摘 要： 太陽能熱水器已在日常生活中廣泛使用，但其有一個比較常見的缺陷，當(dāng)用戶間隔較長時間打開熱水閥時，總要先將輸水管內(nèi)滯留的涼水排出后才能使用熱水，既浪費水資源又不方便。而且在冬季，為防止管內(nèi)水結(jié)冰，室外管需要包裹大量保溫材料，經(jīng)濟投入很大。通過在輸水管道底端安裝溫度傳感器和壓力傳感器，使用壓力傳感器測量輸水管內(nèi)的水量，單片機根據(jù)測得的水量與設(shè)定閾值進(jìn)行比較，通過開關(guān)電磁閥來保證輸水管內(nèi)的水量始終保持恒定。用戶使用完畢后，單片機會關(guān)閉電磁閥，輸水管內(nèi)剩余的水將靠重力排空。此外，用戶還可以根據(jù)個人喜好設(shè)定水溫或用水量等個性化數(shù)據(jù)，從而更加人性化。
關(guān)鍵詞： 太陽能熱水器；排空管道；溫度傳感器；壓力傳感器；電磁閥
0 引言
太陽能熱水器較為常見的一個缺陷是，當(dāng)用戶間隔較長時間再次打開熱水閥時，總要先將輸水管內(nèi)滯留的涼水排出后才能使用熱水。這導(dǎo)致了水資源的極大浪費；嚴(yán)寒的冬季，水管內(nèi)的水易結(jié)冰導(dǎo)致管道凍裂，因此需要對輸水管包裹大量保溫材料或者采用電加熱的方式，造成了不必要的損耗。為此本文設(shè)計了太陽能熱水器排空管道節(jié)水裝置，其功能和原理如下：
?。?）在原有太陽能熱水器的基礎(chǔ)上，使用壓力傳感器和溫度傳感器測量輸水管道的水量和水溫，并用數(shù)碼管顯示。
（2）壓力傳感器測得輸水管內(nèi)的水量，然后單片機根據(jù)測得的水量與設(shè)定閾值比較，實時開關(guān)儲水器和輸水管連接的電磁閥，從而保證輸水管內(nèi)的水量始終保持恒定。當(dāng)用戶使用完畢后，單片機會關(guān)閉電磁閥，輸水管內(nèi)剩余的水將靠重力排空。這樣不僅可以控制水流速度達(dá)到節(jié)水目的，而且最大限度地避免了輸水管道出現(xiàn)剩余的水。
?。?）用戶可根據(jù)個人喜好設(shè)定個性化數(shù)據(jù)，如水溫、大致用水量等。系統(tǒng)將設(shè)定的數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)整后存儲在單片機內(nèi)部EEPROM中，使用時單片機自動讀取設(shè)定數(shù)據(jù)，控制執(zhí)行部件實現(xiàn)該設(shè)定方案，更為人性化。
系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
1 系統(tǒng)方案設(shè)計
該系統(tǒng)的研究目標(biāo)是通過傳感器對輸水管內(nèi)的水量和溫度進(jìn)行準(zhǔn)確、實時、可靠的檢測，并將測量到的數(shù)據(jù)經(jīng)過單片機處理后控制執(zhí)行機構(gòu)做出相應(yīng)動作，從而實現(xiàn)實時水溫監(jiān)測、本地用戶顯示、閾值自行設(shè)定、自動調(diào)節(jié)輸水量、排空輸水管內(nèi)的用水等功能。
本系統(tǒng)由5部分組成：傳感器信息的采集與分析處理、信息發(fā)送與接收、本地設(shè)置與顯示模塊、控制終端、執(zhí)行機構(gòu)。傳感器信息采集與處理模塊負(fù)責(zé)測量壓力、溫度等信息；信息的發(fā)送和接收通過無線模塊實現(xiàn)；本地設(shè)置與顯示由按鍵和數(shù)碼管組成，可以實時顯示溫度、水量等信息，并能通過按鍵由用戶自行設(shè)定參數(shù)；控制終端負(fù)責(zé)收集信號并使執(zhí)行機構(gòu)做出相應(yīng)動作；執(zhí)行機構(gòu)由繼電器和電磁閥組成，可以靈敏、精準(zhǔn)的動作。
總體硬件電路框圖如圖2所示。
1.1 主控芯片的選擇
本設(shè)計采用STC12C5A60S2作為主控芯片[1]，它具有功耗低、速度快、抗干擾性強、價格低廉、可靠性高等特點，特別適用于實時控制系統(tǒng)，現(xiàn)已成為各種自動控制系統(tǒng)理想的控制芯片。主控芯片原理圖如圖3所示。
1.2 溫度傳感器
本設(shè)計采用DS18B20溫度傳感器[2]。DS18B20溫度傳感器是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線器件，具有線路簡單、體積小的特點。而且在一根通信線上，可以掛載多個溫度傳感器，十分方便。DS18B20溫度傳感器測溫范圍為-55℃～＋125℃，并且在-10℃～＋85℃范圍內(nèi)精度為 ±0.5℃，完全滿足本設(shè)計的要求。其原理圖如圖4所示。
