CN2423604Y - 太阳能热水器辅助电加热控制器 - Google Patents

Abstract

太阳能热水器辅助电加热控制器是一种具有模糊控制定时自动开机功能的装置,该控制器的水温、水位测量电路、键盘及按键开关电路的输出端与单片机的输入端相接,单片机的输出端分别与显示电路、水温、水位控制电路的输入端相接,存贮电路与单片机的“P3.2、P3.3”口相接。

Description

太阳能热水器辅助电加热控制器

本实用新型属于水的电加热控制装置，涉及一种具有模糊控制定时自动开机功能的太阳能辅助电加热控制器。

太阳能热水器辅助电加热方法，可以满足在无光照阴雨天或寒冷冬季条件下正常使用的要求。现有的太阳能热水器辅助电加热控制器，它们或是由集成运放、555电路组成，结构复杂，功能简单(太阳能热水器多功能控制器，中国实用新型专利，申请号：96243032)；或是市场上近来出现的由内藏A/D的PIC单片机组成，成本较高，操作复杂，没有注意应用单片机自身强大的功能满足使用者的多种要求，例如保证使用者在预定时间有合适温度与足够容量热水使用等。

本实用新型的目的是提供一种结构简单、性能可靠，可以实现水温水位的预置、测量、显示、控制等多种功能，采用模糊控制定时自动开机，并以低成本代价实现的太阳能热水器辅助电加热控制器。

本实用新型的太阳能热水器辅助电加热控制器由信号采集部分和信号处理部分及驱动部分构成，该控制器的水温、水位测量电路、键盘及按键开关电路的输出端与单片机的输入端相接，单片机的输出端分别与显示电路、水温、水位控制电路的输入端相接，存贮电路与单片机的“P3.2、P3.3”口相接。水温、水位测量电路的输出端“P1.0、P1.1、P1.2”端相接，单片机的输出端“P1.4、P1.5、P1.6”与水温、水位控制电路的输入端“P1.4、P1.5、P1.6”相连接。键盘及按键开关电路中按键开关K1～K4通过编码器IC3与单片机IC1的“P3.4、P3.5”端相接，按键开关K5直接与单片机IC1的“P3.7”端相接。水温、水位测量电路中水温测量的输出端即放大器的输出端接电子开关的“X1”端，水位测量的输出端即放大器的输出端接电子开关的“X0”端，电子开关的输出端“X”与A/D转换电路的脚“2”相接，电子开关的水位、水位切换控制端(A)与单片机的“P1.3”端相接。水温、水位控制电路中的水温、水位控制信号的输入端即晶体管BG201、BG202的基极与单片机的“P1.5、P1.6”端相接，晶体管BG201的集电极驱动电磁水阀，晶体管BG202的集电极同时接驱动继电器(ZD201、ZD202)进而驱动电加热器，报警电路的信号输入端即晶体管BG203的基极与单片机的“P1.4”端相接。

本实用新型的优点在于用AT89C2051单片机和廉价8位串行A/DTLC549作为该控制器的主要部件，组成低成本测量控制系统，其测量和控制的对象是太阳能热水器的水温和水位，根据测量值与设定值比较的结果，控制水温、水位。该控制器的模糊控制定时自动开机功能具有初步智能控制的特征，它可以根据预先设定的用水时间、需要的水温以及当前的水温水位，经判决逻辑得到的是否需要投入辅助电加热器以及投入辅助电加热器的最佳时间，并按照判决结果自动运行。因此本实用新型具有结构简单、性能可靠、可以实现水温、水位的预置、测量、显示、控制等多种功能，同时还采用模糊控制定时自动开机，且制造成本低。

图1是本实用新型的总体结构框图。其中有水温、水位测量电路1、单片机2、存贮电路3、键盘及按键开关电路4、显示电路5、水温、水位控制电路6。

图2是本实用新型单片机2、存贮电路3、键盘及按键开关电路4、显示电路5的电原理图。

图3是本实用新型水温、水位测量电路1的电原理图。

图4是本实用新型水温、水位控制电路6的电原理图。

本实用新型的实施方案如下：

水温、水位测量电路1主要由运算放大器IC12、电子开关IC13、A/D转换器IC11、门电路IC301-306组成，其中放大器IC12采用的型号为“TLC272”，电子开关IC13采用的型号为“4051”，A/D转换器IC1，采用的型号为“TLC549”。

