太阳能沐浴恒温装置的设计研究

　　下面文章中提出了一种基于单片机的太阳能热水器恒温控制装置。本装置是以单片机控制为核心，以及装置硬件结构的创新设计。根据用户设定的温度，测量热水出水口水的温度，通过单片机的输出信号，调整冷、热水的进水口水流量，使得最终出水温度在气压和冷、热水温度发生变化时能保持基本恒定的温度。实验表明：系统结构简单有效，温度调节速度快，便于安装维护，而且节能环保。

　　关键词：单片机,恒温控制,电动调节阀

　　太阳能热水器在现代得到了广泛的应用，是新能源利用成功的典范之一，具有安全性、经济性、节能性、环保性等特点，因而得到广泛的应用。但其在使用时往往需要手动调节温度，等温度合适后再使用，常会因为水过冷、过热和压力变化，需要反复尝试调节，这样既不方便，又浪费时间，还造成了水资源的浪费。

　　市场上有许多恒温装置，原理大多是在放水过程中，通过温度传感器的信号，以电加热的方式或调节流量的方式调节水的温度，其只能省去人工调节的部分，但大多数的太阳能热水器都安放在楼顶，当用户距离楼顶较远时，热水管会很长，就无法避免热水管在使用时管中凉水的浪费，致使在水温调节达到恒温前，大量水资源浪费[1]。

　　本文设计了一种太阳能沐浴恒温器，由电动流量调节阀、水箱、控制系统组成。其让使用者在使用时，可以直接得到理想温度的水，节省时间，节约水资源。其通过连通管和水箱实现冷水与热水充分混合;再者，就是通过温度传感器传递温度信号给单片机，以控制冷水管与热水管的流量，进行最终调温，这样可以减少水资源的浪费和使用者人工调节的时间[2]。

　　1总体设计方案

　　来自太阳能热水器的热水与来自冷水桶的冷水通过电动流量调节阀进入该装置混合后再输出，为使水温和水压变化时保持输出水的恒温恒压，系统控制冷水与热水的流量，温度传感器把信号传递给外部控制系统的单片机，通过单片机对电动流量调节阀控制，调节两个同步电机正反转，改变节流面积，在较短的时间内实现控制水流量的功能，最终在装置中充分混合，以得到恒温水[3]。单片机发送的电信号是依据温度传感器感应温度与用户设定的温度进行比较，进行判断后，根据程序输出的。为便于使用，系统还可以提示用户温度是否可用功能。

　　2系统硬件设计

　　2.1电动流量调节阀

　　考虑到电磁阀通过不断改变通电时间，不容易控制，而且长时间关断会大大降低电磁阀的寿命，所以我们采用电动流量调节阀，通过改变节流面积，改变冷、热水流量，调节温度。本系统的电动流量调节阀为AC24V/50Hz，常态为关闭，流量孔径为15mm，由于单片机是3-5伏供电，需要通过三极管间接控制电动流量调节阀节流面积的改变。电动流量调节器由同步电机(1)、凸轮(2)、弹簧(3)、顶杆(4)、圆台形板(5)，以及金属外壁和管道组成。

　　2.2温度传感器

　　系统中使用温度传感器测水箱中的水温度，将信号传给单片机进行处理。人们日常用水的温度一般在25℃-85℃之间，所需的分辨率为2℃。系统的温度传感器选择DALLAS公司的DS18B20一线式数字温度传感器[4]。其性能符合装置的需要，且性价比较高。其可测温度为-55℃-125℃之间，测温分辨率可达到0.0625℃，可编程为9-12位A/D转换精度，被测温度用符号扩展的16位数字量方式串行输出，使用电压为3V-5.5V。DS18B20的中间数据引脚DQ脚与单片机的P0.5相连，该温度可直接被系统获得。

　　2.3温度调节

　　系统输出温度可连续调节,外设3个按钮，分别用于开关、升高和降低设定温度,每按一下,温度将会上升或下降2℃，为能实时响应温度的调节，这两个按钮都直接连接单片机的中断引脚P2[5]。系统按照最近的设定温度调节水箱中水的温度。

　　2.4单片机

　　单片机用于读取温度、获得设定温度、控制同步电机、提示可用和报警系统，选择AT89C2052作为控制核心，它具有廉价、可靠的优点，且引脚够多[6]。

　　2.5水箱

　　冷、热水进入系统后在水箱内进行混合，由系统通过改变节流面积的方式调节冷、热水流量，系统要不断调节两个入水管的流量，因此混合室的空间越大，输出的温度越稳定，但由于空间限制，故本系统采用长为30cm，宽为10cm,高为10cm的水箱。水箱由温度传感器(6)、通气孔(7)，以及塑料外壳组成。

　　2.6连通管

　　为了避免冷水管和热水管直接与水箱连接导致水的温度混合不均匀(靠近热水管的水温要高于靠近冷水管的水温)，在电动流量调节器与水箱之间加入一个连通管，连通管的直径略大于或等于电动流量调节器出水管直径的2倍，两个出水管与连通管切向连接，都与水平成30°夹角，使两个水流产生对流角度，两个出水管的水流沿着连通管管壁旋转下降，进入水箱，在旋转过程中达到热水与冷水的混合目的，从而解决上述问题。

