基于单片机的太阳能热水器控制器设计原理详解

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：

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。