单片机2采用的型号为“AT89C2051”，显示电路IC4～IC9采用的型号为“74LS164”，编码器IC3采用的型号为“74LS148”，存贮电路IC2采用的型号为“24C02”。

水温、水位控制电路6主要包括晶体管BG201～203、继电器ZD201、2D202、插座Z200、Z202。

主机采用AT89C2051单片机并作为本控制器的核心，它的串行口TXD与RXD工作在方式0下，经6只74LS165串并转换集成电路，实现对四位数码管和十只发光二极管显示驱动。图中有3只未画出的74LS164(IC5-IC7)，其电路接法与IC4相同，用来驱动LED1-LED3数码管；另一只未画出74LS164(IC8)，其电路接法与IC9相同，用来驱动除L0-L7外的另外二只发光二极管L8-L0。K1-K5分别用作“水位设定”、“水温设定”、“进水”、“加热”和“用水”键，K1-K4通过编码器74LS148接于AT89C2051的P3.4、P3.5，K5接于AT89C2051的P3.6。采用24C02串行E2PROM作为参数存储器，用来保存所设置的参数在控制器掉电后不至丢失并可重复使用，24C02是I2C总线器件，它的串行数据线SDA、串行时钟线SCL分别接AT89C2051的P3.2、P3.3。

通过“水位设定”键配合水位显示器，可以键入水位预置值，每按一次“水位设定”键在当前水位值基础上加1，步长为20升并以1→2→3→4→5→1循环。水位预置的缺省初值为2，即40升水位，水位预置范围是20升-100升。通过“水温设定”键配合温度显示数码管，可以键入水温预置值，每按一次“水温设定”键在当前水温值基础上加1，以20→21→…→79→80→20循环。水温预置的缺省初值为50℃，水温预置范围是20-80℃，步长为1℃。当同时按下“水位设定”键时，进入实时时间预置功能，预置完成退出时，该控制器作为电子钟使用；如再次按下“水温设定”键时，则进入定时开自动开机功能的参数预置，用来设定未来用水时间和需要的水温，预置完成退出后，该控制器自动推算出能够满足以上要求的开始工作时间，并启动定时器工作。

按“进水”键仅实施进水控制并不加热。按“加热”键，先检测是否低于最低水位，如低于最低水位则控制进水至最低水位以上再接通电热元件加热；如高于最低水位，则仅按照设定值加热直到满足要求，并且关闭水位控制。在此加热过程中不允许热水器向外供水。按“用水”键后，允许热水器向外供水，同时自动关闭进水和加热功能，仅测量与显示水温、水位，即使水温、水位低于设定值也不加热和进水，但是当测量到低于最低水位时发出报警，提醒用户。第二次按“用水”键后，允许热水器向外供水，同时水温、水位按设定值进行全自动控制，即开启自动进水和自动加热功能。

水温、水位测量电路1，它主要通过TI公司的8位TLC549A/D转换器在AT89C2051单片机控制下实现。TLC549采用三线串行方式与单片机接口，它的I/O CLOCK端、DATA OUT端和/CS端分别接AT89C2051的P1.0、P1.1和P1.2。电路中正基准电压REF+接+5V，负基准电压REF-接地，因此测量范围是0V-5V，对应输出数字量是0-255。

水温测量。采用热敏电阻R_t作为水温传感器，在测量电路中R34用来调整工作电流，R32用于热敏电阻非线性补偿。热敏电阻Rt具有负温度系数，调整R32、R34的值，使得温度测量范围在0-100℃时，经1/2TLC272运放放大后的R_t两端电压为4.6V-1.2V。经调整后该电路-在0-10℃、11-30℃、31-70℃、71-100℃有良好的线性，在这四个温度段，根据实验值与温度值的关系制成固定表格存放在AT89C2051中，测温时通过查表可以得到较为准确的温度修正值，测温误差在±1.5-2.0℃之间，满足实际需要。

