0 引言

太陽能熱水器在北方家庭中應用非常普遍，但是普通的家庭太陽能熱水器在節(jié)約電能的同時也存在一些缺點。因為一般的太陽能熱水器基本放置在樓房的屋頂，從樓頂?shù)匠鏊堫^這一段距離較長，管道中存了大量水，北方的冬季空氣比較寒冷，管道中的水溫普遍較低。當人們用熱水時，通常要將管道中的水排掉，出水龍頭距離樓房頂部距離越遠，需要排掉的冷水就越多，這部分水在普通家庭中通常會浪費掉。

針對這一問題，我們設(shè)計出了冬季太陽能節(jié)水、蓄水控制系統(tǒng)，具有參數(shù)可以人工調(diào)節(jié)、到達合適溫度自動聲光報警、水充分利用等特點。安全可靠、成本低廉、節(jié)水效果顯著。非常適合普通家庭的太陽能熱水器，改造成本很低，具有很高的推廣價值。

1 系統(tǒng)整體組成

本系統(tǒng)主要有單片機控制模塊、溫度測量模塊、電磁閥控制模塊、按鍵模塊、儲水箱、抽水泵等組成。當人們需要熱水時，按下啟動按鍵，單片機監(jiān)測管道中水的溫度，當水溫不超過設(shè)定溫度時，打開冷水電磁閥，冷水先通過電磁閥流到一水箱中存儲起來。當溫度超過設(shè)定溫度時，關(guān)閉冷水電磁閥，并同時發(fā)出聲光報警，提醒人們現(xiàn)在可以利用熱水進行洗漱。存儲在水箱中的冷水可以利用水泵重新送到太陽能熱水器中，也可以用來進行沖洗廁所等用途。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)主要電路組成

本系統(tǒng)以STC15F2K60S2芯片為控制核心，由溫濕度傳感器SHT10、電磁閥、水溫傳感器DS18B20和語音提示電路、數(shù)碼管顯示電路、按鍵電路等部分組成。系統(tǒng)電路組成框圖如圖2所示。

2.1 主控制器

采用STC15F2K60S2單片機作為主控制芯片，這是一種低功耗、高性能的CMOS 8位微控制器，片內(nèi)大容量2048字節(jié)SRAM，內(nèi)部集成高可復位電路并可徹底省掉外部昂貴的復位電路，具有8K在系統(tǒng)可編程FLASH存儲器，32個可設(shè)置四種模式的外部雙向I/O口，運行速度快、價格便宜、性價比高。主控制器電路原理圖如圖3所示。

2.2 水溫檢測電路

水溫檢測采用常用的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，外面帶有防水不銹鋼護套。DS18B20是一種單總線傳感器，其輸出為數(shù)字量，可以直接利用單片機將代表溫度的數(shù)字量讀到單片機中進行處理，不需要額外增加AD轉(zhuǎn)換器。其封裝形式為TO-92，體積比較小。為方便測量水溫，將DS18B20放入防水不銹鋼套中，并用膠加以密封，便于我們測量水溫。DS1B 20可以設(shè)置為12位的轉(zhuǎn)換精度，測量溫度的分辨率可以達到0.0625℃，測量精度為±0.5℃，滿足家庭測量水溫需要。DS18B20應用原理圖如圖4所示。

2.3 數(shù)碼管顯示電路

數(shù)碼管顯示采用0.5英寸共陽極數(shù)碼管，顯示直觀，方便家庭中老年人查看。數(shù)碼管驅(qū)動采用了串入并出74HC595芯片驅(qū)動，動態(tài)掃描，節(jié)省了寶貴的I/O資源。74LS595的驅(qū)動能力大，可以直接驅(qū)動數(shù)碼管的顯示。數(shù)碼管顯示電路原理圖如圖5所示。

2.4 電磁閥及抽水泵控制電路

當單片機電磁閥(或抽水泵)控制引腳輸出低電平時，三極管導通，繼電器動作，電磁閥(或抽水泵)打開;反之，三極管截止，繼電器不動作，電磁閥(或抽水泵)關(guān)閉。電磁閥(或抽水泵)控制電路原理圖如圖6所示。

2.5 語音提示電路

系統(tǒng)利用語音芯片ISD1820實現(xiàn)語音提示功能。美國ISD公司推出一種單片8～20s單段語音錄放電路ISD1820，它采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含振蕩器、話筒前置放大、自動增益控制、防混淆濾波器、揚聲器驅(qū)動及FLASH陣列。其可以進行10s左右的語音錄放高質(zhì)量自然的語音還原、外圍元件少、電路連接簡單、控制方便、成本低，可以通過單片機控制操作。當系統(tǒng)檢測到管道中水溫超過設(shè)定溫度時，在單片機的控制下，語音提示電路發(fā)出聲音提醒。語音提示電路原理圖如圖7所示。

2.6 按鍵電路

按鍵采用了獨立式按鍵，主要有水溫/環(huán)境溫度切換按鍵、啟動/停止鍵、溫度上升鍵、溫度下降鍵、水泵抽水鍵。按鍵功能直接，配合數(shù)碼管顯示，操作方便、直觀。對家庭中老年人來講，十分方便。按鍵電路原理圖如圖8所示。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

在軟件設(shè)計中充分利用了IAP15F2K60S2單片機的優(yōu)勢，根據(jù)DS18B20、SHT10傳感器的特點，以及按鍵掃描、數(shù)碼管動態(tài)顯示的要求，利用時間觸發(fā)機制進行軟件設(shè)計。利用STC的單片機定時計數(shù)器0產(chǎn)生系統(tǒng)滴答時鐘，然后產(chǎn)生不同的時間片，系統(tǒng)在不同的時間片執(zhí)行不同的任務。系統(tǒng)分時調(diào)度程序框架如圖9所示。

4 結(jié)束語

在調(diào)查家庭太陽能熱水器用戶應用需求和現(xiàn)在存在浪費水這個問題的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于單片機控制的節(jié)水控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)冷水流向控制、管道溫度的實時顯示、環(huán)境溫濕度檢測、語音提示等功能，具有良好的人機界面。通過本系統(tǒng)在家庭中的試運行，表明其較好地解決了家庭太陽能熱水器冬季水浪費的困擾，經(jīng)濟實用，足以滿足用戶的節(jié)水需求，給人們的日常生活提供了極大便利。