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【摘 要】主要介绍了太阳能热水器的检测控制系统的硬件设计和软件设计。将低价位的单片机引入太阳能热水器中，以AT89C52 为核心， 实时采集温度和水位数据， 并设置报警系统，具备水温水位及时间的显示功能，实现了太阳能热水器的水温水位的检测与控制，在生产生活中将起到很大的作用。
【关键词】AT89C52单片机；温度检测与控制；水位检测与控制；LED显示
在全球提倡绿色环保并采用新型能源的今天，太阳能热水器得到了广泛的应用，因为其节省能源，没有污染，并且使用方便。在太阳能热水器的整个系统中，起到至关重要的作用的中心环节就是检测控制系统。控制器不仅实现了对水温，水位的检测与控制，而且也实现了对时间，日期的控制及显示。但目前市场上太阳能热水器的控制系统大部分都存在功能单一、操作复杂、控制不方便等或多或少的缺点。随着科学技术的发展，人们生活水平的提高，对太阳能控制系统也就提出了更高的要求，所以开发一种控制方便，操作灵活的太阳能热水器的控制系统是当务之急。
1.控制器系统的总体设计
1.1系统的总体要求
本控制器有主从两个系统，主控系统以AT89C52单片机为核心控制整个系统，选用合适传感器及接口，键盘，显示电路，实现太阳能热水器的温度，压力，时间检测与控制；从控系统是辅助加热系统，在阴天下雨等阳光不充足的情况下，从控系统对水进行加热，以达到24小时都能够供应热水的目的。所以本设计既充分利用太阳能的丰富的免费的资源，又能在阴天及夜间无法利用太阳能的时对蓄水箱加热。
1.2系统的组成
太阳能热水器的控制器主要由主控制器（即单片机），温度检测单元，水位检测单元以及辅助加热单元组成。各个单元发挥各自不同的作用及功能。外接显示器以及按键作为人机交流介质。
太阳能热水器控制器结构如图1所示。
图1 太阳能热水器控制器的结构图
2.系统的硬件设计
2.1温度检测电路设计
为了实现对水箱内水温的实时检测，蓄水箱温度检测电路采用DS18B20传感器，它的精度高、互换性好，只使用一根电缆远距离传输温度数据，抗干扰性好。通过测量输出脉冲频率的大小来换算成水温信号，再将温度信号转换成脉冲电信号，将温度数据进行编码送到AT89C52的I/O 口（编程为计数器工作模式）P1.3口，单片机通过读取该线数据，经处理后送LCD12864显示，温度检测电路如图2所示。 图2 温度检测电路
2.2水位检测电路
水位检测电路利用了水具有导电的性质。
在此设计中有四个水位段，分别是低水位、中水位、高水位和超高水位，水位由潜入太阳能热水器的储水箱不同深度的水位电极和潜入储水箱底部的公共电极（导线）进行检测，共5个电极。每检测到水位到达的电极，电路便得到一位数据，待检测一遍以后便得到了5个串行数据，然后把这5个数据转化为字节一路送发光二极管，我们可以用发光二极管亮的盏数来显示水位的高低。
2.3控制器时钟接口电路设计
采用美国DALLAS半导体公司最新推出的时钟芯片DS12887，为单片机中断线IN TO提供中断信号的是P3.2。SQW端口输出频率为2Hz方波，经二分频后，驱动显示时钟秒闪烁的两个LED发光二极管。时钟接口电路如图3所示。
图 3 时钟接口电路
2.4显示接口电路的设计
为了实现对水温水位以及时间的形象显示，本设计采用FYD12864-0402B液晶显示模块。该模块为128 64点阵显示，不仅能显示汉字，而且可以显示图像，可以使实用者的操作更为简单，清晰。
采用的AT89S52和液晶12864LCD模块的接口电路如图4所示。由于12864采用串口通信，其特点是占用单片机口线少，电路简单、直观、操作方便。
图4 显示接口电路
2.5单片机复位电路的设计
2.5.1上电复位电路
设计中用的是上电复位，是指单片机只要一上电，便自动的进入复位状态，当采用的晶体频率为12MHZ时，可采取C=10uF，R=8.2KΩ。
2.5.2晶振电路
