太阳能热水器控制器设计

太阳能热水器的通用控制器研制
武汉工程大学 刘增华 李伟 2.1 系统的工作原理
太阳能热水器辅助控制系统结构如图 1 所示。 在太阳能热水器的储水箱内增加一个电加 器，采用 220V 市电加热，由辅助控制系统的继电器控制通断电，用来在温度达不到要求的 时候进行辅助加热来保证热水温度。水位、水温探测器从保温储水箱顶部安装在水箱中，通 过电缆线接入用户室内控制器。流量控制阀用通过步进电机来精确控制冷水即自来水的流 量，来保证热水与冷水混合后的温度达到用户的要求。当水位不足报警时，通过电磁阀启动 上水，上水的过程中，不允许淋浴，且放水电磁阀关闭。当需要淋浴时，放水电磁阀打开， 通过自动控制冷水电磁阀的开度来保证冷水与热水混合后的温度与用户设定值基本一致 （水 温保持在设定温度的 2°C 范围内），淋浴过程中，系统禁止上水和辅助加热。当淋浴完后 按下”淋浴完键”，系统停止放水并且电机要复位。系统的总体结构图如下。
液位传感器 温度传感器 热水器储水箱 电加热器 上水 电磁阀
三通 放水 电磁阀
自来水 电动节流截至阀 三通 三通 温度传感器
阀 门 淋浴器
2.2 控制系统与电路结构组成
控制系统采用 FPGA 内部构建 Core8051 单片机来控制水温水位等，其内部接线图如图 2 所示。整个系统采用 Fusion StartKit 开发平台，嵌入 8051 内核为核心，对水温、水位等参 数进行智能检测和显示，读取电磁阀的状态，经键盘操作和单片机内部运算比较，控制相应 得执行机构进行通、断电及报警提示，其控制系统组成如图 3。

Core8051 的 P0 口作液晶的数据口，P2.0-P2.2 为液晶的使能控制口，P2.3-P2.5 分别接 步进电机驱动器 CP-,u/d-， FREE-, CP 为脉冲信号输入端； U/D 为电机正、 反转控制端； FREE 为电机脱机控制端， 通过不断的对淋浴水温进行智能检测和显示， 经单片机内部运算与设定

温度进行比较，控制输入步进电机的脉冲信号及正反转状态，来调节流量控制阀的开度，从 而来保证喷头水温与用户设定水温的相一致。P2.6 接数字温度传感器 ds1820，用来检测水 箱温度并通过芯片及单片机内部处理后显示在液晶上，P2.7 也接温度传感器用来检测淋浴 喷头的水温。如果水箱温度不足时（达设置水温下限），则加热继电器动作，启动辅助加热 装置，当水温达加热温度上限时加热继电器断开，辅助加热装置关闭。水位用 5 段 led 灯显 示，如果水位不足则报警蜂鸣器响，若没使用则上水继电器动作，电磁阀开通，自动上水至 水位上限后关闭。
3、单元电路设计
3.1 水位检测
图 4 由 555 定时器构成的液位测量电图 水位检测原理如下：由两块铝板组成电容构成介质变化型电容传感器，电容大小为：
C =ε
式中： ε 为介质，S 为对应的面积，l 为长度。 假设电容器为两平极结构， 作绝缘处理后的电容器两极间浸入不同的界质中， 由于电容 器中的介质相对介电系数不同， 电容量是不同的， 即检测电容传感器在水位变化导致电容器 的电容 C 变化情况。 电容传感器处在大气中、浸入水中不同深度，其电容量的变化，可反映出水位的变化。 在大气中相对介电常数为 1，电容传感器的电容量为 C1，在水中相对介电常数更大，达到 80，电容传感器的电容量将随着浸入深度加大而变大。 由于上下两部分的介质不同，则总电容有两个电容并联组成： 设铝板总高度为 H，液位高度为 h，则上下两部的介质分别为空气 和水。
S l
C1 = ε
S bh = 1? l H ?h S bh C2 = ε = 80 ? = 80b l h
C1
C2

