基于STM32微處理器的熱水器控制器的設計

趙淑萍 鹿傳架

【摘 要】本文采用STM32單片機作為核心處理器，利用內部RTC萬年歷，為系統提供時間及日期，使用固態繼電器進行電平等級轉換，控制時間由單片機內部的定時器計數器提供，由數字式溫度傳感器DS18B20讀取外部溫度數據并傳輸到計算機內部。由液晶屏LCD1602顯示溫度、時間，聯合控制開關輸出想要的數據?？梢詫崿F人機交互、水位控制、溫度控制、漏電保護及聲音報警等功能，本系統工作可靠穩定、抗干擾能力強，大大提高了電熱水器的安全性、智能化和數字化。

【關鍵詞】STM32單片機；液晶屏LCD1602；溫度傳感器DS18B20

一、設計方案

（一）系統整體設計方案

圖1 系統整體設計方案

（二）實現功能

設計的智能電熱水器將要實現的功能：1、對溫度精確控制；2、可靠的水位采集電路，實時采集水位供查詢時進行顯示，當水位過低時給出提示并停止加熱，防止干燒；3、開機方式有立即開機和定時開機兩種；4、自動檢測熱水器是否處于正常工作狀態，并具有調溫、恒溫、防干燒、防超高溫、防漏電等多項自檢功能，使用戶在使用過程中安全更有保障。

二、硬件設計

（一）人機交互電路設計

人機交互界面包括鍵盤與液晶顯示兩部分，通過鍵盤操作實現對電熱水器的控制操作，從液晶顯示界面了解熱水器的工作參數與狀態。其中，通過鍵盤進行的操作主要有設定水位和溫度，液晶顯示部分顯示設定水位和溫度值，以及當前的水位和溫度值。

1、矩陣式鍵盤。為了方便智能熱水器控制器功能的選擇，我們采用矩陣式鍵盤，矩陣式鍵盤的工作原理：按鍵設置在行、列線交點上，行、列線分別連接到按鍵開關的兩端。行線通過上拉電阻接到+5V電源上。無按鍵按下時，行線處于高電平的狀態，而當有按鍵按下時，行線電平與此行線相連的列線電平決定。

2、液晶顯示。液晶顯示器是一種采用了液晶控制透光度技術來實現色彩的顯示器。和CRT顯示器相比，LCD的優點是很明顯的。由于通過控制是否透光來控制亮和暗，當色彩不變時，液晶也保持不變，這樣就無須考慮刷新率的問題。本系統顯示部分用的是LCD液晶模塊，采用一個16×2的字符型液晶顯示模塊。

LCD1602液晶模塊采用HD44780控制器[1]，hd44780具有簡單而功能較強的指令集，可以實現字符移動，閃爍等功能，LM016L與單片機MCU通訊可采用8位或4位并行傳輸兩種方式，完全滿足本系統設計的顯示需求。

（二）溫度采集電路設計

本系統設計所選取的溫度傳感器型號為DS18B20，該傳感器由美國達拉斯公司研發設計，采集到的溫度值以9位數字的形式進行顯示[2]。DS 18B20為采用串口方式進行數據傳輸的單總線數字溫度傳感器，在其芯片內部集成了溫度測量和A/D轉換功能，具有單總線結構，能直接與微機相連，數字量直接輸出；既可以用它組成單路測溫電路，也可以用它組成多路測溫電路。在硬件電路設計上，DS18B20與單片機的連接方式有兩種方法，一種是Vcc接外部電源，GND接地，DQ引腳與單片機的I/O口線相連；另一種是用寄生電源供電，此時Vcc、GND接地，DQ引腳與單片機I/O口連接。無論是內部寄生電源供電還是外部供電，I/O口線都要接5KΩ的上拉電阻，因為當傳感器DS 18B20處于寫存儲器操作和溫度A/D轉換步驟時，在總線上必須有較強的上拉，上拉開啟時間最大為l0us，這樣操作可以有效地降低功耗。本系統采用外部3.3V供電的方式，其電路連接如圖2所示。

圖2 DS18B20溫度采集電路

（三）水位檢測電路

本系統中的水的深度是通過不同深度的水位與水底電極之間的電勢差來判斷的。具體檢測原理如下：第一，單片機輪流向不同水位的電極輸出高電平；第二，通過公共電極來實現對不同水位的電位轉換，如果水位達到對應的電極，那么輸出低電平，反之輸出高電平；第三，循環檢測電壓值，每次得到4個串行數據，通過對該數據進行分析來實現對水位的判斷，然后通過顯示屏顯示，從而完成對水位的檢測過程。

（四）漏電檢測及報警電路

為了保證熱水器使用者的安全，漏電檢測功能是控制器必須具備的功能[3]。檢測電路，在正常情況下，漏電檢測集成電路輸出低電平；當出現漏電電流時，漏電信號可以經過集成電路M54123L放大輸出并經三極管倒相后輸出至CPU。CPU接收到漏電信號，則停止加熱保溫及鍵盤操作，結束程序并發出報警信號，電源指示燈閃爍警示，蜂鳴器連續嗚響。

三、軟件設計

（一）主程序流程圖

該控制器的功能實現是通過鍵盤掃描和溫度傳感器以及水位傳感器（探針式）循環掃描，把信息傳遞給單片機。通過單片機中已編的程序來控制外部加熱裝置和進、出水裝置的。該控制器的所有功能只需要在鍵盤上操作就可以完成。

首先單片機一直在循環檢測溫度和水位以及在循環掃描鍵盤。循環檢測溫度和水位就是要適時地把當前的水溫和水位反映出來。鍵盤掃描主要是便于適時的接受用戶的操作信息，從而就可以達到我們控制和設置水溫水位的目的。該控制電路的程序流程圖如圖3所示：

【參考文獻】

[1]于志贛.LCD1602模塊的應用[J].機電技術，2009 （3） ：5-8.

[2]高峰，孫成權，劉全根等.太陽能開發利用的現狀及發展趨勢[J].世界科技研究與發展，2001， 23 （4） ： 35-39.

[3]季曉芳，張春來.家用電熱水器控制系統的實驗研究[J].電子測試，2009 （10） ：77-80.