单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部震荡方式。本设计采用内部震荡方式。XTAL1为内部时钟工作电路的输入，XTAL2为来自反向振荡器的输出，在这两个引脚端外接石英晶体振荡器，形成自激振荡电路，并产生震荡时钟脉冲。
上电复位电路和晶振电路如图5所示。
图5 上电复位电路和晶振电路
2.6光电隔离与辅助加热电路设计
在阳光充足时，热水器能够正常加热工作，但是在阴雨天，由于阳光不足，水温有时会达不到所需的设定温度。因此本设计给出了一套从系统，即辅助加热系统，在光线不足的时候，可以启动次从系统对水箱中的水进行加热，以实现热水的连续供应。
光耦合器选用型号6N137，续流二极管选用型号IN4007，继电器选用型号HLR1000-240DT1H2Q。
当单片机AT89C51的P3.3口输出高电平时，三极管V1导通，致使发光二极管发光，同时光敏三极管导通，继电器闭合，电阻丝R10～R14发热，这样就完成了加热任务，此电路虽然简单，但在太阳能热水器中是必不可少的，光电隔离与辅助加热电路如图6所示。
图6 光电隔离与辅助加热电路
3.系统的软件设计
控制系统的软件是服务于硬件的，系统将实时采集到的数据与相应的设定值进行比较、判断，结果是控制循环水泵或上水电磁阀的工作，实现各种智能控制。同时，软件还要兼顾到操作人员方便地选择工作方式、设置和修改各种设定值，因为人们可以根据天气情况及用户的需要选择定时加热状态、自动加热状态。软件还要设定以太阳能为优先使用的能源，只有在太阳能没有将水温加热到用户要求的温度下，才启动辅助能源进行加热。 整个系统的控制程序采用MCS-51汇编语言编写，软件系统由主程序和子程序组成。 图7 系统主程序流程图
子程序要实现各种功能，包括：初始化子程序、装载设定值子程序、加热子程序、定时中断服务子程序、温差跟踪循环子程序、手动检测子程序、显示子程序、键处理子程序、水位检测子程序、报警子程序等。
主程序主要实现对系统加热、设定值、手动检测三种工作方式的选择，主程序流程图如图7所示。
3.1温度和时间设定设计
设定值主要是完成温度和时间设定。
对于对温度的设定，每次开机系统都要从DS1288读取设定值，如果系统没有设定值，系统就默认为前次关机时的设定值，所以无需每次开机都要从头设定。对时间的设定，一般采用模糊控制的思路，对水位、温差与加热时间长短对应分出几档，加热前对检测水位及温差，就可对照相应档的加热时间，这样就可以计算出提前加热的时间，实现系统的预定功能。
3.2水位检测子程序设计
系统采用分段式水位检测，共四段水位，当水位低于设定最小值时，系统自动上水补给。当到达设定水位最大值时，给水停止。从而时间循环不间断供水。
3.3键盘扫描子程序设计
系统采用独立式键盘。通过判断那个键按下，从而转到相应的程序进行处理。实现功能设置以及设定时间，水温及水位功能。功能按键按一次为水温设计模式。两次为水位设置模式，三次进入时间调节模式。
3.4显示子程序设计
为了形象的显示出当前的时间水温及水位，本系统采用LCD12864点阵液晶显示模块作为显示部分。此液晶显示模块是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块。可显示汉字及图形。
4.结束语
本系统的设计基于节能减排的目的，具有控制与显示精度高、可靠性好，按键较少、易于控制的特点，而且价格低廉，容易让广大用户接受。
【参考文献】
[1]杨丽君.AT89C51单片机控制的多路温度检测系统.自动化与仪表，2000（3）：66-68.
[2]刘福才，朴春俊，刘丰.基于DS12887的太阳能热水器只能控制的设计[J].自动化与仪表，2000（4）：15-17.
[3]王彤.太阳能热水器自动温度控制器设[J].仪器仪表用户，2004，05：38-39.
[4]李全利.单片机原理及接口技术[M].北京：高等教育出版社，2007.
