基于单片机的太阳能热水器控制器设计
一、项目介绍
随着环保意识的逐渐增强，太阳能热水器作为一种清洁能源应用得越来越广泛。然而，传统的太阳能热水器控制器通常采用机械式或电子式温控器，存在精度低、控制不稳定等问题。为了解决这些问题，本项目基于单片机技术设计了一款太阳能热水器控制器，主控芯片采用STC89C52。该控制器可以实现对太阳能热水器的水温、水位等参数进行准确、稳定的控制，提高了太阳能热水器的能源利用效率和使用寿命，同时也符合节能环保的社会需求。
二、系统构架
2.1 系统设计
本系统采用主从结构，由STC89C52单片机作为主控芯片，负责控制整个太阳能热水器的运行。系统包括传感器模块、驱动模块和用户界面模块。
传感器模块包括温度传感器和光照传感器，用于实时监测水温和太阳辐射强度。驱动模块包括电磁阀和水泵，用于控制水流和热水的循环。用户界面模块包括液晶显示屏和按键，用于显示当前状态和提供用户交互。
2.2 功能设计
本设计的太阳能热水器控制器功能：
- 温度控制：通过温度传感器实时监测水温，并根据设定的阈值控制电磁阀和水泵，以保持热水器水温在设定范围内。
- 光照控制：通过光照传感器实时监测太阳辐射强度，判断当前是否有足够的太阳能供给，若不足，则停止水泵运行，以节约能源。
- 时间控制：设置定时计划，控制热水器在指定时间段内工作或停止工作。
- 用户交互：通过液晶显示屏显示当前温度、工作状态等信息，并通过按键设定参数和操作热水器。
2.3 硬件设计
硬件设计包括电路连接和外围模块选择。主控芯片STC89C52与传感器模块、驱动模块和用户界面模块通过IO口进行连接。温度传感器采用DS18B20数字温度传感器，光照传感器采用光敏电阻。
2.4 软件设计
软件设计主要包括系统初始化、传感器数据采集、控制算法和用户交互等部分。系统初始化包括IO口配置、定时器设置等。传感器数据采集通过相应的接口获取温度和光照传感器数据。控制算法根据采集到的数据进行温度和光照控制，并控制电磁阀和水泵的开关。用户交互通过液晶显示屏和按键实现，用户可以通过按键设置参数和操作热水器。
2.5 设计思路
本项目的控制器主要包括传感器模块、控制模块和显示模块三部分。其中，传感器模块用于实时检测太阳能热水器的水温、水位等参数；控制模块将传感器采集到的数据进行处理，并通过控制水泵、电磁阀等执行器来实现对太阳能热水器的水温、水位等参数进行准确、稳定的控制；显示模块则用于显示当前的水温、水位等参数。
具体的设计流程如下：
【1】确定硬件平台：采用STC89C52单片机作为主控芯片，搭建传感器模块和执行器模块，通过串口通信与PC机连接。
【2】确定传感器类型：选择DS18B20温度传感器和液位传感器作为检测太阳能热水器水温、水位的传感器。
【3】确定控制策略：根据太阳能热水器的实际情况，设计PID控制算法，通过控制水泵、电磁阀等执行器来实现对太阳能热水器的水温、水位等参数进行准确、稳定的控制。
【4】编写程序：根据硬件平台和控制策略，编写程序实现数据采集、处理和控制等功能。
【5】调试测试：将设计好的控制器与太阳能热水器进行连接测试，检查数据采集、处理和控制等功能是否正常。
2.6 实现效果
本项目设计的太阳能热水器控制器实现了对太阳能热水器的水温、水位等参数进行准确、稳定的控制。
控制器的特点：
【1】精度高：采用PID控制算法，能够对太阳能热水器的水温、水位等参数进行精确控制。
【2】控制稳定：通过控制水泵、电磁阀等执行器来实现对太阳能热水器的水温、水位等参数进行稳定控制。
【3】显示直观：通过显示模块可以直观地显示当前的水温、水位等参数。
三、代码实现
3.1 DS18B20读取温度
以下是基于STC89C52单片机和DS18B20温度传感器实现读取温度值并打印到串口的示例：
#include <reg52.h>
#include <intrins.h>
#define DQ P3_7
typedef unsigned char uchar;
typedef unsigned int uint;
sbit LED=P1^0;
void Delay1ms(uint);
void Delay10us(uint);
uchar Init_DS18B20();
void Write_DS18B20(uchar dat);
uchar Read_DS18B20();
int Get_Temp();
void main()
{
uchar temp;
int temperature;
TMOD = 0x20; //定时器1工作在方式2
TH1 = 0xfd; //波特率9600
TL1 = 0xfd;
PCON = 0x00; //波特率不加倍
SCON = 0x50; //串口方式1，允许接收
TR1 = 1; //定时器1开始计时
ES = 1; //允许串口中断
while(1)
{
temp = Get_Temp();
