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
1、系统功能与指标
1.1功能特点
具有目前产品的一般功能：
1)设置上限水位：设置水位上限，可选择50% ~99%之间（我们选取80%），并且在使用中，不得自动上水。
2)设置水箱水温：设置电加热的温度上限，可选择0°C~80°C（我们选取60°C），自动加热。
3)水位指示：LED五段显示。
4)水温指示：LCD液晶数字显示。
5) 自动上水：为防止空晒，当水位低于10%时，系统强制上水；当水位低于30%时，提示报警，若没有使用，启动自动上水，若使用，则报警提示先上水，再使用。
6)辅助加热：当出现阴雨天气，水温达不到要求，启动辅助电加热，电加热温度上限设置为60°C。
同时还具有新加功能：
1)智能模式：检测淋浴水温，自动调节凉水的流量，自动调节，使水温保持在设定温度的2°C范围内，并保持有足够的流量。
1.2技术指标
1)设置上限水位：设置水位上限，可选择50% ~99%之间（我们选取80%），并且在使用中，不得自动上水。
2)设置水箱水温：设置电加热的温度上限，可选择60°C，自动加热。 3)水位指示：分段显示（5段显示）。 4)水温指示：数字显示（精度为1度）。
5)自动上水：为防止空晒，当水位低于30%时，提示报警，若没有使用，启动自动上水。若使用，则报警提示先上水，再使用。
6)智能模式：检测淋浴水温，自动调节热水、凉水的流量，自动调节，使水温保持在设定温度的2°C范围内，并保持有足够的流量。
2、系统结构设计
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图1 太阳能热水器辅助控制系统结构图
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。
LCD1602模块Mini ISA接口D0D7D6D5D4D3D2D1DB0-DB7RSRWEPFP1.0PP1.1GAP1.2P1.3P2.3P2.4P2.5P2.6P2.7P0P2.0P2.1P2.2BUZZERCPUCore8051Fusion StartKitK2K3K4K5P1.4P1.5P1.6P1.7P3.0-P3.4LED模块LED1-LED5图2 FPGA内部Core8051引脚分配图放水电磁阀上水电磁阀加热继电器按键K1,K2,K3,K4,K5指示灯水位显示LED1-5蜂鸣器复位键K6光耦光耦光耦P1.0P1.1P1.2P1.3-P1.7P0口DB0-DB71602液晶显示器RSRWEPCore8051P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5步进CP-U/D-电机FREE驱动器步进电机P3.0-P3.4P3.5P3.6555T0P2.6+5V+5V1820+5V1820+5V喷头水温检测水箱温度检测K1:加温度键K2：减温度键K3：确认键K4：淋浴完成键K5：上水键K6:复位键液位检测装置P2.7图3 太阳能热水器控制系统的组成
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??S l式中：?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。
C1??Sbh?1? lH?hSbhC2???80??80b
lhC1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、Cmax?2.2uF
C2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。
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