式中：空气的介电常数为 1，b 为铝板的宽度。 本传感器采用 NE555 制作为脉冲波发生器，输出的频率反映液位的变化，根据实际测 试：
Cmin = 0.1uF 、 C max = 2.2uF
取中心工作频率为 1KHz，确定电阻值。 当水箱里无水时 （水位最低） 最小。 ， 将水位划分为五段： 0.1-0.2m、 0.2-0.3m,、 0.3-0.4m、 0.4-0.5m、0.5-0.6m，分别对应于显示灯 LED1、LED2、LED3、LED4、LED5。当水位发生 变化引起电容的变化，经多谐振荡器输出周期性方波的频率 f 也随之发生变化 [f=1.43/(R1+2R2)C]，根据单片机的计数器 T0 扑捉到的时钟的个数，再经单片机内部比较处 理来决定点亮的 LED 灯。譬如当水位处于 h1 位段时，输出的频率满足点亮 LED1 的条件， 则 LED1 亮，指示水位位于 0.1-0.2m 处，由此来实现水位的显示。LED 灯显示采用动态扫 描方式，即在某一时刻，只有一个灯被点亮。当水位低于 h2 时，启动蜂鸣器报警，提示需 加水，若无人使用则自动启动加水。实验表明，为能很好的满足电路的要求，R1 用可调电 阻，R2 应选取阻值较大一点的电阻，这里我们选 R2=8.1KΩ,R1 阻值范围为 0-30 KΩ。
3.2 温度检测
对水温信号的检测采用一线式数字温度传感器 DS1820， 它以 9 位数字量的形式反映器 件的温度值。通过使用连接到 VDD 引脚的外部电源来向 ds1820 供电，如图 5 所示，这种 方法的优点是在 I/O 线上不要求强的上拉，总线上主机不需向上连接便在温度变换期间使 线保持高电平。这就允许在变换时间内其它数据在单线上传送。
图5
温度传感器接线图
3.3 步进电机控制电路的设计
为了能调控水温，需要节流阀控制冷水的流量，由于商品化的电动阀价格太高，本方案 选用节流阀＋步进电机的组合控制。 步进电机，选用的二相四拍步进，步距角为 1.8°。同时，采用 BY-2HB03M 的驱动器 来驱动， 控制二相四拍步进电机的步进及正反转。 通过单片机控制步进电机即可控制节流阀， 达到控制淋浴水温的目的。步进电机控制电路连接图如图 6 所示。

3.4 光电隔离与辅助加热电路设计
下图 7 为太阳能热水器辅助加热电路设计，当室外光照不足（阴天，雨天）时，对水箱 的水提前加热是非常有必要的，而这一电路恰好能完成该功能。工作原理为:当 Core8051 的 P1.2 口输出高电平时，三极管 T1 导通，使得继电器线圈通电闭合，电阻丝 R1’-R4’发热， 从而完成加热任务。

3.5 继电器驱动电路
电路如图 8 所示，三极管 Q 为 NPN 驱动三极管，工作在开关状态；二极管 D 为继电器线 圈在由吸合变为断开时提供续流，以免产生高压，从而保护三极管 Q。
VCC 5V
+24v
电磁阀 继电器
R1 P1.0 120Ω C9013
-
图8 继电器驱动电路
因为硬件设计中要用到两个电磁阀， 淋浴时的放水电磁阀和向水箱上水的电磁阀， 故需要 两个继电器来控制。
4、控制器的软件设计
控制器软件设计采用模块化结构，包括主程序，键盘扫描子程序，显示子程序，步进电 机控制程序，液位比较子程序及温度计算子程序。 系统主程序主要完成水箱及喷头温度和水位的检测，温度的设置，水位不足报警，自动 上水及一些初始化功能。系统主程序流程图如图 8 所示。

5、测试结果
该控制器的设计主要采用 Actel 公司 Fusion 系列 60 万门的 AFS600 芯片， 通过嵌入 8051 内核来实现，充分利用该平台提供的资源，来完成本次设计任务。 该控制器与市面上的太阳能控制器比较，主要解决了两大主要问题： 1.水温的控制调节问题。该控制器采用精确度很高且跟随性很好的步进电机在很短的时 间内进行精确自动调节淋浴水温，保证设定水温与实际水温误差在 2℃，并且水温从低向设 定水温自动调节，杜绝因水温调节过高而发生烫伤事件。 2. 自动上水问题。该控制器能实现完成自动上水过程，当检测水位低于水位下限时， 先检测热水器是否处于使用状态， 若使用中则报警并提示上水再使用， 此过程中由于水位留 有余量，用户仍然可以继续完成淋浴；若没使用，则启动自动上水至设定的水位上限。 此外，由于增加了一个温度传感器用来检测淋浴水温，使得控制器更加智能化。
致谢
本次设计制作历时 5 个月，在本次设计的过程中，在对 Fusion 开发平台熟悉的过程中 得到广州周立功刘银华经理及武汉周立功陈光华工程师的细心帮助； 在对硬件搭建及软件编 程的过程中得到沈浩研究生的大力帮助； 在整个设计过程中得到了熊俊俏老师的鼎力相助和 悉心指导，在此一并表示深深地感谢!