　　2.7各部件功能流程

　　一种基于单片机的太阳能热水器恒温控制装置，由电动流量调节器、水箱、控制系统组成。电动流量调节器和水箱通过连通管上下连接，再由外部控制系统接收感应器信号，来控制电动流量调节器中的同步电机(1)，通过同步电机(1)正反转，由同步电机轴头的凸轮(2)顶起或由弹簧(3)弹回顶杆(4)，来调节圆台形板(5)与锥形管(8)的结合程度，进而控制流量，进行水温调控，从而使水箱中的水达到理想温度。

　　上面所述的同步电机(1)，有限位断电保护功能，能在停顿的情况下产生稳定的扭力，使圆台形板(5)可以静止在任何位置。为使水箱中的水能够准确的达到理想中的温度，我们需要温度传感器(6)来感应水箱中的水温，所以在水箱出水管口上方3~5cm处，设置温度传感器(6)，采集温度信号，再通过单片机控制冷水和热水的流量，使水箱中的水达到恒温。

　　在水箱的左上方设有通气孔(7)，由电动开关控制，其作用为平衡水箱内的气压，防止在调节水温时，水箱内气压过大，将水在莲蓬头压出。当水温调节到理想温度后，由温度传感器(6)将信号传递给单片机，控制通气孔(7)的电动开关关闭，维持气压不变，由两个进水管(A、B)进水，形成气压差，进而将水箱内的恒温水从莲蓬头压出。温度传感器把信号传递给外部控制系统的单片机，控制圆台形板与锥形管的结合程度，改变节流面积，实现控制水流量的功能。进而得到设定温度的水。

　　3系统软件设计

　　3.1主程序

　　通过温度传感器传递温度信号给单片机，来控制冷水管与热水管的流量，将水箱中的水控制在设定温度，进行恒温水输出。

　　3.2冷热水电动流量调节阀调整子程序

　　启动后，电动流量调节阀热水流量开到最大，温度传感器通过P1.4口传递给单片机，单片机判断温度后执行温度调节子程序，P3.2、P3.3口通过控制定时计数器TMOD、TCON来控制电机的开启和关闭时间，使水箱中水的温度一直持在设定温度。

　　3.3通气孔电动开关控制子程序

　　通气孔作用为平衡水箱内的气压，防止在调节水温时，水箱内气压过大，将水在莲蓬头压出。当水开始注入水箱时，单片机P1.6口输出高电平使通气孔开关开启，使水能流入水箱，当水温调节到理想温度后，单片机P1.6口输出低电平控制通气孔的电动开关关闭，维持气压不变，由两个进水管进水，形成气压差，将水箱内设定温度的恒温水从莲蓬头压出。

　　4实验分析

　　系统安装后，针对日常生活中几种冷、热水温度进行调节测试，设定跳接后温度为30℃(视误差在±2℃之间为成功)。实验中使用SKW-2表面温度计测量冷、热水温度，以及调节速度，并且保持水压恒定，由于水的热容量比较大，水温不会突然变化，实验中测量的时间为红灯转绿灯的时间(温度在30±2℃之间为绿灯，其他温度为红灯)。

　　若遇到温差较小，调节时间较短;若遇到温差较大，调节时间较长。所以在以后的应用中可改为PID调节方式，减小调节的时间[7]。电动流量调节阀操作稳定、寿命长，可以得到广泛应用。

　　5结语

　　本文设计了一种基于单片机的太阳能热水器恒温控制装置，通过调整冷、热水流量来控制水温，保证用水恒温恒压输出。系统还具有温度设定、提示及警示等功能。实验表明，系统结构简单有效，温度调节速度快，便于安装维护，而且节能环保。

　　参考文献：

　　[1]李宝应,苑田宾,王晓蒲.PIC16C74在太阳能热水器控制系统中的应用[J].电子技术,2001(8):26~28.

　　[2]鲍文胜,基于单片机的太阳能热水器控制系统研究[J].青岛理工大学学报,2007,28(5):79~80.

　　[3]王公堂,李秀琴,黄世亮等.基于PIC16C37芯片的水温水位控制仪的设计[J].山东师大学报(自然科学版),2001,16(3):326~328.

　　[4]彭远芳.基于DS18B20的多点温度数据采集仪的设计[M].电子科技,2013年21期.

　　[5]张毅刚.单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社,2004.

　　[6]夏晓玲.水温控制系统中的单片机技术应用[J].电子制作,2015(09)

　　电子类期刊推荐：《山西电子技术》以反映电子信息技术领域的研究成果、技术动态，促进学术交流，推动科技成果向社会生产力转化为宗旨，主要刊登电子信息领域具有创新性的研究、技术应用论文及技术研究进展的综述。主要读者对象是从事与电子信息技术研究、应用有关的广大科技工作者和高等院校师生。