，王明

（河南理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，河南焦作454000）

基于單片機的太陽能熱水器智能節(jié)水裝置

李偉偉，張俊杰，王明

（河南理工大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，河南焦作454000）

太陽能熱水器已在日常生活中廣泛使用，但其有一個比較常見的缺陷，當(dāng)用戶間隔較長時間打開熱水閥時，總要先將輸水管內(nèi)滯留的涼水排出后才能使用熱水，既浪費水資源又不方便。而且在冬季，為防止管內(nèi)水結(jié)冰，室外管需要包裹大量保溫材料，經(jīng)濟投入很大。通過在輸水管道底端安裝溫度傳感器和壓力傳感器，使用壓力傳感器測量輸水管內(nèi)的水量，單片機根據(jù)測得的水量與設(shè)定閾值進行比較，通過開關(guān)電磁閥來保證輸水管內(nèi)的水量始終保持恒定。用戶使用完畢后，單片機會關(guān)閉電磁閥，輸水管內(nèi)剩余的水將靠重力排空。此外，用戶還可以根據(jù)個人喜好設(shè)定水溫或用水量等個性化數(shù)據(jù)，從而更加人性化。

太陽能熱水器；排空管道；溫度傳感器；壓力傳感器；電磁閥

0 引言

太陽能熱水器較為常見的一個缺陷是，當(dāng)用戶間隔較長時間再次打開熱水閥時，總要先將輸水管內(nèi)滯留的涼水排出后才能使用熱水。這導(dǎo)致了水資源的極大浪費；嚴(yán)寒的冬季，水管內(nèi)的水易結(jié)冰導(dǎo)致管道凍裂，因此需要對輸水管包裹大量保溫材料或者采用電加熱的方式，造成了不必要的損耗。為此本文設(shè)計了太陽能熱水器排空管道節(jié)水裝置，其功能和原理如下：

（1）在原有太陽能熱水器的基礎(chǔ)上，使用壓力傳感器和溫度傳感器測量輸水管道的水量和水溫，并用數(shù)碼管顯示。

（2）壓力傳感器測得輸水管內(nèi)的水量，然后單片機根據(jù)測得的水量與設(shè)定閾值比較，實時開關(guān)儲水器和輸水管連接的電磁閥，從而保證輸水管內(nèi)的水量始終保持恒定。當(dāng)用戶使用完畢后，單片機會關(guān)閉電磁閥，輸水管內(nèi)剩余的水將靠重力排空。這樣不僅可以控制水流速度達到節(jié)水目的，而且最大限度地避免了輸水管道出現(xiàn)剩余的水。

（3）用戶可根據(jù)個人喜好設(shè)定個性化數(shù)據(jù)，如水溫、大致用水量等。系統(tǒng)將設(shè)定的數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)整后存儲在單片機內(nèi)部EEPROM中，使用時單片機自動讀取設(shè)定數(shù)據(jù)，控制執(zhí)行部件實現(xiàn)該設(shè)定方案，更為人性化。

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

該系統(tǒng)的研究目標(biāo)是通過傳感器對輸水管內(nèi)的水量和溫度進行準(zhǔn)確、實時、可靠的檢測，并將測量到的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機處理后控制執(zhí)行機構(gòu)做出相應(yīng)動作，從而實現(xiàn)實時水溫監(jiān)測、本地用戶顯示、閾值自行設(shè)定、自動調(diào)節(jié)輸水量、排空輸水管內(nèi)的用水等功能。

本系統(tǒng)由5部分組成：傳感器信息的采集與分析處理、信息發(fā)送與接收、本地設(shè)置與顯示模塊、控制終端、執(zhí)行機構(gòu)。傳感器信息采集與處理模塊負責(zé)測量壓力、溫度等信息；信息的發(fā)送和接收通過無線模塊實現(xiàn)；本地設(shè)置與顯示由按鍵和數(shù)碼管組成，可以實時顯示溫度、水量等信息，并能通過按鍵由用戶自行設(shè)定參數(shù)；控制終端負責(zé)收集信號并使執(zhí)行機構(gòu)做出相應(yīng)動作；執(zhí)行機構(gòu)由繼電器和電磁閥組成，可以靈敏、精準(zhǔn)的動作。