temperature = (int)temp * 0.0625 * 100; //将温度值转换为实际温度，单位为°C
printf("Temperature: %d.%dC \r\n", temperature / 100, temperature % 100);
Delay1ms(500); //每隔500ms读取一次温度值并打印到串口
}
}
void Delay1ms(uint cnt)
{
uint i, j;
for (i = 0; i < cnt; i++)
{
for (j = 0; j < 110; j++);
}
}
void Delay10us(uint cnt)
{
while(cnt--);
}
uchar Init_DS18B20()
{
uchar i;
DQ = 1;
Delay10us(5);
DQ = 0;
Delay10us(80);
DQ = 1;
Delay10us(5);
i = DQ;
Delay10us(20);
return i;
}
void Write_DS18B20(uchar dat)
{
uchar i;
for (i = 0; i < 8; i++)
{
DQ = 0;
_nop_();
DQ = dat & 0x01;
Delay10us(5);
DQ = 1;
dat >>= 1;
}
}
uchar Read_DS18B20()
{
uchar i, j, dat = 0;
for (i = 0; i < 8; i++)
{
DQ = 0;
_nop_();
DQ = 1;
_nop_();
j = DQ;
Delay10us(5);
dat = (j << 7) | (dat >> 1);
}
return dat;
}
int Get_Temp()
{
uchar TL, TH;
int temp;
Init_DS18B20();
Write_DS18B20(0xcc);
Write_DS18B20(0x44);
Delay1ms(750);
Init_DS18B20();
Write_DS18B20(0xcc);
Write_DS18B20(0xbe);
TL = Read_DS18B20();
TH = Read_DS18B20();
temp = TH;
temp <<= 8;
temp |= TL;
return temp;
}
void UART_Isr() interrupt 4
{
if (RI == 1)
{
RI = 0;
}
if (TI == 1)
{
TI = 0;
}
}
代码中使用了定时器和串口中断，要注意DS18B20的引脚连接和串口通信的波特率设置。
3.2 PID算法控制温度
以下是使用STC89C52单片机和DS18B20温度传感器通过PID算法实现热水器恒温控制的代码：
#include <reg52.h>
#include <intrins.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit Relay = P1^0; // 继电器控制引脚
// 温度传感器DS18B20相关宏定义
sbit DQ = P2^7; // DS18B20数据线引脚
#define DQ_OUT P2 &= 0x7F
#define DQ_IN P2 |= 0x80
// PID参数定义
float Kp = 1.0; // PID比例系数
float Ki = 0.5; // PID积分系数
float Kd = 0.2; // PID微分系数
// 温度控制参数定义
float setTemp = 40.0; // 设定的目标温度
float curTemp = 0.0; // 当前温度
float lastTemp = 0.0; // 上一次的温度
float error = 0.0; // 温度误差
float integral = 0.0; // 积分项
float derivative = 0.0; // 微分项
float output = 0.0; // 控制输出
// 延时函数
void delay(uint t) {
while (t--);
}
// DS18B20初始化
uchar Init_DS18B20() {
uchar presence = 0;
DQ_OUT;
DQ = 0;
delay(480); // 延时480us
DQ = 1;
delay(60); // 延时60us
DQ_IN;
presence = DQ;
delay(420); // 延时420us
return presence;
}
// DS18B20读取一个字节
uchar Read_DS18B20() {
uchar i, j, dat = 0;
for (i = 8; i > 0; i--) {
DQ_OUT;
DQ = 0;
dat >>= 1;
