基于单片机的太阳能热水器智能节水装置

摘 要 ：太阳能热水器已在日常生活中广泛使用，但其有一个比较常见的缺陷，当用户间隔较长时间打开热水阀时，总要先将输水管内滞留的凉水排出后才能使用热水，既浪费水资源又不方便。而且在冬季，为防止管内水结冰，室外管需要包裹大量保温材料，经济投入很大。通过在输水管道底端安装温度传感器和压力传感器，使用压力传感器测量输水管内的水量，单片机根据测得的水量与设定阈值进行比较，通过开关电磁阀来保证输水管内的水量始终保持恒定。用户使用完毕后，单片机会关闭电磁阀，输水管内剩余的水将靠重力排空。此外，用户还可以根据个人喜好设定水温或用水量等个性化数据，从而更加人性化。

0 引言

太阳能热水器较为常见的一个缺陷是，当用户间隔较长时间再次打开热水阀时，总要先将输水管内滞留的凉水排出后才能使用热水。这导致了水资源的极大浪费；严寒的冬季，水管内的水易结冰导致管道冻裂，因此需要对输水管包裹大量保温材料或者采用电加热的方式，造成了不必要的损耗。为此本文设计了太阳能热水器排空管道节水装置，其功能和原理如下：

（1）在原有太阳能热水器的基础上，使用压力传感器和温度传感器测量输水管道的水量和水温，并用数码管显示。

（2）压力传感器测得输水管内的水量，然后单片机根据测得的水量与设定阈值比较，实时开关储水器和输水管连接的电磁阀，从而保证输水管内的水量始终保持恒定。当用户使用完毕后，单片机会关闭电磁阀，输水管内剩余的水将靠重力排空。这样不仅可以控制水流速度达到节水目的，而且最大限度地避免了输水管道出现剩余的水。

（3）用户可根据个人喜好设定个性化数据，如水温、大致用水量等。系统将设定的数据经过调整后存储在单片机内部EEPROM中，使用时单片机自动读取设定数据，控制执行部件实现该设定方案，更为人性化。

系统整体结构图如图1所示。

1 系统方案设计

该系统的研究目标是通过传感器对输水管内的水量和温度进行准确、实时、可靠的检测，并将测量到的数据经过单片机处理后控制执行机构做出相应动作，从而实现实时水温监测、本地用户显示、阈值自行设定、自动调节输水量、排空输水管内的用水等功能。

本系统由5部分组成：传感器信息的采集与分析处理、信息发送与接收、本地设置与显示模块、控制终端、执行机构。传感器信息采集与处理模块负责测量压力、温度等信息；信息的发送和接收通过无线模块实现；本地设置与显示由按键和数码管组成，可以实时显示温度、水量等信息，并能通过按键由用户自行设定参数；控制终端负责收集信号并使执行机构做出相应动作；执行机构由继电器和电磁阀组成，可以灵敏、精准的动作。

总体硬件电路框图如图2所示。

1.1 主控芯片的选择

本设计采用STC12C5A60S2作为主控芯片[1]，它具有功耗低、速度快、抗干扰性强、价格低廉、可靠性高等特点，特别适用于实时控制系统，现已成为各种自动控制系统理想的控制芯片。主控芯片原理图如图3所示。

1.2 温度传感器

本设计采用DS18B20温度传感器[2]。DS18B20温度传感器是DALLAS公司生产的单总线器件，具有线路简单、体积小的特点。而且在一根通信线上，可以挂载多个温度传感器，十分方便。DS18B20温度传感器测温范围为-55℃～＋125℃，并且在-10℃～＋85℃范围内精度为 ±0.5℃，完全满足本设计的要求。其原理图如图4所示。

1.3 压力传感器

本设计采用cm5300系列压力传感器[3]。由于cm5300压力传感器输出的信号较小，为mV级别，所以要经过放大电路对传感器输出的微弱信号进行放大。本设计采用差分放大电路对其放大。差分放大电路具有抑制零漂的作用，由两片lm324构成，可以确保传感器在检测范围内的信号灵敏度、稳定性和线性。之后单片机内置A/D模块对电压信号进行采集转换。信号放大原理图如图5所示。