[5]王俊杰.基于AT89C51单片机的太阳能热水器智能控制器的设计[J].郑州轻工业学院学报（自然科学版），2005（3）：67-68.
【关键词】AT89C52单片机；温度检测与控制；水位检测与控制；LED显示
在全球提倡绿色环保并采用新型能源的今天，太阳能热水器得到了广泛的应用，因为其节省能源，没有污染，并且使用方便。在太阳能热水器的整个系统中，起到至关重要的作用的中心环节就是检测控制系统。控制器不仅实现了对水温，水位的检测与控制，而且也实现了对时间，日期的控制及显示。但目前市场上太阳能热水器的控制系统大部分都存在功能单一、操作复杂、控制不方便等或多或少的缺点。随着科学技术的发展，人们生活水平的提高，对太阳能控制系统也就提出了更高的要求，所以开发一种控制方便，操作灵活的太阳能热水器的控制系统是当务之急。
1.控制器系统的总体设计
1.1系统的总体要求
本控制器有主从两个系统，主控系统以AT89C52单片机为核心控制整个系统，选用合适传感器及接口，键盘，显示电路，实现太阳能热水器的温度，压力，时间检测与控制；从控系统是辅助加热系统，在阴天下雨等阳光不充足的情况下，从控系统对水进行加热，以达到24小时都能够供应热水的目的。所以本设计既充分利用太阳能的丰富的免费的资源，又能在阴天及夜间无法利用太阳能的时对蓄水箱加热。
1.2系统的组成
太阳能热水器的控制器主要由主控制器（即单片机），温度检测单元，水位检测单元以及辅助加热单元组成。各个单元发挥各自不同的作用及功能。外接显示器以及按键作为人机交流介质。
太阳能热水器控制器结构如图1所示。
图1 太阳能热水器控制器的结构图
2.系统的硬件设计
2.1温度检测电路设计
为了实现对水箱内水温的实时检测，蓄水箱温度检测电路采用DS18B20传感器，它的精度高、互换性好，只使用一根电缆远距离传输温度数据，抗干扰性好。通过测量输出脉冲频率的大小来换算成水温信号，再将温度信号转换成脉冲电信号，将温度数据进行编码送到AT89C52的I/O 口（编程为计数器工作模式）P1.3口，单片机通过读取该线数据，经处理后送LCD12864显示，温度检测电路如图2所示。 图2 温度检测电路
2.2水位检测电路
水位检测电路利用了水具有导电的性质。
在此设计中有四个水位段，分别是低水位、中水位、高水位和超高水位，水位由潜入太阳能热水器的储水箱不同深度的水位电极和潜入储水箱底部的公共电极（导线）进行检测，共5个电极。每检测到水位到达的电极，电路便得到一位数据，待检测一遍以后便得到了5个串行数据，然后把这5个数据转化为字节一路送发光二极管，我们可以用发光二极管亮的盏数来显示水位的高低。
2.3控制器时钟接口电路设计
采用美国DALLAS半导体公司最新推出的时钟芯片DS12887，为单片机中断线IN TO提供中断信号的是P3.2。SQW端口输出频率为2Hz方波，经二分频后，驱动显示时钟秒闪烁的两个LED发光二极管。时钟接口电路如图3所示。
图 3 时钟接口电路
2.4显示接口电路的设计
为了实现对水温水位以及时间的形象显示，本设计采用FYD12864-0402B液晶显示模块。该模块为128 64点阵显示，不仅能显示汉字，而且可以显示图像，可以使实用者的操作更为简单，清晰。
采用的AT89S52和液晶12864LCD模块的接口电路如图4所示。由于12864采用串口通信，其特点是占用单片机口线少，电路简单、直观、操作方便。
图4 显示接口电路
2.5单片机复位电路的设计
2.5.1上电复位电路
设计中用的是上电复位，是指单片机只要一上电，便自动的进入复位状态，当采用的晶体频率为12MHZ时，可采取C=10uF，R=8.2KΩ。
2.5.2晶振电路
单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部震荡方式。本设计采用内部震荡方式。XTAL1为内部时钟工作电路的输入，XTAL2为来自反向振荡器的输出，在这两个引脚端外接石英晶体振荡器，形成自激振荡电路，并产生震荡时钟脉冲。
