基于STC89C52單片機(jī)的太陽能熱水器控制器設(shè)計(jì)

一、項(xiàng)目介紹

隨著環(huán)保意識(shí)的逐漸增強(qiáng)，太陽能熱水器作為一種清潔能源應(yīng)用得越來越廣泛。然而，傳統(tǒng)的太陽能熱水器控制器通常采用機(jī)械式或電子式溫控器，存在精度低、控制不穩(wěn)定等問題。為了解決這些問題，本項(xiàng)目基于單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了一款太陽能熱水器控制器，主控芯片采用STC89C52。該控制器可以實(shí)現(xiàn)對太陽能熱水器的水溫、水位等參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確、穩(wěn)定的控制，提高了太陽能熱水器的能源利用效率和使用壽命，同時(shí)也符合節(jié)能環(huán)保的社會(huì)需求。

二、系統(tǒng)構(gòu)架

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用主從結(jié)構(gòu)，由STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，負(fù)責(zé)控制整個(gè)太陽能熱水器的運(yùn)行。系統(tǒng)包括傳感器模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和用戶界面模塊。

傳感器模塊包括溫度傳感器和光照傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測水溫和太陽輻射強(qiáng)度。驅(qū)動(dòng)模塊包括電磁閥和水泵，用于控制水流和熱水的循環(huán)。用戶界面模塊包括液晶顯示屏和按鍵，用于顯示當(dāng)前狀態(tài)和提供用戶交互。

2.2 功能設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的太陽能熱水器控制器功能：

• 溫度控制：通過溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測水溫，并根據(jù)設(shè)定的閾值控制電磁閥和水泵，以保持熱水器水溫在設(shè)定范圍內(nèi)。
• 光照控制：通過光照傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測太陽輻射強(qiáng)度，判斷當(dāng)前是否有足夠的太陽能供給，若不足，則停止水泵運(yùn)行，以節(jié)約能源。
• 時(shí)間控制：設(shè)置定時(shí)計(jì)劃，控制熱水器在指定時(shí)間段內(nèi)工作或停止工作。
• 用戶交互：通過液晶顯示屏顯示當(dāng)前溫度、工作狀態(tài)等信息，并通過按鍵設(shè)定參數(shù)和操作熱水器。

2.3 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)包括電路連接和外圍模塊選擇。主控芯片STC89C52與傳感器模塊、驅(qū)動(dòng)模塊和用戶界面模塊通過IO口進(jìn)行連接。溫度傳感器采用DS18B20數(shù)字溫度傳感器，光照傳感器采用光敏電阻。

2.4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括系統(tǒng)初始化、傳感器數(shù)據(jù)采集、控制算法和用戶交互等部分。系統(tǒng)初始化包括IO口配置、定時(shí)器設(shè)置等。傳感器數(shù)據(jù)采集通過相應(yīng)的接口獲取溫度和光照傳感器數(shù)據(jù)?？刂扑惴ǜ鶕?jù)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行溫度和光照控制，并控制電磁閥和水泵的開關(guān)。用戶交互通過液晶顯示屏和按鍵實(shí)現(xiàn)，用戶可以通過按鍵設(shè)置參數(shù)和操作熱水器。

2.5 設(shè)計(jì)思路

本項(xiàng)目的控制器主要包括傳感器模塊、控制模塊和顯示模塊三部分。其中，傳感器模塊用于實(shí)時(shí)檢測太陽能熱水器的水溫、水位等參數(shù)；控制模塊將傳感器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過控制水泵、電磁閥等執(zhí)行器來實(shí)現(xiàn)對太陽能熱水器的水溫、水位等參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確、穩(wěn)定的控制；顯示模塊則用于顯示當(dāng)前的水溫、水位等參數(shù)。

具體的設(shè)計(jì)流程如下：

【1】確定硬件平臺(tái)：采用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，搭建傳感器模塊和執(zhí)行器模塊，通過串口通信與PC機(jī)連接。

【2】確定傳感器類型：選擇DS18B20溫度傳感器和液位傳感器作為檢測太陽能熱水器水溫、水位的傳感器。

【3】確定控制策略：根據(jù)太陽能熱水器的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)PID控制算法，通過控制水泵、電磁閥等執(zhí)行器來實(shí)現(xiàn)對太陽能熱水器的水溫、水位等參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確、穩(wěn)定的控制。

【4】編寫程序：根據(jù)硬件平臺(tái)和控制策略，編寫程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理和控制等功能。

【5】調(diào)試測試：將設(shè)計(jì)好的控制器與太陽能熱水器進(jìn)行連接測試，檢查數(shù)據(jù)采集、處理和控制等功能是否正常。

2.6 實(shí)現(xiàn)效果

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的太陽能熱水器控制器實(shí)現(xiàn)了對太陽能熱水器的水溫、水位等參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確、穩(wěn)定的控制。

