华南理工大学自动化科学与工程学院(510640) 李向阳 莫鸿强 肖 迳 史步海
太阳能因其具有绿色环保、无污染、廉价等特点，越来越受到人们的喜欢，许多家庭和公共场所都在使用太阳能热水器。但是，太阳能受天气影响很大，当夜晚或者阴天阳光不足时，水箱中的水可能达不到设定温度。这时需要采用辅助加热的方法把水箱中的水加热到足够的温度，以满足用户全天候使用的要求。在辅助加热方法中，电加热是一种常用的方式。本文将介绍采用电加热作为辅助加热方式的太阳能热水器控制器的开发过程。所设计的控制器具有时间显示、水位显示和温度显示，同时具有三段保温起止时间设定和温度设定功能，可以对一天的三个时间段进行水箱温度控制，达到节电和满足不同用户使用习惯的妥求；此外，还具有短路保护、漏电保护、防干烧、掉电保护、故障报警和手动控制等功能。
1控制器的硬件电路设计
对辅助电加热控制器所要完成的功能进行分析后，采用如图1所示的设计方案。该方案以AT89C51单片机为核心，单片机在地址锁存器74LS373的配合下，通过P1、P2口扩展外围接口电路。接口电路有A／D转换器ADC0809、时钟芯片DSl2887以及并行扩展接口82C55。ADC0809把热水器水箱中的水面温度传感器(安装在热水出水口附近，作实时显示之用)、防干烧温度传感器(安装在加热电阻丝附近，作防干烧保护之用)、水位传感器电流传感器、漏电电流传感器的模拟信号变成数字信号以便单片机进行实时显示、保护和控制。DSl2887内有锂电池，并有114字节的RAM，可以在控制器断电时进行准确计时，并保存RAM中的数据。82C55用于对8个LED数码管和具有8个按键的键盘进行扩展。
            
1．1 单片机与82C55的键盘和显示接口
键盘和显示电路如图2所示。8个数码管采用共阴极连接，82C55的PA口输出显示字符的段码，PB口选择要显示的位，它们分别通过两片DS75491和两片DS2003实现8个LED数码管的段驱动和位驱动。数码管的字符显示采用软件译码和软件动态扫描的方式，在同一时间只有一位数码管被点亮。8个数码管分别显示时间(4位，小时和分钟各占两位)、水温(两位)、水位(1位)和设定标识或者故障标识(1位)。当为故障状态时，设定／故障标识位显示故障代码(漏电、短路、干烧等故障分别采用特殊的代码来表示)；当为设定状态时，显示目前设定内容的代码(如"厂表示进行温度设定)；在正常工作状态时(不是设定状态和故障状态时)，该位灭。由于对水位的显示精度要求不高，故水位采用一个数码管显示，一般情况显示4段就足以满足要求。
            
82C55的PC口用于连接8个按键，采用软件方式去除抖动。8个按键分别为用于选择设定参数类型的"设定增加"和"设定减少"键、用于设定参数值的"参数增加"和"参数减少"键、用于设定完成后的"确认"键、用于人工清除故障的"故障清除"键、用于手动控制的"电加热开"和"电加热关"键。当控制器检测到故障时，如漏电和短路等，控制器关闭电加热器，并进行故障指示和报警。此时，如果实际故障消失(如发生短路故障时，控制器因保护作用而关闭电加热器电源，此时短路现象消失)，控制器仍然需要保持该故障状态，则等待用户检查维修完毕后，用户按"故障清除"键后就能清除保存在控制器中的故障状态，使控制器继续正常工作。这样可以避免在维修人员没有排除故障时，控制器自动开启电热器而引起不必要的事故。"电加热开"和"电加热关"的设置是为了方便用户更加自由地使用热水器，通过这两个键，用户可以在任何时间开关电加热器(不要求在三段保温时间之内)，而且此时控制器同样对温度进行控制和保护，如在手动加热时，如果水温超过设定温度，控制器自动关闭电加热。这样可以避免用户手动开启电加热后，忘记关闭电加热而浪费电能。
1．2单片机与ADC0809的接口
A／D转换器ADC0809与单片机的连接如图3所示。ADC0809的8个模拟量输入采用了其中的5个通道，分别连接水温、电流、漏电、干烧和水位的测量和变换电路的输出。ADC0809的时钟由AT89C51的ALE信号提供，根据ACD0809对工作时钟的要求和控制器对漏电和短路信号的反应速度的要求，ADC0809时钟频率取为667kHz，则AT89C51的时钟频率选为4MHz，这样，若A／D转换的时间为0．1ms，则控制器循环采样完5个模拟输入信号需要0．5ms时间。这样的采样速度足够满足漏电和短路的保护要求。
            
1．3单片机与时钟芯片DSl2887的接口和控制输出电路
AT89C51与DSl2887的接口和控制输出电路如图4所示。单片机的P1口为电热水器和报警器的控制输出，对电热水器的控制是通过三极管进行