一種基于單片機(jī)的太陽能熱水器控制器*

余 斌

(湖州師范學(xué)院 教務(wù)處，浙江 湖州 31300)

在實(shí)際的生產(chǎn)生活中，太陽能熱水器應(yīng)用非常廣泛，它利用陽光加熱，有利于環(huán)保，而不像其他常規(guī)能源那樣會造成大氣污染;它常置于建筑物的樓頂，通過控制器控制熱水的使用，安全方便;另外，中國人口眾多，常規(guī)能源相對不足，而太陽能資源十分豐富。因此太陽能熱水器在中國具有廣闊的市場前景［1－2］。

控制器是太陽能熱水器的核心，在熱水器使用中起到關(guān)鍵作用，它主要有水溫水位的控制與顯示:水流通斷控制、報(bào)警等功能。STC12C5A32AD是宏晶公司推出的一款完全兼容8051的單片機(jī)。本文設(shè)計(jì)的基于STC12C5A32AD的太陽能熱水器控制器結(jié)構(gòu)簡單、功能完善，并較好的解決目前太陽能熱水器控制器存在的一些問題［3］。

1 控制器的總體結(jié)構(gòu)

圖1為系統(tǒng)的硬件總體框圖。控制核心采用STC12C5A32AD單片機(jī)為主控芯片，用水位和溫度傳感器來采集水位水溫信息，通過編程實(shí)現(xiàn)其他各個模塊的控制功能。用按鍵設(shè)置最高水位和最高水溫以及其他被控參數(shù)，通過液晶顯示屏顯示水位水溫值。通過驅(qū)動電路外接電加熱管和電磁閥，用于電加熱和上水功能。另外，通過單片機(jī)監(jiān)控實(shí)現(xiàn)高溫報(bào)警和低水位報(bào)警等功能。

2 主要硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 水位傳感器及其測量電路

水位傳感器采用電極式，其原理是通過傳感器筒體內(nèi)不同長度的不銹鋼電極棒與水箱內(nèi)水的接觸和脫離，發(fā)出不同水位的信號。當(dāng)傳感器接觸的水位不同時(shí)，傳感器的等效電阻就不同，通過測量傳感器兩端等效電阻，即可測出水位。傳感器等效電阻可通過放大電路轉(zhuǎn)換成電壓值輸出，便于單片機(jī)自動測量，測量電路如圖2所示。圖中LM358是一個雙運(yùn)放，主要用來組成放大電路，將水位傳感器的等效電阻轉(zhuǎn)換成電壓輸出并送至單片機(jī)P1.0。因?yàn)镾TC12C5A32AD單片機(jī)內(nèi)自帶AD功能，而P1.0為單片機(jī)模擬信號輸入引腳，所以輸入的模擬電壓信號在單片機(jī)里轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過軟件編程，最終在顯示屏上顯示當(dāng)前的水位值。

2.2 溫度傳感器

DS18B20是DALLAS公司生產(chǎn)的單總線式數(shù)字溫度傳感器，可以直接將溫度轉(zhuǎn)換成9位二進(jìn)制數(shù)字的串行信號給單片機(jī)，測量的溫度范圍為－55℃ ～+125℃，可編程9～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，可達(dá)到0.0625℃的測溫分辨率，用戶可以定義非易失性溫度報(bào)警設(shè)置［4］。

2.3 電磁閥、泵及電加熱管驅(qū)動電路

電磁閥、泵及電加熱管驅(qū)動電路主要由光電耦合器P521－4，功率驅(qū)動芯片ULN2003以及繼電器三部分組成，共同完成對電磁閥和泵的驅(qū)動。本設(shè)計(jì)主要用了兩個獨(dú)立的繼電器，分別實(shí)現(xiàn)自動上水和電加熱管加熱。繼電器開關(guān)K1打開，電磁閥、泵打開，自動上水;繼電器開關(guān)K2打開，電磁閥打開，外接電加熱管開始工作。如圖3所示為電磁閥、泵、電加熱管驅(qū)動電路。當(dāng)單片機(jī)P1.4或P1.5為低電平時(shí)，P521－4光電藕合導(dǎo)通，A1、A2為高電平，經(jīng)功率驅(qū)動芯片ULN2003后J1、J2輸出低電平，則繼電器K1，K2動作。反之，當(dāng)單片機(jī)P1.4或P1.5為高電平時(shí)，P521－4光電藕合不導(dǎo)通，R23和R24為下拉電阻，使得A1、A2為低電平，經(jīng)功率驅(qū)動芯片ULN2003后J1、J2輸出高電平，則繼電器K1，K2不動作。這樣可完成對電磁閥、泵、電加熱管等大功率器件的控制。

