基于AFS600的太阳能热水器通用控制器设计

8051内核的P0口为液晶的数据口，P2．O～P2．2为液晶的使能控制端，P2．3～P2．5分别为3个电磁阀的控制端。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，通过控制节流阀的角度来调节水流量，从而来保证淋浴水温与用户设定水温相一致。 P1．O为数字温度传感器DSl8820的专用端，用于检测水箱温度并显示在液晶上；P1．1也是温度传感器专用端，用于检测淋浴水温。如果水箱温度不足(达到设置水温下限)，则控制继电器启动辅助加热装置；当水温达到加热温度上限时，则关闭辅助加热装置。水位用5段LED灯显示。若水位不足，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。
1．3 液位传感器的设计
由于目前常用的垂子式液位传感器易受水垢的影响，本文利用浸入水中的两个极板组成电容，电容值大小反映了水位的高低。其结构如图3(a)所示。

图3(a)中，H为铝板总高度，h为液位高度。设板间距为l，铝板的宽度为b。上下两部分的介质分别为空气和水，等效电容为C1和C2分别为：

式中：空气的介电常数ε空气为l，水的介电常数ε水为80。总电容C总为：

显然，电容的大小与水位的高度成正比。实际制作的电容传感器，测试电容值C为0．1～2．2μF。
本传感器采用定时器NE555设计了一款方波发生器，用于实现水位-电容值-频率的转换，输出的频率可反映水位的变化，取中心工作频率为1 kHz。具体电路如图3(b)所示。输出频率f为：

这里，R1、R2均取为1．43 kΩ。
当水位发生变化引起电容的变化，经多谐振荡器输出的方波频率f也随之发生变化，根据单片机的计数器T0捕捉到的时钟的个数，再经数据处理判断水位。
1．4 节流阀的控制
为了控制淋浴水温、调节流量，需要控制节流阀。本文采用节流阀和步进电机组成流量控制方案，通过控制步进电机的旋转来控制节流阀的开启角，从而控制流量。选用步进电机驱动器BY一2HB03M，控制二相四拍步进电机的步进及正反转。其驱动器接线如图4所示。

2 系统软件设计
根据系统要求，除了需要实时检测和显示水箱温度和水位外，还需要控制淋浴温度、上水阀、节流阀、辅助加热控制装置等，所有这些功能由AFS600内部嵌入8051内核完成。控制器软件设计采用模块化结构，除主程序外，还包括键盘与显示子程序、温度与液位采集子程序、以及淋浴水温控制子程序和上水控制子程序等。系统的主程序接收控制指令，调用子程序完成温度、水位检测等。下面重点介绍淋浴温度控制和上水控制子程序流程。
2．1 上水控制
热水器控制器具有智能化上水控制功能，可以起到保护热水器的作用。例如，水位较低时，淋浴时或高温日照下禁止自动上水；居家长时间无人时，需要考虑自动上水问题；水位传感器失灵时，防止上水溢出等。对此，系统预置最低水位和最高水位，并根据时间系统预置自动上水时段。程序中设有计时器，检测上水时的水位变化与上水时间关系，以此检测水位传感器失效问题，并可防止上水溢出问题。具体流程如图5所示。