1.4 信息发送与接收模块

无线发射接收模块由PT2262、PT2272红外解码电路构成[4]。传感器信号由单片机分析后，触发PT2262。PT2262触发的数据口不同，PT2272接收到的数据便不同。据此可以实现单片机根据不同的信息，控制电磁阀门执行不同的动作。

1.5 本地设置与显示模块

本地设置采用独立按键输入信息。共设置5个按键，分别为：“设置”、“+”、“-”、“确定”、“结束”。按“设置”键进入设置模式，每位用户都有对应的序号，以实现个性化设置。在某用户编号下可以设置输水管内保持恒定的水量值的大小，还可以设置水温和总用水量。“+”、“-”键用来调整相应参数值的大小。“确定”键保存参数并退出设置模式。“结束”键用在没有设定总用水量的模式下，用户使用完毕后，按下“结束”键，单片机控制彻底关闭电磁阀。设置信息储存在单片机EEPROM中，使用时自动读取设置信息。

显示模块采用数码管显示。数码管具有亮度高、发光响应时间短、体积小、重量轻、成本低等优点。

1.6 执行机构

执行机构由继电器和电磁阀[5]构成。由于单片机控制电流不足以驱动电磁阀工作，因此在电路中通过电磁继电器来控制电磁阀。主控芯片通过控制继电器的通断，直接控制驱动电路是否工作，进而控制电磁阀的开关。电磁继电器原理图如图6所示。

2 系统软件设计

在主控模块，程序首先进行各个模块初始化配置，依次是：温度传感器初始化、压力传感器初始化、无线发射模块初始化、按键初始化、数码管显示初始化，然后进入主程序。在while（1）循环里面，循环执行温度传感器采集温度函数、压力传感器测量水压函数、按键检测设置阈值函数、数码管显示函数、无线模块发射函数。

在接收模块，程序首先进行无线模块初始化、电磁继电器初始化，然后进入while（1）循环，循环执行无线模块接收函数、继电器动作函数。具体的程序流程图如图7所示。

3 结论

本文提出的太阳能热水器排空管道节水装置，不仅可以控制水流速度达到节水目的，而且最大限度地避免了输水管道有水剩余。本设计解决了下次使用时必须先排掉管内剩余的凉水才能使用热水的问题，节约了水资源，同时避免了在一些寒冷地区暴露在外的输水管因存水结冰胀裂的风险。另外，用户可根据个人喜好设定个性化数据，如水温、大致用水量等，更为人性化。

本设计改进了太阳能热水器的功能，提高了太阳能热水器的使用便捷性，使太阳能热水器更加方便和人性化，可以提供更好的产品体验。

参考文献

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[5] 李颀，栾翔鹤.智能阀门控制器遥控装置的设计与开发[J].陕西科技大学学报（自然科学报），2009，27（3）：106-108，121.

基于AVR单片机的城市道路交通模拟沙盘设计

王年超， 李志军， 吴力普

（北方工业大学 现场总线及自动化重点实验室，北京 100144）

摘要 ：设计了一种基于AVR的城市道路交通模拟沙盘系统，沙盘系统整体机械结构采用立式导轨的结构。系统包括LED灯驱动和显示模块、通信模块、MEGA16最小系统控制模块。完成整体PCB设计、软件的设计，使用PC通过RS485通信协议实现城市道路交通的模拟。此沙盘系统为研究城市道路交通模拟提供了平台，具有很好的实用价值。

0引言

面对当今世界全球化、信息化发展趋势，传统的交通技术和手段已不适应经济社会发展的要求。智能交通系统是交通事业发展的必然选择，是交通事业的一场革命。通过先进的信息技术、通信技术、控制技术、传感技术、计算器技术和系统综合技术有效地集成和应用，使人、车、路之间的相互作用关系以新的方式呈现，从而实现实时、准确、高效、安全、节能的目标。交通安全、交通堵塞及环境污染是困扰当今国际交通领域的三大难题，本文针对交通堵塞问题对城市道路交通的车辆流量进行模拟，根据实际的城市道路实现模拟沙盘仿真，对实际城市道路的道路承载能力进行模拟。

