近年来我国太阳能热水技术发展迅速，各式各样的热水器产品很多，但是同国外相比，无论在工艺、控制器和功能设计上仍有相当的差距［1］。大部分的热水器都是采用单片机控制板作为控制器，控制模式简单、单一;参数一经设定就很难更改，或者至少需要重新载入程序［2-6］。太阳能热水器的使用受季节的影响较大［7］，如果单纯地设定一个控制策略很难适应四季的日照变化，也不能使太阳能的利用率达到最高。而且我国幅员辽阔，各地的气候情况不尽相同，也使依靠单一的控制模式不能达到好的控制效果。文中设计了一个使用Arduino Mega 2560单片机系统作为检测液位和温度的核心板，使用昆仑通泰触摸屏作为控制单元的太阳能热水器控制系统，不仅降低了控制器的成本，而且触摸屏的内置时钟可以为系统控制提供精确的时间参数。该系统可根据时间选择对应四季的控制模式，当选定模式后还可以很方便地在触摸屏上更改控制系统的各项参数，达到根据现场情况实时调整控制策略的目的;同时四季模式之间的切换时间也可以更改，以适应不同地域的需要。现从控制系统的硬件、软件两个方面对该太阳能热水器控制系统的设计思路进行说明。

1.4 统计学方法 采用SPSS 20.0统计软件分析数据。计数资料以百分比表示，采用χ2检验；计量资料以x±s表示，采用t检验。以P<0.05为差异有统计学意义。

1 系统硬件设计

控制系统硬件包括检测模块、继电器、modbus485通信模块、触摸屏以及终端控制设备，系统原理框图如图1所示。

①加大资金投入。全镇核桃产业不断发展，各级财政投入力度增加。②奖励扶持。扶持奖励政策通过积极争取上级干果基地和退耕还林项目，逐步壮大绿汁镇核桃产业的建设规模。结合退耕还林项目来进行的，在栽植过程中免费提供核桃种苗、化肥，种植户投工投劳和自备农家肥。③技术扶持。组建村级科技辅导队伍，加强技术指导，开展了核桃提质增效工作。

由图1可知，检测模块由温度传感器和液位传感器以及Arduino核心板组成。检测模块检测的参数为温度和液位，测温的传感器采用数字温度传感器DS18B20，主要测量太阳能集热器、水箱、上水管道、出水管道、用户管道等7个部位的温度。DS18B20测量温度范围为－55°C～+125°C之间，每个传感器都有一个独一无二的序列号，允许使用序列号查询不同的传感器，可以以菊花链的方式连在一起，几乎没有数量的限制，而所有的传感器只占用一个Arduino的引脚，但是其与单片机连接需要一个上拉电阻，原理图中的上拉电阻阻值为 4．7kΩ。

为了准确显示液位，采用5个开关量液位传感器，分别显示水箱液位的10%，30%，60%，90%，100%。5个开关量液位传感器分别接图1中的7～11引脚。

单片机的程序主要实现DS18B20测温、modbus485通信协议以及继电器的控制端口设置等。其主要工作过程为:单片机读取DS18B20检测到的温度，经过运算得到摄氏温度值后暂存在单片机的寄存器中，这些寄存器同触摸屏的数据T1～T7对应;通过modbus485通信协议实现数据在触摸屏中的显示和赋值;触摸屏处理数据得到的输出也要暂存在单片机的寄存器中，单片机根据相关寄存器的变化改变对应引脚的电平，达到控制继电器的目的。单片机部分源程序如下:

太阳能热水器的效果受日照的影响差别巨大，而日照主要受时间、地域、季节的影响，所以要想得到较好的控制效果，就要考虑这些因素。控制系统的流程如图3所示。

  

图1 热水器系统原理图

在5:00～15:00之间,站内出现由负荷和光伏发电引起的不平衡功率,电动汽车辅助储能电池进行充放电,SOC在充电时上升,在放电时下降,电动汽车的调制功率在-1 500～1 500 kW之间。

系统的工作原理:检测模块将检测到的温度和液位数值送到核心板，存放在指定寄存器中，通过modbus485协议［8-9］实现触摸屏和核心板的通信，触摸屏读取指定寄存器的监测数据后在屏上实时显示，并根据控制策略更改单片机中相应寄存器的值，从而达到改变输出以控制继电器的目的。继电器与终端设备连接，继电器控制的终端设备包括控制电加热器的接触器及水泵、电磁阀等。

2 控制系统软件设计

其中void setup(void)为ARDUINO单片机编程语言的设置程序，void loop()

  

图2 触摸屏数据格式设置

2．1 自动控制系统设计

从图3可以看出，系统在开始的时候检测日期，当到达对应的月、日后则进入相应的季节模式。每个季节模式又包括各自的自动运行模式和特有模式，根据系统时间进入相应的模式。而日期和时间都可以在触摸屏的参数设置界面方便地设置，使用户可以根据现场情况自主设定，从而达到适应不同地域不同用户需要的目的。各个季节模式的区别主要是电辅热的介入程度及水泵、阀门的开关时间等。季节特有模式主要是针对夏季的防炸管模式和冬季的防冻模式。比如某地某用户在冬季晚上17:00点后进入用热水高峰时间，在晚上23:30后，就不再使用热水，则可以设定相应的时间，当检测到进入冬季日期后则系统进入冬季模式，当时间到达17:00点后就进入冬季自动运行模式，当时间到达23:30后，由于室外温度低，且已不再使用热水，就需要自动进入防冻模式。而夏季模式在相应时间如果没有用户用水就只需要停止运行即可。

