基于单片机的太阳能热水器智能节水装置
摘 要：太阳能热水器已在日常生活中广泛使用，但其有一个比较常见的缺陷，当用户间隔较长时间打开热水阀时，总要先将输水管内滞留的凉水排出后才能使用热水，既浪费水资源又不方便。而且在冬季，为防止管内水结冰，室外管需要包裹大量保温材料，经济投入很大。通过在输水管道底端安装温度传感器和压力传感器，使用压力传感器测量输水管内的水量，单片机根据测得的水量与设定阈值进行比较，通过开关电磁阀来保证输水管内的水量始终保持恒定。用户使用完毕后，单片机会关闭电磁阀，输水管内剩余的水将靠重力排空。此外，用户还可以根据个人喜好设定水温或用水量等个性化数据，从而更加人性化。
0 引言
太阳能热水器较为常见的一个缺陷是，当用户间隔较长时间再次打开热水阀时，总要先将输水管内滞留的凉水排出后才能使用热水。这导致了水资源的极大浪费；严寒的冬季，水管内的水易结冰导致管道冻裂，因此需要对输水管包裹大量保温材料或者采用电加热的方式，造成了不必要的损耗。为此本文设计了太阳能热水器排空管道节水装置，其功能和原理如下：
（1）在原有太阳能热水器的基础上，使用压力传感器和温度传感器测量输水管道的水量和水温，并用数码管显示。
（2）压力传感器测得输水管内的水量，然后单片机根据测得的水量与设定阈值比较，实时开关储水器和输水管连接的电磁阀，从而保证输水管内的水量始终保持恒定。当用户使用完毕后，单片机会关闭电磁阀，输水管内剩余的水将靠重力排空。这样不仅可以控制水流速度达到节水目的，而且最大限度地避免了输水管道出现剩余的水。
（3）用户可根据个人喜好设定个性化数据，如水温、大致用水量等。系统将设定的数据经过调整后存储在单片机内部EEPROM中，使用时单片机自动读取设定数据，控制执行部件实现该设定方案，更为人性化。
系统整体结构图如图1所示。
1 系统方案设计
该系统的研究目标是通过传感器对输水管内的水量和温度进行准确、实时、可靠的检测，并将测量到的数据经过单片机处理后控制执行机构做出相应动作，从而实现实时水温监测、本地用户显示、阈值自行设定、自动调节输水量、排空输水管内的用水等功能。
本系统由5部分组成：传感器信息的采集与分析处理、信息发送与接收、本地设置与显示模块、控制终端、执行机构。传感器信息采集与处理模块负责测量压力、温度等信息；信息的发送和接收通过无线模块实现；本地设置与显示由按键和数码管组成，可以实时显示温度、水量等信息，并能通过按键由用户自行设定参数；控制终端负责收集信号并使执行机构做出相应动作；执行机构由继电器和电磁阀组成，可以灵敏、精准的动作。
总体硬件电路框图如图2所示。
1.1 主控芯片的选择
本设计采用STC12C5A60S2作为主控芯片[1]，它具有功耗低、速度快、抗干扰性强、价格低廉、可靠性高等特点，特别适用于实时控制系统，现已成为各种自动控制系统理想的控制芯片。主控芯片原理图如图3所示。
1.2 温度传感器
本设计采用DS18B20温度传感器[2]。DS18B20温度传感器是DALLAS公司生产的单总线器件，具有线路简单、体积小的特点。而且在一根通信线上，可以挂载多个温度传感器，十分方便。DS18B20温度传感器测温范围为-55℃～＋125℃，并且在-10℃～＋85℃范围内精度为 ±0.5℃，完全满足本设计的要求。其原理图如图4所示。
1.3 压力传感器
本设计采用cm5300系列压力传感器[3]。由于cm5300压力传感器输出的信号较小，为mV级别，所以要经过放大电路对传感器输出的微弱信号进行放大。本设计采用差分放大电路对其放大。差分放大电路具有抑制零漂的作用，由两片lm324构成，可以确保传感器在检测范围内的信号灵敏度、稳定性和线性。之后单片机内置A/D模块对电压信号进行采集转换。信号放大原理图如图5所示。
1.4 信息发送与接收模块
无线发射接收模块由PT2262、PT2272红外解码电路构成[4]。传感器信号由单片机分析后，触发PT2262。PT2262触发的数据口不同，PT2272接收到的数据便不同。据此可以实现单片机根据不同的信息，控制电磁阀门执行不同的动作。
1.5 本地设置与显示模块
本地设置采用独立按键输入信息。共设置5个按键，分别为：“设置”、“+”、“-”、“确定”、“结束”。按“设置”键进入设置模式，每位用户都有对应的序号，以实现个性化设置。在某用户编号下可以设置输水管内保持恒定的水量值的大小，还可以设置水温和总用水量。“+”、“-”键用来调整相应参数值的大小。“确定”键保存参数并退出设置模式。“结束”键用在没有设定总用水量的模式下，用户使用完毕后，按下“结束”键，单片机控制彻底关闭电磁阀。设置信息储存在单片机EEPROM中，使用时自动读取设置信息。
显示模块采用数码管显示。数码管具有亮度高、发光响应时间短、体积小、重量轻、成本低等优点。
1.6 执行机构
执行机构由继电器和电磁阀[5]构成。由于单片机控制电流不足以驱动电磁阀工作，因此在电路中通过电磁继电器来控制电磁阀。主控芯片通过控制继电器的通断，直接控制驱动电路是否工作，进而控制电磁阀的开关。电磁继电器原理图如图6所示。
2 系统软件设计
在主控模块，程序首先进行各个模块初始化配置，依次是：温度传感器初始化、压力传感器初始化、无线发射模块初始化、按键初始化、数码管显示初始化，然后进入主程序。在while（1）循环里面，循环执行温度传感器采集温度函数、压力传感器测量水压函数、按键检测设置阈值函数、数码管显示函数、无线模块发射函数。
在接收模块，程序首先进行无线模块初始化、电磁继电器初始化，然后进入while（1）循环，循环执行无线模块接收函数、继电器动作函数。具体的程序流程图如图7所示。
3 结论
本文提出的太阳能热水器排空管道节水装置，不仅可以控制水流速度达到节水目的，而且最大限度地避免了输水管道有水剩余。本设计解决了下次使用时必须先排掉管内剩余的凉水才能使用热水的问题，节约了水资源，同时避免了在一些寒冷地区暴露在外的输水管因存水结冰胀裂的风险。另外，用户可根据个人喜好设定个性化数据，如水温、大致用水量等，更为人性化。
本设计改进了太阳能热水器的功能，提高了太阳能热水器的使用便捷性，使太阳能热水器更加方便和人性化，可以提供更好的产品体验。
参考文献
[1] 李华.MCS-51系列单片机实用接口技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，1993.
[2] 于克龙，毕小龙，邱立峻.数字温度传感器DS18B20的应用[J].机械制造与自动化，2004，33（2）：47-49.
[3] 陈平易.陶瓷压阻式压力传感器的研究及应用[D].西安：西安电子科技大学，2012.
[4] 郝迎吉，刘义刚，樊润丽.基于单片机实现遥控编码器PT2262的软件解码[J].国外电子元器件，2008（5）：36-39.
[5] 李颀，栾翔鹤.智能阀门控制器遥控装置的设计与开发[J].陕西科技大学学报（自然科学报），2009，27（3）：106-108，121.