1.3 壓力傳感器
本設(shè)計采用cm5300系列壓力傳感器[3]。由于cm5300壓力傳感器輸出的信號較小，為mV級別，所以要經(jīng)過放大電路對傳感器輸出的微弱信號進(jìn)行放大。本設(shè)計采用差分放大電路對其放大。差分放大電路具有抑制零漂的作用，由兩片lm324構(gòu)成，可以確保傳感器在檢測范圍內(nèi)的信號靈敏度、穩(wěn)定性和線性。之后單片機內(nèi)置A/D模塊對電壓信號進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換。信號放大原理圖如圖5所示。
1.4 信息發(fā)送與接收模塊
無線發(fā)射接收模塊由PT2262、PT2272紅外解碼電路構(gòu)成[4]。傳感器信號由單片機分析后，觸發(fā)PT2262。PT2262觸發(fā)的數(shù)據(jù)口不同，PT2272接收到的數(shù)據(jù)便不同。據(jù)此可以實現(xiàn)單片機根據(jù)不同的信息，控制電磁閥門執(zhí)行不同的動作。
1.5 本地設(shè)置與顯示模塊
本地設(shè)置采用獨立按鍵輸入信息。共設(shè)置5個按鍵，分別為：“設(shè)置”、“+”、“-”、“確定”、“結(jié)束”。按“設(shè)置”鍵進(jìn)入設(shè)置模式，每位用戶都有對應(yīng)的序號，以實現(xiàn)個性化設(shè)置。在某用戶編號下可以設(shè)置輸水管內(nèi)保持恒定的水量值的大小，還可以設(shè)置水溫和總用水量?！?”、“-”鍵用來調(diào)整相應(yīng)參數(shù)值的大小?！按_定”鍵保存參數(shù)并退出設(shè)置模式?！敖Y(jié)束”鍵用在沒有設(shè)定總用水量的模式下，用戶使用完畢后，按下“結(jié)束”鍵，單片機控制徹底關(guān)閉電磁閥。設(shè)置信息儲存在單片機EEPROM中，使用時自動讀取設(shè)置信息。
顯示模塊采用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有亮度高、發(fā)光響應(yīng)時間短、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點。
1.6 執(zhí)行機構(gòu)
執(zhí)行機構(gòu)由繼電器和電磁閥[5]構(gòu)成。由于單片機控制電流不足以驅(qū)動電磁閥工作，因此在電路中通過電磁繼電器來控制電磁閥。主控芯片通過控制繼電器的通斷，直接控制驅(qū)動電路是否工作，進(jìn)而控制電磁閥的開關(guān)。電磁繼電器原理圖如圖6所示。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
在主控模塊，程序首先進(jìn)行各個模塊初始化配置，依次是：溫度傳感器初始化、壓力傳感器初始化、無線發(fā)射模塊初始化、按鍵初始化、數(shù)碼管顯示初始化，然后進(jìn)入主程序。在while（1）循環(huán)里面，循環(huán)執(zhí)行溫度傳感器采集溫度函數(shù)、壓力傳感器測量水壓函數(shù)、按鍵檢測設(shè)置閾值函數(shù)、數(shù)碼管顯示函數(shù)、無線模塊發(fā)射函數(shù)。
在接收模塊，程序首先進(jìn)行無線模塊初始化、電磁繼電器初始化，然后進(jìn)入while（1）循環(huán)，循環(huán)執(zhí)行無線模塊接收函數(shù)、繼電器動作函數(shù)。具體的程序流程圖如圖7所示。
3 結(jié)論
本文提出的太陽能熱水器排空管道節(jié)水裝置，不僅可以控制水流速度達(dá)到節(jié)水目的，而且最大限度地避免了輸水管道有水剩余。本設(shè)計解決了下次使用時必須先排掉管內(nèi)剩余的涼水才能使用熱水的問題，節(jié)約了水資源，同時避免了在一些寒冷地區(qū)暴露在外的輸水管因存水結(jié)冰脹裂的風(fēng)險。另外，用戶可根據(jù)個人喜好設(shè)定個性化數(shù)據(jù)，如水溫、大致用水量等，更為人性化。
本設(shè)計改進(jìn)了太陽能熱水器的功能，提高了太陽能熱水器的使用便捷性，使太陽能熱水器更加方便和人性化，可以提供更好的產(chǎn)品體驗。
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