總體硬件電路框圖如圖2所示。

圖2 硬件電路框圖

1.1 主控芯片的選擇

本設(shè)計采用STC12C5A60S2作為主控芯片[1]，它具有功耗低、速度快、抗干擾性強、價格低廉、可靠性高等特點，特別適用于實時控制系統(tǒng)，現(xiàn)已成為各種自動控制系統(tǒng)理想的控制芯片。主控芯片原理圖如圖3所示。

1.2 溫度傳感器

本設(shè)計采用DS18B20溫度傳感器[2]。DS18B20溫度傳感器是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線器件，具有線路簡單、體積小的特點。而且在一根通信線上，可以掛載多個溫度傳感器，十分方便。DS18B20溫度傳感器測溫范圍為-55℃～＋125℃，并且在-10℃～＋85℃范圍內(nèi)精度為±0.5℃，完全滿足本設(shè)計的要求。其原理圖如圖4所示。

圖4 溫度傳感器原理圖

1.3 壓力傳感器

本設(shè)計采用cm5300系列壓力傳感器[3]。由于cm5300壓力傳感器輸出的信號較小，為mV級別，所以要經(jīng)過放大電路對傳感器輸出的微弱信號進行放大。本設(shè)計采用差分放大電路對其放大。差分放大電路具有抑制零漂的作用，由兩片lm324構(gòu)成，可以確保傳感器在檢測范圍內(nèi)的信號靈敏度、穩(wěn)定性和線性。之后單片機內(nèi)置A/ D模塊對電壓信號進行采集轉(zhuǎn)換。信號放大原理圖如圖5所示。

圖5 信號放大原理圖

1.4 信息發(fā)送與接收模塊

無線發(fā)射接收模塊由PT2262、PT2272紅外解碼電路構(gòu)成[4]。傳感器信號由單片機分析后，觸發(fā)PT2262。PT2262觸發(fā)的數(shù)據(jù)口不同，PT2272接收到的數(shù)據(jù)便不同。據(jù)此可以實現(xiàn)單片機根據(jù)不同的信息，控制電磁閥門執(zhí)行不同的動作。

1.5 本地設(shè)置與顯示模塊

本地設(shè)置采用獨立按鍵輸入信息。共設(shè)置5個按鍵，分別為：“設(shè)置”、“+”、“-”、“確定”、“結(jié)束”。按“設(shè)置”鍵進入設(shè)置模式，每位用戶都有對應(yīng)的序號，以實現(xiàn)個性化設(shè)置。在某用戶編號下可以設(shè)置輸水管內(nèi)保持恒定的水量值的大小，還可以設(shè)置水溫和總用水量。“+”、“-”鍵用來調(diào)整相應(yīng)參數(shù)值的大小?！按_定”鍵保存參數(shù)并退出設(shè)置模式。“結(jié)束”鍵用在沒有設(shè)定總用水量的模式下，用戶使用完畢后，按下“結(jié)束”鍵，單片機控制徹底關(guān)閉電磁閥。設(shè)置信息儲存在單片機EEPROM中，使用時自動讀取設(shè)置信息。

顯示模塊采用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有亮度高、發(fā)光響應(yīng)時間短、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點。

1.6 執(zhí)行機構(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)由繼電器和電磁閥[5]構(gòu)成。由于單片機控制電流不足以驅(qū)動電磁閥工作，因此在電路中通過電磁繼電器來控制電磁閥。主控芯片通過控制繼電器的通斷，直接控制驅(qū)動電路是否工作，進而控制電磁閥的開關(guān)。電磁繼電器原理圖如圖6所示。

