李 晖 湖南理工职业技术学院 411104王 婷 衡阳技师学院 421001
电子科技 Electronics Technology
基于AVR单片机太阳能热水器智能控制器硬件设计
李 晖 湖南理工职业技术学院 411104
王 婷 衡阳技师学院 421001
本文主要介绍了AVR单片机太阳能热水器智能控制器的硬件部分。主要包括该设计的任务目标，各个硬件单元的介绍。
热水器；控制器
在全球能源形势紧张、气候变暖严重威胁经济发展和人们生活健康的今天，世界各国都在寻求新的能源替代战略，以求得可持续发展和在日后的发展中获取优势地位。太阳能以其清洁、源源不断、安全等显着优势，成为关注重点。在太阳能产业的发展中，太阳能热水器的热利用转换技术是最为成熟的，其产业化进程也较光伏电池、太阳能发电等产业领先一步。太阳能热水器已成为我国第一个实现商业化的可再生能源产业。从1998年起，中国就成为了太阳能热水器第一大制造和消费市场，现市面上可供选择的热水器种类有电、燃气、太阳能三种类型，近年来，随着国家对新能源的重视和投入，太阳能热水器的发展和市场占有率将会大大赶超其它两种类型的热水器。
1 任务目标
该系统设计应具有的功能有：北京时间显示（可设置）。集热器温度T1显示。水箱温度T2显示。供水端温度T3显示。回水温度T4显示。水箱水位显示；水箱水位分档。辅助加热状态显示。进冷水状态显示。太阳能循环泵工作状态显示。供热水泵工作状态显示。定水位进水；，当水箱水位低于设定水位A（可设置）一个水位档时，启动进冷水电磁阀，当水箱水位达到设定水位A 时，关闭进冷水电磁阀。定温进水；当水箱温度T5（可设置）时，启动进冷水电磁阀，当水箱水位温度T2高于设定温度T6（可设置）时，关闭进冷水电磁阀。定时进水；当北京时间在设定的时间段t1-t2， t3-t4， t5-t6 内时，启动定水位进水功能。当北京时间在设定的时间段外时，关闭定水位进水功能（t1-t2为A， t3-t4为B，t5-t6为C）。低水位保护；当水箱水位低于20% 时，强制启动进冷水电磁阀补水，其他功能全部关闭，当水位达到40&时恢复正常运行。满水保护；当水箱水位达到100%时强制关闭进冷水电磁阀。太阳能温差循环；当集热器温度T1与水箱温度T2相比， T1-T2＞=8时，启动太阳能循环泵；当T1-T2＜=3时，关闭太阳能循环泵等功能。
2 硬件选型与电路设计
智能控制器硬件电路分成六大模块：主控部分、水温水位测量部分、水温水位显示和按键输入电路、时钟电路、各个阀门及泵的驱动电路、电源电路。
①主控部分：主控部分可以采用FPGA，也可以选用PLC ，本设计采用AVR单片机。AVR 单片机是一款基于 RISC 指令架构的 8位单片机。 RISC（ReducedInstructuin Set Computer，精简指令集计算机）是 20 世纪90 年代开发出来的，综合了半导体集成技术和软件性能的新结构。 AVR 单片机采用 RISC结构，具有 1MIPS/MHz 的高速运行处理能力。 AVR 单片机运用 Harvard 结构，在前一条指令执行的时候就取出现行的指令，然后以一个周期执行指令。在其他的 RISC 以及类似RISC 结构的单片机中，外部振荡器的时钟被分频降低到传统的内部指令执行周期，这种分频最大达 12倍（8051）。 AVR 单片机是用一个时钟周期执行一条指令的，它是 8 位单片机中第一个真正的 RISC 结构的单片机。同时，AVR 单片机采用低功率非挥发的 CMOS 工艺制造，内部分别集成Flash、 E2PROM 和SRAM三种不同性能和用途的存储器，除了可以通过 SPI口和一般的编程器对 AVR 单片机的Flash 程序存储器和 E2PROM 数据存储器进行编程外，绝大多数的 AVR 单片机还具有线编程（ISP）的特点。为调试和使用带来了极大的方便。本设计采用ATmega16，不但具有以上特点同时还考虑了AD转换和端口的需求。
②水温水位检测电路。太阳能热水器的水位水温传感器是太阳能热水器控制器的眼睛，它将太阳能热水器的大部分的信息传给控制器，控制器通过对这些信息的处理来管理太阳能热水器，同时将热水器的运行情况告诉用户，让用户合理正确的利用太阳能。水温水位检测电路是太阳能热水器的重要部件。常用的水位检测原理主要有两种一种是导电式，另一种是浮子式。检测的方法不管是导电式还是浮子式，均采用开关控制法，利用开关接通和断开所造成的电阻的串联（并联）产生的不同电阻值来传递水位信号，让控制器通过AD转换后判断水位。本设计采用导电式传感器，优点是成本低，安装简便；温度传感器采用热敏电阻，目前统一的标准是Rt=10KΩ的NTC（负温度系数）电阻， B值在3800左右，精度在3%左右即可。温度传感探头一般是和水位传感器装在一起，一般放在水位传感器的中间部位，它表示太阳能水箱中间部分的温度。
③水位、温度显示和按键输入电路。这部分用于系统和人的信息交互，本设计采用五个独立按键； K1为加键；K2为减键， ；K3为菜单键， K4 为确定按键， K5为强制进水按键，具体操作过程为： 按菜单键一次，进相应的设置界面，通过加减键可以进入水位或水温控制界面，在水位或水温设置界面下，通过确定键和加减键可以设置水位水温的上下限。强制进水键按下时实现手动强制上水功能，没有进入菜单按下确定键时进行手动加热。应用LCD12864液晶显示器实现显示功能。
④时钟电路。给系统提供时间显示和参考时间，采用DS1302，提供。
⑤驱动电路。包括电加热、上水电磁阀、报警电路，是整个系统的执行部分。主要由光电耦合器P521-4，功率驱动芯片ULN2030以及继电器三部分组成，共同完成对电磁阀和泵的驱动，本设计还采用了独立的继电器，通过光耦的隔离，驱动芯片带动继电器，继电器把弱电和强电实现了隔离。
⑥电源电路。电源电路既要供给控制器，同时还要供给驱动部分。在控制器内加入了漏电检测线圈，当各强电部分漏电时，控制器停止输出，产生保护。
3 结语
本设计主要介绍了基于AVR单片机的太阳能热水器控制器的硬件部分，通过软硬件设计及系统调试，基本能现实预期功能。
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