基于STC5A16AD的太陽能控制器的設計

侯金榮

德州職業技術學院基礎部，山東 德州 253034

0 引言

在太陽能熱利用技術中，太陽能熱水器是技術上比較成熟、造價比較低廉的產品，同時給人們提供不耗能源、保護環境、絕對安全的熱水而受到人們的歡迎。隨著太陽能熱水器的迅速推廣，廣大消費者對太陽能熱水器特別是太陽能熱水器控制器的要求越來越高。可編程控制器PLC、單片機等的出現大大提高了現代工業的自動化程度，改善了產品的工作性能。本設計是基于STC5A16AD的對熱水器水溫水位控制系統進行智能化改進。

1 本案設計特點

太陽能熱水器是由集熱系統、儲水箱、管路和水位水溫控制儀4部分組成。除水位水溫控制儀外，這3部分的功能和結構基本上大同小異。

本案設計特點是整機力求最低功耗的電路工作方式。

1）電源變換電路，這部分通過直流DC/DC轉換實現對整機供電。本案選用lm2575開關電源變換電路，具有低功耗和可關斷特點；2）水位、水溫傳感器測量電路，這部分用于采集水位量、水溫值并傳送給單片機，是水位水溫控制儀的關鍵部分；3）液晶顯示及按鍵輸入電路，這部分用于系統和人的信息交互，有對太陽能各項參數的直觀顯示，也有人對系統的控制。本案選用內置HP7565P點陣控制，能顯示128X64點陣圖形模塊；4）各種驅動電路，這部分有自保持電磁閥電路，0.5s斷續蜂鳴器，兩路光耦隔離輸出；5）時鐘電路，本案采用專用時鐘電路DS1302，給系統提供時間顯示和參考時間。內置31RAM可存儲單片機的參數設定值。

2 整機低功耗的實現方法

1）采用系統的本質低功耗設計，它包括從總體設計中對低功耗器件選擇、電路設計中防異常功耗以及提高電源轉換效率措施降低功耗。

2）系統的功耗管理設計，指系統在正常供電狀況下，通過系統軟件、硬件結合實現最小功耗運行的方法。

3）系統供電管理設計，指對處于無謂等待的電路器件及電路采取關斷電源方法來減少功耗。

3 降低功耗工作方式的設計方案

3.1 各單元電路功耗設計

1）單片機電路功耗設計 ：單片機選用深圳宏晶產STC5A16AD型新型單片機，晶振選用11.0592MHz，正常工作模式下典型消耗電流為2～7mA，通過CLK_DIV寄存器可對時鐘進行分頻，當按系統時鐘/64 運行時，實測消耗電流為1.1mA。本案采用高速、中速和低速的工作模式，當與人進行交互時，按高速模式運行；平常均按中速運行；電池電量生遇到50%時，無論與人交互還是檢測均按低速運行；2）顯示電路功耗設計：液晶顯示模塊選用COG模塊，不開啟LED背光時，消耗電流為0.5mA，開啟LED背光時消耗電流為30mA。平常工作時不開啟LED背光，但有按鍵動作時，開啟LED背光；若8s鐘過后沒有按鍵輸入，則自動關閉背光，降低電流消耗。另外，當電池電量剩余到40%時，LED背光不再開啟，一直等待到電池充電超過40%時再開啟LED背光；3）時鐘芯片功耗設計：時鐘芯片選用低功耗運行的PCF8563，該芯片在正常工作時消耗電流小于0.5mA；4）水溫水位檢測電路：本案為降低功耗專門采用6反相器74HC04進行控制，每秒鐘采樣一次，每次采樣時間為20ms且消耗電流4mA，其余時間均處于關斷狀態，消耗電流為10mA；5）驅動電路電流設計：電加熱電路設計采用根據程序設定輸出控制信號，具體采用光耦TLP521驅動市電板控制電阻絲進行電加熱，為此啟動電加熱時消耗電流為2.5mA。啟動蜂鳴器時消耗電流為5mA。

3.2 電磁閥選用

市場上所售的水位水溫測量儀基本采用通用的電磁閥。通用的電磁閥沒有極性要求，給電磁閥加12V電源，電磁閥吸動，上水開關接通，向儲水箱內加水。當上水達到設定值后，電磁閥斷電，停止向水箱內上水。這種電磁閥功耗比較大，上水和防水的時間加起來差不多超過2個多小時，按普通電磁閥功耗進行計算，大概需要30VA時。為此，在本方案設計中借鑒暖氣供暖中熱力表的設計原理，采用自保持電磁閥。

4 本方案水位水溫電路的設計

本案設計只使用兩根線即可測量水溫和水位。可進行8個點水位測量，最大可擴展到測量12點水位。測量水溫采用二極管測量法，實測精度超過熱敏電阻測量精度。

測量溫度：控制1端輸出低電平，水位測量端呈現高阻狀態，控制2端和控制3端輸出低電平，此時D1和D2二極管導通，延時5毫秒，從溫度測量端測量電壓，再通過緩沖放大器和差分放大器，輸出與溫度成比例的電壓信號，由單片機讀取并顯示。采用檢波二極管做溫度傳感器，主要是因為硅管PN結具有較好的線性，當正向電流一定時，溫度每升高1度，其正向電壓下降約2mA，并且可以工作在-50℃□150℃的范圍內。實測其線性度和靈敏度均比熱敏電阻高一個數量級。

測量水位：由于溫度測量端接運算放大器的同相端，此端對外呈現高阻狀態，為測量水位，將控制1端置高電平，控制3端置高電平，控制2端置低電平。此時，二極管D1和D2截止，通過水面從R1到R8進行并聯，與水位相對應電阻值如下：高電平、4M、3M、2M、1.5M、1M、830K、660K，8個電阻值也即8個水位點。無需進行線性放大器放大，直接由單片機AD口采樣并直接顯示。

測量一次水位和水溫需要10ms，每秒鐘測量一次，其余時間將控制1端、控制2端置高電平，控制3端置低電平，徹底將水溫水位傳感器關斷，避免由于水電離作用腐蝕水位測量點。能有效延長水位傳感器使用壽命。

通過近半年測試，水位傳感器的測點未發現有任何腐蝕的跡象，已達到預期設計效果。

5 軟件控制流程

軟件編制分為初始化部分和主循環檢測部分。

初始化過程主要完成初始狀態字（FLAGDATA）、初始數據的設定。從單片機上電開始→液晶顯示片初始化（設定格式、開機動畫、標志）→時鐘芯片 PCF8563初始化（開啟時鐘振蕩器＼讀實時時鐘）→設置整機運行參數→檢測水溫值并顯示→檢測水位值并顯示→轉主循環

主循分為檢測和執行部分。主循環過程→檢測按鍵輸入→檢測水溫水位→讀時鐘芯片→檢測太陽能電池板以及鋰電池電壓→繼續執行主循環個子程序。