控制器的特點(diǎn)：

【1】精度高：采用PID控制算法，能夠?qū)μ柲軣崴鞯乃疁?、水位等參?shù)進(jìn)行精確控制。

【2】控制穩(wěn)定：通過控制水泵、電磁閥等執(zhí)行器來實(shí)現(xiàn)對太陽能熱水器的水溫、水位等參數(shù)進(jìn)行穩(wěn)定控制。

【3】顯示直觀：通過顯示模塊可以直觀地顯示當(dāng)前的水溫、水位等參數(shù)。

三、代碼實(shí)現(xiàn)

3.1 DS18B20讀取溫度

以下是基于STC89C52單片機(jī)和DS18B20溫度傳感器實(shí)現(xiàn)讀取溫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; //定時(shí)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，允許接收
    TR1 = 1; //定時(shí)器1開始計(jì)時(shí)
    ES = 1; //允許串口中斷

    while(1)
    {
        temp = Get_Temp();
        temperature = (int)temp * 0.0625 * 100; //將溫度值轉(zhuǎn)換為實(shí)際溫度，單位為°C
        printf("Temperature: %d.%dC rn", temperature / 100, temperature % 100);
        Delay1ms(500); //每隔500ms讀取一次溫度值并打印到串口
    }
}

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;
    }
}

代碼中使用了定時(shí)器和串口中斷，要注意DS18B20的引腳連接和串口通信的波特率設(shè)置。

3.2 PID算法控制溫度

以下是使用STC89C52單片機(jī)和DS18B20溫度傳感器通過PID算法實(shí)現(xiàn)熱水器恒溫控制的代碼：

#include <reg52.h>
#include <intrins.h>

#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int

sbit Relay = P1^0;  // 繼電器控制引腳

// 溫度傳感器DS18B20相關(guān)宏定義
sbit DQ = P2^7;     // DS18B20數(shù)據(jù)線引腳
#define DQ_OUT P2 &= 0x7F
#define DQ_IN  P2 |= 0x80

// PID參數(shù)定義
float Kp = 1.0;     // PID比例系數(shù)
float Ki = 0.5;     // PID積分系數(shù)
float Kd = 0.2;     // PID微分系數(shù)

// 溫度控制參數(shù)定義
float setTemp = 40.0;    // 設(shè)定的目標(biāo)溫度
float curTemp = 0.0;     // 當(dāng)前溫度
float lastTemp = 0.0;    // 上一次的溫度
float error = 0.0;       // 溫度誤差
float integral = 0.0;    // 積分項(xiàng)
float derivative = 0.0;  // 微分項(xiàng)
float output = 0.0;      // 控制輸出

// 延時(shí)函數(shù)
void delay(uint t) {
    while (t--);
}

// DS18B20初始化
uchar Init_DS18B20() {
    uchar presence = 0;
    
    DQ_OUT;
    DQ = 0;
    delay(480);     // 延時(shí)480us
    DQ = 1;
    delay(60);      // 延時(shí)60us
    
    DQ_IN;
    presence = DQ;
    delay(420);     // 延時(shí)420us
    
    return presence;
}

// DS18B20讀取一個(gè)字節(jié)
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);     // 延時(shí)120us
    }
    
    return dat;
}

// DS18B20寫入一個(gè)字節(jié)
void Write_DS18B20(uchar dat) {
    uchar i;
    
    for (i = 8; i > 0; i--) {
        DQ_OUT;
        DQ = 0;
        DQ = dat & 0x01;
        delay(120);     // 延時(shí)120us
        DQ = 1;
        dat >>= 1;
    }
}

// DS18B20溫度轉(zhuǎn)換
void Convert_DS18B20() {
    Init_DS18B20();
    Write_DS18B20(0xCC);    // 跳過ROM操作
    Write_DS18B20(0x44);    // 啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換
}

// 獲取DS18B20溫度值
float Get_DS18B20_Temp() {
    uchar TL, TH;
    int temp = 0;
    
    Init_DS18B20();
    Write_DS18B20(0xCC);    // 跳過ROM操作
    Write_DS18B20(0xBE);    // 發(fā)送讀取命令
    
    TL = Read_DS18B20();    // 讀取溫度低字節(jié)
    TH = Read_DS18B20();    // 讀取溫度高字節(jié)
    
    temp = TH;
    temp <<= 8;
    temp |= TL;
    
    return (float)temp / 16.0;   // 返回溫度值
}

// 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();   // 獲取當(dāng)前溫度
        
        output = PID_Control(setTemp, curTemp);   // PID控制計(jì)算
        
        if (output > 0) {
            Relay = 0;  // 繼電器閉合，加熱器工作
        } else {
            Relay = 1;  // 繼電器斷開，加熱器停止工作
        }
        
        delay(1000); // 延時(shí)1s
    }
}

3.3 驅(qū)動(dòng)BH1750光敏傳感器

使用STC89C52單片機(jī)讀取BH1750光敏傳感器值通過串口打印的代碼：

#include <reg52.h>
#include <intrins.h>

#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int

sbit SDA = P2^7;    // IIC總線數(shù)據(jù)線引腳
sbit SCL = P2^6;    // IIC總線時(shí)鐘線引腳

