0引言

太陽能熱水器在北方家庭中應用非常普遍，但是普通的家庭太陽能熱水器在節(jié)約電能的同時也存在一些缺點。因為一般的太陽能熱水器基本放置在樓房的屋頂，從樓頂到出水龍頭這一段距離較長，管道中存了大量水，北方的冬季空氣比較寒冷，管道中的水溫普遍較低。當人們用熱水時，通常要將管道中的水排掉，出水龍頭距離樓房頂部距離越遠，需要排掉的冷水就越多，這部分水在普通家庭中通常會浪費掉。

針對這一問題，我們設計出了冬季太陽能節(jié)水、蓄水控制系統(tǒng)，具有參數可以人工調節(jié)、到達合適溫度自動聲光報警、水充分利用等特點。安全可靠、成本低廉、節(jié)水效果顯著。非常適合普通家庭的太陽能熱水器，改造成本很低，具有很高的推廣價值。

1系統(tǒng)整體

組成本系統(tǒng)主要有單片機控制模塊、溫度測量模塊、電磁閥控制模塊、按鍵模塊、儲水箱、抽水泵等組成。當人們需要熱水時，按下啟動按鍵，單片機監(jiān)測管道中水的溫度，當水溫不超過設定溫度時，打開冷水電磁閥，冷水先通過電磁閥流到一水箱中存儲起來。當溫度超過設定溫度時，關閉冷水電磁閥，并同時發(fā)出聲光報警，提醒人們現在可以利用熱水進行洗漱。存儲在水箱中的冷水可以利用水泵重新送到太陽能熱水器中，也可以用來進行沖洗廁所等用途。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2系統(tǒng)主要電路組成

本系統(tǒng)以STC15F2K60S2芯片為控制核心，由溫濕度傳感器SHT10、電磁閥、水溫傳感器DS18B20和語音提示電路、數碼管顯示電路、按鍵電路等部分組成。系統(tǒng)電路組成框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)電路組成框圖

2.1主控制器

采用STC15F2K60S2單片機作為主控制芯片，這是一種低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，片內大容量2048字節(jié)SRAM，內部集成高可復位電路并可徹底省掉外部昂貴的復位電路，具有8K在系統(tǒng)可編程FLASH存儲器，32個可設置四種模式的外部雙向I/O口，運行速度快、價格便宜、性價比高。主控制器電路原理圖如圖3所示。

圖3 主控制器原理圖

2.2水溫檢測電路

水溫檢測采用常用的DS18B20數字溫度傳感器，外面帶有防水不銹鋼護套。DS18B20是一種單總線傳感器，其輸出為數字量，可以直接利用單片機將代表溫度的數字量讀到單片機中進行處理，不需要額外增加AD轉換器。其封裝形式為TO-92，體積比較小。為方便測量水溫，將DS18B20放入防水不銹鋼套中，并用膠加以密封，便于我們測量水溫。DS1B 20可以設置為12位的轉換精度，測量溫度的分辨率可以達到0.0625℃，測量精度為±0.5℃，滿足家庭測量水溫需要。DS18B20應用原理圖如圖4所示。

圖4 DS18B20應用原理圖

2.3數碼管顯示電路

數碼管顯示采用0.5英寸共陽極數碼管，顯示直觀，方便家庭中老年人查看。數碼管驅動采用了串入并出74HC595芯片驅動，動態(tài)掃描，節(jié)省了寶貴的I/O資源。74LS595的驅動能力大，可以直接驅動數碼管的顯示。數碼管顯示電路原理圖如圖5所示。

圖5 數碼管顯示電路原理圖

2.4電磁閥及抽水泵控制電路

當單片機電磁閥(或抽水泵)控制引腳輸出低電平時，三極管導通，繼電器動作，電磁閥(或抽水泵)打開;反之，三極管截止，繼電器不動作，電磁閥(或抽水泵)關閉。電磁閥(或抽水泵)控制電路原理圖如圖6所示。

圖6 電磁閥或抽水泵控制電路

2.5語音提示

電路系統(tǒng)利用語音芯片ISD1820實現語音提示功能。美國ISD公司推出一種單片8～20s單段語音錄放電路ISD1820，它采用CMOS技術，內含振蕩器、話筒前置放大、自動增益控制、防混淆濾波器、揚聲器驅動及FLASH陣列。其可以進行10s左右的語音錄放高質量自然的語音還原、外圍元件少、電路連接簡單、控制方便、成本低，可以通過單片機控制操作。當系統(tǒng)檢測到管道中水溫超過設定溫度時，在單片機的控制下，語音提示電路發(fā)出聲音提醒。語音提示電路原理圖如圖7所示。

圖7 語音提示電路原理圖

2.6按鍵電路

按鍵采用了獨立式按鍵，主要有水溫/環(huán)境溫度切換按鍵、啟動/停止鍵、溫度上升鍵、溫度下降鍵、水泵抽水鍵。按鍵功能直接，配合數碼管顯示，操作方便、直觀。對家庭中老年人來講，十分方便。按鍵電路原理圖如圖8所示。

圖8 按鍵電路原理圖

3控制系統(tǒng)軟件設計

在軟件設計中充分利用了IAP15F2K60S2單片機的優(yōu)勢，根據DS18B20、SHT10傳感器的特點，以及按鍵掃描、數碼管動態(tài)顯示的要求，利用時間觸發(fā)機制進行軟件設計。利用STC的單片機定時計數器0產生系統(tǒng)滴答時鐘，然后產生不同的時間片，系統(tǒng)在不同的時間片執(zhí)行不同的任務。系統(tǒng)分時調度程序框架如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)分時調度程序框架

4結束語

在調查家庭太陽能熱水器用戶應用需求和現在存在浪費水這個問題的基礎上，設計了一種基于單片機控制的節(jié)水控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)能夠實現冷水流向控制、管道溫度的實時顯示、環(huán)境溫濕度檢測、語音提示等功能，具有良好的人機界面。通過本系統(tǒng)在家庭中的試運行，表明其較好地解決了家庭太陽能熱水器冬季水浪費的困擾，經濟實用，足以滿足用戶的節(jié)水需求，給人們的日常生活提供了極大便利。