水位测量。本控制器在太阳能热水器的贮水箱中设计了五档水位，由电路中J301-J306 6个金属水位触点及其后的电阻网络R301-R312与1/2TLC272运放组成加法器检测，运放的输出电压与金属水位触点浸在水中个数成正比，对应0-5六个水位刻度，其中0刻度是最低报警水位，运放的输出电压分别是：0.58V，1.15V，1.70V，2.24V，2.76V，3.26V。因此可以通过TLC549转换得到的对应数字量直接判断实际水位。图4中用P1.3控制电子开关4051切换水位和水温测量。

水温水位控制电路6，单片机AT89C2051的P1.6和P1.5经BG201和BG202驱动后分别控制三只继电器进而控制电加热元件和电磁阀，电路中通过插座Z200接入电磁阀，通过插座KC200接入电加热元件，这里使用两只继电器ZD201和ZD202分别接通AC220V的火线和零线。AT89C2051的P1.4经BG203驱动蜂鸣器SP1实现报警。BG201和BG202均采用中功率晶体管3DK4，BG203采用小功率晶体管9013。

应用软件由MCS-51汇编语言写成，有主程序，水位设定程序，水温设定程序，进水控制程序，加热控制程序，用水控制程序，自检程序等程序模块以及初始化、读键值、A/D转换、送显示、温度测试、水位测试、温度值→温度显示代码转换、水位值→水位显示代码转换等子程序。在主程序中一旦同时按下“水位设定”、“水温设定”键，进入定时自动开机和电子钟功能，在参数设置后或作为电子钟使用，或者等待定时自动开机，程序设计成关断电源退出电子钟功能；定时开机功能可以正常退出或关断电源后退出。在进水控制和加热控制程序中，设计成按键一次进入，再按一次退出的工作模式。用水控制1程序设计为在用水时，自动关闭进水和加热功能，仅测量与显示水温、水位；而用水控制2程序设计成在用水时水温、水位按设定值进行全自动控制。

Claims (5)

1．一种太阳能热水器辅助电加热控制器，由信号采集部分、信号处理部及驱动部分所组成，其特征在于该控制器的水温、水位测量电路(1)、键盘及按键开关电路(4)的输出端与单片机(2)的输入端相接，单片机(2)的输出端分别与显示电路(5)、水温、水位控制电路(6)的输入端相接，存贮电路(3)与单片机(2)的“P3.2、P3.3”口相接。

2．根据权利要求1所述的太阳能热水器辅助电加热控制器，其特征在于水温、水位测量电路(1)的输出端“P1.0、P1.1、P1.2”端相接，单片机(2)的输出端“P1.4、P1.5、P1.6”与水温、水位控制电路(6)的输入端“P1.4、P1.5、P1.6”相连接。

3．根据权利要求1或2所述的太阳能热水器辅助电加热控制器，其特征在于键盘及按键开关电路(4)中按键开关K1～K4通过编码器IC3与单片机IC1的“P3.4、P3.5”端相接，按键开关K5直接与单片机IC1的“P3.7”端相接。

4．根据权利要求1或2所述的太阳能热水器辅助电加热控制器，其特征在于水温、水位测量电路(1)中水温测量的输出端即放大器(IC12)的输出端接电子开关(IC13)的“X1”端，水位测量的输出端即放大器(IC12-2)的输出端接电子开关(IC13)的“X0”端，电子开关(IC13)的输出端“X”与A/D转换电路(IC11)的脚“2”相接，电子开关(IC13)的水位、水位切换控制端(A)与单片机(2)的“P1.3”端相接。

5．根据权利要求1或2所述的太阳能热水器辅助电加热控制器，其特征在于水温、水位控制电路(6)中的水温、水位控制信号的输入端即晶体管BG201、BG202的基极与单片机(2)的“P1.5、P1.6”端相接，晶体管BG201的集电极驱动电磁水阀，晶体管BG202的集电极同时接驱动继电器(ZD201、ZD202)进而驱动电加热器，报警电路的信号输入端即晶体管BG203的基极与单片机(2)的“P1.4”端相接。

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