1系统总体设计

1.1总体设计方案

该城市道路模拟沙盘系统主要完成道路车辆流量的显示和路口红绿灯的变化，整个沙盘包含6个路口，最后实现一个动态的整体显示。控制板内核采用ATmega16单片机，通信协议采用RS485，是一对多通信。单片机内部EEPROM存储控制板地址，高效率地利用片内资源和减少硬件的不必要设计。系统整体设计方案［1］如图1所示。

1.2平面图模型设计

该城市道路模拟沙盘系统平面图如图2所示，沙盘总共有6个路口，宽路车辆是双向运行即两个路口之间的路段，窄路车辆是单向运行即单个路口的路段［2］。路口红绿灯用红色和绿色发光LED模拟指示，道路上车流量使用一排连续排列的LED灯指示，车流量越多LED指示灯亮的个数越多。其中硬件包括LED灯驱动模块、通信模块、LED灯显示模块、MEGA16最小系统控制模块。

2硬件模块的设计

2.1控制模块

图3和图4是ATmega16单片机接线电路和最小系统所需的复位电路以及外部晶振电路。复位电路：启动后让单片机从初始状态执行程序；振荡电路：单片机是一种时序电路，必须施加脉冲信号才能工作。MEGA16内部有RC震荡电路，但相比外部的晶体震荡电路还是不够准确，另外它也可以使用外部晶振工作，两者之间的切换通过熔丝位来选择［3］。单片机内部有一个时钟产生电路，只要接上两个电容和一个晶振即可正常工作。

2.2通信模块

图5RS485通信电路图5所示是MAX485通信电路。采用单一电源+5 V工作，额定电流为300 μA，采用半双工通信方式。它完成将TTL电平转换为RS485电平的功能。MAX485芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接收器。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可。RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可。A端和B端分别为接收和发送的差分信号端,当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。在与单片机连接时接线非常简单，只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。

2.3LED显示模块

如图6所示，单片机IO口输出信号通过74HC154译码、74LS04反相器、4位IO口输出驱动多位发光二极管，74HC573锁存器实现IO口信号状态的锁定。显示电路采用10个LED灯一组的显示模块，设计硬件时10个LED模块总共100个LED,都接有上拉电阻，可以实现车流量模拟显示［4］。

3系统软件设计

3.1通信协议格式

对于城市道路交通模拟沙盘，软件部分至关重要。本系统通过串口给控制器发送数据，通过程序中的协议规则处理接收数据［5］。通信协议格式如图7、图8及图9所示。

协议的每一位均使用十六进制数，具体的协议规则如下:

（1）显示红绿灯数据格式：发送A5F2001122AF。其中A5、AF分别为发送数据格式的起始数据位和终止数据位，07为控制器的地址，112211为红绿灯要显示的数据，0表示熄灭，1表示红灯，2表示绿灯。

（2）显示灯条数据格式：发送A5F2000000AF。其中A5、AF分别为发送数据格式的起始数据位和终止数据位，F2为控制器的地址，0A141E为灯条要显示的数据，灯条1显示10个LED灯，灯条2显示20个LED灯，灯条3显示30个LED灯。

（3）修改控制板数据格式：发送A5F2000000AE。此条数据只能一对一地发送。其中A5、AE分别为发送数据格式的起始数据位和终止数据位，F2为想要修改的地址，000000为无效数据位。

3.2工作流程

流程介绍：首先对ATmega16单片机的IO口进行初始化，设定IO口为输出，然后对串口进行初始化，设定为中断方式接收上位机发送过来的数据，打开总中断，程序开始进入while循环中接收数据并处理数据，中断到来时将数据放入之前定义好的数组中，对数据格式进行判断，数据格式有以下3种类型：

（1）接收的数据为灯条显示数据格式。判断灯条数据格式是否正确，如果不正确则重新接收，若正确则将数据进行处理，去掉接收数据中多余的部分，包括数据头、数据尾和图6LED显示模块

地址数据。还有将接收的数据中地址数据与本控制板中EEPROM存入的地址数据进行比较，若一致则为本控制板的命令数据，最后将有用的数据转换为八进制数据进行LED显示。