圖6 電磁繼電器

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在主控模塊，程序首先進行各個模塊初始化配置，依次是：溫度傳感器初始化、壓力傳感器初始化、無線發(fā)射模塊初始化、按鍵初始化、數(shù)碼管顯示初始化，然后進入主程序。在while（1）循環(huán)里面，循環(huán)執(zhí)行溫度傳感器采集溫度函數(shù)、壓力傳感器測量水壓函數(shù)、按鍵檢測設(shè)置閾值函數(shù)、數(shù)碼管顯示函數(shù)、無線模塊發(fā)射函數(shù)。

在接收模塊，程序首先進行無線模塊初始化、電磁繼電器初始化，然后進入while（1）循環(huán)，循環(huán)執(zhí)行無線模塊接收函數(shù)、繼電器動作函數(shù)。具體的程序流程圖如圖7所示。

3 結(jié)論

圖7 系統(tǒng)流程圖

本文提出的太陽能熱水器排空管道節(jié)水裝置，不僅可以控制水流速度達到節(jié)水目的，而且最大限度地避免了輸水管道有水剩余。本設(shè)計解決了下次使用時必須先排掉管內(nèi)剩余的涼水才能使用熱水的問題，節(jié)約了水資源，同時避免了在一些寒冷地區(qū)暴露在外的輸水管因存水結(jié)冰脹裂的風(fēng)險。另外，用戶可根據(jù)個人喜好設(shè)定個性化數(shù)據(jù)，如水溫、大致用水量等，更為人性化。

本設(shè)計改進了太陽能熱水器的功能，提高了太陽能熱水器的使用便捷性，使太陽能熱水器更加方便和人性化，可以提供更好的產(chǎn)品體驗。

[1]李華.MCS-51系列單片機實用接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1993.

[2]于克龍，畢小龍，邱立峻.數(shù)字溫度傳感器DS18B20的應(yīng)用[J].機械制造與自動化，2004，33（2）：47-49.

[3]陳平易.陶瓷壓阻式壓力傳感器的研究及應(yīng)用[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2012.

[4]郝迎吉，劉義剛，樊潤麗.基于單片機實現(xiàn)遙控編碼器PT2262的軟件解碼[J].國外電子元器件，2008（5）：36-39.

[5]李頎，欒翔鶴.智能閥門控制器遙控裝置的設(shè)計與開發(fā)[J].陜西科技大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)報），2009，27（3）：106-108，121.

Water saving system for solar heater based on MCU

Li Weiwei，Zhang Junjie，Wang Ming
（Department of Electrical Engineering and Automation，Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454000，China）

Solar heaters have been widely used in our daily lives，but one of its common defects is waste of water and inconvenience.Because the users have to empty the detained cold water in the water pipe before using the hot water，if they switch on the hot-water valve again after a long interval of time.Particularly in winter，a large amount of insulation material is needed to wrap the outdoor pipes in order to prevent the water from freezing，which costs a lot.This design tries to install DS18B20 temperature sensor and CM5300 series pressure sensor on the outlet pipe.The microcomputer can control the electromagnetic valve of the water reservoir and the pipe in real time based on the compare results from the measure of the water in the pipe by pressure sensor and the set value，so as to keep the water in the pipe always a certain.Then the microcontroller can close the electromagnetic valve so that the water can flow by gravity and the pipe can be evacuated when users no longer need hot water.In addition，the user can set personalized data such as temperature and water consumption based on the temperature sensor and the pressure sensor，which is more convenient.

solar heater；pipe emptying；temperature sensor；pressure sensor；electromagnetic valve

TP23

A

1674-7720（2015）13-0094-03

2015-02-04）

李偉偉（1982-），男，碩士研究生，講師，主要研究方向：電力電子與電力傳動，嵌入式系統(tǒng)。

張俊杰（1993-），男，本科在讀，主要研究方向：電氣工程及其自動化。

王明（1993-），男，本科在讀，主要研究方向：工業(yè)電氣自動化，電氣工程。