上电复位电路和晶振电路如图5所示。
图5 上电复位电路和晶振电路
2.6光电隔离与辅助加热电路设计
在阳光充足时，热水器能够正常加热工作，但是在阴雨天，由于阳光不足，水温有时会达不到所需的设定温度。因此本设计给出了一套从系统，即辅助加热系统，在光线不足的时候，可以启动次从系统对水箱中的水进行加热，以实现热水的连续供应。
光耦合器选用型号6N137，续流二极管选用型号IN4007，继电器选用型号HLR1000-240DT1H2Q。
当单片机AT89C51的P3.3口输出高电平时，三极管V1导通，致使发光二极管发光，同时光敏三极管导通，继电器闭合，电阻丝R10～R14发热，这样就完成了加热任务，此电路虽然简单，但在太阳能热水器中是必不可少的，光电隔离与辅助加热电路如图6所示。
图6 光电隔离与辅助加热电路
3.系统的软件设计
控制系统的软件是服务于硬件的，系统将实时采集到的数据与相应的设定值进行比较、判断，结果是控制循环水泵或上水电磁阀的工作，实现各种智能控制。同时，软件还要兼顾到操作人员方便地选择工作方式、设置和修改各种设定值，因为人们可以根据天气情况及用户的需要选择定时加热状态、自动加热状态。软件还要设定以太阳能为优先使用的能源，只有在太阳能没有将水温加热到用户要求的温度下，才启动辅助能源进行加热。 整个系统的控制程序采用MCS-51汇编语言编写，软件系统由主程序和子程序组成。 图7 系统主程序流程图
子程序要实现各种功能，包括：初始化子程序、装载设定值子程序、加热子程序、定时中断服务子程序、温差跟踪循环子程序、手动检测子程序、显示子程序、键处理子程序、水位检测子程序、报警子程序等。
主程序主要实现对系统加热、设定值、手动检测三种工作方式的选择，主程序流程图如图7所示。
3.1温度和时间设定设计
设定值主要是完成温度和时间设定。
对于对温度的设定，每次开机系统都要从DS1288读取设定值，如果系统没有设定值，系统就默认为前次关机时的设定值，所以无需每次开机都要从头设定。对时间的设定，一般采用模糊控制的思路，对水位、温差与加热时间长短对应分出几档，加热前对检测水位及温差，就可对照相应档的加热时间，这样就可以计算出提前加热的时间，实现系统的预定功能。
3.2水位检测子程序设计
系统采用分段式水位检测，共四段水位，当水位低于设定最小值时，系统自动上水补给。当到达设定水位最大值时，给水停止。从而时间循环不间断供水。
3.3键盘扫描子程序设计
系统采用独立式键盘。通过判断那个键按下，从而转到相应的程序进行处理。实现功能设置以及设定时间，水温及水位功能。功能按键按一次为水温设计模式。两次为水位设置模式，三次进入时间调节模式。
3.4显示子程序设计
为了形象的显示出当前的时间水温及水位，本系统采用LCD12864点阵液晶显示模块作为显示部分。此液晶显示模块是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块。可显示汉字及图形。
4.结束语
本系统的设计基于节能减排的目的，具有控制与显示精度高、可靠性好，按键较少、易于控制的特点，而且价格低廉，容易让广大用户接受。
【参考文献】
[1]杨丽君.AT89C51单片机控制的多路温度检测系统.自动化与仪表，2000（3）：66-68.
[2]刘福才，朴春俊，刘丰.基于DS12887的太阳能热水器只能控制的设计[J].自动化与仪表，2000（4）：15-17.
[3]王彤.太阳能热水器自动温度控制器设[J].仪器仪表用户，2004，05：38-39.
[4]李全利.单片机原理及接口技术[M].北京：高等教育出版社，2007.
[5]王俊杰.基于AT89C51单片机的太阳能热水器智能控制器的设计[J].郑州轻工业学院学报（自然科学版），2005（3）：67-68.