2.4 按鍵電路與顯示電路

如圖4所示為系統(tǒng)按鍵電路。本設(shè)計(jì)采用五個獨(dú)立按鍵;KEY1為加功能按鍵，KEY2為減功能按鍵，KEY3為功能鍵，KEY4為確定按鍵;KEY5為強(qiáng)制進(jìn)水按鍵。具體操作過程為:按功能鍵一次，進(jìn)設(shè)置界面，通過加減鍵可以進(jìn)入水位或水溫控制界面，在水位或水溫設(shè)置界面下，通過確定鍵和加減鍵可以設(shè)置水位水溫的上下限。需要說明的是，進(jìn)入設(shè)置界面后功能鍵相當(dāng)于返回鍵。強(qiáng)制進(jìn)水鍵啟動時(shí)實(shí)現(xiàn)手動上水功能，確定鍵按下進(jìn)行手動加熱［5］。

應(yīng)用LCD12864液晶顯示器實(shí)現(xiàn)簡單的菜單功能，作為前面所說水位、按鍵等功能的顯示［6］。

2.5 聲光報(bào)警電路

系統(tǒng)具有報(bào)警功能，主要由蜂鳴器和發(fā)光二極管組成，有三個發(fā)光二極管作為報(bào)警燈，報(bào)警燈LED1接單片機(jī)的P2.5腳，LED2接單片機(jī)的P2.6腳，LED3接單片機(jī)的P2.7腳，蜂鳴器電路中FM接單片機(jī)的P1.2腳。如圖4所示，通過與單片機(jī)的軟件編程實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。當(dāng)FM為低電平時(shí)，8550導(dǎo)通，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲，當(dāng)LED1，LED2或LED3為低電平時(shí)，對應(yīng)發(fā)光二極管亮。LED1燈亮，蜂鳴器響，做高溫報(bào)警作用，LED2燈亮，蜂鳴器響，做高水位報(bào)警作用，LED3燈亮，蜂鳴器響，起低水位報(bào)警作用［7］。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體程序流程圖如圖5所示，開始之后，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，DS18B20開始工作，讀取溫度值并顯示，以及進(jìn)行相應(yīng)的處理，比如當(dāng)溫度低于下限值時(shí)進(jìn)行電加熱，溫度高于上限值時(shí)停止輔助加熱并進(jìn)行報(bào)警等。接下來水位傳感器采集水位信號，顯示水位值并進(jìn)行相應(yīng)的處理，水位的處理包括當(dāng)水位值低于補(bǔ)水水位時(shí)進(jìn)行自動上水，到達(dá)上限水位時(shí)停止上水并報(bào)警等。最后是按鍵掃描和處理，掃描是否有按鍵按下，判斷分別是哪些按鍵按下并進(jìn)行相應(yīng)的動作。

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)主要介紹了基于STC12C5A32AD的太陽能熱水器控制器。通過軟硬件設(shè)計(jì)及系統(tǒng)調(diào)試，基本能現(xiàn)實(shí)預(yù)期功能。該系統(tǒng)具有節(jié)能，安全，綠色等優(yōu)點(diǎn)，其創(chuàng)新之處在于克服了傳統(tǒng)太陽能熱水器的季節(jié)性和間歇性，利用外加熱裝置很好地解決了這一缺點(diǎn)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

［1］吳貴輝.我國太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景、現(xiàn)狀及遠(yuǎn)期目標(biāo)［J］.可再生能源，2003(06).

［2］劉貞先，徐 健，傅 軍.中國太陽能熱水器市場環(huán)境分析［J］.節(jié)能與環(huán)保，2007(12).

［3］徐 瑋，沈建良.單片機(jī)快速入門［M］.北京航空航天大學(xué)出版社，2008:206－278.

［4］曾健平，謝海情，周永峰.智能太陽能熱水器水溫水位控制系統(tǒng)［J］.計(jì)量技術(shù)，2006(12):13－16.

［5］鮑文勝.基于單片機(jī)的太陽能熱水器控制系統(tǒng)研究［J］.青島理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(05):79－80.

［6］周 鵬.基于STC89C52單片機(jī)的多功能數(shù)字測溫儀設(shè)計(jì)［J］.電子世界，2012(13):25－27.

［7］陳 杰，黃 鴻.傳感器與檢測技術(shù)［M］.北京:高等教育出版社，2002:125.