_nop_();
_nop_();
_nop_();
DQ = 1;
DQ_IN;
if (DQ) {
dat |= 0x80;
}
delay(120); // 延时120us
}
return dat;
}
// DS18B20写入一个字节
void Write_DS18B20(uchar dat) {
uchar i;
for (i = 8; i > 0; i--) {
DQ_OUT;
DQ = 0;
DQ = dat & 0x01;
delay(120); // 延时120us
DQ = 1;
dat >>= 1;
}
}
// DS18B20温度转换
void Convert_DS18B20() {
Init_DS18B20();
Write_DS18B20(0xCC); // 跳过ROM操作
Write_DS18B20(0x44); // 启动温度转换
}
// 获取DS18B20温度值
float Get_DS18B20_Temp() {
uchar TL, TH;
int temp = 0;
Init_DS18B20();
Write_DS18B20(0xCC); // 跳过ROM操作
Write_DS18B20(0xBE); // 发送读取命令
TL = Read_DS18B20(); // 读取温度低字节
TH = Read_DS18B20(); // 读取温度高字节
temp = TH;
temp <<= 8;
temp |= TL;
return (float)temp / 16.0; // 返回温度值
}
// PID控制算法
float PID_Control(float setValue, float currentValue) {
error = setValue - currentValue;
integral += error;
derivative = currentValue - lastTemp;
output = Kp * error + Ki * integral + Kd * derivative;
lastTemp = currentValue;
return output;
}
void main() {
while (1) {
curTemp = Get_DS18B20_Temp(); // 获取当前温度
output = PID_Control(setTemp, curTemp); // PID控制计算
if (output > 0) {
Relay = 0; // 继电器闭合，加热器工作
} else {
Relay = 1; // 继电器断开，加热器停止工作
}
delay(1000); // 延时1s
}
}
3.3 驱动BH1750光敏传感器
使用STC89C52单片机读取BH1750光敏传感器值通过串口打印的代码：
#include <reg52.h>
#include <intrins.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
sbit SDA = P2^7; // IIC总线数据线引脚
sbit SCL = P2^6; // IIC总线时钟线引脚
// BH1750光敏传感器相关宏定义
#define BH1750_ADDR 0x23 // BH1750设备地址
#define BH1750_ON 0x01 // BH1750上电命令
#define BH1750_OFF 0x00 // BH1750下电命令
#define BH1750_CONTINUOUS_HIGH_RES_MODE 0x10 // BH1750连续高分辨率模式
// 延时函数
void delay(uint t) {
while (t--);
}
// IIC总线起始信号
void I2C_Start() {
SDA = 1;
delay(1);
SCL = 1;
delay(1);
SDA = 0;
delay(1);
SCL = 0;
delay(1);
}
// IIC总线停止信号
void I2C_Stop() {
SDA = 0;
delay(1);
SCL = 1;
delay(1);
SDA = 1;
delay(1);
}
// IIC总线发送应答信号
void I2C_Ack() {
SDA = 0;
delay(1);
SCL = 1;
delay(1);
SCL = 0;
delay(1);
SDA = 1;
delay(1);
}
// IIC总线发送不应答信号
void I2C_NAck() {
SDA = 1;
delay(1);
SCL = 1;
delay(1);
SCL = 0;
delay(1);
}
// IIC总线接收应答信号
bit I2C_WaitAck() {
bit ack;
SDA = 1;
delay(1);
SCL = 1;
