单片机在太阳能热水器辅助电加热温度控制器的应用与研究

沈阳师范大学软件学院 陈永健 王 晨

单片机在太阳能热水器辅助电加热温度控制器的应用与研究

沈阳师范大学软件学院 陈永健 王 晨

随着单片机技术的快速发展，已经在智能家居、工业控制、视频监控、电子安防等领域得到广泛普及和使用。太阳能热水器是单片机应用的一个重要方向，其可以利用单片机的可编程性、高可靠性、高效率性等提升热水器的自动控制水平。论文详细地分析了AT89C51单片机在太阳能热水器控制运行中的应用情况，重点设计了温度控制器的设计流程和实现内容，提升太阳能热水器温度控制的成效。

单片机；AT89C51；温度控制器；DS18B20

1.引言

太阳能热水器是清洁能源发展的重要产品，其具有绿色环保、使用简单等特点，已经在人们的工作、生活和学习中提供了大量的热水资源。它在运行中，辅助电加热温度控制器是最重要的一个部件，影响太阳能热水器使用的便捷性和寿命。辅助电加热温度控制器经过多年的研究，诞生了很多的设计方法，比如微程序控制技术、PLC技术、单片机技术等，单片机技术已经成为辅助电加热温度控制器设计的主流技术，能够利用数字电路精准控制温度，提升单片机温度控制的有效性，确保太阳能热水器正常运行。

2.单片机工作原理及过程

太阳能热水器的控制器主要功能是水位控制、温度控制、时间控制功能，能够设定热水器的水位和水温。比如当水温达到60℃时，自动停止加热；当水温低于25℃时，可以启动温度控制器加热，必要时还可以提升上水和停水。太阳能热水器控制器以AT89C51单片机为基础进行设计，AT89C51是一个集成了Flash闪存的8位CMOS微处理器，其闪存大小为4KB，拥有32个I/O输入输出接口，一个5向量的两级中断结构，拥有128B的随机访问存储器，可以实现全双工串行通信模式，单片机内部具有时钟电路和振荡器，并且支持节电工作模式，控制器不工作时CPU不需要运行，定时器、计数器、终端系统和串行通信接口继续工作。AT89C51单片机内部详细结构如图1所示。

图1　AT89C51单片机电路功能结构图

太阳能热水器自动控制以AT89C51为基础，其可以将单片机作为监测和控制中心，其主要包括六个关键组成功能，分别是水位检测及显示功能模块、主控芯片功能模块、报警和电磁阀控制功能模块、DS18B20 温度检测及显示功能模块、时钟控制功能模块、辅助电加热模块。太阳能热水器辅助电加热温度控制采用由DS18B20芯片进行实现，主控芯片可以协调各个功能实现温度整体控制，可以实现水温的数字化检测、显示和调整，通过电磁阀控制功能可以实现自动化上水，同时利用辅助加热功能实现自动化温度控制，如果水温过高还可以实现报警控制功能。

3.单片机在温度控制器中的应用

太阳能热水器辅助电加热温度控制采用了先进的单总线DS18B20芯片，其可以将检测到的温度信号进行变换处理，转换为脉冲信号之后，将其转换为水温高低相关的信号。DS18B20芯片是由美国DALLAS公司公司研发的一款温度传感器，其可以检测的温度范围为-55℃～+125℃，能够满足辅助电加热温度设置范围，并且对于当前太阳能采用的热敏电阻检测和设置精确度更高，并且检测出来的热水器辅助电加热温度可以直接使用数字化模式进行保存和显示，只要传感器发现单片机AT89C51发送的读取信号，就可以将温度信息从RAM中读取数值内容，将其通过接口发送至单片机。DS18B20芯片在太阳能辅助电加热温度控制过程中存在以下几个方面的优点：一是DS18B20芯片采用单总线架构模式，只需要一个引脚就可以实现AT89C51单片机和DS18B20芯片之间的数据通信传输；DS18B20芯片拥有一个独一无二的序列号，因此可以精确的识别DS18B20芯片，能够将多个DS18B20芯片并联到一条总线上；DS18B20芯片的分辨率是可以自由调整的；温度控制覆盖范围大，从-55℃～+125℃，波动范围达到了180℃。DS18B20芯片如图2所示。

图2　DS18B20芯片内部结构图

具体的设计过程中，DS18B20芯片的DQ端可以与AT89C51单片机的P3.7接口进行连接和通信，可以采用数字化设置方式将温度信息存储在AT89C51单片机的RAM中，并且可以通过DQ引脚直接读取单片机RAM中保存的温度值信息。另外温度读取转换可以显示在LED数码管上，LED数码电子显示管上的段选信号可以接收AT89C51单片机P0接口输出的数据信息，并且可以使用AT89C51单片机的P2.6引脚和P2.7引脚输出一个位选信号。具体的，DS18B20芯片实现的温度控制模块主要由芯片初始化功能、ROM命令搜索功能、检测芯片是否存在、温度传感器检测、温度控制设置、温度LED显示等几个关键步骤。

4.结束语

太阳能热水器是清洁能源发展和应用的重要方向，热水器的辅助电加热温度控制对用户使用、寿命延长具有较大的影响。太阳能热水器辅助电加热温度控制采用单片机和传感器集成模式，可利用现代化数字电子设计技术实现温度精确控制，具有直接快速、操作方便、使用灵活的特点，并且不再使用模数转换，减少了温度信息传输的环节，也降低了辅助电加热温度数据出错的的概率，保证太阳能热水器安全可靠运行。

［1］杨然，李宇.基于RS-485通信和单片机的太阳能光伏组件温度采集监测系统［J］.数字技术与应用，2012，21（2）：50-51.

指导老师：王晨。