// BH1750光敏傳感器相關(guān)宏定義
#define BH1750_ADDR 0x23   // BH1750設(shè)備地址
#define BH1750_ON   0x01   // BH1750上電命令
#define BH1750_OFF  0x00   // BH1750下電命令
#define BH1750_CONTINUOUS_HIGH_RES_MODE  0x10   // BH1750連續(xù)高分辨率模式

// 延時(shí)函數(shù)
void delay(uint t) {
    while (t--);
}

// IIC總線起始信號(hào)
void I2C_Start() {
    SDA = 1;
    delay(1);
    SCL = 1;
    delay(1);
    SDA = 0;
    delay(1);
    SCL = 0;
    delay(1);
}

// IIC總線停止信號(hào)
void I2C_Stop() {
    SDA = 0;
    delay(1);
    SCL = 1;
    delay(1);
    SDA = 1;
    delay(1);
}

// IIC總線發(fā)送應(yīng)答信號(hào)
void I2C_Ack() {
    SDA = 0;
    delay(1);
    SCL = 1;
    delay(1);
    SCL = 0;
    delay(1);
    SDA = 1;
    delay(1);
}

// IIC總線發(fā)送不應(yīng)答信號(hào)
void I2C_NAck() {
    SDA = 1;
    delay(1);
    SCL = 1;
    delay(1);
    SCL = 0;
    delay(1);
}

// IIC總線接收應(yīng)答信號(hào)
bit I2C_WaitAck() {
    bit ack;
    
    SDA = 1;
    delay(1);
    SCL = 1;
    delay(1);
    ack = SDA;
    SCL = 0;
    delay(1);
    
    return ack;
}

// IIC總線發(fā)送一個(gè)字節(jié)
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總線讀取一個(gè)字節(jié)
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光敏傳感器
void Init_BH1750() {
    I2C_Start();
    I2C_WriteByte(BH1750_ADDR);      // 發(fā)送設(shè)備地址
    I2C_WaitAck();
    I2C_WriteByte(BH1750_ON);        // 上電
    I2C_WaitAck();
    I2C_Stop();
    
    delay(5);
}

// 啟動(dòng)BH1750測量
void Start_BH1750() {
    I2C_Start();
    I2C_WriteByte(BH1750_ADDR);                  // 發(fā)送設(shè)備地址
    I2C_WaitAck();
    I2C_WriteByte(BH1750_CONTINUOUS_HIGH_RES_MODE);   // 選擇連續(xù)高分辨率模式
    I2C_WaitAck();
    I2C_Stop();
    
    delay(180);
}

// 讀取BH1750測量結(jié)果
uint Read_BH1750() {
    uint value;
    
    I2C_Start();
    I2C_WriteByte(BH1750_ADDR + 1);    // 發(fā)送設(shè)備地址，讀模式
    I2C_WaitAck();
    value = ((uint)I2C_ReadByte() << 8) | (uint)I2C_ReadByte();   // 讀取兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)
    I2C_NAck();
    I2C_Stop();
    
    return value;
}

// 串口發(fā)送一個(gè)字符
void UART_SendChar(uchar chr) {
    SBUF = chr;
    while (!TI);
    TI = 0;
}

// 串口發(fā)送字符串
void UART_SendString(const uchar *str) {
    while (*str) {
        UART_SendChar(*str++);
    }
}

// 串口發(fā)送一個(gè)無符號(hào)整數(shù)
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光敏傳感器
    
    // 串口初始化, 波特率9600
    TMOD = 0x20;
    TH1 = 0xFD;
    TL1 = 0xFD;
    SCON = 0x50;
    TR1 = 1;

    while (1) {
        Start_BH1750();         // 啟動(dòng)測量
        lightValue = Read_BH1750();   // 讀取測量結(jié)果
        
        UART_SendString("Light value: ");
        UART_SendUInt(lightValue);
        UART_SendString("rn");
        
        delay(1000);   // 延時(shí)1s
    }
}

在程序中，初始化了BH1750光敏傳感器，使用Start_BH1750()函數(shù)啟動(dòng)測量，通過Read_BH1750()函數(shù)讀取測量結(jié)果，在串口上打印出來。串口的初始化設(shè)置為波特率9600，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)使用UART_SendString()和UART_SendUInt()函數(shù)。

四、總結(jié)

本設(shè)計(jì)基于STC89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)功能完善的太陽能熱水器控制器。該控制器具有溫度控制、光照控制、時(shí)間控制和用戶交互等功能，可以提高太陽能熱水器的性能和便捷程度。通過合理的硬件選型和軟件設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)對太陽能熱水器的控制，提高能源利用效率，并為用戶提供便利的操作界面。未來可以進(jìn)一步優(yōu)化和拓展該控制器，如增加遠(yuǎn)程控制功能、與智能家居系統(tǒng)的連接等，以滿足不同用戶的需求。