delay(1);
ack = SDA;
SCL = 0;
delay(1);
return ack;
}
// IIC总线发送一个字节
void I2C_WriteByte(uchar dat) {
uchar i;
for (i = 0; i < 8; i++) {
SDA = (dat & 0x80) >> 7;
dat <<= 1;
delay(1);
SCL = 1;
delay(1);
SCL = 0;
delay(1);
}
}
// IIC总线读取一个字节
uchar I2C_ReadByte() {
uchar i, dat = 0;
SDA = 1;
delay(1);
for (i = 0; i < 8; i++) {
SCL = 1;
delay(1);
dat = (dat << 1) | SDA;
SCL = 0;
delay(1);
}
return dat;
}
// 初始化BH1750光敏传感器
void Init_BH1750() {
I2C_Start();
I2C_WriteByte(BH1750_ADDR); // 发送设备地址
I2C_WaitAck();
I2C_WriteByte(BH1750_ON); // 上电
I2C_WaitAck();
I2C_Stop();
delay(5);
}
// 启动BH1750测量
void Start_BH1750() {
I2C_Start();
I2C_WriteByte(BH1750_ADDR); // 发送设备地址
I2C_WaitAck();
I2C_WriteByte(BH1750_CONTINUOUS_HIGH_RES_MODE); // 选择连续高分辨率模式
I2C_WaitAck();
I2C_Stop();
delay(180);
}
// 读取BH1750测量结果
uint Read_BH1750() {
uint value;
I2C_Start();
I2C_WriteByte(BH1750_ADDR + 1); // 发送设备地址，读模式
I2C_WaitAck();
value = ((uint)I2C_ReadByte() << 8) | (uint)I2C_ReadByte(); // 读取两个字节的数据
I2C_NAck();
I2C_Stop();
return value;
}
// 串口发送一个字符
void UART_SendChar(uchar chr) {
SBUF = chr;
while (!TI);
TI = 0;
}
// 串口发送字符串
void UART_SendString(const uchar *str) {
while (*str) {
UART_SendChar(*str++);
}
}
// 串口发送一个无符号整数
void UART_SendUInt(uint val) {
uchar i, len;
uchar buf[5];
len = 0;
do {
buf[len++] = val % 10 + '0';
val /= 10;
} while (val);
for (i = len; i > 0; i--) {
UART_SendChar(buf[i-1]);
}
}
void main() {
uint lightValue;
Init_BH1750(); // 初始化BH1750光敏传感器
// 串口初始化, 波特率9600
TMOD = 0x20;
TH1 = 0xFD;
TL1 = 0xFD;
SCON = 0x50;
TR1 = 1;
while (1) {
Start_BH1750(); // 启动测量
lightValue = Read_BH1750(); // 读取测量结果
UART_SendString("Light value: ");
UART_SendUInt(lightValue);
UART_SendString("\r\n");
delay(1000); // 延时1s
}
}
在程序中，初始化了BH1750光敏传感器，使用Start_BH1750()函数启动测量，通过Read_BH1750()函数读取测量结果，在串口上打印出来。串口的初始化设置为波特率9600，发送数据时使用UART_SendString()和UART_SendUInt()函数。
四、总结
本设计基于STC89C52单片机实现了一个功能完善的太阳能热水器控制器。该控制器具有温度控制、光照控制、时间控制和用户交互等功能，可以提高太阳能热水器的性能和便捷程度。通过合理的硬件选型和软件设计，使得系统能够准确、稳定地实现对太阳能热水器的控制，提高能源利用效率，并为用户提供便利的操作界面。未来可以进一步优化和拓展该控制器，如增加远程控制功能、与智能家居系统的连接等，以满足不同用户的需求。
湘公网安备 43102202000103号