单片机采集到的传感器数据只是暂存在寄存器中，要实现单片机和触摸屏的信息交互，就要实现单片机同触摸屏的通信。系统采用modbus485通信模块，单片机的引脚输出为TTL电平，它的读、写引脚不能直接和触摸屏通信，需要一个TTL转RS485的电平互换模块，将它的RX引脚接单片机的TX引脚，TX引脚接单片机的RX引脚，电源和接地对应相连。

触摸屏是系统的控制单元，采用MCGS的TPC7062TX七寸屏。单片机检测到各部位的温度值后传给触摸屏，触摸屏根据系统时间确定控制策略并将控制数据发送给单片机以实现对继电器的控制。传感器采集到的温度、液位等数据暂存在单片机的寄存器中，要实现触摸屏同单片机的信息交互就要使触摸屏的读写设备通道同单片机的寄存器相对应，并设置为相同的数据格式。为了方便系统设计，将Arduino单片机中的1～200寄存器作为数据暂存的寄存器，将触摸屏的数据格式设定为第4区双字节读写型。部分数据设置如图2所示。

  

图3 控制系统流程图

2．2 单片机检测模块程序设计

完善班组的内部建设。将班组的日常工作落实到人，班组长应当负责做好班前提示、班前检查、班中巡查、班后清理、班后交接、班后小结，并按程序及时做好自检、互检、交接检记录，填写班组工作日志。同时通过定期培训、班前教育等活动，努力提高施工人员的质量、安全意识。

 

 

系统的软件包括2个部分:单片机程序和触摸屏程序。触摸屏中的程序主要实现系统的自动控制功能，单片机程序实现modbus485通信和8路DS18B20温度采集。

函数为程序运行循环部分。

讲析：（1）“巧妇难为无之炊”，是指没有米这种客观实在性的东西，就没法做饭。说明物质决定意识，这是唯物主义的观点。（2）“掩耳盗铃”说的是盗铃人怕别人听到钟声而捂住自己的耳朵。声音是客观存在的，决定它的也是客观性的东西，不论你怎样捂住耳朵，它都不会因此而消失。这是主观唯心主义的做法。

3 运行效果分析

根据上述的热水器控制系统功能，设计热水器控制系统的自动控制界面，运行效果如图4所示。

  

图4 控制系统自动运行界面

通过实际运行可以看到系统的出水温度始终保持恒定，而且在进入夜晚以后就自动进入循环模式以节省电能。在夏季的时候当热水器中的水温超过设定值时也不再循环，起到了防炸管的作用。通过验证得出，文中设计的热水器控制系统在冬季防冻、夏季防炸管的功能显著，在晚上根据用户自主设定时间自动停止运行，能够有效节省电能。

4 结论

文中在分析已有太阳能热水器控制系统的不足的基础上，设计了一种使用Arduino Mega 2560检测温度、液位，使用昆仑通泰触摸屏作为控制单元，采用modbus485通信的太阳能热水器控制系统，并给出了系统的硬件原理图和控制系统流程图，该系统能根据设定的日期自动进入适合的季节运行模式，根据现场的气候特点及使用情况自主设置运行参数，从而达到即满足供应热水需要又尽可能地利用太阳能资源节约电能的目的。这套系统在实验室环境中运行良好，经过近一年的运行检验，其效果稳定，能够满足实际运行的需要。

参考文献

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［2］ 王公堂．基于PIC16C72A的太阳能热水工程控制器的设计［J］．现代电子技术，2008(13):110-113．

［3］ 侯志敏，夏薇，黄波．大型太阳能热水工程控制系统设计［J］．现代电子技术，2011(18):204-206．

［4］ 张瑞芳，赵杰．国内外太阳能热水系统控制器对比［J］．太阳能，2011(12):50-51．

［5］ 关健，蔡声镇．面向集群应用的太阳能中央热水工程控制器的设计与实现［J］，福建师范大学学报(自然科学版)，2011，27(2):66-69．

［6］ 孔祥强，郝天熙，李瑛，等．全玻璃真空管太阳能热水系统实验平台设计［J］．实验室研究与探索，2016，35(7):56-59．

［7］ 岳效龙．太阳能热水系统运行保证率影响因素分析［J］．给水排水，2016，42(7):81-83．

［8］ 吴志杰，王新霞，孔凡敏，等．多路隔离的Modbus协议转换器的设计［J］．电子技术应用，2016，42(10):77-79．

［9］ 鲁刚强，王万岗，冉会中，等．一种RS485总线通讯终端的设计［J］．中国农机化学报，2016，37(5):227-231．