（2）接收的数据为红绿灯显示数据格式。判断灯条数据格式是否正确，如果不正确则重新接收，若正确则将数据进行处理，去掉接收数据中多余的部分，包括数据头、数据尾和地址数据。还有将接收的数据中地址数据与本控制板中EEPROM存入的地址数据进行比较，若一致则为本控制板的命令数据，最后将有用的数据转换为八进制数据进行红绿灯显示。

（3）接收的数据为修改地址数据指令。提取接收到的数据，将要修改的地址数据提取出来存入EEPROM中［67］。

系统工作流程图如图10所示。

33部分程序

本系统的程序由以下几部分组成：初始化子程序、判断子程序、排序子程序、显示子程序、关闭子程序。初始化子程序对IO口和串口进行初始化；显示子程序和关闭子程序负责控制灯条及红绿灯的显示和关闭；判断子程序对接收的数据格式进行判断，根据判断条件执行相应的程序；排序子程序对错误的数据重新按照协议规则进行排序。主程序如下：

Int main

{

Init_IO;//IO端口初始化子程序

Chushihua_usart//串口初始化子程序

Deng_off;//熄灭所有的灯子程序

SREG|=0X80;//打开总中断

Xieyi_2data［1］=eeprom_read_byte(0x0000);//启动时读取EEPROM地址0x0000的数据地址，与发送过来的数据地址相匹配

While(1)

{

Xieyi_paixu;//将收到的串口数据 xieyi_3排序放在xieyi_1中

//判断数据格式是否正确，并且进行显示

If((xieyi_sign==0xFF)&&(xieyi_2data［1］==xieyi_1data［1］)&&(xieyi_2data［0］==xieyi_1data［0］&&(xieyi_2data［5］==xieyi_1data［5］))

{

//如果发送的数据有变化，显示变换后的数据

If((xieyi_2data［2］!=xieyi_1data［2］)|(xieyi_2data［3］!=xieyi_1data［3］)|(xieyi_2data［4］!=xieyi_1data［4］))

{

Panduan_deng_data;//判断并将数据转换为十进制

Display_deng_data;//显示灯条

}

Xieyi_sign=0x00;//标志位清零，方便下次排序

}

//判断数据地址格式是否正确，修改地址，把地址放在EEPROM中

If((xieyi_sign==0xFE)&&(xieyi_1data［0］==0xA5)&&(xieyi_1data［5］==0xAE))

{

Eeprom_write_byte(0x0000,xieyi_1data［1］);

//将修改的地址放在EEPROM地址0x0000中

Xieyi_2data［1］=xieyi_1data［1］;

Xieyi_sign=0x00;//标志位清零

4系统测试

测试使用其中一个路口作为测试对象，这个路口包含4个红绿灯，10个灯条，每个灯条都有自己的控制器，都被设置了地址，通过串口连接232/485转换器给沙盘发送数据：当发送A5260A141EAF时，对应26地址的3个灯条的LED灯依次亮10个灯、20个灯、30个灯，改变地址的值，相应的地址均能正确地显示；当发送A521222122AF时，因为25是红绿灯的控制地址，所以红绿灯显示相应的灯效果；修改地址一对一发送同样正常运行。不仅能单个控制器进行发送，还可以多个同时发送，如：A521222122AFA5260 A141EAFA527 0A141EAFA5280A141EAFA5290A1 41EAF，运行结果如图11所示。

5结论

随着物质生活的改善，城市的车辆也快速增长，合理可靠的交通控制不仅改善交通环境，还可以提高人们的生活质图11系统测试显示图

量，使人们生活更加美好。基于LED的城市道路交通模拟沙盘设计提供了这样一个平台。本系统充分利用ATmega16单片机芯片，提高了系统的稳定性和可靠性。工控机作为仿真系统的数据输入，实现了模拟沙盘的动态运行。同时采用MAX485作为通信模块，实现了一对多的通信。本文设计的沙盘系统可以对城市道路交通的车流量进行模拟，根据实际的城市道路实现模拟沙盘仿真，对城市道路的承载能力进行了模拟。

参考文献

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